10万吨12°淡色啤酒发酵罐的设计及及

XX理工学院课程设计书课程名称：生物工程设备课程设计课题名称：年产10万吨12度淡色啤酒厂发酵罐设计学生名称：XX所属院系：生物工程学院专业班级：XXXXXXX学籍学号：XXXXXXXXXXXXX指导老师：XXXXXXXXXXXX设计时间：203-1-11前言.........................................................3第一章：绪论.................................................4设计选题的目的......................................................4设计工作的意义......................................................4课题研究的内容及方法....................................................4工艺选择................................................................4设备选择................................................................5第二章：啤酒工艺选择与论证..................................................6啤酒原料................................................................6麦汁制备................................................................6麦汁过滤................................................................8麦汁煮沸................................................................8麦汁后处理..............................................................8啤酒发酵的工艺论证......................................................9啤酒过滤................................................................15第三章：物料衡算...........................................................17.物料衡算的意义..........................................................17物料衡算的基础数据......................................................17100Kg原料生产12度啤酒的物料衡算.......................................17生产100L12度啤酒的物料衡算.............................................18年产10万吨12度淡色啤酒糖化车间物料衡算.................................20第四章：耗冷量的计算........................................................23发酵车间工艺流程........................................................23工艺技术指标及基础数据..................................................23麦汁冷却耗冷量Q1........................................................23发酵耗冷量Q2............................................................23第五章：发酵罐的设计与选型..................................................25发酵罐数量的确定........................................................25发酵罐体积的确定........................................................25发酵罐材料的选择........................................................25设备选型依据表..........................................................30第六章：总结................................................................32第七章：参考文献............................................................33前言本设计为顺应近几年来啤酒工业飞速发展的需求，在啤酒工艺成熟的基础上，同时体现了啤酒酿造的新工艺，为企业的开源节流提供了新的依据。设计题目为年产10万吨12度淡色啤酒厂发酵罐设计，此啤酒的酿造方法采用70%的麦芽，30%的大米，经过糊化，糖化，煮沸，过滤，冷却，发酵而成。发酵设备采用圆筒体锥底发酵罐，发酵周期是17天。本设计内容主要包括物料衡算，热量衡算，冷耗衡算和设备选型的计算及重点设备选型及计算。糖化方法采用双醪浸出糖化法，发酵方法采用下面发酵法。本设计的图纸主要为发酵罐装配图。本文对啤酒生产线工艺设计中的关键部分—原料的糊化、糖化、麦汁过滤、煮沸、啤酒过滤及其设备选型进行了粗略研究。对发酵过程及其设备选型进行了较为详细的探讨。关键词：啤酒工艺；设备选型；技术经济；发酵；糖化；发酵罐.

