36万吨年10啤酒厂糖化工段进行初步实用实用工艺设计.docx
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36万吨年10啤酒厂糖化工段进行初步实用实用工艺设计
生物工程课程设计
——啤酒厂糖化工段初步工艺设计
班级
学号
姓名
成绩
一、设计任务书1
1.1设计任务1
1.2技术指标1
1.3要求1
二、糖化工艺方法与流程2
2.1啤酒生产工艺总体流程2
2.2糖化工艺的流程2
2.3糖化方法的选择2
三、工艺计算3
3.1物料衡算3
3.1.1100kg原料（70％麦芽、30％大米）生产10°啤酒物料衡算3
3.1.2生产100L10°淡色啤酒的物料衡算4
3.1.3年产3.6万吨10°啤酒厂的物料衡算4
3.2热量衡算6
3.2.1糖化用水耗热量Q16
3.2.2第一次米醪煮沸耗热量Q26
3.2.3第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q37
3.2.4第二次煮沸混合醪的耗热量Q48
3.2.5洗糟水耗热量Q59
3.2.6麦汁煮沸过程耗热量Q69
3.2.7糖化一次总耗热量Q总10
3.2.8糖化一次耗用蒸汽量D10
3.2.9糖化过程每小时最大蒸汽耗量Qmax11
3.2.10蒸汽单耗11
四、计算结果12
4.1物料衡算结果12
4.2热量衡算结果12
五、问题分析与讨论13
5.1蒸汽能量的回收利用13
5.2啤酒生产过程中废水的处理13
六、附图13
一、设计任务书
1.1设计任务
对3.6万吨/年10°啤酒厂糖化工段进行初步工艺设计
1.2技术指标
表一啤酒生产技术指标
项目
名称
百分比（%）
项目
名称
百分比（%）
定额指标
原料利用率
98.5
原料配比
麦芽
70
麦芽水分
5
大米
30
大米水分
10
啤酒损失率（对热麦汁）
冷却损失
4.0
无水麦芽浸出率
75
发酵损失
1.0
无水大米浸出率
95
过滤损失
0.5
麦芽清净和磨碎损失
0.1
装瓶损失
2.0
总损失
7.5
1.3要求
1.依据给出的技术指标，选择适当的糖化工艺并进行糖化工段的物料衡算和热量衡算。
2.将计算结果分别汇总成物料衡算一览表和能量衡算一览表。
3.根据计算结果CAD绘制糖化工段物料平衡图，并打印A3图纸一张。
二、糖化工艺方法与流程
2.1啤酒生产工艺总体流程
啤酒是一种以麦芽和水为主要原料，经糖化、添加酒花煮沸、过滤、啤酒酵母发酵等过程，酿造而成含二氧化碳、低酒精浓度的酿造酒。
啤酒生产首先要经过预处理、糖化、过滤、煮沸，才能供酒母发酵所用，这段工艺的水准将直接影响到糖化收得率、过滤时间、麦汁澄清度、发酵进程、双乙酰还原速度、啤酒澄清状况等质量参数，因此这是关系到啤酒质量的一个重要工艺流程。
2.2糖化工艺的流程
麦芽汁制备俗称糖化，就是指麦芽及辅料的粉碎，醪的糖化、过滤，以及麦汁煮沸、冷却的过程。
其流程图如附图所示。
糖化工序主要将大米和麦芽等原料经除尘、粉碎、调浆后送入糊化、糖化锅内，严格按照啤酒生产的工艺曲线进行升温、保温，并在酶的作用下，使麦芽等辅料充分溶解，再将麦汁与麦糟过滤分离。
过滤后的麦汁经煮沸、蒸发、浓缩以达到工艺要求的浓度，同时，在这个工艺过程中添加酒花，煮沸后的麦汁送入回旋沉淀槽中进行澄清，再经过薄板冷却至7℃~8℃左右送入发酵罐。
糖化是利用麦芽自身的酶（或外加酶制成剂代替部分麦芽）将麦芽和辅料中不溶性的高分子物质分解成可溶性的低分子物质等的麦汁制备过程。
整个过程主要包括：
淀粉分解，蛋白质分解，β－葡聚糖分解，酸的形成和多酚物质的变化。
麦芽自身的酶含量丰富足以用于糖化。
在我们的设计中糖化是利用麦芽自身的酶。
2.3糖化方法的选择
糖化主要有煮出糖化法、浸出糖化法、双醪煮出糖化法三种方法。
本次糖化工艺设计采用二次煮出糖化法。
这个方法的特点是在糊化锅中前后进行过2次煮沸操作，第1次是将辅助原料在糊化锅中煮沸糊化，然后再进入糖化锅糖化。
煮沸糊化的目的是使糖化时糖化酶充分发挥作用。
第2次煮沸的对象是部分糖化醪液，煮沸的目的是为了除酶，避免其对啤酒泡沫和口味醇厚性有益的物质的过度分解，而影响啤酒的质量水准。
三、工艺计算
根据表一数据，先进行100kg原料（麦芽、大米）生产10°啤酒的物料计算，然后进行100L10°啤酒物料衡算,最后进行36000吨/年啤酒厂他糖化车间的平衡计算。
3.1物料衡算
