年产5万吨11淡色啤酒厂糊化锅设计 生物工程论文.docx
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年产5万吨11淡色啤酒厂糊化锅设计生物工程论文
生物工程论文
题目年产5万吨11°淡色啤酒厂糊化锅设计
专业生物工程
前言
啤酒的原料是大麦。
大麦是世界上种植最早的谷物之一，它的产量在谷物排名上，位于小麦、玉米、稻谷之下，位居第四，并且大麦不是人类的主食，习惯上用作饲料。
啤酒是酒类中酒精含量最低的饮料，而且营养丰富，人们适量饮用时对身体是影响相对较小。
在1972年世界第九次营养食品会议上，曾推荐啤酒为营养食品，也有人把啤酒称作营养食品、可口食品、卫生食品、方便食品等。
目前我国经济快速发展，成绩令世界瞩目，啤酒随着经济发展，人民生活水平的提高，逐步从城市走向农村，成为人民大众最喜爱的饮料之一。
啤酒生产将有较大的发展，平均年增长率在8％～10％左右。
我国的发展规划为：
2000年达到年产2100万吨，人均年占有量为15L：
到2010年产量达3000～3500万吨，人均占有量达到世界平均水平。
此外我国农业处于世界先列，农作物产量位居世界第一，大麦等啤原料在国内许多地区都有种植，且产量巨大，客观上发展啤酒工业的条件比较成熟。
本设计将原料到制成成品啤酒中的各环节涉及的工艺、设备、控制条件等有关情况作一简单的阐述，希望能和各位共同讨论，不足之处请多多指正。
第一章.全厂工艺论证
原料
（一）大麦
大麦是酿造啤酒的主要原料。
大麦之所以适合于啤酒酿造，主要由于以下四点原因：
（1）.大麦便于发芽，并产生大量的水解酶类。
（2）.大麦种植范围极广。
（3）.大麦的化学成分适合啤酒酿造。
（4）.大麦非人类食用主粮。
1.啤酒对大麦的质量要求:
（1）感观
色泽良好的大麦应有光泽，淡黄，不成熟大麦呈微绿色；受潮大麦发暗，胚部呈深褐色；受霉菌侵蚀的大麦呈灰色或微蓝色。
气味良好大麦具新鲜稻草香味，受潮发霉的则有霉臭味
谷皮优良大麦皮薄，有细密纹道；厚皮大麦则纹道粗糙。
麦粒形态麦粒以短胖者比瘦长者为佳，前者浸出物高，蛋白质低，
发芽快。
杂物杂谷粒和砂土等应在2％以下。
（2）物理检验
千粒重以无水物计千粒重应为30～40g。
二棱大麦教六棱大麦重。
千粒重越高浸出物也就越高。
粒均匀度按国际通用标准，2.5mm以上麦粒占85％者属于一级大麦，2.5～2.2者为二级，2.2mm以下的为次大麦，原则上不用作啤酒酿造。
胚乳性质胚乳断面可分为粉状、玻璃质和半玻璃质三种状态。
优良大麦粉状粒为80％以上。
（3）化学检验
水分测定水分是计算干物质的基础。
原料大麦水分不能高于13％，否则不能储藏，易发生霉变，呼吸损失大。
蛋白质蛋白质含量一般要求为9％～12％。
蛋白质含量过高，制麦不易管理，易生成玻璃质，溶解度差，浸出物相应也低，成品啤酒易混浊。
浸出物间接衡量淀粉含量的方法，一般为72％～80％（干物质计）
2.大麦的储藏
（1）.大麦储藏及后熟的意义
