发酵工程课程设计.docx

1、发酵工程课程设计大连民族学院生物工程课程设计说明书 题 目：年产30万吨发酵车间工艺设计（12p）设 计 人： 邹 亚 东 系 别： 生 物 工 程 班 级： 0 9 级 3 班 指导教师： 朴 永 哲 设计日期：2011年 5 月 18 日 6月 1 日年产30万吨发酵车间工艺设计第一章 概述啤酒是以麦芽为主要原料，添加酒花，经酵母发酵酿制而成的，是一种含二氧化碳、起泡、低酒精度的饮料酒。由于其含醇量低，清凉爽口，深受世界各国的喜爱，成为世界性的饮料酒。啤酒的原料是大麦。大麦是世界上种植最早的谷物之一，几乎世界上所有地区都可种植，它的产量在谷物排名上，在小麦、玉米、稻谷之下，居第四位，而且大

2、麦不是人类主要的粮食，习惯上作饲料。酿酒后的麦糟中，蛋白质含量得到相对富集，更适宜于做饲料，于是，用大麦制啤酒得到发展。中国近代啤酒是从欧洲传入的，据考证在1900年俄罗斯技师在哈尔滨建立了第一家啤酒作坊。第一家现代化啤酒厂是1903年在青岛由德国酿造师建立的英德啤酒厂。1915年在北京由中国人出资建立了双合盛啤酒厂。从1905年到1949年的40多年中，中国只有在青岛、北京、哈尔滨、上海、烟台、广州等地建立了不到10年工厂，年产啤酒近一万吨，从1949年到1993年，我们用43年的时间，发展成为世界啤酒第二生产大国，这样的发展速度举世瞩目。我国啤酒工业的未来主要有以下几方面的变化：产量的发展

3、；规模的扩大；技术经济指标还有差距，要不断的提高；原料的发展；啤酒品种向多样化发展；高浓度酿造技术；非热消毒的纯生啤酒酿造；人才的培养等。随着世界的发展，啤酒的生产技术逐步成为重点。当今，纯生啤酒的生产技术，膜过滤技术，微生物检测和控制技术，糖浆辅料的使用逐步发展起来。相信不久的将来，中国的啤酒业将以崭新的面貌跻身于世界啤酒先进领域。第二章 设计方案的分析与拟定2.1 设计目的 通过本次课程设计，使本专业的学生初步掌握工厂工艺设计的程序和方法，受到一次工程设计的严格训练，使其具有一定的工程设计能力。这对于即将从事科研，生产或技术管理工作的学生具有十分重要的意义。2.2 设计任务设计任务：年产3

4、0万吨发酵车间工艺设计（12P),一等品麦芽，辅料用量20%重点工段：发酵阶段重点设备：发酵罐设计的主要内容如下：1.啤酒生产工艺流程的选择、设计及论证。2.全厂物料衡算，水、汽、冷衡算。3.发酵阶段设备及重点设备的选型及设计。4.附属设备的选型。设计的绘图内容：发酵罐结构2.3 原料、辅料等物料的选择标准2.3.1原料的选择酿造啤酒所需原料的质量直接影响所生产的啤酒质量、啤酒酿造所需的原料主要是大麦、酒花和酵母。1.大麦大麦是啤酒生产中最重要的原料，他发芽不仅含有较高的淀粉，同时也为糖化生产提供了各种丰富的酶系和含氮物质。对于其选用要经过质量判断，达标后才能选用，质量判断包括：感官判断，物理

5、分析，化学分析，生理检验。本设计采用一等品麦芽。2.酒花酒花是啤酒生产重要的原料，它赋予啤酒以纯正的苦味和啤酒香气，同时它还具有一定的防腐和澄清麦汁的能力。对其选用需要通过质量评价，达标后才能选用。质量包括：酒花的感官，酒花的化学鉴定，压缩酒花技术要求。3酵母酵母是单细胞微生物，在麦汁中起着物质转化作用。再有氧情况下将发酵糖转化为水和二氧化碳，再无氧情况下将发酵糖转化为乙醇和二氧化碳，酵母的选用要根据实际情况，从以下几点出发选用优质酵母。如：凝聚性和沉淀能力，发酵度，发酵速度，抗热能力，产孢子能力，对维生素的要求。4.大米大米是最常用的一种麦芽辅助原料，其特点是价格较低廉，而淀粉高于麦芽，多酚