3.1.1100kg原料（70％麦芽、30％大米）生产10°啤酒物料衡算
1.热麦汁量：
由技术指标数据可得原料收得率分别为
麦芽收率：
0.75×（100－5）÷100＝71.25％
大米收率：
0.95×（100－10）÷100＝85.5％
混合原料收得率为：
（0.70×71.25％＋0.30×85.5％）×98.5％＝74.39％
由上述可得100kg混合原料可制得10°热麦汁量为：
（74.39÷10）×100＝743.92（kg）
又知10°麦汁在20℃时的相对密度为1.084，而100℃热麦汁比20℃时的体积增加1.04倍，故100℃热麦汁体积为：
（743.92÷1.084）×1.04＝713.72（L）
2.冷麦汁量：
713.72×（1－0.04）＝685.17（L）
3.发酵液量：
685.17×（1－0.01）＝678.32（L）
4.过滤酒量：
678.32×（1－0.005）＝674.93（L）
5.成品啤酒量：
674.93×（1－0.02）＝661.43（L）
6.酒花耗用量：
热麦汁加入酒花量定为0.2％，则：
100Kg原料耗用酒花量为:
743.92×0.2%＝1.49（kg）
7.湿糖化糟：
设排出湿麦糟水分含量为80％，则：
湿麦糟量为：
70×[（1－0.05）（1－75％）/（1－80％）]＝83.13（kg）
湿大米糟量为：
30×[（1－0.10）（1－95％）/（1－80％）]＝6.75（kg）
故湿糖化糟量为：
83.13＋6.75＝89.88（kg）
8.湿酒花糟：
设酒花糟在麦汁中浸出率40％，酒花糟水分含量为80％，则：
湿酒花糟量为：
1.49×[（1－40％）/（1－80％）]＝4.47（kg）
3.1.2生产100L10°淡色啤酒的物料衡算
由上面计算可知100kg混合原料可生产10°成品啤酒661.43L
1.生产100L10°淡色啤酒需耗混合原料为：
100/661.43×100＝15.12（kg）
2.麦芽耗用量：
15.12×70％＝10.58（kg）
3.大米耗用量：
15.12×30％＝4.54（kg）
4.酒花耗用量：
热麦汁中加入酒花量为0.2％，则：
100L10°啤酒耗用酒花量为：
713.72/661.43×100×0.2％=0.22（kg）
5.热麦汁量：
713.72/661.43×100＝107.91（L）
6.冷麦汁量：
685.17/661.43×100＝103.59（L）
7.发酵液量：
678.32/661.43×100＝102.55（L）
8.过滤酒量：
674.93/661.43×100＝102.04（L）
9.湿糖化糟量：
设排出的湿麦糟水份含量为80％，则：
湿麦糟量为：
10.58×[（1－0.05）（1－75％）/（1－80％）]＝12.56（kg）
湿大米糟量为：
4.54×[（1－0.10）（1－95％）/（1－80％）]＝1.02（kg）
故湿糖化糟量为：
12.56＋1.02＝13.58（kg）
10.酒花糟量：
设酒花糟在麦汁中浸出率40％，酒花糟水分含量为80％，则：
湿酒花糟量为：
0.22×[（1－40％）/（1－80％）]＝0.66（kg）
3.1.3年产3.6万吨10°啤酒厂的物料衡算
设生产旺季每天糖化6次，而淡季糖化4次，旺季以200天计，淡季100天。
则每年总糖化次数：
6×200+4×100＝1600次。
3.6万吨10°淡色啤酒糖化车间物料衡算：
1.3.6万吨啤酒的体积为：
3.6×104×103/（1012×10-3）=35573122.53（L）
2.糖化1次成品酒定额量：
35573122.53÷1600＝22233.20（L）
3.消耗混合原料：
22233.20×15.12/100＝3361.66（kg）
4.麦芽耗用量：
3361.66×70％＝2353.16（kg）
5.大米耗用量：
3361.66×30％＝1008.50（kg）
6.酒花耗用量：
0.22×22233.20/100＝48.91（kg）
7.热麦汁量：
107.91×22233.20/100＝23991.85（L）
8.冷麦汁量：
103.59×22233.20/100＝23031.37（L）
9.发酵液量：
102.55×22233.20/100＝22800.15（L）
10.过滤液量：
102.04×22233.20/100＝22686.76（L）