新收大麦水分含量高，有休眠，发芽率低，需要经过一段后熟期才能使用，一般需要6～8周的时间，才能达到应有的发芽率。
同时作为现代化工厂，必须有足够的原料储备，以保证生产的连续进行。
从以上两点考虑，大麦的储藏是啤酒生产中较重要的环节。
从下表可看出大麦储藏前后发芽率的变化
新收大麦
储藏60～70天
发芽势/％
34
92
发芽率/％
42
96
一般认为新收大麦种皮的透气性和透水性差，经过后熟。
由于受外界温度、水分，氧气的影响，改变了种皮性能，因而提高了大麦发芽率。
以下方法可促进大麦后熟，提早发芽：
储藏于1～5OC条件下，能促进大麦生理变化，缩短后熟期，提早发芽。
2）用80～170OC热空气处理大麦30～40s，能改善种皮透气性，促进发芽。
用高锰酸钾、甲醛、草酸、或赤霉酸等浸麦可打破种子休眠期。
上述方法中以赤霉酸效果最好，也最方便。
（2）大麦的储藏方式
大麦的储藏方式有袋装堆藏、散装堆藏和立仓堆藏。
立仓存放必须做到以下几点：
水分含量在12％以下。
必须先除尘除杂，最好精选分级。
入仓前尽量可能降温。
储藏期间保管的主要任务是：
及时记录麦温，按时通风、倒仓。
严格防潮、防虫、防鼠等。
（二）啤酒糖化的其他辅料
在啤酒麦汁制造的原料中，除了主要原料大麦麦芽以外，还包括特种大麦、小麦麦芽以及辅助原料。
啤酒生产中使用辅助原料的意义如下：
（1）降低啤酒生产成本
（2）降低麦汁总氮，提高啤酒稳定性
（3）调整麦汁组分，提高啤酒某些特性
（三）酒花
酒花赋予啤酒柔和优美的芳香和淡爽的微苦味，能加速麦汁中高分子蛋白的絮凝，提高啤酒泡沫起泡性和泡持性，也能增加麦汁和啤酒的非生物稳定性。
（1）酒花的主要化学成分
酒花的化学组分中，对啤酒酿造有特殊意义的三大成分为酒花精油、苦味物质和多酚。
我国酒花分三级，优级酒花的主要指标有：
色泽：
浅黄绿色，有光泽，褐色花片少于2％。
香气：
富有浓郁的啤酒花香气，无异杂气味
花体完整度：
花体基本完整。
夹杂物：
茎、叶等无害夹杂物不超过1.0％。
水分：
8.0％～12％。
α-酸含量（以干态计）：
大于6.5％。
β-酸含量（以干态计）：
大于2.0％。
（2）酒花的品种
酒花按世界市场上供应的可分为四类：
A类：
优质香型酒花。
优质香型酒花的α-酸含量为4.5％～5.5％，α-酸/β-酸的比值为1.1，酒花精油含量为2.0％～2.5％。
B类：
香型酒花（兼型）。
普通香型酒花的α-酸含量为5.0％～7.0％，α-酸/β-酸的比值为1.2～2.3酒花精油含量为0.85％～1.6％。
C类：
没有明显特征的酒花。
D类：
苦型酒花。
优质苦型酒花的α-酸含量为6.5％～10.0％，α-酸/β-酸的比值为2.2～2.6。
（3）酒花的储藏
新收酒花在特制的干燥器具上用热空气干燥至水分为6％～8％，使花茎脱落，再经人工回潮至水分10％左右，在压制、打包，包装密度在350～500kg/m3。
我国一般有50、100kg/包两种包装。
压榨酒花应在低温、隔绝空气、避光及有防潮措施的条件下储藏，长期保藏应在干燥的条件下，并保证温度低于－8OC.