绪论设计选题的目的目前，世界上啤酒市场的竞争日益激烈，广大消费者对啤酒品种结构和产品质量的要求也越来越高，相应的新品种也层出不穷。因而，很有必要将这方面得计书加以科学地总结和分析以推动啤酒产品多样化在广度和深度上的健康发展，随着人们生活水平的提高，饮食消费结构的不断改变，啤酒已进入了千家万户。但是我国人均啤酒的消费还没有达到世界平均水平。所以建设新的、大型的啤酒厂，增加产量，就可以满足人们将来物质生活的需求。所以，设计啤酒厂是有意义有必要的。另外，此次选题是教研室下达的任务。是根据教学的实际需求来选定的。设计工作的意义啤酒含有17种氨基酸，多种维生素及碳水化合物、矿物盐等物质、每升啤酒的热量可达430卡，相当于6-7枚鸡蛋，0．75升牛奶或50克奶油，被世界营养协会组织列为营养食品，素有“液体面包”之誉。现代科学研究表明，啤酒中所含各种成份、既有较高的营养价值又具良好的药疗效果，啤酒中酒精含量较低，10度黄啤酒含酒精3％左右，非但对胃和肝脏无损害，而且可平缓地促进人体血液循环；维生素B1、B6已能维持心脏正常活动，而烟酸则能扩张血管，故它们对心血管系统有益，可加速新陈代谢。通过这次的选题，查阅资料，使我们在设计中进一步掌握了啤酒的工艺方法为今后走上工作岗位打下了坚实的基础。课题研究内容及方法设计依据本设计是根据四川理工学院生物工程学院生物工程教研室布置的课程设计任务书要求来进行设计的。设计范围本设计为年产5万吨12度的啤酒厂，重点设备发酵罐，发酵工段为重点工段。该设计包括工艺方法及流程的选择论证、物料衡算、耗冷量衡算、设备选型及论证、重点设备的详细设计、车间的布置、绘制图纸（发酵工艺流程图、糖化工艺流程图、发酵车间平面布置图、发酵车间立面布置图、重点设备装配图），三废处理等。指导思想根据原料的特性，参考工业生产中的成功经验，对所收集得文献资料，进行分析比较，设计适合的工艺流程和操作条件，选择适合的生产设备，并进行科学、合理的配置；设计适用的厂房结构，确保生产的正常进行，配备必要的劳动人员，满足正常生产需要。工艺选择1.保证产品质量符合国家的标准2.尽量采用成熟的，先进的技术和设备。3.选择生产方法主要依据原料的来源，种类和性质。设备的选择保证工艺的安全性和可靠性，经济上的合理性，技术先进，投资省，加工方便，运行费低，操作清洗方便。主要方法：1.查阅资料，确定工艺方法以及流程2.进行设计衡算（如物料衡算）3.设计图纸绘图4.撰写设计说明书。

第2章啤酒工艺选择与论证啤酒原料酿造用水水是啤酒酿造最重要的原料，酿造水被称为“啤酒的血液”。酿造水质不仅决定着产品的质量和风味，而且还直接影响着酿造的全过程。水的质量要求：本设计为经典啤酒，色泽较浅，水的残碱度RA值要求在-5~+5度之间；水中Ca至少为40~50mg/L。另外，Ca和Mg比例要大于3:1。啤酒酿造用水中含有10~15mg/LMg已经足够，过高会使啤酒变的干，苦味重。水的镁硬小于等于L，水中含盐量要求很低。麦芽采用浅色且色泽淡黄而有光泽的麦芽。麦芽外观短胖，除根干净，不含杂草、杂谷粒、砂土、枯芽、半粒、霉粒、损伤残粒等杂质。麦芽还应有新鲜稻草香味，不应有霉味、潮湿味、酸味、焦苦及烟熏味等。酒花酒花能够赋予啤酒柔和优美的芳香和爽口的微苦味，能加速麦汁中高分子蛋白质的絮凝，能提高啤酒起泡性和泡持性，也能增加麦汁和啤酒的生物稳定性。本设计选择浅黄绿色，有光泽，富有浓郁的啤酒花香气，无异杂气味，花体基本完整的颗粒酒花。辅料啤酒生产中适用辅助原料有重大意义，可以降低啤酒生产成本，具有经济性；可以降低麦汁总氮相对减少麦汁中高分子含氮化合物的比例，可以提高啤酒的非生物稳定性；调整麦汁组分，提高啤酒某些特性。大米是啤酒厂最常用的辅料，其特点是价格低廉，蛋白质、多酚物质和脂肪含量低于麦芽，而淀粉含量高于麦芽，本设计采用大米作为辅料，生产出的啤酒具有色泽浅、口味清爽、泡沫细腻、酒花香突出，非生物稳定性好等特点。酵母在实际生产中最常用的酵母有两大类：上面酵母和下面酵母。二者形态上存在明显的差别。上面酵母又叫表面酵母，其母细胞和子细胞能够长时间相互连接，形成多枝的牙簇，下面酵母又叫底面酵母、贮藏酵母，其母细胞和子细胞增殖后彼此分开，几乎都是单细胞或几个细胞连接。本设计设计的是经典型啤酒，色泽浅，采用的是下面发酵技术，故选用下面酵母。麦汁制备麦芽及辅料的粉碎理论麦芽和谷物原料的粉碎是为了使整粒谷物经过粉碎后，有较大的比表面积，使物料中贮藏物质增加和水、酶的接触面积，加速酶促反应及物料的溶解。粉碎质量对糖化过程中物质的生化变化、麦汁组成、麦汁过滤和原料的利用率都有重要作用，从理论上讲，麦芽粉碎的越细，其内含物的溶解就越迅速、越完全，化学和酶促反应更容易进行，因此就能获得最佳收得率。