6、物质和蛋白质含量低于麦芽。糖化麦芽汁收得率提高，成本降低，又可改善啤酒的风味和色泽，啤酒泡沫细腻，酒花香气突出，非生物稳定性比较好，特别适宜制造下面发酵的淡色啤酒。大米的用量一般是25%-35%，质量要求如表2-1：表2-1大米的质量要求项 目要 求色泽香 味夹杂物浸出物蛋白质脂肪水 分洁白，富有新鲜光泽，无黄色，棕色和青绿色不成熟粒，无霉粒 有新鲜粮香，无异味不超过0.2%，不得含有米胚芽 92%以上（无水物计）10%以下（无水物计）1%以下12.5%以下2.3.2辅料的选择啤酒生产中使用辅料是因为辅料可提供廉价的浸出物或糖类，这样会减少麦芽的使用量，降低啤酒的生产成本。主要的辅料有大米、玉

7、米、小麦、大麦、糖和淀粉糖浆，使用辅料应注意以下几个问题：1.加入辅料的品种和数量应根据麦芽的质量情况和所要酿造的啤酒类型来决定。2.添加辅料量过大或麦芽力不足时应适当加入相应的酶制剂。3.辅料的加入通常情况下使麦汁中蛋白质含量偏低，可通过降低蛋白质休止温度或加入中性蛋白酶等方法弥补以上不足，若仍达不到拟定的标准，应考虑降低辅料的比例。4.辅料的使用不应对啤酒质量指标产生太大的影响。第三章 设计条件及主要物性参数3.1 糖化工艺的选择及论证3.1.1糖化阶段工艺流程简图3.1.2工艺方法的选择 1.麦芽粉碎方法麦芽的粉碎方法随着时间的推移先后出现了干法粉碎，浸湿粉碎，回潮干法粉碎，连续湿法粉碎

8、四种方法。干法粉碎可调节麦芽粉碎度，根据麦芽质量来控制，此法成本较低，可以节省浸泡这一环节，但粉尘污染较大，本设计采用干法粉碎。辅料也用同样的方法。2.糖化方法糖化过程是一项非常复杂的生化反应过程，也是啤酒生产中的重要环节。糖化的目的就是要将原料（包括麦芽和辅助原料）中的可溶性物质尽可能多的萃取出来，并且创造有利于各种酶的作用条件，使很多的不溶性物质在酶的作用下变成可溶性物质而溶解出来，制成符合要求的买麦芽汁收得率。现今，出于节省投资成本，使用了大量的辅料代替了原有的部分麦芽，从而出现了一种新的糖化方法，复式浸出糖化法，它是由这两种方法演变而来的方法。它对于生产色泽极浅（5.06.0 EBC左

9、右），高发酵度（12啤酒的真正发酵度为66%左右），残余可发酵性糖少的啤酒有较好的应用。它具有加水比大，避免添加过多的麦芽，再糊化煮沸时。处进皮壳溶解和形成焦糖、类糊精的特点。因此本设计采用复式浸出糖化法。生产过程简单，糖化时间短（一般在3小时以内），耗能少，故设计中采用的是复式浸出糖化法。3.过滤方法采用过滤槽法。此法虽然古老，但槽的结构日新月异，可有效的提高过滤速度，保证分离效果。由于表面积大，过滤的也较为充分，效率较高。4.煮沸设备：煮沸锅的种类有夹套式、内加热式和外加热式。夹套式是比较古老的加热方式，他加热循环好，但是煮沸麦汁的量受限制，制作也比较麻烦，实用于中小型厂。5.麦汁澄清设备

