啤酒糖化工艺及糖化设备设计自动化控制

啤酒糖化工艺及糖化设备设计自动化控制10万吨啤酒厂糖化车间自动化工艺及设备［摘要］啤酒生产是我国的一个传统产业随着国民经济的发展和人民生活的改善我国啤酒工业也得到空前发展近20年间我国的啤酒产量已增长了30多倍为国民经济建设发挥了非常重要的作用。尽管如此我国的啤酒生产工业目前还存在许多不尽如人意的地方。由于啤酒生产的工艺复杂目前我国大多数啤酒生产企业技术装备落后自动化程度低产品质量不稳定。如何提高啤酒生产的综合自动化水平增强我国啤酒产业的综合实力和国际竞争力是一个刻不容缓的研究课题。啤酒生产过程的全自动化控制系统的成功开发和应用将对于用高新技术来提升啤酒产业整体技术水平起到示范和带动作用。本文首先介绍了啤酒生产过程基本的生产工艺并分析了啤酒生产过程全自动化控制系统中糖化控制、CIP清洗的特性以及具体的实施方案随后是对糖化车间设计及自动化硬件配置等的阐述并且有针对性地对计算机控制系统的基本设计原则进行说明。[关键词]啤酒糖化糖化工艺自动化控制糖化设备设计选型CAD流程图[Abstract]Thebeerproductionisalatecountry"straditionalindustry,Alongwithnationaleconomydevelopmentandimprovementoflivingconditions,Ourcountrybeerindustryalsoobtainstheunprecedenteddevelopment,Duringthenear20years,ourcountry"sbeeroutputgrew30multiple,hasplayedtheextremelyvitalroleforthenationaleconomyconstruction.Forallthis,ourcountry"sbeerproductionindustryalsohasmanynotentirelyasdesiredplacesatpresent.Becausethebeerproductioncraftisplex,atpresentOurcountryMajorityBeerProductionenterprisetechnicalequipisbackward,theautomaticityislow,theproductqualityisunstable.Howenhancesthebeerproductionthesynthesisautomationlevel,strengthensourcountrybeerindustrytheprehensivestrengthandtheinternationalpetitivepowerisaurgentresearchtopic.Thebeerproductionprocessentireautomationcontrolsystemsuccessdevelopsandapplies,regardingwillusethehightechnologyandnewtechnologytopromotethebeerindustryoveralltechnicalleveltoplaythedemonstrationandtheimpetusrole.Thisarticlefirstintroducedthebeerproductionprocessbasicproductioncraft,andanalyzedinthebeerproductionprocessentireautomationcontrolsystemtosaccharifythecontrol,theCIPcleancharacteristicaswellastheconcreteimplementationplan,afterwardswastothesaccharificationworkshopdesignandtheautomatedhardwaredispositionandsoontheelaboration,andhadpointedcarriesontheexplanationtotheputercontrolsystembasicdesignprinciple.