5万吨12淡色啤酒发酵罐的设计11.docx
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5万吨12淡色啤酒发酵罐的设计11
四川理工学院
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5万吨12度淡色啤酒厂发酵罐设计
学生名称：
周文晶
所属院系：
生物工程学院
专业班级：
生物工程08级4班
学籍学号：
08041010419
指导老师：
边名鸿，赵静
设计时间：
2011-12-05--2011-12-19
前言.........................................................3
第一章：
绪论.................................................4
1.1设计选题的目的......................................................4
1.2设计工作的意义......................................................4
1.3课题研究的内容及方法....................................................4
1.4工艺选择................................................................4
1.5设备选择................................................................5
第二章：
啤酒工艺选择与论证..................................................6
2.1啤酒原料................................................................6
2.2麦汁制备................................................................6
2.3麦汁过滤................................................................8
2.4麦汁煮沸................................................................8
2.5麦汁后处理..............................................................8
2.6啤酒发酵的工艺论证......................................................9
2.7啤酒过滤................................................................15
第三章：
物料衡算...........................................................17.
3.1物料衡算的意义..........................................................17
3.2物料衡算的基础数据......................................................17
3.3100Kg原料生产12度啤酒的物料衡算.......................................17
3.4生产100L12度啤酒的物料衡算.............................................18
3.5年产5万吨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
4.1发酵车间工艺流程........................................................23
4.2工艺技术指标及基础数据..................................................23
4.3麦汁冷却耗冷量Q1........................................................23
4.4发酵耗冷量Q2............................................................23
第五章：
发酵罐的设计与选型..................................................25
5.1发酵罐数量的确定........................................................25
5.2发酵罐体积的确定........................................................25
5.3发酵罐材料的选择........................................................25
5.4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5万吨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.
第1章
绪论
1.1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。
1.2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。
1.3课题研究内容及方法
1.3.1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。
1.3.2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。
1.3.3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。
1.4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。
1.5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
2.1啤酒原料
2.1.1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0.89mmol/L，水中含盐量要求很低。
2.1.2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。
2.1.3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。
2.1.4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。
2.1.5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。
2.2麦汁制备
2.2.1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。
2.2.2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。
2.2.3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。
2.2.4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。
2.3麦汁过滤
2.3.1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。
2.3.2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。
2.4麦汁煮沸
2.4.1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。
2.4.2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1.0～1.5°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。
2.5麦汁后处理
2.5.1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。
2.5.2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。
2.5.3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。
2.6啤酒发酵的工艺论证
2.6.1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
0.3～0.4
10～12
0.4～0.6
13～15
0.5～0.7
16～20
0.6～1.0
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。
2.6.2 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：
1.啤酒酵母的菌株选择。
2.麦汁组分。
3.酵母接种量和接种技术。
4.起酵温度和发酵温度。
5.发酵设备和酵母在发酵中的流态。
6.后酵（或双乙酰还原）条件选择。
7.酵母分离时间和方法。
8.储酒条件和时间。
9.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。
2.6.3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（10.5～11℃），主酵期（12.8～13℃），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1.5～2.0°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0.3°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0.25～0.30（w/wl左右）
⑤PH值的变化:
冷麦汁PH一般为5.2～5.7，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
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