（化学工程专业论文）年产200000kl啤酒生产线的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 啤酒是种低酒精含量、健康的饮品。中国的啤酒市场竞争激烈，以质量提升和 高效为主要目的的改、扩建项目和高起点、自动化的新建项目是近一时期啤酒行业 的主题。 本论文对啤酒生产线工艺设计中的关键部分麦汁煮沸、发酵、包装灭菌进 行了研究。该生产线工艺设计时在煮沸阶段充分考虑了煮沸过程二次蒸汽回收利用， 采用了真空蒸发形式的处理工艺，与常规煮沸法相比，d m s 和d m m 含量从1 5 6ug l 降低到6 41 tg l ，醋酸含量从1 2 0m g l 降低到3 8m g l ：节省蒸汽消耗4 5 7 ：达 到提高质量、降低消耗的目的；在发酵阶段采用两罐法发酵工艺，较传统的一罐发 酵法月周转数1 5 次提高了0 3 8 次，节省了投资成本和运行费用。成品啤酒的泡持 性从2 3 0 秒提高到2 6 2 秒，同时每千升酒耗电节省5 7 千瓦时：在包装阶段采用了 瞬时巴氏杀菌、无菌冷灌装工艺技术，瞬时巴氏杀菌生产的啤酒泡持性2 9 8 秒优于 膜过滤纯生啤酒2 2 3 秒。而瞬时巴氏杀菌生产的啤酒保鲜期6 个月远远大于隧道式 喷淋巴氏杀菌生产的啤酒( 3 个月) 。在上述工艺研究的基础上，进行了物料衡算和 热量衡算，为设备选型提供依据：在核心设备上选用国际先进装置，在提高啤酒质 量、降低生产成本方面相对现实的生产工艺具有较大优势。给出了啤酒生产污水处 理方案设计。 关键词：啤酒生产工艺设计物料衡算热量衡算 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e e ri sak i n do fh e a l t h f u ld n n ko fl o w e ra l c o h 0 1 b e c a u s e o ft h eb e e rm a r k e t c o m p e t i t i o n ，t h ea d o p t i o no f a d v a n c e de q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g ya r ev e r yi m p o r t a n tt ot h e p r o d u c t i o n o fb e e ri nt h et e a l f u t u r ei nc h i n a t h ek e yp o i n t so ft e c h n i c a ld e s i g n - b o i l i n g ，f e r m e n t a t i o na n dp a c kp a s t e u r i z a t i o n w e r es t u d i e di n t h i sp a p e r t h ee n e r g yo fs t e a me v a p o r a t e di nt h eb o i l i n gk e t t l ew a s r e c y c l e d t r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fv a c u u me v a p o r a t i o ns y s t e mw a sa d o p t e d t h et o t a l c o n t e n t so fd m s ( d i m e t h y ls u l f i d e ) a n dd m s pd e c r e a s ef r o m15 6 u g lt o6 4 u g l ；a n dt h e c o n t e n to fa c e t i ca c i dd e c r e a s ef r o m12 0m g lt o3 8m g l t h ee n e r g ys a v e di sa b o u t 4 5 7 t h ef e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo f b e e rb yu s i n gt w o t a n k m e t h o dw a s a d o p t e di nt h e s t a g e f v ( f e r m e n tv e s s e l ) r e c y c l e t i m e so fm o n t hi n c r e a s e0 3 8t i m e st h a n o n e t a n k m e t h o d t h er e s i d e n tt i m eo fb e e r f o a mw a si n c r e a s e df r o m2 3 0s e c o n dt o2 6 2 s e c o n dt h r o u g ht h en e w t e c h n o l o g y t h ef l a s hp a s t e u r i z a t i o na n ds t