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三工艺流程及流程说明
啤酒生产分为两大部分:
麦芽制造和啤酒酿造。
麦芽制造工艺流程:
原料(大麦)→浸渍→发芽→干燥→除根
啤酒酿造工艺流程:
糖化用水洗糖用水酒花
↓↓↓
原料(麦芽,大米)→粉碎→糖化→麦汁过滤→麦汁煮沸
↑↑
酵母冲氧
啤酒的生产过程大体可以分为四大工序:
麦芽制造;
麦汁制备;
啤酒发酵;
啤酒包装与成品啤酒。
(一)麦芽制造
大麦是酿制啤酒的主要原料,是先将其制成麦芽,再用于酿酒。
大麦在人工控制的外界条件下进行发芽和干燥的过程,即为麦芽制造,简称“制麦”。
发芽后的新鲜麦芽称绿麦芽。
绿麦芽经干燥后称干麦芽。
麦芽制造过程如下:
大麦→预处理→浸麦→发芽→干燥→除根→成品麦芽
传统的制麦过程分为三个阶段:
1精选后的大麦,浸渍水中,使达到发芽所需要的水分,此阶段为大麦浸渍。
2浸渍后的大麦,在人工控制的条件下进行发芽,利用发芽过程形成的酶系,使大麦的内容物质进行分解,变为麦芽,此阶段为人工发芽。
3发芽完毕的绿麦芽,利用热空气进行干燥和焙焦此阶段为麦芽焙燥。
新型的制麦方法,常运用浸渍时充分供氧的理论,使大麦在浸渍吸水过程中,即开始萌芽。
边浸渍,边发芽,使浸渍和发芽合为一个生产阶段,大大缩短了生产时间。
大麦发芽的目的是使麦粒内部产生一定数量的水解酶,并利用这些水解酶,分解胚乳的贮藏物质,使其进行合理的降解。
麦芽焙燥的作用是使绿麦芽的水分降低,发芽停止,便于去根和贮藏。
但麦芽焙燥并不只是一个简单的水分蒸发过程,它还同时进行了复杂的生化变化,使焙燥后的麦芽具有独特的香味和色泽。
麦芽焙燥系根据制造不同的麦芽类型,采取不同的焙燥方法,以适应酿制不同类型的啤酒。
(二)麦汁制备
麦汁制备通常在工厂又称为糖化。
麦芽及辅料必须经过这个过程,制成各种成分含量适宜的麦汁,才能由酵母发酵酿成啤酒。
麦汁制造的全过程,可分为麦芽及辅料的粉碎、醪的糖化、过滤,以及麦汁煮沸、冷却五道工序。
将粉碎的谷粒/麦芽于水在糊化锅/糖化锅中混合。
糊化锅/糖化锅是一个巨大的金属容器:
匹配CIP清洗系统与加热系统、搅拌装置以及大量自控装置。
在糊化锅/糖化锅中,将难溶性的淀粉和蛋白质转变成为可溶性麦芽汁。
麦芽汁在被泵入煮沸锅之前需要先在过滤槽中去除其中的麦糟。
过滤后的麦汁进入煮沸锅后,混合物被煮沸以吸取酒花的味道,并起色和消毒。
在煮沸后,加入酒花的麦芽汁被泵入回旋沉淀槽,除去不需要的酒花剩余物和不溶性的蛋白质。
洁净的麦芽汁从回旋沉淀槽中泵出后,被送入热交换器冷却。
随后,麦芽汁中被加入酵母,开始进入发酵工序。
(三)啤酒发酵
冷麦芽汁添加酵母后,开始发酵作用。
啤酒发酵是一项非常复杂的生化变化过程,在啤酒酵母所含酶系的作用下,其主要变化产物是酒精和二氧化碳,另外还有一系列的发酵副产物,如醇类、醛类、酸类、酯类、酮类和硫化物等。
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性能,使啤酒具有其独特的典型性。
不同的酿造者,由于采用了不同的酵母菌株,从而衍生出不同的发酵工艺和生产出不同类型的啤酒。
传统的啤酒发酵方法,可分为上面发酵和下面发酵两种类型。
前者采用上面酵母和较高的发酵温度;
后者采用下面酵母和较低的发酵温度。
这两种啤酒风味不同,各具特点。
啤酒发酵过程分主发酵(又名前发酵)和后发酵两个阶段。
酵母繁殖和大部分可发酵性糖类的分解以及酵母的一些主要代谢产物,均在主发酵阶段完成。
后发酵是前发酵的延续,必须在密闭容器中进行,使残留糖分分解所形成的二氧化碳溶于酒内,达到饱和;
并使啤酒在低温下陈酿,促进酒的成熟和澄清。
由于科学技术的不断发展,啤酒发酵过程中的一些变化机制,正逐步为人们所掌握。
为了缩短发酵周期,提高发酵设备利用率,人们在传统的发酵技术上,又创造了许多新型发酵方法,如搅拌发酵、高温发酵、加压发酵、连续发酵等,并且创造了多种新型发酵容器。
