年产十万吨啤酒厂啤酒发酵工艺设计.docx
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年产十万吨啤酒厂啤酒发酵工艺设计
年产十万吨啤酒厂啤酒发酵工艺设计
一、啤酒生产相关知识简介
1.1啤酒酿造工艺流程
图1啤酒酿造图
1:
原料贮仓
2:
麦芽筛选机
3:
提升机
4:
麦芽粉碎机
5:
糖化锅
6:
大米筛选机
7:
大米粉碎机
8:
糊化锅
9:
过滤槽
10:
麦糟输送
11:
麦糟贮罐
12:
煮沸/盘旋槽
13:
外加热器
14:
酒花添加罐
15:
麦汁冷却器
16:
空气过滤器
17:
酵母培养及添加罐
18:
发酵罐
19:
啤酒稳定剂添加罐
20:
缓冲罐
21:
硅藻土添加罐
22:
硅藻土过滤机
23:
啤酒清滤机
24:
清酒罐
25:
洗瓶机
26:
罐装机
27:
啤酒杀菌机
28:
贴标机
29:
装箱机
1.2酿造啤酒的原料
酿造啤酒的主要原料是大麦,水,酵母,酒花。
1.3麦汁的制备
其主要过程有原辅料粉碎,糖化,醪液过滤,麦汁煮沸,麦汁后处理等几个过程。
啤酒是发酵后直接饮用的饮料酒,因此,麦汁的颜色,芬香味、麦汁组成有一些会影响啤酒的风味、有一些影响发酵、最终也影响啤酒的风味。
麦汁组成中影响发酵的主要因子是:
原麦汁浓度、溶氧水平、pH值、麦汁可发酵性糖含量、α-氨基酸、麦汁中不饱和脂肪酸含量等。
1.4啤酒的发酵
冷却后的麦汁添加酵母以后,便是发酵的开始,整个发酵过程可以分为:
酵母恢复活力阶段,有氧呼吸阶段,无氧呼吸阶段。
酵母接种后,开始在麦汁充氧的条件下,恢复其生理活性,以麦汁中的氨基酸为主要的氮源,可发酵糖为主要的碳源,进行呼吸作用,并从中获取能量而发生繁殖,同时产生一系列的代谢副产物,此后便在无氧的条件下进行酒精发酵。
二、100000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算
啤酒厂糖化车间的物料平衡计算主要工程为原料〔麦芽、大米〕和酒花用量,热麦汁和冷麦汁量,废渣量〔糖化槽和酒花槽〕等。
2.1糖化车间工艺流程示意图
根据我国啤酒生产现况,有关生产原料配比、工艺指标及生产过程的损失等数据如表1所示。
图2啤酒厂糖化车间工程流程示意图
2.2工艺技术指标及根底数据
根据表1的根底数据,首先进行100kg原料生产10°淡色啤酒的物料计算,然后进行100L10°淡色啤酒的物料衡算,最后进行100000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。
表1啤酒生产根底数据
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
78
原料配比
麦芽
70
大米
30
无水大米
浸出率
90
啤酒损失率〔对热麦汁〕
冷却损失
7
发酵损失
2
原料利用率
98
过滤损失
1
麦芽水分
6
装瓶损失
2
大米水分
12
总损失
12
100kg原料〔70%麦芽,30%大米〕生产10°淡色啤酒的物料衡算
(1)热麦计算根据表1可得到原料收率分别为:
麦芽收率为:
78%×(100-6)%=%
大米收率为:
90%×(100-12)%=7%
混合原料收得率为:
〔××%〕98%=%
由上述可得100kg混合料原料可制得的10°热麦汁量为:
〔%×100〕÷10%=(kg)
又知10°麦汁在20℃时的相对密度为1.084,而100℃热麦汁比20℃时的麦汁体积增加1.04倍,故热麦汁〔100℃〕体积为:
÷×1000)×1000×1.04=705.93(L)
(2)冷麦汁量为:
×)=(L)
(3)发酵液量为:
×)=(L)
×(1-0.01)=636.95(L)
×(1-0.02)=624.22(L)
2.4生产100L10°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10°淡色成品啤酒,故可得以下结果:
〔1〕生产100L10°淡色啤酒需耗混合原料量为:
〔100/〕×100=(kg)
〔2〕麦芽耗用量为:
×7(kg)
〔3〕大米耗用量为:
=(kg)
〔4〕酒花耗用量:
对浅色啤酒,热麦汁中参加的酒花量为0.2%,故为:
(100/624.22)××0.2%=(kg)
〔5〕热麦汁量为:
〔/100〕×=(L)
〔6〕冷麦汁量为:
〔/100〕×=10(L)
〔7〕湿糖化糟量设热电厂出的湿麦芽糟水分含量为80%,那么湿麦芽糟量为:
[〔1-0.06〕〔100-78〕/〔100-80〕]×=(kg)
而湿大米糟量为:
[〔〕〔100-90〕/〔100-80〕]×=(kg)
故湿糖化糟量为:
+=(kg)
〔8〕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%,那么酒花糟量为:
[〔100-40〕/〔100-80〕]×(kg)
2.5100000t/a10°淡色啤酒酿造车间物料衡算表
设生产旺季每天糖化8次,而淡季那么糖化4次,每年总糖化次数为1800次。
由此可计算出每次投料量及其他工程的物料平衡。
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
100L10°度淡色啤酒
糖化一次定额量
100000t/a啤酒生产
混合原料
Kg
100
×107
大麦
Kg
70
×107
大米
Kg
30
×107
酒花
Kg
×105
热麦汁
L
7
62082.784
×107
冷麦汁
L
×107
湿糖化糟
Kg
×107
湿酒花糟
Kg
7
×105
发酵液
L
10
×107
过滤酒
L
×107
成品啤酒
L
100.00
×107
备注:
10度淡色啤酒的密度为1012kg/m3
三、100000t/a啤酒厂糖化车间的热量衡算
二次煮出糖化法是啤酒常用的糖化工艺,下面就以为基准进行糖化车间的势量衡算。
工程流程示意图如图2所示,其中的投料量为糖化一次的用料量〔计算参表2〕
3.1糖化用水耗热量Q1
根据工艺,糊化锅加水量为:
G1=〔+〕×4.5=(kg)
式中,kg为糊化一次大米粉量,kg为糊化锅参加的麦芽粉量〔为大米量的20%〕
图3啤酒厂糖化工艺流程图
而糖化锅加水量为:
G2=×3.5=(kg)
式中,kg为糖化一次糖化锅投入的麦芽粉量,即-=(kg)
而kg为糖化一次麦芽定额量。
故糖化总用水量为:
GW=G1+G2=+=(kg)
(1)
自来水的平均温度取t1=18℃,而糖化配料用水温度t2=50℃,故耗热量为:
Q1=(G1+G2)cw(t1-t2)=×(50-18)4.18=4541055.44(KJ)
(2)
3.2第一次米醪煮沸耗热量Q2
由糖化工艺流程图〔图3〕可知:
Q2=Q21+Q22+Q23(3)
糖化锅内米醪由初温t0加热到100℃的耗热量Q21
Q21=G米醪C米醪〔100-t0〕(4)
(1)计算米醪的比热容G米醪根据经验公式G容物=00.1[(100-W)c0+4.18W]进行计算。
式中W为含水百分率;c0为绝对谷物比热容,取c0=1.55KJ/(Kg·K).
