产三万吨啤酒厂啤酒发酵工艺设计方案.docx
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产三万吨啤酒厂啤酒发酵工艺设计方案
年产三万吨啤酒厂啤酒发酵工艺设计
一、啤酒生产相关知识简介
1.1啤酒酿造工艺流程
图1啤酒酿造图
1:
原料贮仓
2:
麦芽筛选机
3:
提升机
4:
麦芽粉碎机
5:
糖化锅
6:
大M筛选机
7:
大M粉碎机
8:
糊化锅
9:
过滤槽
10:
麦糟输送
11:
麦糟贮罐
12:
煮沸/回旋槽
13:
外加热器
14:
酒花添加罐
15:
麦汁冷却器
16:
空气过滤器
17:
酵母培养及添加罐
18:
发酵罐
19:
啤酒稳定剂添加罐
20:
缓冲罐
21:
硅藻土添加罐
22:
硅藻土过滤机
23:
啤酒清滤机
24:
清酒罐
25:
洗瓶机
26:
罐装机
27:
啤酒杀菌机
28:
贴标机
29:
装箱机
1.2酿造啤酒的原料
酿造啤酒的主要原料是大麦,水,酵母,酒花。
1.3麦汁的制备
其主要过程有原辅料粉碎,糖化,醪液过滤,麦汁煮沸,麦汁后处理等几个过程。
啤酒是发酵后直接饮用的饮料酒,因此,麦汁的颜色,芬香味、麦汁组成有一些会影响啤酒的风味、有一些影响发酵、最终也影响啤酒的风味。
麦汁组成中影响发酵的主要因子是:
原麦汁浓度、溶氧水平、pH值、麦汁可发酵性糖含量、α-氨基酸、麦汁中不饱和脂肪酸含量等。
1.4啤酒的发酵
冷却后的麦汁添加酵母以后,便是发酵的开始,整个发酵过程可以分为:
酵母恢复活力阶段,有氧呼吸阶段,无氧呼吸阶段。
酵母接种后,开始在麦汁充氧的条件下,恢复其生理活性,以麦汁中的氨基酸为主要的氮源,可发酵糖为主要的碳源,进行呼吸作用,并从中获取能量而发生繁殖,同时产生一系列的代谢副产物,此后便在无氧的条件下进行酒精发酵。
二、30000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算
啤酒厂糖化车间的物料平衡计算主要工程为原料<麦芽、大M)和酒花用量,热麦汁和冷麦汁量,废渣量<糖化槽和酒花槽)等。
2.1糖化车间工艺流程示意图
根据我国啤酒生产现况,有关生产原料配比、工艺指标及生产过程的损失等数据如表1所示。
图2啤酒厂糖化车间工程流程示意图
2.2工艺技术指标及基础数据
根据表1的基础数据,首先进行100kg原料生产10°淡色啤酒的物料计算,然后进行100L10°淡色啤酒的物料衡算,最后进行30000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。
表1啤酒生产基础数据
项目
名称
百分比<%)
项目
名称
百分比<%)
定
额
指
标
无水麦芽
浸出率
78
原料配比
麦芽
70
大M
30
无水大M
浸出率
90
啤酒损失率<对热麦汁)
冷却损失
7
发酵损失
2
原料利用率
98
过滤损失
1
麦芽水分
6
装瓶损失
2
大M水分
12
总损失
12
2.3100kg原料<70%麦芽,30%大M)生产10°淡色啤酒的物料衡算
(1>热麦计算根据表1可得到原料收率分别为:
麦芽收率为:
78%×(100-6>%=73.32%
大M收率为:
90%×(100-12>%=79.2%
混合原料收得率为:
<0.70×73.32%+0.30×79.2%)98%=73.58%
由上述可得100kg混合料原料可制得的10°热麦汁量为:
<73.58%×100)÷10%=735.8(kg>
又知10°麦汁在20℃时的相对密度为1.084,而100℃热麦汁比20℃时的麦汁体积增加1.04倍,故热麦汁<100℃)体积为:
735.8÷(1.084×1000>×1000×1.04=705.93(L>
(2>冷麦汁量为:
705.93×(1-0.07>=656.52(L>
(3>发酵液量为:
656.52×(1-0.02>=643.39(L>
(4>过滤酒量为:
643.39×(1-0.01>=636.95(L>
(5>成品啤酒量为:
636.95×(1-0.02>=624.22(L>
2.4生产100L10°淡色啤酒的物料衡算
根据上述衡算结果知,100kg混合原料可生产10°淡色成品啤酒624.22L,故可得以下结果:
<1)生产100L10°淡色啤酒需耗混合原料量为:
<100/624.22)×100=16.02(kg>
<2)麦芽耗用量为:
16.02×70%=11.21(kg>
<3)大M耗用量为:
16.02-11.21=4.81(kg>
<4)酒花耗用量:
对浅色啤酒,热麦汁中加入的酒花量为0.2%,故为:
(100/624.22>×735.8×0.2%=0.24(kg>
<5)热麦汁量为:
<16.02/100)×705.93=113.09(L>
<6)冷麦汁量为:
<16.02/100)×656.52=105.18(L>
<7)湿糖化糟量设热电厂出的湿麦芽糟水分含量为80%,则湿麦芽糟量为:
[<1-0.06)<100-78)/<100-80)]×11.21=11.59(kg>
而湿大M糟量为:
[<1-0.12)<100-90)/<100-80)]×4.81=2.12(kg>
故湿糖化糟量为:
11.59+2.12=13.71(kg>
<8)酒花糟量设麦汁煮沸过程干酒花浸出率为40%,且酒花糟水分含量为80%,则酒花糟量为:
[<100-40)/<100-80)]×0.24=0.72(kg>
2.530000t/a10°淡色啤酒酿造车间物料衡算表
设生产旺季每天糖化8次,而淡季则糖化4次,每年总糖化次数为1800次。
由此可计算出每次投料量及其他工程的物料平衡。
把述的有关啤酒厂酿造车间的三项物料衡算计算结果,整理成物料衡算表,如表2所示。
表2啤酒厂酿造车间物料衡算表
物料名称
单位
对100kg混合原料
100L10°度淡色啤酒
糖化一次定额量
30000t/a啤酒生产
混合原料
Kg
100
16.02
2638.34
4.75×106
大麦
Kg
70
11.21
1846.84
3.325×106
大M
Kg
30
4.81
791.5
1.425×106
酒花
Kg
1.50
0.24
39.53
7.12×104
热麦汁
L
705.93
113.09
18628.71
33.53×106
冷麦汁
L
656.52
105.18
17324.7
31.19×106
湿糖化糟
Kg
72.35
11.59
1909.24
3.44×106
湿酒花糟
Kg
4.50
0.72
118.60
2.13×105
发酵液
L
643.39
103.07
16978.35
30.56×106
过滤酒
L
636.95
102.04
16808.4
30.26×106
成品啤酒
L
624.22
100.00
16469.04
29.64×106
备注:
10度淡色啤酒的密度为1012kg/m3
三、30000t/a啤酒厂糖化车间的热量衡算
二次煮出糖化法是啤酒常用的糖化工艺,下面就以为基准进行糖化车间的势量衡算。
工程流程示意图如图2所示,其中的投料量为糖化一次的用料量<计算参表2)
3.1糖化用水耗热量Q1
根据工艺,糊化锅加水量为:
G1=<791.5+158.3)×4.5=4274.1(kg>
式中,791.5kg为糊化一次大M粉量,158.3kg为糊化锅加入的麦芽粉量<为大M量的20%)
图3啤酒厂糖化工艺流程图
而糖化锅加水量为:
G2=1688.54×3.5=5909.89(kg>
式中,1688.54kg为糖化一次糖化锅投入的麦芽粉量,即1846.84-158.3=1688.54(kg>
而1846.84kg为糖化一次麦芽定额量。
故糖化总用水量为:
GW=G1+G2=4274.1+5909.89=10183.99(kg>(1>
自来水的平均温度取t1=18℃,而糖化配料用水温度t2=50℃,故耗热量为:
Q1=(G1+G2>cw(t1-t2>=10183.99×(50-18>4.18=1362210.5(KJ>(2>
3.2第一次M醪煮沸耗热量Q2
由糖化工艺流程图<图3)可知:
Q2=Q21+Q22+Q23(3>
3.2.1糖化锅内M醪由初温t0加热到100℃的耗热量Q21
Q21=GM醪CM醪<100-t0)(4>
(1)计算M醪的比热容GM醪根据经验公式G容物=00.1[(100-W>c0+4.18W]进行计算。
式中W为含水百分率;c0为绝对谷物比热容,取c0=1.55KJ/(Kg·K>.