11.湿糖化糟量：
13.58×22233.20/100＝3019.27（kg）
12.湿酒花糟量：
0.66×22233.20/100＝146.74（kg）
13.成品酒量：
100×22233.20/100＝22233.20（L）
把上述的有关啤酒糖化车间的三项物料衡算计算结果，整理成物料衡算表，如表二：
表二啤酒厂糖化车间物料衡算表
物料名称
单位
100kg混合原料
100L10°啤酒
糖化一次定额
3.6万吨/年
啤酒生产
混合原料
Kg
100
15.12
3361.66
5.38×106
麦芽
Kg
70
10.58
2353.16
3.77×106
大米
Kg
30
4.54
1008.50
1.61×106
酒花
Kg
1.49
0.22
48.91
7.83×104
热麦汁
L
713.72
107.91
23991.85
3.84×107
冷麦汁
L
685.17
103.59
23031.37
3.67×107
湿糖化糟
Kg
89.88
13.58
3019.27
4.83×106
湿酒花糟
Kg
4.47
0.66
146.74
2.35×105
发酵液
L
678.32
11.60
22800.15
3.65×107
过滤液
L
674.93
0.63
22686.76
3.63×107
成品啤酒
L
661.43
100
22233.20
3.56×107
10°淡色啤酒密度为1012kg/m3
全年实际生产啤酒量为：
3.56×107×1.012＝3.6万吨
3.2热量衡算
二次煮出糖化法是啤酒生产常用的糖化工艺，本设计就以此工艺为基准进行糖化车间的热量衡算。
工艺流程示意图如附图，其中的投料量为3.6万吨/年啤酒厂糖化阶段一年的用料量。
3.2.1糖化用水耗热量Q1
根据工艺，糊化锅加水量为：
G1＝（1008.50＋201.70）×4.5＝5445.90（kg）
式中，1008.50为糖化一次的大米粉量，201.70为糊化锅中加入的麦芽粉量（为大米量的20％）。
而糖化锅中的加水量为：
G2＝2151.46×3.5＝7530.11（kg）
式中，2151.46为糖化一次糖化锅投入的麦芽粉量，即：
2353.16－201.70＝2151.46（kg），而2353.16为糖化一次麦芽定额量。
综上所述，糖化总用水量为：
Gw＝G1＋G2＝5445.90＋7530.11＝12976.01（kg）
自来水平均温度取t1＝18℃，而糖化配料用水温度t2＝50℃，比热容cw＝4.18kJ/（kg.K），故耗热量为：
Q1＝（G1＋G2）cw（t2－t1）＝12976.01×4.18×（50－18）
＝1735671.10（kJ）
3.2.2第一次米醪煮沸耗热量Q2
由糖化工艺流程图可知：
Q2=Q2′+Q2″+Q2‴
1.糊化锅内米醪由初温t0加热至100℃，耗热量：
Q2′＝G米醪.c米醪（100－t0）
（1）计算米醪的比热容：
c米醪,由经验公式c谷物＝0.01[（100－W）c0＋4.18W]进行计算。
式中W为含水百分比、c0为绝对谷物比热容，取c0=1.55kJ/（kg·K）。
c麦芽＝0.01×[（100－5）×1.55＋4.18×5]＝1.68[kJ/（kg·K）]
c大米＝0.01×[（100－10）×1.55＋4.18×10]＝1.81[kJ/（kg·K）]
c米醪＝
＝
＝3.75[kJ/（kg·K）]
（2）米醪的初温t0，设原料初温为18℃，而热水为50℃，则：
G米醪＝G大米＋G麦芽＋G1＝1008.50＋201.70＋5445.90＝6656.10（kg）
t0＝
＝
＝47.16℃
（3）把上述结果代入式Q2′＝G米醪c米醪（100－t0）中，得：
Q2′＝6656.10×3.75×（100－47.16）＝1318906.22（kJ）
2.煮沸过程蒸汽带出的热量Q2″
煮沸时间40min，蒸发量为每小时5％，则蒸发水份量为：
V1＝G米醪×5％×40÷60＝6656.10×5％×40÷60＝221.87（kg）
故：
Q2″＝V1I＝221.87×2257.2＝500804.96（kJ）
式中，I为煮沸温度（约为100℃）下水的汽化潜热（kJ/kg）
3.热损失Q2‴
米醪升温和第一次煮沸过程的热损失为前两次耗热量的15％，即：
Q2‴＝15％（Q2′＋Q2″）
4.由上述结果得：
Q2＝1.15（Q2′＋Q2″）＝1.15×（1318906.22＋500804.96）
