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课程设计
课程设计说明书
作者:
学号:
院系:
专业:
生物工程
题目:
年产28万吨10°淡色啤酒厂糖化发酵工段初步设计重点设备—煮沸锅
指导者:
评阅者:
2013年11月
摘要
啤酒是以大麦芽和酿造水为主要原料,以大米、玉米等谷物为辅料,以极少量啤酒花为香料,经过啤酒酵母糖化发酵酿制而成的一种含有丰富的二氧化碳而起泡沫的低酒精度[2.5~7.5%(V/V)]的健康饮料酒。
而中国是一个粮食大国,它为啤酒厂的建立提供了良好的原料来源。
本设计是年产28万吨10°淡色啤酒啤酒厂设计,酿造方法采用75%的麦芽,25%的玉米,经过糊化、糖化、煮沸、过滤、冷却、发酵而成。
设计内容主要包括物料衡算、设备设计计算机选型、重点设备(煮沸锅)设计计算及选型以及厂区平面布置设计,还进行了副产物综合利用的设计。
糖化方法采用双醪二次煮出糖化法,发酵方法采用下面发酵法。
经计算采用四器组合,吨酒耗粮为148.64kg/T啤酒。
关键词:
啤酒酿造;物料衡算;设备尺寸计算与选型;
Abstract
Beerisbarleymaltandbrewingwaterasthemainrawmaterialforrice,cornandothergrainsassupplementarymaterial,withveryfewhopsfragrance,arichsourceofcarbondioxidebybeeryeastsaccharificationandfermentationandthe7.5%[2.5-lowalcoholfoam(V/V)]healthdrinkwine.AndChineseisalargecountryofgrain,itprovidesagoodsourceofrawmaterialsfortheestablishmentofabeerfactory.
本设计是年产6万吨10°淡色啤酒啤酒厂设计,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。
设计内容主要包括物料衡算、设备设计计算机选型、重点设备(糊化锅)设计计算及选型以及厂区平面布置设计,还进行了副产物综合利用的设计。
糖化方法采用双醪二次煮出糖化法,发酵方法采用下面发酵法。
经计算采用四器组合,吨酒耗粮为136.27kg/T啤酒。
本论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、发酵、啤酒过滤)进行了研究。
在核心设备上选用国际先进装置,在提高啤酒质量、降低生产成本方面相对现实的生产工艺具有较大优势。
Thedesignisanannualoutputof280000tonsof10°alebeerfactorydesign,brewingmethodusing75%malt,25%rice,gelatinization,saccharification,afterboiling,filtering,cooling,fermentation.Thedesigncontentmainlyincludesmaterialbalancecalculation,equipmentselection,computerdesignofkeyequipment(pastepot)designcalculationandselectionandplantlayoutdesign,hasalsocarriedonthedesignofcomprehensiveutilizationofby-products.TwodoublemashDecoctionmashingmethodusingglycosylated,fermentationmethodadoptingbottomfermentationmethod.Thefouriscalculatedbythegrainconsumption,tonsofwine,148.64kg/Tbeer.
KeyWords:
beer;materialbalancecalculation;selectionofequipment
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………Ⅱ
第1章绪论………………………………………………………………………….1