然而，在实际生产中，不能将麦芽粉碎的太细，因为考虑到啤酒酿造的特殊性：麦芽皮壳若粉碎过细，会增加皮壳有害物质的溶解，影响啤酒的风味；皮壳和原料中不溶性物质粉碎过细，造成过滤阻力增加，影响过滤操作；淀粉等贮藏物质的粉碎细度，不但影响酶促反应速度，也影响反应深度即影响到麦汁组成，所以麦芽的粉碎只需达到一定的程度即可。麦芽的粉碎麦芽的粉碎大致可分为干法粉碎、湿法粉碎、回潮粉碎和连续浸渍粉碎4种。因为湿法粉碎有表皮比较完整课获得良好的过滤层，解决了粉尘的危害，过滤时间短，糖化效果好，麦芽汁清亮对溶解不良的麦芽可提高其浸出率，适合比较高的投料量，的优点，故本设计采用湿法粉碎。辅料的粉碎对于辅料大米胚乳比较坚硬对粉碎要求是有较大的粉碎，要粉碎得细一些有利于辅料的糖化和糊化粉碎采用三堒或四堒的二级粉碎机。粉碎方法为干法粉碎。糖化工艺的选择与论证利用麦芽所含的各种水解酶，在适宜的条件（温度、pH值、时间）下，将麦芽和麦芽辅料中的不溶性高分子物质逐步分解为可溶性低分子物质，这个分解过程称为糖化。从麦芽和麦芽辅料中溶解出来的物质称为浸出物。麦汁中浸出物与投料量比值的百分数称为浸出率。糖化的目的是利于各种酶的作用，使不溶性物质溶解出来，从而得到尽可能多的溶解物，并且使麦汁组成适和发酵。1．糖化方法麦芽的糖化方法通常可分为煮出糖化法和浸出糖化法，其中煮出糖化法又分为一次、二次和三次煮出糖化法。浸出糖化法：是纯粹利用麦芽中酶的生化作用，浸出麦芽中的可溶性物质。它是最简单的糖化方法，是把醪液从一定温度开始加热至几个温度休止阶段进行，最后达到糖化终止温度。只适合使用麦芽，酿制上面发酵啤酒和低浓度发酵啤酒，糖化时间长，必须采用质量很好的麦芽，故不采用。一次糖化法适于蛋白质分解良好，糖化能力高的麦芽，原料利用率低，故不采用。二次糖化法对原料的适应性较强，常采用此方法生产浅色啤酒，也可生产其他类型的啤酒，所以二次糖化法好了灵活性较大。适用于各种性质的麦芽和制造各种类型的啤酒，比较经济，原料利用率高，故采用此法。三次糖化法原料利用率高，利于酶的作用，适用于浓色啤酒，耗热能多，生产周期长，故不采用。2．糖化的具体过程:糖化醪与糊化醪兑醪后，醪液不再煮沸，而是直接在糖化锅内升温，达到糖化各阶段所要求的温度。由于只有部分醪液进行煮沸，胚乳细胞壁的高分子麦胶物质及其他杂志溶出较少，所制麦汁色泽浅，黏度低，口味柔和，发酵度高，特别适合酿造浅色淡爽型啤酒；而且操作简单，糖化时间短，在3h内即可完成。麦汁过滤麦汁过滤的基本要求及技术指标麦汁过滤的基本要求是迅速、彻底地分离糖化醪液中的可溶性浸出物，尽量减少影响啤酒风味的麦皮多酚、色素、苦味质以及麦芽中的高分子蛋白质、脂肪、脂肪酸和β-葡聚糖等物质进入麦汁，从而保证麦汁良好的口味和较高的澄清度[3]。技术指标应保证过滤的麦汁达到生产所需要的质量要求，尽可能多地获得澄清麦汁，提高生产率，减少对环境的污染。麦汁过滤方法及影响因素过滤槽是大多数啤酒厂经常采用的麦汁过滤设备，在啤酒生产中，麦汁过滤方法大致可以分为四类：过滤槽静压过滤法，过滤槽正压过滤法，过滤槽抽吸是负压过滤法，压滤机过滤法。我国大多数啤酒厂均采用过滤槽静压过滤法进行麦汁过滤。本设计采用过滤槽静压过滤法进行麦汁过滤。过滤槽法过滤麦汁是通过筛分效应，滤层效应和深层过滤效应三方面的作用而进行的。麦汁的过滤速度受滤层阻力、滤层渗透性、滤层厚度、麦汁黏度和滤层面积等诸多因素影响。麦汁煮沸麦汁煮沸设备选择及优缺点麦汁过滤结束后，就要进行麦汁煮沸，并在麦汁过滤中添加酒花。煮沸期间将发生一系列复杂的物理和化学变化，麦汁质量也会受多种因素影响。啤酒厂商用的煮沸锅有内加热式煮沸锅、外加热式煮沸锅、低压煮沸过和连续流动式麦汁煮沸器，本设计采用内加热式煮沸锅。内加热式煮沸锅的特点是：麦汁加热器垂直安装在锅内，加热器为列管式加热器。麦汁煮沸时，麦汁由下而上穿过加热器的列管向上沸腾。内加热式煮沸锅具有以下优点：1，设备投资少，无需维护，没有磨损，耗电量低；2热辐射损失小；3煮沸温度和蒸发速率可以调整；4设备简单，不需外加加热器和搅拌器。麦汁煮沸工艺内加热式麦汁煮沸锅又可分为常压煮沸和低压煮沸，本设计采用常压煮沸工艺。通过麦芽汁的煮沸可达到蒸发水分、浓缩麦汁的目的。过滤后的麦汁其浓度低于需定型浓度（约～°P），通过煮沸、蒸发浓缩，方可达到规定浓度。煮沸的主要作用：⑴灭酶和杀菌；⑵蛋白质变形和絮凝；⑶浸出酒花中物质；⑷排除麦汁异杂臭气。麦汁后处理热凝固物及冷凝固物的分离麦汁煮沸后应尽快将麦汁中的热凝固物进行有效的分离，以获得澄清的麦汁，然后将麦汁冷却至工艺要求的温度，冷却的同时，要进行通风，为酵母繁殖提供足够的氧气。漩涡成沉淀槽是最常用的热凝固物分离设备，与其它设备相比，她的分离效果最佳。漩涡沉淀槽是立式柱形槽，麦汁沿切线方向泵入，形成旋转流动，并使热凝固物以锥丘状沉降于槽底中央，清亮麦汁从侧面麦汁出口排出。麦汁在冷却过程中会形成冷凝固物，并逐渐沉淀下来，去除冷凝固物的方法可以用自然沉降法和浮选法，自然沉降法是待冷凝固物自然沉降后加以除去，浮选法是麦汁在去除热凝固物后，通入无菌空气就会吸附在细密的小气泡上，随气泡升至液面，并加以除去。麦汁的冷却常用的麦汁冷却器为板式换热器，换热效率很高。麦汁冷却的基本要求有：麦汁和冷却水流经部位要便于清洗，密封性要好，严防冷却水和麦汁的渗漏。要有足够的冷却面积，冷却时间要短，冷凝固物析出的量多。麦汁冷却有一段式和两段式两种冷却方式.本设计采用三段式冷却方式，其优点是利于酵母的沉降，温差会有利于醪液的对流。麦汁的充氧发酵需要大量的酵母，而酵母繁殖需要氧气，以利于酵母增殖并同时进入发酵阶段。为使空气溶解至冷麦汁中，必须通入很细小的空气泡，并以涡流形式与麦汁进行混合。