年产20万吨啤酒的发酵车间设计书.docx
《年产20万吨啤酒的发酵车间设计书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《年产20万吨啤酒的发酵车间设计书.docx（21页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
年产20万吨啤酒的发酵车间设计书
生物工程工厂设计任务书Ⅱ
一、设计题目：
年产10万（或1万、2万、5万、15万、20万、25万）吨啤酒的发酵车间设计
二、设计依据：
1、每年生产280天，成品啤酒为10°。
2、定额指标：
原料利用率98.5%
麦芽水分：
5%
大米水分：
13%
无水麦芽浸出率：
75%
无水大米浸出率：
95%
3、各生产阶段损失率：
麦汁冷却澄清损失：
热麦汁量的8%
主发酵损失：
冷麦汁量的2.5%
过滤和灌装损失：
啤酒量的3.5%
三、设计任务：
1、确定原料配比
2、进行生产方法的论证，确定生产方案、生产工艺和工艺流程
3、根据以上确定的原料配比和生产方案进行物料衡算和热量衡算，列出啤酒生产衡算表，
4、进行设备计算：
确定发酵罐的体积和径高比。
5、画出整个发酵车间的带控制点的工艺流程图（2号图纸）
四、设计成果内容：
1、设计说明书一本，包括设计任务中的1、2、3、4的内容
2、图纸1张
五：
参考资料：
1、啤酒工业手册（上、下册），中国轻工业出版社
2、顾国贤主编，酿造酒工艺学，中国轻工业出版社
3、吴思方主编，发酵工厂设计概论，中国轻工业出版社
4、化工原理教材，生物工程设备教材
5、马瑞兰，金玲编，化工制图，化工出版社，2000，8月
年产20万吨啤酒的发酵车间设计
第一章总论
1.1概述
啤酒作为一种口味纯正的饮料酒深受消费者的欢迎，其市场需求已经越来越大。
本设计是针对年产20万吨啤酒的发酵工艺进行设计的。
通过参阅大量的国内外文献，确定了采用下面发酵法，以70%的大麦和30%的大米为原料进行为期20天（主发酵6天，后发酵14天）的分批式发酵。
由物料衡算得出每年需大米9750t、大麦22800t、酒花酒花450t；由耗冷量的计算得出每年耗冷36.95×1010kJ。
并且通过对设备的选型与计算得出需要924m3的圆筒体锥底发酵罐40个.
关键词：
啤酒；工艺设计；物料衡算；热量衡算；圆筒锥底发酵罐
1.2设计目的
目前世界上啤酒市场竞争日益激烈，广大消费者对啤酒品种结构和产品质量的要求也越来越高，相应的新品种也层出不穷。
因而，很有必要将这方面信息加以科学地总结和分析以推动啤酒产品多样化在广度和深度上的健康发展。
随着人们生活水平的提高，饮食消费结构的不断改变，啤酒已进入千家万户，但是我国人均啤酒的消费还没有达到世界平均水平，所以建设新的大型的啤酒厂，增加产量就可以满足人们将来物质生活的需求。
[1]
1.3设计依据
1.3.1每年生产280天，成品啤酒为10°。
1.3.2定额指标：
原料利用率:
98.5%
麦芽水分：
5%
大米水分：
13%
无水麦芽浸出率：
75%
无水大米浸出率：
95%
1.3.3各生产阶段损失率：
麦汁冷却澄清损失：
热麦汁量的8%
主发酵损失：
冷麦汁量的2.5%
过滤和灌装损失：
啤酒量的3.5%
1.4设计任务
1.4.1确定原料配比
1.4.2进行生产方法的论证，确定生产方案、生产工艺和工艺流程
1.4.3根据以上确定的原料配比和生产方案进行物料衡算和热量衡算，列出啤酒生产衡算表，
1.4.4进行设备计算：
确定发酵罐的体积和高径比。
1.4.5画出整个发酵车间的带控制点的工艺流程图（3号图纸）
第二章发酵工艺选择与论证
发酵新技术主要有以下三种：
（1）浓醪发酵
1967年开始应用于生产。
是采用高浓度麦汁进行发酵，然后再稀释成规定浓度成品啤酒的方法。
它可在不增加或少增加生产设备的条件下提高产量。
原麦汁浓度一般为16°P左右。
（2）快速（分批）发酵
快速发酵是通过控制发酵条件，在保持原有风味的基础上，缩短发酵周期，提高设备利用率，增加产量。
