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生物工程课程设计 啤酒厂糖化工段初步工艺设计班级 学号 姓名 成绩 目 录摘 要4 一 绪论41 设计目的4二 工艺计算4 1啤酒糖化的流程42麦芽汁的制备52.1 糊化.52.2 糖化.52.3过滤.62.4 麦汁煮沸与酒花的添加. 62.5 麦汁热凝固物的沉淀. 62.6 麦芽汁冷. 63 物料衡算73.1计算基础数据（表1）73.2 100kg原料生产9淡色啤酒的物料衡算73.3生产100L 9淡色啤酒的物料衡算83.4 45000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算84 热量衡算.94.1糖化和糊化用水耗热量.94.2糊化锅中米醪煮沸耗热量.104.3第二次煮沸前混合醪升温至70的耗热量.114.4第二次煮沸混合醪的耗热量.124.5洗槽水耗热量.124.6麦汁煮沸过程耗热量.124.7糖化一次总耗热量.134.8糖化一次耗用蒸汽量.134.9糖化过程每小时最大蒸汽耗量Qmax.134.10蒸汽单耗.13三、糖化应注意的问题.14四、设计评价15五、总结15附图.16摘 要文章主要进行了4.5万吨9淡色啤酒糖化工段糖化的设计。以70%的淡色麦芽为原料，30%的大米为辅料，将其分别用六辊式和两辊式粉碎机进行粉碎，之后采用二次煮沸法进行糖化，然后进入过滤槽将所得的麦芽汁泵入煮沸锅中，灭菌后用回旋沉淀槽去除热凝固物，随后冷却进入发酵工段。整个过程中采用蒸汽加热，酿造用水源于深井。文章并进行的每批的物料衡算和热量衡算，然后根据经验公式，确定设备的主要尺寸，蒸汽和水的用量。同时使用CAD绘制了糖化工段工艺流程图、糖化锅的设备图以及过滤槽的示意图。一、 绪论1设计的目的在学习掌握所学的生物工艺学、生物工程设备、化工原理等课程的基本理论和基础知识的基础上，通过本次课程设计，培养我们综合运用这些知识分析和解决实际问题的能力以及协作攻关的能力，训练我们使用文献资料和进行技术设计、运算的能力，提高文字和语言表达能力，为其它专业课程的学习和毕业论文（设计）打下基础。二、 工艺计算 文章主要进行了年产4.5万吨9淡色啤酒糖化工段糖化的设计，以70%的淡色麦芽为原料，30%的大米为辅料，采用二次煮沸法进行糖化，然后进入过滤槽将所得的麦芽汁泵入煮沸锅中，灭菌后用回旋沉淀槽去除热凝固物，随后冷却进入发酵工段。整个过程中采用蒸汽加热。文章进行了每批的物料衡算和能量衡算，同时使用了CAD绘制了糖化工段工艺流程图。1.啤酒糖化的流程麦芽汁的制备俗称糖化，就是指麦芽及辅料的粉碎，醪的糖化、过滤，以及麦汁煮沸、冷却的过程。其流程图如图1所示： 麦芽、大米粉碎 糊化糖化水、蒸汽过滤麦槽麦汁煮沸 锅酒花渣分离器回旋沉淀槽酒花槽薄板冷却器热凝固物冷凝固物 图1 啤酒厂糖化工艺流程示意图2 麦芽汁的制备2.1糊化辅料需先在糊化锅中煮沸糊化，然后再与麦芽一起进行糖化，辅料中的淀粉颗粒在温水中吸水膨胀，当液温升到70左右时，颗粒外膜破裂，内部的淀粉呈糊状物溶出而进入液体中，使液体粘度增加。如果对淀粉糊继续加热，那么淀粉长链断裂变成短链的糊精，糊状淀粉成为半透明的均质胶体，糊状淀粉变成可流动的糊精的过程，称为糊化。在糊化大米时，可按100kg 大米加入20kg麦芽，利用麦芽中的酶使大米中的淀粉有一定程度的分解，以加速糖化酶作用，同时也可降低糊化醪的粘度。2.2糖化糖化是利用麦芽自身的酶（或外加酶制成剂代替部分麦芽）将麦芽和辅料中不溶性的高分子物质分解成可溶性的低分子物质等的麦汁制备过程。整个过程主要包括：淀粉分解，蛋白质分解， 葡聚糖分解，酸的形成和多酚物质的变化。麦芽自身的酶含量丰富足以用于糖化。在我们的设计中糖化是利用麦芽自身的酶。糖化主要有煮出糖化法、浸出糖化法、双醪煮出糖化法三种方法9。煮出糖化法：糖化过程中对部分醪液进行煮沸的方法。根据煮沸的次数，分为一次、二次、三次煮出法。其特点是取部分醪液加热到沸点，然后与未煮沸的醪液混合，使醪液温度分次升高到不同分解的适宜温度，以达到糖化完全的目的。生产淡色啤酒，一般采用二次煮出糖化法。这个方法的特点是在糊化锅中前后进行过2次煮沸操作，第1次是将辅助原料在糊化锅中煮沸糊化，然后再进入糖化锅糖化。