10、采用回旋沉淀槽。热麦汁由切线方向进入回旋沉淀槽，在槽内回旋，可产生离心力。由于在槽内运动，离心力的和其反作用力的合力把颗粒推向槽底部中央，达到沉淀的目的。由于该设备占地面积小，可缩短沉淀时间，提高麦汁的澄清度，降低了损失。6.麦汁暂存槽麦汁在过滤后温度为78度左右，经薄板换热器使温度升至90度左右，再进入暂存槽，提高了糖化次数，节省了投资能耗，在煮沸锅中加热时可缩短到沸腾的时间。3.1.3糖化工艺流程中工艺参数及操作规程1.大米的比例为20%，麦芽的比例为80%。2.糊化：糊化锅料水比为1：2.3 ，投料后升温至50C，50C是蛋白酶最适温度，有利于氨基酸的产生，调PH，加入耐温淀粉酶，保温1

11、0分钟。加热至90C，然后升温至100C，保温30分钟。3.糖化：糖化锅料水比为1：2.5，加入39C的水使其混合后温度为37C，保持30分钟，升温至51C，保持75分钟，进行蛋白休止，将换热后的88C糊化醪打入糖化锅，保持在63C，保温30分钟，升温至70C以碘液检查为主，直至变色，表示糖化彻底，升温至78C，保温5分钟，将醪液泵入过滤槽。由于采用了高辅糖化，所以投料糖化前应加入耐高温的淀粉酶。4.PH值的调整：淀粉酶最适PH值是5.65.8，葡聚糖酶最适PH值是4.67.0，则加入磷酸调节PH值控制在5.6。5.过滤：过滤时醪液的温度保持不变，（控制在73-76C），PH值保持在5.57.

12、5之间，洗糟水温度为80C。当洗糟残液浓度达到工艺规定值，过滤结束。6.酒花的添加：煮沸90分钟，酒花分三次加入第一次：煮沸5-15分钟，添加总量的5-10%，主要是消除煮沸时的泡沫;第二次：煮沸30-40分钟后，添加总量的55-60%，主要是萃取酸，促其异构;第三次：煮沸完成前15分钟，加入35%，萃取酒花油，提高酒花香.3.2 发酵工艺及设备的选择及论证3.2.1发酵阶段工艺流程94热麦汁 冷麦汁（6） 锥形灌发酵 过冷却至-1 贮酒 过滤 清酒灌3.2.2工艺流程的说明1.麦汁的冷却过程：采用薄板冷却器。冷却介质为4C的冷水，经换热后麦汁的温度为8C，热麦汁进口温度为100C，水出口温度

13、为80C，冷却时间为1小时。此流程的优点如下：（1） 有效解决啤酒生产中生产用水的问题。经过一段冷却后的本身被加热到80C左右;（2） 可以做为糖化和洗涤用水;（3） 冷却面积大;（4） 降低能耗。操作简单。2.麦汁充氧：麦汁冷却到发酵接种温度后，接触氧，此时氧反应微弱，氧在麦汁中成溶解状态，它是酵母前期发酵繁殖所必须的。它可使酵母自身的数量增殖（560）107个/mL，保证发酵顺利进行。通入无菌空气，使麦汁含氧量达到8mg/L麦汁。3.麦汁的发酵：采用圆筒锥底发酵罐，它同传统发酵罐比有以下优点：（1）加速发酵 由于发酵基质（麦汁）和酵母对流获得强化，可加速发酵（2）厂房投资节省 发酵和贮酒可

14、以大部分或全部分在户外，而且罐数、罐总容积减少，厂房投资节省（3）冷耗节省 冷却是直接冷却发酵罐和酒液，而且冷却介质再强制循环下，传热系数高，比传统发酵节省40-50%的冷耗（4）发酵罐清洗、消毒 依赖CIP自动化清洗消毒，工艺卫生易得到保证4.麦汁的过滤 ： 采用硅藻土过滤机。通过不断的添加助滤剂，使过滤性能得到更新，补充，具有过滤性强，对过滤很浑浊的酒比棉饼过滤省气、省水、省工的特点。3.2.3发酵工艺1.麦汁进罐温度，第一锅8.5C，第二锅是8C，第三锅是8C，满锅温度8C。2.冷却的麦汁用酵母计量泵定量添加酵母，直接泵入C.C.T发酵，接种量为0.60.8%，接种后细胞浓度为（153）

