年产5万8°啤酒发酵车间设计5574.pdf

课程设计报告 题目：年产 5 万 8啤酒发酵车间设计 Annual output of 50000 8 degrees of beer fermentation workshop design 学院化学化工与生命科学学院 专业生物工程 班级10 生物工程 姓名汪新荣 学号10008037 组员刘照闫春伟 指导老师陈小举 2014 年 1 月 2 日 课程设计成绩评定表 学生姓名：汪新荣 学号：*专业班级：10 级生物工程 课程设计题目：年产 5 万吨 8啤酒发酵车间设计 课程设计报告评语：课程设计总评成绩 指导老师（签字）：年 月 日 课程设计任务书 20132014 学年 第 一 学期 化学化工与生命科学 学院 生物工程 专业 设计题目：年产 5 万吨 8啤酒发酵车间（工厂）设计 完成期限：自 2013 年 12 月 20 日至 2014 年 1 月 2 日 共二周 一、主要内容及基本要求 主要内容：1拟在巢湖市选择厂址新建年产 5 万吨啤酒工厂 2设计范围：以发酵车间为主体设计，只做初步设计 基本要求：生产技术方案和平面布局合理，工艺流程设计和设备选择及生产技术经济指标具有先进性与合理性，工艺计算正确，绘图规范，综合指标达到同类工厂先进水平，“三废”环保符合国家有关规定 二、重点研究的问题 生产工艺流程的选择和设计；物料衡算；发酵主车间布置设计以及专业设备选型。三、工作计划和进度 设计进度安排（1）2013 年 12 月 20-21 日查阅相关资料（2）2013 年 12 月 22-23 日完成开题报告（3）2013 年 12 月 23-30 日完成设计的撰写和图纸的绘制（4）2013 年 12 月 31 日-2014 年 1 月 2 日修改设计 四、设计成果形式 1)完成设计报告 2)绘制工艺流程图 摘要 本设计是年产五万吨 8的啤酒厂设计，此啤酒的酿造方法采用75%的麦芽，25%的大 M，经过糊化，糖化，煮沸，过滤，冷却，发酵而成。发酵设备采用圆筒体锥底发酵罐，发酵周期是 14 天。本设计内容主要包括物料衡算，热量衡算，冷耗衡算和设备选型的计算及重点设备选型及计算。本次设计还进行了“三废”处理和副产物综合利用的设计。糖化方法采用双醪浸出糖化法，发酵方法采用下面发酵法。本设计的图纸主要包括发酵罐图，厂区图。本论文对啤酒生产线工艺设计中的关键部分原料的糊化、糖化、麦汁过滤、煮沸、发酵、啤酒过滤进行了研究。在核心设备上选用国际先进装置，在提高啤酒质量、降低生产成本方面相对现实的生产工艺具有较大优势。关键词：啤酒；糖化；发酵；发酵罐 Abstract This design is the annual output of fifty thousand tons of 8 to the design of the brewery,the beer brewing method using 75%malt,rice 25%,after pasting,saccharification,boiling,filtering,cooling,and fermented.Fermentation equipment adopt cylinder cone bottom fermentation tank,fermentation period is 14 days.This design content mainly includes material balance,heat balance,the cold loss calculation and equipment selection calculation and equipment selection and calculation.This design also has carried on the three wastes treatment and comprehensive utilization of by-product of design.Saccharification method adopts double mash leaching