啤酒发酵工艺设计--三万吨

啤酒发酵工艺设计--三万吨

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 6：大米筛选机 11：麦糟贮罐 16：空气过滤器 26：罐装机

2：麦芽筛选机 7：大米粉碎机 12：煮沸/回旋槽 17：酵母培养及添加罐 27：啤酒杀菌机

3：提升机 8：糊化锅 13：外加热器 18：发酵罐 28：贴标机

4：麦芽粉碎机 9：过滤槽 14：酒花添加罐 19：啤酒稳定剂添加罐 29：装箱机

5：糖化锅 10：麦糟输送 15：麦汁冷却器 20：缓冲罐 25：洗瓶机

21：硅藻土添加罐 22：硅藻土过滤机 23：啤酒清滤机 24：清酒罐

1.2 1.3

酿造啤酒的原料 麦汁的制备

酿造啤酒的主要原料是大麦，水，酵母，酒花。

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。

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二、 30000t/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项目为原料（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 工艺技术指标及基础数据

根据表1的基础数据，首先进行100kg原料生产10°淡色啤酒的物料计算，然后进行100L 10°淡色啤酒的物料衡算，最后进行30000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。

表1 啤酒生产基础数据

项 目 定 额 指 标 名 称 百分比（%） 无水麦芽 浸出率 无水大米 浸出率 原料利用率 麦芽水分 大米水分 78 90 98 6 12 项 目 原料配比 名 称 麦 芽 大 米 冷却损失 发酵损失 过滤损失 装瓶损失 总 损 失 百分比（%） 70 30 7 2 1 2 12 啤酒损失率（对热麦汁） 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) %=% 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：65×)=(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)

陈新 第 3 页 2021-8-1 （3）大米耗用量为：=(kg)

（4）酒花耗用量：对浅色啤酒，热麦汁中加入的酒花量为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%，则湿麦芽糟量为：

[（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%，则酒花糟量为：

[（100-40）/（100-80）]×(kg)

2.5 30000t/a 10°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1800次。由此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 混合原料 大麦 大米 酒花 热麦汁 冷麦汁 湿糖化糟 湿酒花糟 发酵液 过滤酒 成品啤酒

单位 Kg Kg Kg Kg L L Kg Kg L L L 对100kg混合原料 100 70 30 3100L 10°度淡色啤酒 10 糖化一次定额量 1 30000t/a啤酒生产 +9×10 ×10 ×10 ×10 ×10 ×10 ×10 ×10 ×10 ×10 ×10 66656664666备注：10度淡色啤酒的密度为1012kg/m 三、 30000t/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=（791.5+158.3）×4.5=4274.1(kg)

式中，为糊化一次大米粉量，为糊化锅加入的麦芽粉量（为大米量的20%）

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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，为糖化一次糖化锅投入的麦芽粉量，即-=(kg) 而为糖化一次麦芽定额量。 故糖化总用水量为：

GW(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=(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+×4.18]/( ++)

KJ/(Kg·K)

(2) 米醪的初温t0设原料的初温为18℃，而热水为50℃，则

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）

=47.5℃

其中G米醪 =791.5+158.3+4274.1=5183.9（kg）

陈新

（3）把上述结果代如1中，得：

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Q21=×（100-47.5）=1023301.86 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%，则蒸发水量为：

V1=G米醪×5%×40/60=×5%×40/60=172.80 Kg （7）

故Q22= V1I=×2257.2=390036.637 KJ （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（+）=1625339.28 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

已知麦芽初温为18℃，用50℃的热水配料，则麦醪温度为：

G麦醪=G麦芽+G2=+=7598.43 kg (11) c麦醪=（G麦芽C麦芽+G2Cw）/（G麦芽+G2）

=（×1.71+×4.18）/（+） （12） =3.63KJ/(kg.K)

t麦醪=（G麦芽C麦芽×18+G2Cw×50）/（G麦醪C麦醪）

=（××18+××50）/（×3.63） （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，则米醪的中间温度为：

G混合=G米醪+G麦醪=+=12782.33 Kg （14）

C混合=（G米醪C米醪+G麦醪C麦醪）/（G米醪+G麦醪） （15）

=（×6+×3.63）/ kJ/（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-××46.67）/（×3.76） =86℃ 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-V=-=(kg) （19）

糖化锅的麦芽醪量为：

G麦醪=G麦芽+G2=+=7598.43 (kg) （20）

故进入第二次煮沸的混合醪量为：

G混合=G/米醪+G麦醪=+=12782.33 (kg) （21）

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（2）根据工艺，糖化结束醪温为78℃，抽取混合醪的温度为70℃，则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+G2Cw）/（G麦芽+G2）

=（×1.71+×4.18）/（+） （23） =3.63KJ/(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） =（××

