摘要啤酒是低酒精度的酒類飲品，生產啤酒的原料有大麥、釀造用水、酒花、酵母以及淀粉質輔助原料（玉米、大米、大麥、小麥等）和糖類輔助原料等，原料經過酵母的發酵釀制即可得啤酒。本文主要介紹啤酒原料的選擇，包括麥芽、酒花、酵母等，發酵工藝的選擇以及啤酒工廠涉及到的物料衡算，水汽量估算等等。在設計中采用錐型罐發酵法進行發酵，生產所需的11°淡色啤酒。通過一系列的選擇與估算對啤酒工廠進行設計，最終得到一個符合實際的經濟合理的啤酒工廠。關鍵詞：啤酒發酵工藝物料衡算錐型罐發酵法Abstractbeerisalowalcoholalcoholicdrinks，beerproductionofrawmaterialshavebarley、brewingwater,hops,yeastandauxiliarymaterialsofStarch（corn,rice,barley,wheat,etc.）andauxiliarymaterialsofcarbohydrate,etc.Materialscanbeobtainedbeerthroughyeastfermentationbrewed.Thispaperdescribesthebeerrawmaterialsofselection,Includingmalt,hops,yeast,etc,selectthefermentationprocessandBeerFactoryrelatestomaterialbalance,watervaporestimation,etc.Inthedesignweuseconicaltanksfermentationmethodforfermented,producetherequired11°ale.Throughaseriesofselectionandestimationtobeerfactorydesign,finallygetarealisticandreasonablebeerfactory.Keywords:beerfermentationprocessmaterialbalanceconicaltanksfermentation目錄TOC\o"1-4"\h\z\u前言 1第一章綜述 21.1淡色啤酒簡介 21.2選題設計目的及意義 21.3設計依據 21.4設計范圍 2第二章原料選擇及工藝論證 32.1啤酒原料 32.1.1麥芽 32.1.2大米 32.1.3酒花 32.1.4酵母 32.1.5釀造用水 32.2啤酒發酵 42.2.1啤酒酵母 42.2.2啤酒發酵方法的選擇 52.2.3啤酒發酵工藝 6第三章工藝計算 83.1物料衡算 83.1.1物料衡算基礎數[8] 83.1.2100㎏原料生產10°P啤酒的物料衡算 83.1.3生產100L10°P啤酒的物料衡算 93.1.4年產10kt11°P啤酒發酵物料衡算 113.2耗冷量估算 143.2.1發酵車間工藝流程 143.2.2工藝技術指標及基礎數據 143.2.3工藝耗冷量 143.2.3.1.麥汁冷卻耗冷量 153.2.3.2發酵耗冷量 153.2.3.3酵母洗滌用冷無菌水冷卻耗冷量 163.2.3.4酵母培養耗冷量 173.2.3.5發酵車間工藝耗冷量 173.2.4非工藝耗冷量 173.2.4.1露天錐形罐冷量損失 173.2.4.2清酒罐，過濾機及管道等散失冷量 183.2.4.3 183.2.5總耗冷量 183.3耗水量計算 203.3.1糖化用水 203.3.2洗糟用水量 203.3.3糖化室洗刷用水 203.3.4沉淀槽洗刷用水 203.3.5麥汁冷卻器冷卻用水 203.3.6麥芽汁冷卻器清洗用水 203.3.7酵母洗滌用水 203.3.8CIP裝置洗滌用水 203.3.9硅藻土過濾機洗刷用水 213.3.10清酒罐洗刷用水 213.3.11洗瓶機用水 213.3.12瓶裝機洗刷用水 213.3.13殺菌機用水 213.3.14包裝車間地面洗刷用水 213.3.15發酵罐洗刷用水 213.3.16其他用水 21第四章設備選型及計算 224.1發酵罐的設計與選型 224.1.1發酵罐體積的確定 224.1.2發酵罐個數的確定 224.1.3發酵罐的材料選擇 224.1.4發酵罐及封頭確定 224.1.5接管設計 234.1.6發酵罐冷卻器的選取 254.1.7CO2排出管及CIP清洗管 284.2貯酒罐的設計與選型 294.3清酒罐的設計與選型 304.4酵母擴大培養罐 304.5過濾設備 314.6泵的選取 314.6.1離心泵 314.6.2齒輪泵 324.7CIP清洗設備 334.8設備一覽表 334.9人員配備 33第五章車間布置設計 34總結 34謝辭 35參考文獻 36前言啤酒是人類最古老的酒精飲料，是水和茶之后世界上消耗量排名第三的飲料。啤酒以麥芽、酒花、水為主要原料，經酵母發酵作用釀制而成的飽含二氧化碳的低酒精度酒。啤酒含有豐富的營養物質，因此有“液體面包”之稱。