method of saccharification,fermentation method adopts the following fermentation.This design mainly includes the drawing figure and the factory figure fermentation tank.A key part in this paper for beer production line process design,pasting,saccharification,wort filtration of raw materials,boiling,fermentation,beer filtration were studied.On the core equipment use international advanced equipment,to improve beer quality,reduce production costs relative to real production process has more advantages.Keywords:beer。saccharify。fermentation。fermentation tank 目录 第一章 绪论.8 1.1 设计选题的目的8 1.2 设计工作的意义8 1.3 中国啤酒产业的发展趋势8 1.4 课题研究内容及方法9 1.4.1 设计依据 9 1.4.2 设计范围 9 1.4.3 指导思想 9 1.5 厂址的选择 10 1.6 工艺选择 10 1.7 设备的选择 10 第二章 啤酒工艺选择与论证.11 2.1 啤酒原料 11 2.1.1 酿造用水111 2.1.2 麦芽 11 2.1.3 酒花 11 2.1.4 辅料 11 2.1.5 酵母 11 2.2 麦汁制备212 2.2.1 麦芽及辅料的粉碎理论 12 2.2.2 麦芽的粉碎 12 2.2.3 辅料的粉碎 12 2.3 麦汁过滤 14 2.3.1 麦汁过滤的基本要求及技术指标 14 2.3.2 麦汁过滤方法及影响因素 15 2.4 麦汁煮沸 16 2.4.1 麦汁煮沸设备选择及优缺点 16 2.4.2 麦汁煮沸工艺 16 2.5 麦汁后处理 17 2.5.1 热凝固物及冷凝固物的分离 17 2.5.2 麦汁的冷却 17 2.6 啤酒发酵错误!未定义书签。2.6.1 啤酒发酵方法的选择错误!未定义书签。2.6.2 一罐法发酵工艺的论证错误!未定义书签。第三章 物料衡算.17 3.1 物料衡算的意义 17 3.1.1 物料衡算基础数据 18 3.1.2 以 100kg 原料为基准 18 第四章 耗热量的计算.19 4.1 糖化用水 19 4.2 糊化过程耗热量 Q219 4.3 合醪前糖化锅需供热 Q320 4.3.1 糊化锅内醪液由 18加热至 55耗热 Q3120 4.3.2 合醪前热损失 Q3220 4.4 计算合醪后醪液温度 t020 4.5 合醪后总共需供热 Q421 4.5.1 合醪后至糖化结束所需热量 Q4121 4.5.2 合醪后至糖化结束时热损失Q4221 4.6 整个糖化过程需供热 Q121 4.7 糖化一次耗用蒸汽量 m21 4.8 过滤时洗糟水耗热量 Q521 4.9 麦汁煮沸过程耗热量 Q622 4.9.1 麦汁升温至沸点耗热量 Q6122 4.9.2 煮沸过程蒸发耗热量 Q6222 第五章 耗冷量的计算.24 5.1 麦汁冷却耗冷量 Q124 5.2 制取冷冻水耗冷量 Q124 5.3 发酵耗冷量 Q225 5.3.1 发酵期间发酵放热 Q225 5.3.2 发酵后期发酵液降温耗冷 Q225 5.4 酵母培养耗冷量 Q326 5.5 酵母洗涤用的冷无菌水冷却耗冷量Q426 第六章 耗水衡算.27 6.1 糖化用水 27 6.2 洗槽用水 27 6.3 糖化室洗刷用水 27 6.4 回旋沉淀槽洗刷用水 28 6.5 酵母洗涤用水 28 6.6 发酵罐洗刷用水 28 6.7 清酒罐洗刷用水 29 第七章 主要设备选型与论证.30 7.1 麦芽暂贮箱 