＝2092667.86（kJ）
3.2.3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醪与糖化锅中的麦醪混合后温度应为63℃，所以混合前米醪应先从100℃冷却到中间温度t0
1.糖化锅中麦醪的初温t麦醪
已知麦芽粉初温为18℃，用50℃热水配料，则麦醪温度为：
糖化锅的麦芽醪量为：
G麦醪＝G麦芽＋G2＝2151.46＋7530.11＝9681.57（kg）
c麦醪＝
＝
＝3.62[kJ/（kg.K）]
t麦醪＝
＝
＝46.76℃
2.经第一次煮沸后米醪量为：
G′米醪＝G米醪－V1＝6656.10－221.87＝6434.23（kg）
进入第二次煮沸的混合醪量为：
G混合＝G′米醪＋G麦醪＝6434.23＋9681.57＝16115.80（kg）
3.混合醪比热容：
c混合＝（G麦醪c麦醪＋G′米醪c米醪）/G混合
＝（9681.57×3.62＋6434.23×3.75）/16115.80＝3.67[kJ/（kg.K）]
根据热量衡算，且忽略热损失，米醪与麦醪合并前后的焓不变，则米醪中间温度为：
t＝
＝
＝88.23℃
因为此温度只比煮沸温度低11度多，考虑到米醪由糊化锅到糖化锅的输送过程的热损失，可不必加中间冷却器。
4.综上可得:
Q3＝G混合c混合（70－63）＝16115.80×3.67×（70－63）
＝414014.90（kJ）
3.2.4第二次煮沸混合醪的耗热量Q4
由糖化工艺流程可知：
Q4＝Q4′＋Q4″＋Q4‴
1.混合醪升温至沸腾所耗热量Q4′
据工艺糖化结束温度78℃，抽取混合醪的温度70℃，送到第二次煮沸的混合醪量为：
×100％
＝
×100％＝26.67％
沸醪耗热量为：
Q4′＝26.67％G混合c混合（100－70）
＝26.67％×16115.80×3.67×（100－70）＝473219.03（kJ）
2.二次煮出过程蒸汽带走的热量Q4″
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×5％×10÷60
＝26.67％×16115.80×5％×10÷60＝35.81（kg）
则：
Q4″＝IV2＝2257.2×35.81＝80836.85（kJ）
式中，I为煮沸温度下饱和蒸汽的焓（kJ/kg）。
3.热损失Q4‴
根据经验有：
Q4‴＝15％（Q4′＋Q4″）
4.综上可得：
Q4＝1.15×（Q4′＋Q4″）＝1.15×（473219.03＋80836.85）
＝637164.26（kJ）
3.2.5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＝3361.66×450÷100＝15127.47（kg）
Q5＝G洗cw（80－18）＝15127.47×4.18×（80－18）
＝3920435.13（kJ）
3.2.6麦汁煮沸过程耗热量Q6
Q6＝Q6′＋Q6″＋Q6‴
1.麦汁升温至沸点耗热量Q6′
由物料衡算可知，100kg混合原料可得713.72kg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＝3361.66×713.72÷100＝23992.84（kg）
此时麦汁比热容为：
c麦汁＝
＝3.87[kJ/（kg.K）]
Q6′＝G麦汁c麦汁（100-70）＝23992.84×3.87×（100-70）
＝2785568.72（kJ）
2.煮沸过程蒸发耗热量Q6″
煮沸强度10％，时间1.5h，则蒸发水分为：
V3＝G麦汁×10％×1.5＝23992.84×10％×1.5＝3589.93（kg）
由上可得：
Q6″＝IV3＝2257.2×3589.93＝8123495.77（kJ）
3.热损失Q6‴
根据经验有：
Q6‴＝15%（Q6′＋Q6″）
4.综上可得麦汁煮沸总耗热量为：
Q6＝1.15×（Q6′＋Q6″）＝1.15×（2785568.72＋8123495.77）
＝12545424.16（kJ）
3.2.7糖化一次总耗热量Q总
＝1735671.10＋2092667.86＋414014.90
＋637164.26＋3920435.13＋12545424.16
＝21345377.41（kJ）
3.2.8糖化一次耗用蒸汽量D
