年产10万吨啤酒厂糖化车间设计

年产12万吨啤酒厂糖化车间设计 本设计的内容 摘要：啤酒，但是酿造原理却是一样的。在整个酿造过程中，大体可以分为四大工序：麦芽制造；麦汁制备；啤酒发酵；啤酒包装与成品啤酒。其中麦汁制造是啤酒生产的重要环节，它包含了对原料的糊化、液化、糖化、麦醪过滤和麦汁煮沸等处理工艺。设计从实际生产出发，确定出生产10万吨啤酒所需要的物料量，热量和糖化车间内的常用设备如糊化锅、糖化锅、过滤槽、煮沸锅、沉淀槽及薄板冷却器的主要尺寸、选型以及其他辅助设备、管道的选型。设备均是现今国内常用的类型，具有一定的先进性。而且对整个车间的布局进行了设计，包括设备布置图，工艺流程图等。 关键词：糖化锅 物料衡算 热量衡算 一、前言： 啤酒是全世界分布最广，也是历史最悠久的酒精性饮料，它的酒精度低、营养丰富、有益于人的健康，因而有“液体面包”之美称，受到众人的喜爱。 我国最新的国家标准规定：啤酒是以大麦芽（包括特种麦芽）为主要原料，加酒花，经酵母发酵酿制而成的、含二氧化碳的、起泡的、低酒精度（2.5％～7.5％，V/V）的各类熟鲜啤酒。 目前，我国人均啤酒消费量虽然已接近22升，但中西部地区仅在10升左右，8亿多人口的农村人均连5升不到。因此，我国啤酒市场还拥有很大的挖掘潜力，消费量仍将保持增长。 啤酒品种很多，一般可根据生产方式，按产品浓度、啤酒的色泽、啤酒的消费对象、啤酒的包装容器、啤酒发酵所用的酵母菌等种类来分类。 · 根据原麦汁浓度分类 啤酒酒标上的度数与白酒上的度数不同，它并非指酒精度，它的含义为原麦汁浓度，即啤酒发酵进罐时麦汁的浓度。主要的度数有18、16、14、12、11、10、8度啤酒。日常生活中我们饮用的啤酒多为11、12度啤酒。 · 根据啤酒色泽分类 淡色啤酒——色度在5-14EBC之间。淡色啤酒为啤酒产量最大的一种。浅色啤酒又分为浅黄色啤酒、金黄色啤酒。浅黄色啤酒口味淡爽，酒花香味突出。金黄色啤酒口味清爽而醇和，酒花香味也突出。 浓色啤酒——色泽呈红棕色或红褐色，色度在14-40EBC之间。浓色啤酒麦芽香味突出、口味醇厚、酒花苦味较清。 黑色啤酒——色泽呈深红褐色乃至黑褐色，产量较低。黑色啤酒麦芽香味突出、口味浓醇、泡沫细腻，苦味根据产品类型而有较大差异。 · 根据杀菌方法分类 鲜啤酒——啤酒包装后，不经巴氏灭菌的啤酒。这种啤酒味道鲜美，但容易变质，保质期7天左右。 熟啤酒——经过巴氏灭菌的啤酒。可以存放较长时间，可用于外地销售，优级啤酒保质期为120天。 · 根据包装容器分类 瓶装啤酒——国内主要为640ml和355ml两种包装。国际上还有500ml和330ml等其他规格。 易拉罐装啤酒——采用铝合金为材料，规格多为355ml。便于携带，但成本高。 桶装啤酒——材料一般为不锈钢或塑料，容量为30升。啤酒经瞬间高温灭菌，温度为72°C，灭菌时间为30秒。多在宾馆、饭店出现，并专门配有售酒机。由于酒桶内的压力，可以保持啤酒的卫生。 二、啤酒生产工艺流程 啤酒生产分为两大部分：麦芽制造和啤酒酿造。 麦芽制造工艺流程： 原料（大麦）→浸渍→发芽→干燥→除根 啤酒酿造工艺流程： 糖化用水 洗糖用水 酒花 ↓ ↓ ↓ 原料（麦芽，大米）→粉碎→糖化→麦汁过滤→麦汁煮沸 ↑ ↑ 酵母 冲氧 啤酒的生产过程大体可以分为四大工序：麦芽制造；麦汁制备；啤酒发酵；啤酒包装与成品啤酒。 1 麦芽制造 大麦是酿制啤酒的主要原料，是先将其制成麦芽，再用于酿酒。大麦在人工控制的外界条件下进行发芽和干燥的过程，即为麦芽制造，简称“制麦”。发芽后的新鲜麦芽称绿麦芽。绿麦芽经干燥后称干麦芽。 麦芽制造过程如下： 大麦→预处理→浸麦→发芽→干燥→除根→成品麦芽 传统的制麦过程分为三个阶段： （1）精选后的大麦，浸渍水中，使达到发芽所需要的水分，此阶段为大麦浸渍。 （2）浸渍后的大麦，在人工控制的条件下进行发芽，利用发芽过程形成的酶系,使大麦的内容物质进行分解，变为麦芽，此阶段为人工发芽。 （3）发芽完毕的绿麦芽，利用热空气进行干燥和焙焦此阶段为麦芽焙燥。 新型的制麦方法，常运用浸渍时充分供氧的理论，使大麦在浸渍吸水过程中，即开始萌芽。边浸渍，边发芽，使浸渍和发芽合为一个生产阶段，大大缩短了生产时间。大麦发芽的目的是使麦粒内部产生一定数量的水解酶，并利用这些水解酶，分解胚乳的贮藏物质，使其进行合理的降解。 （1）胚乳细胞壁的部分或全部降解，使焙燥后的麦粒变得疏松，更易粉碎，内容物质更易溶出。→ （2）麦粒的胶质聚糖物质充分降解，使麦芽浸出物的粘度大大降低。 （3）胚乳的部分淀粉和蛋白质进行合理降解，形成一部分低分子水溶性物质，这些物质是组成麦汁的主要成分。 麦芽焙燥的作用是使绿麦芽的水分降低，发芽停止，便于去根和贮藏。但麦芽焙燥并不只是一个简单的水分蒸发过程，它还同时进行了复杂的生化变化，使焙燥后的麦芽具有独特的香味和色泽。麦芽焙燥系根据制造不同的麦芽类型，采取不同的焙燥方法，以适应酿制不同类型的啤酒。 2 麦汁制备 麦汁制备通常在工厂又称为糖化。麦芽及辅料必须经过这个过程，制成各种成分含量适宜的麦汁，才能由酵母发酵酿成啤酒。麦汁制造的全过程，可分为麦芽及辅料的粉碎、醪的糖化、过滤，以及麦汁煮沸、冷却五道工序。 将粉碎的谷粒/麦芽于水在糊化锅/糖化锅中混合。糊化锅/糖化锅是一个巨大的金属容器：匹配CIP清洗系统与加热系统、搅拌装置以及大量自控装置。在糊化锅/糖化锅中，将难溶性的淀粉和蛋白质转变成为可溶性麦芽汁。