年产1000吨小米醋发酵车间设计.docx

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年产1000吨小米醋发酵车间设计

年产1000吨小米醋发酵车间设计

侯彦成

（陕西时代酿造科技有限公司杨凌712100）

摘要：

食醋发酵是继酒精发酵之后，在醋酸菌氧化酶的作用下，生成醋酸的过程。

食醋原料，按照工艺要求一般可以分为主料、辅料、填充料和添加剂四大类。

主料大致是含淀粉、含糖、含酒精的三类物质。

本设计对醋酸生产的发酵车间进行了工艺计算和设备选型。

关键词：

食醋、发酵罐、深层发酵。

绪论

1、食醋的起源与功能

食醋是传统的酸性调味品，我国酿醋自周朝开始，已有2500年历史。

中国各地物产气候不同，产生了各具特色的地方食醋，保持至今最著名的江苏镇江香醋、山西老陈醋、四川保宁麸醋、辽宁喀左陈醋等。

《中国医药大典》记载，“醋产浙江杭绍二县为最佳，实则以江苏镇江为”，镇江香醋以糯米为原料，是一种典型的米醋。

梁人陶弘景《神农本草经注》中就有关于镇江米醋用法的记载，据此，镇江香醋已有1400多年的历史。

性能：

味酸、甘，性平。

归胃、肝经。

能消食开胃，散淤血，止血，解毒。

因原料和制作方法的不同，醋的成品风味迥异。

醋是用得较多的酸性调味料。

每100mL醋中的醋酸含量，普通醋为3.5g以上，优级醋为5g以上。

由于醋能改善和调节人体的新陈代谢，作为饮食调料，需要量不断增长。

2、食醋的种类

食醋可划分为酿造醋、合成醋、再制醋三大类。

酿造醋是用粮食等为原料，经微生物制曲、糖化、酒精发酵、醋酸发酵等阶段酿制而成。

除主要成分醋酸外，还含有各种氨基酸、有机酸、糖类、维生素、醇和酯等营养成分和风味成分。

合成醋是用化学方法合成的醋酸配制而成，缺乏发酵调味品的风味，质量不佳。

再制醋是以酿造醋为基料，经过进一步加工制成，如五香醋、蒜醋、固体醋等。

3、食醋的原料

食醋原料，按照工艺要求一般可以分为主料、辅料、填充料和添加剂四大类。

主料大致是含淀粉、含糖、含酒精的三类物质。

辅料，一般使用谷糠、麸皮或豆粕作辅料。

他们不仅含有一定量的碳水化合物，而且含有丰富的蛋白质和矿物质，为酿醋用微生物提供营养物质，并增加成醋的糖分和氨基酸含量，形成醋的色香味成分。

填充料，固态发酵法制醋以及速酿法制醋都需要填充料，其主要作用是疏松醋醅，积存和流通空气。

添加剂：

食盐，醋醅发酵成熟后要及时加入食盐以抑制醋酸菌，防止醋酸菌将醋酸分解，同时食盐还起到调和风味的作用。

砂糖、香辛料，能增加醋的甜味，并赋予食醋特殊的风味。

炒米色，能增加醋色泽及香气。

4、食醋的生产工艺

食醋的生产工艺分固态法及液态法两类。

（1）固态法酿醋工艺传统的固态法酿醋工艺主要有3种。

1、用大曲制醋：

以高粱为主要原料，利用大曲中分泌的酶，进行低温糖化与酒精发酵后，将成熟醋醅的一半置于熏醅缸内，用文火加热，完成熏醅后，再加入另一半成熟醋醅淋出的醋液浸泡，然后淋出新醋。