[Keyword]BeersaccharificationSaccharificationcraftAutomatedcontrolSaccharificationequipmentdesignshapingCADflowchart第一章绪论引言啤酒的酿造过程是非常复杂的生化反应过程影响产品风格稳定因素很多（原料、工艺、操作等）一旦出现质量总是不能挽回损失巨大。在啤酒生产中糖化和发酵是两道关键工序除工艺的先进与否外其工艺指标控制的优劣对啤酒质量的稳定性、口感等指标起着决定性的作用。以前啤酒厂通常采用常规仪表进行检测依靠人工控制各种参数很难保证工艺的一致性这样会使啤酒质量不稳定波动性大而且粮耗、水耗、能耗较大出酒率低直接影响了啤酒的品质和生产成本。为适应现代生产的要求保证生产质量提高劳动生产率使企业的生产水平和竞争力更上一层楼利用先进的自控设备（如PLC、计算机等）对生产工序进行自动化控制则不失为一种很好的解决办法。背景简介我国是一个啤酒生产大国2000年我国的啤酒总产量为2231万吨（仅次于美国）共有400多个产生厂家（1998年为495家）但其中仅18家的产量达到20万吨以上（占总产量的1/3）其它绝大多数为中小型啤酒厂。经调研发现这些为数众多的中小型啤酒厂都普遍存在：①自控水平差技术含量低生产过程主要采用简单控制甚至人工控制为主表现在啤酒质量不稳定理化和感官质量都需要亟待提高；②产品档次低品种单一（90%以上都是低档产品）；③能耗和原料消耗大目前该指标的国内先进水平与国际先进水平存在较大差距。因此如何提高我国啤酒工业的综合实力提高产品的技术含量积极参与国际市场竞争也是一个刻不容缓的课题。客观地说这个问题是由管理水平、原料质量等多方面原因导致的但该领域的自动化水平和自控质量是其中最主要的因素之一。根据啤酒生产特点和要求通常把一个完整的生产工艺划分为糖化、发酵和灌装三大过程糖化过程包括粉碎、糖化、糊化、过滤、煮沸以及CIP等生产工序发酵过程包括麦汁充氧、酵母添加、酵母扩培和酵母回收、啤酒发酵、修饰、清酒、硅藻土过滤以及CIP、冷/热脱氧水的制备等工序［9］整个生产工艺的自动化关键在于实现生产工序中过程参数的自动控制以及各工序之间严格的联动控制。联动控制要求往往由实际的生产工艺决定其复杂性和严格性会因生产工艺的不同出现较大的差异目前以纯生啤酒生产工艺的联动控制要求最为复杂。过程参数主要包括PH值、温度、压力、流量、浊度等一些常见的物理量。主要内容全文将以啤酒生产过程计算机控制和综合自动化系统的操控为工程背景。第1章 简要回顾自动控制理论的发展过程总结工业生产过程的主要特征并简要介绍论文的背景和主要内容。第2章 介绍啤酒生产过程的工程背景着重分析糖化工艺流程、参数设置的自动化控制阐述啤酒生产过程的全自动化控制系统的硬件配置等内容并有针对性地对若干实际问题进行说明。第二章啤酒生产过程的全自动化控制本章主要内容•啤酒生产过程的工艺简介•控制方案的确定与实施•全自动化计算机控制系统的硬件结构2.1前言啤酒是世界公认的营养食品是长盛不衰的国际饮料。随着国家经济的发展和人民生活水平的改善我国啤酒工业也得到空前发展全国啤酒产量从1980年68.8万吨增至1999年2088.4万吨20年增长了30倍啤酒工业对国民经济建设也发挥了非常重要的作用。