啤酒发酵车间毕业设计

摘要啤酒是低酒精度的酒类饮品，生产啤酒的原料有大麦、酿造用水、酒花、酵母以及淀粉质辅助原料（玉米、大米、大麦、小麦等）和糖类辅助原料等，原料经过酵母的发酵酿制即可得啤酒。本文主要介绍啤酒原料的选择，包括麦芽、酒花、酵母等，发酵工艺的选择以及啤酒工厂涉及到的物料衡算，水汽量估算等等。在设计中采用锥型罐发酵法进行发酵，生产所需的11°淡色啤酒。通过一系列的选择与估算对啤酒工厂进行设计，最终得到一个符合实际的经济合理的啤酒工厂。关键词：啤酒发酵工艺物料衡算锥型罐发酵法Abstractbeerisalowalcoholalcoholicdrinks，beerproductionofrawmaterialshavebarley、brewingwater,hops,yeastandauxiliarymaterialsofStarch（corn,rice,barley,wheat,etc.）andauxiliarymaterialsofcarbohydrate,etc.Materialscanbeobtainedbeerthroughyeastfermentationbrewed.Thispaperdescribesthebeerrawmaterialsofselection,Includingmalt,hops,yeast,etc,selectthefermentationprocessandBeerFactoryrelatestomaterialbalance,watervaporestimation,etc.Inthedesignweuseconicaltanksfermentationmethodforfermented,producetherequired11°ale.Throughaseriesofselectionandestimationtobeerfactorydesign,finallygetarealisticandreasonablebeerfactory.Keywords:beerfermentationprocessmaterialbalanceconicaltanksfermentation目录TOC\o"1-4"\h\z\u前言 1第一章综述 21.1淡色啤酒简介 21.2选题设计目的及意义 21.3设计依据 21.4设计范围 2第二章原料选择及工艺论证 32.1啤酒原料 32.1.1麦芽 32.1.2大米 32.1.3酒花 32.1.4酵母 32.1.5酿造用水 32.2啤酒发酵 42.2.1啤酒酵母 42.2.2啤酒发酵方法的选择 52.2.3啤酒发酵工艺 6第三章工艺计算 83.1物料衡算 83.1.1物料衡算基础数[8] 83.1.2100㎏原料生产10°P啤酒的物料衡算 83.1.3生产100L10°P啤酒的物料衡算 93.1.4年产10kt11°P啤酒发酵物料衡算 113.2耗冷量估算 143.2.1发酵车间工艺流程 143.2.2工艺技术指标及基础数据 143.2.3工艺耗冷量 143.2.3.1.麦汁冷却耗冷量 153.2.3.2发酵耗冷量 153.2.3.3酵母洗涤用冷无菌水冷却耗冷量 163.2.3.4酵母培养耗冷量 173.2.3.5发酵车间工艺耗冷量 173.2.4非工艺耗冷量 173.2.4.1露天锥形罐冷量损失 173.2.4.2清酒罐，过滤机及管道等散失冷量 183.2.4.3 183.2.5总耗冷量 183.3耗水量计算 203.3.1糖化用水 203.3.2洗糟用水量 203.3.3糖化室洗刷用水 203.3.4沉淀槽洗刷用水 203.3.5麦汁冷却器冷却用水 203.3.6麦芽汁冷却器清洗用水 203.3.7酵母洗涤用水 203.3.8CIP装置洗涤用水 203.3.9硅藻土过滤机洗刷用水 213.3.10清酒罐洗刷用水 213.3.11洗瓶机用水 213.3.12瓶装机洗刷用水 213.3.13杀菌机用水 213.3.14包装车间地面洗刷用水 213.3.15发酵罐洗刷用水 213.3.16其他用水 21第四章设备选型及计算 224.1发酵罐的设计与选型 224.1.1发酵罐体积的确定 224.1.2发酵罐个数的确定 224.1.3发酵罐的材料选择 224.1.4发酵罐及封头确定 224.1.5接管设计 234.1.6发酵罐冷却器的选取 254.1.7CO2排出管及CIP清洗管 284.2贮酒罐的设计与选型 294.3清酒罐的设计与选型 304.4酵母扩大培养罐 304.5过滤设备 314.6泵的选取 314.6.1离心泵 314.6.2齿轮泵 324.7CIP清洗设备 334.8设备一览表 334.9人员配备 33第五章车间布置设计 34总结 34谢辞 35参考文献 36前言啤酒是人类最古老的酒精饮料，是水和茶之后世界上消耗量排名第三的饮料。啤酒以麦芽、酒花、水为主要原料，经酵母发酵作用酿制而成的饱含二氧化碳的低酒精度酒。啤酒含有丰富的营养物质，因此有“液体面包”之称。