（四）啤酒酿造用水
啤酒酿造水的性质，主要取决于水中溶解盐类的种类和含量、水的生物学纯净度及气味。
酿造水对啤酒生产全过程将产生很大的影响，如糖化时水解酶是活性和稳定性、酶促反应的速度、麦芽的酒花在不同含盐水中溶解度的差别、盐和蛋白质及酚类物质的絮凝沉淀、酵母生长、发酵风味物质的形成等，最终还将影响到啤酒的风味物和稳定性。
1.水源
啤酒酿造广泛采用地表水，地表水有以下特性：
水质较软，水中溶解杂质、生物量和温度受季节变化波动较大。
含有较多的悬浮性杂质和胶体物及生物（微生物，微小动物和植物。
由于近代工业、农业的发展人类居住密度的增加，地表水容易受到非自然界的污染。
清洁的未受污染的地表水一般可通过简单的机械过滤，直接用于啤酒生产，但大城市附近的水源经常需要进行复杂的处理后才能成为优良的酿造水。
2.地下水地下水有潜水、承压水、泉水之分。
地下水的水质特点如下：
清洁：
地下水含有极少的有机物、悬浮物和胶体物质。
因为地下水补给区极远，受长距离地层过滤，并且补给区在未开发地区，所受污染较少。
水温恒定：
水温一般在7～24OC之间，不受气温和季节影响，地下水越深温度越高。
生物少：
地下水很少含有微生物，没有致病菌，没有水生植物和动物。
溶解无机物：
地下水受地质岩层影响，一般含盐量高（200～2000mg/L），硬度大。
3.啤酒酿造水的要求和处理方法
由于天然水源存在各种缺陷，因此需要预先进行改良和处理后才能用于酿造，水质主要缺点以及相应的改良方法如下：
水质缺点
处理方法
选择意见
1.悬浮杂质多透明度低
（1）机械过滤
（2）加絮凝剂过滤
絮凝剂不可过量
2.单纯暂硬和碱度大（<8度）
（1）煮沸法
（2）加石膏改良
（3）加酸改良
（1）能耗较大
（2）、（3）可结合使用
3.单纯暂硬和碱度大（>8度）
（1）加石灰处理
（2）离子交换法或电渗析
（1）经济、费时，处理后pH上升；渗析经济，但操作较复杂。
4.总盐含量高（500mg/L）总硬度>30度
（多级处理），石灰法－机械过滤－电渗析－离子交换－反渗透
根据水质选择其中几个组合
5.单纯有机物多、余氯高、耗氧量大
活性炭过滤
处理前水质应透明，无太多悬浮杂质及胶体杂质
6.细菌总数超标
（1）砂滤
（2）紫外线消毒
（3）加氯
处理后常用于洗酵母水和稀释用水，使用前脱氯
二.麦芽制备
现代啤酒生产，工业化程度越来越高，啤酒工厂一般不自行生产麦芽，而是从专门的麦芽生产工厂购买所需麦芽，以达到降低生产成本的目的。
三．麦芽汁制备工艺
（一）概述
麦汁制造是将固态的麦芽、非发芽谷物、酒花用水调制加工成澄清透明的麦芽汁的过程。
制成的麦汁供酵母发酵，加工制成啤酒。
下图为啤酒酿造工艺图：
（二）麦汁制造的工艺要求
（1）原料中有效成分得到最大限度的萃取主要指原料和辅料中的淀粉转变成可溶性无色糊精和可发酵性糖类的程度。
（2）原料中无用和有害的成分溶解最少主要指麦芽的皮壳物质、原料的脂肪、高分子蛋白质等。
这些物质会影响到啤酒的风味和稳定性。
（3）制成麦汁的有机和无机组分的数量和配比应符合淡色啤酒的要求，啤酒风格和类型的形成，除了酵母品种发芽技术外，麦汁组成是主要的物质基础。
（4）保证上述三点原则的前提下，缩短生产时间，降低工时和能耗。
（三）糖化原理
1.目的、要求及控制方法
糖化是将麦芽和辅料中高分子物质机器分解产物（淀粉。
蛋白质、植酸盐、半纤维素等机器分解中间产物）通过麦芽中各种水解酶的作用，以及水和热能作用，使之分解并溶解于水，此过程称作糖化。
溶解的各种干物质称作浸出物，而构成的澄清溶液称作麦芽汁或麦汁。
麦汁中浸出物的含量和原料中干物质的比称无水浸出率。
糖化中的工艺控制，主要通过下列环节来进行：
（1）麦芽的质量、辅料的种类及其配料比
（2）麦芽及非发芽谷物的粉碎度。
（3）控制麦芽中各水解酶的作用条件及其，如温度、pH、底物浓度、作用时间。
（4）加热的温度和时间。
（5）需通过外加酶制剂、酸、无机盐进行调节。
2.糖化时的主要物质变化
糖化过程中原料和辅料的分解深度即分解产物的基本要求是：
淀粉被最大限度的分解成可溶性无色糊精和麦芽糖等可发酵性糖类，二者之间有一定的比例。