e r i l ef i l l i n gt e c h n o l o g y w e r ea d o p t e di np a c k a g eu n i t t h ed e g r e eo fb e e rs t a l i n gi nf l a s hp a s t e u r i z a t i o ni st h e s a m ea st h a to fm e m b r a n ef i l t r a t i o np r o c e s s t h eb e e r sf r e s h n e s si nf l a s hp a s t e u r i z a t i o n w a sm u c hb e t t e rt h a nt u n n e lp a s t e u r i z a t i o n m a t e r i a lb a l a n c ea n de n e r g yb a l a n c ew e r e g i v e ni nt h ep a p e rf o r t h eb e e rp r o d u c t i o nl i n eo f2 0 0 0 0 0k la n n u a l l y t h ek e y e q u i p m e n t m a n u f a c t u r e db ys o m ea d v a n c e di n t e r n a t i o n a lc o m p a n i e sw a su s e d ，s oi ti sh e l p f u lt o i m p r o v et h eb e e rq u a l i t ya n dr e d u c et h em a n u f a c t u r ec o s t k e yw o r d s ：b e e r p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y d e s i g n m a t e r i a lb a l a n c e e n e r g yb a l a n c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：斋，锣俺 日期：“f 年f 月i7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 本论文属于 不保密a 。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：岛批 同期：m 5 年，月，f 同 年解密后适用本授权书。 指导教师签名：钎勇寺 日期：加眵年，月1 1 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 啤酒是世界通用性饮品，由于含酒精度低、清凉、解渴，具有丰富的营养物质， 被誉为“液体面包”，深受全球消费者的喜爱。最近有学者证实”。1 ，饮用适量啤酒 对人体健康有帮助，能预防心脏病、骨质疏松症、由螺旋杆菌引起的疾病、 a l z h e i m e r s 、肾结石等疾病。中国啤酒国家标准对啤酒的定义是：啤酒是以麦芽 为主要原料、加酒花、经过酵母发酵、含有二氧化碳、起泡的、低酒精含量的饮料。 1 1 中国啤酒行业分析 1 1 1 中国啤酒发展历程“1 1 9 0 0 年，俄国人在哈尔滨建立了我国的第一个啤酒厂，此后，德国和法国的商 人先后于1 9 0 3 年和1 9 1 0 年在青岛和上海建立啤酒厂，到1 9 4 9 年解放前夕，我国共 有1 3 家啤酒厂，年产量仅为1 万吨左右，主要是在华的外国人消费。到1 9 7 9 年发 展为1 7 0 家啤酒生产厂，全国年产总量为5 1 6 万吨。1 9 8 0 年1 9 8 8 年是中国啤酒 的高速发展期，综合年增长率超过3 0 ，1 9 8 7 年啤酒的产量达到6 5 6 万吨，1 9 8 8 年 1 9 9 0 年啤酒产量在6 4 0 6 9 2 万吨之间徘徊。 1 9 9 2 年首次突破1 0 0 0 万吨，1 9 9 3 年达到11 9 0 0 8 万吨，超过德国，成为世界 第二大啤酒生产国，1 9 9 9 年首次达到2 0 0 0 万吨的顶峰，同时，啤酒业的发展速度已 经从1 9 9 2 年的2 1 8 逐渐减慢到1 9 9 7 年的1 2 ，1 9 9 8 年衰退到5 2 。自此，中国 啤酒业进入一个低增长期。2 0 0 2 年，中国的啤酒产量2 3 8 6 万吨，首次超过美国，成 为世界第一啤酒生产大国，2 0 0 4 年度全国的睥酒产量更是达到了2 9 1 0 万吨，占全球 总产量的五分之一强。从1 9 9 0 年开始历年来全国啤酒总产量以及增长率统计见图 1 1 。 l 华中科技大学硕士学位论文 图卜1历年来全国总产量及增长率统计( 以1 9 9 0 年为基础) 1 1 2 中国啤酒市场规模预测9 “3 1 影响啤酒市场规模的因素有两个：一是人均消费量，另一个是人口数量。图卜2 显示2 0 0 2 年中国的人均啤酒消费量为1 6 升，约为德国的1 0 ，美国的1 7 ，因此空 间很大。 