啤酒发酵的工艺论证啤酒酵母1．酵母的分类：a.弗罗倍尔酵母：发酵度高，沉淀慢而不凝集b.薛士酵母：发酵度低，凝集性强，沉淀快c.卡尔斯倍酵母：卡尔倍一号，发酵度高，沉淀慢；卡尔倍二号，发酵度低，沉淀快2．酵母的基本结构：啤酒酵母在麦汁中25℃培养三天，细胞为圆形，卵形，椭圆形到腊形。酵母是单细胞真核生物，外层由厚的细胞壁和细胞膜所包囊；细胞质内有许多细胞器，有核、线粒体、微体、内质网、液泡、核糖体等，还存在作为能源的糖原，脂质及多磷酸盐等物质。3．啤酒酵母的絮凝：啤酒酵母的絮凝特性是重要的生产特性，它会影响酵母的回收再利用于发酵的可能，影响发酵速率和发酵度，影响啤酒过滤方法的啤酒风味。酵母细胞不同的絮凝能力受到其自身的基因和外界作用影响，金属离子对凝聚作用的影响极大，凝聚作用的强度还依赖于基质的离子浓度，尤其是钙离子含量达到30mg/l以上时的促凝作用相当显著，其他二价离子也能促凝，但是单价离子会因“反离子效应”对其产生抑制作用。4．酵母扩大培养：最终决定啤酒品质的因素是啤酒酵母，最终影响酿酒工艺和控制的因素也是啤酒酵母。啤酒工厂从单细胞分离得到一个酵母细胞，经鉴定确认为是本厂生产用的优良菌株，然后经过若干次扩大培养，最后制备成1013—1014个细胞/ml后供发酵用。酵母的扩大培养关键在于：①选择优良的单一细胞发出菌株；②在整个扩大培养中保证酵母品种，强壮，无污染。其过程为：斜面试管（原菌种）→试管培养→小，中，大三角瓶培养→卡氏罐培养→增殖罐培养→酵母扩大培养→发酵罐。5．接种量：表2-1不同麦汁浓度的酵母添加量麦汁浓度酵母泥添加量7～9～10～12～13～15～16～20～6．酵母的选择：在实际生产中最常用的酵母有两大类：上面酵母和下面酵母。二者形态上存在明显的差别。上面酵母又叫表面酵母，其母细胞和子细胞能够长时间相互连接，形成多枝的牙簇，下面酵母又叫底面酵母、贮藏酵母，其母细胞和子细胞增殖后彼此分开，几乎都是单细胞或几个细胞连接。本设计设计的是经典型啤酒，色泽浅，采用的是下面发酵技术，故选用下面酵母。啤酒发酵工艺技术控制啤酒发酵工艺技术控制，至今尚未深入到发酵代谢控制，所谓工艺控制多数停留在外界影响因素的选择性（非定量）控制，它包括如下几方面：啤酒酵母的菌株选择。麦汁组分。酵母接种量和接种技术。起酵温度和发酵温度。发酵设备和酵母在发酵中的流态。后酵（或双乙酰还原）条件选择。酵母分离时间和方法。储酒条件和时间。发酵中压力或者CO2浓度。上述诸方面的控制技术，不但影响发酵工艺过程，而且深刻影响啤酒风味物质的代谢。由于发酵工艺的多变性，造成啤酒风味千差万别。啤酒发酵工艺传统的下面发酵法，发酵容器安置在空气过滤，绝热良好和清洁卫生的发酵室内，保持室温5～6℃，采用开放式或密闭式发酵容器：①采用下面的酵母，主发酵温度较低，发酵进程比较缓慢。主发酵完毕后，大部分酵母沉降容器底部。②下面发酵啤酒的后发酵期较长，酒液澄清良好，酒的泡沫细致，风味柔和，保存期较长。传统式分批发酵，每批（一锅或两锅）定型麦汁，经过添加酵母，前发酵（酵母增殖），主发酵，后发酵和贮酒等阶段。一般为前酵期（～11℃），主酵期（～13℃），后酵和贮酒期（0～-1℃）。1.前发酵:所谓前发酵，就是指接种酵母泥处于休眠阶段，酵母和麦汁接触后，有较长（数小时至十小时）的生长滞缓期，之后才能加入出芽繁殖，当酵母克服生长缓滞期，出芽繁殖细胞浓度达到20×106个/ml，发酵麦汁表面开始气泡，此阶段即为前发酵。但由于工艺改进，前发酵时期已缩短至20～30个小时。2.主发酵：主发酵前期酵母吸收麦汁中氨基酸和营养物质，应用糖类发酵合成细胞并产生热量。此时糖降比较缓慢，而氨基酸下降迅速。由于有机酸和麦汁缓冲物质减少，PH下降迅速。酵母达到最高浓度时，糖降最快，每天外观浓度降可达～°P。此阶段大量废热产生，必须进行冷却。发酵度达到酵母凝聚点时（一般发酵度在35%～45%），酵母开始凝聚，发酵液中悬浮酵母细胞数开始下降，糖降速率随之降低。为凝聚和保存凝聚酵母的活性，发酵后期应逐步降低温度，使发酵温度趋近后酵母温度。主发酵后期每日糖降小于°P时，发酵缓慢，泡沫小时，逐步形成泡盖。泡盖是CO2带至发酵液面的多酚、酒花树脂、蛋白质等被氧化、聚合形成的。在主发酵结束前，捞去泡盖，即可进行后酵和回收凝聚酵母泥。发酵过程中的主要物质变化:①糖类的变化：在发酵过程中，同等条件下，发酵度室随可发酵性糖与总糖的比例而变化的。可发酵性糖含量愈高，发酵度愈高；发酵速度则随发酵温度和酵母添加量而变化，发酵温度愈高，酵母添加量愈大，发酵愈旺，发酵速度愈快。②含氮物质的变化：麦汁中含可同化氮或不可同化氮的成分，均与啤酒质量有关，前者影响着发酵进程和酵母代谢所产生的风味物质，后者则关系到啤酒的物理性能，如啤酒的澄清，非生物稳定性和泡沫性能等。③苦味物质的变化：在发酵过程中，麦汁中近1/3的苦味物质损失。④二氧化碳的产生:二氧化碳在酒液中的溶解度视发酵度温度和罐压的变化而有增减。二氧化碳含量一般为～（w/wl左右）⑤PH值的变化:冷麦汁PH一般为～，随发酵进程而逐步降低，PH值的下降主要由于发酵过程中，二氧化碳和有机酸和二氧化碳的形成。⑥氧与rH值:rH值是表示溶液中氢压的负对数值，是表示溶液氧化还原势（EH）的一种方法，rH愈高，溶液的氧化力愈高，还原力愈低，反之亦然。rH＝＋2pH（30℃）⑦色度变化:麦汁色度降低的幅度，随原麦汁色度深浅而变化，色度深者降低幅度大，色度浅者降低幅度小。3．后发酵和储酒:过滤麦汁经主发酵后的发酵液较嫩啤酒，又叫新啤酒。