啤酒是在十九世纪末传入中国的，在当时发展较为缓慢，直到建国以后，我国的啤酒工业发展较迅速，并逐步摆脱了原料依赖进口的落后状态。我国的啤酒于1954年开始进入国际市场。啤酒酿造主要经过糖化、发酵和贮酒后熟三个阶段，其中发酵是啤酒酿造的精髓。传统的啤酒发酵主要在正方形或长方形的发酵池中进行，发酵体积有限并且发酵周期长，随着经济的迅猛发展，人们对啤酒的需求量增加，啤酒生产的规模逐步扩大，依靠传统发酵啤酒已经满足不了人们的需求，应运而生的是啤酒的新型发酵即大容量发酵罐发酵，其中包括圆柱锥形发酵罐、朝日罐、通用罐和球形罐。圆柱锥形发酵罐是目前世界通用的发酵罐，该罐主体呈圆柱形，罐顶为圆弧状，底部为圆锥形，具有一定的高度（高度大于直径），罐体设有冷却和保温装置，为全封闭发酵罐。圆柱锥形发酵罐既适用于下面发酵，也适用于上面发酵，加工十分方便。锥型罐发酵法发酵啤酒有很多的优点，采用仪表和电脑控制，操作简捷、理方便并采用CIP自动清洗装置，清洗方便，目前国内啤酒行业几乎全部采用锥形罐发酵法发酵啤酒。锥型罐发酵工艺包括贮酒式、后处理式和后调整式。贮酒式即对于两罐的要求不同，所以在现代的酿造工业中意义不大。后处理式的即一个罐进行发酵，另一个罐为后熟处理。对发酵罐而言，将可发酵性成分一次完成，基本不保留可发酵性成分，发酵产生的CO2全部回收并贮存备用，然后转入后处理罐进行后熟处理。其过程为将发酵结束的发酵液经离心分离，去除酵母和冷凝固物，再经薄板换热器冷却到贮酒温度，进行1-2天低温贮存后开始过滤。后调整式即前一个发酵罐类似一罐法进行发酵、贮酒，完成可发酵性成分的发酵、回收酵母、进行CO2洗涤，经适当的低温贮存后，在后调整罐内对色泽、稳定性、CO2含量等指标进行调整，再经适当稳定后即可开始过滤操作[1]。第一章综述1.1淡色啤酒简介淡色啤酒的色度在5-14EBC单位，如高浓度淡色啤酒，是原麦汁浓度13%以上的啤酒；中等浓度淡色啤酒，原麦汁浓度10-13%的啤酒；低浓度淡色啤酒是原麦汁浓度10%以下的啤酒；干啤酒（高发酵度啤酒），实际发酵度在72%以上的淡色啤酒；低醇啤酒，酒精含量2%以下的啤酒。1.2选题设计目的及意义本课题是根据食品科学与工程专业的培养方向，结合毕业实习的情况选择。啤酒是食品工程专业中一个具有代表性的产品，其生产工艺过程涉及制麦、糖化、发酵、罐装等过程，包含了一些重要的单元操作和工程概念，通过对啤酒车间的工艺设计，进一步巩固加深并应用所学，通过对啤酒车间的工艺设计，可以加强对我们所学知识的综合利用能力的培养，提高理论联系实际的能力。1.3设计依据本设计是根据学校下达的内蒙古工业大学本课设计任务书要求来完成的。1.4设计范围本设计为10kt/a11°啤酒发酵车间工艺设计。设计包括文字部分和图纸部分。本设计文字部分主要包括工艺方法及流程的选择和论证、物料衡算、耗冷量估算、耗水量估算、设备选型。绘制图纸部分包括物料流程图、PID管道流程图、车间设备平面布置图。第二章原料选择及工艺论证2.1啤酒原料2.1.1麦芽采用淡黄色而有光泽的麦芽，麦芽外观短胖，除根干净，不含杂草、杂谷、尘埃、半粒、霉粒、损伤残粒和未发芽颗粒等杂质。麦芽香味应纯净，具有麦芽香，不应有霉味、潮湿味、酸味、烟熏味等[2]。2.1.2大米我国生产大米，所以大米一直是我国啤酒酿造广泛采用的一种辅助原料。原则上凡大米不论品种均可用于酿造，但从啤酒风味而言，米的食感越好，酿造的啤酒风味也越好。大米淀粉含量可达75%-82%，无水浸出率高达90%-93%，无花色苷，含脂肪低（0.2%-1.0%），并含有较多泡持蛋白，用它做辅料酿造啤酒，啤酒的色泽浅、口味爽净、泡沫细腻、酒花香味突出、非生物稳定性高，它是优良的啤酒辅料[3]。2.1.3酒花酒花的主要作用是能够赋予啤酒爽口的苦味和酒花香味，能够促进麦汁和啤酒的澄清、有利于啤酒的泡沫、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。2.1.4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。2.1.5酿造用水啤酒的酿造用水主要包括糖化用水和洗糟用水，由于这两部水直接参与了啤酒的工艺反应，是麦汁和啤酒的组成成分，啤酒酿造用水的性质，重要取决于水中溶解盐类的种类和含量。酿造用水要求无色透明、无悬浮物、无沉淀物，将水加热到20-50℃时，用口长有清爽的感觉，无异味、无异臭，如有咸味、苦味、涩味则不能采用，总溶解盐类在150-200mg/L，PH值在6.8-7.2之间，有机物含量在3mg/L以下，总硬度在8°dH以下，水中含铁量在0.3mg/L以下，铵盐类不得超过0.05mg/L，硝酸盐不得超过5mg/L，亚硝酸亚不得超过0.05mg/L，氯化物含量在20-60mg/L为宜，硅酸盐要求在30mg/L以下，水中的细菌总数和大肠杆菌数要符合生活饮用水标准[4]。2.2啤酒发酵2.2.1啤酒酵母1.啤酒酵母的介绍啤酒酵母在分类学上属于真菌，为子囊菌亚门、酵母属[5]。