年产20万吨啤酒厂糖化车间的设计 精品.docx

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年产20万吨啤酒厂糖化车间的设计精品

年产20万吨啤酒厂糖化车间的设计

摘要

本设计为一个年产20万吨啤酒厂的糖化车间设计，该设计采用三锅三槽体系并重点介绍一种名为MERLIN的新技术。

以下所述的德国斯坦尼克公司煮沸系统可以保证，即使总蒸发率为4%左右也可得到很好的麦汁分析值。

为此人们首先设计了实验设备，然后用它对新工艺进行了详尽的测试。

本文将介绍这种工艺。

新的煮沸系统结构十分简单，主体设备是名为MERLIN的煮沸锅，在锅底安装一个锥形加热面，对麦汁进行煮沸和蒸发，回旋沉淀槽安装在MERLIN煮沸锅的下面，作为麦汁收集槽，另外还需要象传统打出麦汁泵一样根据功率安装一个循环泵，酒花添加使用传统设备。

该设计方案使糖化车间的热能得到了较为充分的利用，与传统糖化设计相比节能在60%以上，由于采用了热冷凝水作为热媒，既节省了水源，为企业赢得了经济效益，又保护了环境，因而具有现实意义。

Abstract

Thisdesignisadesignofabrewery'smashingworkshopwhichcanproduce200,000tbeerinayear.Itisasystemofthree-copper-three-tankandthemostimportantpointsareenergysaving.

Withthenaturalcirculationsystem,someenergyissavedandthewortquality

isimproved.Theenergysavingsystemcanrecoverthevaporbycondensationandusetheenergyforwortpreheatingviaenergystorage.

Theboilingprocessdescribedasfollowsensuresverygoodanalyticalvalueswithatotalevaporationrateofabout4%.Firstofallapilotplantwasconceived,withwhichthenewprocesswasfullytested.Thenewprocesswillbefirstofalldescribedandtheresultsofthepilotplantpresented.

Theconstructionofthenewboilingsystemissimple.ThemaincomponentistheMERLIN,avessel,inwhichaconicalheatingsurfaceisplacedtoserveforboilingandevaporationofthewort.Thewhirlpool,belowtheMERLINvessel,servesasacollectorforthewort.Inaddition,acirculationpumpisrequiredofthesamesizeasthecastingpump.Forhopaddition,theusualequipmentisused.

Inall,thedesigncanmakethebestuseoftheenergyofmashingworkshop.Thetotalsavingofenergycomparedtoconventionalboilingcanbeupto60%.Now,it'sthekeyperiodformostbreweriestomakeinnovations.So,todesignamashingworkshopofabrewerywiththecapacityof200,000tperyearinanewideaisvoluble!