快速发酵法工艺控制条件为：
在发酵过程某阶段提高温度；增加酵母接种量；进行搅拌。
（3）连续发酵
1906年已有啤酒连续发酵的方案，但直到1967年才得到工业化的应用。
主要应用国家有新西兰﹑英国等。
由于菌种易变异和杂菌的污染以及啤酒的风味等问题，使啤酒连续发酵工艺的推广受到限制。
综上所述：
在此我选用的是快速（分批）发酵。
第3章发酵车间物料衡算
3.1工艺流程及相关工艺参数
（1）工艺流程[2]
糖化缪→冷却→主发酵罐→烛式离心机→贮酒罐→过滤
↑
二级种子
↑
通少量空气
（2）相关工艺参数
项目
名称
百分比（%）
项目
名称
百分比（%）
定
额
指
标
原料利用率
98.5
原料配比
麦芽
70
大米
30
麦芽水分
5
啤酒损失率
（对热麦汁）
冷却澄清损失
8
大米水分
13
发酵损失
2.5
无水麦芽浸出率
75
过滤和装瓶损失
3.5
无水大米浸出率
95
总损失
14
表3-1
3.2啤酒发酵车间物料衡算:
根据上表的基础数据，首先进行100kg原料生产10°啤酒的物料计算，然后进行100L10°啤酒的物料衡算，最后进行年产20万吨10°啤酒发酵车间物料衡算。
（1）热麦汁计算
根据表1-1可得原料的收率分别为：
麦芽汁收率：
无水麦芽浸出率×（1−麦芽水分）=75%×（100-5）%=71.25%
大米收率为：
无水大米浸出率×（1−大米水分）=95%×（100-13）%=82.65%
混合原料收率为：
（麦芽比例×麦芽收率+大米比例×大米收率）×原料利用率
=（0.70×71.25%+0.30×82.65%）×98%
=73.18%
由上可得100kg混合原料可制得10°啤酒的热麦汁量为：
=731.8kg
又知10°啤酒麦汁在20℃时的相对密度为1.084，而10℃热麦汁比20℃时的麦
芽体积增加1.04倍。
故热麦汁（100℃）体积为：
V热麦汁=731.8÷（1.084×1000）×1000×1.04=702.1（L）
（2）冷麦汁量为：
V冷麦汁=V热麦汁×（1-冷却损失）
=702.1×（1-0.08）
=645.93（L）
（3）发酵液量为：
V发酵液=V冷麦汁×（1-发酵损失）
=645.93×（1-0.025）
=629.78（L）
（4）成品啤酒量为：
V成品=V发酵液×（1-过滤和装瓶损失）
=629.78×（1-0.035）
=607.74（L）
生产100L10°度啤酒的物料衡算：
根据上述衡算结果知，100kg混合原料可生产10°成品啤酒607.74L，故可得以下结果：
（1）生产100L10°啤酒需耗混合原料量为：
G原料=
=
=16.45（kg）
（2）麦芽耗用量为：
M麦芽=G原料×麦芽比例
=16.45×70%
=11.52（kg）
（3）大米耗用量为：
M大米=G原料×大米比例
=16.45-11.52
=4.93（kg）
（4）酒花耗用量：
对啤酒，热麦汁中加入的酒花量为0.2%
故酒花耗用量为：
M酒花=
×100×0.2%
=（100/607.74）×702.1×0.2%
=0.23（kg）
（5）热麦汁量为：
V′热麦汁=
×100
=（16.45/100）×702.1
=113.09（L）
（6）冷麦汁量为：
V′冷麦汁=
×100
=（16.45/100）×645.93
=106.26（L）
（7）湿糖化糟量
设排除的湿麦芽糟水分含量为80%，则湿麦芽糟量为：
M麦芽糖=
×M麦芽
=[（1-0.05）（100-75）/（100-80）]×11.52
=5.71（kg）
而湿大米糟量为：
M大米槽=
×M大米
=[（1-0.13）（100-95）/（100-80）]×4.93
=1.07（kg）
故湿糖化糟量为：
5.71+1.07=6.78（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%，则酒花糟为：
M酒花槽=
×M酒花
=[（100-40）/（100-80）]×0.23
=0.69（kg）