C麦芽=0.01[<100-6)1.55+4.18×6]=1.71KJ/(Kg·K>
C大M=0.01[<100-12)1.55+4.18×12]=1.87KJ/(Kg·K>
CM醪=
=3.76KJ/(Kg·K>
(2>M醪的初温t0设原料的初温为18℃,而热水为50℃,则
t0=[
=[(791.5×1.87+158.3×1.71>×18+4274.1×4.18×50]/<5183.9×3.76)
=47.5℃
其中GM醪=791.5+158.3+4274.1=5183.9 <3)把上述结果代如1中,得: Q21=5183.9×3.76<100-47.5)=1023301.86KJ 3.2.2煮沸过程蒸汽带出的热量Q22 设煮沸时间为40min,蒸发量为每小时5%,则蒸发水量为: V1=GM醪×5%×40/60=5183.9×5%×40/60=172.80Kg<7) 故Q22=V1I=172.80×2257.2=390036.637KJ<8) 式中,I为煮沸温度<约为100℃)下水的汽化潜热 3.2.3热损失Q23 M醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为前两次的耗热量的15%,即: Q23=15% 3.2.4由上述结果得: Q2=1.15 3.3第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q3 按照糖化工艺,来自糊化锅的煮沸的M醪与糖化锅中的麦醪混合后温度应为63℃,故混合前M醪先从100℃冷却到中间温度t0。 3.3.1糖化锅中麦醪中的t 已知麦芽初温为18℃,用50℃的热水配料,则麦醪温度为: G麦醪=G麦芽+G2=1688.54+5909.89=7598.43kg(11> c麦醪= =<1688.54×1.71+5909.89×4.18)/<1688.54+5909.89)<12) =3.63KJ/(kg.K> t麦醪= =<1688.54×1.71×18+5909.89×4.18×50)/<7598.43×3.63)<13) =46.67℃ 3.3.2根据热量衡算,且忽略热损失,M醪与麦醪混合前后的焓不变,则M醪的中间温度为: G混合=GM醪+G麦醪=5183.9+7598.43=12782.33Kg<14) C混合= =<5183.9×3.76+7598.43×3.63)/12782.33 =3.68kJ/ t= =<12782.33×3.68×63-7598.43×3.63×46.67)/<5183.9×3.76) =86℃ 3.3.3Q3 Q3=G混合C混合<70-63)=12782.33×3.68<70-63)=329272.821 3.4第二次煮沸混合醪的耗热量Q4 由糖化工艺流程可知: Q4=Q41+Q42+Q43<18) 3.4.1混合醪升温至沸腾所耗热量Q41 <1)经第一次煮沸后M醪量为: G/M醪=GM醪-V=5183.9-172.80=5011.1(kg><19) 糖化锅的麦芽醪量为: G麦醪=G麦芽+G2=1688.54+5909.89=7598.43(kg><20) 故进入第二次煮沸的混合醪量为: G混合=G/M醪+G麦醪=5183.9+7598.43=12782.33(kg><21) <2)根据工艺,糖化结束醪温为78℃,抽取混合醪的温度为70℃,则送到第二次煮沸的混合醪量为: [G混合(78-70>]/[G混合(100-70>]×100%=26.7%<22) <3)麦醪的比热容 c麦醪= =<1688.54×1.71+5909.89×4.18)/<1688.54+5909.89)<23) =3.63KJ/(kg.K> 混合醪比热容: C混合= =<5183.9×3.76+7598.43×3.63)/12782.33 =3.68kJ/ <4)故Q41=26.7%G混合c混合<100-70)=376782.184 3.4.2二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q42 煮沸时间为10min,蒸发强度5%,则蒸发水分量为: V2=G混合×5%×10/60 =12782.33×5%×10/60 =106.52(kg> Q42=IV2=2257.2×106.52=240435.628(kJ><26) 式中,I为煮沸温度下饱各蒸汽的焓 3.4.3热损失Q43 根据经验有: Q42=15% 