最后，将新醋经三伏一冬日晒液与捞冰的陈酿过程，制成色泽黑裼、质地浓稠、酸味醇厚、具有特殊芳香的食醋。

著名的有山西老陈醋。

2、用小曲制醋：

以糯米和大米为原料，先利用小曲（又称酒药）中的根霉和酵母等微生物，在米饭粒上进行固态培菌，边糖化边发酵。

再加水及麦曲，继续糖化和酒精发酵。

然后酒醪中拌入麸皮成固态入缸，添加优质醋醅作种子，采用固态分层发酵，逐步扩大醋酸菌繁殖。

经陈醋酿后，采用套淋法淋出醋汁，加入炒米色及白糖配制，澄清后，加热煮沸而得香醋。

著名的有镇江香醋。

3、以麸皮为主料，用糯米加酒或蓼汁制成醋母进行醋酸发酵，醋醅陈酿一年，制得风味独特的麸醋。

著名的有四川保宁（今阆中县）麸醋及四川渠县三汇特醋。

固态发醋法酿醋，由于是利用自然界野生的微生物，所以发酵周期长，醋酸发酵中又需要翻醅，劳动强度大。

目前已采用纯种培养麸曲作糖化剂，添加纯种培养酵母菌制成的酒母，进行酒精发酵，再用纯种培养醋酸菌制成的醋母，进行醋酸发酵而制得食醋。

也有采用酶法液化通风回流法，将原料加水浸泡磨浆后，先添加细菌α-淀粉酶加热液化,再加麸曲糖化,糖化醪冷却,加入酒母进行酒精发酵,待酒精发酵结束,将酒醪、麸皮、砻糠与醋母充分混合后，送入设有假底的醋酸发酵池中，假底下有通风洞，可让空气自然进入，利用自然通风及醋回流代替翻醅，并使醋醅发酵温度均匀，直至成熟。