淀粉的分解产物占到麦汁组成的90％以上。
麦汁中以麦芽糖为主的可发酵糖类供酵母发酵产生酒精及副产物，低聚糊精是构成啤酒残余浸出物的主体，它给啤酒带来粘度和口味的浓醇性。
啤酒原料的利用率主要取决于淀粉的利用率，优良的糖化工艺可使淀粉分解以后99％进入麦汁。
麦芽中高分子物质和肽类，在糖化时得到进一步分解，但分解程度及比例远远低于发芽过程。
3.糖化方法及设备选择
糖化方法是指麦芽和非发芽谷物原料中不溶行固型物转化成可溶性的、有一定比例的浸出物，所采用的工艺方法和工艺条件：
包括配料浓度、各物质分解温度、pH、热能的利用等，还包括酶制剂、添加剂的选择使用等
糖化方法可以分成以下几大类：
三次煮出糖化法
煮出糖化法 二次煮出糖化法
一次煮出糖化法
升温浸出糖化法
糖化方法浸出糖化法
降温浸出糖化法
复式一次煮出糖化法
其它方法复式煮浸糖化法
谷皮分离糖化法
煮出糖化法是指麦芽醪利用酶的生化作用和热力的物理作用，使有效成分分解和溶解，通过部分麦芽醪的热煮沸、并醪，使醪液逐步梯级升温至糖化完毕。
浸出糖化法是指麦芽醪只利用酶的生化作，用不断加热或冷却调节醪液的温度，使糖化完成。
麦芽醪未经煮沸。
本设计中采用二次煮出糖化法
二次煮出糖化法适合于淡色啤酒酿造，其特点如下
（1）辅料加水比较大（1：
6以上），并且尽可能外加α-淀粉酶，协助帮助糊化、液化，避免过多添加麦芽，在糊化煮沸时促进促进皮壳溶解形成焦糖、类黑精。
（2）辅料比较大，大米可占到总投料的30％～40％。
（3）辅料糊化醪分两次倒入糖化锅。
（4）大米糊化醪倒入时，调整ｐH至5.3。
蛋白质休止温度为50～520C,时间为２０分钟。
（5）采用二段式糖化温度，提高可发酵性糖含量。
（6）第二段700C糖化休止，由碘试至醪不变色时，再升温至750C时糖化结束。
四.啤酒发酵
（一）啤酒发酵机理
啤酒是依赖于纯种啤酒酵母，对麦汁某些组分进行一系列的代谢过程，产生酒精等各种风味物质，构成有独特风味的饮料酒。
影响啤酒质量的主要因素：
1.麦汁组成，2.啤酒酵母的品种的菌株特性，3.投入酵母的数量的质量状况，以及发酵中酵母的生长情况，4.发酵容器的形状、尺寸、材料，5.发酵工艺条件（ｐH、温度、溶氧水平、发酵时间等）。
（二）啤酒发酵
传统式分批发酵，每批定型麦汁经过添加酵母、前发酵、主发酵、后发酵和储酒等阶段。
相应的设备是：
酵母添加器、前发酵池、主发酵池、后发酵罐和储酒罐。
1.酵母的添加和前发酵
（1）酵母的添加
本设计分批发酵采用低温、缓慢发酵，因此接种量比较小，接种量后细胞浓度控制在（5～12）×10６个/ｍｌ。
本设计采用干道法添加酵母：
在酵母添加器中加入每批麦汁所需的酵母泥，再加上二倍量的冷却麦汁用无菌压缩空气充分混合，压到前酵池中，再用无菌空气搅拌均匀即可。
（2）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，发酵麦汁表面开始起泡，此阶段即为前发酵。
2.啤酒主发酵
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，而氨基氮下降迅速。
此阶段大量废热产生，必须进行冷却。
发酵后期应逐步降低温度，使发酵温度趋近后酵温度。
3.后酵和储酒
主发酵结束后，下酒至密闭式后发酵罐前期进行后发酵，后期进行低温储藏。
后酵和储酒的目的是：
糖类继续发酵、促进啤酒风味成熟、增加CO2溶解、促进啤酒澄清。
五.成品啤酒
经过后发酵的成熟酒，大部分蛋白质颗粒和酵母已沉降，少量悬浮于酒中，必须滤除后才能包装。
啤酒过滤的常用方法有：
1.滤棉过滤，2.硅藻土过滤，3.板式过滤，4.离心分离法，5.微孔薄膜过滤法。
啤酒过滤操作原则是：
产量大，质量高，损失小，劳动条件好，CO2损失小，不易污染，不影响风味，啤酒不吸氧。
第二章.工艺计算
一．物料衡算
（一）定额指标
1.物料情况
麦芽含水量：
5％，大米含水量11％
原料利用率：
98.5％
无水浸出率：
麦芽75％，大米95％
原料配比：
麦芽：
大米＝70％：
30％