啤酒酵母又称酿造酵母，细胞多为圆形、卵圆形或卵形。能发酵葡萄糖、麦芽糖、半乳糖、蔗糖和1/3棉籽糖，不能发酵乳糖和蜜二糖，不同化硝酸盐。2.啤酒酵母的种类[6]根据发酵结束后酵母细胞在发酵液中存在的状态可分为上面酵母和下面酵母。上面酵母和下面酵母有很大的区别，上面酵母呈圆形，发酵过程中酵母容易吗、凝聚在一起，的最适发酵温度为20-25℃发酵时间为5-7天，可发酵1/3棉籽糖，不能发酵蜜二糖，发酵度较高。下面酵母呈圆形或卵圆形，一般不形成子囊孢子，最适发酵温度为6-10℃，发酵时间为8-14天，发酵度较低，可发酵全部棉籽糖。2.啤酒酵母的扩大培养啤酒酵母纯正与否，对啤酒发酵和啤酒质量的影响很大。啤酒工厂生产使用的酵母由保存的纯种酵母，经过扩大培养，达到一定数量后，供生产现场使用。每个啤酒厂都应保存适合本厂使用的纯种酵母，以保证生产的啤酒具有稳定的风格和特性。酵母扩大培养分两个阶段：由斜面试管到卡氏罐培养为实验室扩大培养阶段，汉生罐以后为生产现场扩大培养阶段。啤酒酵母扩大培养的顺序如下：斜面试管（原菌种）→液体试管培养（2-3天、25-27℃）→巴氏瓶或三角瓶培养（2天、25-27℃）→卡氏罐培养（2天、25-27℃）→酵母扩大培养罐→发酵罐[7]。3.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7～90.3～0.410～120.4～0.613～150.5～0.716～200.6～1.04．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。本设计设计淡色啤酒，采用的是下面发酵技术，故选用下面酵母。2.2.2啤酒发酵方法的选择啤酒发酵的主要方法有以下几种：传统发酵：连续发酵法、分批式发酵法、上面发酵法、下面发酵法。锥形罐发酵：一罐发酵法、两罐法发酵。本设计选用的是两罐式下面发酵法。以下就对这几种发酵方法进行分析和比较。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.上面发酵啤酒发酵一开始是以上面发酵为开始的，而后由于选用的纯粹培养酵母不同，划分为上面发酵与下面发酵两种类型。上面发酵在技术操作和发酵设备方面与下面发酵有所不同，但两者的发酵机理是一致的。上面发酵工艺的特点a．上面发酵采用上面酵母，是在15～20℃下进行的。酵母起发快，接种量可以相对较少，发酵结束后，大部分酵母浮在液面，所以酵母回收工作比下面发酵复杂，但酵母使用代数比下面发酵为多，长久没有衰退现象。b．上面发酵的麦汁接种温度为13～16℃，比较高。发酵2～3天，当酵母升至液面时，为发酵旺盛阶段，此时应开始降低液温，在酵母形成泡沫盖时应立即回收，发酵4-6天结束。c.发酵结束后，酵母紧密的结合，一浮在液面上，厚度为3-4cm。d.上面发酵在发酵过程中通风时间长。e.上面发酵一般不采用后发酵，主发酵的发酵度接近最终发酵度。分离酵母后，加胶处理，贮藏澄清一阶段，采用人工充二氧化碳，使其达到饱和。f．上面发酵酿制的啤酒成熟快，设备周转快，啤酒有独特的风味，但保存期短。3.下面发酵传统的下面发酵，室温保持5～6℃；采用开放式或密闭式、圆形或方形的主发酵容器。后发酵则设置在单独的贮酒室内，贮酒室温应保持在O～l℃。下面发酵的工艺特点是：a．采用下面酵母，主发酵温度较低，发酵比较缓慢，发酵产生的副产物相较少。主发酵完毕后，大部分酵母沉降在发酵罐底部。b.下面发酵啤酒的后发酵和贮酒期比较长，酒液澄清良好。二氧化碳饱和稳定，酒的泡沫细微，风味柔和，保存期较长。从啤酒的保存与实际结合进行考虑，本设计选用下面酵母发酵。4.一罐法发酵一罐法发酵即发酵贮酒在一个罐中进行。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。一罐法工艺有一定的优点：清洗消耗少；转入空罐时CO2损失少；酒损少；所需的工作时间少；节能等。一罐法发酵工艺简单,便于操作,能够节省投资,但由于麦汁整个发酵过程都在同一个发酵罐中进行,使得冷凝物的排放及酵母沉淀效果不十分理想。由于露天发酵罐一般直径较大,若酒液缺少对流,就会使其温度分布不均匀,罐中心酒液温度与罐壁处酒液温度需长时间才能达到平衡,从而影响啤酒风味。同时,一罐法发酵工艺发酵周期较长,生产旺季难以满足市场需求。故本设计采用两罐法。最终本设计所选的发酵方法为两罐法下面发酵法2.2.3啤酒发酵工艺传统的下面发酵法，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。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。经过前发酵（酵母增殖），主发酵，后发酵和贮酒等阶段。一般为前酵期（5～8℃），主酵期（7.5～9℃），后酵和贮酒期（0～-2℃）。1.圆筒体锥底发酵罐发酵及其工艺:（1）锥形罐发酵法特点：a.排放酵母方便，要求采用凝聚性酵母。b.易于发酵温度的控制。生产易控制，发酵周期缩短，不易染菌，啤酒质量稳定。