设每天糖化6次，每年工作280天，则每年共糖化1680次。
由此可计算出每次投料量及其他项目的物料平衡。
每糖化一次生产的成品啤酒量为：
=119.048吨/次=119048kg/次
10°淡色啤酒相对密度为1.012
则糖化一次生产成品啤酒体积为：
V=
=117636.37L
把述的有关啤酒厂发酵车间的三项物料衡算计算结果，得出本设计的物料衡算表，如表3-2所示。
表3-2物料衡算表
物料名称
单位
100kg混合原料
100L啤酒
糖化一次定额量
200000t/a啤酒生产
混合原料
Kg
100
16.45
19351.18
3.25×107
大麦
Kg
70
11.52
13545.83
2.28×107
大米
Kg
30
4.93
5805.35
9.75×106
酒花
Kg
1.40
0.23
270.56
0.45×106
热麦汁
L
702.10
113.09
133034.97
22.35×107
冷麦汁
L
645.93
106.26
125000.41
21.00×107
湿糖化糟
Kg
41.20
6.78
7975.75
1.34×107
湿酒花糟
Kg
4.19
0.69
811.69
1.36×106
发酵液
L
629.78
103.60
121871.28
20.47×107
成品啤酒
L
607.74
100.00
117636.37
19.76×107
备注：
10度纯生啤酒的密度为1012kg/m3
由表可得出本设计中实际年生产啤酒量为：
197600000L×1012kg/m3=199971吨
第四章发酵车间热量衡算
现代发酵工厂通常有制冷系统。
无论菌种培养、发酵、产品提取精制等过程，都可能要求在室温以下的温度进行。
啤酒生产过程中，主发酵温度为6℃，和后发酵在-1℃左右。
此外，许多生物活性物质，如酶、乙肝疫苗、干扰素以及一些抗生素等，其发酵生产或精制提取过都需要在较低温度下进行操作。
以上这些过程均需制冷操作。
通过耗冷量的计算，结合冷冻工艺要求，选定制冷系统的类型和冷冻机的型号、规格进而完成制冷系统的设计。
4.1发酵工艺流程示意图
本设计发酵车间耗冷工艺流程见图4-1
图4-1发酵车间耗冷工艺流程
4.2发酵车间耗冷量计算
4.2.1工艺技术指标及基础数据
年产20万吨10°啤酒199971t；
设每天糖化6次，每年工作280天，则每年共糖化1680次。
；主发酵时间为6天；
4锅麦汁装1个锥形发酵罐；
10°麦汁比热容c麦汁=3.858﹝kJ/（kg·℃）﹞
水的比热容cw=4.18﹝kJ/（kg·℃）﹞
冷媒用15%酒精溶液，比热容可视作cw=4.18﹝kJ/（kg·℃）﹞
麦芽糖厌氧发酵热q=613.6（kJ/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：
Q=Qt+Qnt
4.2.2工艺耗冷量
a、麦汁冷却耗冷量Q1
近几年来普遍采用一段式串联逆流式冷却法。
使用的冷却介质为2℃的冷冻水。
出口温度为85℃。
糖化车间送来的热麦汁温度为94℃，冷却至发酵的起始温度6℃
据表3-2物料衡算表，可知每糖化一次得热麦汁133034.97L，而相应的麦汁密度为1043kg/m3
故麦汁量为：
G=1043
133.035=138756kg
又知10°麦汁的比热容为3.858﹝kJ/（kg·℃）﹞
工艺要求在1小时内完成冷却过程，则所消耗冷量为：
Q1=Gc1（t1-t2）/τ
=138756
3.858
（94-6）/1
=47108217kJ/h
式中t1和t2——分别为麦汁前后的温度（℃）
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，则麦汁每罐耗冷量为：
Qf=4Q1=4×47108217kJ/h=18.84×107
b、发酵耗冷量Q2
（1）发酵期间发酵放热Q’2
假定麦汁固形物均为麦芽糖，而麦芽糖的厌氧发酵放热量为613.6kJ/kg，设发酵度为60%，则1L麦汁放热量为：