25 7.2 麦芽粉贮箱 26 7.3 大 M 贮箱 30 7.4 大 M 粉贮箱 30 第八章 啤酒的三废处理.31 8.1 废水的处理 31 8.1.1 废水有氧处理设备 31 8.2 废渣处理 31 8.2.1 废酵母的处理 31 8.2.2 硅藻土泥的处理 31 第一章绪论 1.1 设计选题的目的 目前，世界上啤酒市场的竞争日益激烈，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，很有必要将这方面得计书加以科学地归纳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，啤酒已进入了千家万户。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。所以，设计啤酒厂是有意义有必要的。另外，此次选题是教研室下达的任务。是根据教案的实际需求来选定的。1.2 设计工作的意义 啤酒含有 17 种氨基酸，多种维生素及碳水化合物、矿物盐等物质、每升啤酒的热量可达 430 卡，相当于 6-7 枚鸡蛋，075 升牛奶或 50 克奶油，被世界营养协会组织列为营养食品，素有“液体面包”之誉。现代科学研究表明，啤酒中所含各种成份、既有较高的营养价值又具良好的药疗效果，啤酒中酒精含量较低，10 度黄啤酒含酒精 3左右，非但对胃和肝脏无损害，而且可平缓地促进人体血液循环；维生素B1、B6 已能维持心脏正常活动，而烟酸则能扩张血管，故它们对心血管系统有益，可加速新陈代谢。通过这次的选题，查阅资料，使我们在设计中进一步掌握了啤酒的工艺方法为今后走上工作岗位打下了坚实的基础。1.3 中国啤酒产业的发展趋势 行业结构的变化：集团化、规模化。企业数量继续下降，青岛、燕京、华润的下属企业会继续增加，生产能力和年产量还将持续增长。珠啤、金星、哈啤等二级集团也会迅速扩张。一业为主，多元发展。大多数啤酒企业集团在把啤酒业做强的同时依靠自身优势进入其他行业进行多元化发展。如青啤进入茶饮料业、葡萄酒业，燕啤进入生物制药业，蓝剑下属 20 多家进入其他产业等。信息化。知识经济时代，企业对信息的利用效率和利用程度成为提高企业竞争力的重要方面，啤酒企业对加快企业信息化建设更加重视。一方面加快内部信息化建设，如青啤、珠啤、燕啤、哈啤投资数千万元上ERP系统，许多企业建立内部局域网等；另一方面加快外部信息沟通和利用。更多的企业成立信息中心，加强对外部商业情报的收集、分析、利用。科技化。科技永远是第一生产力，加快科技进步是啤酒企业未来竞争的焦点之一。在纯生技术进一步提高的同时，啤酒企业会在啤酒保鲜度、延长保鲜期等方面不断创新。产品多样化。传统的普通啤酒依然会是主流，但随着越来越多个性化产品的不断出现，功能性保健啤酒、果汁啤酒、无醇啤酒等特色啤酒的消费量会越来越大。企业所有制结构多元化。国有企业逐渐退出，股份制企业、多种所有制混合式企业、民营企业得到大发展，新一轮的中外合资企业也会增多，不过合资的形式发生了改变。市场结构的变化：在城市市场，新一轮消费高潮掀起，中高档啤酒市场、特色啤酒市场、女士啤酒市场得到发展。在农村市场，随着农村经济的快速发展，啤酒消费出现稳步增长趋势。传统的企业经销商消费者的渠道模式受到挑战，企业消费者的直销模式得到快速发展，尤其是电子商务的发展使网上营销在啤酒行业得到大发展。1.4 课题研究内容及方法 1.4.1 设计依据 本设计是根据巢湖学院化学化工与生命科学院生物工程教研室布置的课程设计大纲要求来进行设计的。1.4.2 设计范围 本设计为年产 5 万吨 8的啤酒厂，重点设备发酵罐，发酵工段为重点工段。该设计包括工艺方法及流程的选择论证、物料衡算、耗热量衡算、耗冷量衡算、设备选型及论证、重点设备的详细设计、车间的布置、绘制图纸（发酵罐图和厂区图），三废处理等。1.4.3 指导思想 设计出来的啤酒厂要求投资小、技术高、运行稳定、经管方便、环境好。最重要的一点是生产成本低。在工艺方面，力求合理性和先进性；在设备方面，采用先进技术及机械化、自动化生产控制，提高劳动生产率；在经济上，要做到合理利用资源，降低能耗，减少污染，保护环境，减少浪费。