麦芽汁在被泵入煮沸锅之前需要先在过滤槽中去除其中的麦糟。 过滤后的麦汁进入煮沸锅后，混合物被煮沸以吸取酒花的味道，并起色和消毒。在煮沸后，加入酒花的麦芽汁被泵入回旋沉淀槽，除去不需要的酒花剩余物和不溶性的蛋白质。洁净的麦芽汁从回旋沉淀槽中泵出后，被送入热交换器冷却。随后，麦芽汁中被加入酵母，开始进入发酵工序。 3 啤酒发酵 冷麦芽汁添加酵母后，开始发酵作用。啤酒发酵是一项非常复杂的生化变化过程，在啤酒酵母所含酶系的作用下，其主要变化产物是酒精和二氧化碳，另外还有一系列的发酵副产物，如醇类、醛类、酸类、酯类、酮类和硫化物等。这些发酵产物决定了啤酒的风味、泡沫、色泽和稳定性等各项理化性能，使啤酒具有其独特的典型性。 不同的酿造者，由于采用了不同的酵母菌株，从而衍生出不同的发酵工艺和生产出不同类型的啤酒。传统的啤酒发酵方法，可分为上面发酵和下面发酵两种类型。前者采用上面酵母和较高的发酵温度；后者采用下面酵母和较低的发酵温度。这两种啤酒风味不同，各具特点。 啤酒发酵过程分主发酵（又名前发酵）和后发酵两个阶段。酵母繁殖和大部分可发酵性糖类的分解以及酵母的一些主要代谢产物，均在主发酵阶段完成。后发酵是前发酵的延续，必须在密闭容器中进行，使残留糖分分解所形成的二氧化碳溶于酒内，达到饱和；并使啤酒在低温下陈酿，促进酒的成熟和澄清。 由于科学技术的不断发展，啤酒发酵过程中的一些变化机制，正逐步为人们所掌握。为了缩短发酵周期，提高发酵设备利用率，人们在传统的发酵技术上，又创造了许多新型发酵方法，如搅拌发酵、高温发酵、加压发酵、连续发酵等，并且创造了多种新型发酵容器。 4 啤酒包装与成品啤酒 啤酒经过后发酵或后处理，口味已经达到成熟，二氧化碳已经饱和酒内，酒液也已逐渐澄清，此时再经过机械处理，使酒内悬浮的轻微粒子最后分离，达到酒液澄清透明的的程度，即可包装出售。啤酒的包装方式系根据销售的需要而为，有瓶装啤酒，罐装啤酒和桶装啤酒。 在包装啤酒之前，必须将啤酒澄清，啤酒的澄清系指啤酒与其所含的固体粒子分离的过程。啤酒在贮藏期间，因酵母逐渐沉降和部分不稳定的蛋白质-单宁复合物的析出、凝集、沉淀而逐步变得澄清。这种自然澄清的现象，主要由于固液相的不同相对密度而产生的，沉降速度较慢，只能使啤酒达到一定的澄清程度，对其中极轻微的粒子则很难在较短时间内完全沉淀下来。要使成品啤酒达到澄清透明，富有光泽的程度，则必须通过机械方法进行处理。这些机械澄清方法可以除去啤酒中的酵母和细菌以及微小的混浊物质粒子，不仅使啤酒外观富有吸引力，而且大大改善了啤酒的生物稳定性和非生物稳定性。 啤酒机械澄清的方法分为：（1）啤酒过滤；（2）啤酒离心分离。 啤酒过滤就是让流体通过分离介质，使其中的固体从流体中分离出来。在酒中，一些具有较高表面活性的物质如蛋白质、酒花物质、色素物质、高级醇、酯类等都易被过滤介质吸附一定数量。其过滤方式有：滤棉过滤；硅藻土过滤；板式过滤。它们因其过滤介质不同而有各自的优缺点。但是我们在啤酒过滤过程中必须重点控制以下几个方面：（1）压力差；（2）过滤前后啤酒的混浊度；（3）菌含量（特别对无菌过滤要求而言）；（4）生物和非生物稳定性的试验；（5）啤酒损失；（6）二氧化碳含量的降低值；（7）含氧量的升高值；（8）助滤剂对风味影响的试验。 啤酒的离心分离就是离心机中离心力将固体粒子从液体中分离出来。 当啤酒澄清后，就该进行啤酒生产的最后一道工序啤酒的包装，它对啤酒的质量和外观有直接的影响。在包装过程中应做到以下要求：（1）严格的无菌要求，包装后的啤酒应符合卫生标准；（2）在包装过程中应减少二氧化碳损失，以保证啤酒口味和泡沫性能；（3）在包装过程中应尽量避免与空气接触，防止因氧化作用而影响啤酒的风味稳定性和非生物稳定性。 三、糖化车间设备选型原则 1.设备的选型必须是先进、成熟，运行可靠或经过鉴定推广的新设备。 2.应结合麦汁制备的特点，选择机械化程度高，效率高，能耗较低，噪音较小，易于清洁卫生的专业设备，并适当考虑自动化水平。 3.设备的型式必须结构较简单，制造较容易，易损零件更换容易，维修方便，在使用上易于操作和装拆。同时其选用材料适应物料性质和食品卫生的要求。 4.设备的能力应满足生产需要，一般根据每次糖化的热麦汁量和设备的有效容积。 5.回旋沉淀槽的容量能满足生产要求，其结构应符合技术条件要求。 四、啤酒糖化工艺综述 麦芽汁是糖化车间制备的。糖化车间具有一切用来溶解麦芽成分的设备。 （一）糊化、糖化 糖化的目的就是要将原料（包括麦芽和辅助原料）中可溶性物质尽可能多的萃取出来，并且创造有利于各种酶的作用条件，使很多不溶性物质在酶的作用下变成可溶性物质而溶解出来，制成符合要求的麦汁，并得到较高的收得率。糖化过程使一项非常复杂的生化反应过程，也是啤酒生产中重要环节。糖化的要求是麦芽汁的浸出物收得率要高，浸出物的组成及其比例符合产品的要求。而且要尽量减少生产费用，降低成本，这与糖化温度、时间、醪液浓度及pH有很大的关系，例如糖化温度和时间的变动，就会影响麦芽汁中糖与糊精的比例，从而影响啤酒的发酵度口味，所以在糖化操作中要严格控制温度、时间、糖化醪的浓度及pH等各项因素，以保证产品的产量和质量的稳定。 糖化方法一般分为两种，即全麦芽啤酒的糖化方法和加辅料啤酒的糖化方法。根据我国国情，国内常用第二种方法，又称复式糖化法或双醪糖化法。所谓复式即指含有辅料（大米、玉米等未发芽的谷物）及其煮沸的过程。根据糖化醪和糊化醪兑醪后，取部分醪液煮沸的次数，又分为双醪一次煮出糖化法或双醪二次煮出糖化法，其特点是： 1.