啤酒是在十九世紀末傳入中國的，在當時發展較為緩慢，直到建國以后，我國的啤酒工業發展較迅速，并逐步擺脫了原料依賴進口的落后狀態。我國的啤酒于1954年開始進入國際市場。啤酒釀造主要經過糖化、發酵和貯酒后熟三個階段，其中發酵是啤酒釀造的精髓。傳統的啤酒發酵主要在正方形或長方形的發酵池中進行，發酵體積有限并且發酵周期長，隨著經濟的迅猛發展，人們對啤酒的需求量增加，啤酒生產的規模逐步擴大，依靠傳統發酵啤酒已經滿足不了人們的需求，應運而生的是啤酒的新型發酵即大容量發酵罐發酵，其中包括圓柱錐形發酵罐、朝日罐、通用罐和球形罐。圓柱錐形發酵罐是目前世界通用的發酵罐，該罐主體呈圓柱形，罐頂為圓弧狀，底部為圓錐形，具有一定的高度（高度大于直徑），罐體設有冷卻和保溫裝置，為全封閉發酵罐。圓柱錐形發酵罐既適用于下面發酵，也適用于上面發酵，加工十分方便。錐型罐發酵法發酵啤酒有很多的優點，采用儀表和電腦控制，操作簡捷、理方便并采用CIP自動清洗裝置，清洗方便，目前國內啤酒行業幾乎全部采用錐形罐發酵法發酵啤酒。錐型罐發酵工藝包括貯酒式、后處理式和后調整式。貯酒式即對于兩罐的要求不同，所以在現代的釀造工業中意義不大。后處理式的即一個罐進行發酵，另一個罐為后熟處理。對發酵罐而言，將可發酵性成分一次完成，基本不保留可發酵性成分，發酵產生的CO2全部回收并貯存備用，然后轉入后處理罐進行后熟處理。其過程為將發酵結束的發酵液經離心分離，去除酵母和冷凝固物，再經薄板換熱器冷卻到貯酒溫度，進行1-2天低溫貯存后開始過濾。后調整式即前一個發酵罐類似一罐法進行發酵、貯酒，完成可發酵性成分的發酵、回收酵母、進行CO2洗滌，經適當的低溫貯存后，在后調整罐內對色澤、穩定性、CO2含量等指標進行調整，再經適當穩定后即可開始過濾操作[1]。第一章綜述1.1淡色啤酒簡介淡色啤酒的色度在5-14EBC單位，如高濃度淡色啤酒，是原麥汁濃度13%以上的啤酒；中等濃度淡色啤酒，原麥汁濃度10-13%的啤酒；低濃度淡色啤酒是原麥汁濃度10%以下的啤酒；干啤酒（高發酵度啤酒），實際發酵度在72%以上的淡色啤酒；低醇啤酒，酒精含量2%以下的啤酒。1.2選題設計目的及意義本課題是根據食品科學與工程專業的培養方向，結合畢業實習的情況選擇。啤酒是食品工程專業中一個具有代表性的產品，其生產工藝過程涉及制麥、糖化、發酵、罐裝等過程，包含了一些重要的單元操作和工程概念，通過對啤酒車間的工藝設計，進一步鞏固加深并應用所學，通過對啤酒車間的工藝設計，可以加強對我們所學知識的綜合利用能力的培養，提高理論聯系實際的能力。1.3設計依據本設計是根據學校下達的內蒙古工業大學本課設計任務書要求來完成的。1.4設計范圍本設計為10kt/a11°啤酒發酵車間工藝設計。設計包括文字部分和圖紙部分。本設計文字部分主要包括工藝方法及流程的選擇和論證、物料衡算、耗冷量估算、耗水量估算、設備選型。繪制圖紙部分包括物料流程圖、PID管道流程圖、車間設備平面布置圖。第二章原料選擇及工藝論證2.1啤酒原料2.1.1麥芽采用淡黃色而有光澤的麥芽，麥芽外觀短胖，除根干凈，不含雜草、雜谷、塵埃、半粒、霉粒、損傷殘粒和未發芽顆粒等雜質。麥芽香味應純凈，具有麥芽香，不應有霉味、潮濕味、酸味、煙熏味等[2]。2.1.2大米我國生產大米，所以大米一直是我國啤酒釀造廣泛采用的一種輔助原料。原則上凡大米不論品種均可用于釀造，但從啤酒風味而言，米的食感越好，釀造的啤酒風味也越好。大米淀粉含量可達75%-82%，無水浸出率高達90%-93%，無花色苷，含脂肪低（0.2%-1.0%），并含有較多泡持蛋白，用它做輔料釀造啤酒，啤酒的色澤淺、口味爽凈、泡沫細膩、酒花香味突出、非生物穩定性高，它是優良的啤酒輔料[3]。2.1.3酒花酒花的主要作用是能夠賦予啤酒爽口的苦味和酒花香味，能夠促進麥汁和啤酒的澄清、有利于啤酒的泡沫、也能增加麥汁和啤酒的生物穩定性。本設計選擇淺黃綠色，有光澤，富有濃郁的啤酒花香氣，無異雜氣味，花體基本完整的顆粒酒花。2.1.4酵母在實際生產中最常用的酵母有兩大類：上面酵母和下面酵母。二者形態上存在明顯的差別。上面酵母又叫表面酵母，其母細胞和子細胞能夠長時間相互連接，形成多枝的牙簇，下面酵母又叫底面酵母、貯藏酵母，其母細胞和子細胞增殖后彼此分開，幾乎都是單細胞或幾個細胞連接。本設計設計的是經典型啤酒，色澤淺，采用的是下面發酵技術，故選用下面酵母。2.1.5釀造用水啤酒的釀造用水主要包括糖化用水和洗糟用水，由于這兩部水直接參與了啤酒的工藝反應，是麥汁和啤酒的組成成分，啤酒釀造用水的性質，重要取決于水中溶解鹽類的種類和含量。釀造用水要求無色透明、無懸浮物、無沉淀物，將水加熱到20-50℃時，用口長有清爽的感覺，無異味、無異臭，如有咸味、苦味、澀味則不能采用，總溶解鹽類在150-200mg/L，PH值在6.8-7.2之間，有機物含量在3mg/L以下，總硬度在8°dH以下，水中含鐵量在0.3mg/L以下，銨鹽類不得超過0.05mg/L，硝酸鹽不得超過5mg/L，亞硝酸亞不得超過0.05mg/L，氯化物含量在20-60mg/L為宜，硅酸鹽要求在30mg/L以下，水中的細菌總數和大腸桿菌數要符合生活飲用水標準[4]。