使用表压为0.3MPa的饱和蒸汽I＝2725.3kJ/kg，则：
＝10383.82（kg）
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％。
3.2.9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最大，且知煮沸时间为90min，热效率95％。
故：
＝8803806.43（kJ/h）
相应的最大蒸汽耗热量为：
＝4068.62（kg/h）
3.2.10蒸汽单耗
据设计，每年糖化次数为1600次，共生产啤酒36000吨
每年耗蒸汽总量为：
DT＝10383.82×1600＝16614109.85（kg）
每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）：
Ds＝16614109.85÷36000＝461.50（kg/t）啤酒
每昼夜耗蒸汽量（按生产旺季计算）为：
Dd＝10383.82×6＝62302.92（kg/d）
最后，把上述计算结果列成热量消耗综合表：
表三3.6万吨/年啤酒厂糖化车间总热量衡算表
名称
规格
（MPa）
每吨产品消耗定额（kg）
每小时最大用量（kg/h）
每天耗量（kg/d）
年耗（kg/a）
蒸汽
0.3
（表压）
461.50
4068.62
62302.92
16614109.85
四、计算结果
4.1物料衡算结果：
表二啤酒厂糖化车间物料衡算表
物料名称
单位
100kg混合原料
100L10°啤酒
糖化一次定额
3.6万吨/年
啤酒生产
混合原料
Kg
100
15.12
3361.66
5.38×106
麦芽
Kg
70
10.58
2353.16
3.77×106
大米
Kg
30
4.54
1008.50
1.61×106
酒花
Kg
1.49
0.22
48.91
7.83×104
热麦汁
L
713.72
107.91
23991.85
3.84×107
冷麦汁
L
685.17
103.59
23031.37
3.67×107
湿糖化糟
Kg
89.88
13.58
3019.27
4.83×106
湿酒花糟
Kg
4.47
0.66
146.74
2.35×105
发酵液
L
678.32
11.60
22800.15
3.65×107
过滤液
L
674.93
0.63
22686.76
3.63×107
成品啤酒
L
661.43
100
22233.20
3.56×107
4.2热量衡算结果：
表三3.6万吨/年啤酒厂糖化车间总热量衡算表
名称
规格
（MPa）
每吨产品消耗定额（kg）
每小时最大用量（kg/h）
每天耗量（kg/d）
年耗（kg/a）
蒸汽
0.3
（表压）
461.50
4068.62
62302.92
16614109.85
五、问题分析与讨论
5.1蒸汽能量的回收利用
麦汁煮沸时产生的水蒸汽被称为二次蒸汽，二次蒸汽如不加处理地从排气筒直接排放至大气中，不仅会对周围环境造成污染，而且浪费了许多能量，将1kg100℃的热水转换成为100℃的蒸汽需要大约2260kJ的热能，如果这些水蒸汽直接排入大气，则这些能量就全部浪费了。
蒸汽的回收由二次蒸汽穿过中间有服务用水流动的列管，服务用水由80℃升温至96℃，从而将二次蒸汽的大部分能量储存起来，二次蒸汽将它的热能传递给服务用水后，自身变为100℃的冷凝水，冷凝水再经20℃酿造水冷却，降温至约40℃，20℃的酿造水被升温至80℃，从而最大限度的回收了二次蒸汽的能量。
在麦汁经加热薄板进入煮沸锅时，以96℃服务用水作为加热介质，将的麦汁加热至94℃，从而将储存的能量又释放出来。
5.2啤酒生产过程中废水的处理
1.有效控制最终洗槽用水，不使其排放，不宜采用“湿排槽”，要用“干排槽”，压糟水进入下水道，是一个严重的污染源。
2.回收废酵母，既能回收啤酒产量0.1%的干酵母，又可回收啤酒总量1%的啤酒。
3.硅藻土过滤替代棉饼过滤，硅藻土过滤机应干卸料，与麦糟混合作饲料。
废硅藻土绝不要排入下水道。
4.热凝固蛋白返回糖化过滤，回收凝固蛋白和酒花糟，也回收麦汁。
5.清浊分流，合理排放，生产污水和生活污水合流排至污水处理站处理后排放，雨水和清洁生产废水另行排出。
六、附图
3.6万吨/年啤酒糖化车间物料平衡图
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