添加部分未发芽的谷物作为麦芽的辅助原料，其添加量在20％～30％，最高可达到50％，所采用的麦芽的酶活性相对高一些。 2.麦芽在糖化锅进行蛋白分解，辅助原料在糊化锅进行糊化和液化，然后兑醪，达到所需要的糖化温度。 3.各类辅助原料在进行糊化时，一般要添加适量的α—淀粉酶使淀粉边糊化边液化，有利于对醪后的糖化作用。 4.麦芽的蛋白分解时间应较为一般煮出糖化法长一些，避免低分子含氮物质含量不足。 5.因辅助原料粉碎得较细，麦芽粉碎物应适当粗一些，尽量保持麦皮完整，防止麦芽汁过滤困难。 6.本法制备的麦芽汁色泽浅，发酵度高，适合制造淡色贮藏啤酒。 本设计将采用双醪一次煮出糖化法。 （二）过滤 糖化结束后，应尽快地把麦芽汁和麦糟分开，以得到清凉和较高收得率的麦芽汁，避免影响半成品麦芽汁的色香味。因为麦糟中含有的多酚物质，被浸渍时间长了，易给麦芽汁带来不良的苦涩味和麦皮味，麦皮中的色素浸渍时间长了，易增加麦汁的色泽，微小的蛋白质颗粒，可破坏泡沫的持久性。此过程用的设备是过滤槽。 （三）煮沸 过滤后的麦汁，被泵入煮沸锅煮沸，其目的和作用是： 1.蒸发多余水分，使混合麦芽汁通过煮沸、蒸发、浓缩到规定的浓度。 2.破坏全部酶的活性，防止残余的α—淀粉酶继续作用，稳定麦汁组分。并通过煮沸，消灭麦芽汁中存在的各种有害微生物，保证最终产品的质量。 3.浸出酒花中的有效成分（软树脂、单宁物质、芳香成分等），赋予麦芽汁独特的苦味和香味，提高麦芽汁的生物和非生物稳定性。 4.使高分子蛋白质变性和凝固析出，提高啤酒的非生物稳定性。 5.降低麦芽汁的pH值，麦芽汁煮沸时，水中钙离子和麦芽中的磷酸盐起反应，使麦芽汁的pH值降低，利于球蛋白的析出和成品啤酒pH的降低，有利于啤酒生物和非生物稳定性的提高。 6.还原物质的形成，在煮沸过程中，麦芽汁色泽逐步加深，形成了一些成分复杂的还原物质，如类黑素等。对啤酒的泡沫性能以及啤酒的风味稳定性和非生物稳定性的提高有利。 7.挥发出不良气味，把具有不良气味的碳氢化合物，如香叶烯等随水蒸汽的挥发而逸出，提高麦芽汁质量。 （四）冷却 煮沸定型后的麦芽汁，必须立即冷却，其目的是： 1.降低麦芽汁温度，使之达到合适酵母的温度。 2.使麦芽汁吸收一定量的氧气，以利于酵母的生长增殖。 3.析出和分离麦芽汁的冷、热凝固物，改善发酵条件和提高啤酒质量。 五、100000t/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（糖化糟和酒花糟）等。 1. 糖化车间工艺流程示意图（图5-1） 图5-1 啤酒厂糖化车间工程流程示意图 2.工艺技术指标及基础数据 基础数据见表5-1 表5-1 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 原料利用率 98.5 原料配比 麦芽 60 麦芽水分 6 大米 40 大米水分 13 啤酒损失率(对热麦汁) 冷却损失 7.5 无水麦芽浸出率 75 发酵损失 1.6 无水大米浸出率 92 过滤损失 1.5 麦芽清净和磨碎损失 0.1 装瓶损失 2.0 总损失 12.6 根据上表的基础数据首先进行100kg原料生产12°淡色啤酒的物料衡算，然后进行100L12°淡色啤酒的物料衡算，最后进行100000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。 3. 100kg原料（60%麦芽，40%大米）生产12°P淡色啤酒的物料衡算 （1）热麦汁量 根据表5-1可得原料收率分别为： 麦芽收率为： 0.75（100－6）÷100=70.5% 大米收率为： 0.92（100－13）÷100=80.04% 混合原料收得率为： [0.60×70.5%×（1－0.1）+0.40×80.04%]×98.5%=73.16% 由上述可得100kg混合原料可制得的12°热麦汁量为： （73.16÷12）×100=609.66（kg） 又知12°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： （609.66÷1.084）×1.04=584.92L （2） 添加酒花量： 609.66×0.2%=1.22kg （3） 冷麦汁量为： 584.92×（1－0.075）=541.05L （4） 发酵成品液量： 541.05×（1－0.016）=532.39L （5） 清酒量（过滤）为：532.39×（1－0.015）=524.41L （6） 成品啤酒量为： 524.41×（1－0.02）=513.92L 4. 生产100L12°P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12°成品啤酒513.92L，故可得出下述结果： （1） 生产100L12°淡色啤酒需耗混合原料量为： （100÷513.92）×100=19.46kg （2） 麦芽耗用量： 19.46×60%=11.68kg （3） 大米耗用量： 19.46－11.68=7.78kg （4） 酒花用量为 对淡色啤酒，热麦汁中加入的酒花量为0.2%，故酒花耗用量为： （584.92/513.92）×100×0.2%=0.2276kg （5） 热麦汁量为： （584.92/513.92）×100=113.82L （6） 冷麦汁量为： （541.05/513.92）×100=105.28L （7） 湿糖化糟量： 设排出的湿麦糟水分含量为80%，则湿度糟量为： [（1－0.06）（100－75）/（100－80）]×11.68=13.72kg 湿大米糟量为： [（1―0.13）（100―92）/（100－80）]×7.78=2.71kg 故湿糖化糟量为： 13.72+2.71=16.43kg （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）]×0.2276=0.683kg （9） 发酵成品液量：（532.39/513.92）×100=103.60L （10）清酒量： （524.41/513.92）×100=102.04L 5. 