C麦芽×6]=1.71KJ/(Kg·K)
C大米=0.01[〔100-12×KJ/(Kg·K)
C米醪=〔G大米c大米+G麦芽c麦芽+G1cw〕/(G大米+G麦芽+G1)〔5〕
=(×+×1.71+×)/(++)
KJ/(Kg·K)
(2)米醪的初温t0设原料的初温为18℃,而热水为50℃,那么
t0=[〔G大米c大米+G麦芽c麦芽〕×18+G1cw×50]/(G米醪C米醪)〔6〕
=[(×1.87+×1.71)×18+××50]/〔×3.76〕
=47.08℃
其中G米醪=+7+=〔kg〕
〔3〕把上述结果代如1中,得:
Q21=×〔100-47.08〕=KJ
煮沸过程蒸汽带出的热量Q22
设煮沸时间为40min,蒸发量为每小时5%,那么蒸发水量为:
V1=G米醪×5%×40/60=×5%×40/60=Kg〔7〕
Q22=V1I=×2257.2=〔8〕
式中,I为煮沸温度〔约为100℃〕下水的汽化潜热〔KJ/Kg〕
热损失Q23
米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为前两次的耗热量的15%,即:
Q23=15%〔Q21+Q22〕〔9〕
由上述结果得:
Q2=1.15〔Q21+Q22〕=1.15〔3467717.37+〕=KJ〔10〕
3.3第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q3
按照糖化工艺,来自糊化锅的煮沸的米醪与糖化锅中的麦醪混合后温度应为63℃,故混合前米醪先从100℃冷却到中间温度t0。
糖化锅中麦醪中的t
麦芽初温为18℃,用50℃的热水配料,那么麦醪温度为:
G麦醪=G麦芽+G2=+=kg(11)
c麦醪=〔G麦芽C麦芽+G2Cw〕/〔G麦芽+G2〕
=〔×1.71+×4.18〕/〔+〕〔12〕
=KJ/(kg.K)
t麦醪=〔G麦芽C麦芽×18+G2Cw×50〕/〔G麦醪C麦醪〕
=〔××18+196××50〕/〔×4.12〕〔13〕
=℃
根据热量衡算,且忽略热损失,米醪与麦醪混合前后的焓不变,那么米醪的中间温度为:
G混合=G米醪+G麦醪=+20218.491=Kg〔14〕
C混合=〔G米醪C米醪+G麦醪C麦醪〕/〔G米醪+G麦醪〕〔15〕
=〔17427.537×+×〕/
=3.95kJ/〔kg·K〕
t=〔G混合C混合×t混合-G麦醪C麦醪×t麦醪〕/〔G米醪C米醪〕〔16〕
=〔××63-××4〕/〔×3.76〕
=℃
Q3
Q3=G混合C混合〔70-63〕=×〔70-63〕=〔kJ〕〔17〕
3.4第二次煮沸混合醪的耗热量Q4
由糖化工艺流程可知:
Q4=Q41+Q42+Q43〔18〕
混合醪升温至沸腾所耗热量Q41
〔1〕经第一次煮沸后米醪量为:
G/米醪=G米醪-V1=-=16846.6(Kg〔19〕
糖化锅的麦芽醪量为:
G麦醪=G麦芽+G2=+=20218.491kg〔20〕
故进入第二次煮沸的混合醪量为:
G混合=G/米醪+G麦醪=+=37065.11(kg)〔21〕
〔2〕根据工艺,糖化结束醪温为78℃,抽取混合醪的温度为70℃,那么送到第二次煮沸的混合醪量为:
[G混合(78-70)]/[G混合(100-70)]×100%=26.7%〔22〕
〔3〕麦醪的比热容
c麦醪=〔G麦芽C麦芽+G2〕/〔G麦芽+G2〕
=〔×1.71+×4.18〕/〔+〕〔23〕
KJ/(kg.K)
混合醪比热容:
c混合=〔G/米醪c米醪+G麦醪c麦醪〕/〔G/米醪+G麦醪〕〔24〕
=〔×3.76+×4.11〕/
kJ/〔kg·K〕
〔4〕故Q41=26.7%G混合c混合〔100-70〕=〔kJ〕〔25〕
二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q42
煮沸时间为10min,蒸发强度5%,那么蒸发水分量为:
V2=G混合×5%×10/60
=×5%×10/60
=(kg)
Q42=IV2×=(kJ)〔26〕
式中,I为煮沸温度下饱各蒸汽的焓〔kJ/kg〕
热损失Q43
根据经验有:
Q42=15%〔Q41+Q42〕〔27〕
把上述结果代入公式〔27〕得
Q4=1.15(Q41+Q42)=1.15(+)=(kJ)〔28〕
3.5洗槽水耗热量Q5
设洗槽水平均温度为80℃,每100kg原料用水450kg,那么用水量为:
G洗=×450/100=(kg)其中
故Q5=GCw(80-18)=××(80-18)=797405486(kJ)〔29〕
3.6麦汁煮沸过程耗热量Q6
〔30〕
麦汁升温至沸点耗热量Q61
由表2啤酒厂酿造车间物料衡算表可知,100kg混合原料可得到kg热麦汁,并设过滤完毕麦汁温度为70℃,那么进入煮沸锅的麦汁量为:
G麦汁=×〔kg〕
又C麦汁=〔×1.71+×+××4.18〕/〔×7.4〕
=3.85(kJ/kg.k)