目前，中国大陆地区城镇居民的年人均啤酒消费量为3 2 升。农村人口占国家总 人口的6 9 6 据此推算出农村居民年人均啤酒消费量为l o 升。随着工业化的进步， 农村居民的生活水平逐步提高，只要农村居民和城市居民在日常消费量上的差距得 以消除，中国啤酒市场规模将超过4 0 0 0 万吨。 图卜2 ：2 0 0 2 年人均啤酒消费量 华中科技大学硕士学位论文 i i 3 市场竞争分析睁”1 从上世纪7 0 年代末的年产量5 0 余万吨，到本世纪第四个年头的2 9 1 0 万吨，短 短的2 0 多年，中国的啤酒工业令世界瞩目。1 9 9 0 年代国外资本第一次融入中国啤 酒行业，为啤酒行业带来了新的技术、新的管理理念，使我国的啤酒工业迅速走向 集团化、规模化，生产厂家数量从9 0 年代的8 0 0 余家缩减到目前的4 0 0 余家。到了 2 0 0 2 年，这些巨子再次纷纷进入中国收购、合资或独资建厂，2 0 0 4 年度投产和在建 的嗥酒项目共2 3 8 条生产线，新开工的项目( 包括设备更新和技术改造在内) 有1 5 1 个，新增生产能力5 0 0 多万吨，完成投资4 0 8 5 亿元，新增加固定资产2 4 9 6 亿元。 对1 9 9 9 年和2 0 0 4 年啤酒企业集团化的对比见表卜l 。 表卜i1 9 9 9 年和2 0 0 4 年啤酒企业集团化的对比 日益加剧的竞争提高了啤酒行业的盈亏平衡点。大体上说，只有销售收入达到5 亿元、产量超过2 0 万吨的啤酒厂，才能达到竞争优势和高于平均水平的资本回报率： 那些销售收入超过2 5 亿元、产量超过1 0 万吨的啤酒厂才能够创造利润；相反，销 售收入低于2 5 亿元、产量少于1 0 万吨的啤酒厂，几乎不能生存下去。他们只有扩 大生产能力，提高销售收入，直至盈亏点以上，或者被收购，或者是转移到其他实 业。只有那些生存在偏远、分散的中国局部市场和在特定小市场利用个性化产品竞 争的啤酒厂将能继续生存下去，例如西藏的啤酒厂、提供工艺啤酒的啤酒屋、保健 啤酒供应商等。 由于啤酒这个行业的同质化非常强，产品的差异很小，因此产品质量的稳定性 表现得非常重要，睥酒的色泽、风味、泡沫、浓度，以至于酒精含量，都足以改变 整体质量。因此，要获得高质量的啤酒，生产过程的各个环节，绝对不容忽视。首 先，保证产品质量的首要条件是水源纯净和选料天然，表现在竞争力上是产品的新 鲜度。其次是生产酿造工艺和生产设备的先进程度，这是技术力量的重要体现。陈 3 华中科技大学硕士学位论文 旧的生产酿造工艺和落后的设备最终将通过产品品质的下降表现出来。 总之，在今后的1 0 到2 0 年内，国内啤酒市场仍将维持每年5 8 左右的增长率， 市场容量不断扩大，以提高啤酒质量为前提的新建、改扩建啤酒生产线的项目将是 中国啤酒行业的主题。 1 2 国内外啤酒生产以及研究情况 1 2 1 国外啤酒生产以及研究情况“。3 ” 啤酒在国外得到了较早的发明和普及。公元前1 8 0 0 年，巴比伦有详细资料记载 啤酒”整个生产过程；公元前8 0 0 年，在k u l m b a c h 附近出土德国最早的啤酒酿造技 术文献：公元前3 0 0 年，在t i e r 发现啤酒酿造手册：公元7 6 8 年，啤酒确定了在人 民心目中的地位，并且开始使用酒花作为麦汁的稳定荆；1 8 2 1 年，首台用于啤酒酿 造的蒸汽机在慕尼黑s p a t e n 啤酒厂运行；1 8 7 3 年，开始使用制冷机；1 8 7 6 年，l o u i s p a s t e u r 发明巴氏杀菌隧道；1 8 8 1 年，酵母扩培应用到生产中；1 9 2 2 年，德国人发 明了露天锥型发酵罐，在6 0 年代得到普及；经过近半个世纪的发展，国外啤酒的生 产和销售具有以下特点：( 1 ) 啤酒市场饱和，产量增长缓慢。目前世界啤酒总产量 约1 5 亿千升，每年增长2 左右。各地区变化不一致，欧洲、北美洲酒类发达地区， 已处在停滞或负增长边缘，亚洲等发展中国家发展较快。( 2 ) 生产高度集中，企业 规模两极分化。主要啤酒生产大国，除德国外，都是生产高度集中，几家大公司控 制了绝大部分市场。除产量集中外，啤酒品牌也相对集中。产量的高度集中体现了 啤酒生产的规模化和集团化，使啤酒工业走上了高效自动化生产的现代化之路。在 生产高度集中的同时，小规模的企业仍然很多。美国除拥有许多微型酒吧外，还有 6 1 0 家啤酒厂，产量大多在几千干升：德国的啤酒生产厂家多达1 3 0 0 家，多为地方 色彩浓厚、只供在当地销售的鲜啤酒。( 3 ) 装备自动化程度高，年产2 0 万吨的工 厂，操作工只有3 8 个人。( 4 ) 品种多样化，具有以下几个特点：a ) 品种方面多， 如混浊啤酒、高浓啤酒、白啤酒、低醇啤酒等：b ) 品种、品牌有专一性，c ) 低醇啤 酒、无醇啤酒、纯生啤酒日益走俏。欧洲流行低醇啤酒、无醇啤酒、高温瞬时灭菌 无菌包装啤酒：美国流行淡昧啤酒；日本流行纯生啤酒，其产量超过总产量的8 5 。 d ) 啤酒向饮料化发展，啤酒中混合果汁和汽水再灌装，有透明和混浊之分。( 5 ) 研 4 华中科技大学硕士学位论文 究课题越来越深入、全面，从啤酒原料种植一直到消费的全过程都被选入了研究的 范围，而且检测手段、检测水平越来越高。 ( 6 ) 参与啤酒研究的部门越来越广泛， 有生物学、化学、物理学、医学等方面的专家，分工细致、专。 ( 6 ) 对质量的控 制已经达到很高的水准，现在转入基础领域研究。( 7 ) 全力进入中国、印度等啤酒 市场巨大的国家进行投资、发展。 1 2 2 国内啤酒生产以及研究情况”。3 3 1 1 9 4 9 年以前，中国的啤酒技术，几乎全部受到国外控制，解放以后，才在大专 院校开办发酵专业教育和研究，对啤酒研究的进展不大。中国啤酒真正发展是在1 9 8 0 年代以后，国家实施的“技贸结合，统一对外”的“七五”期间从麦芽生产到成品 灌装的1 2 项“引进技术，消化吸收重大项目计划”，简称“十二条龙”，“啤酒生 产线”是这1 2 项重大项目之一，简称“啤酒一条龙”。 “啤酒一条龙”项目的实施使得国内啤酒达到了7 0 年代末8 0 年代初的世界先 进水平，国产化率达8 0 以上，将我国啤酒工业水平与世界最先进水平的差距缩短了 3 0 一4 0 年。 上个世纪9 0 年代，外资进入国内啤酒行业，带来了又一次的进步，新的工艺技 术体现在湿法麦芽粉碎、糖化的避氧方法、高浓发酵后稀释技术、水质处理、溶解 氧的控制、瓶颈空气控制、啤酒的后修饰技术等。生产设备方面的进步主要体现在 自动控制在糖化、发酵温度控制上的应用、发酵罐内壁涂料t 5 4 1 的广泛应用、高速 灌装机的投入使用、膜过滤的使用与纯生啤酒的生产。 目i j 国内啤酒生产的研发趋势是：( 1 ) 包装生产线采用高新技术和自动化装备， 质量检测监控仪器越来越先进。( 2 ) 加强环保意识、充分地回收利用啤酒生产的副 产品和废弃物、更广泛的节能。( 3 ) 从原料品种以及配方设计上达到最佳组合。( 4 ) 广泛深入的对酵母的习性、利用方式等进行研究。( 5 ) 进一步改进糖化、发酵和啤 酒过滤工艺设备，通过低溶解氧、无菌化来保证成品的口味纯净性、风味稳定性。( 6 ) 啤酒风味特征研究。风味物质决定了啤酒风味特征和口味纯净性，建立涵盖啤酒主 要风味组分的物质的定性分析和定量分析方法，确定啤酒特征指纹图，形成较完整 的啤酒风味物质图谱数据库，开展生产过程各环节风味物质检测，建立啤酒生产过 程数据化的控制体系，控制风味物质种类。( 7 ) 更细致的研究改善产品的混浊稳定 s 华中科技大学硕士学位论文 性和风味稳定性，重点是产品的新鲜度的控制研究。 1 3 啤酒的类型。剐1 钔圳 啤酒的类型很多，分类方法也有多种，见表1 - 2 ： 表卜2啤酒的分类方法和类型 种类 特点 扶色哗捆 色笠_ 任5 u 1 4 o e b c ，口味硬哭、档花杳气突出- 产量最大的啤酒品种。 浓色啤酒 鲁赣釜o 4 n o e b c 色泽呈红棕色或红褐色赫香气突出、口味棹腻酒花 黑色啤酒鲁擘奋奏甜篱蠢瑟娑激朗黛艴埔胜贼汁檄氰赫香味突 生啤酒 墨霍嚣蔷嚣，灭菌或者高温瞬时灭菌、而采用物理过滤方法除茁、达剑一定生物稳 鲜啤酒 墨霍嚣蔷暑氏灭菌或者高温瞬时灭菌、成品中含有一定活酵母菌、达到一定生物稳 熟啤酒 指经过巴氏灭菌或者高温瞬时灭菌的啤酒。 一 6 华中科技大学硕士学位论文 2 啤酒生产原辅料、生产工艺 啤酒属于具有胶体性质的液体，才生产出来的产品在口味表现上差距不大，但 是随着时间的推移本身会发生很多变化，质量性能下降。保持产品的质量稳定性， 是众多研究者、生产者必须解决的难题。啤酒质量的形成，涉及原料、生产工艺和 技术、生产设备、操作、等全过程因素。 2 1 啤酒生产主要原、辅料 2 1 1 啤酒大麦和麦芽 大麦经发芽、干燥后制成麦芽作为啤酒的主要原料，主要原因是大麦在世界的 产量大、种植范围广、发芽条件容易控制、酶系齐全、内容物溶解好、成品的风味 好等优点”1 。 啤酒大麦的品质是制麦和酿造的关键“”3 ”，没有品质优良的大麦原料，就制 不成优良的麦芽，也无法酿造优良的啤酒。对啤酒大麦的质量要求是：( 1 ) 发芽力 强，发芽势在9 0 以上，发芽率在9 5 以上；( 2 ) 浸出物含量高，浸出率大于7 8 以上：( 3 ) 蛋白质含量适中，要求在l o 1 2 ；( 4 ) 粒大、谷皮薄、籽粒饱满、 色泽好，千粒重大于4 0 克：( 5 ) 水分在1 3 以下。 因为地域的不同、年份的不同，大麦的质量、麦芽的质量也存在差异，只有全 面地认识和评价麦芽的质量，才能做到以合理、稳定的原料配方来保证啤酒的质量 稳定。麦芽的主要理化指标及意义见表2 - 1 ： 表2 - 1 ：麦芽的主要理化指标及意义 项目单位实际值理论值在实际生产中的意义 水分3 5 6 05 0 无水浸出率 煮沸色度 b 一葡聚糖 7 8 5 8 3 58 0 3 0 9 07 8 1 0 0 3 0 01 2 0 一般要求为出干燥炉的水分间接反映焙焦温度 和时间；用于计算绝干麦芽和商业结算 反映原大麦的品质、蛋白质的分解度、麦芽的溶 解均匀程度；影响糖化室的收得率 与啤酒色度的相关性很大，配料的依据 反映大麦的品质、细胞壁的溶解程度；影响麦汁 过滤、糖化收得率、啤酒过滤、啤酒浊度 总蛋白质 9 5 1 4l 。1 2 量毽夸蠢鲁雷澡影响辅料比、啤酒泡沫、啤酒稳 库尔巴哈值* s 。量多套奔慧：薷嚣霍蝥器漤翟譬擎 n 一氨基氮m s l o o s 1 2 。