100000t/a 12°P淡色啤酒糖化车间物料衡算 全年生产天数为300天，设旺季生产240天，淡季生产60天。旺季每天糖化数为7次，淡季每天生产次数为5次，则全年糖化次数为： 240×7+60×5=1980（次） 计算的基础数据可算出每次投料量及其他项目的物料平衡。 （1）年实际生产啤酒：100000÷1.012=98814229.25L （2）清酒产量：98814229.25÷（1－0.02）=100830846.2L （3）发酵液总量：100830846.2÷（1－0.015）=102366341.3L （4）冷麦汁量：102366341.3÷（1－0.016）=104030834.6L （5）煮沸后热麦汁量：104030834.6÷（1－0.075）=112465767.2L 20℃麦汁体积：112465767.2÷1.04=108140160.8L 12°P麦汁质量为（20℃）：108140160.8×1.084=117.2×106Kg （6）混合原料量：117.2×106Kg ×12%÷73.16%=19.23×106Kg （7）麦芽耗用量：19.23×106Kg ×0.60=11.54×106Kg 大米耗用量：（19.23－11.54）×106=7.69×106Kg （8）酒花耗用量：112465767.2×0.2%=224931.53Kg 根据经验估算，混合原料量定为19.3×106Kg，实际产量才大于100000t啤酒。 把前述的有关啤酒糖化间的三项物料衡算计算结果，整理成物料衡算表：如表5-2所示。 表5-2 啤酒厂糖化车间物料衡算表 物料名称 单位 对100kg混合原料 100L 12°P淡色啤酒 糖化一次定额量 100000t/a啤酒生产 混合原料 Kg 100 19.46 9747.475 19300000 麦芽 Kg 60 11.68 5848.489 11580000 大米 Kg 40 7.78 3898.990 7720000 酒花 Kg 1.22 0.2276 114.029 225777.89 热麦汁 L 584.92 113.82 57014.618 112888943.8 冷麦汁 L 541.05 105.28 52738.522 104422273 湿糖化糟 Kg 84.42 16.43 8228.818 16293060 湿酒花糟 Kg 3.66 0.683 342.088 677333.66 发酵成品液 L 532.39 103.60 51894.705 102751516.6 清酒液 L 524.41 102.04 51116.285 101210243.9 成品啤酒 L 513.92 100 50093.959 99186039.01 备注：12°P淡色啤酒的密度为1012kg/m3，实际年生产啤酒为100376t。 六、100000t/a啤酒厂糖化车间热量衡算 本设计采用国内常用的双醪一次煮出糖化法，下面就工艺为基准进行糖化车间的热量衡算。工艺流程如6-1图，数据根据表5-2 以下对糖化过程各步操作的热量分别进行计算： （一）糖化用水耗热量Q1 根据工艺，糊化锅加水量为： G1=（3898.990+779.80）×4.5=21054.555kg 式中，3898.990为糖化一次大米粉量，779.80为糊化锅加入的麦芽量（为大米量的20%）。 糖化锅加水量为： G2=5068.69×3.5=17740.415kg 式中，5068.69为糖化一次麦芽粉量，即（5848.489-779.8）kg，而5848.489为糖化一次麦芽定额量。 故糖化总用水量为： Gw=G1+G2=21054.555+17740.415=38794.97kg 自来水平均温度取t1=18℃，而糖化配料用水温度t2=50℃，故耗热量为： Q1=（G1+G2）cw（t2-t1）=5189215.187kJ 图6-1 啤酒厂糖化工艺流程示意图 （二）第一次米醪煮沸耗热量Q2 由工艺流程图可知 Q2=Q21+Q22+Q23 1. 糊化锅内米醪由初温t0加热至100℃耗热Q21 Q21=G米醪c米醪（100-t0） （1） 计算米醪的比热容c米醪根据经验公式c谷物=0.01[（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/（kg·K）。 