此时酒的二氧化碳含量不足，口味不成熟，不适于饮用。啤酒的成熟和澄清均在后发酵期中完成。后发酵的作用:①嫩啤酒中残留的可发酵性糖性糖继续发酵，产生的二氧化碳在密闭的贮酒容器中，不断溶解酒内，使之达到饱和状态。②后发酵初期产生的CO2在排出贮酒罐外时，降去酒内所含的一些酒类的挥发性成分，如乙醛，硫化氧，双乙酰等同时排出，减少啤酒的不成熟味觉，加快啤酒成熟。③在较长的后发酵期中，悬浮的酵母，冷凝固物和酒花树脂等。在低温和低PH值的情况下，缓慢沉淀下来，使啤酒逐渐澄清。④在较低的贮酒温度下，一些易形成混浊的蛋白质－单宁复合物逐渐析出而先行沉淀下来或被过滤除去，改善了啤酒的非生物稳定性，从而提高了成品啤酒的保存期。贮酒的作用：①嫩啤酒中残留的可发酵性糖继续发酵，产生的二氧化碳在密闭的贮酒容器中不断溶解于酒内，使之达到饱和状态。②减少啤酒的不成熟味觉加快啤酒成熟。③使悬浮的酵母冷凝固物和酒花树脂等，在低温和低PH值情况下，缓慢的沉淀下来，使啤酒足见澄清，便于过滤。④改善了啤酒的非生物的稳定性，从而提高了成品啤酒的保存作用。贮酒室一般设在发酵室下面，分地下与地下两种，先采用地上，整个贮酒室应分为数室，以控制同贮酒时间的温度和便于进酒出酒等。贮酒室采用冷风冷却，鼓风机设在贮酒楼上，利用冷空气下降，热空气上升的对流方式，以节省动力消耗。贮酒室的冷耗量，一般为：①排管冷却：600～800千卡/昼夜/m³②冷风冷却：1000～1200千卡/昼夜/m³啤酒的澄清:①啤酒澄清的作用：啤酒澄清时在贮酒期间，是使酒中所含的悬浮物沉淀下来。澄清的目的是使过滤时顺利，产量高；滤后的酒透明度好，稳定性高。②啤酒中的主要悬浮物质:a.酵母细胞;b.冷凝固性蛋白质;c.酒花树脂;d.蛋白质－多酚氧化物的复合物质。③影响啤酒澄清的因素:a.悬浮物质的性质;b.贮酒温度高温（3℃以上）快于低温（0℃以下）;值：酒液度PH在（～）上面发酵（以下）;d.容器大小;e.酒液粘度。4．圆筒体锥底发酵罐发酵及其工艺:①发酵方法分类：主要分单酿罐发酵和两罐法发酵两种。本次设计选择单酿罐法发酵。②设备的结构特点：⑴设备的外型特点：外筒体蝶形或拱形盖，锥形体底，罐筒体壁和锥底有各种形式的冷却夹套。单酿罐一般的D：H=1:。发酵罐底角，考虑到发酵中酵母自然沉降最有利，取排出角60-130°。⑵罐材料：大型均采用碳钢加涂料或是不锈钢两种材料。⑶冷却夹套：国内大多用低温低压（-3℃,）液态冷媒在半圆管，弧形管的夹套，或米勒板式夹套内流动换热。冷却夹套的单酿罐内一般分三段：上段距发酵液面15cm向下排列，中段在筒体的下部距支座15cm向上排列，锥底段尽可能接近排酵母口，向上排列。⑷隔热层和防护层：绝热材料常用绝热材料聚酰氨树脂或自熄式聚苯乙烯泡沫。外防护层采用厚的合金铝板或的不锈钢板，特别是瓦楞型板更受欢迎。⑸罐主要附件：智能型铂温度传感器，清洗取样阀，安全阀，真空破坏阀，CIP执行机构，上视镜，灯镜，空气和二氧化碳排出管装置。③圆筒体锥底发酵罐发酵工艺：⑴进罐方法采用直接进罐方法。⑵接种量和起酵温度麦汁直接进罐法，为了缩短起酵时间，大多采用较高接种量，%～%，接种后细胞浓度为（15加或减3）×106个/ml。麦汁接种温度是控制发酵前期酵母繁殖阶段温度的，一般低于主发酵温度2～3℃。目的是使酵母繁殖在较低温度下进行，减少酵母代谢副产物过多积累。⑶主发酵温度采用低温发酵⑷VDK还原在大罐发酵中，后发酵一般称VDK还原阶段。VDK还原初期一般不排放酵母，也就是发酵全部酵母参与VDK还原，这可缩短还原时间。⑸冷却、降温VDK还原终点是根据成品啤酒应VDK的含量而定。⑹罐压控制利用N2备压～。⑺酵母的排放和收集酵母回收循环使用五代。啤酒发酵方法的选择啤酒发酵方法主要有以下几种方式：连续发酵法，上面发酵法，下面发酵法，一罐发酵法，以下就这几种发酵方法进行详细分析和比较来进行取舍。（1）连续发酵连续发酵主要有多罐式连续发酵和塔式连续发酵，这种连续发酵系统都可大大缩短发酵周期，提高设备利用率，降低了投资，减少了酒损，降低了蒸汽、劳动力和洗刷费用，提高了酒花利用率，且产生的成品啤酒质量稳定。但是这几种连续体系也各有不足：多罐式系统需搅拌，动力消耗大。塔式系统对酵母要求高，使用的酵母不仅要求发酵度高，而且要求凝聚性强。并且塔式观造价高，不利于小规模生产。更重要的是，连续发酵法啤酒从风味上品评与间歇法啤酒差别大，难以被消费者接受。八十年代后，锥形罐发酵取代了传统发酵，生产周期得到了缩短，而连续发酵由于污染和风味（特别是双乙酰）控制的困难逐步停止了使用。从实际情况出发，故本设计不采用此法。（2）上面发酵的工艺特点A、上面发酵系在较高的温度（15~20℃）下进行的，酵母起发快，接种量可以减少，因此形成的酵母新细胞较多。发酵终了，大部分酵母浮在液面，酵母使用代数大大增加长久没有衰退现象，但酵母回收工作较下面发酵复杂。B、上面发酵的麦汁接种温度为14~16℃，比较高。发酵三天左右，当酵母升至液面时，为发酵旺盛阶段，此时应开始降低液温，可采用12~14℃冷水冷却，并在酵母形成泡盖时立即撇去，发酵4~6天即行结束。C、发酵结束，酵母成紧密的一层浮在波面上，厚约3~4厘米。优良的酵母，其酵母层应具有褶皱状的外观。D、上面发酵在发酵过程中通风时间长，目的是使酵母悬浮发酵液中，对凝聚性强的酵母通风尤属必要。E、上面发酵一般不采用后发酵，主发酵的发酵度接近发酵度，下酒后，加胶澄清，贮藏一阶段，采用人工充CO2，使达到饱和。若上面发酵采用后发酵工艺，下酒是酒液中应保留部分残糖，继续发酵，产生CO2，饱和在酒中。