2.2啤酒發酵2.2.1啤酒酵母1.啤酒酵母的介紹啤酒酵母在分類學上屬于真菌，為子囊菌亞門、酵母屬[5]。啤酒酵母又稱釀造酵母，細胞多為圓形、卵圓形或卵形。能發酵葡萄糖、麥芽糖、半乳糖、蔗糖和1/3棉籽糖，不能發酵乳糖和蜜二糖，不同化硝酸鹽。2.啤酒酵母的種類[6]根據發酵結束后酵母細胞在發酵液中存在的狀態可分為上面酵母和下面酵母。上面酵母和下面酵母有很大的區別，上面酵母呈圓形，發酵過程中酵母容易嗎、凝聚在一起，的最適發酵溫度為20-25℃發酵時間為5-7天，可發酵1/3棉籽糖，不能發酵蜜二糖，發酵度較高。下面酵母呈圓形或卵圓形，一般不形成子囊孢子，最適發酵溫度為6-10℃，發酵時間為8-14天，發酵度較低，可發酵全部棉籽糖。2.啤酒酵母的擴大培養啤酒酵母純正與否，對啤酒發酵和啤酒質量的影響很大。啤酒工廠生產使用的酵母由保存的純種酵母，經過擴大培養，達到一定數量后，供生產現場使用。每個啤酒廠都應保存適合本廠使用的純種酵母，以保證生產的啤酒具有穩定的風格和特性。酵母擴大培養分兩個階段：由斜面試管到卡氏罐培養為實驗室擴大培養階段，漢生罐以后為生產現場擴大培養階段。啤酒酵母擴大培養的順序如下：斜面試管（原菌種）→液體試管培養（2-3天、25-27℃）→巴氏瓶或三角瓶培養（2天、25-27℃）→卡氏罐培養（2天、25-27℃）→酵母擴大培養罐→發酵罐[7]。3.接種量表2-1不同麥汁濃度的酵母添加量麥汁濃度酵母泥添加量7～90.3～0.410～120.4～0.613～150.5～0.716～200.6～1.04．酵母的選擇在實際生產中最常用的酵母有兩大類：上面酵母和下面酵母。二者形態上存在明顯的差別。上面酵母又叫表面酵母，其母細胞和子細胞能夠長時間相互連接，形成多枝的牙簇，下面酵母又叫底面酵母、貯藏酵母，其母細胞和子細胞增殖后彼此分開，幾乎都是單細胞或幾個細胞連接。本設計設計淡色啤酒，采用的是下面發酵技術，故選用下面酵母。2.2.2啤酒發酵方法的選擇啤酒發酵的主要方法有以下幾種：傳統發酵：連續發酵法、分批式發酵法、上面發酵法、下面發酵法。錐形罐發酵：一罐發酵法、兩罐法發酵。本設計選用的是兩罐式下面發酵法。以下就對這幾種發酵方法進行分析和比較。1.連續發酵連續發酵主要有多罐式連續發酵和塔式連續發酵，這種連續發酵系統都可大大縮短發酵周期，提高設備利用率，降低了投資，減少了酒損，降低了蒸汽、勞動力和洗刷費用，提高了酒花利用率，且產生的成品啤酒質量穩定。但是這幾種連續體系也各有不足：多罐式系統需攪拌，動力消耗大。塔式系統對酵母要求高，使用的酵母不僅要求發酵度高，而且要求凝聚性強。并且塔式觀造價高，不利于小規模生產。更重要的是，連續發酵法啤酒從風味上品評與間歇法啤酒差別大，難以被消費者接受。八十年代后，錐形罐發酵取代了傳統發酵，生產周期得到了縮短，而連續發酵由于污染和風味（特別是雙乙酰）控制的困難逐步停止了使用。從實際情況出發，故本設計不采用此法。2.上面發酵啤酒發酵一開始是以上面發酵為開始的，而后由于選用的純粹培養酵母不同，劃分為上面發酵與下面發酵兩種類型。上面發酵在技術操作和發酵設備方面與下面發酵有所不同，但兩者的發酵機理是一致的。上面發酵工藝的特點a．上面發酵采用上面酵母，是在15～20℃下進行的。酵母起發快，接種量可以相對較少，發酵結束后，大部分酵母浮在液面，所以酵母回收工作比下面發酵復雜，但酵母使用代數比下面發酵為多，長久沒有衰退現象。b．上面發酵的麥汁接種溫度為13～16℃，比較高。發酵2～3天，當酵母升至液面時，為發酵旺盛階段，此時應開始降低液溫，在酵母形成泡沫蓋時應立即回收，發酵4-6天結束。c.發酵結束后，酵母緊密的結合，一浮在液面上，厚度為3-4cm。d.上面發酵在發酵過程中通風時間長。e.上面發酵一般不采用后發酵，主發酵的發酵度接近最終發酵度。分離酵母后，加膠處理，貯藏澄清一階段，采用人工充二氧化碳，使其達到飽和。f．上面發酵釀制的啤酒成熟快，設備周轉快，啤酒有獨特的風味，但保存期短。3.下面發酵傳統的下面發酵，室溫保持5～6℃；采用開放式或密閉式、圓形或方形的主發酵容器。后發酵則設置在單獨的貯酒室內，貯酒室溫應保持在O～l℃。下面發酵的工藝特點是：a．采用下面酵母，主發酵溫度較低，發酵比較緩慢，發酵產生的副產物相較少。主發酵完畢后，大部分酵母沉降在發酵罐底部。b.下面發酵啤酒的后發酵和貯酒期比較長，酒液澄清良好。二氧化碳飽和穩定，酒的泡沫細微，風味柔和，保存期較長。從啤酒的保存與實際結合進行考慮，本設計選用下面酵母發酵。4.一罐法發酵一罐法發酵即發酵貯酒在一個罐中進行。隨著啤酒工業的發展，現有啤酒廠普遍采用一罐發酵工藝，即麥汁的主發酵、雙乙酰還原、降溫以及貯酒階段在同一個露天發酵罐中進行。一罐法工藝有一定的優點：清洗消耗少；轉入空罐時CO2損失少；酒損少；所需的工作時間少；節能等。一罐法發酵工藝簡單,便于操作,能夠節省投資,但由于麥汁整個發酵過程都在同一個發酵罐中進行,使得冷凝物的排放及酵母沉淀效果不十分理想。