c麦芽=0.01[（100-6）1.55+4.18×6]=1.708 kJ/（kg·K） c大米=0.01[（100-13）1.55+4.18×13]=1.891 kJ/（kg·K） c米醪=（G大米c大米+G麦芽c麦芽+G1cw）/（G大米+G麦芽+ G1） =（3898.990×1.891+779.8×1.708+21054.555×4.18）÷（3898.990+779.8+21054.555） =3.758 kJ/（kg·K） （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+G1cw×50 EQ ]/ G米醪c米醪=47.12℃ 其中：G米醪=3898.990+779.8+G1=25733.345kg （3）把上述结果代回Q21=G米醪c米醪（100-t0），得 Q21=25733.345×3.758（100-47.12） =5113808.548kJ 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%，则蒸发水分为： V1=G米醪×5%×40÷60=857.778kg 故Q22=V1I=857.778×2257.2=1936176.502kJ 式中，I为煮沸温度（约为100℃）下水的汽化潜热（kJ/kg）。 3．热损失Q23 米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为前二次耗热量的15%，即： Q23=15%（Q21+Q22） 4.由上述结果得： Q2=1.15（Q21+Q22）=8107482.807kJ （三）第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q3 按糖化工艺，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t。 1. 糖化锅中麦醪的初温t麦醪 已知麦芽粉初温为18℃，用50℃的热水配料，则麦醪温度为： t麦芽=（G’麦芽c麦芽×18+G2cw×50）/G麦醪c麦醪 =（5068.69×1.708×18+17740.415×4.18×50）/（22809.105×3.631） =46.65℃ 其中：G麦醪=G’麦芽+G2=5068.69+17740.415=22809.105kg c麦醪=（G’麦芽c麦芽+G2cw）/（G’麦芽+G2） =（5068.69×1.708+17740.415×4.18）/（5068.69+17740.415） =3.631kJ/（kg·K） 2. 根据热量衡算，且忽略热损失，米醪与麦醪并合前后的焓不变，则米醪的中间温度为： 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 =（48542.45×3.765×63-22809.105×3.631×46.65）/（24875.567×3.758） =81.84℃ 其中：G’米醪= G米醪－V1=25733.345-857.778=24875.567kg G混合=G米醪+G麦醪=25733.345+22809.105=48542.45kg c混合=（G米醪c米醪+ G麦醪c麦醪）/（G’米醪+G麦醪） =（25733.345×3.758+22809.105×3.631）/（24875.567+22809.105） =3.765 kJ/（kg·K） 因此温度比煮沸温度只低20℃左右，考虑到米醪由糊化锅到糖化锅输送过程的热损失，可不必加中间冷却器。 3. Q3=G混合c混合（70－63）=1279336.27kJ （四）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 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－V1=25733.345-857.778=24875.567kg 糖化锅的麦芽醪量为： G麦醪=G’麦芽+G2=5068.69+17740.415=22809.105kg 故进入第二次煮沸的混合醪量为： G’混合=G’米醪+G麦醪= 24875.567+22809.105=47684.672kg （2）根据工艺，糖化结束醪为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）]=26.67% （3）麦醪的比热容 c麦醪=（G’麦芽c麦芽+G2cw）/（G’麦芽+G2） =（5068.69×1.708+17740.415×4.18）/（5068.69+17740.415） =3.631kJ/（kg·K） 混合醪的比热容： c’混合=（G’米醪c米醪+ G麦醪c麦醪）/（G’米醪+G麦醪） =（24875.567×3.758+22809.105×3.631）/（24875.567+22809.105） =3.697kJ/（kg·K） （4） 故Q41=26.67% G’混合c’混合（100－70）=1410498.149kJ 2.二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q42 煮沸时间为10min，蒸发强度为5%，则蒸发水分量为： V2=26.67% G’混合×5%×10÷60=105.98kg 故Q42=IV2=2257.2×105.98=239218.056kJ 式中，I为煮沸下饱和蒸汽焓（kJ/kg）。 3.热损失Q43 根据经验有： Q43=15%（Q41+Q42） 4.