酶法液化通风回流法的产量，出醋率和劳动生产率均比传统法高。

（2）液态法酿醋工艺传统的液态法酿醋工艺有多种。

1、以大米为原料，蒸熟后在酒坛中自然发霉，然后加水成液态，常温发酵3-4个月。

醋醪成熟后，经压榨、澄清、消毒灭菌，即得色泽鲜艳、气味清香、酸味不刺鼻、口味醇厚的成品。

著名的有江淅玫瑰米醋。

2、以糯米、红曲、芝麻为原料，采用分次添加法，进行自然液态发酵，并经3年陈酿，最后加白糖配制而得成品。

著名的有福建红曲老醋。

3、以稀释的酒液为原料，通过有填充料的速酿塔内进行醋酸发酵而成，如辽宁省丹东白醋。

液态发酵法制醋也渐采用深层发酵新工艺。

淀粉质原料经液化、糖化及酒精发酵后，酒醪送入发酵罐内，接入纯粹培养逐级扩大的醋酸菌液，控制品温及通风量，加速乙醇的氧化，生成醋酸，缩短生产周期。

发酵罐类型较多，现已趋缶使用自吸式充气发酵罐。

它于50年代初期被联邦德国首先用于食醋生产，称为弗林斯醋酸发酵罐，并在1969年取得专利。

日本、欧洲诸国相继采用。

本公司1997年新型研制的DF自动酿醋设备具有发酵周期短、醋酸转化率高、价格便宜等特点并于2002年取得了专利证书。

泰国、菲律宾、台湾等中国内陆地区相继采用。

现已服务过1900多家企业。

食醋品种虽然繁多、工艺条件各具特色，但食醋酿造的基本工艺流程包含淀粉糖化、酒精发酵和醋酸发酵三个阶段。

5、液态法食醋质量标准

（1）感官指标

具有本品种固有的色泽;有正常酿造食醋的滋味。

（2）理化指标

总酸（以醋酸计）含量/（g/100ml）≥3.5

无盐固型物含量/（g/100ml）≥1.5

一、设计任务

年产1000小米醋发酵车间设计

二、生产方案和流程的确定

（一）生产方案的确定

DF自动酿醋设备属于液态深层发酵制醋。

液态深层发酵制醋是将淀粉质原料经液化．糖化、酒精发酵后，在醋酸发酵罐中完成液体深层醋酸发酵的新工艺。

具有原料利用率高，自动化程度高，生产周期短（8-24h）等优点。

深层发酵法是向酒醪中接入醋酸菌后，采用向醪液中通入空气的方法来增加醪液中的溶解氧，使醋酸菌的醋酸发酵正常进行。

原料选择为小米，此地原料广泛，且小米制出来的醋口感较好。

（二）生产流程的确定

1.菌种选择

液化选择蜜蜂牌淀粉酶。

（市场购买）

糖化选择蜜蜂牌糖化酶。

（市场购买）

酿酒酵母菌选择安琪牌酿酒酵母。

酵母菌培养的最适发酵为26-29℃（市场购买）

醋酸菌选择LB活性醋酸菌。

（专用）生长繁殖适宜温度36-39℃，不耐热，最高生长温度40℃，最适PH3.5～6.5，耐食盐为1%～1.5%。

该菌产酸高达90%

2.原料预处理

（1）原料的筛选和除杂

1.剔除霉变的原料，除去附着的尘土和杂物。

2.对带有皮壳的原料去除皮壳。

（2）粉碎与水磨

扩大原料同微生物酶的接触面积，使有效成分被充分利用，大多数情况下先粉碎，然后再进行蒸煮、糖化。

（3）原料蒸煮液化

使植物组织破裂，细胞中的淀粉被释放出来，淀粉由颗粒状转变为溶胶状态，另一个作用是高温杀菌。

技术要点：

液化后的糖浆具有香味i，用竹片撩液滴点呈渣水分离状；碘反应成棕黄色；DE值15%～20%。

工艺参数：

流加法液化浆温88～90℃，90℃最佳。

维持30min；升温煮沸20分钟。

用NaCO3调pH；加CaCl20.2%补充Ca2+；加淀粉酶0.3%（酶活力2000u/g）。

3.糖化：

采用高温糖化法，也称酶法液化法，它是先以α-淀粉酶制剂在85～90℃对原料粉浆进行液化，然后再用麸曲在60℃进行糖化。

具有糖化速度快、淀粉利用率高等优点。

技术要点：

糖化液碘呈淡橙黄色；DE值25%～30%；酸度0.2%。

工艺参数：

加糖化酶5%（酶活力1200u/g）；降温至60℃，糖化温度为58-60℃；糖化时间2-4h

4.酒精发酵

通过冷却水降温至30℃，将酿酒酵母接入糖化醪中进行酒精发酵。

技术要点：

酒精含量4.0%～7.0%；酸度0.3%～0.4%。

工艺参数：

酒母1%（原料）；接种温度28℃，极限温度30℃；发酵温度30～37℃，最适32～33℃，发酵时间68-72h。

5.醋酸发酵

向酒精发酵醪中接入醋酸菌，在适宜的条件下，乙醇经醋酸菌的作用氧化为乙酸的过程称为醋酸发酵，它是酿醋的主要环节，直接影响到食醋的产量与食醋的风味。

醋酸发酵工序由醋酸菌种子培养、醋酸发酵和陈酿等组成。

技术要点：

酒液酒度4%～7%；醋酸发酵液酸度3.5%～6.5%。

工艺参数：

接种温度28～30℃；发酵温度36～39℃，最高不超过40℃；前期通风量0.07m³/（m³.min）、中期0.1～0.12m³/（m³.min）、后期0.08m³/（m³.min）；培养时间65～67h。

醋酸菌含有乙酰辅酶A合成酶，能催化醋酸氧化，反应生成的乙酰辅酶A进入三羧酸循环，进一步氧化为CO2和H2O。

其反应式如下：

所以，醋酸发酵成熟时就要加入1%～3%的食盐，以抑制醋酸菌的活性。

6.配兑、灭菌、罐装

技术要点：

灭菌后成品醋酸≥3.5%；醋液红褐色，无混浊，无沉淀，无异味；细菌数≤5000个/ml。

工艺参数：

灭菌温度90℃，维持3-5s；

三、工艺设计及计算

（一）工艺技术指标及基础数据

1.生产规模：

年产食醋5000t（醋酸含量4%质量分数）

2.生产工艺：

液态深层发酵、间歇发酵

3.工作制度：

全年工作300日，三班作业。

4.食醋日产量：

17t

5.食醋年产量：

5100t

6.副产品年产量：

次级食醋占食醋总量的2%。

7.产品质量：

符合GB18187—2000国家标准酿造食醋

8.大米原料含淀粉70%,水分13%。

9.α-淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为150u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量300u/g原料。