第2章设计概论……………………………………………………………….....3
2.1设计指导思想………………………………………………………….....3
2.2生产方法、工艺流程及工艺条件……………………………………....3
2.2.1生产方法……………………………………………………………..3
2.2.2工艺流程……………………………………………………………4
2.2.3工艺条件……………………………………………………………5
2.3原料来源及质量标准…………………………………………………….....9
2.3.1原辅料的来源及质量标准…………………………………………..9
2.3.2水质要求……………………………………………………………10
2.3.3产品质量标准………………………………………………………11
2.4环保措施……………………………………………………………………12
2.4.1污水处理的原则、方法和效果………………………………….12
2.4.2副产物综合利用……………………………………………………13
第3章工艺计算…………………………………………………………………...14
3.1计算依据……………………………………………………………….......14
3.2啤酒生产物料衡算……….......................................................................15
3.2.1100kg混合原料生产10°淡色啤酒的物料衡算…………………15
3.2.2澄清冷却物料衡算...................……………………………………17
3.2.3发酵物料衡算...........................………………………………...…17
3.2.4成品啤酒计算...............................………………………………...18
3.2.5换算倍数计算..........................…………………………………....18
第4章设备设计计算和选型.............……………………………………………20
4.1麦芽暂贮箱设计计算……………………………………………………..20
4.2麦芽粉暂贮箱设计计算…………………………………………………..20
4.3玉米暂贮箱设计计算....…………………………………………………..20
4.4玉米粉暂贮箱设计计算…………………………………………………..21
4.5麦芽粉碎机设计计算……………………………………………………21
4.6玉米粉碎机设计计算……………………………………………………21
4.7糖化锅设计计算…………………………………………………………22
4.8过滤槽设计计算…………………………………………………………23
4.9煮沸锅设计计算…………………………………………………………24
4.10漩涡沉淀槽设计计算……………………………………………………26
4.11薄板冷却器设计计算……………………………………………………27
4.12锥形发酵罐设计计算……………………………………………………30
4.13硅藻土过滤机设计计算…………………………………………………32
4.14清酒罐设计计算…………………………………………………………32
4.15过冷却器设计计算………………………………………………………32
第5章重点设备-糊化锅设计计算……………………………………………….34
第6章车间平面布置设计………………………………………………………45
6.1设计依据…………………………………………………………………45
6.2车间布置原则……………………………………………………………45
6.3车间布置具体内容………………………………………………………46
6.4车间布置…………………………………………………………………47
6.4.1确定设备布置形式及有关参数…………………………………47
6.4.2实行定置管理……………………………………………………47
参考文献…………………………………………………………………………….48
结束语………………………………………………………………………………49
第1章绪论
啤酒生产的历史
啤酒最早出现于公元前3000年左右,于古埃及和美索不达米亚(今伊拉克)地区。