故Q61=G麦汁C麦汁(100-70)=××30=7473966.423(kJ)(31〕
煮沸强度10%,时间1.5h,那么蒸发水分为:
V3=×10%×1.5=2911.94(kg)其中煮沸锅的麦汁量
故Q62=IV3=146062658.095KJ(32〕
热损失为
(33〕
把上述结果代入上式得出麦汁煮沸总耗热
Q6=1.15(Q61+Q62)=(KJ)(34〕
3.7糖化一次总耗热量Q总
Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=〔KJ〕〔35〕
3.8糖化一次砂耗用蒸汽用量D
使用表压0.3MPa的饱和蒸汽,I=2725.3Kj/kg,i为相应的冷凝水的焓(561.47kj/kg),η为蒸汽的热效率那么:
D=Q总/[〔I-i〕η]
=/[(2725.3-561.47)×95%]〔36〕
=(kg/h)
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%。
3.9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为最大,且煮沸时间为90min热效率为95%,故:
Qmax×95%)=×95%)=(KJ/h)(37)
相应的最大蒸汽耗量为:
Dmax=Qmax/〔I-i〕=/(2725.3-561.47)=(kg/h)〔38〕
蒸汽单耗
据设计,每年糖化次数为1800次,总共生产啤酒100000t.年耗蒸汽总量为:
Dr=×1800=863805136(Kg)
每吨啤酒成品耗蒸汽〔对糖化〕:
D5=863805136/100000=(kg/t啤酒)
每昼夜耗蒸汽量〔生产旺季算〕为:
Dd=×8=(kg/d)
至于糖化过程的冷却,如热麦汁被冷却成热麦汁后才送井发酵车间,必须尽量回收其中的热量。
最后假设需要耗用冷冻水,那么在以下“耗冷量计算〞中将会介绍
最后,把上述结果列成热量消耗综合表,如表3
表3100000t/a啤酒厂糖化车间总热量衡算表
名称
规格
〔MPa〕
每吨消耗定额〔kg〕
每小时最大用量〔kg/h〕
每昼夜消耗量〔kg/d〕
每年消耗量〔kg/a〕
蒸汽
0.3〔表压〕
863805136
四、100000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量衡算
啤酒发酵工艺有上面发酵和下面发酵两大类,而后者有传统的发酵槽发酵和锥形罐发酵等之分[8]。
不同的发酵工艺,其耗冷量也随之改变。
下面以目前我国应用最普遍的锥形罐发酵工艺进行100000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量计算。
4.1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
图4发酵工艺流程
4.2工艺技术指标及根底数据
年产10°淡色啤酒100000t;旺季每天糖化8次,淡季为4次,每年共糖化1800次;主发酵时间6天;
4锅麦汁装1个锥形罐;
10°Bx麦汁比热容c1=4.0KJ/〔kgK〕;
冷媒用15%酒精溶液,其比热容可视为c2=4.18KJ/〔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:
〔39〕
4.3工艺耗冷量
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2℃的冷冻水,出口的温度为85℃。
糖化车间送来的热麦汁温度为94℃,冷却至发酵起始温度6℃。
根据表2啤酒生产物衡酸表,可知每糖化一次热麦汁L,而相应的麦汁密度为1048kg/m3,故麦汁量为:
G=1048×=(kg)
又知100Bx麦汁比热容C1=4.0KJ/(Kg·k),工艺要求在1h小时内完成冷却过程,那么所耗冷量为:
Q1=[GC〔t1-t2〕]/τ(40)
=[×4.0(94-6)]/1
=(KJ/h)
式中t1和t2——分别表示麦汁冷却前后温度〔℃〕
τ——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,那么麦汁冷却每罐耗冷量为:
Qf=4Q1=4×=(kJ)(41)
相应地冷冻介质〔2℃的冷冻水〕耗量为:
Mf=Q1/[Cm〔t4-t3〕]=/[4.18(85-2)]=(kg/h)(42)
式中,t3和t4——分别表示冷冻水的初温和终温〔℃〕
Cm——水的比热容[KJ/〔kg·K〕]
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%,那么1L麦汁放热量为:
q0×10%×60%=36.82(kJ)
根据物料衡算,每锅麦汁的冷麦汁量为L,那么每锥形缺罐发酵放热量为:
Q01××4=(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,那么发酵高温时期耗冷量为:
Q21=〔Q01××7〕/(24×6×4)
=(××7)/(24×6×4)]
=(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6℃缓降到-1℃。
每天单罐降温耗冷量为:
Q02=4GC1[6-〔-1〕]=4×××7=(KJ)〔43〕
工艺要求此过程在2天内完成,那么耗冷量为〔麦汁每天装1.5个锥形罐〕:
Q2202〕/(24××)/(24×2)=(KJ/h)(44)
〔3〕发酵总耗冷量Q2
Q2=Q21+Q22=+=2303155.801(kJ/h)(45)
(4)每罐用冷媒耗冷量Q0
Q0=Q01+Q02=+=kg/h(46)
(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/〔Cm×8〕=×8)=kg/h(47)
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局部酵母,经洗涤活化后重复用于新麦汁的发酵,一般可重复使用5—7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,可得无菌水用量为:
Gw′=×6×1.0%×3=(kg/d)
式中——糖化一次的冷麦汁量〔kg〕
每班无菌水量:
Gw=Gw′/3=/3=(kg/每班)〔48〕
假无菌水冷却操作在2h小时内完成,那么无菌水冷却耗量为:
Q3=[GwGm(tw-tw′)]/r=[××(30-1)]/2=2366200.186(kg/h)〔49〕
所耗冷冻介质量为:
M3=Q3[cw(t2-t1)]/r=8×8)=(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(tw-tw′)]/1.5=[××(30-1)]/1.5=(kJ)(51)
——
酵母培养耗冷量Q4
根据工艺设计,每月需进行一次酵母纯培养,培养时间为12d,即288h。
根据工厂实践,年产100000t啤酒培养冷量为〔Kj/h〕,那么
对应的年冷耗量为:
Q4’=Q4×288×10=×108(KJ)〔52〕
相应的顶峰冷冻介质循环量为:
M4=Q4/[cw(t1-t2)]=/×8)
=(kg/h)
发酵车间工艺耗冷量Qt
综上计算,可算出发酵车间的工艺耗冷量为:
Qt=Q1+Q2+Q3+Q4=+++
=(Kj/h)
4.4非工艺耗冷量Qnt
除了上述的发酵过程工艺耗冷量外,发酵罐外壁、运转机械、维护结构及管道等均会耗用或散失冷量,构成所谓的非工艺耗冷量,现分别介绍。
露天锥形罐冷量散失Q5
锥形罐啤酒发酵工厂几乎都把发酵罐置天露天,由于太阳辐射,对流传热和热传导等造成冷量散失。
通常,这局部的冷量由经验数据坟取。
根据经验,年产10万吨啤酒厂露天锥形罐的冷量在43000-100000kJ/t啤酒之间,假设在南方亚热地区设厂,可取高值。
故旺季生天耗冷量为:
Q5’=Gb×××6×100000=12289726(Kj/d)〔54〕
式中,Gb——旺季成品啤酒日产量〔t〕
假设白天日晒顶峰耗冷为平均每小时耗冷量的2倍,那么顶峰耗冷量为:
Q5=2Q5’/24=2×12289726/24=1024144(KJ/h)〔55〕
冷媒〔-8℃稀酒精〕用量:
M5=Q5/Cm(t2-t1)=(KJ/h)〔56〕
清酒罐、过滤机及管道等散失冷量Q6
因涉及的设备、管路很多,假设按前面介绍的公式计算,十分繁杂,故啤酒厂设计时往往根据实验经验选取。
通常,取
,所以:
Q6=12%Qt=12%×=(KJ/h)〔57〕
冷媒〔-8℃稀酒精〕用量:
M6=Q6/[cw(t2-t1)]=×8)=(KJ/h)〔58〕
4.5100000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表
将上述计算结果,整理后可得100000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表,如表4所得
表4啤酒厂发酵车间冷量衡算表
耗冷分类
耗冷工程
每小时耗冷量(kJ/h)
冷媒用量
(kJ/h)
每罐耗冷
(kJ)
年耗冷量
〔kJ〕
工
艺
耗
冷
量
麦汁冷却Q1
(M1)
×1010
发酵耗冷Q2
(M2)
×1010
无菌水冷却Q3
(M3)
×109
酵母培养Q4
(M4)
×108
工艺总耗冷Qt
—————
×1010
非工艺
耗冷量
锥形罐冷损Q5
1024144
(M5)
×109
管道等冷损Q6
(M6)
×109
非工艺总耗冷Qnt
—————
×109
合计
总耗冷Q
—————
×1010
单耗
580400kJ/t啤酒
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- 年产 十万 啤酒厂 啤酒 发酵 工艺 设计