由于露天發酵罐一般直徑較大,若酒液缺少對流,就會使其溫度分布不均勻,罐中心酒液溫度與罐壁處酒液溫度需長時間才能達到平衡,從而影響啤酒風味。同時,一罐法發酵工藝發酵周期較長,生產旺季難以滿足市場需求。故本設計采用兩罐法。最終本設計所選的發酵方法為兩罐法下面發酵法2.2.3啤酒發酵工藝傳統的下面發酵法，采用下面的酵母，主發酵溫度較低，發酵進程比較緩慢。主發酵完畢后，大部分酵母沉降容器底部。下面發酵啤酒的后發酵期較長，酒液澄清良好，酒的泡沫細致，風味柔和，保存期較長。經過前發酵（酵母增殖），主發酵，后發酵和貯酒等階段。一般為前酵期（5～8℃），主酵期（7.5～9℃），后酵和貯酒期（0～-2℃）。1.圓筒體錐底發酵罐發酵及其工藝:（1）錐形罐發酵法特點：a.排放酵母方便，要求采用凝聚性酵母。b.易于發酵溫度的控制。生產易控制，發酵周期縮短，不易染菌，啤酒質量穩定。c.罐體外設有保溫裝置，可將罐體置于室外，經濟節約,便于擴建。d.采用密閉罐，便于CO2洗滌與CO2回收。e.由于存在對流，使酵母發酵能力提高，發酵速度快，發酵周期短。f.發酵罐可采用儀表或微機控制，操作、管理方便。g.適用于下面發酵，同時也適用于上面發酵。h.可采用CIP自動清洗裝置，清洗方便。i．設備容量可根據生產需要靈活調整在本設計中選用的是圓筒錐底發酵罐，詳盡介紹如下：(2)圓筒體錐底發酵罐發酵工藝：采用直接進罐法。為了縮短起酵時間，大多采用較高接種量，0.6%～0.8%，接種后細胞濃度為（15±3）×106個/ml。麥汁接種溫度是控制發酵前期酵母繁殖階段溫度的，一般低于主發酵溫度2～3℃。本設計是11°P的淡色啤酒，采用低溫發酵6-9°C。在大罐發酵中，后發酵一般稱VDK還原階段。雙乙酰還原初期一般不排放酵母，也就是發酵全部酵母參與雙乙酰還原，這可縮短還原時間。(3)酵母接種量和添加方法1．酵母接種量：本設計分批發酵采用低溫，緩慢發酵，因此接種量比較小，接種后細胞濃度控制在（5-12）×個/ml。2.酵母添加方法：a.干道和濕道添加法；b.倍量添加法；c.分割法；d.遞加法。本設計采用干道法添加酵母：在酵母添加器中加入每批麥汁所需的酵母，再加上二倍量的冷麥汁，用無菌壓縮空氣充分混合，壓到前酵池中，再用無菌空氣攪拌均勻即可。(4)發酵設備的降溫控制本設計采用的發酵設備為應用極為廣泛的露天錐形發酵罐，酵母在發酵過程中會產生熱量，為使發酵和后熟在設計的工藝溫度下進行，必須進行冷卻。常用的冷卻方式有兩種：間接冷卻法和直接冷卻法，由于直接冷卻的冷卻介質是液氨，存在很多危險因素與不足，同時對于發酵罐的要求很高，故本設計采用間接冷卻方式。間接冷卻方式其冷溶劑是乙二醇與水的混合溶液，它在氨制冷的蒸發器箱中進行冷卻，溫度一般控制在-5℃左右，它主要用于麥汁冷卻和發酵罐的降溫，一般情況下，發酵罐冷卻系統有兩種介質循環，即液氨吸熱蒸發制冷循環系統和冷卻發酵罐酒液的酒精水循環系統。第三章工藝計算3.1物料衡算3.1.1物料衡算基礎數[8]根據表4-1的基礎數據，先進行100kg原料生產11°淡色啤酒的物料衡算，然后進行100L11°淡色啤酒的物料衡算，最后進行8kt/a啤酒廠的物料衡算。表3-1啤酒生產基礎數據項目名稱百分比﹪說明定額指標原料利用率98.5麥芽水分5.0大米水分12無水麥芽浸出率75無水大米浸出率93原料配比麥芽70大米30損失率冷卻損失5.0發酵損失2.0對熱麥汁而言過濾損失2.0灌裝損失2.0總損失率啤酒總損失率10.6對熱麥汁而言3.1.2100㎏原料生產10°P啤酒的物料衡算1.熱麥汁量根據表2-1可得原料收得率分別為：原料麥芽浸出物收得率為：原料大米浸出物收得率為：混合原料浸出物收得率為：由上述可得100kg混合原料生產11°淡色啤酒熱麥汁量為：查《啤酒工業手冊》得11°啤酒麥汁在20°C的密度為1.0442kg/L。而100°C熱麥汁比20°C時的麥汁體積增加1.04倍。故熱麥汁（100°C）體積為：2.冷麥汁量為：3.發酵液量為：4.過濾酒量為：5.成品啤酒量：3.1.3生產100L10°P啤酒的物料衡算根據上述衡算結果知，100kg混合原料可生產11°淡色啤酒約593.5017L，那么生產100L11°淡色啤酒可得到1.混合原料用量：2.麥芽耗用量：3.大米耗用量：4.酒花耗用量：對淺色啤酒，100L熱麥汁中加入的酒花量為0.17-0.34kg，取0.3kg，故酒花耗用量為：同理，100kg原料耗酒花：5.熱麥汁量：6.冷麥汁量：7.發酵液量：8.濾過酒量:9.成品酒量：10.濕糖化糟量：設排出的濕麥糟含水分80%濕麥芽糟量：濕大米糟量：故濕糖化糟量：同理，100kg原料產生濕糖化糟：11.酒花糟量：設酒花在麥汁中的浸出率為40%，酒花糟含水分以80%，則酒花糟量為：同理，100kg原料產生濕酒花糟：12.商品干酵母量生產100L啤酒可得2kg濕酵母泥，其中一半作生產接種用，一半作商品干酵母用，即為1kg。濕酵母泥含水分85%酵母含固形物量：則含水分7%的商品干酵母量：13.