c.罐体外设有保温装置，可将罐体置于室外，经济节约,便于扩建。d.采用密闭罐，便于CO2洗涤与CO2回收。e.由于存在对流，使酵母发酵能力提高，发酵速度快，发酵周期短。f.发酵罐可采用仪表或微机控制，操作、管理方便。g.适用于下面发酵，同时也适用于上面发酵。h.可采用CIP自动清洗装置，清洗方便。i．设备容量可根据生产需要灵活调整在本设计中选用的是圆筒锥底发酵罐，详尽介绍如下：(2)圆筒体锥底发酵罐发酵工艺：采用直接进罐法。为了缩短起酵时间，大多采用较高接种量，0.6%～0.8%，接种后细胞浓度为（15±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℃。本设计是11°P的淡色啤酒，采用低温发酵6-9°C。在大罐发酵中，后发酵一般称VDK还原阶段。双乙酰还原初期一般不排放酵母，也就是发酵全部酵母参与双乙酰还原，这可缩短还原时间。(3)酵母接种量和添加方法1．酵母接种量：本设计分批发酵采用低温，缓慢发酵，因此接种量比较小，接种后细胞浓度控制在（5-12）×个/ml。2.酵母添加方法：a.干道和湿道添加法；b.倍量添加法；c.分割法；d.递加法。本设计采用干道法添加酵母：在酵母添加器中加入每批麦汁所需的酵母，再加上二倍量的冷麦汁，用无菌压缩空气充分混合，压到前酵池中，再用无菌空气搅拌均匀即可。(4)发酵设备的降温控制本设计采用的发酵设备为应用极为广泛的露天锥形发酵罐，酵母在发酵过程中会产生热量，为使发酵和后熟在设计的工艺温度下进行，必须进行冷却。常用的冷却方式有两种：间接冷却法和直接冷却法，由于直接冷却的冷却介质是液氨，存在很多危险因素与不足，同时对于发酵罐的要求很高，故本设计采用间接冷却方式。间接冷却方式其冷溶剂是乙二醇与水的混合溶液，它在氨制冷的蒸发器箱中进行冷却，温度一般控制在-5℃左右，它主要用于麦汁冷却和发酵罐的降温，一般情况下，发酵罐冷却系统有两种介质循环，即液氨吸热蒸发制冷循环系统和冷却发酵罐酒液的酒精水循环系统。第三章工艺计算3.1物料衡算3.1.1物料衡算基础数[8]根据表4-1的基础数据，先进行100kg原料生产11°淡色啤酒的物料衡算，然后进行100L11°淡色啤酒的物料衡算，最后进行8kt/a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98.5麦芽水分5.0大米水分12无水麦芽浸出率75无水大米浸出率93原料配比麦芽70大米30损失率冷却损失5.0发酵损失2.0对热麦汁而言过滤损失2.0灌装损失2.0总损失率啤酒总损失率10.6对热麦汁而言3.1.2100㎏原料生产10°P啤酒的物料衡算1.热麦汁量根据表2-1可得原料收得率分别为：原料麦芽浸出物收得率为：原料大米浸出物收得率为：混合原料浸出物收得率为：由上述可得100kg混合原料生产11°淡色啤酒热麦汁量为：查《啤酒工业手册》得11°啤酒麦汁在20°C的密度为1.0442kg/L。而100°C热麦汁比20°C时的麦汁体积增加1.04倍。故热麦汁（100°C）体积为：2.冷麦汁量为：3.发酵液量为：4.过滤酒量为：5.成品啤酒量：3.1.3生产100L10°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11°淡色啤酒约593.5017L，那么生产100L11°淡色啤酒可得到1.混合原料用量：2.麦芽耗用量：3.大米耗用量：4.酒花耗用量：对浅色啤酒，100L热麦汁中加入的酒花量为0.17-0.34kg，取0.3kg，故酒花耗用量为：同理，100kg原料耗酒花：5.热麦汁量：6.冷麦汁量：7.发酵液量：8.滤过酒量:9.成品酒量：10.湿糖化糟量：设排出的湿麦糟含水分80%湿麦芽糟量：湿大米糟量：故湿糖化糟量：同理，100kg原料产生湿糖化糟：11.酒花糟量：设酒花在麦汁中的浸出率为40%，酒花糟含水分以80%，则酒花糟量为：同理，100kg原料产生湿酒花糟：12.商品干酵母量生产100L啤酒可得2kg湿酵母泥，其中一半作生产接种用，一半作商品干酵母用，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：13.二氧化碳量：因11°P冷麦汁密度为1.0442kg/L，则106.2483L冷麦汁质量为：那么，11°P冷麦汁中浸出物量：设麦汁的真正发酵度为60%，则可发酵的浸出物量：麦芽糖发酵的化学反应式为：C12H22O11+H2O→2C6H12O62C6H2O6→4C2H5OH+4CO2+56KJ设麦芽汁中的浸出物均为麦芽糖构成，则CO2生成量：式中44—CO2分子量342—麦芽糖（C12H22O11）分子量设11°P啤酒含CO2量在0.35%-0.6%之间，取0.4%，则啤酒中其含量有：则释放出的CO2量：而1m3CO2在20°C常压下重1.832kg故释放出的CO2的体积为：3.1.4年产10kt11°P啤酒发酵物料衡算生产旺季以160天，每天糖化5次，淡季120，每天糖化3次，总糖化次数：次每天每次糖化量：10-15°淡色啤酒密度为1.012，那么1.