10.醋酸发酵罐发酵周期8d、周期数300/8=38。

技术参数：

淀粉糖化率：

80%

糖à酒精得率：

85%

酒精à醋酸得率：

80%

大米原料à成品醋：

160kg/t

（二）物料计算

1.主要原料的物料衡算

（1）淀粉糖化物料衡算

淀粉质原料加水加热糊化后，加入糖化曲或淀粉酶进行糖化，物料衡算总方程式

162180

1g1.11g

理论上1g淀粉完全水解后能生成1.111g葡萄糖。

但由于糖化酶的活力、种类、糖化工艺的原因，淀粉原料中支键淀粉和直链淀粉的比例不同，糖化结束后糖化醪中糖和非糖的比例控制不同等，因而使得糖化效果颇有差异，实际的糖化率一般以理论的75%-85%计算，即实际上1g淀粉能生成0.833~0.944g葡萄糖。

这里取80%，即1g淀粉能生成0.888g。

（2）酒精发酵物料衡算

向糖化醪液中接入酵母菌进行酒精发酵，其物料衡算可以用下列生化反应的总方程式为基础：

1802×4688

1g0.51g

理论上1g葡萄糖能生产0.51g酒精，但由于酵母菌的生长繁殖、中间代谢产物的生成、酒精的挥发等，实际的酒精得率一般以理论酒精得率的85%计算，即实际上1g葡萄糖能生成0.434g左右的酒精。

（3）醋酸发酵物料衡算

向酒精醪液中接入醋酸菌，进行醋酸发酵，其物料衡算可以用下列生化反应的总方程式为基础

466018

1g1.30g

根据总方程式计算得到：

理论上1g酒精能生产1.30g醋酸。

但由于醋酸菌的生长繁殖，发酵过程中酒精和醋酸的挥发，以及醋酸的进一步氧化等，实际的醋酸得率一般以理论得率的80%计算，实际上1g酒精能生产1g左右的醋酸。

由上述计算得知，用淀粉质原料酿醋时，1g纯淀粉能生成0.888g葡萄糖，经酒精发酵得到0.385g酒精，再经醋酸发酵可以得到0.385g醋酸。

即1t食醋含40kg醋酸，需40/0.385=103.9kg淀粉，需大米103.9/0.7=148.4kg。

（4）大米年消耗量

5100t食醋中醋酸含量：

5100×4%=204t

生产204t醋酸需要淀粉：

204/0.385=530t

年消耗大米量：

530/0.7=757.14t

（5）α-淀粉酶消耗量应用酶活力为2000u/g的α–淀粉酶使淀粉液化，促进糊化，可减少蒸汽消耗量。

α-淀粉酶用量按8u/g原料计算。

全年用酶量为：

757.14×8=3.03t

2000

单耗量：

3.03×103/5100=0.594kg/t

（6）麸曲耗用量所用麸曲糖化酶的活力为800u/g，使用量为150u/g原料，则糖化酶消全年耗量为：

757.14×150=142.96t

800

单耗量：

142.96×103/5100=28kg/t

（7）氯化钙（规格：

无水）

单耗：

0.15kg/t：

全年投料量：

0.15×5100=765kg

（8）纯碱（规格：

工业用）

单耗：

0.225kg/t：

全年投料量：

0.225×5100=1147.5kg

表1、原料消耗表（5000t/a）

名称规格单耗全年投料量

大米淀粉含量70%148.4kg/t757.14×103kg

α-淀粉酶2000u/g0.594kg/t3.03×103kg

麸曲800u/g28kg/t142.96×103kg

氯化钙无水0.15kg/t765.07kg

纯碱工业纯碱0.225kg/t1.15×103kg

2.蒸煮醪量的计算

根据生产实践，淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1:

3，粉浆量为：

148.4×（1+3）=593.6kg

式中148.4——生产1t食醋（醋酸含量4%）需要的大米量

蒸煮过程使用直接蒸汽加热，在后熟器和汽液分离器减压蒸发、冷却降温。

在蒸煮过程中，蒸煮醪量将发生变化，故蒸煮醪的精确计算必须与热量衡算同时进行，因而十分复杂。

为简化计算，可按下述方法近似计算。

假定用罐式连续蒸煮工艺，混合后粉浆温度50℃，应用喷射液化器使粉浆迅速升温至88℃，然后进入连续液化器液化，再经115℃高温灭酶后，在真空冷却器中闪急蒸发冷却至63℃后入糖化罐。