F、上面发酵配制的啤酒成熟较快，设备周转快，啤酒有独特风味，但保存期短。（3）下面发酵传统下面发酵法，发酵容器安置在空气过滤、绝热良好和清洁卫生的发酵室内，保持室温5~6℃，采用开放式或密闭式，圆形或方形的发酵容器。下面发酵的特点①采用下面酵母，主发酵温度较低，发酵进程比较缓慢。主发酵完毕后，大部分酵母沉降在容器底部。②下面发酵啤酒的后发酵期较长，酒液澄清良好，酒的泡沫细致，风味柔和，保存期较长。（4）一罐法发酵随着啤酒工业的发展，现有啤酒厂普遍采用一罐发酵工艺，即麦汁的主发酵，双乙酰还原、降温以及贮酒阶段在同一个露天发酵罐中进行。一罐法工艺有以下优点：清洗消耗少，因为只有一个容器必须清洗；转入空罐时CO2损失少；酒损少，因为没有了管道中残酒的损失；所需的工作时间少，因此不用倒罐；节能，因为不用倒罐，没有氧侵入的危险。故在设计中采用此法。故本设计选用锥形罐一罐法下面酵母发酵（即发酵温度为5~10℃）啤酒过滤啤酒过滤理论经过发酵或后处理的成熟啤酒，其残余酵母和蛋白质凝固物等沉积于贮酒罐底部，少量仍悬浮于酒液中，这些物质在以后的贮存期间会从啤酒中析出，导致啤酒浑浊。所以，必须经过过滤工序将其除去。啤酒过滤式一种物理分离过程，是啤酒生产过程中非常重要的生产工序。经过过滤后，啤酒外观清亮透明，富有光泽，使其更富有吸引力，同时，可赋予啤酒以良好的生物稳定性与非生物稳定性，使其至少在保质期内不出现外观的变化，从而保证了啤酒外观质量的完美。啤酒过滤方式的选择与论证对于啤酒过滤来说，现在使用较普遍的过滤方法主要有硅藻土过滤法、滤棉过滤机和微孔膜过滤机。硅澡过滤机易实现自动化，过滤效果好，速度快，杂菌清洗容易，维修方便，过滤能力可通过加减滤板框数调节，故选此法。

第三章物料衡算物料衡算的意义物料衡算是指理论上进行生产时，所要消耗的物料和可以得到的产品以及副产品的量，物料衡算的准确与否关系到整个生产工艺的合理性和设计的可行性，是整个设计阶段的重要一环。物料衡算基础数据根据表3-1的基础数据，先进行100kg原料生产12°P啤酒的物料衡算，然后进行100L12°P啤酒的物料衡算，最后进行5万吨/年啤酒厂的物料衡算表3-1啤酒生产基础数据项目名称百分比﹪说明定额指标原料利用率98麦芽水分大米水分11无水麦芽浸出率75无水大米浸出率95原料配比麦芽70大米30损失率冷却损失发酵损失对热麦汁而言过滤损失装瓶损失总损失率啤酒总损失率对热麦汁而言100㎏原料生产12°P啤酒的物料衡算(1)热麦汁量根据表3-1可得原料收得率分别为：原料麦芽收得率为：(100-5)÷100=%原料大米收得率为：(100-11)÷100=%混合原料收得率为：（×%+×%）×98%=%由上述可得100kg混合原料可制得的12°P热麦汁量为：（÷12）×100=(kg)又知12°P麦汁在20℃时的密度为L，而100℃热麦汁比20℃时的麦汁体积增加倍。故热麦汁（100℃）体积为：（÷）×=(L)(2)冷麦汁量×=(L)(3)发酵液量×=(L)(4)过滤酒量×=(L)(5)成品啤酒量×=(L)生产100L12°P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°P淡色啤酒约，故可得下述结果：(1)生产100L12°P经典啤酒需耗混合原料量（100/）×100=(kg)(2)麦芽耗用量×70%=(3)大米耗用量×30%=(kg)(4)酒花耗用100L热麦汁中加入的酒花量为千克，故酒花耗用量为：（）×100×%=(kg)同理，100kg原料耗酒花：100×=(5)热麦汁量（）×100=(L)(6)冷麦汁量（）×100=(L)(7)发酵液量：（）×100=(L)(8)滤过酒量：（）×100=(L)(9)成品酒量：（）×100=100(L)(10)湿糖化糟量：设排出的湿麦糟含水分80%，湿麦芽糟量为：[(100-75)/(100-80)]×=湿大米糟量为：[(100-95)/(100-80)]×=故湿糖化糟量为：+=同理，100kg原料产生湿糖化糟：100×=(11)湿酒花糟量：1设酒花在麦汁中的浸出率为40%，酒花糟含水分以80%计，则酒花糟量为：同理，100kg原料产生湿酒花糟：100×=(12)酵母量（以商品干酵母计）生产100L啤酒可得2kg湿酵母泥，其中一半作生产接种用，一半作商品酵母用，即为1kg。湿酵母泥含水分85%酵母含固形物量:则含水分7%的商品干酵母量为：(13)二氧化碳量因12°P冷麦汁密度为L，则冷麦汁质量为：×=所以，12°P冷麦汁中浸出物量为：12%×=设麦汁的真正发酵度为80%，则可发酵的浸出物量为：×80%=麦芽糖发酵的化学反应式为：C12H22O11+H2O2C6H12O62C6H2O64C2H5OH+4CO2+560kJ设麦芽汁中的浸出物均为麦芽糖构成，则CO2生成量为：式中 44—CO2分子量342—麦芽糖（C12H22O11）分子量设12°P啤酒含二氧化碳为%，酒中含CO2量为：×=则释放出的CO2量为：而1m3CO2在20℃常压下重故释放出的CO2的体积为：年产5万吨12°P淡色啤酒糖化车间物料衡算生产旺季以170天计，占总产量的70%，则旺季日产量为：100000×70%÷170=(吨/天)设生产旺季每天糖化4次，旺季总糖化次数为608次（淡季根据需要酌情调整糖化次数），可算得每次糖化可产成品啤酒量（灌装后）为：÷8=（吨/天）由此可算出每次投料量和其他项目的物料平衡。