这一历史事实可以在王墓的墓壁上得以证实。
史料记载,当时啤酒的制作只是将发芽的大麦制成面包,在将面包磨碎,置于敞口的缸中,让空气中的酵母菌进入缸中进行发酵,制成原始啤酒。
由于谷物的残渣及杂菌污染,酒的味道可想而知。
公元6世纪,啤酒的制作方法由埃及经北非、伊比利亚半岛、法国传入德国。
那时啤酒的制作主要在教堂中进行。
为了保证啤酒质量,防止由乳酸菌引起的酸味,要求酿造啤酒的器具必须保持清洁。
公元11世纪,啤酒花由斯拉夫人用于啤酒。
1516年,由巴伐利亚领邦的威廉四世提出世界著名的“啤酒纯粹法”。
1480年,以德国南部为中心,发展出了下面发酵法,啤酒质量有了大幅提高,啤酒制造业空前发展。
1800年时期,随着蒸汽机的发明,啤酒生产中大部分实现了机械化,生产量得到了提高,质量比较稳定,价格较便宜。
1830年左右,德国的啤酒技术人员分布到了欧洲各地,将啤酒工艺传播到全世界。
中国的啤酒工业主要经历了以下四个阶段:
第一阶段:
从1953年到1962年,是啤酒工业的调整和发展阶段,新建了一批新的啤酒厂,啤酒年产量的平均增长速度为38.2%。
1963年至1972年,速度虽有所放慢,但啤酒产量仍增长1.4倍。
到1978年,中国的啤酒年产量达到40万吨。
在这一阶段,在啤酒科学研究,教育,人才培养等方面的工作为啤酒工业的今后的发展打下了基础.。
第二阶段:
1979年后,啤酒生产全面发展。
全国除西藏外,各省、市、自治区都建立了啤酒厂,全国除轻工系统外,其他部们如商业、农业、机械、国防、冶金等都建立了啤酒厂。
一些啤酒厂的规模也越来越大.如在1980年,中国共生产啤酒68.8万吨.。
第三阶段:
在这一阶段,中国的啤酒工业高速发展,其主要特点是扩建和新建的啤酒厂如雨后春笋,啤酒生产规模也逐步扩大,在有的省份,几乎每个县市都有啤酒厂。
据1987年的统计,在浙江省就有啤酒厂104个。
由于实行改革开放政策,从国外引进技术,装备,人才,加快了啤酒工业的发展.如从国外引进了啤酒生产线,尤其是啤酒灌装线。
产量翻番的时间缩短,如1982年,全国啤酒产量为117万吨,到1985年,啤酒产量就达到310.4万吨。
1988年,啤酒产量又翻了一番,达到654万吨。
第四阶段:
这一阶段可说是中国的啤酒工业进入了旺盛的成熟期,一方面,啤酒工业继续以高速度发展,在高速发展的同时,开始对啤酒的质量,啤酒工业的经济效益更加重视,啤酒工业的规模按照国际上的惯例,开始向大型化,集团化方向发展.一些中小型啤酒厂被大型啤酒厂兼并。
第2章设计概论
2.1设计指导思想
(1).在工艺上的选择和设备的选用上为确保工艺稳定、可靠和产品质量,部分采用传统式,同时进行改革新改造,引进一部分国外较先进的技术和设备。
(2).设计中考虑尽量降低操作费用及啤酒的单耗量,使其具有上马快、收效大的特点。
(3).设计考虑到啤酒厂今后的发展趋势(如增加品种、扩大产量等),在建筑和平面布置上及设备选取上,都留有适当的余地,同时又不至于造成现有设备、场地的太大浪费。
(4).设计考虑到工人劳动条件的改善及劳动强度的降低,采用一些新工艺、新设备,同时又确保啤酒质量。
(5).考虑到啤酒厂的环境,进行污水处理、CO2回收等综合利用,不但改善环境污染,同时增加工厂的收入。
(6).设计采用部分自动化仪表控制,使本厂在机械化、自动化水平上与国外先进水平差距缩短。
2.2生产方法、工艺流程及工艺条件
2.2.1生产方法
双醪二次煮出糖化法[2]
糖化锅糊化锅
麦芽粉玉米粉
50~52℃(30~120min)45℃(20min)
10min
65~68℃(30~120min)兑醪70℃(20min)
碘液反应完全15min
取部分醪液
煮沸
76~78℃(10min)兑醪65~68
℃
10min
煮沸(5~10min)
图2-1双醪二次煮出糖化法示意图
2.2.2工艺流程[2]
原大麦→粗选→精选→分级→浸渍→发芽→干燥→除根→贮藏→成品麦芽→
粉碎→糖化→过滤→煮沸→回旋沉淀→冷却→发酵→过滤→包装→成品
↑↑↑↑
糊化酒花充氧酵母
↑
粉碎
↑
辅料玉米
图2-2糖化工艺流程示意图
2.2.3工艺条件
(1)麦芽制备
大麦发芽的主要目的:
胚乳细胞壁的部分或全部降解,是干燥后的麦芽变得疏松,更易粉碎,内溶物质更容易溶出。
麦芽的制造主要分为四个阶段:
①精选后的大麦浸泡在水中,使大麦吸收水分含量达到43%~45%,此阶段称为浸麦。
②然后在人工控制的条件(温度:
14~18℃,不超过20℃;浸麦度:
A、浅色麦芽:
43%~45%;B、深色麦芽:
45%~48%;浸麦时间:
60~80h)下进行发芽,利用发芽过程中形成的酶系,使大麦的内溶物质进行分解,变为麦芽。
③发芽完毕的成为绿麦芽,利用热空气进行干燥。
干燥的主要目的:
使绿麦芽停止生长和酶的分解作用,除区多余的水分,防止腐烂,便于运输。
使根部干燥便于初去,增加麦芽的色,香,味。
④然后经过机械原理将麦芽的根除去。
(2)麦芽的粉碎
①目的:
增大表面积,利于酶的作用;
②要求:
麦芽:
麦皮破而不碎,内容物越细越好,既利于反应速度,又利于过滤速度;
③方法:
湿法粉碎,50℃水泡10~20min,使水分含量达28%~32%后粉碎。
本设计采用湿法粉碎。
(3)糖化
糖化是麦芽内含物在酶的作用下继续溶解和分解的过程。
①糊化——糊化锅
先加一部分水(50℃左右进料)→加玉米粉→升温至73℃保温50min(使α淀粉酶充分作用)→再升温至93℃保温20min(淀粉充分糊化提高浸出率)→再升温至100℃保温10min(使酶钝化);
注:
打料(玉米粉进锅):
加磷酸或乳酸pH在6.0~6.5左右加氯化钙;
加磷酸目的:
调pH;满足微生物生长需要;缓冲作用;
加氯化钙目的:
稳定剂;除去草酸根;增酸;
麦芽不需要糊化:
由于制麦过程中细胞壁已经被半纤维素酶水解成网状结构,内容物流出,易受酶的作用。
②糖化——糖化锅
糖化方法——双醪二次煮出糖化法。
(4)过滤
糖化结束后必须将糖化醪近快的进行固液分离,即过率,从而得到清亮的麦汁,固体部分称为麦糟,是啤酒厂的主要副产物之一,液体部分为麦汁,是啤酒酵母发酵的机制。
糖化醪过滤是以大麦皮壳为自然滤层,采用重力过滤器——过滤槽将麦汁分离。
分离麦汁的过程分两步,第一步是将糖化醪中的麦汁分离,这部分麦汁称为头号麦汁或第一麦汁,这个过程称为头号麦汁过滤。
第二步是将残留在麦糟中的麦汁用热水洗出,洗出的麦汁称为洗糟麦汁或第二麦汁,这个过程称为洗糟。
①目的:
短时间内,将糖化醪中可溶性物质与麦糟分开,以免影响麦汁的色香味得到澄清的麦汁;
②方法:
铺好滤板,加预置水没过筛板即可(A.排除筛板与槽底间空气,防止氧化;B.防止下料时麦糟堵塞筛板)76~78℃热水或上一批的残糖水打入糖化醪,静置20~30min回流过滤,洗糟(76~78℃,pH5.4~5.6)三次洗糟,三次洗糟水和头号麦汁放入麦汁暂存罐,多次洗糟水放入残糖罐;
③影响过滤速度的因素主要有以下几点:
β-葡聚糖含量高,粘度大,过滤速度慢;醪液浓度大,过滤速度慢;粉碎度,湿法粉碎麦汁过滤速度快;醪液温度影响,麦汁主要含糖,糖的粘度与温度成反比,故要进行保温过滤;麦汁pH为5.5时过滤速度最快;
注意:
①关闭排糟孔;②进行回流,回流时间无限制澄清为止;③调整耕刀的高度,不要破坏麦糟层,尽可能多的回收麦汁,及头号麦汁;④过滤时间不超过一个小时。
(5)煮沸和酒花添加
①煮沸:
过滤后的麦汁10min打完,打料时加磷酸或乳酸和氯化钙,PH4.9~5.0,煮沸从98.5℃开始计时,煮沸100℃,70~80min,常压煮沸;
煮沸强度(每小时蒸发出水分的百分率):
8~10%
②酒花添加
采用青岛大花;
添加量:
一般是原料量的0.2%;
添加原则:
先苦后香,先陈后新;
添加方法:
分三次添加Ⅰ第一次,初沸5~15min,5~10%单宁沉淀蛋白质防止起泡;Ⅱ第二次,25~45min55~60%α-酸→异α-酸提供口味;Ⅲ第三次,结束前5~10min30~40%酒花油赋予香味
煮沸时三次测麦汁浓度:
Ⅰ满锅时满锅浓度;Ⅱ煮沸30min时;Ⅲ结束时。
(6)回旋沉淀槽
①煮沸后的麦汁切线进入回旋沉淀槽,进料高度为液面高度的三分之一,速度为7~11m/s槽内回旋20min,静置20min共计40min;
②出料3根管上排-液面三分之一为主要出口;中排-液面十分之一;下排-槽底;
③打料时在槽内加酒花。
排热凝固物和酒花糟,(要求:
温度恒定,无菌)当所有麦汁放完后,打开下排料管,排出剩余麦汁,放残糖后,由槽上部小球加入80~85℃的水,把热凝固物打散,打开下排管,将凝固物和酒花糟放入残糖罐,下批次第一次洗糟时加入。
(7)麦汁冷却澄清
①目的:
降温,是温度适合发酵需要;
麦汁吸收一定的氧气,促进酵母繁殖;
析出并分离冷凝固物,改善发酵条件;
②要求:
温度恒定,无菌;
③冷却介质:
27℃的冰水或-5~8℃的酒精;
④冷却后麦汁8~9℃。
五批麦汁满一个发酵罐,前四批充入氧气。