啤酒灌装后体积：2.过滤酒量：3.发酵酒量：4.冷麦汁量：5.热麦汁量：6.麦芽用量：7.大米用量：8.混合原料用量：9.湿酒花量：10.湿酒花糟量：11.湿糖化糟量：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：2.全年麦芽耗用量：3.全年大米耗用量：4.全年酒花耗量：5.全年湿酒花糟量：6.全年湿糖化糟量：7.全年热麦汁量：8.全年冷麦汁量：9.全年发酵液量：10.全年过滤酒量：11.全年成品啤酒量：把前述的有关啤酒物料衡算计算结果整理见下表3-2：表3-28kt/a啤酒厂糖化车间物料衡算表物料名称单位对100㎏混合原料对100L11°P啤酒糖化一次定额8kt/年啤酒生产混合原料麦芽大米酒花湿糖化糟湿酒花糟热麦汁冷麦汁发酵液过滤酒成品啤酒㎏㎏㎏㎏㎏㎏LLLLL10070301.991292.36495.9736663.7739630.5852617.9735605.6140593.501716.849211.79445.05470.335515.56271.0065111.8042106.2483104.1223102.04081001435.34131004.7389430.602428.58051325.751585.74159527.42069051.04958870.02858692.62758518.77471.665×1061.1655×1064.995×1053.3153×1041.5379×1069.946×1041.1052×1071.0499×1071.0289×1071.0083×1079.8818×106备注：11°P啤酒的密度为1012kg/m3，实际年生产啤酒：10000.381t3.2耗冷量估算3.2.1发酵车间工艺流程96℃热麦汁→冷麦汁（6℃）→锥形罐发酵→过冷却-1℃→贮酒→过滤→清酒罐3.2.2工艺技术指标及基础数据年产11°淡色啤酒10kt吨旺季每天糖化5次，160天，淡季糖化3次，120天，全年共糖化1160次主发酵时间6天5锅麦汁装一个发酵罐1度麦汁比热容c1=3.8498[kJ/(kg.K)]冷媒用15%酒精稀溶液，比热容可视为c2=4.18[kJ/(kg.K)]麦芽糖厌氧发酵热q=613.6kJ/kg麦汁发酵度为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。3.2.3工艺耗冷量3.2.3.1.麦汁冷却耗冷量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1℃的冰冻水，出口温度为86℃，糖化车间送来的热麦汁温度为96℃，冷却至发酵起始温度6℃。根据表4-2可知，每糖化一次可得麦汁9527.4206L,而热麦汁的密度为：，故麦汁的质量为：又知11°麦汁的比热容为3.8498kJ/(kg.K),工艺要求在1h之内完成冷却过程，则耗冷量为：式中t1、t2分别为麦汁冷却前后温度94°C和6°Cτ为冷却操作过程时间1h根据设计结果，每个锥形发酵罐装5锅麦汁，则麦汁冷却每罐耗冷量为：相应的冷却介质（1°C的冰水）耗量为：式中t2、t1分别为冷冻水的初温86℃和终温1℃为水的比热容，4.18kJ/(kg.K)3.2.3.2发酵耗冷量1.发酵期间发酵放热假定麦汁固形物为麦芽糖，而麦芽糖的厌氧发酵热发酵量为q=613.6kJ/kg，设发酵度为60%，则1L麦汁放热量为：根据表4-2可知，糖化一次得冷麦汁量9501.0495L每锥形罐发酵放热量：由于工艺规定主发酵时间为6天，每天糖化4锅麦汁，并考虑到放热的不平衡取系数1.5,忽略主发酵的麦汁升温，则发酵高峰的耗冷量为：2.发酵后期发酵液降温耗冷量主发酵后期，发酵液温度从6℃缓降到-1℃。每天每罐降温耗冷量为：工艺要求此过程在2天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装1个发酵罐）：3.发酵总耗冷量=+4.每罐发酵耗冷量5.发酵用冷媒耗量（循环量）发酵过程冷却用稀酒精做冷却介质，进出口温度为-9°C和0°C，固冷媒耗量为：3.2.3.3酵母洗涤用冷无菌水冷却耗冷量在锥形罐啤酒发酵过程中，主发酵结束时要排放部分酵母经洗涤活化后重复用于新麦汁的发酵一搬可重复使用5-7次，设湿酵母量为麦汁量的1.0%，且使用1℃无菌水洗涤，洗涤无菌水量为酵母的3倍，冷却前无菌水温度为30℃，用-8℃的酒精液做冷却介质。由上面条件可得无菌水的用量为：式中：9949.6271为糖化一次冷麦汁量（kg）每班无菌水用量:假定无菌水冷却操作2h内完成，则无菌水冷却耗冷量为：式中、为无菌水热交换前后的温度30℃和1℃所耗冷冻介质量为：式中、为冷冻酒精液热交换前后的温度0℃和-8℃。每罐用于酵母洗涤的耗冷量为：式中1为每班装罐1罐。