年产三万吨啤酒厂啤酒发酵工艺的设计.doc

一、啤酒生产相关知识简介1.1 啤酒酿造工艺流程图1 啤酒酿造图1：原料贮仓2：麦芽筛选机3：提升机4：麦芽粉碎机5：糖化锅6：大米筛选机7：大米粉碎机8：糊化锅9：过滤槽10：麦糟输送11：麦糟贮罐12：煮沸/回旋槽13：外加热器14：酒花添加罐15：麦汁冷却器16：空气过滤器17：酵母培养及添加罐18：发酵罐19：啤酒稳定剂添加罐20：缓冲罐21：硅藻土添加罐22：硅藻土过滤机23：啤酒清滤机24：清酒罐25：洗瓶机26：罐装机27：啤酒杀菌机28：贴标机29：装箱机1.2酿造啤酒的原料酿造啤酒的主要原料是大麦，水，酵母，酒花。1.3麦汁的制备其主要过程有原辅料粉碎，糖化，醪液过滤，麦汁煮沸，麦汁后处理等几个过程。啤酒是发酵后直接饮用的饮料酒，因此，麦汁的颜色，芬香味、麦汁组成有一些会影响啤酒的风味、有一些影响发酵、最终也影响啤酒的风味。麦汁组成中影响发酵的主要因子是：原麦汁浓度、溶氧水平、pH值、麦汁可发酵性糖含量、-氨基酸、麦汁中不饱和脂肪酸含量等。1.4啤酒的发酵冷却后的麦汁添加酵母以后，便是发酵的开始，整个发酵过程可以分为：酵母恢复活力阶段，有氧呼吸阶段，无氧呼吸阶段。酵母接种后，开始在麦汁充氧的条件下，恢复其生理活性，以麦汁中的氨基酸为主要的氮源，可发酵糖为主要的碳源，进行呼吸作用，并从中获取能量而发生繁殖，同时产生一系列的代谢副产物，此后便在无氧的条件下进行酒精发酵。二、 30000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算 啤酒厂糖化车间的物料平衡计算主要项目为原料（麦芽、大米）和酒花用量，热麦汁和冷麦汁量，废渣量（糖化槽和酒花槽）等。2.1 糖化车间工艺流程示意图 根据我国啤酒生产现况，有关生产原料配比、工艺指标及生产过程的损失等数据如表1所示。图2 啤酒厂糖化车间工程流程示意图2.2 工艺技术指标及基础数据根据表1的基础数据，首先进行100kg原料生产10淡色啤酒的物料计算，然后进行100L 10淡色啤酒的物料衡算，最后进行30000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。表1 啤酒生产基础数据项 目名 称百分比（%）项 目名 称百分比（%）定额指标无水麦芽浸出率78原料配比麦 芽70大 米30无水大米浸出率90啤酒损失率（对热麦汁）冷却损失7发酵损失2原料利用率98过滤损失1麦芽水分6装瓶损失2大米水分12总 损 失122.3 100kg原料（70%麦芽，30%大米）生产10淡色啤酒的物料衡算(1)热麦计算 根据表1可得到原料收率分别为：麦芽收率为： 78%(100-6) %=73.32%大米收率为： 90%(100-12) %=79.2%混合原料收得率为： （0.7073.32%+0.3079.2%）98%=73.58%由上述可得100kg混合料原料可制得的10热麦汁量为： （73.58%100）10%=735.8(kg)又知10麦汁在20时的相对密度为1.084，而100热麦汁比20时的麦汁体积增加1.04倍，故热麦汁（100）体积为： 735.8(1.0841000)10001.04=705.93(L)(2)冷麦汁量为：705.93(1-0.07)=656.52(L)(3)发酵液量为：656.52(1-0.02)=643.39(L)(4)过滤酒量为：643.39(1-0.01)=636.95(L)(5)成品啤酒量为：636.95(1-0.02)=624.22(L)2.4 生产100L10淡色啤酒的物料衡算根据上述衡算结果知，100kg混合原料可生产10淡色成品啤酒624.22L，故可得以下结果：（1）生产100L10淡色啤酒需耗混合原料量为：（100/624.22）100=16.02 (kg)（2）麦芽耗用量为：16.0270%=11.21(kg)（3）大米耗用量为：16.02-11.21=4.81(kg)（4）酒花耗用量：对浅色啤酒，热麦汁中加入的酒花量为0.2%，故为：(100/624.22) 