中英文摘要

第一章前言……………………………………………………………………1

第二章工艺流程论证…………………………………………………………2

一．原料粉碎……………………………………………………………………2

二．糖化工艺……………………………………………………………………2

三．糖化工艺曲线………………………………………………………………4

四．麦芽醪的过滤………………………………………………………………4

五．麦汁煮沸及酒花添加………………………………………………………5

六．麦汁处理……………………………………………………………………8

七．酵母的扩大培养……………………………………………………………9

八．发酵…………………………………………………………………………10

九．发酵车间的CIP清洗系统…………………………………………………12

一十．过滤前高浓啤酒的稀释……………………………………………………13

一十一．过滤………………………………………………………………………14

一十二．包装………………………………………………………………………15

第三章物料衡算………………………………………………………………17

一．物料衡算……………………………………………………………………17

二．耗水量计算…………………………………………………………………22

三．热量衡算……………………………………………………………………23

第四章糖化车间设备的设计及计算…………………………………………25

一．新型麦汁煮沸系统的设计及计算…………………………………………25

二．其它设备设计及计算………………………………………………………32

第五章糖化车间平面立面布置………………………………………………35

开题报告…………………………………………………………………………36

翻译………………………………………………………………………………40

参考文献…………………………………………………………………………43

致谢………………………………………………………………………………44

第一章前言

我国是啤酒生产大国，啤酒在我国有巨大的消费市场。

目前全国啤酒厂家正处于企业调整的关键时期。

能否利用先进技术，高效节能的生产出优质啤酒已成为企业竞争的关键。

在啤酒生产各工段中，糖化工段无疑是极其重要的一环。

由于其工艺比较复杂，耗能多，并且决定了麦汁质量的好坏，所以设计一个年产20万吨啤酒厂的糖化车间具有现实意义。

为了适应当前啤酒业的激烈竞争机制，在设计上要求日益严格化、合理化。

本设计设备采用三锅三槽体系，在设计合理化、严密性的基础上，本设计将侧重于低压煮沸锅的设计，能源及二次蒸汽的利用，力求采用最新的技术设备，节约能源，高效合理地生产出优质麦汁。

本设计采用德国斯坦尼克公司的新型麦汁煮沸系统Merlin。

在Merlin煮沸系统中可有针对性的控制麦汁的热负荷和蒸发，通过循环泵的功率也可以改变麦汁的热负荷，因为随着流量的提高，麦汁液层的厚度会增加，麦汁的热负荷就会降低。

对麦汁质量（主要指对冷、热凝固性氮的含量影响）以及啤酒风味的都有好的影响。

另外，在设计过程中，与糖化车间相关的土建工程均采用国家标准设计，从而使该设计具有合理的经济性。

第二章生产工艺论证

一．原料粉碎

原料选用优级麦芽。

麦芽在进行糖化前必须先经粉碎，粉碎后的麦芽，增加了比表面积，可溶性物质容易浸出，也有利于酶的作用，使麦芽的不溶性物质进一步分解。

麦芽粉碎只是简单的机械过程，但其粉碎程度对糖化时的生化变化，对麦汁的组成成分，对麦汁过滤速度以及对提高原料利用率都是非常重要的，粉碎过细会增加麦皮中有害物质的溶解，影响啤酒质量，也会增加麦汁过滤的难度，粉碎过粗则会影响麦芽有效成分的利用，降低麦汁浸出率。

目前国内有四种方法。

1．干法粉碎：

此法虽然粉碎效果好，但麦皮破坏多，且车间环境粉尘及噪音较大，有尘爆的危险。

2．回潮粉碎：

也叫增湿干粉碎，回潮后的麦芽，麦皮具有韧性，其粉碎物谷皮完整，麦汁收得率低，控制方法困难，操作不易。

3．麦汁湿法粉碎：

优点：

谷皮较完整，过滤时间缩短。

缺点：

电负荷高，对麦汁纯净度要求较高，且糖化不均匀。

4．连续浸渍湿法粉碎：

优点：

糖化收得率高，麦汁组成有较好的改善，却设备结构复杂，价格高，但是此法改进了全湿法粉碎的缺点，于工艺要求上来说目前是最完善的。

由于考虑到啤酒质量的方面，我们选用连续浸渍湿法粉碎。

辅料选用高麦芽糖浆和大米各50%混合。

大米可经干法粉碎。

高麦芽糖浆成分与麦芽麦汁比较接近，可直接在煮沸锅中直接添加。

二．糖化工艺

糖化是指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，将麦芽和麦汁辅助原料中的不溶性高分子物质（淀粉，蛋白质，半纤维素及其中分解产物等）逐步分解为可溶性的低分子物质。

麦汁的组成成分，颜色将直接影响到产品啤酒的品种和质量；糖化工艺和原料，水，电，汽的消耗，将影响到啤酒的成本，因此糖化过程是啤酒生产中的重要环节。

糖化过程是原料的分解和萃取过程，它主要是依靠麦芽中各种水解酶促分解，而水和热力作用是协助酶促分解和浸取过程。

糖化中的工艺控制，主要通过下述环节来进行：

（1）.选择麦芽的质量，辅料的种类及其配比、配料。

（2）.麦芽及非发芽谷物的粉碎度。

（3）.控制麦芽中各种水解酶的作用条件，如温度、PH、底物浓度（加水比）、作用时间。

（4）.加热的温度和时间。

（5）.有时还需通过外加酶制剂、酸、无机盐进行调节控制。

糖化方法

传统的糖化方法有两大类，煮出糖化法和浸出糖化法，其他的方法都是从这两大类演变而来的。

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其有效成分分解和溶解，通过部分麦芽醪的热煮沸，并醪，使醪逐步梯级升温至糖化终了。