尽管如此我国的啤酒生产工业目前还存在许多不尽如人意的地方具体表现在以下几个方面：①绝大多数为中小型啤酒厂自控水平差技术含量低生产过程主要采用简单控制甚至人工控制为主这与高新技术飞速发展的今天极不相称；②表现在产品档次低品种少国产啤酒几乎90%都是中低档普通产品不能满足市场的需要；③能耗和原料消耗大如水耗、电耗、煤耗国际先进水平分别为5吨/吨130度/吨80公斤/吨而国内平均先进水平分别为10吨/吨160度/吨100公斤/吨不少厂家还远高于国内平均先进水平啤酒原料麦芽和啤酒总损失也远高于国外企业；④管理水平欠佳难以与国外企业进行竞争造成出口量连年下降。因此经济效益不高质量不稳定理化和感官质量有待进一步提高如何提高我国啤酒工业的综合实力提高生产过程的自动化水平提高产品的技术含量积极参与国际市场竞争成了一个刻不容缓的课题。当然致使我国的啤酒生产工业出现上述落后、被动状态有工艺水平、自动化水平等多方面的原因但是如何提高啤酒生产过程的自动化水平是改变上述落后面貌的一个极其重要的措施。运用先进的自动化技术进行操作和管理可以保证稳定、一致的产品质量可以实现产品多元化真正强化企业管理降低成本提高企业经济效益。相比于炼油、化工等工业生产过程来说啤酒生产过程没有易燃、易爆、有毒等生产特点但是研究和推广该领域的自动化及其应用技术同样会产生巨大的经济效益和社会效益。2.2啤酒生产自动化工艺啤酒酿造需要大麦、酒花、水和酵母四种基本原料在我国为降低麦汁制备的成本常常还采用大米、玉米、糖等辅料。一个完整的啤酒生产过程可划分为麦汁制备、发酵、啤酒处理、清酒、灌装等工序其他辅助工序还有C02回收、脱氧水制备、热水制备、CIP、冷冻、空气压缩等等。各工序的主要功能如下：① 麦汁制备：采用大麦、酒花、水及辅料进行麦汁制备；② 发酵过程：将制备好的麦汁进行发酵得到啤酒；③ 啤酒处理：对发酵成熟的啤酒进行过滤、修饰、高浓稀释等处理；④清酒：将过滤好的啤酒泵入清酒罐进行低温储存等待灌装；⑤灌装：将成品啤酒装瓶（罐）这是啤酒生产的最后一道工序；⑥ C02回收：将发酵过程中产生的CO2进行回收以备需要时进行添加和综合利用；CIP：CIP意为原位清洗（CleaningInPlace）又称为现场清洗系统用来对整个糖化、发酵过程的所有设备和管道进行清洗以保证整个啤酒生产过程的清洁无菌；脱氧水制备：除去生产用水中的溶解氧得到无氧（或溶解氧很低）、无菌的生产用水；⑨ 冷冻：为整个啤酒厂提供物料、中间产品、环境、设备冷却降温及辅料储存所需的冷媒；⑩ 空气压缩：为整个啤酒厂提供物料输送、设备驱动所需的气源。其生产主流程为：在糖化车间制备好的麦汁经冷却、添加酵母后进入发酵罐进行发酵发酵成熟的啤酒经过滤、修饰液添加、高浓稀释等处理环节后去掉酒头酒尾进入清酒罐等待灌装。本文主要介绍糖化工艺。清酒啤酒糖化生产过程麦汁麦汁充氧 原料：大米、麦芽、酒花等酵母添加发酵生产过程过滤修饰 清酒罐 灌装系统成品CIP脱氧水CO2 冷冻系统压缩空气图2.1啤酒生产流程示意图无菌空气2.2.1糖化工艺过程整个糖化生产过程就是一个麦汁制备过程（包括麦汁处理）其主要目的是将原料中的非水溶性组分转化成水溶性组分特别是可发酵性糖此为麦汁发酵生成啤酒的前提条件。啤酒糖化生产过程是啤酒生产的第一个关键性环节对整个啤酒生产的产量、质量、消耗等影响很大。糖化过程工艺指标控制的好坏对啤酒的稳定性、口感、外观会起到决定性的影响整个糖化过程主要包括原料粉碎、糊化、糖化、过滤、煮沸、沉淀、冷却等生产工序。（1）粉碎粉碎是一个对麦芽和大米进行机械破碎的过程粉碎设备主要由料仓、提升机、粉碎机等单元设备组成。粉碎方式主要有干法粉碎、湿法粉碎、回潮粉碎、锤式粉碎四种。干法粉碎是将储存的麦芽、大米等干粉碎物直接进入粉碎机进行粉碎；湿法粉碎是将麦芽、大米等浸泡15〜20分钟后再进入粉碎机进行粉碎；回潮粉碎是介于干法粉碎与湿法粉碎之间一种改良粉碎法麦芽等待粉碎物在进入粉碎机以前以50°C的蒸气或水雾喷湿使皮壳吸水后立即进入粉碎机进行粉碎；锤式粉碎与新式的压滤机对应使用对麦芽等待粉碎物进行细粉碎适用于不利用麦皮作为过滤介质的压滤机。