3.2.3.4酵母培养耗冷量根据工艺设计，每月需进行一次酵母纯培养，培养时间为12d,即288h，根据工厂实践，年产8kt吨啤酒工厂酵母培养耗冷量为：=11147（kJ/h）对应的年耗冷量为：相应的高峰冷冻介质循环量为：=/[(-)]=11147/(4.18×9)=296.3052（kJ/h）3.2.3.5发酵车间工艺耗冷量3.2.4非工艺耗冷量除了上述发酵过程工艺好冷外，发酵罐外壁，运转机械，维护结构及管道等均会耗用或散失冷量，构成所谓的非工艺好冷量，现在分别介绍。3.2.4.1露天锥形罐冷量损失根据经验，年产8kt啤酒厂露天锥形发酵罐冷量损失在13000-30000kJ/t啤酒之间，本设计取15000若在南亚热带地区，可取高值，固旺季每天耗冷量为：式中Gb为旺季成品啤酒日产量，t。若白天日晒高峰耗冷量为平均每小时耗冷量的2倍，则高峰耗冷量为：冷媒（-9℃稀酒精）用量：3.2.4.2清酒罐，过滤机及管道等散失冷量因涉及的设备、管路很多，故啤酒厂设计时根据实验经验选取。通常取=12%,所以冷媒（-9℃）稀酒精用量：3.2.4.33.2.5总耗冷量每小时总耗冷量：将上述结果，整理后可得年产7万吨啤酒厂发酵车间冷量衡算表，如下：表4-38kt/a啤酒厂发酵车间耗冷量衡算表耗冷项目工艺耗冷量3446327.259699.767151785.29053172967.291376.536230143.256260286.5123801.256111147296.30523539402.812173.864653881.411432.2544424728.33611289.9611478609.746合计4018012.5524896.0801附注：表中的冷媒包括冷却水与稀酒精3.3耗水量计算3.3.1糖化用水100kg混合原料大约需水400kg，则糖化过程中大约耗水量为：1435.3413×4=5741.3652（kg） 糖化时间设为0.5h，则每小时最大耗水量为:5741.3652÷0.5=11482.7304（kg/h）3.3.2洗糟用水量每100kg混合原料洗糟水用量为450kg，则洗糟水用量为：1435.3413×4.5=6459.0359（kg）洗糟时间定为1.5h，则洗糟水最大用量为：6459.0359÷1.5=4330.0239（kg/h）3.3.3糖化室洗刷用水糖化室及设备洗刷用水单次定为10吨，清洗时间为2小时，则：洗刷最大用水量为：10/2=5(t/h)3.3.4沉淀槽洗刷用水每次洗刷用水3.5t冲洗时间为0.5h，则每小时最大用水量为：3.5÷0.5=7（t/h）3.3.5麦汁冷却器冷却用水麦汁冷却时间定为1小时，麦汁冷却温度为96°C降至6°C，冷却水温度为1°C升至86°C即上面所述的M1，则冷却用水G=M1=9699.7671（kg）3.3.6麦芽汁冷却器清洗用水设一次冲洗用水3t，清洗时间0.5小时，则：最大用水量：3/0.5=6(t/h)3.3.7酵母洗涤用水由好冷计算可知，每小时洗涤酵母的最大用水量为641.0236kg3.3.8CIP装置洗涤用水设配洗液一次用水6t，用水时间为1小时，则：最大用水量为：6/1=6(t/h)3.3.9硅藻土过滤机洗刷用水设硅藻土过滤机洗刷用水为10t，用水时间1小时，最大用水量为10(t/h)。3.3.10清酒罐洗刷用水每天洗刷清酒罐3个，用水量10t，用水时间1小时，则最大用水量为10(t/h)。3.3.11洗瓶机用水洗瓶机最大生产能力按2000瓶/h计，单瓶清洗用量1.0kg，则总用水量为：2000×1.0/1000=2(t/h)。3.3.12瓶装机洗刷用水每冲洗一次用水5t，冲洗时间为40分钟，则最大耗水量为：5×60/40=7.5(t/h)3.3.13杀菌机用水杀菌机单瓶耗水量1kg，总耗水量为：2000×1/1000=2(t/h)。3.3.14包装车间地面洗刷用水包装车间地面洗刷用水为15t，用水时间为0.5h，则最大用水量为:15/0.5=30(t/h)3.3.15发酵罐洗刷用水一个发酵罐用水为2t，每罐洗涤时间0.5h.则最大用水量为：2/0.5=4(t/h)3.3.16其他用水以上未计算的地面用水，管道冲洗用水，每班计20t,用水时间2小时，则每小时的用水量为：20÷2=10(t)第四章设备选型及计算4.1发酵罐的设计与选型4.1.1发酵罐体积的确定本次设计选用锥底发酵罐，由物料衡算可知可知，糖化一次麦汁量为9.1m³。旺季每天糖化5次，5锅装一罐：发酵罐H:D=1.5-6:1,这里选用H:D=2∶1，锥角60°～80°，这里选用60°，装料系数取80%～85%，这里取75%，接种量范围在0.4%～0.8%，这里取0.6%。4.1.2发酵罐个数的确定采用两罐发酵法发酵，锥形发酵罐的主发酵周期为6天，则对锥形发酵罐个数的最低要求为：式中n—发酵罐个数V0—糖化一次麦汁量4.1.3发酵罐的材料选择选用1Cr18Ni9Ti，耐酸不锈钢，即能更好的满足工艺要求，同时更经济合理。