(1)成品啤酒量（灌装前）：×1000÷（1-1%）÷=（L）(2)麦芽用量：÷×70=（kg）(3)大米用量：÷×30=(kg)(4)混合原料用量：+=(kg)(5)热麦汁量：÷×=（L）(6)冷麦汁量：÷×=（L）(7)湿糖化糟量：÷×=（kg）(8)湿酒花糟量：÷×=（kg）(9)发酵液量：÷×=（L）(10)过滤酒量：÷×=（L）(11)酒花量：÷×=（kg）由于生产旺季占到全年产量的70%，由此可算得全年产量：（×8×170）/70%=×106（L）年实际产量为：×106×1012=（万吨）以单次糖化生产做基准，可算得各个项目全年状况如下：(1)全年混合原料需要量：×8×170÷70%=×106（kg）(2)全年麦芽耗量：×8×170÷70%=×106（kg）(3)全年大米耗量：×8×170÷70%=×106（kg）(4)全年酒花耗量：×8×170÷70%=×105（kg）(5)热麦汁量：×8×170÷70%=×106（L）(6)冷麦汁量：×8×170÷70%=×106（L）(7)全年湿糖化糟量：×8×170÷70%=×106（kg）(8)全年湿酒花糟量：×8×170÷70%=×105（kg）(9)全年发酵液量：×8×170÷70%=×106（L）(10)全年过滤酒量：×8×170÷70%=×106（L）(11)全年成品啤酒量:×8×170÷70%=×106（L）把前述的有关啤酒物料衡算计算结果整理见下表3-2：物料名称单位对100㎏混合原料对100L12°P啤酒糖化一次定额5万吨/年啤酒生产混合原料麦芽大米酒花热麦汁冷麦汁湿糖化糟湿酒花糟发酵液过滤酒成品啤酒㎏㎏㎏㎏LL㎏㎏LLL1007030100×106×106×106备注：12°P啤酒的密度为1012kg/m，实际年生产啤酒:：万吨。

第四章耗冷量的计算发酵车间工艺流程94℃热麦汁→冷麦汁（6℃）→锥形罐发酵→过冷却-1℃→贮酒→过滤→清酒罐发酵车间工艺流程图工艺技术指标及基础数据年产12OP淡色啤酒10万旺季每天糖化8次，170天，产量占全年总产量70%，两锅可装满一个锥形发酵罐主发酵时间为6天12度Bx麦汁比热容c1=kJ/冷媒用15%酒精稀溶液，比热容可视为c2=麦芽糖厌氧发酵热q=kg麦汁发酵度60%根据发酵车间耗冷性质，可分为工艺耗冷量和非工艺耗冷量两类，即：Q=Qt+Qnt麦汁冷却耗冷量Q1本设计采用一段式串联逆流式麦汁冷却方法，使用的冷却介质为2℃的冷却水，出口温度为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℃。有前面的计算可知，每糖化一次得到的热麦汁为，相应的麦汁密度为L.故热麦汁为:G=×=60721（kg）又查得12°P麦汁的比热容为kJ/工艺要求在1h内完成冷却过程。则所耗冷：Q1=GC(t1-t2)=60721××(94-6)/1=（kJ）根据设计结果，每三锅麦汁进一个发酵罐。则麦汁冷却每罐耗冷：Qf=2Q1=×3=kJ/罐相应的冷冻介质（2℃的冷水C水=kJ/）耗量为：M1=Q1÷［C水×（85-2）］=÷［×（85-2）］=(㎏/h)发酵耗冷量Q2发酵期间发酵放热Q2’设麦汁固形物均为麦芽糖，而麦芽糖的厌氧发酵放热量为kg，设发酵度为60%，则1L麦汁放热量为:qO=×12%×60%=（kJ）糖化一次得冷麦汁量64100L每锥形罐发酵放热量：Q0ˊ=××2=（kJ）由于工艺规定主发酵时间为6天，每天糖化4锅麦汁（旺季），并考虑到发酵放热不平衡，取系数，忽略主发酵的升温，则发酵高温时期耗冷量为：Q2ˊ=Q0ˊ××4÷（24×6×2）=（kJ/h）发酵后期发酵液降温耗冷Q2″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：Q0″=2G×c1[6-(-1)]=2×60721××7=3400376（kJ）工艺要求此过程在2天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装2个锥形罐）：Q2″=（2Q0″）/(24×2)=(2×3400376)/(24×2)=(kJ/h)发酵总耗冷量Q2Q2=Q2ˊ+Q2″=+=(kJ/h)每酵用冷媒耗量Q0Q0=Q0ˊ+Q0″=+3400376=(kJ)发酵用冷媒耗量（循环量）M2发酵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/(cm×8)=÷（×8）=（kg/h）非工艺好冷根据经验7万吨啤酒厂露天锥型罐的冷量散失在13000~30000KJ/t啤酒之间，取26000KJ/t。故旺季梅泰诺耗能量为：Q3’=Gb×26000=×25000=KJ/d式中Gb——旺季生产量（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：Q3=2Q3‘/24=h冷媒（-8℃稀酒精）用量M3=Q3/（Cm×8）=25653kg/h故总耗媒量M=M2+M3=h耗冷项目工艺每小时耗冷量kJ/h工艺冷媒用量kg/h工艺每罐耗冷kJ非工艺耗冷媒量kg/h总耗冷媒量kg/h耗量25653