8kJ/（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%，则蒸发水分量为：

V2=G混合×5%×10/60 =×5%×10/60 =106.52(kg)

Q42=IV2×=240435.628 (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(376782.184+240435.628) =709800.484 (kJ) 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，则用水量为:

（28）

×450/100=11872.53(kg)

故 Q5=G××(80-18)=3076884.87(kJ) （29） 3.6 麦汁煮沸过程耗热量Q6

Q6Q61Q62Q63 （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℃，则进入煮沸锅的麦汁量为：

G麦汁 =×1（kg）

又C麦汁×××××7.4） =3.85(kJ/kg.k)

故Q61= G麦汁C麦汁 ××30=2242190.61(kJ) (31） 煮沸强度10%，时间1.5h，则蒸发水分为：

V3×10%×1.5=2911.94(kg)

故Q62=I V3(KJ) (32）

热损失为

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Q6315%(Q61Q62) (33）

把上述结果代入上式得出麦汁煮沸总耗热

Q6 =1.15(Q61+ Q62)=10137264.1(KJ) (34）

3.7 糖化一次总耗热量Q总

Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 = 17240772.1（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,则： D= Q总/[（I-i）η]

= 17240772.1/[(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，且已知煮沸时间为90min热效率为95%，故： Qmax××95%)=7113869.55(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30000t.年耗蒸汽总量为：

×1800=15096708(Kg)

每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）：

D5=15096708/30000=503.22(kg/t啤酒)

每昼夜耗蒸汽量（生产旺季算）为：

Dd ×8=67096.48(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。最后若需要耗用冷冻水，则在以下“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3 30000t/a啤酒厂糖化车间总热量衡算表 名称 蒸汽

规格 （MPa） 0.3（表压） 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） 15096708 四、 30000t/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。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20000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量计算。

[8]

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 工艺技术指标及基础数据

年产10°淡色啤酒30000t;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；

陈新

4锅麦汁装1个锥形罐；

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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=4.18 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：Q6QtQnt （39）

4.3 工艺耗冷量Qt 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。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20053L，而相应的麦汁密度为1048kg/m3,故麦汁量为：

[9]

G=1048×=(kg)

又知10Bx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，则所耗冷量为：

0

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，则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%，则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,则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，则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，则耗冷量为（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=+=(kJ/h) (45)

(4)每罐用冷媒耗冷量Q0

陈新 第 9 页 2021-8-1

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，则无菌水冷却耗量为：

Q3=[GwGm(tw-tw′)]/r =[××(30-1)]/2=(kg/h) （49）

所耗冷冻介质量为：

M3=Q3[cw(t2-t1)]/r=8×8)=2374137.73(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 (51) =(kJ)

——

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30000t啤酒培养冷量为41800（Kj/h），则 对应的年冷耗量为：

Q4’= Q4×288××108(KJ) （52）

相应的高峰冷冻介质循环量为：

M4 =Q4/[cw(t1-t2)]=41800/×8) =1250(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=＋＋＋41800 (53) =(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，这部分的冷量由经验数据坟取。根据经验，年产2万吨啤酒厂露天锥形罐的冷量在9000-20000kJ/t啤酒之间，若在南方亚热地区设厂，可取高值。故旺季生天耗冷量为：

Q5Gb2000020.01.0125200002040000(kJ/d) （54）

式中，Gb——旺季成品啤酒日产量（t）

若白天日晒高峰耗冷为平均每小时耗冷量的2倍，则高峰耗冷量为：

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Q52Q5/2422040000/24170000(kJ/h) （55）

冷媒（-8℃稀酒精）用量：

M5Q5/cm(t2t1)170000/(4.188)5083.73(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，若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Q612%Qt，所以：

Q6=12％Qt=12％×7099696.88=851963.63(KJ/h) （57） 冷媒（-8℃稀酒精）用量：

M6=Q6/[cw(t2-t1)]=×8)=25477.38(KJ/h) （58）

4.5 30000t/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30000t/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 工 艺 耗 冷 量 非工艺 耗冷量 合计 单耗

耗冷项目 麦汁冷却Q1 发酵耗冷Q2 无菌水冷却Q3 酵母培养Q4 工艺总耗冷Qt 锥形罐冷损Q5 管道等冷损Q6 非工艺总耗冷Qnt 总耗冷Q 每小时耗冷量(kJ/h) 41800 170000 冷媒用量 (kJ/h) (M1) (M2) (M3) 1250(M4) ————— (M5) (M6) ————— ————— kJ/t啤酒 每罐耗冷 (kJ) 1600000 年耗冷量 （kJ） ×108 8×10 ×10 8×10 ×10 8×10 8×10 ×10 ×10 9888