3.4.4把上述结果代入公式<27)得 Q4=1.15(Q41+Q42>=1.15(376782.184+240435.628>=709800.484(kJ><28) 3.5洗槽水耗热量Q5 设洗槽水平均温度为80℃,每100kg原料用水450kg,则用水量为: G=2638.34×450/100=11872.53(kg> 故Q5=GCw(80-18>=11872.53×4.18×(80-18>=3076884.87(kJ><29) 3.6麦汁煮沸过程耗热量Q6 <30) 3.6.1麦汁升温至沸点耗热量Q61 由表2啤酒厂酿造车间物料衡算表可知,100kg混合原料可得到735.8kg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: G麦汁=2638.34×735.8/100=19412.91 又C麦汁=<1846.84×1.71+791.5×1.89+2638.34×6.4×4.18)/<2638.34×7.4) =3.85(kJ/kg.k> 故Q61=G麦汁C麦汁(100-70>=19412.91×3.85×30=2242190.61(kJ>(31) 3.6.2煮沸强度10%,时间1.5h,则蒸发水分为: V3=19412.91×10%×1.5=2911.94(kg> 故Q62=IV3=6572821.62(KJ>(32) 3.6.3热损失为 (33) 3.6.4把上述结果代入上式得出麦汁煮沸总耗热 Q6=1.15(Q61+Q62>=10137264.1(KJ>(34) 3.7糖化一次总耗热量Q总 Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=17240772.1 3.8糖化一次砂耗用蒸汽用量D 使用表压0.3MPa的饱和蒸汽,I=2725.3Kj/kg,则: D=Q总/[ =17240772.1/[(2725.3-561.47>×95%]<36) =8387.06(kg/h> 式中,i为相应冷凝水的焓<561.47kJ/kg);η为蒸汽的热效率,取η=95%。 3.9糖化过程每小时最大蒸汽耗量Qmax 在糖化过程各步骤中,麦汁煮沸耗热量Q6为最大,且已知煮沸时间为90min热效率为95%,故: Qmax=Q6/(1.5×95%>=10137264.1/(1.5×95%>=7113869.55(KJ/h><37) 相应的最大蒸汽耗量为: Dmax=Qmax/ 3.10蒸汽单耗 据设计,每年糖化次数为1800次,总共生产啤酒30000t.年耗蒸汽总量为: Dr=8387.06×1800=15096708(Kg> 每吨啤酒成品耗蒸汽<对糖化): D5=15096708/30000=503.22(kg/t啤酒> 每昼夜耗蒸汽量<生产旺季算)为: Dd=8387.06×8=67096.48(kg/d> 至于糖化过程的冷却,如热麦汁被冷却成热麦汁后才送井发酵车间,必须尽量回收其中的热量。 最后若需要耗用冷冻水,则在以下“耗冷量计算”中将会介绍 最后,把上述结果列成热量消耗综合表,如表3 表330000t/a啤酒厂糖化车间总热量衡算表 名称 规格 每吨消耗定额 每小时最大用量 每昼夜消耗量 每年消耗量 蒸汽 0.3<表压) 503.22 3287.63 67096.48 15096708 四、30000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量衡算 啤酒发酵工艺有上面发酵和下面发酵两大类,而后者有传统的发酵槽发酵和锥形罐发酵等之分[8]。 不同的发酵工艺,其耗冷量也随之改变。 下面以目前我国应用最普遍的锥形罐发酵工艺进行20000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量计算。 4.1发酵工艺流程示意图 冷却 94℃热麦汁冷麦汁<6℃)锥形灌发酵过冷却至-1℃贮酒过滤清酒灌 图4发酵工艺流程 4.2工艺技术指标及基础数据 年产10°淡色啤酒30000t。 旺季每天糖化8次,淡季为4次,每年共糖化1800次。 主发酵时间6天; 4锅麦汁装1个锥形罐; 10°Bx麦汁比热容c1=4.0KJ/ 冷媒用15%酒精溶液,其比热容可视为c2=4.18KJ/ 麦芽糖化厌氧发酵热q=613.6kJ/kg; 麦汁发酵度60%。 根据发酵车间耗冷性质,可分成工艺耗冷量和非工艺耗冷量两类,即: <39) 4.3工艺耗冷量 4.3.1麦汁冷却耗冷量Q1 近几年来普遍使用一段式串联逆流式麦汁冷却方法[9]。 