二氧化碳量：因11°P冷麥汁密度為1.0442kg/L，則106.2483L冷麥汁質量為：那么，11°P冷麥汁中浸出物量：設麥汁的真正發酵度為60%，則可發酵的浸出物量：麥芽糖發酵的化學反應式為：C12H22O11+H2O→2C6H12O62C6H2O6→4C2H5OH+4CO2+56KJ設麥芽汁中的浸出物均為麥芽糖構成，則CO2生成量：式中44—CO2分子量342—麥芽糖（C12H22O11）分子量設11°P啤酒含CO2量在0.35%-0.6%之間，取0.4%，則啤酒中其含量有：則釋放出的CO2量：而1m3CO2在20°C常壓下重1.832kg故釋放出的CO2的體積為：3.1.4年產10kt11°P啤酒發酵物料衡算生產旺季以160天，每天糖化5次，淡季120，每天糖化3次，總糖化次數：次每天每次糖化量：10-15°淡色啤酒密度為1.012，那么1.啤酒灌裝后體積：2.過濾酒量：3.發酵酒量：4.冷麥汁量：5.熱麥汁量：6.麥芽用量：7.大米用量：8.混合原料用量：9.濕酒花量：10.濕酒花糟量：11.濕糖化糟量：以單次糖化生產做基準，可算得各個項目全年狀況如下：1.全年混合原料需要量：2.全年麥芽耗用量：3.全年大米耗用量：4.全年酒花耗量：5.全年濕酒花糟量：6.全年濕糖化糟量：7.全年熱麥汁量：8.全年冷麥汁量：9.全年發酵液量：10.全年過濾酒量：11.全年成品啤酒量：把前述的有關啤酒物料衡算計算結果整理見下表3-2：表3-28kt/a啤酒廠糖化車間物料衡算表物料名稱單位對100㎏混合原料對100L11°P啤酒糖化一次定額8kt/年啤酒生產混合原料麥芽大米酒花濕糖化糟濕酒花糟熱麥汁冷麥汁發酵液過濾酒成品啤酒㎏㎏㎏㎏㎏㎏LLLLL10070301.991292.36495.9736663.7739630.5852617.9735605.6140593.501716.849211.79445.05470.335515.56271.0065111.8042106.2483104.1223102.04081001435.34131004.7389430.602428.58051325.751585.74159527.42069051.04958870.02858692.62758518.77471.665×1061.1655×1064.995×1053.3153×1041.5379×1069.946×1041.1052×1071.0499×1071.0289×1071.0083×1079.8818×106備注：11°P啤酒的密度為1012kg/m3，實際年生產啤酒：10000.381t3.2耗冷量估算3.2.1發酵車間工藝流程96℃熱麥汁→冷麥汁（6℃）→錐形罐發酵→過冷卻-1℃→貯酒→過濾→清酒罐3.2.2工藝技術指標及基礎數據年產11°淡色啤酒10kt噸旺季每天糖化5次，160天，淡季糖化3次，120天，全年共糖化1160次主發酵時間6天5鍋麥汁裝一個發酵罐1度麥汁比熱容c1=3.8498[kJ/(kg.K)]冷媒用15%酒精稀溶液，比熱容可視為c2=4.18[kJ/(kg.K)]麥芽糖厭氧發酵熱q=613.6kJ/kg麥汁發酵度為60%根據發酵車間耗冷性質，可分為工藝耗冷量和非工藝耗冷量兩類。即：Q=Qt+Qnt。3.2.3工藝耗冷量3.2.3.1.麥汁冷卻耗冷量本設計采用一段式串聯逆流式麥汁冷卻方法，使用的冷卻介質為1℃的冰凍水，出口溫度為86℃，糖化車間送來的熱麥汁溫度為96℃，冷卻至發酵起始溫度6℃。根據表4-2可知，每糖化一次可得麥汁9527.4206L,而熱麥汁的密度為：，故麥汁的質量為：又知11°麥汁的比熱容為3.8498kJ/(kg.K),工藝要求在1h之內完成冷卻過程，則耗冷量為：式中t1、t2分別為麥汁冷卻前后溫度94°C和6°Cτ為冷卻操作過程時間1h根據設計結果，每個錐形發酵罐裝5鍋麥汁，則麥汁冷卻每罐耗冷量為：相應的冷卻介質（1°C的冰水）耗量為：式中t2、t1分別為冷凍水的初溫86℃和終溫1℃為水的比熱容，4.18kJ/(kg.K)3.2.3.2發酵耗冷量1.發酵期間發酵放熱假定麥汁固形物為麥芽糖，而麥芽糖的厭氧發酵熱發酵量為q=613.6kJ/kg，設發酵度為60%，則1L麥汁放熱量為：根據表4-2可知，糖化一次得冷麥汁量9501.0495L每錐形罐發酵放熱量：由于工藝規定主發酵時間為6天，每天糖化4鍋麥汁，并考慮到放熱的不平衡取系數1.5,忽略主發酵的麥汁升溫，則發酵高峰的耗冷量為：2.發酵后期發酵液降溫耗冷量主發酵后期，發酵液溫度從6℃緩降到-1℃。每天每罐降溫耗冷量為：工藝要求此過程在2天內完成，則耗冷量為（麥汁每天裝1個發酵罐）：3.發酵總耗冷量=+4.每罐發酵耗冷量5.發酵用冷媒耗量（循環量）發酵過程冷卻用稀酒精做冷卻介質，進出口溫度為-9°C和0°C，固冷媒耗量為：3.2.3.3酵母洗滌用冷無菌水冷卻耗冷量在錐形罐啤酒發酵過程中，主發酵結束時要排放部分酵母經洗滌活化后重復用于新麥汁的發酵一搬可重復使用5-7次，設濕酵母量為麥汁量的1.0%，且使用1℃無菌水洗滌，洗滌無菌水量為酵母的3倍，冷卻前無菌水溫度為30℃，用-8℃的酒精液做冷卻介質。