煮沸糊化的目的是使糖化时糖化酶充分发挥作用。第2次煮沸的对象是部分糖化醪液，煮沸的目的是为了除酶，避免其对啤酒泡沫和口味醇厚性有益的物质的过度分解，而影响啤酒的质量水准。2.3过滤糖化醪的过滤方法有过滤槽法、压滤机法及快速渗出槽法。目前国内的啤酒厂多采用过滤槽法。糖化结束后，从过滤槽底通入7678的热水，以浸没滤板为度。2.4麦汁煮沸与酒花的添加经过滤得到的原麦芽汁须经煮沸，并在煮沸过程中添加酒花，其目的是：蒸发多余水分，使麦芽汁浓缩到规定浓度；溶出酒花中有效成分，增加麦汁香气苦味；促进蛋白质凝固析出，增加啤酒稳定性；破坏全部酶，进行热杀菌。2.5 麦汁热凝固物的沉淀在麦汁用于发酵之前，先要去除热凝固物和冷凝固物，也就是进行麦汁的澄清。我们使用回旋沉淀槽除热凝固物。回旋沉淀槽是最常用的热凝固物分离设备，与其他分离设备相比，具有结构简单、操作方便、分离效果好的特点。回旋沉淀槽是立式柱形槽，热麦芽汁沿切线方向泵入，形成旋转流动。由于回旋效应，使热凝固物颗粒沿着重力和向心力所形成的合力的方向，以较坚实的丘状沉积于槽底中央，达到固、液分离的目的，清亮麦芽汁则从侧面麦汁出口排出。2.6 麦汁冷却 麦芽汁冷却的目的主要是使麦芽汁达到发酵接种的温度810。同时，使大量的冷凝固物析出。近年来都使用薄板冷却器冷却麦芽汁，冷却时间通常为12h。麦芽汁冷却结束后，可用无菌压缩空气将薄板冷却器中的麦芽汁顶出。整个冷却操作，要防止外界杂菌污染。3 物料衡算计算基础数据 根据我国啤酒生产现状，有关生产原料配比、工艺指标、生产工程的损失等数据如表1所示：啤酒生产技术指标项 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70麦芽水分5大米30大米水分10啤酒损失率(对热麦汁)冷却损失4.0无水麦芽浸出率75发酵损失1.0无水大米浸出率95过滤损失0.5麦芽清净和磨碎损失0.1装瓶损失2.0总损失7.53.1 100kg原料生产9淡色啤酒的物料衡算（1）热麦芽汁量麦芽收率：0.75（15%）71.25%大米收率：0.95（110%）85.5%混合原料收率：0.985（0.771.25%0.385.5%）=74.39%由上可知100kg混合原料可制得的9麦汁量：10074.39%/9%=826.56(kg)又知9麦汁在20是相对密度为1.0212，而100热麦汁比20时的麦汁体积增加1.04倍。故热麦汁体积为：（826.56/1.0212）1.04=841.80（2）冷麦芽汁量：841.8（10.04）=808.13（L）（3）发酵液量：808.13（10.01）=800.05（L）（4）过滤酒量：800.05（10.005）=796.05（L）（5）成品酒量：796.05（10.02）=780.13（L）3.2生产100L9淡色啤酒的物料衡算根据上述衡算结果可知，100kg混合原料产生成品酒量为780.13L，故可得出下述结果：（1）生产100L9淡色啤酒需混合原料量： 100（100/780.13）=12.82（kg）（2）麦芽耗用量：12.8270%=8.974（kg）（3）大米耗用量：12.8230%=3.846（kg）（4）酒花耗用量：对淡色啤酒，热麦汁中加入的酒花量为0.2% （841.8/780.13）1000.2%=0.216（kg）（5）热麦芽汁量：（841.8/780.13）100=107.91（L）（6）冷麦芽汁量：（808.13/780.13）100=103.59（L）（7）发酵液量：（800.05/780.13）100=102.55（L）（8）过滤酒量：（796.05/780.13）100=102.04（L）（9）成品酒量：（780.13/780.13）100=100（L）（10）湿糖化槽量：设糖化槽含水分80%，则湿糖化槽的量为： 麦槽量：8.974（10.75）（15%）/（180%）=10.66(kg) 米槽量：3.846（10.95）（110%）/（180%）=0.87（kg）糖化槽量：10.66+0.87=11.53（kg）（11）酒花槽量：设麦芽汁煮沸过程中干酒花浸出率为40%，且酒花槽的水分含量80%，则酒花槽的量为：0.261（140%）/（180%）=0.648（kg）3.3 