15、106个/L。3.麦汁（4锅）在15小时必须满罐。4.满罐8C，开始敞口自然发酵，维持8C 24小时，排冷凝物及死酵母。5.进冷控制升温，使温度在24小时升至9.59C，恒温发酵24小时，然后生温，在24小时升至11C。6.当糖度降至5.55.8BX时封罐保压，11C恒温35天，进行双乙酰还原。7.当双乙酰降至0.15mg/L以下时，以0.33C/h速度在12h降至6C，然后0.25C/h速度在12h降至5C，恒温发酵24h，排第一次酵母35min.8.以0.33C/h速度降温至-1C(24h)，恒温24h，排第二次酵母35min .9.罐压保持在0.150.2Mpa，如果压力不够，可通入其它

16、罐旺盛时排出的，使其达到要求，出酒前排第三次酵母。3.2.4发酵工艺参数的确定1.进罐方法以前采用冷却麦汁混合酵母后分批进入繁殖罐，使酵母克服滞缓期，进入对数生长期再泵入C.C.T。而现在采用直接进罐法。即冷却通风后的麦汁用酵母计量泵定量添加酵母，直接泵入C.C.T发酵。操作方便，控制容易。2.接种量和起酵温度麦汁直接进罐法，为了缩短发酵时间，大多采用较高接种量，0.60.8，接种后细胞浓度为（153）106个/ml,麦汁是分批进入C.C.T，为了减少VDK前驱位置，-乙酰乳酸的生成量，要求满罐时间在1218h之内。麦汁接种温度是控制发酵前期酵母繁殖阶段温度的，一般低于主发酵温度23，目的是使

17、酵母繁殖在较低温度下进行，减少酵母代谢副产物过多积累。3.主发酵温度大罐发酵就国内采用的酵母菌株而言，多采用低温发酵（89）和中温发酵（1012），低温发酵适用于11度麦汁浓度。中温发酵适用于新菌株，酿造淡爽啤酒，而本设计恰好为12度啤酒，故选用中温发酵。4.VDK还原大罐发酵中，后发酵一般称做”VDK”还原阶段。VDK还原初期一般均不排放酵母，就是发酵全部酵母参与VDK还原，这样可缩短还原时间。5.冷却、降温VDK还原阶段的终点，是根据成品啤酒应控制的含量而定，现代优质啤酒要求VDK0.1mg/L才称还原阶段结束，可降温。再降温、排酵母、贮酒中，VDK有少量下降，则可达到要求。本设计采用C.

18、C.T冷却夹套对啤酒降温，有效的起到了还原，使酵母凝聚和絮凝沉淀的效果。6.罐压控制再传统式发酵中，主发酵是在无罐压或微压下进行的。发酵中是酵母的毒物，会抑制酵母繁殖和发酵速率。本设计选用的C.C.T发酵，主发酵阶段均采用微压（0.01MP0.02MP），主发酵后期才封罐逐步升高，还原阶段才12d才升至最高制，这样一来有效的提高了酵母繁殖和发酵速率。综上所述，本设计选用的圆筒锥底发酵罐大大优越于传统发酵罐。 第四章 工艺计算4.1 基础数据4.1.1 主要参数年生产数：300天，生产淡季：11月至3月，生产旺季:4月至10月，维修：15天，原料利用率：92%，麦芽水分：6%，大米水分：12%，

19、无水大米浸出率：90%，无水麦芽浸出率：76%。4.1.2啤酒生产基础数据项 目名 称百分比（%）项 目名 称百分比（%）定额指标无水麦芽浸出率76原料配比麦 芽80大 米20无水大米浸出率90啤酒损失率（对热麦汁）冷却损失5发酵损失2原料利用率98.5过滤损失1麦芽水分6装瓶损失1大米水分12总 损 失94.2物料计算4.2.1 100kg原料（80%麦芽，20%大米）生产12度淡色啤酒的物料衡算 100Kg混合原料中含浸出物的重量（E）麦芽：Gm=m(1-Wm)Em=80(100-6)%76%=57.15kg大米：Gn=n(1-Wn)En=20(100-12)%90%=15.84kg（其中