由上面條件可得無菌水的用量為：式中：9949.6271為糖化一次冷麥汁量（kg）每班無菌水用量:假定無菌水冷卻操作2h內完成，則無菌水冷卻耗冷量為：式中、為無菌水熱交換前后的溫度30℃和1℃所耗冷凍介質量為：式中、為冷凍酒精液熱交換前后的溫度0℃和-8℃。每罐用于酵母洗滌的耗冷量為：式中1為每班裝罐1罐。3.2.3.4酵母培養耗冷量根據工藝設計，每月需進行一次酵母純培養，培養時間為12d,即288h，根據工廠實踐，年產8kt噸啤酒工廠酵母培養耗冷量為：=11147（kJ/h）對應的年耗冷量為：相應的高峰冷凍介質循環量為：=/[(-)]=11147/(4.18×9)=296.3052（kJ/h）3.2.3.5發酵車間工藝耗冷量3.2.4非工藝耗冷量除了上述發酵過程工藝好冷外，發酵罐外壁，運轉機械，維護結構及管道等均會耗用或散失冷量，構成所謂的非工藝好冷量，現在分別介紹。3.2.4.1露天錐形罐冷量損失根據經驗，年產8kt啤酒廠露天錐形發酵罐冷量損失在13000-30000kJ/t啤酒之間，本設計取15000若在南亞熱帶地區，可取高值，固旺季每天耗冷量為：式中Gb為旺季成品啤酒日產量，t。若白天日曬高峰耗冷量為平均每小時耗冷量的2倍，則高峰耗冷量為：冷媒（-9℃稀酒精）用量：3.2.4.2清酒罐，過濾機及管道等散失冷量因涉及的設備、管路很多，故啤酒廠設計時根據實驗經驗選取。通常取=12%,所以冷媒（-9℃）稀酒精用量：3.2.4.33.2.5總耗冷量每小時總耗冷量：將上述結果，整理后可得年產7萬噸啤酒廠發酵車間冷量衡算表，如下：表4-38kt/a啤酒廠發酵車間耗冷量衡算表耗冷項目工藝耗冷量3446327.259699.767151785.29053172967.291376.536230143.256260286.5123801.256111147296.30523539402.812173.864653881.411432.2544424728.33611289.9611478609.746合計4018012.5524896.0801附注：表中的冷媒包括冷卻水與稀酒精3.3耗水量計算3.3.1糖化用水100kg混合原料大約需水400kg，則糖化過程中大約耗水量為：1435.3413×4=5741.3652（kg） 糖化時間設為0.5h，則每小時最大耗水量為:5741.3652÷0.5=11482.7304（kg/h）3.3.2洗糟用水量每100kg混合原料洗糟水用量為450kg，則洗糟水用量為：1435.3413×4.5=6459.0359（kg）洗糟時間定為1.5h，則洗糟水最大用量為：6459.0359÷1.5=4330.0239（kg/h）3.3.3糖化室洗刷用水糖化室及設備洗刷用水單次定為10噸，清洗時間為2小時，則：洗刷最大用水量為：10/2=5(t/h)3.3.4沉淀槽洗刷用水每次洗刷用水3.5t沖洗時間為0.5h，則每小時最大用水量為：3.5÷0.5=7（t/h）3.3.5麥汁冷卻器冷卻用水麥汁冷卻時間定為1小時，麥汁冷卻溫度為96°C降至6°C，冷卻水溫度為1°C升至86°C即上面所述的M1，則冷卻用水G=M1=9699.7671（kg）3.3.6麥芽汁冷卻器清洗用水設一次沖洗用水3t，清洗時間0.5小時，則：最大用水量：3/0.5=6(t/h)3.3.7酵母洗滌用水由好冷計算可知，每小時洗滌酵母的最大用水量為641.0236kg3.3.8CIP裝置洗滌用水設配洗液一次用水6t，用水時間為1小時，則：最大用水量為：6/1=6(t/h)3.3.9硅藻土過濾機洗刷用水設硅藻土過濾機洗刷用水為10t，用水時間1小時，最大用水量為10(t/h)。3.3.10清酒罐洗刷用水每天洗刷清酒罐3個，用水量10t，用水時間1小時，則最大用水量為10(t/h)。3.3.11洗瓶機用水洗瓶機最大生產能力按2000瓶/h計，單瓶清洗用量1.0kg，則總用水量為：2000×1.0/1000=2(t/h)。3.3.12瓶裝機洗刷用水每沖洗一次用水5t，沖洗時間為40分鐘，則最大耗水量為：5×60/40=7.5(t/h)3.3.13殺菌機用水殺菌機單瓶耗水量1kg，總耗水量為：2000×1/1000=2(t/h)。3.3.14包裝車間地面洗刷用水包裝車間地面洗刷用水為15t，用水時間為0.5h，則最大用水量為:15/0.5=30(t/h)3.3.15發酵罐洗刷用水一個發酵罐用水為2t，每罐洗滌時間0.5h.則最大用水量為：2/0.5=4(t/h)3.3.16其他用水以上未計算的地面用水，管道沖洗用水，每班計20t,用水時間2小時，則每小時的用水量為：20÷2=10(t)第四章設備選型及計算4.1發酵罐的設計與選型4.1.1發酵罐體積的確定本次設計選用錐底發酵罐，由物料衡算可知可知，糖化一次麥汁量為9.1m3。旺季每天糖化5次，5鍋裝一罐：發酵罐H:D=1.5-6:1,這里選用H:D=2∶1，錐角60°～80°，這里選用60°，裝料系數取80%～85%，這里取75%，接種量范圍在0.4%～0.8%，這里取0.6%。