1 9 01 5 。 暑鐾鬟宁曩望鋈解程度；影响酵母发酵性能、啤 竺竺竺竺篮鲨遂竺竺兰兰竺 g c 阻n g 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 谷物辅料 世界上大多数国家生产啤酒均使用辅料，辅料是指未经发芽的谷类( 大米、玉 米、大麦、小麦、粟米) 、糖类、糖浆等，主要目的是价格低廉、收得率高、提高 设备利用率、降低啤酒色度、改善泡沫等。辅料的质量对啤酒的品质影响很大“6 ”。”4 ， 不同的辅料因其自身特点的不同而有不同的要求。 2 1 3 酒花及其制品 酒花在啤酒酿造中主要有以下几个方面的作用： ( 1 ) 赋予啤酒爽口的苦味和愉快的香味。 ( 2 ) 增加麦汁和啤酒的防腐能力。 ( 3 ) 增加啤酒的泡持性。 ( 4 ) 酒花与麦汁共同煮沸，能促进蛋白质凝固，有利于麦汁的澄清，有利于啤酒 的非生物稳定性。 ( 5 ) 酒花中含有大量的低聚合度多酚物质“吲啪“矧“，增强啤酒的抗氧化能力，提 高啤酒的保鲜期。 传统的酒花添加方式是使用整酒花，但是此方法的酒花利用率仅仅在3 0 左右， 目前啤酒厂全部使用酒花制品，常见的制品有颗粒酒花、酒花浸膏、酒花油，其中 颗粒酒花的使用最为广泛。 酒花按其。一酸与1 3 一酸的含量、a 一酸b 一酸的比值以及酒花油的含量分为四种 类型：香型酒花、兼香型酒花、苦型酒花、特征不明显酒花。具体使用何种香型的 酒花必须依据将要生产的品种、风格来确定，不能随意改变。 2 1 4 水质以及酿造水处理 啤酒中含有9 0 的水，水的质量状况对啤酒的口味、风格影响重大，水已经 成为重要的成本因素之一，并且也是酿造原料“刊“。 ( 一) 水中离子与酸度的关系： 在啤酒生产过程中，水中离子直接或间接影响着麦汁和啤酒的p h 值，主要机理 如下“1 ： ( 1 ) 消酸作用：碳酸氢根离子具有消酸作用，反应式如下： h c 0 3 。+ h 。一h 2 0 + c 0 2( 2 一1 ) 8 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 增酸作用：钙、镁离子都有增酸作用。c a c o 。的增酸作用反应式如下： 4 k z h p 0 3 + 3 c h c c l 3 一c a 3 ( p 0 4 ) ：l + 2 r , h ：p 0 3 + 3 k 2 h p 0 3 ( 2 2 ) ( 3 ) 降酸作用：c a ( h c o 。) ：的降酸作用反应式如下： 4 k h 2 p 0 3 + c a ( h c 0 3 ) e c a 3 ( h p 0 4 ) 2l + 2 k h 2 p 0 4 + 6 h 2 0 + 6 c 0 2f ( 2 3 ) ( 二) 残余碱度r a 水的残余碱度r a 。1 是为了预测水中降酸的h c 0 ( 离子和增酸的c a 9 、m g ”对于醪液、 麦汁和啤酒p h 值的影响程度而通过计算得出的指标，据此来判断糖化过程中各种酶 的反应、底物分解、物质溶出、煮沸时酒花的苦味质的变化情况，是分析和评价水 质、合理处理酿造用水的重要根据之一。水的残余碱度r a 的计算公式为： r a = g a a a( 2 4 ) 其中，g a 为水中的总碱度，单位是m m o l l ；h a 为水的抵消碱度，是钙、镁离子 增酸效应所抵消的碳酸盐碱度，单位是m m o l l 。计算a a 的经验公式为： h h 一- 钙硬度3 5 + 镁硬度7 ( z - 5 ) 因此，式( 2 - 7 ) 又可以表示为： r a = g a ( 钙硬度3 5 + 镁硬度7 ) ( 2 - 6 ) 当r a 为正值时，表示总碱度高于抵消碱度，将使麦汁的p h 值升高，反之则是 麦汁的p h 值降低。p h 值又对生物酶的活性、酵母的生长代谢、滔花树脂的溶出、麦 皮中多酚物质的溶出影响很大，所以r a 值对啤酒酿造十分关键，不同品种的啤酒对 于r a 值的要求有很大不同，见表2 - 2 。 表2 - 2 不同啤酒品种对r a 值的要求 啤酒品种 对r a 的要求 淡色啤酒 深色啤酒 黑色啤酒 r a 0 8 9 m m o i l r a 0 8 9 m m o l l r a 1 7 8 m m 0 1 l ( 三) 水处理原理及技术 啤酒酿造用水是指糖化用水、洗糟用水、高浓稀释用水、最后一道冲洗锅体、 设备、管道、瓶子等地方使用的水。 对酿造用水进行处理是啤酒生产的一个必须步骤。要在不同地域生产同一品牌 9 华中科技大学硕士学位论文 的啤酒，就必须保证使用相同或近似的酿造水，才能保证口味、风格的一毁性，向 这一切只能根据当地的水质特点采用不同的处理方法才可能实现。水的处理方法很 多，常见的处理方法有以下几种”“： ( 1 ) 加酸法：加酸的作用主要是将碳酸盐硬度转变为非碳酸盐硬度，从而降低 r a 值。反应原理如下： c a ( h c 0 3 ) 2 + 2 h + 一c 一+ + 2 h 2 0 + 2 c 0 2f ( 2 7 ) ( 2 ) 石膏或氯化钙改良法：在水中添加石膏或氯化钙来降低r a 值，效果显著。 