式中13%是麦汁含麦芽糖的量
根据物料衡算表，每锅冷麦汁量为125000.41L，则每锥形罐发酵放热量为：
Q0’=47.86×125000.41×4=23.93×106（KJ）
由于工艺规定主发酵时间为6天，每天糖化6锅麦汁，并考虑到发酵放热的不平衡，取系数为1.5，忽略主发酵期的麦汁升温，则发酵高峰期耗冷量为：
Q0’×1.5×623.93×106×1.5×6
Q2‘=——————=————————=373906（KJ/h）
24×6×424×6×4
（2）发酵后期发酵液降温耗冷Q’’2
主发酵后期，发酵液从6℃缓慢降至-1℃，每天单罐降温耗冷量为：
Q0‘’=4Gc1[6-（-1）]=4×138756×3.858×7=14.99×106（KJ）
工艺要求在2天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装1.5个锥形罐）
Q2‘’=1.5×Q0‘’/（24×2）=468406（KJ/h）
（3）发酵总耗冷量Q2
Q2=Q2‘+Q2‘’=373906+468406=842312（KJ/h）
（4）每罐发酵耗冷量Q0
Q0=Q0’+Q0‘’=23.93×106+14.99×106=38.92×106（KJ）
c、酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3
在锥形罐发酵过程中，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（取6次撒、），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。
冷却前无菌水温度为30℃，用-8℃的酒精液作冷却介质。
由上述条件可得无菌水量为：
mW’=125000.41×6×1.0%×3
=22500（Kg/d）
式中125000.41——糖化一次冷麦汁的量（kg）
每班无菌水用量：
mW＝mW’/3＝22500/3＝7500（Kg/班）
假定无菌水冷却操作在2h内完成，则无菌水冷却耗冷量为：
Q3＝GWcm（tw-tw’）/r
=7500×4.18×（30-1）/2
=454575（KJ/h）
每罐用于酵母洗涤的耗冷量为：
Q3＝GWcm（tw-tw’）/1.5
＝7500×4.18×（30-1）/1.5
＝606100（KJ）
式中1.5----------------每班装罐1.5罐
d、年产200000t啤酒厂酵母耗冷量为Q4：
根据工艺设计每月进行一次酵母纯培养，培养时间为12天，即288小时。
根据工厂实践，年产200000t啤酒酵母培养耗冷量为：
Q4＝200640（KJ/h）
对应的年耗冷量为：
108kJ
发酵车间工艺耗冷量:
综上计算，可求算出发酵车间的工艺耗冷量为：
Qt＝Q1+Q2+Q3+Q4
=47.11×106+842312+454575+200640
=48.6×106（KJ/h）
4.2.3非工艺耗冷量
除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，现在分别介绍。
a、露天锥形罐冷量散失Q5
锥形罐和啤酒发酵工厂几乎都是把发酵罐置于露天，由于太阳辐射、对流传热和热传导造成冷量散失。
通常这部分冷量散失可有经验数据求取。
根据经验，年产200000吨啤酒厂露天锥形罐的冷散失在24000～56000kJ/t之间
取最高值，故旺季每天耗冷量为：
Q5‘＝Gb×30000
=117.636×1.012×56000
=6.67×106（KJ/d）
式中Gb——旺季成品啤酒日产量
117.636——糖化一次生成成品啤酒量（m3）
1.012——成品啤酒密度
6——每天糖化6次
若白天日晒高峰耗冷为平均每小时耗冷的2倍，则高峰耗冷量为：
Q5=2Q5′/24=0.56×106kJ/h
b、清酒罐、过滤机及管道等散失冷量Q6
根据经验取Q6=12%Qt
=12%
48.6×106
=5.83×106kJ/h
4.3发酵车间冷量衡算表