(四)啤酒包装与成品啤酒
啤酒经过后发酵或后处理,口味已经达到成熟,二氧化碳已经饱和酒内,酒液也已逐渐澄清,此时再经过机械处理,使酒内悬浮的轻微粒子最后分离,达到酒液澄清透明的的程度,即可包装出售。
啤酒的包装方式系根据销售的需要而为,有瓶装啤酒,罐装啤酒和桶装啤酒。
在包装啤酒之前,必须将啤酒澄清,啤酒的澄清系指啤酒与其所含的固体粒子分离的过程。
啤酒在贮藏期间,因酵母逐渐沉降和部分不稳定的蛋白质-单宁复合物的析出、凝集、沉淀而逐步变得澄清。
这种自然澄清的现象,主要由于固液相的不同相对密度而产生的,沉降速度较慢,只能使啤酒达到一定的澄清程度,对其中极轻微的粒子则很难在较短时间内完全沉淀下来。
要使成品啤酒达到澄清透明,富有光泽的程度,则必须通过机械方法进行处理。
这些机械澄清方法可以除去啤酒中的酵母和细菌以及微小的混浊物质粒子,不仅使啤酒外观富有吸引力,而且大大改善了啤酒的生物稳定性和非生物稳定性。
啤酒机械澄清的方法分为:
1啤酒过滤;
2啤酒离心分离。
啤酒过滤就是让流体通过分离介质,使其中的固体从流体中分离出来。
在酒中,一些具有较高表面活性的物质如蛋白质、酒花物质、色素物质、高级醇、酯类等都易被过滤介质吸附一定数量。
其过滤方式有:
滤棉过滤;
硅藻土过滤;
板式过滤。
它们因其过滤介质不同而有各自的优缺点。
但是我们在啤酒过滤过程中必须重点控制以下几个方面:
1压力差;
2过滤前后啤酒的混浊度;
3菌含量(特别对无菌过滤要求而言);
4生物和非生物稳定性的试验;
5啤酒损失;
6二氧化碳含量的降低值;
7含氧量的升高值;
8助滤剂对风味影响的试验。
啤酒的离心分离就是离心机中离心力将固体粒子从液体中分离出来。
当啤酒澄清后,就该进行啤酒生产的最后一道工序啤酒的包装,它对啤酒的质量和外观有直接的影响。
在包装过程中应做到以下要求:
1严格的无菌要求,包装后的啤酒应符合卫生标准;
2在包装过程中应减少二氧化碳损失,以保证啤酒口味和泡沫性能;
3在包装过程中应尽量避免与空气接触,防止因氧化作用而影响啤酒的风味稳定性和非生物稳定性。
四物料衡算
啤酒厂糖化车间的物料平衡计算主要项目为原料(麦芽、大米)和酒花用量,热麦汁和冷麦汁量,废渣量(糖化糟和酒花糟)等。
1糖化车间工艺流程图(图1-1)
啤酒厂糖化车间工程流程示意图
水、蒸汽
麦芽、大米粉碎糊化糖化过滤麦槽麦汁煮沸
发酵车间薄板冷却回旋过滤
冷却固物热凝固物
图1-1
2.工艺技术指标及基础数据(表1-1)
基础数据见表
1-1啤酒生产基础数据
项目
名称
百分比(%)
定额指标
原料利用率
98.5
原料配比
麦芽
60
麦芽水分
6
大米
40
大米水分
13
啤酒损失率(对热麦汁)
冷却损失
7.5
无水麦芽浸出率
75
发酵损失
1.6
无水大米浸出率
92
过滤损失
1.5
麦芽清净和磨碎损失
0.1
装瓶损失
2.0
总损失
12.6
根据上表的基础数据首先进行100kg原料生产12°
淡色啤酒的物料衡算,然后进行100L12°
淡色啤酒的物料衡算,最后进行100000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。
3.100kg原料(60%麦芽,40%大米)生产12°
P淡色啤酒的物料衡算
(1)热麦汁量根据表5-1可得原料收率分别为:
麦芽收率为:
0.75(100-6)÷
100=70.5%
大米收率为:
0.92(100-13)÷
100=80.04%
混合原料收得率为:
[0.60×
70.5%×
(1-0.1)+0.40×
80.04%]×
98.5%=73.16%
由上述可得100kg混合原料可制得的12°
热麦汁量为:
(73.16÷
12)×
100=609.66(kg)
又知12°
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:
(609.66÷
1.084)×
1.04=584.92L
(2)添加酒花量:
609.66×
0.2%=1.22kg