使用的冷却介质为2℃的冷冻水,出口的温度为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℃。 根据表2啤酒生产物衡酸表,可知每糖化一次热麦汁20053L,而相应的麦汁密度为1048kg/m3,故麦汁量为: G=1048×18.62871=19522.89(kg> 又知100Bx麦汁比热容C1=4.0KJ/(Kg·k>,工艺要求在1h小时内完成冷却过程,则所耗冷量为: Q1=[GC =[19522.89×4.0(94-6>]/1 =6872056.61(KJ/h> 式中t1和t2——分别表示麦汁冷却前后温度<℃) τ——冷却操作过程时间 根据设计结果,每个锥形发酵罐装4锅麦汁,则麦汁冷却每罐耗冷量为: Qf=4Q1=4×6872056.61=27488226.42(kJ>(41> 相应地冷冻介质<2℃的冷冻水)耗量为: Mf=Q1/[Cm 式中,t3和t4——分别表示冷冻水的初温和终温<℃) Cm——水的比热容[KJ/ 4.3.2发酵耗冷量Q2 <1)发酵期间发酵放热Q21,假定麦汁固形均为麦芽糖,而麦芽糖的厌氧发酵房热量为613.6kJ/kg。 设发酵度为60%,则1L麦汁放热量为: q0=613.6×10%×60%=36.82(kJ> 根据物料衡算,每锅麦汁的冷麦汁量为17324.7L,则每锥形缺罐发酵放热量为: Q01=36.82×17324.7×4=2551581.82(kJ> 由于工艺规定主发酵时间为6天,每天糖化8锅麦汁<旺季),并考虑到发酵放热不平衡,取系数1.5,忽略主发酵的升温,则发酵高温时期耗冷量为: Q21= =(2551581.82×1.5×7>/(24×6×4>] =46513.21(kJ/h> (2>发酵后期发酵液降温耗Q22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: Q02=4GC1[6-<-1)]=4×19522.89×4.0×7=2186563.68(KJ><43) 工艺要求此过程在2天内完成,则耗冷量为<麦汁每天装1.5个锥形罐): Q22=<1.5Q02)/(24×2>=(1.5×2186563.68>/(24×2>=68330.12(KJ/h>(44> <3)发酵总耗冷量Q2 Q2=Q21+Q22=46513.21+68330.12=114843.33(kJ/h>(45> (4>每罐用冷媒耗冷量Q0 Q0=Q01+Q02=2551581.82+2186563.68=4738145.5kg/h(46> (5>发酵用冷媒耗<循环量)M2发酵全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/ 4.3.3酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3 在锥形罐啤酒发酵过程,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,一般可重复使用5—7次。 设湿酵母添加量为麦汁量的1.0%,且使用1℃的无菌水洗涤,洗涤无菌水量为酵母量的3倍。 冷却前无菌水温30℃。 用-8℃的酒精液作冷地介质。 由中述条件,可得无菌水用量为: Gw′=19522.89×6×1.0%×3=3514.12(kg/d> 式中19522.89——糖化一次的冷麦汁量 每班无菌水量: Gw=Gw′/3=3514.12/3=1171.37(kg/每班><48) 假无菌水冷却操作在2h小时内完成,则无菌水冷却耗量为: Q3=[GwGm(tw-tw′>]/r=[1171.37×4.18×(30-1>]/2=70996.94(kg/h><49) 所耗冷冻介质量为: M3=Q3[cw(t2-t1>]/r=70996.94(4.18×8>=2374137.73(kg/h><50) 式中,t1和t2——冷冻酒精液热交换前后的温度,分别为-8℃和0℃。 每罐用于酵母洗涤的耗冷量: Q3=[GwGm(tw-tw′>]/1.5=[1171.37×4.18×(30-1>]/1.5(51> =94662.31(kJ> 式中1.5——每班装罐1.5罐 4.3.4酵母培养耗冷量Q4 根据工艺设计,每
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