735.80.2%=0.24(kg)（5）热麦汁量为：（16.02/100）705.93=113.09(L)（6）冷麦汁量为：（16.02/100）656.52=105.18(L)（7）湿糖化糟量 设热电厂出的湿麦芽糟水分含量为80%，则湿麦芽糟量为：（1-0.06）（100-78）/（100-80）11.21=11.59(kg)而湿大米糟量为：（1-0.12）（100-90）/（100-80）4.81=2.12(kg)故湿糖化糟量为：11.59+2.12=13.71(kg)（8）酒花糟量 设麦汁煮沸过程干酒花浸出率为40%，且酒花糟水分含量为80%，则酒花糟量为：（100-40）/（100-80）0.24=0.72(kg)2.5 30000t/a 10淡色啤酒酿造车间物料衡算表设生产旺季每天糖化8次，而淡季则糖化4次，每年总糖化次数为1800次。由此可计算出每次投料量及其他项目的物料平衡。把述的有关啤酒厂酿造车间的三项物料衡算计算结果，整理成物料衡算表，如表2所示。表2 啤酒厂酿造车间物料衡算表物料名称单位对100kg混合原料100L 10度淡色啤酒糖化一次定额量30000t/a啤酒生产混合原料Kg10016.022638.344.75106大麦Kg7011.211846.843.325106大米Kg304.81791.51.425106酒花Kg1.500.2439.537.12104热麦汁L705.93113.0918628.7133.53106冷麦汁L656.52105.1817324.731.19106湿糖化糟Kg72.3511.591909.243.44106湿酒花糟Kg4.500.72118.602.13105发酵液L643.39103.0716978.3530.56106过滤酒L636.95102.0416808.430.26106成品啤酒L624.22100.0016469.0429.64106备注：10度淡色啤酒的密度为1012kg/m3三、 30000t/a啤酒厂糖化车间的热量衡算二次煮出糖化法是啤酒常用的糖化工艺，下面就以为基准进行糖化车间的势量衡算。工程流程示意图如图2所示，其中的投料量为糖化一次的用料量（计算参表2）3.1 糖化用水耗热量Q1根据工艺，糊化锅加水量为：G1=（791.5+158.3）4.5=4274.1(kg)式中，791.5kg为糊化一次大米粉量，158.3kg为糊化锅加入的麦芽粉量（为大米量的20%）图3 啤酒厂糖化工艺流程图而糖化锅加水量为： G2=1688.543.5=5909.89(kg)式中，1688.54kg为糖化一次糖化锅投入的麦芽粉量，即1846.84-158.3=1688.54(kg)而1846.84kg为糖化一次麦芽定额量。故糖化总用水量为：GW=G1+G2=4274.1+5909.89=10183.99(kg) (1)自来水的平均温度取t1=18,而糖化配料用水温度t2=50,故耗热量为：Q1=(G1+G2)cw(t1-t2)=10183.99(50-18) 4.18=1362210.5(KJ) (2)3.2 第一次米醪煮沸耗热量Q2由糖化工艺流程图（图3）可知: Q2= Q21Q22Q23(3)3.2.1 糖化锅内米醪由初温t0加热到100的耗热量Q21Q21=G米醪C米醪（100-t0） (4)(1) 计算米醪的比热容G米醪根据经验公式G容物=00.1(100-W)c0+4.18W进行计算。式中W为含水百分率；c0为绝对谷物比热容，取c0=1.55KJ/(KgK).C麦芽=0.01（100-6）1.55+4.186=1.71KJ/(KgK)C大米=0.01（100-12）1.55+4.1812=1.87KJ/(KgK)C米醪=（G大米c大米+G麦芽c麦芽+ G1cw）/(G大米+G麦芽+ G1) （5） =(791.51.87+158.31.71+4274.14.18/( 791.5+158.3+4274.1) =3.76 KJ/(KgK)(2) 米醪的初温t0设原料的初温为18，而热水为50，则 t0 =（G大米c大米+G麦芽c麦芽）18+ G1cw50/( G米醪C米醪) （6）=(791.51.87+158.31.71) 