(3)冷麦汁量为:
584.92×
(1-0.075)=541.05L
(4)发酵成品液量:
541.05×
(1-0.016)=532.39L
(5)清酒量(过滤)为:
532.39×
(1-0.015)=524.41L
(6)成品啤酒量为:
524.41×
(1-0.02)=513.92L
4.生产100L12°
根据上述衡算结果知,100kg混合原料可生产12°
成品啤酒513.92L,故可得出下述结果:
(1)生产100L12°
淡色啤酒需耗混合原料量为:
(100÷
513.92)×
100=19.46kg
(2)麦芽耗用量:
19.46×
60%=11.68kg
(3)大米耗用量:
19.46-11.68=7.78kg
(4)酒花用量为对淡色啤酒,热麦汁中加入的酒花量为0.2%,故酒花耗用量为:
(584.92/513.92)×
100×
0.2%=0.2276kg
(5)热麦汁量为:
100=113.82L
(6)冷麦汁量为:
(541.05/513.92)×
100=105.28L
(7)湿糖化糟量:
设排出的湿麦糟水分含量为80%,则湿度糟量为:
[(1-0.06)(100-75)/(100-80)]×
11.68=13.72kg
湿大米糟量为:
[(1―0.13)(100―92)/(100-80)]×
7.78=2.71kg
故湿糖化糟量为:
13.72+2.71=16.43kg
(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)]×
0.2276=0.683kg
(9)发酵成品液量:
(532.39/513.92)×
100=103.60L
(10)清酒量:
(524.41/513.92)×
100=102.04L
5.100000t/a12°
P淡色啤酒糖化车间物料衡算
全年生产天数为300天,设旺季生产240天,淡季生产60天。
旺季每天糖化数为7次,淡季每天生产次数为5次,则全年糖化次数为:
240×
7+60×
5=1980(次)
计算的基础数据可算出每次投料量及其他项目的物料平衡。
(1)年实际生产啤酒:
100000÷
1.012=98814229.25L
(2)清酒产量:
98814229.25÷
(1-0.02)=100830846.2L
(3)发酵液总量:
100830846.2÷
(1-0.015)=102366341.3L
(4)冷麦汁量:
102366341.3÷
(1-0.016)=104030834.6L
(5)煮沸后热麦汁量:
104030834.6÷
(1-0.075)=112465767.2L
20℃麦汁体积:
112465767.2÷
1.04=108140160.8L
12°
P麦汁质量为(20℃):
108140160.8×
1.084=117.2×
106Kg
(6)混合原料量:
117.2×
106Kg×
12%÷
73.16%=19.23×
106Kg
(7)麦芽耗用量:
19.23×
0.60=11.54×
大米耗用量:
(19.23-11.54)×
106=7.69×
(8)酒花耗用量:
112465767.2×
0.2%=224931.53Kg
根据经验估算,混合原料量定为19.3×
106Kg,实际产量才大于100000t啤酒。
把前述的有关啤酒糖化间的三项物料衡算计算结果,整理成物料衡算表:
如表1-2所示。
1-2啤酒厂糖化车间物料衡算表
物料名称
单位
对100kg混合原料
100L12°
P淡色啤酒
糖化一次定额量
100000t/a啤酒生产
混合原料
Kg
100
19.46
9747.475
19300000
11.68
5848.489
11580000
7.78
3898.990
7720000
酒花
1.22
0.2276
114.029
225777.89
热麦汁
L
584.92
113.82
57014.618
112888943.8
冷麦汁
541.05
105.28