45000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算4.5万吨/年啤酒的体积为：4.5000000/1.012=44466403（L） 设每年总糖化次数为1500次每次糖化生产啤酒的体积：44466403/ 1500=20212.00（L）一次糖化指标：2021212.82/100=2591.18（kg）全年糖化指标：2591.181500=3886770（kg）把上述的有关啤酒糖化车间的所有物料衡算计算结果整理成物料衡算表，如下： 表4 啤酒厂糖化车间物料衡算表物料名称单位对100kg混合原料100L9淡色啤酒一次糖化指标年指标混合原料Kg10012.822591.183886770麦芽Kg708.9741813.822720730 大米Kg303.846777.351166025 酒花Kg1.680.26143.6665490 热麦汁L84180107.9121820.7732716155 冷麦汁L808.13103.5920937.6131406415 发酵液L799.92102.5520727.4131091115 过滤酒L795.94102.0420624.3230936480 成品酒L780.03100.002021230318000湿糖化槽Kg89.9411.532330.443495600湿酒花槽Kg5.050.648130.97196455年总产量Kg 450000004、热量衡算4.1糖化用水耗热量 由糖化工艺流程可知，糊化锅内加水量为： =（777.35155.47）4.5=4197.69（kg） 式中，777.35为糖化一次大米粉量，155.47为糊化锅中加入的麦芽粉量（为大米的20%）。糊化锅加水量：=1813.833.5=6348.41（kg）式中1813.83为糖化一次糖化锅中投入的麦芽粉量，即2591.18777.35=1813.83（kg）.而2591.18为一次糖化麦芽定额量。故糖化总用水量为：=4197.696348.41=10546.1（kg）深井水平均温度取t2 =18，而糖化配料用水温度t1 =50，耗热量为： =10546.13.31（5018）=1117043（kJ）4.2 第一次米醪煮沸耗热量由糖化工艺流程可知， (11)1. 糊化锅内米醪由初温t0加热至100耗热量 （12） （1）计算米醪的比热容 ，根据经验公式0.01（100W）+4.18W进计算。式中W为含水百分率；为绝对谷物比热容，取=1.55kJ/(kgK)。 =0.01（100-5）1.55+4.185= 1.682kJ/(kgK) =0.01（100-10）1.55+4.1810=1.813 kJ/(kgK) = = 777.351.813+155.471.682+4197.694.18 777.35+155.47+4197.69 =3.75kJ（kgK）（2）米醪的初温度设原料的初温为18，而热水为50，则 =777.35+155.47+4197.69=5130.51（kg） = (777.351.813+155.471.682)18+4197.694.1850 5130.513.75=47.2（3）把上述结果代入（12）式中，得： Q2a =5130.513.75（10047.2）=1015840.98（kJ）2.煮沸过程蒸汽带出的热量Q2b设煮沸过程为40min，蒸发量为每小时5%，则蒸发水分量为： =5130.515%40/60=171.02（kJ）故Q2b=V1I=171.022257.2=386026.34（kJ）式中，I为煮沸温度（约为100）下水的气化潜热（kJ/kg）3.热损失Q2c 米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为前两次耗热量的15%，即： Q2c=15%（Q2a+Q2b）4.