部分麦芽醪被煮沸次数即几次煮出法。

浸出糖化法是指麦芽醪纯粹利用其酶的生化作用，用不断加热或冷却调节醪的温度，使之糖化完成。

复式糖化法是源于以上两种方法而形成的，当采用大米等不发芽谷物时，进行糖化时必需首先对添加的辅料进行预处理、糊化、液化。

本设计采用复式浸出法，由于没有部分醪液的煮沸，麦皮中多酚物质，麦胶物质等的熔出相对较少，所制麦汁色泽浅，粘度低，口味柔和，且发酵度高，残余可发酵性糖少。

啤酒泡沫好，适于酿造浅色淡爽型啤酒。

此法还有一优点是操作简单，糖化周期短。

操作时在并醪后不再有煮沸阶段，而是在糖化锅内直接升温，达到糖化各阶段所需要的温度。

本工艺使用大米20%，需要对辅料进行糊化液化，辅料糊化有两大特点：

一是大加水比，二是尽可能利用外加α-淀粉酶，协助糊化、液化，避免添加过多麦芽，在糊化煮沸时，促进皮壳，溶解和形成焦糖，类黑色素。

采用外加耐高温α-淀粉酶的方法促进糊化，加水比为1：

6，高温α-淀粉酶用量为4µ/g大米。

糊化起始温度为50℃，10分钟后升温至90℃（1.5℃/min）。

加入耐高温α-淀粉酶，同时加入一定量石膏，有助于消除重碳酸盐引起的碱度，控制Ca2+浓度在40~70mg/L，保护α-淀粉酶，提高耐热性，增加酵母凝聚性，保温20min迅速升至101℃，煮沸10min，即完成辅料的糊化、糖化，醪在47℃保温50min，然后并醪至63℃保温40min，升至70℃，保温20min。

碘试完全后，升至75℃。

糖化终了。

糖化温度63℃为糖化阶段温度，有利于β-淀粉酶的作用，生成大量的可发酵性糖、麦芽糖，适合制造高发酵度的啤酒。

76℃为糊精化阶段温度，此温度下α-淀粉酶进一步分解残留淀粉，生成大量短链糊精，而β-淀粉酶、内肽酶、磷酸酶等酶失活或受到抑制，不起作用。

采用二段式糖化温度，可提高可发酵性糖含量，对酵母的生长繁殖有利。

糖化终点由淀粉分解程度决定，对此检验和控制标准可以为殿试反应，也可以是糖含量：

非糖低于1：

0.35。

糖化醪PH值一般在5.0~5.3之间，为改善酶的作用，可以采用处理酿造用水、生物酸化或添加乳酸麦芽等方法调节醪液的PH值。

由于采用浸出法制造，淡爽型啤酒辅助糊化的加水比较大，麦芽加水比可相应较少，采用大米加水比1：

6，麦芽加水比1：

3。

三．糖化工艺曲线的论证：

1．麦芽质量的影响。

优级麦芽糖化力为250wk/100g干麦芽

2．混合透料的糖化力。

1000×60%×250/100=1500wk

1000×75%×250/100=1875wk

3．麦汁总氮α-氨基氮的估算

设100g混合投料可得14.5oP定型麦汁0.6L，则：

每100g混合麦芽-氨基氮的含量：

150mg/100g麦芽

每L麦汁-氨基氮的含量：

（设工艺参数为1.2）

100×（1-6.0%）×60%×150×1.2/（100×0.6）=169.2mg/L

100×（1-6.0%）×75%×150×1.2/（100×0.6）=211.5mg/L

符合麦汁-氨基氮含量要求。

四．麦醪过滤

在最短的时间内将糖化醪中从原料溶出的物质与不溶性的麦糟分离，得到澄清的麦汁并获得良好的浸出物收得率。

麦芽醪的过滤包括三个过程：

（1）.残留的耐热性α-淀粉酶进一步液化，提高原料浸出物的收得率

（2）.用热水将残留于麦糟中的麦汁洗出。

工艺基本要求是：

迅速和较彻底的分离可溶性浸出物，尽可能减少有害于啤酒气味的麦壳多酚、色素、苦味物，以及麦芽中高分子蛋白质、脂肪、脂肪酸、β-葡聚糖等物质被萃取，尽可能获得澄清透明的麦汁。