52738.522
104422273
湿糖化糟
84.42
16.43
8228.818
16293060
湿酒花糟
3.66
0.683
342.088
677333.66
发酵成品液
532.39
103.60
51894.705
102751516.6
清酒液
524.41
102.04
51116.285
101210243.9
成品啤酒
513.92
50093.959
99186039.01
备注:
12°
P淡色啤酒的密度为1012kg/m3,实际年生产啤酒为100376t。
五能量衡算
本设计采用国内常用的双醪一次煮出糖化法,下面就工艺为基准进行糖化车间的热量衡算。
数据根据表1-2
以下对糖化过程各步操作的热量分别进行计算:
(一)糖化用水耗热量Q1
根据工艺,糊化锅加水量为:
G1=(3898.990+779.80)×
4.5=21054.555kg
式中,3898.990为糖化一次大米粉量,779.80为糊化锅加入的麦芽量(为大米量的20%)。
糖化锅加水量为:
G2=5068.69×
3.5=17740.415kg
式中,5068.69为糖化一次麦芽粉量,即(5848.489-779.8)kg,而5848.489为糖化一次麦芽定额量。
故糖化总用水量为:
Gw=G1+G2=21054.555+17740.415=38794.97kg
自来水平均温度取t1=18℃,而糖化配料用水温度t2=50℃,故耗热量为:
Q1=(G1+G2)cw(t2-t1)=5189215.187kJ
(二)第一次米醪煮沸耗热量Q2
由工艺流程图可知
Q2=Q21+Q22+Q23
糊化锅内米醪由初温t0加热至100℃耗热Q21
Q21=G米醪c米醪(100-t0)
1.计算米醪的比热容c米醪
根据经验公式c谷物=0.01[(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]=1.708kJ/(kg·
K)
c大米=0.01[(100-13)1.55+4.18×
13]=1.891kJ/(kg·
c米醪=(G大米c大米+G麦芽c麦芽+G1cw)/(G大米+G麦芽+G1)
=(3898.990×
1.891+779.8×
1.708+21054.555×
4.18)÷
(3898.990+779.8+21054.555)
=3.758kJ/(kg·
米醪的初温t0设原料的初温为18℃,而热水为50℃,
则t0=[(G大米c大米+G麦芽c麦芽)×
18+G1cw×
50
]/G米醪c米醪=47.12℃
其中:
G米醪=3898.990+779.8+G1=25733.345kg
把上述结果代回Q21=G米醪c米醪(100-t0),得
Q21=25733.345×
3.758(100-47.12)
=5113808.548kJ
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%,则蒸发水分为:
V1=G米醪×
5%×
40÷
60=857.778kg
故Q22=V1I=857.778×
2257.2=1936176.502kJ
式中,I为煮沸温度(约为100℃)下水的汽化潜热(kJ/kg)。
3.热损失Q23
米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为前二次耗热量的15%,即:
Q23=15%(Q21+Q22)
4.由上述结果得:
Q2=1.15(Q21+Q22)=8107482.807kJ
(三)第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q3
按糖化工艺,来自糊化锅的煮沸的米醪与糖化锅中的麦醪混合后温度应为63℃,故混合前米醪先从100℃冷却到中间温度t。
1.糖化锅中麦醪的初温t麦醪
已知麦芽粉初温为18℃,用50℃的热水配料,则麦醪温度为:
t麦芽=(G’麦芽c麦芽×
18+G2cw×
50)/G麦醪c麦醪