第五章发酵罐的设计与选型发酵罐体积的确定本次设计选用锥底发酵罐，由物料衡算可知，糖化设备一次性糖化麦汁量。一日糖化4次。选用发酵罐的有效容积（三锅装一罐）为：Vs=×3=m³发酵罐H:D=—6:1,这里选用4:1。锥角60—85°，这里选用70°。装料系数取80%--85%，这里取Φ=80%。接种量范围在%%，这里取%。则容积为：V有效=Vs/Φ=÷80%=³主要尺寸比例：V圆柱=πD²H/4V椭圆=π/4[D²（h+D/6）]=πD³/24=³V锥底=πD³/24tan(a/2)对此发酵罐采用标准椭圆形封头为上封头，70°锥角的锥形封头为下封头，柱体部分高与直径比为4:1。则可得：VO’=πD²×4D/4+³+πD³/24tan(a/2)=³D=m取D=4m，则H=4×4=16m。VO=×4³=m³圆整后取VO=230m³最后圆整取VO=230m³的发酵罐体。校核：V有/V总=230=%符合要求。、发酵罐的个数本设计采用锥底圆柱形发酵罐，目前国内几乎所有的厂家都用这种发酵罐。设锥形发酵罐的发酵周期是17天，则发酵罐个数：N=×4×17/×=圆整为21，设备用罐个数为2，则取发酵罐个数为23个。实际产量验算：××23×170/×17×=55278t富裕量：=%满足富裕量在5%-10%的要求。发酵罐材料的选择本设备采用不锈钢制作，0Cr18Ni9不锈钢。因为发酵罐里面所装的溶液是酸性的，而CIP清洗液中仅有碱性溶液，因此，选用材料必须耐酸耐碱耐腐蚀，因此，材料应选用不锈钢。(1)发酵罐圆柱体部分壁厚确定：Sd=PcDi/(2【б】tΦ-Pc)+C上式：Pc---设计压力工作压力的确定发酵罐的高度（不加椭圆封头）即筒体与锥体的高度H=16+=m封罐之前，由于与外界接触，则罐内的压力只有液柱力，但如封罐以后，罐内压力上升，而封罐之后压力最大。发酵罐内的液体全部装满时的最高工作压力为：P最高工作压力=P表+P液柱=+pgh=+××103×10-6=取其值为所以，Pc=工作压力=在此设计压力Pc取S=PcDi/(2【б】tΦ-Pc)=×4000/（2×137×）=mm式中：Di—发酵罐内径4000mm【б】—不锈钢许用应力【б】=137，出自《化工设备机械基础》P319Φ—焊缝系数Φ=1，双面对接头100%C—壁厚附加量C1—钢板负偏差，C1=C2—腐蚀裕量，不锈钢，腐蚀裕微量，一般单面腐蚀C2=1,双面C2=2C3—加工减薄量C3=0(冷加工C3=0，热加工C3=1mm)Sn=S+C1+C2=++2=查《化工设备机械基础》P97表4-9得C1=圆整后取Sn=8mm罐的筒体厚度为8mm的0Cr18Ni9钢板制作。在《发酵工厂设计概论》和工艺手册中查得Dg=4000mm,一米高的筒节钢板重790kg,则16米的筒体重：790×16=12640kg(2)标准椭圆封头壁厚计算一般中低压容积采用椭圆形封头，为了便于设计加工，本设计选用标准椭圆形封头，也是用不锈钢0Cr18Ni9制作起许用应力【б】t137S=PcDi/(2【б】tΦ+C=×4000/(2××+=mm圆整后取Sd=8mm由《发酵工厂设计概论》表15和《材料与零部件》（上）得：表5-1椭圆封头系数公称直径曲面高度直边高度内表面积容积VбDg(mm)H1hF(㎡)m³mm40001000508(3)罐底锥形封头的设计选型选用不锈钢【б】t=137的0Cr18Ni9制作，锥壳半顶角35°，可选用无折边不需加强锥形封头，便于收集和卸除这些设备。Sd=PcDi/(2【б】tΦ-Pc)cosα+C=×4000/（2×）×1/cos30°+=无折边锥形封头锥体大端与圆筒连接时，应按下述方法确定连接处锥壳大端厚度，以Pc/【б】tΦ与半顶角值查《化工设备机械基础》图4-15：Pc/【б】t=÷137=Q值为在增加厚度区域需增加厚度，由下式计算得：Sr=QPcDi/(2【б】tΦ-Pc)=××4000/（2×137×）=圆整后取厚度为10mm，在任何情况下，加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度，锥壳加强段的长度L不得小于2=圆筒加强长度L应不小于2=圆锥体小端连接处的厚度无需加强，仍取10mm。(4)进料管及排酒管的直径与选型本设计选用直型接管及进料管为同一管道，与派酵母也为同一管道。对于进料管与排酒管流量相差不大，可选用同一管径的管子。该发酵罐实装醪液³由工厂实际经验知，一般装满一发酵罐麦汁需要6h，则进醪速度：Vs=V/τ=（6×4000）=m³/s查《化工原理》（上）表1-1，高粘度流体的速度在—1m/s，取发酵醪流速u=s。则管径D===则管径取125mm在《材料与零部件》（上）P154查得Φ133×4的无缝钢管内径为：di=125校核：u=4Vs/πdi²=4×ײ)=s,（在—1m/s范围内，所以可采用此管。）表5-2管法兰连接尺寸（mm）公称直径DNDKLThn12524020018M168(5)冷媒进出管由前面的冷量衡算可知，发酵过程冷媒流量为h,设酒精密度为971kg/m³。为三段冷却，三个冷媒进口管。所以管内流量为：Vs=(971×3600)=m³/s查《化工原理》酒精属于低黏度流体，流速范围在—s。取冷媒流速u=m/s。则冷媒进出口管径：D===取D=69mm查《化工设备机械基础》表2-6.管子规格选用Φ57×的无缝钢管，其内径di=校核u=4Vs/πdi²=4×/（ײ）=m/s（在—范围内，符合要求。）表5-3管法兰连接尺寸（mm）公称直径DNDKLThn5014011014M124(6)发酵罐夹套的选取a．冷却面积的计算F=Q/Kt由于发酵时产热高峰为860×（），则每罐放热高峰：Q=860××V有=860××=采用夹套安装罐外壁，用间接冷却法冷却，冷却介质为酒精，分三段冷却，冷却介质进出口温度为-8℃和0℃。发酵前期平均温度：6℃→6℃-8℃→0℃14℃→6℃△tm=（△t1-△t2）/In（△t1/△t2）=（14-6）/In（14/6）=℃取夹套传热系数为K=×220kJ/(m².h.℃)∴冷却面积F=Q/K△tm=（×220×）=²发酵后期