20、：m为100Kg混合原料中麦芽的质量;n为100Kg混合原料中大米的质量Wm为麦芽的含水量:Em为麦芽的无水浸出率;En为大米的浸出率）则E=Gm+Gn=57.15+15.84=72.99kg混合原料的收得率=72.9998.5%100=71.90%（其中：98.5%为原料的利用率）100kg原料产12度热麦汁量为:71.9010012=599.17kg12度麦汁在20时的相对密度为1.084100麦汁比20麦汁体积增加1.04倍热麦汁体积=599.171.041.084=574.85L冷麦汁量=574.85(1-0.05)=546.11L发酵液量=546.11(1-0.02)=535.18L

21、滤过酒量=535.18(1-0.01)=529.83L成品酒量=529.83(1-0.01)=524.53L酒花耗用量：（574.85524.53）0.2%100=0.22kg4.2.2.生产100L12度淡色啤酒的物料计算100kg原料生产成品酒524.53L生产100L 12度啤酒需用混合原料为100(100524.53)=19.06kg麦芽耗用量=19.0680%=15.25kg大米耗用量=19.0620%=3.81kg酒花耗用量=574.85524.531000.2%=0.22 kg热麦汁量=100574.85524.53=109.59L 冷麦汁量=100546.11524.53=10

22、4.11L成品酒量=100L湿糖化糟量 设热电厂出的湿麦芽糟水分含量为80%，则湿麦芽糟量为：（1-0.06）（100-76）/（100-80）15.25=17.20 kg 而湿大米糟量为：（1-0.12）（100-90）/（100-80）3.81=1.68 kg 故湿糖化糟量为：17.20+1.68=18.88 kg酒花糟量 设麦汁煮沸过程干酒花浸出率为40%，且酒花糟水分含量为80%，则酒花糟量为：（100-40）/（100-80）0.22=0.66 kg4.2.3 300000t/a 12淡色啤酒酿造车间物料衡算表设生产旺季每天糖化8次，而淡季则糖化4次，每年总糖化次数为1932次。由此

23、可计算出每次投料量及其他项目的物料平衡。把述的有关啤酒厂酿造车间的三项物料衡算计算结果，整理成物料衡算表，如表2所示。表2 啤酒厂酿造车间物料衡算表物料名称单位对100kg混合原料100L 12度淡色啤酒糖化一次定额量250000t/a啤酒生产混合原料Kg10019.0625088.815.65107大麦Kg8015.2520071.054.52107大米Kg203.815017.761.13107酒花Kg1.500.22289.526.52105热麦汁L574.85109.5914427.1832.49107冷麦汁L546.11104.11137033.7530.86107湿糖化糟Kg72.

24、3518.8824866.795.60107湿酒花糟Kg4.500.66888.100.20107发酵液L535.18109.59134103.303.02107过滤酒L529.83104.11132779.032.99107成品啤酒L524.53100.00131432.272.96107备注：12度淡色啤酒的密度为1012kg/m34.3 耗冷计算 4.3.1 发酵工艺流程示意图 冷却94热麦汁 冷麦汁（6） 锥形灌发酵 过冷却至-1 贮酒 过滤 清酒灌4.3.2 工艺技术指标及基础数据 年产12淡色啤酒300000t;旺季每天糖化8次，淡季为6次，每年共糖化2252次;主发酵时间6天；

25、4锅麦汁装1个锥形罐； 12Bx麦汁比热容c1=4.0KJ/（kgK）； 冷媒用99%酒精溶液，其比热容可视为c2=4.18 KJ/（kgK）； 麦芽糖化厌氧发酵热q=613.6kJ/kg；麦汁发酵度60%。根据发酵车间耗冷性质，可分成工艺耗冷量和非工艺耗冷量两类，即： 4.3.3 工艺耗冷量1、 麦汁冷却耗冷量Q1 近几年来普遍使用一段式串联逆流式麦汁冷却方法9。使用的冷却介质为4的冷冻水，出口的温度为85。糖化车间送来的热麦汁温度为98，冷却至发酵起始温度8。根据表2啤酒生产物衡酸表，可知每糖化一次热麦汁14427.18L，而相应的麦汁密度为1084kg/m3,故麦汁量为：G=108414