把上述结果代回Q4= Q41+ Q42 +Q43 得 Q4=1.15（Q41+Q42） =1897173.636kJ （五）洗糟水耗热量Q5 设洗糟水平均温度为80℃，每100kg原料用水450kg，则用水量为： G洗=9747.475×450÷100=43863.638kg 故Q5=G洗cw（80－18） =11367700.29kJ （六）麦汁煮沸过程耗热量Q6 Q6=Q61+Q62+Q63 1.麦汁升温至沸点耗热量Q61 有表5-2糖化物料衡算表可知，100kg混合原料可得到609.66kg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=9747.475×609.66÷100=59426.456kg 又c麦汁=（5848.489×1.708+3898.99×1.891+9747.475×6.4×4.18）/（9747.475×7.4）=3.856 kJ/（kg·K） 故Q61= G麦汁c麦汁（100-70） =6874452.43kJ 2.煮沸过程蒸发耗热量Q62 煮沸强度10%，时间1.5h，则蒸发水分为： V3=59426.456×10%×1.5=8913.97kg 故Q62=IV3=2257.2×8913.97=20120613.08kJ 3.热损失为 Q63=15%（Q61+Q62） 4.把上述结果代回Q6=Q61+Q62+Q63可得出麦汁煮沸总耗热 Q6=115%（Q61+Q62）=31044325.34kJ (七)糖化一次总耗热量Q总 （八）糖化一次耗用蒸汽量D 使用表压为0.3MPa的饱和蒸汽，I=2725.3kJ/kg，则 式中，i为相应冷凝水的焓（561.47kJ/kg）； 为蒸汽的热效率，取 =95%。 （九）糖化过程每小时最大蒸汽耗量Qmax EQ \R(,) 在糖化过程各步骤中，麦汁煮沸耗热量Q6为最大，且知煮沸时间为90min，热效率95%，故： Qmax＝ ＝ 21785491.47kJ/h 相应的最大蒸汽耗量为： （十）蒸汽单耗 根据设计，每年糖化次数为1980次，共生产啤酒100410t。年耗蒸汽总量为： DT=28645.71×1980=56718505.8kg 每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）： Ds=56718505.8÷100376=565.06kg/t啤酒 每昼夜耗蒸汽量（生产旺季算）为： Dd=28645.71×7=200519.97kg/d 将上述计算结果列成热量消耗综合表 名称 规格 （MPa） 每吨产品消耗定额（kg） 每小时最大用量（kg/h） 每昼夜消耗量（kg/d） 年消耗量（kg/a） 备注 蒸汽 0.3（表压） 565.06 10068.023 200519.97 56718505.8 七、设备的工艺计算和设备选型 （一）啤酒厂糖化设备的组合方式 六器组合方式，一只糊化锅，一只糖化锅，一只过滤槽和两只麦汁煮沸锅，一只回旋沉淀槽，一只麦汁冷却器。 （二）糊化设备 1.功能用途 糊化设备是用来加热、煮沸谷物辅料（大米粉或玉米粉）和部分麦芽粉醪液，使淀粉糊化和液化的设备，用于糊化的设备有糊化锅和糊化煮沸锅。 3.型号 根据QB917－89和ZBY99030－90标准的规定，常用的糊化锅产品型号见表7-2 表7-2 常用糊化锅型号表 型号 结构型式 成套糖化设备每次糖化热麦汁量（m3/次） 有效容积（m3） JYQ14×16 圆柱形锅身、球形夹套式加热底 14 6 JYQ35.5×13 圆柱形锅身、球形夹套式加热底 35.5 13 JYZ35.5×13 圆柱形锅身、锥形夹套式加热底 35.5 13 JJV35.5×17 矩形锅身、“V”形加热底 35.5 17 JJV50×15 矩形锅身、“V”形加热底 50 15 JYG50×18 圆柱形锅身、盘管式加热装置 50 18 JYV50×25 圆柱形锅身、“V”形加热底 50 25 JYZ50×20 圆柱形锅身、锥形夹套式加热底 50 20 JYZ90×27 圆柱形锅身、锥形夹套式加热底 90 27 JYZ90×43 圆柱形锅身、“V”形加热底 90 43 4.根据实际情况，本设计采用JYV型糊化锅。 （1）锅体 JYV的锅体是由圆柱形锅身，“V”形加热底和锥形锅盖组成的容器。这种糊化锅是引进德国斯坦尼克公司的技术设计制造的，是我国目前啤酒成套糖化设备一次糖化热麦汁成品量最大的糊化锅之一。 虽然圆形糊化锅的“V”形加热底的形状与矩形糊化锅不同，但其基本结构是相同的，即通入蒸汽的气室都是焊在锅底下的许多角钢构成。这种锅在锅身上还装有与其高度相近并带有容量刻度的视镜，设在锅盖上的人空门打开时，电源被切断，搅拌器停止转动。糊化锅的锅体由裙座来支撑，在裙座上开有方形人孔门，供拆装和检查传动装置之用。糊化锅锅体的材质为0Cr19Ni9，裙座为碳钢。 （三）糖化设备 1.功能用途 糖化设备是用来进行麦芽粉的蛋白分解，并与以糊化的大米醪混合，使醪液保持一定的温度，进行淀粉糖化的设备。用于糖化的设备使糖化锅。如图7－2所示。 2.分类 糖化锅的品种按啤酒成套糖化设备每次糖化的热麦汁产量划分为14，25，35.5，50，63，90m3等五种。糖化锅的结构形式按锅身形状和介质加热方式划分为六种，见表7-3 表7-3糖化锅的分类表 结构型式 代号 圆柱形锅身、平形夹套式加热底 YP 圆柱形锅身、球形夹套式加热底 YQ 圆柱形锅身、锥形夹套式加热底 YZ 圆柱形锅身、环管式加热装置 YH 圆柱形锅身、“V”形加热底 YV 矩形锅身、“V”形加热底 JV 3.