4.1.2發酵罐個數的確定采用兩罐發酵法發酵，錐形發酵罐的主發酵周期為6天，則對錐形發酵罐個數的最低要求為：式中n—發酵罐個數V0—糖化一次麥汁量4.1.3發酵罐的材料選擇選用1Cr18Ni9Ti，耐酸不銹鋼，即能更好的滿足工藝要求，同時更經濟合理。4.1.4發酵罐及封頭確定(1)發酵罐的壁厚S，P為設計壓力，取最高工作壓力的2倍，即，其中，D發酵罐內徑D=340cm=3400mmC=0.5mm圓整為12mm故P=0.6MPa，查《發酵工廠工藝設計概論》表17表4-1筒體面積容積及重量工作壓力(MPa)公稱直徑(mm)筒體壁厚(mm)一米高筒節鋼板重量(kg)筒高(m)0.632001295013.6(2)封頭壁厚計算：標準橢圓封頭的厚度計算公式如下：P——設計壓力，取最高工作壓力的K倍，現取P=0.6MPaD——發酵罐內徑，D=340cm[σ]——1Cr18Ni9Ti的許用應力，[σ]=140MPaφ——焊縫系數，根據焊接情況和探傷的程度，查相應的表決定。其范圍在0.5～1之間，現取φ=0.9C——壁厚附加量(cm)計算如上筒壁厚，也取12mm故P=0.6MPa，查《發酵工廠工藝設計概論》表15:表4-2橢圓形封頭公稱直徑Dg（mm）曲面高度h1（mm）直邊高度h2(mm)內表面積F(㎡)kg)容積V（）32008004011.54.614.1.5接管設計1.進料管及排酒管的直徑與選型本設計選用直型接管及進料管為同一管道，與派酵母也為同一管道。該發酵罐實裝醪液45.773m3由工廠實際經驗知，一般裝滿一發酵罐麥汁需要6h，則進醪速度：查《化工原理》（上）表1-1，高粘度流體的速度在0.5-1m/s，取發酵醪流速u=0.8m/s。則管徑D=圓整65mm查《發酵工廠設計概論》得內徑di=65mm的無縫鋼管。校核：（在0.5—1m/s范圍內，所以可采用此管。）由于發酵結束后，成熟酒液的黏度仍較大，取收酒流速u=0.9m/s則排酒管的管徑D=查《發酵工廠設計概論》得內徑di=65mm的無縫鋼管。校核：（在0.5—1m/s范圍內，所以可采用此管。）表4-3管法蘭連接尺寸（mm）公稱直徑DN（mm）DPN1MpaKLThn6518514518M164由前面的冷量衡算可知，發酵過程冷媒流量設酒精密度為804kg/m3。冷媒流速為1-3m/s，在這里取2m/s，則冷媒進出口管徑查《發酵工廠工藝設計概論》表12.管子規格選用Φ32×3.5的無縫鋼管，其內徑di=25mm校核：（在0.5—3.0范圍內，符合要求。）表4-4管法蘭連接尺寸（mm）公稱直徑DN（mm）DPN1MpaKLThn251158514M1244.1.6發酵罐冷卻器的選取本設計發酵罐屬于大型發酵罐，故采用內部安裝蛇管冷卻器作為冷卻設備。1.冷卻面積計算，由于發酵時產熱高峰為，故每罐放熱高峰時放熱量為：冷卻介質為稀酒精進出口溫度為-9℃和0℃，蛇管冷卻器總傳熱系數200-700，這里取400發酵前期平均溫度：6℃→6℃-9℃→0℃6℃→15℃（℃）所以得到冷卻面積為：發酵后期平均溫差：6℃→-1℃-9℃→0℃15℃→-1℃（℃）所以得到冷卻面積為：由于發酵后期散熱較大，故以后期面積120m2為準。2.蛇管布置①求最高熱負荷下的冷媒耗量W式中和——分別為冷媒的初溫和終溫（℃）——冷媒的比熱容，冷媒(15%稀酒精液)的密度為，則冷媒的體積流量為取蛇管中冷媒流速為1m/s.根據流體力學方程式，冷卻截面積為：式中W——冷媒體積流量——冷媒速度1m/s②冷卻管的組數和管徑：設冷卻管總表面積為，管徑，組數為n，則豎直蛇管數n，根據罐的大小一般取3,4,6,8,12……組。通常每組管數不超過6圈，增加組數可排下更多的冷卻管。因為啤酒發酵屬于厭氧發酵，因此不需要安裝攪拌器，此時設管子與管壁的最小距離應大于100mm，主要考慮便于安裝清洗。取n=8,求管徑d為：查《發酵工廠工藝設計概論》表12.管子規格選用Φ32×3.5的無縫鋼管，其內徑di=25mm表4-5豎直蛇管尺寸系數表公稱直徑(mm)外徑(mm)壁厚（mm）內孔截面積（）1m管長質量(m)25323.54.912.46現取豎直蛇管的圈端部U型彎管曲徑為250mm，則兩直管距離為500mm，則兩端彎管總長度為：③冷卻管總長度L計算：由前知冷卻管總面積F=51.7237㎡，現取無縫鋼管，每米冷卻面積為：冷卻管占有體積④每組管長和管組高度：另需連接管15m：可排豎直蛇管的高度設為靜液面高度，下部可深入封頭250mm。設發酵罐內附件占有體積為。則總占體積為：則筒體部分液深為：豎蛇管總高又因為兩端彎管總長，兩端彎管總高為500mm，則直管部分高度：則一圈管長：⑤每組管子圈數：現取管間距，豎直蛇管與罐壁的最小距離為0.15m，作圖表明各組冷卻管互相無影響。⑥校核布置后冷卻管的實際傳熱面積：前面有F=120，，可滿足要求。4.1.7CO2排出管及CIP清洗管CO2排出管與CIP清洗管都安放在封頭上，又設CO2管與清潔管徑一致，洗滌發酵罐經過三次，第一次進堿，第二次進清水，第三次進消毒水。