目前的过滤设备有三类：

（1）.依赖于液柱静压力为推动力的过滤槽法。

（2）.依靠泵送的正压为推动力的压滤机法。

（3）.依赖于液柱正压和麦汁泵抽吸局部负压的渗出过滤槽法。

采用最普遍使用的过滤槽过滤麦汁用不锈钢制作保温绝缘以防降温，以筛孔和麦糟构成过滤介质，用麦醪的液柱高度产生静压力为推动力来实现过滤。

过滤槽过滤法时间长，但过滤彻底，所含对啤酒有害物质少。

过滤槽滤过程序

①在进醪前，从麦汁引出管进78℃热水直至溢过滤板，籍此预热槽及排除管、筛底的空气。

②泵送糖化醪，送完后开动耕糟机，转3~5r，使糖化醪在槽内均匀分布。

③静置10~30min，使糖化醪沉降，形成过滤层。

④通过麦汁阀或麦汁泵抽取浑浊麦汁回至槽内，直至麦汁澄清，一般为10~15min。

⑤进行正常过滤，注意调节麦汁流量（逐步减少），收集滤过头号麦汁，一般需45~90min。

⑥待麦糟露出或将露出时，开动耕糟机耕糟，疏松麦糟层。

⑦喷水洗糟，采用连续式或分2~3次洗糟，同时收集“二滤麦汁”。

开始较浑浊，需回流至澄清，在洗糟时，如果麦糟板结，尚需耕糟数次。

⑧待洗糟残留液流出浓度达到工艺规定值，过滤结束，旋转耕糟机刀或出糟刀，开始排糟，糟排空后，用槽内CIP洗糟及过滤筛板，收集底，同时清洗排污。

五．麦汁的煮沸以酒花添加

麦汁经过滤后，需要添加酒花进行煮沸。

这样可以蒸发水分，钝化全部酶活和麦汁杀菌，使蛋白质变性的絮凝，浸出酒花的有效组分，排除麦汁中特异的异杂臭气，形成香味物质。

在啤酒生产中，总热消耗约为145~285兆焦/百升成品啤酒。

其中麦汁制剂消耗的能量最多，约81~128兆焦/百升成品啤酒。

而麦汁煮沸消耗的能量约为24~54兆焦/百升成品啤酒。

由此可见，仅仅通过减少总蒸发率便可以节约大量的能耗。

低温煮沸时，麦汁中的高分子蛋白质得到了保护，由此也保护了对泡沫有利的物质，但同时游离DMS的排除则不够充分。

煮沸时间的改变也会引起同样的问题，长时间煮沸虽然有利于蒸发，但却会降低煮沸终了麦汁中的可凝固性氮含量，而短时间麦汁煮沸虽然保证了头号麦汁中可凝固性氮的含量很高（对泡沫有利），但同时也增加了头号麦汁中的DMS量。

本设计采用德国斯坦尼克公司的新型麦汁煮沸系统Merlin。

新型煮沸系统结构十分简单，主体设备是名为Merlin的煮沸锅，在锅底安装一个锥形加热面，对麦汁进行煮沸和蒸发。

回旋沉淀槽安装在Merlin煮沸锅下面，作为麦汁收集槽，另外还需要像传统打出麦汁泵一样根据功率安装一个循环泵，酒花添加使用传统设备。

麦汁的升温和煮沸

过滤麦汁直接流入回旋沉淀槽并被收集起来，麦汁过滤结束后，利用循环泵将麦汁泵入安装在Merlin煮沸锅中的锥形加热面上进行加热，麦汁以很薄的液层从锥形热交换面上流过，进入收集凹槽内。