其反应原理如下： 4 k 2 h p 0 4 + 3 c 一+ 一c a 3 ( p 0 4 hi + 2 k h 2 p 0 4 + 6 k + ( 2 - 8 ) ( 3 ) 离子交换法：离子交换法是利用离子交换树脂膨胀后极性基团上可扩散的 离子与原水中通符号的离子相互交换而暂时占有，原水得到软化，然后用再生液洗 涤被吸着离子的交换树脂，使之在变成原离子型即可重新使用。离子交换树脂可分 为阳离子交换树腊、阴离子交换树脂。一般情况下，弱碱性阴离子交换树腊与强酸 性阳离子交换树脂联用，将水中的离子全部去掉，然后再添加所需要的盐类，如石 膏、氯化钙等。此法可以非常精确的控制水中离子的含量，虽然成本较高，但是可 以保证在任何一个地方采用同样的水质进行同一种品牌的啤酒生产，保证同品牌啤 酒的风味、口味特点一致。 ( 4 ) 反渗透处理水：基本原理是被处理原水在外接高压下，克服水溶液本身的 渗透压力，使水分子通过半渗透膜，而盐类透不过半渗透膜，从而除去水中各种盐 类，降低水的硬度和除去水中的有害离子。半渗透膜的种类、性能是此法的核心环 节，反渗透系统上还相应设有水质调节、沉降过滤、清洗等附加装置，以防止膜表 面结垢，保证膜元件正常进行。 ( 四) 啤酒生产用水的消毒灭菌 水的消毒灭菌方法较多，常用的有紫外线杀菌、加氯杀菌、臭氧杀菌，但是杀 菌最为彻底和安全的方法是在线添加二氧化氯灭菌 4 c 4 1 ja 二氧化氯消毒剂经f d a ( 美 国食品和药品管理局) 和e p a ( 美国环保署) 的长期试验确认是传统氯系消毒剂理想 的更新换代产品；二氧化氯对细胞壁有较强的吸附和穿透能力，可有效氧化细胞内 含巯基的酶，快速抑制微生物的蛋白质的合成从而杀灭微生物；用于水处理的典型 1 0 华中科技大学硕士学位论文 添加浓度在0 1 5 0 m g l ：二氧化氯可以通过含氯无机盐水溶液( 氯酸钠或次氯酸 钠) 与酸性活化荆反应而制得，反应式如下： 2 n a c l 0 3 + 4 h c i = 2 c 1 0 2 + 2 h 2 0 + 2 n a c i + c 1 2( 2 - 9 ) 2 2 糖化单元和糖化工艺 糖化单元主要是完成麦汁的制造，包括( 1 ) 、粉碎麦芽和谷物，( 2 ) 、糊化、糖化 后得到糖化醪，( 3 ) 、过滤分离麦糟和麦芽汁( 4 ) 、添加酒花煮沸，( 5 ) 、麦汁冷却， 送入发酵工序。 糖化是啤酒生产中三个重要的溶解和转化过程之，在各种酶系以及热力作用 下，将麦芽、辅料、酒花中的物质溶出、分解而得到麦芽汁，其组分直接影响酵母 生长、发酵，进而影响啤酒的风格和风昧稳定性”“删，所以在糖化过程中， 要严格控制各因素的变化，如糖化温度、糖化时间、糖化醪的浓度和p h 值，以保证 啤酒产量、质量的稳定性。 2 2 1 原料配方 原料配方包含两方面的内容，一是辅料的的种类和使用比例，二是不同品种、 批次的麦芽的搭配。啤酒厂必须根据自己啤酒的类型、品种和啤酒的特性及风味， 确定原料配比和糖化项目如辅料脂肪、糖化用水、糖化温度等进行明确、控制，以 保证风味稳定和风味一致，一般不经常改变。 麦芽和辅料的比例大小主要影响到麦芽汁的总可溶性氮含量高低呲1 州，辅料比 例高，会导致麦汁总可溶性氮含量低，啤酒口味趋向淡爽恻；辅料比例同时对啤酒 的泡沫影响啪“】 艮大，比例过大，啤酒的泡沫变得粗糙、消失快。采用不发芽大麦 作为辅料正在逐步流行唧叫。国内不同厂家使用比例从2 5 到5 0 不等，控制在2 5 3 5 之间较为合适。 通过几个化验指标评价麦芽的质量则差异很小，而酿成的啤酒质量有很大差异 1 4 1 。国外企业采用小型糖化、发酵、过滤装置“，配合凝胶分离方法研究蛋白的组 分变化、啤酒风味的变化，建立模拟模型采用计算机自动分析技术”7 1 提供详细的配 料方案、糖化控制工艺。 l l 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 粉碎单元和工艺 麦芽及其辅料，在进行糖化前必须先行粉碎，要求麦皮破而不碎，内容物尽可 能成为细粉，这样降低麦皮多酚等有害物质的溶出，加快糖化过程的物质溶解、分 解，缩短糖化时间，提高收得率，同时有利于形成过滤层，保证麦汁过滤快速、清 亮，最终提高啤酒的风味稳定性。“1 。 粉碎的方法分为干法粉碎、湿法粉碎和增湿法粉碎。 2 2 3 糊化、糖化单元和工艺 糊化是指淀粉质辅料在热力和淀粉酶的作用下，淀粉颗粒充分溶解到水中，分 子链变短而醪液黏度得以降低，便于转料操作。大米和玉米是淀粉的主要来源，几乎 没有可溶性蛋白或风味提供给麦汁或成品酒，其主要用途是提供碳水化合物，碳水 化合物可转化成可发酵糖。 糖化是利用麦芽本身所含有的酶( 或外加酶制剂) ，使麦芽及其辅料中的高分子 物质如淀粉、蛋白质等得到进一步降解，使麦芽内已溶解的可溶性物质如糖类、糊精、 氨基酸、肽类等溶出，通过控制影响酶分解的工艺参数h 7 1 如温度、p h 、时间等条件， 从而得到组分合理、产量合理的麦芽汁。“。 糖化过程涉及众多酶的分解、各种物质溶出，是对啤酒的泡沫、口味特征、非 生物稳定性、风味稳定性影响最大的步骤。”“”“1 。对啤酒泡沫有利的因素1 有以 下两点：( 1 ) 较高的下料温度。( 2 ) 缩短糖化静止时间，提高转化温度( 7 0 ) 以 保护和再次形成糖蛋白。 