由上述结果得：Q2=1.15（Q2a+Q2b）=1.15(1015840.98386026.34) =1612147.42（kJ）4.3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糖化锅的麦醪量为： =1813.83+6348.41=8162.24（kg）已知麦芽粉初温为18，用50的热水配料，则麦醪温度为：其中=（G麦芽+G2cw）/（G麦芽+G2） =（1813.831.682+6348.414.18）/（1813.83+6348.41）=3.62kJ/（kgK）t麦醪=（1813.831.682+6348.414.1850）/（8162.243.62） =46.82.根据热量衡算，且忽略热损失，米醪与麦醪合并前后的焓不变，则米醪的中间温度为： 经第一次煮沸后米醪量为：=5130.51171.02=4959.49(kg) 第二次煮沸的混合醪量为：=4959.49+8162.24=13121.73（kg）3.据工艺，糖化结束醪温度为78，提取混合醪的温度为70，则送到第二次煮沸的混合醪中混合醪的比热容： =（8162.243.62+5130.513.75）/13121.73=3.718kJ/（kgK） =（13121.733.718638162.243.6246.8）/（4959.493.75）=90.9因此温度比煮沸温度降低不到10，考虑到米醪由糊化锅到糖化锅输送过程的热损失，可不用加中间冷却器。 4.综上可得：=13121.733.718（7063）=341506.2（kJ）4.4第二次煮沸混合醪的耗热量Q4 由糖化工艺流程可知： （13） 1.混合醪升温至沸腾所耗热量 第二次混合醪量G (G混合G)（7870）C混合GC混合（10078） 所以 G/G混合26.7% 则，=2257.2101.09=26.7%13121.733.71830= 390780.6（kJ）2.第二次煮沸过程蒸汽带走的热量 煮沸时间为10min，蒸发强度5%，则蒸发水分量为：=26.7%13121.735%10/60=29.2（kg） 故=2257.229.2=65910.24（kJ） 热损失 根据经验有： 把上述结果代回（13）式得 =1.15（390780.6+65910.24） =525194.5（kJ） 4.5洗槽水耗热量 设洗槽水平均温度为80，每100kg原料用水450kg，则用水量为： =2591.18450/100=11660.31（kg） 故=11660.314.1862=3021885.94（kJ） 4.6麦汁煮沸过程耗热量 （14） 1.麦汁升温至沸点耗热量 由上述糖化物料衡算表可知，100kg混合原料可得到841.80kg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： =2591.81608.67/100 =21812.55（kg） 故=21812.553.3130=2165986.215（kJ） 2.煮沸过程蒸发耗热量 煮沸强度10%，时间1.5h，则蒸发水分为： =21812.5510%1.5=3271.88（kg） 故=3271.882257.2=7385287.54（kJ） 3.热损失为 4.把上述结果代回（14）式中可得出麦汁煮沸总耗热 =1.15（2165986.215+7385287.536） =9551273.751（kJ） 4.7糖化一次总耗热量 = 16169050.81(kJ) 4.8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，蒸汽的热效率取95%，则：=7865.71（kg）式中，为相应冷凝水的焓（561.47 kJ/kg）。 4.9糖化过程每小时最大蒸汽耗量 在糖化过程各步骤中，麦汁煮沸耗热量为最大，且知煮沸时间为90min，热效率为95%，故：=6792648.246（kg/h） 相应的最大蒸汽耗量为：=6702648.246/（2725.3561.47）=3097.585（kg/h） 4.10蒸汽单耗 据设计，每年糖化次数为1500次，共生产啤酒45000t。 年耗蒸汽总量为： 7865.711500=11798565（kg） 每吨啤酒成品耗蒸汽量（对糖化）：11798565 /45000= 262.2（kg） 表5 啤酒厂糖化车间热量衡算表名称规格每吨产品每小时最年耗 Mpa消耗定额大用量kg/a kgkg/h蒸汽0.2262.23