由于麦汁液层很薄，流速相对较高且流动状态为湍流状，因此加热面上的热交换效果十分好，蒸汽与麦汁之间只需很低的温差（蒸汽压力约2.5bar）便可进行加热。

煮沸温度下的麦汁利用高度差由收集槽重新流入回旋沉淀槽中，回旋沉淀槽上有两个入口，上部入口可使部分麦汁从中央流入回旋沉淀槽内，避免形成低温中心；下部入口使麦汁以切线形式进入回旋沉淀槽中，保证麦汁在回旋沉淀槽内不断缓慢旋转，使固体物质和热凝固物在麦汁煮沸期间就被分离出来，在40~60分钟的煮沸时间内，麦汁被4~6次泵入蒸汽压力约为2.2bar的加热面上。

通过锥形加热面形成了一个可供游离二甲基硫（DMS）和其他不利气味物质挥发的巨大表面。

在煮沸过程中，蒸发率仅为1.5~2.5%左右，通过调节加热介质的（蒸汽）温度。

在Merlin煮沸系统中可有针对性的控制麦汁的热负荷和蒸发，通过循环泵的功率也可以改变麦汁的热负荷，因为随着流量的提高，麦汁液层的厚度会增加，麦汁的热负荷就会降低。

为了使麦汁中一些与温度有关的转变过程能够正常进行，比如二甲基硫前驱体（DMS-P）的分解以及酒花α-酸的异构化，回旋沉淀槽进行保温处理，酒花以颗粒或浸膏的形式直接添加至回旋沉淀槽。

由于回旋沉淀槽中的内容物在整个麦汁煮沸过程中都在旋转，大部分析出的热凝固物已经被分离出来，因此必需的麦汁静置时间可缩短至10分钟左右，随后便可以直接排出麦汁。

麦汁进入薄板冷却器之前再次流过蒸汽压力约为2.2bar的加热面，从而再次蒸发约1～１.５％的水分。

通过最后的这个步骤，在回旋沉淀槽静置及麦汁冷却期间生成的游离二甲基硫几乎可以完全被排除，这种方法的优点在于：

在这一步骤中麦汁的各部分得到相同处理，不利的挥发性物质含量均匀降低。

游离二甲基硫的排除

二甲基硫前驱体（DMS-P）的分解和酒花α-酸的异构一样，也与温度、时间有关，要想达到满意的速度，回旋沉淀槽中的温度至少应为98~98.5℃。

游离二甲基硫的挥发率主要取决于给定的蒸发面积，由于在加热和煮沸期间，麦汁多次以薄层流过巨大的加热面，所以不利物质明显减少。

但大多数二甲基硫是在煮沸结束后的Strippen阶段除去的，特别是在回旋沉淀槽冷却期间形成的游离二甲基硫在此也能除去。

过去要做到这点，必需借助复杂并昂贵的装置或设备，而传统系统目前则无法除去这部分游离二甲基硫。

尽管麦汁以很薄的层流方式通过锥面，吸氧量并不会增加，一旦加热开始，加热面上的水便开始蒸发，这样在极短的时间内Merlin设备中就会形成水蒸气环境。

同样，在回旋沉淀槽中麦汁也不会同氧气大量接触，因为两个入口（切线和中央）都在麦汁液面下。

煮沸结束后停止循环，Merlin收集槽中的内容物被排至回旋沉淀槽中，其后休止10分钟，使残余热凝固物沉淀。

凝固物可以充分、迅速、并稳定地在回旋沉淀槽的中央沉淀下来。

因为在整个煮沸过程中麦汁多次流经加热面并被收集在收集槽中。

由于收集槽未被加热，在此会形成凝块，通过收集槽中的视镜可以看到很大的凝块。

随后这些凝块会在未被泵打散的情况下进入回旋沉淀槽并迅速在中部沉淀下来。

由于回旋沉淀槽在加热阶段已进行过旋转，蛋白质已经析出，凝固物颗粒有充足的时间沉淀。

由于这里涉及的是一种全新的麦汁煮沸工艺，酒花添加的时间也产生了变化，当煮沸时间为35分钟时，酒花必需在煮沸开始前添加，以便为α-酸的异构留下充足的时间。

使用Merlin设备进行煮沸时，不再能够准确地区分煮沸和加热，当回旋沉淀槽整个麦汁达到98.5℃时，控制开关便转为煮沸，但由于再Merlin设备中麦汁在加热5分钟后便达到煮沸温度，因此第一次酒花添加也在这时进行。