对糖化工艺的基本要求是：( 1 ) 提供酶活力最佳的p h 值。( 2 ) 适宜的时间温度 曲线使麦汁中糖类、蛋白质达到最佳组成“”。( 3 ) 轻度搅拌减少空气混入和下料时 避免醪液四溅而发生氧化导致成品啤酒抗老化性能下降。”。”。“。 根据糖化醪升温方式的不同，将糖化分为煮出糖化法、浸出糖化法、双醪煮出糖 化法等。 在选择具体糖化工艺时，必须综合考虑麦芽品种和质量、产品类型、生产设备、 小型糖化发酵试验和口味品尝情况、麦芽汁组成的分析等结果来确定。 2 2 4 麦汁过滤单元和工艺 糖化过程完成后，麦汁的组分基本确定，必须采用过滤方法将麦汁与麦糟尽快分 l2 华中科技大学硕士学位论文 鹤，得到清亮的麦汁和较高的麦汁收得率。 过滤过程对麦汁的质量甚至成品的质量影响很大，主要有以下几个方面：( 1 ) 、 过滤以及倒醪会导致糖化醪吸氧，醪液温度较高，过滤时膪j 长，会导致麦汁承受的热 负荷升高，影响成品的抗氧化性能：( 2 ) 麦汁过滤不清亮，带来啤酒有麦皮味、粗糙 昧、苦涩味等不良口味，麦皮中很多有害物质带入麦汁中；这些都会导致啤酒的口味 粗糙、生物稳定性差。 过滤过程对麦汁收得率、生产效率影响也很大”“，主要是：( 1 ) 控制不当，导致 原麦芽汁与麦糟分离不彻底，麦糟中的糖分不能充分洗出，带来麦汁产量降低，粮耗 升高；( 2 ) 过滤速度慢，导致占锅时间长，日产锅次受到限制，影响产量。 根据不同的设备配置，过滤的方法主要有以下三种：( 1 ) 、依赖于液柱静压力为 推动力的过滤槽法：( 2 ) 依赖于泵送醪液的正压力为推动力的压滤机法：( 3 ) 依赖于 液柱静压和麦汁泵抽吸局部负压的渗出过滤法。其中过滤槽法在国内外9 0 的厂家在 使用，也是最古老的方法，但是槽的结构日新月异“”“”。 2 2 5 麦汁的煮沸单元和工艺 麦汁过滤结束以后，就要进行麦汁煮沸，并在煮沸过程中添加酒花。麦汁煮沸期 间发生一系列复杂的物理和化学变化，是啤酒生产中第二个重要的溶解和转化过程 “删“”。“2 “1 。麦汁煮沸原理就是围绕需要达到以下生化和工艺目标来确定的，见表 2 - 3 ： 表2 - 3麦汁煮沸生化和工艺目标及意义 发生的变化对啤酒生产的作用和意义 钝化酶 麦汁灭菌 发生美拉德反应 形成色泽物质 酒花内物质溶出 蛋白质析出 d m s 的形成与排除 酶失去活性而不再进行分解，保证在以后的酿造过程中麦汁组分的一致性。 杀灭全部对啤酒发酵有害的微生物保证发酵的安全性。 形成挥发性芳香风味物质，特别是n 一杂环物质：形成还原性物质，如类黑 精、还原酮、烯醇和二烯醇等。 生成的焦糖和类黑精一级麦汁的浓缩导致色度增加。 浸出酒花有效成分并进行异构化：酒花香味物质的溶出。 结合并絮凝多酚物质与蛋白质，避免啤酒浑浊现象的发生； 促进二甲基硫的前驱物( d m m ) 分解成游离的二甲基硫( d m s ) ，发生糖的褐 变反应而形成糠醛、甲基糠醛、丙醛笛；蒸山挥发性成分d m s 、丙烯醛、二 乙基硫、甲基硫醇、乙酸、糠醛、甲基糠醛等平友汁中的不电气味。 蒸发水分 过滤, h - 1 御5 “2 胍5o 麦p , 镒辫裂鬻霖筠鬟汁其浓度册定型壶 i 3 华中科技大学硕士学位论文 啤酒厂常用的麦汁煮沸方法有内加热器煮沸法、外加热器煮沸法：使用较多的是 内加热法。麦汁煮沸的工艺控制与设备形式对成品啤酒的质量有很大关系。备受关注 的是关于d m m 的分解与d m s 的排除的程度以及如何作出判定1 瞄2 5 5 1 。实际上煮沸 过程以及后处理方法对啤酒品尝酸味的影响也很大。 2 2 6 麦汁的后处理单元和工艺 麦汁煮沸结束后，须尽快将麦汁中的热凝固物和冷凝固物进行有效分离，以获得 清亮的麦汁，然后将麦汁冷却到工艺要求的发酵温度，冷却的同时，要进行麦汁通风 充氧，为酵母繁殖提供足够的溶解氧。 麦汁后处理的主要任务是热凝固物和酒花糟的分离、麦汁冷却、麦汁充氧、酵母 的添加。 热凝固物和酒花糟的分离方法大多数采用回旋沉淀槽，有时也采用离心机或者过 滤器分离热凝固物。回旋沉淀槽法是使麦汁以切线方式高速泵入槽内，从而凭借正确 的离心力对絮凝物产生作用而不会把它们分成较小的颗粒。这种坚实的锥形凝固物在 麦汁流出的过程中就会一直沉集在槽底中心。 一旦充分分离并且形成沉淀物，那么麦汁就可以进行冷却。静止时间应加以限制， 以便尽可能减少对d m s 形成和色度形成的影响及保持风味的稳定性。麦汁是通过薄板 热交换器进行冷却的并收集到发酵罐中。应避免过度的涡漩，这样可以防止起泡，过 多起泡除了可能造成酒损之外，还会降低成品酒的潜在泡持力“。麦汁充氧通风是 在麦汁冷却器和发酵罐之间的管路中进行的，酵母应在尽量接近充氧均匀溶解的麦汁 后添加。 2 3 发酵单元和发酵工艺 麦芽汁经啤酒酵母发酵酿制而成啤酒。啤酒发酵是一个复杂的生化和物质转化 过程，酵母的主要代谢产物是乙醇和二氧化碳，但同时也形成一系列发酵副产物， 如醇类、醛类、酸类、酮类、酯类和硫化物等物质“州“”“”删。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指标，同时也赋予了啤酒典型的特 色。