26、427.18=156390.63 kg又知120 Bx麦汁比热容C1=4.0KJ/(Kgk),工艺要求在1h小时内完成冷却过程，则所耗冷量为：Q1 =G（t1-t2）/ =156390.634.0(98-8)/1=56300626.8(KJ/h)式中t1和t2分别表示 麦汁冷却前后温度（） 冷却操作过程时间（h）根据设计结果，每个锥形发酵罐装4锅麦汁，则麦汁冷却每罐耗冷量为：Qf=4Q1=456300626.8=225202507.2(kJ) 相应地冷冻介质（4的冷冻水）耗量为：Mf=Q1/Cm（ t4-t3）= 56300626.8 4.18(85-4)=166284.56 (kg/h) 式

27、中，t3和t4分别表示冷冻水的初温和终温（） Cm水的比热容KJ/（kgK）2、发酵耗冷量Q2（1）发酵期间发酵放热Q21，假定麦汁固形均为麦芽糖，而麦芽糖的厌氧发酵房热量为613.6kJ/kg。设发酵度为60%，则1L麦汁放热量为：q0=613.612%60%=44.18(kJ)根据物料衡算，每锅麦汁的冷麦汁量为137033.75L,则每锥形缺罐发酵放热量为：Q01=44.18137033.754=24216604.30(kJ)由于工艺规定主发酵时间为6天，每天糖化8锅麦汁（旺季），并考虑到发酵放热不平衡，取系数1.5,忽略主发酵的升温，则发酵高温时期耗冷量为：Q21 =（Q011.58）/

28、(2464) =(24216604.301.58)/(2464) =504512.59(kJ/h)(2)发酵后期发酵液降温耗Q22主发酵后期，发酵后期，发酵液温度从8缓降到-1。每天单罐降温耗冷量为：Q02=4GC18-（-1）=4156390.634.09=22520250.72(KJ) 工艺要求此过程在2天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装1.5个锥形罐）：Q22=（1.5Q02）/(242)=(1.522520250.72)/(242)=703757.84 (KJ/h)（3）发酵总耗冷量Q2Q2=Q21+Q22=504512.59+703757.84=1208270.43(kJ/h) (4)

29、每罐用冷媒耗冷量Q0Q0=Q01+Q02=24216604.30+22520250.72=46736855.02 kg/h (5)发酵用冷媒耗（循环量）M2发酵全过程冷却用稀酒精液作冷却介质，进出口温度为-8和0，故耗冷媒量为：M2=Q2/（Cm8）=1208270.43/(4.188)=36132.49kg/h 3、酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3在锥形罐啤酒发酵过程，主发酵结束时要排放部分酵母，经洗涤活化后重复用于新麦汁的发酵，一般可重复使用57次。设湿酵母添加量为麦汁量的1.0%，且使用1的无菌水洗涤，洗涤无菌水量为酵母量的3倍。冷却前无菌水温30。用-8的酒精液作冷地介质。由中述条件

30、，可得无菌水用量为：Gw=156390.6361.0%3=28150.31(kg/d) 式中 151912.93糖化一次的冷麦汁量（kg）每班无菌水量：Gw= Gw/3=28150.31/3=9383.44(kg/每班) 假无菌水冷却操作在2h小时内完成，则无菌水冷却耗量为：Q3=GwGm(tw-tw)/r =9383.444.18(30-1)/2=568730.30(kg/h) （49）所耗冷冻介质量为：M3=Q3cw(t2-t1)/r=568730.30(4.188)=19018341.23(kg/h) （50）式中，t1和t2冷冻酒精液热交换前后的温度，分别为-8和0。每罐用于酵母洗涤的耗冷量：Q3=GwGm(t