2.热麦汁损失
冷却损失：
5.0％
过滤损失：
1.0％
发酵损失：
1.5％
瓶装损失：
1％
总损失：
8.5％
每年第二、三季度为生产旺季，产量占年总产量的70％，工作日以170天计，年产11°P淡色啤酒5万吨。
（二）糖化车间物料衡算
糖化车间的物料平衡计算主要项目为原料（麦芽、大米）、酒花用量，冷、热麦汁量，废渣量等。
1.糖化车间物料流程示意图如下：
根据额定指标，首先进行100kg原料生产11°淡色啤酒的物料衡算，然后进行100L11°淡色啤酒的物料衡算，最后进行50000吨/年糖化车间的物料衡算。
2.100kg原料（70％麦芽、30％大米）生产11°P淡色啤酒的物料衡算。
（1）热麦汁量
根据定额指标可得到原料收率分别为：
麦芽收率为：
0.75×（100－5）＝71.25％
大米收率为：
0.95×（100－11）＝84.55％
混合原料收得率为：
（0.70×71.25％＋0.30×84.55％）×98.5%＝74.11％
由上述算得100kg混合原料可制得的11°P热麦汁量为：
（74.11÷11）×100＝673.73（kg）
又知11°麦汁在20°C时的相对密度为1.0442，而100°C热麦汁比20°C时的体积增加1.04倍，故热麦汁体积为：
（673.73÷1.0442）×1.04＝671.02（L）
（2）冷麦汁量为：
671.02×（1－0.05）＝637.47（L）
（3）发酵液量为：
637.47×（1－0.015）＝627.91（L）
（4）过滤酒量为：
627.91×（1－0.01）＝621.63（L）
（5）成品啤酒量为：
621.63×（1－0.01）＝615.41（L）
3.生产100L11°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11°成品啤酒615.41（L），故可得出下列结果：
（1）生产100L11°淡色啤酒需混合原料量为：
（100÷615.41）×100＝16.25kg
（2）麦芽耗用量为：
16.25×70％＝11.37kg）
（3）大米耗用量为：
16.25－11.37＝4.88（kg）
（4）酒花耗用量：
（浅色啤酒酒花加入量为0.2％）
（671.02÷615.41）×100×0.2％＝0.218（kg）
（5）热麦汁量为：
（671.02÷615.41）×100＝109.04（L）
（6）冷麦汁量为：
（637.47÷615.41）×100＝103.58（L）
（7）湿糖化糟量：
麦糟＋米糟
设排出湿麦糟含水80％，则湿麦糟量为：
[（1－5％）×（1－75%）÷（1－80%）]×11.37＝13.50kg）
而湿大米糟量为：
[（1－11％）×（1－95%）÷（1－80%）]×4.88＝1.09（kg）
所以湿糖化糟量为：
13.50+1.09＝14.59（kg）
（8）酒花糟量
设酒花浸出率为40％。
且酒花糟含水80％则酒花糟量为：
〔（1－40％）÷（1－80％）×0.218=0.654kg）
（9）酵母量（以商品干酵母计）
生产100L啤酒可得2Kg湿酵母泥，其中一半生产接种用，一半作商品酵母用，即为1Kg
湿酵母泥含水85%
酵母含固形物量=1×（100-85）÷100=0.15
则需要含水分7%的商品干酵母量为:
0.15×100÷（100-7）=0.16（Kg）
（10）空瓶需要量
设每瓶装酒量为0.64L,则每100L需瓶量为:
100÷0.64×1.01=157.81（个）
（11）瓶盖需要量
设爆瓶率为0.1%,则瓶盖需要量为:
100÷0.64×1.01=157.81（个）
（12）商标需用量
100÷0.64×1.001=156.40（张）
（13）易拉罐需用量
设每罐装酒量为0.355L,则100L需要易拉罐数为:
100÷0.355×1.01=284.5（个）
4.年产5万吨11°淡色啤酒糖化车间物料衡算表
生产旺季以170天计，占总产量的70％，则旺季日产量为：
50000×70％÷170＝205.88（吨/天）