=(5068.69×
1.708×
18+17740.415×
4.18×
50)/(22809.105×
3.631)
=46.65℃
G麦醪=G’麦芽+G2=5068.69+17740.415=22809.105kg
c麦醪=(G’麦芽c麦芽+G2cw)/(G’麦芽+G2)
1.708+17740.415×
4.18)/(5068.69+17740.415)
=3.631kJ/(kg·
2.根据热量衡算,且忽略热损失,米醪与麦醪并合前后的焓不变,则米醪的中间温度为:
t=(G混合c混合t混合-G麦醪c麦醪t麦醪)/G’米醪c米醪
=(48542.45×
3.765×
63-22809.105×
3.631×
46.65)/(24875.567×
3.758)
=81.84℃
G’米醪=G米醪-V1=25733.345-857.778=24875.567kg
G混合=G米醪+G麦醪=25733.345+22809.105=48542.45kg
c混合=(G米醪c米醪+G麦醪c麦醪)/(G’米醪+G麦醪)
=(25733.345×
3.758+22809.105×
3.631)/(24875.567+22809.105)
=3.765kJ/(kg·
因此温度比煮沸温度只低20℃左右,考虑到米醪由糊化锅到糖化锅输送过程的热损失,可不必加中间冷却器。
3.Q3=G混合c混合(70-63)=1279336.27kJ
(四)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
1.混合醪升温至沸腾所耗热量Q41
(1)经第一次煮沸后米醪量为:
糖化锅的麦芽醪量为:
故进入第二次煮沸的混合醪量为:
G’混合=G’米醪+G麦醪=24875.567+22809.105=47684.672kg
(2)根据工艺,糖化结束醪为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)]=26.67%
(3)麦醪的比热容
c麦醪=(G’麦芽c麦芽+G2cw)/(G’麦芽+G2)
混合醪的比热容:
c’混合=(G’米醪c米醪+G麦醪c麦醪)/(G’米醪+G麦醪)
=(24875.567×
=3.697kJ/(kg·
(4)故Q41=26.67%G’混合c’混合(100-70)=1410498.149kJ
2.二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q42
煮沸时间为10min,蒸发强度为5%,则蒸发水分量为:
V2=26.67%G’混合×
10÷
60=105.98kg
故Q42=IV2=2257.2×
105.98=239218.056kJ
式中,I为煮沸下饱和蒸汽焓(kJ/kg)。
3.热损失Q43
根据经验有:
Q43=15%(Q41+Q42)
4.把上述结果代回Q4=Q41+Q42+Q43得
Q4=1.15(Q41+Q42)
=1897173.636kJ
(五)洗糟水耗热量Q5
设洗糟水平均温度为80℃,每100kg原料用水450kg,则用水量为:
G洗=9747.475×
450÷
100=43863.638kg
故Q5=G洗cw(80-18)
=11367700.29kJ
(六)麦汁煮沸过程耗热量Q6
Q6=Q61+Q62+Q63
1.麦汁升温至沸点耗热量Q61
有表5-2糖化物料衡算表可知,100kg混合原料可得到609.66kg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=9747.475×
609.66÷
100=59426.456kg
又c麦汁=(5848.489×
1.708+3898.99×
1.891+9747.475×
6.4×
4.18)/(9747.475×
7.4)=3.856kJ/(kg·
故Q61=
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