Merlin系统的能源状况

以大约80%的比例占污染物质中绝大部分的CO2时产生温室效应的主要原因。

因此降低能源消耗从而减少环境污染，除了节约成本外还有重要意义。

新式煮沸系统Merlin有意识地在这方面进行努力，同所有知名的煮沸及能源节约系统相比，它再次降低了麦汁煮沸需要的能源消耗，由于第一手能源消耗量最低，CO2的排放量也最低。

在节能装置中必须考虑到一定的热量损失，在此设定为3%，这样使产生了可以生产热水形式从生产过程中获取的剩余能源。

二次蒸汽冷凝水冷却至30℃，生产用水由15℃被加热至80℃。

二次蒸汽冷凝水可收集在一个单独的收集罐中，用于容器的初步清洗（比如筛板的冲洗）。

这种新的麦汁煮沸工艺同有针对性的能源回收系统仪器能够在第一手能源消耗和环境保护方面提供最有利的价值。

二次蒸汽的回收

二次蒸汽指糊化锅和煮沸锅在加热煮醪与进行麦汁煮沸时产生的蒸汽。

回收二次蒸汽的热量可以大大减少蒸汽的消耗量，这些二次蒸汽可以将常温水加热到7580℃，也可以将80℃的水加热到96℃，这样就解决了投料用水的加热和过滤麦汁的加热，节约了这部分加热的蒸汽消耗。

对于回收二次蒸汽热量的装置，只要在糊化锅和煮沸锅的排汽筒上连接管式热交换器或板式热交换器，当然也需要一定数量的热水贮罐和自动控制仪表与之配套。

另外，对加热蒸汽冷凝水的热量再加以回收并且对冷凝水本身也进行回收。

故本设计采用蒸汽冷凝器对二次蒸汽进行能量回收。

酒花的添加

酒花是啤酒生产必须物质，它能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，提高啤酒泡沫的起泡性和泡持性，也能增加麦汁和啤酒的生物稳定性。

酒花添加量可依据如下因素调节：

1．酒花中-酸含量。

2．消费者的嗜好，消费者嗜好口味属清淡型，如在我国南方，应降低酒花添加量。

3．浓度低、色泽浅的淡爽型啤酒中应少加酒花，反之浓度高、颜色深的啤酒中可以适当多添加些酒花。

4．在敞口发酵法中采用粉末型酵母，贮酒期长，苦味物质损失多，可以适当增加添加量。

由于本设计采用Merlin煮沸系统，采用二次酒花添加法。

第一次酒花添加应在回旋沉淀槽升温至99℃，开动加热开关后5min时添加（约已进入煮沸30min），投入量为酒花总量的85%~90%。

以保证有较高的-酸异构率，提高酒花的利用率，改进啤酒的香味及口感。

第二次添加在回旋沉淀休止结束后第二次煮沸开始时，添加剩余部分（煮沸结束前20min）。

六、麦汁处理

（一）由煮沸锅放出的定型热麦汁，在进入发酵前还需进行一系列处理，才能制成发酵麦汁，对麦汁处理的要求是：

1．对能引起啤酒非生物混浊的泠、热凝固物尽可能给予足够的分离。

2．麦汁处于高温时，尽可能减少接触空气，防止氧化，麦汁冷却后，发酵前须补充适量空气，供酵母前期呼吸。

3．麦汁处理各工序中，严格杜绝有害微生物的污染。

（二）回旋沉淀将采用平底回旋沉淀，凭借离心力，凝固物沉淀坚实，相对沉淀法和冷却盘法，它具有加工容易、投资少、洗刷容易、杀菌彻底、可采用自动清洗、凝固物沉淀性好而坚实等优点。

为避免已经煮沸絮凝的蛋白质，在泵送中重新被打碎，回旋沉淀可装在煮沸锅旁，以尽可能缩短输送管长度，输送泵也采用低速涡轮泵或离心泵，叶轮应半开或全开式。

（三）麦汁的冷却