18+4274.14.1850/（5183.93.76）=47.5其中G米醪 =791.5+158.3+4274.1=5183.9（kg）（3）把上述结果代如1中，得： Q21=5183.93.76（100-47.5）=1023301.86 KJ3.2.2 煮沸过程蒸汽带出的热量Q22 设煮沸时间为40min，蒸发量为每小时5%，则蒸发水量为： V1=G米醪5%40/60=5183.95%40/60=172.80 Kg （7） 故Q22= V1I=172.802257.2=390036.637 KJ （8）式中，I为煮沸温度（约为100）下水的汽化潜热（KJ/Kg）3.2.3 热损失Q23 米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为前两次的耗热量的15%，即： Q23=15%（Q21+Q22） （9）3.2.4 由上述结果得： Q2=1.15（Q21+Q22）=1.15（1023301.86+390036.637）=1625339.28 KJ （10）3.3 第二次煮沸前混合醪升温至70的耗热量Q3按照糖化工艺，来自糊化锅的煮沸的米醪与糖化锅中的麦醪混合后温度应为63，故混合前米醪先从100冷却到中间温度t0。3.3.1 糖化锅中麦醪中的t已知麦芽初温为18，用50的热水配料，则麦醪温度为：G麦醪=G麦芽+G2=1688.54+5909.89=7598.43 kg (11)c麦醪=（G麦芽C麦芽+G2Cw）/（G麦芽+G2）=（1688.541.71+5909.894.18）/（1688.54+5909.89） （12）=3.63KJ/(kg.K)t麦醪=（G麦芽C麦芽18+G2Cw50）/（G麦醪C麦醪） =（1688.541.7118+5909.894.1850）/（7598.433.63） （13） =46.673.3.2 根据热量衡算，且忽略热损失，米醪与麦醪混合前后的焓不变，则米醪的中间温度为：G混合=G米醪+G麦醪=5183.9+7598.43=12782.33 Kg （14）C混合=（G米醪C米醪+G麦醪C麦醪）/（G米醪+G麦醪） （15）=（5183.93.76+7598.433.63）/12782.33=3.68kJ/（kgK）t=（G混合C混合t混合-G麦醪C麦醪t麦醪）/（G米醪C米醪） （16）=（12782.333.6863-7598.433.6346.67）/（5183.93.76）=863.3.3 Q3Q3=G混合C混合（70-63）=12782.333.68（70-63）=329272.821（kJ） （17）3.4 第二次煮沸混合醪的耗热量Q4由糖化工艺流程可知：Q4=Q41+Q42+Q43 （18）3.4.1 混合醪升温至沸腾所耗热量Q41（1）经第一次煮沸后米醪量为：G/米醪=G米醪-V=5183.9-172.80=5011.1(kg) （19）糖化锅的麦芽醪量为：G麦醪=G麦芽+G2=1688.54+5909.89=7598.43 (kg) （20）故进入第二次煮沸的混合醪量为：G混合=G/米醪+G麦醪=5183.9+7598.43=12782.33 (kg) （21）（2）根据工艺，糖化结束醪温为78，抽取混合醪的温度为70，则送到第二次煮沸的混合醪量为：G混合(78-70)/G混合(100-70)100%=26.7% （22）（3）麦醪的比热容 c麦醪=（G麦芽C麦芽+G2Cw）/（G麦芽+G2）=（1688.541.71+5909.894.18）/（1688.54+5909.89） （23）=3.63KJ/(kg.K)混合醪比热容：C混合=（G/米醪c米醪+G麦醪c麦醪）/（G/米醪+G麦醪） （24）=（5183.93.76+7598.433.63）/12782.33=3.68kJ/（kgK）（4）故Q41=26.7%G混合c混合（100-70）=376782.184（kJ） （25）3.4.2 二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q42煮沸时间为10min，蒸发强度5%，则蒸发水分量为：V2=G混合5%10/60 =12782.335%10/60 =106.52(kg)Q42=IV2=2257.2106.52=240435.628 (kJ) （26）式中，I为煮沸温度下饱各蒸汽的焓（kJ/kg）3.4.3 热损失Q43根据经验有：Q42=15%（Q41+Q42） （27）3.4.4 把上述结果代入公式（27）得Q4 =1.15(Q41+Q42) =1.15(376782.184+240435.628) =709800.484 (kJ) （28）3.5 洗槽水耗热量Q5设洗槽水平均温度为80，每100kg原料用水450kg，则用水量为:G=2638.34450/100=11872.53(kg)故 Q5=GCw(80-18)=11872.534.18(80-18)=3076884.87(kJ) （29）3.6 麦汁煮沸过程耗热量Q6 （30）3.6.1 麦汁升温至沸点耗热量Q61由表2啤酒厂酿造车间物料衡算表可知，100kg混合原料可得到735.8kg热麦汁，并设过滤完毕麦汁温度为70，则进入煮沸锅的麦汁量为：G麦汁 =2638.34735.8/100=19412.91（kg）又C麦汁=（1846.841.71+791.51.89+2638.346.44.18）/（2638.347.4） =3.85(kJ/kg.k)故Q61= G麦汁C麦汁 (100-70)=19412.913.8530=2242190.61(kJ) (31）3.6.2 煮沸强度10%，时间1.5h，则蒸发水分为：V3=19412.9110%1.5=2911.94(kg)故Q62=I V3=6572821.62(KJ) (32）3.6.3 热损失为 (33）3.6.4 把上述结果代入上式得出麦汁煮沸总耗热 Q6 =1.15(Q61+ Q62)=10137264.1(KJ) (34）3.7 糖化一次总耗热量Q总Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 = 17240772.1（KJ） （35）3.8 糖化一次砂耗用蒸汽用量D使用表压0.3MPa的饱和蒸汽，I=2725.3Kj/kg,则：D= Q总/（I-i）= 17240772.1/(2725.3-561.47) 95% （36）=8387.06(kg/h)式中，i为相应冷凝水的焓（561.47kJ/kg）；为蒸汽的热效率，取=95%。3.9 糖化过程每小时最大蒸汽耗量Qmax在糖化过程各步骤中，麦汁煮沸耗热量Q6为最大，且已知煮沸时间为90min热效率为95%，故：Qmax=Q6/(1.595%)=10137264.1/(1.595%)=7113869.55(KJ/h) （37）相应的最大蒸汽耗量为：Dmax=Qmax/（I-i）=7113869.55/(2725.3-561.47)=3287.63 (kg/h) （38）3.10 蒸汽单耗据设计，每年糖化次数为1800次，总共生产啤酒30000t.年耗蒸汽总量为：Dr=8387.061800=15096708(Kg)每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）：D5=15096708/30000=503.22(kg/t啤酒)每昼夜耗蒸汽量（生产旺季算）为：Dd=8387.06 8=67096.48(kg/d)至于糖化过程的冷却，如热麦汁被冷却成热麦汁后才送井发酵车间，必须尽量回收其中的热量。最后若需要耗用冷冻水，则在以下“耗冷量计算”中将会介绍最后，把上述结果列成热量消耗综合表，如表3表3 30000t/a啤酒厂糖化车间总热量衡算表名称规格（MPa）每吨消耗定额（kg）每小时最大用量（kg/h）每昼夜消耗量（kg/d）每年消耗量（kg/a）蒸汽0.3（表压）503.223287.6367096.4815096708四、 30000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量衡算啤酒发酵工艺有上面发酵和下面发酵两大类，而后者有传统的发酵槽发酵和锥形罐发酵等之分8。不同的发酵工艺，其耗冷量也随之改变。