其工艺流程图如下图所示。

图3、粉浆连续蒸煮液化工艺流程

干物质含量B0=87%的大米比热容为；

c0=4.18（1-0.7B0）=1.63[kJ/（kg.K）]

粉浆干物质浓度为：

B1=87/（4*100）=21.8%

蒸煮醪比热容为：

c1=B1c0+（1.0-B1）×cw

=21.8%×1.63+（1.0-21.8%）×4.18

=3.62[kJ/（kg.K）]

式中cw——水的比热容[kJ/（kg.K）]

为简化计算，假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程维持不变。

⑴经喷射液化加热后蒸煮醪量为：

式中2748.9——喷射液化器加热蒸汽（0.5Mpa）的焓（kJ/K）

⑵经二液化维持罐出来的蒸煮醪量为：

630–630×3.62×（88-84）=626（kg）

2288.3

式中2288.3——第二液化维持罐的温度为84度下饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）

⑶经喷射混合加热器后的蒸煮醪量为；

626+626×3.62×（115-84）=657（kg）

2748.9-115×4.18

式中115——灭酶温度（摄氏度）

2748.9——0.5Mpa饱和蒸汽的焓（kJ/K）

⑷经汽液分离器后的蒸煮醪量：

657-657×3.62×（115-104.3）=646（kg）

2245

式中2245——104.3摄氏度下饱和蒸汽的汽化潜热（kg）

⑸经真空冷却后最终蒸煮醪量为：

646-646×3.62×（104.3-63）=605（kg）

2351

式中2351——真空冷却温度为63摄氏度下的饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）。

粉浆中干物质的质量分数：

=21.28%

3.糖化醪量的计算

麸曲（糖化力800u/g干曲），单耗：

28kg/t：

生产1t食醋的糖化醪量：

605+28=633kg

糖化醪干物质质量分数：

=20.5%

4.酒精发酵醪的计算

（1）实际产酒精量=原料量×淀粉含量×实际产酒率

=148.4×0.7×0.385

=39.9kg

（2）发酵中CO2产量：

39.9×=38.2kg

（3）发酵中溢出水分（按2%计）：

39.9×0.02=0.8kg

（4）酒精发酵成熟醪总质量（含醋母醪量）：

633–38.2–0.8=594Kg

（5）成熟醪体积（成熟醪密度为0.99Kg/L）：

594/0.99=600L

（6）成熟醪中酒精体积分数（酒精d420=0.7893）：

酒精体积分数==8.43%

5.醋酸发酵醪的计算

（1）醋酸发酵醪质量（含醋母醪量）发酵时添加蛋白质水解液（d420=1.2）50Kg/t：

594+50=644kg

（2）醋酸发酵醪体积：

600+50/1.2=641.7L

（3）原料产醋量（转化率取84%）：

39.9×1.30×84%=43.57kg

（4）醋酸发酵时消耗氧气：

43.57×=23.2kg

（5）醋酸成熟醪的质量：

644+23.2=667.2Kg

（6）成熟醪体积（成熟醪密度1.01Kg/L）：

667.2/1.01=660.6L

（7）成熟醪醋酸的质量分数：

43.57/667.2=6.53%

（8）配兑消毒后成品中醋酸量按经验数据：

压滤损失4%，消毒运输损失为1.2%，共损失5.2%，则醋酸量：

=41.3kg

（9）配兑成4%醋酸含量的成品醋的质量：

41.3/0.04=1032.5kg>1t，所以符合生产要求

（10）4%成品醋的体积（成品醋密度1.01Kg/L）：

1032.5/1.01=1032.5L

（11）原料出醋率：

1032.5/148.4=6.96（Kg/Kg）

（三）热量衡算

1.液化过程中的热量衡算

粉浆质量m=593.6+0.594+0.15+0.225=594.57kg；

粉浆比热容c=3.72[KJ/Kg.K]；

液化过程总耗热量为Q1

粉浆由初温T0加热至88℃总耗热量为Q2。

（1）设粉浆初温取T0=20℃，流加法液化浆温为88℃，耗热量为Q2’。

则Q2’=mc（88-To）

=594.57×3.72×（88-20）

=150402KJ

（2）加热过程中蒸汽带出的热量为Q2’’