型号 根据QB917－89标准的规定，常用的糖化锅产品型号见表7-4 表7-4 常用糖化锅型号表 型号 结构型式 成套糖化设备每次糖化热麦汁成品量（m3/次） 有效容积（m3） JYP14×10 圆柱形锅身、平形夹套式加热底 14 10 JYQ35.5×23 圆柱形锅身、球形夹套式加热底 35.5 23 JYH35.5×32 圆柱形锅身、环管式加热装置 35.5 32 JJV35.5×30 矩形锅身、“V”形加热底 35.5 30 JJV50×39 矩形锅身、“V”形加热底 50 39 JYZ50×37 圆柱形锅身、锥形底 50 37 JYV50×39 圆柱形锅身、“V”形加热底 50 39 JYH50×40 圆柱形锅身、环管式加热装置 50 40 JYZ90×73 圆柱形锅身、锥形夹套式加热底 90 73 JYN90×78 圆柱形锅身、“V”形加热底 90 78 4. 根据实际情况，本设计采用JYV型糖化锅，其锅体结构与特点，搅拌，材料均与本设计中糊化锅相似。 5.糖化锅的相关计算 根据物料以及热量衡算所得数据可知，一次糖化糖化锅中需要麦芽粉量为5068.69kg，加水17740.415kg，糊化锅中大米麦芽混合物量为（3898.990+779.80）＝4678.79kg，加水21054.555kg，糊化时蒸发量为857.778kg。 因此第一次煮沸后， 糊化醪量+糖化醪量＝5068.69+17740.415+4678.79+21054.555-857.778 ＝47684.672kg 由表5-1可知，大米粉含水量为13％，麦芽粉含水量为6％ 糖化醪干物质％＝ 相对密度为1.08，则： 糖化锅有效体积＝ 糖化锅的容量系数在0.77～0.82之间，锅身与高度之比一般取2∶1。 设计估算可以按下式估算D，设底高部分为空余系数部分，取圆筒直径D与高度H之比为2∶1，则 所以，D=4.8m 圆整 取D=5.0m H=2.5m 取容量系数为0.8，则糊化锅的全容积为 V全＝44.15÷0.8＝55.18m3 升气管截面积为液体蒸发面积的1/30～1/50，取1/50，则 所以d=0.80m 选搅拌器为二折叶旋浆搅拌器 d=2/3D=3.3m θ=60° n=20r/min=0.33r/s （2）计算Q、K、A （假设加热用P=248.4Pa（绝）饱和蒸汽加热。） 依热量衡算部分数据，在双醪二次煮出糖化法中，最大传热是在第二次煮沸前混合醪由63℃升温至70℃，所需热量为 Q3=G混合c混合（70-63）=1279336.27kJ Q=G混合×c混合×（70－63）× =1279336.27× =15352035.24kJ/h. 加热面材料取不锈钢板δ=8mm，λ不锈钢=17.4W/（m·K） 总传热系数，由于不锈钢板的导热系数很小，所以α1和α2可忽略不计，因此 EMBED Equation.3 考虑实际热效率比理论K值降低20% 即K实=2175×0.8=1740W/（m2·K） 传热面积： 取A=41m2 （3）搅拌功率计算 设搅拌器宽b=0.40m，锅内液柱高H液=2.9m，按永田公式：设搅拌器折角θ=60° = =38.71 =0.6950 =1.1+4 -2.5 -7 =1.3112 Rem=ρnd2/μ= =0.130 相关参数： d—搅拌浆叶长度（m） n—浆叶转数（r/s） ρ—流体密度（kg/m3） μ—流体粘度（N·s/m2）（Pa·s） D—糊化锅直径（m） b—搅拌浆叶宽度（m） H液—液层高度（m） θ—搅拌浆折叶角，一般为45°或60° η—传动机构总效率，取0.4-0.5 K—电机功率储备系数 1.2-1.4 K1—搅拌阻力系数 1.1-1.3 6.根据实际计算，本设计选取JYV50×45型糖化锅，主要的技术参数为 型号 JYV50×45 型号 JYV50×45 全容积（m3） 有效容积（m3） 加热面积 工作温度： 加热底（℃） 工作压力：锅内（MPa） 加热底（MPa） 锅身直径（mm） 56 45 41 167 常压 0.65 5000 锅体高度（mm） 搅拌器：直径（mm） 转速（r/min） 电动机：功率（kW） 转速 设备质量（kg） 外型尺寸（直径×高度，不含排气筒）（mm） 2500 3300 20 12.5 13.5 13700 5200×8250 7.安装调试与使用维护均与糊化锅相同。 （四）麦汁过滤设备 1.概述：糖化过程结束后，必须于最短的时间内将麦汁与麦糟分离，因为麦汁与糟长时间混贮会使麦汁质量下降。麦汁过滤设备就是用来过滤糖化醪，使麦汁与麦糟迅速分离而得到澄清麦汁的设备。常用的设备有过滤槽，压滤机和快出渗出槽。 本设计采用过滤槽，它是最广泛使用的麦汁过滤设备，当糖化过程结束后，进入过滤槽的醪液，先聚集在槽内过滤板上部，经沉降后，麦糟形成过滤层，麦汁则流经麦糟过滤层和过滤板，并经过出料阀而被送往麦汁煮沸锅。 从麦汁流经麦糟过滤层到麦汁煮沸锅的整个过滤过程，形成一种缓慢交替的流态平衡，由于麦糟过滤层堵塞致使阻力增大，麦汁流量调节不当或吸力太强等原因而受到破坏时，麦汁过滤便会受阻或中断，此时排出的麦汁渐见混浊。 （五）麦汁煮沸设备 1.功能用途 麦汁煮沸设备是用来对麦汁进行煮沸、灭菌、析出热变性凝固蛋白质，蒸发掉多余的水分，使麦汁浓缩到规定的浓度，并加入酒花，使酒花所含的苦味和芳香物质进入麦汁的设备，用于麦汁煮沸的设备主要有麦汁煮沸锅。