下面以目前我国应用最普遍的锥形罐发酵工艺进行20000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量计算。4.1 发酵工艺流程示意图 冷却94热麦汁 冷麦汁（6） 锥形灌发酵 过冷却至-1 贮酒 过滤 清酒灌图4 发酵工艺流程4.2 工艺技术指标及基础数据 年产10淡色啤酒30000t;旺季每天糖化8次，淡季为4次，每年共糖化1800次;主发酵时间6天； 4锅麦汁装1个锥形罐； 10Bx麦汁比热容c1=4.0KJ/（kgK）； 冷媒用15%酒精溶液，其比热容可视为c2=4.18 KJ/（kgK）； 麦芽糖化厌氧发酵热q=613.6kJ/kg；麦汁发酵度60%。根据发酵车间耗冷性质，可分成工艺耗冷量和非工艺耗冷量两类，即： （39）4.3 工艺耗冷量4.3.1 麦汁冷却耗冷量Q1 近几年来普遍使用一段式串联逆流式麦汁冷却方法9。使用的冷却介质为2的冷冻水，出口的温度为85。糖化车间送来的热麦汁温度为94，冷却至发酵起始温度6。根据表2啤酒生产物衡酸表，可知每糖化一次热麦汁20053L，而相应的麦汁密度为1048kg/m3,故麦汁量为：G=104818.62871=19522.89(kg)又知100 Bx麦汁比热容C1=4.0KJ/(Kgk),工艺要求在1h小时内完成冷却过程，则所耗冷量为：Q1 =GC（t1-t2）/ (40) =19522.894.0(94-6)/1=6872056.61(KJ/h)式中t1和t2分别表示麦汁冷却前后温度（） 冷却操作过程时间（h）根据设计结果，每个锥形发酵罐装4锅麦汁，则麦汁冷却每罐耗冷量为：Qf=4Q1=46872056.61=27488226.42(kJ) (41)相应地冷冻介质（2的冷冻水）耗量为：Mf=Q1/Cm（t4-t3）= 6872056.61/4.18(85-2)=19807.62(kg/h) (42)式中，t3和t4分别表示冷冻水的初温和终温（） Cm水的比热容KJ/（kgK）4.3.2 发酵耗冷量Q2（1）发酵期间发酵放热Q21，假定麦汁固形均为麦芽糖，而麦芽糖的厌氧发酵房热量为613.6kJ/kg。设发酵度为60%，则1L麦汁放热量为：q0=613.610%60%=36.82(kJ)根据物料衡算，每锅麦汁的冷麦汁量为17324.7L,则每锥形缺罐发酵放热量为：Q01=36.8217324.74=2551581.82(kJ)由于工艺规定主发酵时间为6天，每天糖化8锅麦汁（旺季），并考虑到发酵放热不平衡，取系数1.5,忽略主发酵的升温，则发酵高温时期耗冷量为：Q21 =（Q011.57）/(2464) =(2551581.821.57)/(2464) =46513.21(kJ/h)(2)发酵后期发酵液降温耗Q22主发酵后期，发酵后期，发酵液温度从6缓降到-1。每天单罐降温耗冷量为：Q02=4GC16-（-1）=419522.894.07=2186563.68(KJ) （43）工艺要求此过程在2天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装1.5个锥形罐）：Q22=（1.5Q02）/(242)=(1.52186563.68)/(242)=68330.12(KJ/h) (44)（3）发酵总耗冷量Q2Q2=Q21+Q22=46513.21+68330.12=114843.33(kJ/h) (45)(4)每罐用冷媒耗冷量Q0Q0=Q01+Q02=2551581.82+2186563.68=4738145.5kg/h (46)(5)发酵用冷媒耗（循环量）M2发酵全过程冷却用稀酒精液作冷却介质，进出口温度为-8和0，故耗冷媒量为：M2=Q2/（Cm8）=114843.33/(4.188)=3434.31kg/h (47)4.3.3酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3在锥形罐啤酒发酵过程，主发酵结束时要排放部分酵母，经洗涤活化后重复用于新麦汁的发酵，一般可重复使用57次。设湿酵母添加量为麦汁量的1.0%，且使用1的无菌水洗涤，洗涤无菌水量为酵母量的3倍。