4.1.4发酵罐及封头确定(1)发酵罐的壁厚S，P为设计压力，取最高工作压力的2倍，即，其中，D发酵罐内径D=340cm=3400mmC=0.5mm圆整为12mm故P=0.6MPa，查《发酵工厂工艺设计概论》表17表4-1筒体面积容积及重量工作压力(MPa)公称直径(mm)筒体壁厚(mm)一米高筒节钢板重量(kg)筒高(m)0.632001295013.6(2)封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下：P——设计压力，取最高工作压力的K倍，现取P=0.6MPaD——发酵罐内径，D=340cm[σ]——1Cr18Ni9Ti的许用应力，[σ]=140MPaφ——焊缝系数，根据焊接情况和探伤的程度，查相应的表决定。其范围在0.5～1之间，现取φ=0.9C——壁厚附加量(cm)计算如上筒壁厚，也取12mm故P=0.6MPa，查《发酵工厂工艺设计概论》表15:表4-2椭圆形封头公称直径Dg（mm）曲面高度h1（mm）直边高度h2(mm)内表面积F(㎡)kg)容积V（）32008004011.54.614.1.5接管设计1.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。该发酵罐实装醪液45.773m³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：查《化工原理》（上）表1-1，高粘度流体的速度在0.5-1m/s，取发酵醪流速u=0.8m/s。则管径D=圆整65mm查《发酵工厂设计概论》得内径di=65mm的无缝钢管。校核：（在0.5—1m/s范围内，所以可采用此管。）由于发酵结束后，成熟酒液的黏度仍较大，取收酒流速u=0.9m/s则排酒管的管径D=查《发酵工厂设计概论》得内径di=65mm的无缝钢管。校核：（在0.5—1m/s范围内，所以可采用此管。）表4-3管法兰连接尺寸（mm）公称直径DN（mm）DPN1MpaKLThn6518514518M164由前面的冷量衡算可知，发酵过程冷媒流量设酒精密度为804kg/m³。冷媒流速为1-3m/s，在这里取2m/s，则冷媒进出口管径查《发酵工厂工艺设计概论》表12.管子规格选用Φ32×3.5的无缝钢管，其内径di=25mm校核：（在0.5—3.0范围内，符合要求。）表4-4管法兰连接尺寸（mm）公称直径DN（mm）DPN1MpaKLThn251158514M1244.1.6发酵罐冷却器的选取本设计发酵罐属于大型发酵罐，故采用内部安装蛇管冷却器作为冷却设备。1.冷却面积计算，由于发酵时产热高峰为，故每罐放热高峰时放热量为：冷却介质为稀酒精进出口温度为-9℃和0℃，蛇管冷却器总传热系数200-700，这里取400发酵前期平均温度：6℃→6℃-9℃→0℃6℃→15℃（℃）所以得到冷却面积为：发酵后期平均温差：6℃→-1℃-9℃→0℃15℃→-1℃（℃）所以得到冷却面积为：由于发酵后期散热较大，故以后期面积120m²为准。2.蛇管布置①求最高热负荷下的冷媒耗量W式中和——分别为冷媒的初温和终温（℃）——冷媒的比热容，冷媒(15%稀酒精液)的密度为，则冷媒的体积流量为取蛇管中冷媒流速为1m/s.根据流体力学方程式，冷却截面积为：式中W——冷媒体积流量——冷媒速度1m/s②冷却管的组数和管径：设冷却管总表面积为，管径，组数为n，则竖直蛇管数n，根据罐的大小一般取3,4,6,8,12……组。通常每组管数不超过6圈，增加组数可排下更多的冷却管。因为啤酒发酵属于厌氧发酵，因此不需要安装搅拌器，此时设管子与管壁的最小距离应大于100mm，主要考虑便于安装清洗。取n=8,求管径d为：查《发酵工厂工艺设计概论》表12.管子规格选用Φ32×3.5的无缝钢管，其内径di=25mm表4-5竖直蛇管尺寸系数表公称直径(mm)外径(mm)壁厚（mm）内孔截面积（）1m管长质量(m)25323.54.912.46现取竖直蛇管的圈端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，则两端弯管总长度为：③冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积F=51.7237㎡，现取无缝钢管，每米冷却面积为：冷却管占有体积④每组管长和管组高度：另需连接管15m：可排竖直蛇管的高度设为静液面高度，下部可深入封头250mm。设发酵罐内附件占有体积为。则总占体积为：则筒体部分液深为：竖蛇管总高又因为两端弯管总长，两端弯管总高为500mm，则直管部分高度：则一圈管长：⑤每组管子圈数：现取管间距，竖直蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，作图表明各组冷却管互相无影响。⑥校核布置后冷却管的实际传热面积：前面有F=120，，可满足要求。4.1.7CO2排出管及CIP清洗管CO2排出管与CIP清洗管都安放在封头上，又设CO2管与清洁管径一致，洗涤发酵罐经过三次，第一次进碱，第二次进清水，第三次进消毒水。