设生产旺季每天糖化6次，旺季总糖化次数为1020次（淡季根据需要酌情调整糖化次数），可算得每次糖化可产成品啤酒量（灌装后）为：
205.88÷6＝34.31（吨/天）
由此可算出每次投料量和其它项目的物料平衡。
（1）成品啤酒量（罐装前）
34.31×1000÷（1—1％）÷1.0095＝34986（L）
（2）麦芽用量
34986÷615.41×70＝3979.47（kg）
（3）大米用量
34986÷615.41×30＝1705.50（kg）
（4）混合原料用量
3979.47＋1705.50＝5684.97（kg）
（5）热麦汁量
34986÷615.41×671.02＝38147.42（L）
（6）冷麦汁量
34986÷615.41×637.47＝36240.11（L）
（7）湿糖化糟量
34986÷100×14.59＝5104.46kg）
（8）湿酒花糟
34986÷100×0.654＝228.81（kg）
（9）发酵液量
34986÷615.41×627.91＝35696.62（L）
（10）过滤酒量
34986÷615.41×621.63＝35339.61（L）
（11）酒花耗用量
（5684.97×0.218×615.41）÷10000=76.27（kg）
由于旺季产量占到全年产量70%，由此可算得全年产量
以单次糖化生产做基准，可算得各个项目全年状况如下：
（1）全年混合原料需要量：
5684.97×6×170/70％＝82.84×105（kg）
（2）全年麦芽耗量：
3979.47×6×170/70％＝57.99×106（kg）
（3）全年大米耗量：
1705.50×6×170/70％＝24.85×106（kg）
（4）全年酒花耗量：
76.27×6×170/70％＝11.11×104（kg）
（5）热麦汁量：
38147.42×6×170/70％＝55.59×106（L）
（6）冷麦汁量：
36240.11×6×170/70％＝52.81×106（L）
（7）全年湿糖化糟量：
5104.46×6×170/70％＝74.38×105（kg）
（8）全年湿酒花糟量：
228.81×6×170/70％＝3.33×105（kg）
（9）全年发酵液量：
49045×6×170/70％＝7.15×107（L）
（10）全年过滤酒量：
35339.61×6×170/70％＝51.49×106（L）
（11）全年成品啤酒量：
34986×6×170/70％＝50.98×106（L）
糖化车间物料衡算表
物料名称
单位
对100kg混合原料
100L11°淡色啤酒
糖化一次定额
5万吨/年啤酒生产
混合原料
Kg
100
16.25
5684.97
82.84×105
麦芽
Kg
70
11.37
3979.47
57.99×105
大米
Kg
30
4.88
1705.5
24.85×105
酒花
Kg
1.34
0.218
76.27
11.11×104
热麦汁
L
671.02
109.04
38147.42
55.59×106
冷麦汁
L
637.47
103.58
36240.11
52.81×106
湿糖化糟
Kg
89.79
14.59
5104.46
74.38×105
湿酒花糟
Kg
4.025
0.654
228.81
3.33×105
发酵液
L
627.91
102.04
35696.62
52.02×106
过滤酒
L
621.63
100.95
35339.61
51.49×106
成品啤酒
L
615.41
100
34986
50.98×106
二.热量平衡计算
在论证部分，选用二次煮出糖化法生产麦汁，下面就以此工艺为基准进行糖化车间的热量计算。
工艺流程示意图如下所示，投料量为糖化一次所需原料。
操作示意图如下：
糊化锅自来水，18°C
料水比1：
4.5料水比1：
3.5
热水，50°C
10分钟
10分钟
t（°C）63°C，60分钟
70°C5分钟
10分钟
7分钟70°C，25分钟
90°C，20分钟100°C，40分钟
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