冷却前无菌水温30。用-8的酒精液作冷地介质。由中述条件，可得无菌水用量为：Gw=19522.8961.0%3=3514.12(kg/d)式中 19522.89糖化一次的冷麦汁量（kg）每班无菌水量：Gw= Gw/3=3514.12/3=1171.37(kg/每班) （48）假无菌水冷却操作在2h小时内完成，则无菌水冷却耗量为：Q3=GwGm(tw-tw)/r =1171.374.18(30-1)/2=70996.94(kg/h) （49）所耗冷冻介质量为：M3=Q3cw(t2-t1)/r=70996.94(4.188)=2374137.73(kg/h) （50）式中，t1和t2冷冻酒精液热交换前后的温度，分别为-8和0。每罐用于酵母洗涤的耗冷量：Q3=GwGm(tw-tw)/1.5=1171.374.18(30-1)/1.5(51)=94662.31(kJ)式中 1.5每班装罐1.5罐4.3.4 酵母培养耗冷量Q4根据工艺设计，每月需进行一次酵母纯培养，培养时间为12d，即288h。根据工厂实践，年产30000t啤酒培养冷量为41800（Kj/h），则对应的年冷耗量为：Q4= Q428810=1.20108(KJ) （52）相应的高峰冷冻介质循环量为：M4 =Q4/cw(t1-t2)=41800/(4.188) =1250(kg/h)4.3.5发酵车间工艺耗冷量Qt综上计算，可算出发酵车间的工艺耗冷量为：Qt=Q1Q2Q3Q4=6872056.61114843.3370996.9441800 (53)=7099696.88(Kj/h)4.4 非工艺耗冷量Qnt除了上述的发酵过程工艺耗冷量外，发酵罐外壁、运转机械、维护结构及管道等均会耗用或散失冷量，构成所谓的非工艺耗冷量，现分别介绍。4.4.1露天锥形罐冷量散失Q5锥形罐啤酒发酵工厂几乎都把发酵罐置天露天，由于太阳辐射，对流传热和热传导等造成冷量散失。通常，这部分的冷量由经验数据坟取。根据经验，年产2万吨啤酒厂露天锥形罐的冷量在9000-20000kJ/t啤酒之间，若在南方亚热地区设厂，可取高值。故旺季生天耗冷量为： （54）式中，Gb旺季成品啤酒日产量（t）若白天日晒高峰耗冷为平均每小时耗冷量的2倍，则高峰耗冷量为：（55）冷媒（-8稀酒精）用量： （56）4.4.2 清酒罐、过滤机及管道等散失冷量Q6因涉及的设备、管路很多，若按前面介绍的公式计算，十分繁杂，故啤酒厂设计时往往根据实验经验选取。通常，取，所以：Q6=12Qt=127099696.88=851963.63(KJ/h)（57）冷媒（-8稀酒精）用量：M6=Q6/cw(t2-t1)=851963.63/(4.188)=25477.38(KJ/h)（58）4.5 30000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表将上述计算结果，整理后可得30000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表，如表4所得表4 啤酒厂发酵车间冷量衡算表耗冷分类耗冷项目每小时耗冷量(kJ/h)冷媒用量(kJ/h)每罐耗冷(kJ)年耗冷量（kJ）工艺耗冷量麦汁冷却Q16872056.6119807.62 (M1)27488226.421.20108发酵耗冷Q2114843.333434.31 (M2)4738145.59.42108无菌水冷却Q370996.942374137.73 (M3)94662.311.73108酵母培养Q4418001250(M4)284320.5512.0108工艺总耗冷Qt7099696.8832605354.824.35108非工艺耗冷量锥形罐冷损Q51700005083.73(M5)16000005.23108管道等冷损Q6851963.6325477.38 (M6)4200042.3616.1108非工艺总耗冷Qnt1021963.635800042.3621.33108合计总耗冷Q8121660.5138405397.24.568109单耗152266.67kJ/t啤酒