又设洗涤时间为0.5h。消耗的CO2的体积为2.83m³则洗涤体积流量Vs=Q/t=2.83/1800=0.00154m³/s查《化工原理》（上）P20表1-1，自来水流速范围1--1.5m/s，取洗涤水流速为1.3m/s，则管径为D==(4×0.00154/3.14×1.3)0.5=0.0392m取40mm查《化工设备机械基础》P56表2-6，选用Φ45*2.5的无缝钢管，其内径为di=0.040m校核：u=4Vs/πdi²=4×0.00157/3.14×0.040²=1.25m/s，（在范围内，满足要求。）表4-6管法兰连接尺寸（mm）公称直径DN（mm）DPN1MpaKLThn4015011018M1644.2贮酒罐的设计与选型贮酒罐体积的确定由前面物料衡算知，糖化一次经发酵后得到的发酵液量为8870.0285L，假设5锅麦汁发酵所得的发酵液装满1个贮酒罐，装料系数为85%，则每个贮酒罐的有效体积为：取贮酒罐的径高比为1:4，锥底为120°，则：求出D=2.549m圆整D=2.6m，H=10.4m，采用8Cr18Ni9不锈钢材料制作。所需贮酒罐的个数为：查《发酵工厂工艺设计概论》表12得：表4-7椭圆封头尺寸系数表公称直径曲面高度直边高度内表面积容积hFV2600650407.632.514.3清酒罐的设计与选型由物料衡算可知，单次糖化所得过滤酒量6954.3037L，则每天过滤酒量为8692.6275×5=43463.1375L。按照工艺要求，设有三个清酒罐，装料系数为80%，每罐容积为：取H:D=4：1，锥底角取120°，则求出D=1.8m，罐高为H=6.8m，采用8Cr18Ni9不锈钢材料制作。清酒罐封头：查《发酵工厂工艺设计概论》表12得：表4-8椭圆封头尺寸系数表公称直径曲面高度直边高度内表面积容积Dg（mm）h1（mm）h2（mm）FV1800450403.730.8664.4酵母扩大培养罐本设计采用一罐法酵母接种培养工艺，一般认为经过2.5-3天扩培后，即可得到接种单锅麦汁所需的酵母，扩培所需容量可根据下面公式来计算[9]扩培罐装料系数为80%，则取H:D=4：1，锥底角60°。则求出D=1.5H=64.5无菌麦汁储存罐4.5过滤设备本次设计过滤设备选用叶片式硅藻土过滤机，机壳密闭、垂直滤叶、结构紧凑、运动部件少，易维修保养。操作简单、方便；清洗、排渣不拆卸，劳动强度低。全不锈钢，耐腐蚀性能强，经久耐用，使用寿命长。运行平稳，性能可靠，过滤能力强，效果好。生产效率高，消耗低，尤其酒损小。糖化一次过滤酒量为8692.6275L，质量为8.9t，选用YIG-12过滤面积为12平方米，过滤能力为8-10t/h的硅藻土过滤机。表4-9叶片式硅藻土过滤机型号过滤面积（㎡）滤叶片数过滤能力（t/h）外形尺寸整机重量(mm)（t）YTG1212118-103300*2000*300024.6泵的选取4.6.1离心泵泵的计算本设计中在麦汁输送到麦汁杀菌锅中和过滤酒液输送到清酒罐中用离心泵。麦汁输送到麦汁杀菌罐时液体按10m³的液体计算，15min打满一罐，选用一个泵，则：10÷1÷0.25=40m³/h过滤酒液打到清酒罐时液体按50m³计算，15min打满一罐，选用一个泵，则：50÷1÷0.25=200m³/h2.泵的介绍IHG型不锈钢化工管道泵，供输送不含固体颗粒，具有腐蚀性，粘度类似于水的液体，适用于石油、化工、冶金、电力、造纸、食品制药和合成纤维等部门，使用温度为-20℃~120℃。2.泵的结构泵的主要零件有：泵体、直联架叶轮、机械密封部件、Y系列加轴伸电机等。本型泵泵盖与泵体铸成一体，叶轮直接装在电机轴上，并用叶轮螺母10加外舌止退垫圈7固紧。泵体出水口一般朝上，也可以朝侧，这时只要将泵体与直联架螺栓松开，调转泵体即可。表4-10离心泵参数名称参数型号IHG200-250流量（m³/h）200扬程H（m）20转速（r/min）1450效率（%）79轴功率（kw）3.0生产厂家泊头市盛泰泵业制造有限公司表4-11离心泵参数名称参数型号IHG65-315(I)C流量（m³/h）41扬程H（m）85转速（r/min）2900效率（%）51轴功率（kw）3.0生产厂家泊头市盛泰泵业制造有限公司4.6.2齿轮泵1.泵的计算本设计中在冷麦汁输送锥形发酵罐、发酵酒液输送到贮酒罐、贮酒罐酒液输送到过滤机时选用齿轮泵。按50m³的液体计算，15min打满一罐，选用一个泵，则：50m³÷1÷0.25=200m³/h2.泵的介绍3-3RP食品卫生泵用于食品、饮料、酿造、石油化工等行业。该泵属于回转式容积泵，效率高、寿命长，适用送温度为-30℃到80℃,适用于输送粘度为30-1.0×105cSt,泵体内部与液体接触的零部件均选用不锈钢材质，并可根据介质的不同改变泵的转速。3.泵的结构主要由凸轮转子、轴封、齿轮箱组成，一对同步转动的齿轮带动凸轮转子，来实现介质的输送轴封可以根据不同的工况条件设计为填料密封盒机械密封。从电机向泵看，泵转向为顺时针转动。表4-123