1.5 厂址的选择 地理位置一般工厂厂址选在城镇的郊区，考虑微生物发酵工厂对环境因素的特殊要求，需要地势平坦，利于排水，有丰富的水源。巢湖市地处安徽中部，是五大淡水湖之一，有着优质的水源。巢湖市还有着巨大的市场潜力，是理想的建厂地址。气象资料是工厂总平面布置的重要依据之一。厂址应该接近原料产地，保证供应方便，减少运输损失。巢湖市当地盛产大 M 和小麦，地域平坦，为啤酒厂的原料供应提供了充足的保证。1.6 工艺选择 1.保证产品质量符合国家的规范；2.尽量采用成熟的，先进的技术和设备；3.选择生产方法主要依据原料的来源，种类和性质。1.7 设备的选择 保证工艺的安全性和可靠性，经济上的合理性，技术先进，投资省，加工方便，运行费低，操作清洗方便。主要方法：1.查阅资料，确定工艺方法以及流程；2.进行设计衡算（如物料衡算）；3.设计图纸绘图；4.撰写设计说明书。第二章啤酒工艺选择与论证 2.1 啤酒原料 2.1.1 酿造用水1 水是啤酒酿造最重要的原料，酿造水被称为“啤酒的血液”。酿造水质不仅决定着产品的质量和风味，而且还直接影响着酿造的全过程。水的质量要求：本设计为经典啤酒，色泽较浅，水的残碱度 RA 值要求小于0.89mmol/L，水中 Ca 至少为 4050mg/L，另外，Ca 和 Mg 比例要大于 3:1。Mg 过高会使啤酒产生苦味。水的镁硬小于等于 0.89mmol/L，水中含盐量要求很低。2.1.2 麦芽 采用浅色麦芽，麦芽外观整齐，除根干净，不含杂草、谷粒、尘埃、枯芽、半粒、霉粒、损伤残粒等杂质，色泽淡黄而有光泽。麦芽应有特殊的香味。不应有霉味、潮湿味、酸味、焦苦及烟熏味等。2.1.3 酒花 酒花能够赋予啤酒爽口的苦味和愉快的香味，增加麦汁和啤酒的防腐能力；增加啤酒的泡持性；酒花与麦汁共同煮沸，能促进蛋白质的凝固，有利于麦汁的澄清，有利于啤酒的非生物稳定性。本设计采用颗粒酒花制品。2.1.4 辅料 以价格低廉而富含淀粉的谷类作为辅料可以提高麦汁收得率，制取廉价麦汁，以达到降低成本的目的，辅料的蛋白质易氧化的多酚物质含量明显低于麦芽，这有利于降低啤酒的色度和改善啤酒的非生物稳定性。大 M 是啤酒厂最常用的辅料，其特点是价格低廉，蛋白质、多酚物质和脂肪含量低于麦芽，而淀粉含量高于麦芽，本设计采用大 M 作为辅料，生产出的啤酒具有色泽浅、口味清爽、泡沫细腻、酒花香突出，非生物稳定性好等特点。2.1.5 酵母 在实际生产中最常用的酵母有两大类：上面酵母和下面酵母。二者形态上存在明显的差别。上面酵母又叫表面酵母，其母细胞和子细胞能够长时间相互连接，形成多枝的牙簇，下面酵母又叫底面酵母、贮藏酵母，其母细胞和子细胞增殖后彼此分开，几乎都是单细胞或几个细胞连接。本设计设计的是经典型啤酒，色泽浅，采用的是下面发酵技术，故选用下面酵母。2.2 麦汁制备2 2.2.1 麦芽及辅料的粉碎理论 麦芽和谷物原料经过粉碎后才能很好的溶解，并且粉碎质量对糖化过程中物质的生化变化、麦汁组成、麦汁过滤和原料的利用率都有重要作用，从理论上讲，麦芽粉碎的越细，其内含物的溶解就越迅速、越完全，化学和酶促反应更容易进行，因此就能获得最佳收得率，然而。在实际生产中，不能将麦芽粉碎的太细，因为麦芽和淀粉颗粒各具有不同的性质，麦芽的粉碎只需达到一定的程度即可。2.2.2 麦芽的粉碎 麦芽的粉碎大致可分为干法、湿法、回潮增湿和浸润增湿 4 种，本设计采用湿法粉碎。湿法粉碎是将麦芽以 50左右热水浸泡 1520min，使麦芽含水量达到约 30%后，在进入对辊粉碎机（两辊间隙 0.35-0.45mm），在粉碎的同时，将糖化用水（料水比在 1:3以上）送入粉碎机对粉料调浆，边粉碎边投入糖化锅。湿法粉碎包括不少优点，由于湿法粉碎对麦芽进行了预浸，使麦壳的韧性有所增加，所以麦壳可以保持完整。这样过滤槽中的麦层较为疏松，是麦汁过滤速度加快，并减少皮壳中有害成分的浸出，无粉尘。另外由于麦粒内容物预先吸水，容易磨成浆状细粒，这样，有利于颗粒的糊化。酶的游离和可溶成分的溶出。过滤槽单位面积负荷较大，达250350kg/m，与糖化室可在同一平面。