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 啤酒的发酵方法有传统方法和现代方法。传统方法是将啤酒发酵分为前发酵( 或 主酵) 和后发酵( 后贮) 两个阶段：前酵池和后贮罐都放置在很大的冷藏室环境进 行温度控制调节：酵母的繁殖和大部分可发酵性糖的代谢在前发酵阶段完成，剩余 糖份分解、二氧化碳溶解、成熟和澄清在后发酵阶段完成。现代方法是以2 0 世纪6 0 年代广泛采用锥形发酵罐为代表，露天放置，酵母繁殖、降糖、成熟和澄清均在一 个发酵罐中完成，叫做露天锥罐一罐法发酵：以后又发明了许多新型发酵方法，如 高温发酵、搅拌发酵、连续发酵、固定化酵母发酵、两罐法发酵等。 2 3 i 菌株的特性和酵母的品种 酵母的发酵性能优劣直接关系到成品的风味、口味等质量指标，因此，必须要 摸清生产菌株的主要性状，建立菌种档案，在生产中正确鉴别使用菌株的正确性、 纯种度，保持菌株旺盛的发酵性能“3 “1 ，从而保证生产顺利和质量的稳定。不同的 菌株在发酵工艺性能上有所不同，形成不同的产品风格。目前常用的菌株有青岛酵 母、北京酵母、沈阳酵母、德国g 0 2 、荷兰q 0 5 、比利时q - 6 、丹麦q 1 3 、德国q l l 、 0 3 - 2 d 1 3 、4 1 0 9 等。 2 3 2 发酵工艺 啤酒发酵期间，酵母利用麦汁中的营养物质，产生代谢产物，分泌到啤酒中， 主要成分是乙醇和二氧化碳，另外还有大量的副产物如双乙酰、高级醇、酸等，这 些副产物既可以使啤酒的口味丰满，也能对啤酒的口味、气味和泡沫产生不利影响， 构成口味缺陷。采用不同的发酵工艺，造就了啤酒中不同的风味物质的组成，形成 了与特定商标和啤酒品种相关的风格。发酵是一种基于特定品牌麦汁，通过利用酵 母代谢，从而达到所需要的风味特点和酒精度的工艺。影响发酵的因素见表2 4 ： 1 5 酵母处理 发酵罐设计 嚣黼度控霾簪勰黧霉 譬芝2 4 ：1 、三段发酵罐的高度和直径、冷却夹套的数量、位置和控制情况 兰罘滴度探头 都会对发酵造成影响”。 温度控制 1 0 ( 2 1 2 。c 影响酵母的效能和风味的产生。温度较高，降糖年| 将双乙 酰还原速度快，高级醇含量增多，带来“上头”的感觉； 温度太低，产量和经济性受到影响，对口味有很大帮助 】【帅i 蓍黧糯篙裟裁戮燃筏# 砌产 辇垂嚣麓黧麟黼黧嚣瓣 主酵期间l o k p a ：冷发酵时形成背压可促使c o z 溶解在酒中，导致给处于生产 发酵罐压力贮期间0 0 8 状态中的酵母造成应力条件“”“”1 ，从而导致高级醇、醛 0 1 2 m p a 类物质的增加，醇酯比例升高而“上头”。 麦汁吸氧z m s ，。 妻蚤薹鑫：鬈墨嚣嚣毳薹翥磊幕毒度，进而影响发酵污染； 麦汁浓度 h s 。r 塞算黧蠢鎏畏嚣篙勰爹物质的a 成斛情级醇的产 发酵工艺大致可分为三类，一是从设备方面分，可分为锥罐一罐法、锥罐两罐 法、前锥后卧法；二是从温度方面分，可分为低温发酵法和高温发酵法；三是从麦 汁浓度分，可分为原浓发酵法和高浓发酵法。目前高浓发酵后稀释工艺和锥罐两罐 法发酵有普遍流行的趋势。发酵的工艺控制条件主要有满罐温度、酵母接种个数、 主发酵温度、双乙酰还原温度、发酵罐压力、降温条件、降温速度、冷贮温度、冷 贮时间、酵母回收时间、冷凝固物排放时间和次数、废酵母排放时间和次数等。 2 3 3 高浓发酵和脱氧水制各 2 0 世纪7 0 年代，美国、加拿大等国啤酒厂开始采用高浓度麦汁糖化和发酵，在 过滤之前用饱和c 0 ：的无菌脱氧水稀释成传统浓度的成品啤酒的“高浓度酿造工艺”； 国内从2 0 世纪8 0 年代开始推行高浓发酵工艺。一般采用“稀释度”来衡量高浓度 1 6 华中科技大学硕士学位论文 与成品啤酒浓度之间的差距： 稀释度( ) = ( 发酵液原麦汁浓度一成品原麦汁浓度) 成品原麦汁浓度1 0 0 国外啤酒的稀释度一般在3 0 6 0 ，国内厂家稀释度控制较低，一般在1 0 4 0 。 高浓发酵法提高糖化设备利用率2 0 5 0 ，节省投资：降低能耗1 4 左右，降低成 本；啤酒的非生物稳定性提高；酯类物质生成量增加，醇酯比降低“”。7 “1 ，啤酒“不 上头”；淡爽风格更突出等众多优点5 ，正逐步被国内外厂家作为正常生产技术而 广泛使用。 高浓度麦汁在利用无菌空气充氧时导致饱和溶解氧含量下降，只能采用纯氧进 行麦汁充氧才能达到l m g o p l 的工艺要求，见表2 5 。 表2 5 不同浓度麦汁通入空气饱和含氧量”1 ( 1 0 ) 2 3 4 酵母泥回收与贮存 在发酵前、发酵中及后酵期间酵母的保存情况同成品的质量有密切关系“。正 常发酵过程中，当外观糖度降低到3 5 3 8b x 时，酵母的发酵作用降低，发酵液 的对流作用减慢，死酵母、衰老的酵母细胞自身不产生或者产生很少的二氧化碳， 首先沉降到罐底，随着糖度的进一步降低，酵母代谢逐步降低，更多的酵母发生凝 聚而沉降到罐底。由于酵母是一种活的生物这一事实，所以必须保证不能受到任何 形式的损伤，否则会导致酵母产生负效应。酵母不能受到忽冷忽热的热冲击、极度 强有力的搅拌、在较高的发酵温度下维持时间、在无营养物的情况下与酒液过长的 接触的时间。 2 4 过滤单元和过滤工艺 啤酒过滤是一个物理分离过程，混浊的啤酒借助过滤介质的阻挡作用、深度