加热时间为40min，蒸发量为每小时5%。

则蒸发水量为：

V水=m×5%×40/60

=594.57×5%×40/60

=19.8Kg

Q2’’=V水I

=19.8×2257.2

=44693KJ

式中I为水的汽化潜热（KJ/Kg）

（3）热损失Q2’’’

热损失为耗热量的15%：

Q2’’’=15%×（Q2’+Q2’’）

（4）则总耗热量为：

Q2=1.15×（Q2’+Q2’’）

=1.15×（150402+44693）

=224360KJ

再次升温煮沸到100℃后所需热量为Q3

此时液化醪的质量为m1=605Kg

Q3=m1×c×（100-88）

=605×3.72×12

=27007.2KJ

液化过程中总耗热量为Q1

Q1=Q2+Q3

=224360+27007.2

=251367.2KJ

2.糖化过程热量衡算

液化醪质量为m1=605Kg

液化醪比容热为c1

c1=

式中：

c0——淀粉质比热容为1.55[kJ/（kg.K）]

ω——液化醪中干物质含量（%）

c水——水的比热容为4.18[kJ/（kg.K）]

所以，c1==3.62[kJ/（kg.K）]

（1）糖化过程加曲前，要将液化醪降温到加曲温度64℃，所放出的热量为Q4

Q4=m1×c1×（100-64）

=605×3.62×（100-64）

=78843.6KJ

（2）加曲后，开始糖化的温度为60℃，该过程发出的热量为Q5

加曲后糖化醪的质量为m2=5275.2Kg

Q5=m1×c1×（64-60）

=605×3.62×（64-60）

=8760.4KJ

（3）糖化过程放出热量Q6

Q6=Q4+Q5

=78843.6+8760.4

=87604KJ

（4）冷却水初始温度为17℃，最终温度为35℃，则糖化阶段冷却水耗用量为W：

W=

=

3.酒精发酵过程热量衡算

（1）酒母接种温度为28℃，糖化醪降温到酒精发酵温度放出热量为Q7

糖化醪（含酒母醪）质量m2=633Kg

Q7=m2×c1×（60-28）

=633×3.62×（60-28）

=73326.72KJ

（2）酒精发酵温度为33℃，升温到酒精发酵温度所需热量为Q8

Q8=m2×c1×（33-28）

=633×3.62×（33-28）

=11457.3KJ

（3）产1t食醋过程中产生酒精39.9kg，以葡萄糖为碳源酵母发酵每生产1Kg酒精放出的热量约为1170KJ，则发酵和酵母培养每小时放出的热量为：

Q9=1170*39.9=46683KJ

（4）冷却水初始温度为17℃，最终温度为35℃，酒精发酵阶段冷却水用量为W1

W1=

=

（5）酒精发酵阶段蒸汽耗用量为D1

1.因为投入的是液体曲，糖化醪干物质质量分数ω’：

ω’==20.54%

2.糖化醪的比热容c2：

c2=

=3.56[kJ/（kg.K）]

3.蒸汽耗用量D1为

D1=

=

4.醋酸发酵过程热量衡算

（1）醋母接种温度为28℃，酒精发酵醪降温到醋酸发酵温度放出热量为Q10

酒精发酵成熟醪质量m3=600Kg

Q10=m3×c1×（33-28）

=600×3.62×5

=10860KJ

（2）醋酸发酵温度为33℃，升温到醋酸发酵温度所需热量为Q11

Q11=m3×c1×（33-28）

=600×3.62×（33-28）

=10860KJ

（3）生产1t食醋过程中产生醋酸43.57kg，以酒精发酵每生产1Kg醋酸放出的热量约为7458.5KJ，则发酵罐每小时放出的热量为（醋酸发酵时间66h）：

Q12=7458.5*43.57/66=4923.74KJ/（t.h）

（4）冷却水初始温度为17℃，最终温度为35℃，酒精发酵阶段冷却水用量为W2

W2=

=

（5）醋酸发酵阶段蒸汽耗用量为D2

D2=

=

（四）无菌压缩空气消耗量计算

深层发酵法的通风量计算如下：

理论需氧量：

22.4（L）60（g）

ab

a=22.4×b/60

式中a——理论需氧量，L/min

b——理论产酸速度，g/min

b==13.10g/min

理