2.2.3 辅料的粉碎 辅料常用的粉碎方法为干法粉碎，本设计采用的辅料为大 M，大 M 的粉碎多 采用对辊粉碎机，粉碎要求细一些好 2.2.4 糖化工艺的选择与论证 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，将麦芽和麦芽辅料中的不溶性高分子物质逐步分解为可溶性低分子物质，这个分解过程称为糖化。从麦芽和麦芽辅料中溶解出来的物质称为浸出物。浸出物主要有各种发酵性的糖类（麦芽糖、麦芽三塘、葡萄糖），非发酵性的糖、蛋白质、麦胶物质和矿物质组成、麦汁中的糖类比大麦原有糖类（蔗糖、果糖）的含量有所增加，在 11-12 P 的麦汁中，这些可发酵性糖占总浸出物的 61%-65%,决定了麦汁的最终发酵度。麦汁中浸出物与投料量比值的百分数称为浸出率。在糖化过程中约有 75%-80%的原料内容物能够浸出，未溶解的残余物将和麦糟一起排出。糖化的目的是利于各种酶的作用，使不溶性物质溶解出来，从而得到尽可能多的溶解物，并且使麦汁组成适和发酵。糖化的总体目标和要求见下表2-1。表 2-1 糖化总体目标和要求 糖化的总目标 糖化的工艺目标 数值目标 主要影响因素 最佳的麦汁组分；较高的浸出率；提高原料的利用率；减小能源消耗；具备良好的过滤性；主发酵和后发酵速；有利于酵母的沉降；良好的啤酒稳定性；良好的过滤性能；减小最终发酵度与外观发酵度的差值小于2%；色度浅；啤酒的还原能力强；口味稳定性好；减少发副产物的量；减少 DMS、脂肪酸和羰基化合物的量；麦芽质量；良好的粉碎；通过对温度、时间、PH值和浓度的调整，优化酶的最佳作用条件；(1)糖化方法 麦芽的糖化方法通常可分为煮出糖化法和浸出糖化法，煮出糖化法的特点是将糖化醪液分批地加热到沸点，然后与其余未煮沸的醪液温度分阶段地升温到不同酶作用所要求的温度，最后达到糖化终了的温度，煮出糖化法设备复杂，操作也比较复杂，工作时间长，生产成本高，设备多，占地面积大，投资较高。浸出糖化法的特点是：糖化醪液自始自终不经煮沸，单纯依靠酶的作用浸出各种物质，麦汁在煮沸前仍保留一定的酶活力，同时，浸出糖化法设备比较简单，操作简单，工作时间短，生产成本低，占地面积小。生产的啤酒柔和、淡爽，因而，本设计采用浸出糖化法工艺。糖化的具体过程:糖化醪与糊化醪兑醪后，醪液不再煮沸，而是直接在糖化锅内升温，达到糖化各阶段所要求的温度。由于只有部分醪液进行煮沸，胚乳细胞壁的高分子麦胶物质及其他杂志溶出较少，所制麦汁色泽浅，黏度低，口味柔和，发酵度高，特别适合酿造浅色淡爽型啤酒；而且操作简单，糖化时间短，在 3h 内即可完成。有关糖化工艺图见下图 2-1 和图 2-2。图 2-1 糖化工艺图解 糖化锅糊化锅 30-35（30min）50（20min）15min 15min 50-55（30-60min）70（20min）15min 15min 煮沸（30min）65-68（30-60min）（碘液反应基本完全）76-78（10min）过滤 表2-3 糖化工艺曲线020406080100120525557595105120时间/min温度糖化温度糊化温度 2.3 麦汁过滤 2.3.1 麦汁过滤的基本要求及技术指标 麦汁过滤的基本要求是迅速、彻底地分离糖化醪液中的可溶性浸出物，尽量减少影响啤酒风味的麦皮多酚、色素、苦味质以及麦芽中的高分子蛋白质、脂肪、脂肪酸和-葡聚糖等物质进入麦汁，从而保证麦汁良好的口味和较高的澄清度3。技术指标应保证过滤的麦汁达到生产所需要的质量要求，尽可能多地获得澄清麦汁，提高生产率，减少对环境的污染。具体技术指标见表2-4。2.3.2 麦汁过滤方法及影响因素 过滤槽是大多数啤酒厂经常采用的麦汁过滤设备，在啤酒生产中，麦汁过滤方法大致可以分为四类：过滤槽静压过滤法，过滤槽正压过滤法，过滤槽抽吸是负压过滤法，压滤机过滤法。我国大多数啤酒厂均采用过滤槽静压过滤法进行麦汁过滤。本设计采用过滤槽静压过滤法进行麦汁过滤。过滤槽法过滤麦汁是通过筛分效应，滤层效应和深层过滤效应三方面的作用而进行的。麦汁的过滤速度受滤层阻力、滤层渗透性、滤层厚度、麦汁黏度和滤层面积等诸多因素影响。