但为了提高煮沸锅的煮沸强度和设备利用率，近代化的煮沸系统除麦汁煮沸锅外，还附有各种类型的加热装置和附属容器如麦汁预贮槽。 （七）麦糟输送设备 1.概述 糖化间过滤槽过滤出来的麦糟，既是啤酒厂需要排放的废渣，也是价值很高的副产品。由于糖化间产的麦糟量比较多，洗糟结束后必须及时排糟，排糟的方式有直落式，螺旋输送式与压送式等。其中以直落式最为简便，即将过滤槽安装在糖化间的外侧，在一定高度安装一个贮糟斗，麦糟从过滤槽的排糟孔排出直接落入贮糟斗，然后运走，贮糟斗的容量至少应能容纳两次糖化排出的麦糟量，一般为中小型啤酒厂采用，为了将来的扩大生产，本设计采用螺旋输送机，又称搅龙。 （八）管道管径及主要泵的计算 1.在实际生产中,酿造用水、醪液及麦汁进入设备均为泵输送，所以管道流速可不用遵循管内流速常用范围。一般符合进料时间即可，在生产中，管径范围应尽量控制在≤108mm。 2.在本设计中，根据实际生产经验，糊化锅、糖化锅、过滤槽、煮沸锅、回旋沉淀槽等主要设备的进水进料管均选用公称直径为100mm的YB231－70钢管，外径108mm，壁厚4mm。 3.糊化锅进水管管径计算 4. 糊化锅出醪管，糖化锅进醪管管径计算： 5.糖化锅进水管管径计算 6.糖化醪出料管管径计算 7.过滤槽的出醪管管径计算 8.煮沸锅进料管管径计算 9.主要泵的选型 （1）倒醪泵选型 倒醪泵是用来糊化醪和糖化醪输送到过滤槽的设备。倒醪泵输送的是相对密度为1.08的醪液，粘度约为5.17×104Pa·s，温度在78℃左右。啤酒具有一定的腐蚀性，所以选用离心式耐腐蚀泵。由于糊化，糖化进水、进料以及糖化锅到过滤槽进料都使用同一个泵，而此过程流量最大是在糖化醪出料时的流量，因此选取流量为228.04 m3/h，扬程均为6m左右，查表（见文献2），可以选择IS150－125－250型离心泵。压头为 ρgH=1080×9.8×6=0.1Mpa 查表（见文献2），可以选择IS150－125－250型离心泵。技术参数为 （2）麦汁泵选型 在本设计中，涉及两个麦汁泵，一个是将从过滤槽出来的麦汁泵到麦汁检测器上，再到煮沸锅中；一个是将从煮沸锅出来的麦汁泵到回旋沉淀槽中。 从过滤槽出来的麦汁，要经过麦汁检测器，然后再进入煮沸锅中，其流量根据煮沸锅进料管管径计算中的值179.28m3/h，扬程约为8m查表（见文献2），可以选择IS150－125－250型离心泵。压头为 ρgH=1080×9.8×8=0.1Mpa 查表（见文献2），可以选择IS150－125－250型离心泵。 （九）CIP（ clean-in-place）清洗系统 啤酒厂必须像玻璃房一样透明、干净，且没有脏角。小型企业清洗设备主要使用手刷和地板刷，大中型企业则使用CIP清洗系统，这样可按照原位清洗的方法对设备进行清洗，节约很多宝贵的工作时间。 通过自动开关，一股强大的液流从这些容器中被泵入连接好了容器和管道。其中时间、流量和温度等根据生产经验来确定。以下是清洗时间的大致范围： · 使用上一次循环的后冲洗回收水进行预清洗 3～5min · 排水 1～3min · 使用浓度为1%～2%的碱性清洗剂在70℃下循环清洗 30～50min · 排碱 1～3min · 用水进行中间清洗 4～5min · 排水 1～3min · 使用浓度为1%～2%的硝酸溶液清洗 10～15min · 排酸 1～3min · 用水进行中间清洗 2～3min · 排水 1～3min · 使用杀菌剂冲洗 15～20min · 排出杀菌剂 1～3min · 用清水进行后冲洗 3～5min · 排水 1～3min 这样整个清洗过程持续1～2h。 根据经验与实践，10万吨啤酒厂糖化车间需要的CIP清洗系统的设备组成为： · 酸罐 容积8m3 · 碱罐 容积8m3和45m3 · 热水罐 容积8m3 · 外加热器 · 以及大量管道，阀门和泵 九、设计总结 啤酒的糖化技术现在已经很成熟，但是在实际生产中，啤酒的质量不仅和设备的选型有关，最主要的还是工艺控制以及原料质量。工艺控制很多都是根据长期的生产经验而来，我国在这方面做的还不够。我国目前已经成为世界啤酒生产第二大国，我国的啤酒消费市场巨大，啤酒工业发展迅猛，前景很好。但是落后的工艺以及稀少的品种严重制约了我国啤酒工业的发展。因此，更新设备、改进生产技术，完善生产工艺，将成为我国啤酒工业需要重点解决的问题。 因设计者本人缺少在工厂的实际工作经验，所以，设计过程中各个工艺控制点均来自参考文献，具有一定的不准确性，这样就会存在很多问题与不足，设计效果有待考证，同时也敬请专家学者指出。 63℃，60min 100℃，40min 90℃ 20min 100℃，10min t（℃） 料水比1：3.5 麦芽粉 5068.69kg 46.7℃， 60min 大米粉 3898.99kg 麦芽粉 779.80kg t0（℃），20min 糊化锅 自来水18℃ 5min 70℃，25min 热水，50℃ 糖化锅 料水比1：4.5 12min 13min 7min 10min 20min 78℃ 糖化结束 70℃ 过滤 麦糟 麦汁 煮沸锅 酒花 90min 回旋 沉淀槽 薄板 冷却器 酒花糟 热凝固物 冷麦汁 冷凝固物 煮沸强度 10% 去发酵 麦芽，大米 粉碎 糊化 糖化 过滤 麦糟 麦汁煮沸锅 水、蒸汽 回旋沉淀槽 薄板冷却器 热凝固物 冷凝固物 � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� 发酵车间