将上述计算结果整理后可得发酵车间耗冷量的衡算表，见表4-1。
表4-1200000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表
耗冷分类
耗冷项目
每小时耗冷量（kJ/h）
年耗冷量（kJ）
工艺耗冷量
麦汁冷却Q1
47.11×106
31.66×1010
发酵耗冷Q2
842312
5.66×109
无菌水冷却Q3
454575
3.05×109
酵母培养耗冷Q4
200640
1.35×109
工艺总耗冷Qt
48.6×106
32.66×1010
非工艺耗冷量
锥形罐冷却损失Q5
0.56×106
37.63×108
管道耗冷Q6
5.83×106
3.92×1010
非工艺总耗冷Qnt
6.39×106
4.29×1010
合计
总耗冷量
54.99×106
36.95×1010
第五章发酵罐的设计与选型
圆筒体锥底立式发酵罐（简称锥形罐），已广泛用于上面或下面发酵啤酒生产。
锥形罐可单独用于前发酵或后发酵，还可以将前、后发酵合并在该罐进行（一罐法）。
这种设备的优点在于能缩短发酵时间，而且具有生产上的灵活性，故能适合各种类型的啤酒要求。
目前国内外啤酒工厂使用较多的是锥形罐。
[3]
下面对锥形罐进行设计与计算
5.1生产能力、数量与容积的确定
根据物料衡算表可知一次糖化发酵液定额量为121871.28L，每个锥形罐可装6锅糖化锅产生的发酵液，发酵周期20天。
（1）发酵罐数目的确定
在一个发酵槽可容纳一次麦芽汁的前提下，发酵槽的数目一般按照下列通式计算：
N=
t=40个
式中n——每日糖化次数，以旺季8次计算
t——发酵时间（d）为20
Z——在一个锥形罐内容纳一次糖化麦汁量的整数倍[7]
（2）锥形罐容积的确定
计算糖化一次麦汁量或其量的整数倍，同时适当考虑泡沫所占的空间，即可确定发酵槽的体积。
计算如下：
式中V——锥形罐的全容积
——糖化一次麦汁量
Z——在一个锥形罐内容纳一次糖化麦汁量的整数倍
——装罐系数，一般取0.8~0.85[6]
5.2主要尺寸计算
锥形罐的圆筒高H，桶身直径D。
顶封为一个椭球型封盖，长半轴长a=D/2，短半轴长b=3D/8，圆筒体高H=3D，锥底角为70°[4]
半椭球体积
圆筒体体积
椎底体积
则总体积为
=
=2.6466
=
所以
圆筒体高H=3D=7.086
3=21.204m
上封盖高h=
下锥底高h’
结论
本次设计是综合运用大学期间所学的各个学科和实验，通过大量的文献参阅对年产20万吨10°啤酒厂的发酵工艺进行的。
啤酒厂生产啤酒的原料为：
70%的大麦和30%的大米。
通过参考国内外相关文献和期刊确定了采用以酵母菌为菌种的下面发酵法和一罐发酵法。
下面发酵生产出的啤酒风味好，适合广大群众的口味，一罐发酵法缩短了发酵周期，方便了操作、降低了发酵过程中的染菌率。
通过物料衡算得到年产20万吨10°啤酒每年需要大米9750t，大麦22800t，酒花450t，年产发酵液204700L,实际年产啤酒量为199971t。
通过耗冷计算得出每年工艺耗冷量32.66×1010kJ，非工艺耗冷量为4.29×1010kJ，总耗冷量为36.95×1010kJ。
通过设备选型的计算得出:
发酵罐采用圆筒体锥底发酵罐40个，全容积924m3，直径7.068m，圆筒体高21.204m，上封盖高2.615m，下锥底高5.049m，锥角70°。
参考文献
[1]啤酒工业手册（上、下册），中国轻工业出版社
[2]顾国贤主编，酿造酒工艺学，中国轻工业出版社
[3]吴思方主编，发酵工厂设计概论，中国轻工业出版社
[4]化工原理教材，生物工程设备教材
[5]马瑞兰，金玲编，化工制图，化工出版社，2000，8月
[6]张丽君，杨汝德，吴振强.食品与发酵工业[M].1999
[7]张元兴，许学书.生物反应器工程[M].上海：
华东理工大学出版社
生物工程工厂设计
年产20万吨啤酒的发酵车间设计
姓名杨莹
学号09008210235
专业生物工程
班级09级2班
升级会员 