又設洗滌時間為0.5h。消耗的CO2的體積為2.83m3則洗滌體積流量Vs=Q/t=2.83/1800=0.00154m3/s查《化工原理》（上）P20表1-1，自來水流速范圍1--1.5m/s，取洗滌水流速為1.3m/s，則管徑為D==(4×0.00154/3.14×1.3)0.5=0.0392m取40mm查《化工設備機械基礎》P56表2-6，選用Φ45*2.5的無縫鋼管，其內徑為di=0.040m校核：u=4Vs/πdi2=4×0.00157/3.14×0.0402=1.25m/s，（在范圍內，滿足要求。）表4-6管法蘭連接尺寸（mm）公稱直徑DN（mm）DPN1MpaKLThn4015011018M1644.2貯酒罐的設計與選型貯酒罐體積的確定由前面物料衡算知，糖化一次經發酵后得到的發酵液量為8870.0285L，假設5鍋麥汁發酵所得的發酵液裝滿1個貯酒罐，裝料系數為85%，則每個貯酒罐的有效體積為：取貯酒罐的徑高比為1:4，錐底為120°，則：求出D=2.549m圓整D=2.6m，H=10.4m，采用8Cr18Ni9不銹鋼材料制作。所需貯酒罐的個數為：查《發酵工廠工藝設計概論》表12得：表4-7橢圓封頭尺寸系數表公稱直徑曲面高度直邊高度內表面積容積hFV2600650407.632.514.3清酒罐的設計與選型由物料衡算可知，單次糖化所得過濾酒量6954.3037L，則每天過濾酒量為8692.6275×5=43463.1375L。按照工藝要求，設有三個清酒罐，裝料系數為80%，每罐容積為：取H:D=4：1，錐底角取120°，則求出D=1.8m，罐高為H=6.8m，采用8Cr18Ni9不銹鋼材料制作。清酒罐封頭：查《發酵工廠工藝設計概論》表12得：表4-8橢圓封頭尺寸系數表公稱直徑曲面高度直邊高度內表面積容積Dg（mm）h1（mm）h2（mm）FV1800450403.730.8664.4酵母擴大培養罐本設計采用一罐法酵母接種培養工藝，一般認為經過2.5-3天擴培后，即可得到接種單鍋麥汁所需的酵母，擴培所需容量可根據下面公式來計算[9]擴培罐裝料系數為80%，則取H:D=4：1，錐底角60°。則求出D=1.5H=64.5無菌麥汁儲存罐4.5過濾設備本次設計過濾設備選用葉片式硅藻土過濾機，機殼密閉、垂直濾葉、結構緊湊、運動部件少，易維修保養。操作簡單、方便；清洗、排渣不拆卸，勞動強度低。全不銹鋼，耐腐蝕性能強，經久耐用，使用壽命長。運行平穩，性能可靠，過濾能力強，效果好。生產效率高，消耗低，尤其酒損小。糖化一次過濾酒量為8692.6275L，質量為8.9t，選用YIG-12過濾面積為12平方米，過濾能力為8-10t/h的硅藻土過濾機。表4-9葉片式硅藻土過濾機型號過濾面積（㎡）濾葉片數過濾能力（t/h）外形尺寸整機重量(mm)（t）YTG1212118-103300*2000*300024.6泵的選取4.6.1離心泵泵的計算本設計中在麥汁輸送到麥汁殺菌鍋中和過濾酒液輸送到清酒罐中用離心泵。麥汁輸送到麥汁殺菌罐時液體按10m3的液體計算，15min打滿一罐，選用一個泵，則：10÷1÷0.25=40m3/h過濾酒液打到清酒罐時液體按50m3計算，15min打滿一罐，選用一個泵，則：50÷1÷0.25=200m3/h2.泵的介紹IHG型不銹鋼化工管道泵，供輸送不含固體顆粒，具有腐蝕性，粘度類似于水的液體，適用于石油、化工、冶金、電力、造紙、食品制藥和合成纖維等部門，使用溫度為-20℃~120℃。2.泵的結構泵的主要零件有：泵體、直聯架葉輪、機械密封部件、Y系列加軸伸電機等。本型泵泵蓋與泵體鑄成一體，葉輪直接裝在電機軸上，并用葉輪螺母10加外舌止退墊圈7固緊。泵體出水口一般朝上，也可以朝側，這時只要將泵體與直聯架螺栓松開，調轉泵體即可。表4-10離心泵參數名稱參數型號IHG200-250流量（m3/h）200揚程H（m）20轉速（r/min）1450效率（%）79軸功率（kw）3.0生產廠家泊頭市盛泰泵業制造有限公司表4-11離心泵參數名稱參數型號IHG65-315(I)C流量（m3/h）41揚程H（m）85轉速（r/min）2900效率（%）51軸功率（kw）3.0生產廠家泊頭市盛泰泵業制造有限公司4.6.2齒輪泵1.泵的計算本設計中在冷麥汁輸送錐形發酵罐、發酵酒液輸送到貯酒罐、貯酒罐酒液輸送到過濾機時選用齒輪泵。按50m3的液體計算，15min打滿一罐，選用一個泵，則：50m3÷1÷0.25=200m3/h2.泵的介紹3-3RP食品衛生泵用于食品、飲料、釀造、石油化工等行業。該泵屬于回轉式容積泵，效率高、壽命長，適用送溫度為-30℃到80℃,適用于輸送粘度為30-1.0×105cSt,泵體內部與液體接觸的零部件均選用不銹鋼材質，并可根據介質的不同改變泵的轉速。3.泵的結構主要由凸輪轉子、軸封、齒輪箱組成，一對同步轉動的齒輪帶動凸輪轉子，來實現介質的輸送軸封可以根據不同的工況條件設計為填料密封盒機械密封。從電機向泵看，泵轉向為順時針轉動。表4-123