(8)发酵
①啤酒酵母选择原则[3]:
符合啤酒发酵的类型;发酵速度快,强度大,能缩短发酵周期,提高发酵度;还原双乙酰能力要强,使酿出的酒味道适口泡沫稳定;凝聚性要强,使酒液澄清,便于回收酵母;
②主发酵过程控制:
温度控制:
控制不同的发酵温度有各自的优点,采用低温发酵,酵母在发酵过程中产生的副产物较少,使啤酒口味较好,泡沫状况良好,但发酵时间长;采用高温发酵,酵母发酵速度较快,发酵时间短,设备利用率高,啤酒口味较差;
浓度控制:
麦汁浓度的变化受发酵温度和发酵时间影响。
发酵旺盛,降糖速度快,则可适当降低发酵温度和缩短最高温度的保持时间,反之则适当提高发酵温度或延长最高温度的保持时间;
发酵时间的控制:
发酵时间主要取决于发酵温度的变化。
发酵温度高,发酵时间短;发酵温度低,发酵时间长。
(9)过滤
要求:
酒和二氧化碳的损失少,不吸氧,不污染,不影响酒的风味,产量大,质量高。
(10)包装
要求:
①严格无菌要求,包装后符合卫生标准。
②包装过程中尽量减少二氧化碳损失,保证口味和泡沫性能。
③包装过程中,避免与空气接触,防止因氧化作用影响啤酒的风味、稳定性和非生物稳定性。
2.3原料材料的来源及标准
2.3.1原辅料的来源及质量标准
(1)酿造用大麦的质量要求[4]
外观:
具有光泽,呈淡黄色;有新鲜的麦秆香味,口咬有淀粉味并略带甜味;品种,种植区,收获年份,蛋白质含量和水分含量等参数应保持一致;不应或很少含有杂物;颗粒大而饱满,短而粗的颗粒含皮壳少,蛋白质含量较低,浸出物高。
(2)物理检验:
①千粒重35~45g;②麦粒均匀度,腹径2.5mm以上的麦粒占85%的为一级大麦,腹径2.2~2.5mm的为二级大麦,一级大麦和二级大麦均可用于酿酒原料;③胚乳状态,胚乳断面为粉白色的粉质粒,淀粉含量高,吸水性好,易于分解,胚乳断面为玻璃状或半玻璃状,吸水性差,淀粉不易分解;④发芽力和发芽率,发芽力是指3天内发芽的百分数,要求不低于90%发芽率是指5天内发芽的百分数,要求不低于95%;
(3)化学组成:
①水分含量:
要求大麦水分含量在13%以下,否则难以贮存;②浸出物质量分数一般要求为72~80%以上,与淀粉质量分数相差约14.7%;③碳水化合物:
淀粉:
58%~63%;纤维素:
3.5%~7.6%;半纤维素和麦胶物质:
10%~11%;④蛋白质质量分数一般要求9~12%辅料用量多时达13%;⑤脂肪:
占大麦干物质重的2%~3%;⑥磷酸盐:
占大麦干物质重的0.9%;⑦无机盐:
P、S、Mg、K、Ca占大麦干物质重的2.5%~3.5%;⑧维生素:
要富含;⑨多酚物质:
占大麦干物质重的0.1%~0.3%。
(2)辅料(玉米)
淀粉含量高、蛋白质含量低、不含β-球蛋白、戊聚糖含量高、黏度大对泡沫有好处、脂肪含量少。
(3)啤酒花
水分含量:
8~12%;纤维素、木质素含量35~40%;粗蛋白:
13~16%;灰分:
7~19%;多酚物质:
4~7%;酒花油:
0.3~0.5%;总树脂14~18%(α-酸:
2~9%;β-组分:
6~8%;Υ-树脂:
2~3%)
2.3.2水质要求
水是啤酒酿造非常重要的原料,按用途可将啤酒厂用水分为多种,每种水用途不同,要求也不一样,但必须达到酿造用水质量要求。
(1)颜色与透明度
要求酿造用水无色透明,无悬浮物,无沉淀物。
否则将影响麦汁的透明度,啤酒容易混浊沉淀。
(2)气味和口味
将水加热到20~50℃时,用口尝应有清爽的感觉,气味和口味都是中性的,无异味,无异臭,如有咸味,苦味,涩味则不能采用。
(3)总溶解盐类
总溶解盐类应在150~200mg/L之间,含盐过高会导致酿造的啤酒口味粗糙,苦涩。
(4)pH值
应在6.8~7.2之间,偏酸或偏碱都会造成糖化困难,使啤酒口味不佳。
(5)有机物
以高锰酸钾耗氧量来计算,有机物的含量应该在3mg/L以下,若超过10mg/L说明水已经被严重污染。
(6)总硬度
2.85mmol/L以下
(7)铁盐(以Fe计)
水中铁含量应在0.3mg/L以下,若铁含量超过0.5mg/L,麦汁中的单宁与铁反应,使麦汁色泽变黑,并使成品啤酒中带有不愉快的铁腥味,还会影响酵母的生长繁殖和正常发酵。
(8)铵盐
水中不应有铵盐存在,有铵盐存在说明水不清洁,以不超过0.05mg/L为限。
(9)硝酸盐(以NO3-计)
硝酸盐含量不应超过5mg/L,亚硝酸盐不得超过0.05mg/L,过高会影响酵母的生长繁殖和啤酒的口味。
(10)氯化物(以Cl-计)