不同的粉碎方式、不同的啤酒厂其粉碎工艺各有不同以典型的浸湿回潮粉碎过程为例其操作流程可以简单归纳为：由储仓运来的麦芽、大米等物料首先进入分离筛除去大块的脏物；对干粉碎物进行喷淋浸湿（喷淋水称为浸渍水）；将麦芽、大米分别进入粉碎机进行粉碎同时用调浆水再度淋湿形成麦芽浆、大米浆；用泵自锅底将麦芽浆、大米浆分别送入糖化锅及糊化锅。在粉碎系统中除了实现料仓控制、粉碎机控制、原料计量等一般测控要求以外主要还包括浸渍水和调浆水的流量、温度以及PH值控制。（2）糊化和糖化由于酒精是啤酒中的一个重要组分它是由糖发酵而来的而糊化和糖化就可以简单地理解为淀粉转化为糖类的分解过程。糊化——在热水溶液中水分子大量进入淀粉分子中淀粉颗粒膨胀、破裂形成黏性的溶液在这一膨胀过程中没有发生物质的分解。糖化——通过淀粉酶的作用把已液化的淀粉分解成麦芽糖和糊精。在糖化过程中主要产生下列可被啤酒酵母发酵和不可发酵的淀粉分解产物：（a）糊精：不可发酵；（b）麦芽三糖：能被所有高发酵度酵母发酵。只有当麦芽糖发酵完后酵母才能分解它（在后酵储存时分解所以称为后发酵性糖）；（c）麦芽糖及其他双糖：能被酵母又快又好的发酵称为主发酵性糖；（d）葡萄糖：最先被酵母发酵称为起发酵性糖。为保证啤酒质量淀粉必须彻底分解成糖及糊精这个过程也是麦汁制备中最重要的过程。由于浸出物的主要数量只能在糖化中通过酶的作用产生为了使该过程能够尽最大可能形成多的、质量好的浸出物酶必须工作在最佳温度及PH值范围内使其充分发挥作用。麦汁中的各种糖分和糊精共同影响着啤酒的质量因此在糖化时必须注意影响淀粉分解的各种因素这些主要因素有：（a）糖化过程中的温度：62〜631的糖化温度可以得到最大量的麦芽糖和最高的最终发酵度不同的时间段糖化温度各有不同,各阶段的休止温度——501蛋白休止、62〜651麦芽糖形成休止、70〜751糖化休止、781并醪（将原料不同或温度不同的醪液混合）糖化休止；（b）糖化时间：随着时间的—浸出物溶液的浓度、麦芽糖的含量、最终发酵度也在不断的提高但提高过程也将越来越慢；（c）醪液的PH值：醪液的PH值在5.5~5.6时可提高浸出物的浓度形成较多的可发酵性糖；（d）醪液浓度：在稀醪中更多的浸出物可以溶出但浓醪可以更好的保护酶。糖化方法有两大类：煮出糖化法和浸出糖化法。前者首先在糊化锅中把大米浆按温度曲线进行糊化再通过醪泵和糖化锅中的麦芽浆混合并且开始升温糖化然后将混合醪液的一部分分到糊化锅加热到沸点再与其余醪液混合最后达到糖化终了温度；后者是纯粹利用酶的分解作用进行糖化的方法和煮出法比较没有分醪煮沸的步骤。°C100908070605040300306090120150180210240分约1C/分升温大米醪液麦芽醪液煮沸煮沸煮沸醪液剩余醪液约63C图2.2添加大米糖化工艺示范为使生产出的啤酒达到期望值在糖化中需要注意以下几个要点：（a）温度控制（滞后时间约为lmin）；（b）合理搅拌：进行搅拌可以使麦芽和水充分混合足进酶反应完全但搅拌应分阶段进行并避免高述搅拌；（c）醪液的PH值；（d）避免醪液吸氧；（e）糊化锅防溢锅控制等等。其中糊化与糖化的温度控制是关键。一方面这是一个生化反应过程温度对麦汁产量和质量的影响都非常大各种分解酶都需要在各自特定的温度下才能发挥其最佳作用；另一方面这也是一个能耗很大的过程如何在自动运行过程中尽可能降低能耗也是衡量整体系统质量的一个关键。（3）过滤糖化过程结束后的醪液中含有水溶性物质和非水溶性物质。浸出物的水溶液叫“麦汁”非水溶性物质叫“麦糟”麦糟中主要含有麦皮、叶芽和其他物质这些物质不溶于水中。啤酒生产仅把麦汁作为原料送到发酵环节进行生产发酵为达到此目的就必须尽最大可能完全使麦汁与麦糟分离该分离过程就叫做“过滤”。麦汁过滤有过滤槽过滤及过滤机过滤两种方式：采用过滤槽方式过滤时麦糟起着过滤介质的作用；采用过滤机方式时麦糟则不作为过滤介质。目前我国的多数生产厂家采用过滤槽的过滤方式整个过滤过程分为以下几个步骤：顶热水、泵入醪液、静置、混浊麦汁回流、头道麦汁过滤、洗糟和洗糟麦汁过滤、排糟等等。（4）煮沸麦汁煮沸是一项复杂的物理化学过