表 2-4 过滤操作技术指标 目标 理想值 相关因素 质量 麦汁澄清度 30EBC,短期10EBC(小麦麦汁浊度略高)脂肪酸；口味稳定性；苦味质 固形物 30mg/L。最佳值为 0 脂肪酸；口味稳定性；碘值；苦味质；回旋沉淀槽凝固物的数量 碘值 0.2E,煮沸后0.3E 过滤性；生物活性 氧含值 0.05mg/L 色度；单宁；苦味质；口味；口味稳定性 生产率 收得率高 实验室值1%；过滤槽的收得率不大于实验室值的 0.5%麦芽成本 速度快（过滤槽）每天 8-14 锅 个体；贷款；投资 环保要求 无洗糟残水 达到规范 其它辅助设备；人员投入；质量；废水；成本 出糟 残糟剩余量400g/m2 小型过滤槽出糟困难；废水 麦糟压榨汁 在封闭系统进行 废水；气味 麦糟的排放 饲料 成本；垃圾堆放场 筛本底部的冲洗 下次糖化时使用 废水；成本 2.4 麦汁煮沸 2.4.1 麦汁煮沸设备选择及优缺点 麦汁过滤结束后，就要进行麦汁煮沸，并在麦汁过滤中添加酒花。煮沸期间将发生一系列复杂的物理和化学变化，麦汁质量也会受多种因素影响。啤酒厂商用的煮沸锅有内加热式煮沸锅、外加热式煮沸锅、低压煮沸过和连续流动式麦汁煮沸器，本设计采用内加热式煮沸锅。内加热式煮沸锅的特点是：麦汁加热器垂直安装在锅内，加热器为列管式加热器。麦汁煮沸时，麦汁由下而上穿过加热器的列管向上沸腾，内加热式煮沸锅具有以下优点：1，设备投资少，无需维护，没有磨损，耗电量低；2 热辐射损失小；3 煮沸温度和蒸发速率可以调整；4 设备简单，不需外加加热器和搅拌器。2.4.2 麦汁煮沸工艺 内加热式麦汁煮沸锅又可分为常压煮沸和低压煮沸。本设计采用常压煮沸工艺，具体为进锅麦汁在 15-20min 从 75升至 100，在 100煮沸维持 30min，总煮沸时间为70-90min，总蒸发量为 8%-12%，其温度变化曲线如下表 2-5。表2-5 煮沸过程中的温度变化曲线7075808590951001055152535455565758595105120时间/min温度/2.5 麦汁后处理 2.5.1 热凝固物及冷凝固物的分离 麦汁煮沸后应尽快将麦汁中的热凝固物进行有效的分离，以获得澄清的麦汁，然后将麦汁冷却至工艺要求的温度，冷却的同时，要进行通风，为酵母繁殖提供足够的氧气。漩涡成沉淀槽是最常用的热凝固物分离设备，与其它设备相比，她的分离效果最佳。麦汁在冷却过程中会形成冷凝固物，并逐渐沉淀下来，去除冷凝固物的方法可以用自然沉降法和浮选法，自然沉降法是待冷凝固物自然沉降后加以除去，浮选法是麦汁在去除热凝固物后，通入无菌空气就会吸附在细密的小气泡上，随气泡升至液面，并加以除去。2.5.2 麦汁的冷却 常用的麦汁冷却器为板式换热器，换热效率很高。麦汁冷却的基本要求有：麦汁和冷却水流经部位要便于清洗，密封性要好，严防冷却水和麦汁的渗漏。要有足够的冷却面积，冷却时间要短，冷凝固物析出的量多。第三章物料衡算 3.1 物料衡算的意义 物料衡算是指理论上进行生产时，所要消耗的物料和可以得到的产品以及副产品的量，物料衡算的准确与否关系到整个生产工艺的合理性和设计的可行性，是整个设计阶段的重要一环。3.1.1 物料衡算基础数据 根据表 3-1 的基础数据，先进行 100kg 原料生产 8P 啤酒的物料衡算，然后进行100L8P 啤酒的物料衡算，最后进行 50000t/a 啤酒厂的物料衡算。表 3-1 啤酒生产基础数据 工程 名称 百分比 说明 定 额 指 原料利用率 98.5 麦芽水分 6 大 M 水分 13 标 无水麦芽浸出率 75 无水大 M 浸出率 95 原料 配比 麦芽 75 大 M 25 损 失 率 冷却损失 3.5 发酵损失 1.5 对热麦汁而言 过滤损失 1.0 装瓶损失 1.0 总损失率 啤酒总损失率 7.0 对热麦汁而言 3.1.2 以 100kg 原料为基准（1）热麦汁量 根据表 3-1 可得原料收得率分别为：原料麦芽收得率为：0.75(100-6)100=70.5%原料大 M 收得率为：0.95(100-13)100=82.65%混合原料收得率为：（0.7570.50%+0.2582.65%）98.5%=72.43%由上述可得 100kg 混合原料可制得的 8P 热麦汁量为：（72.438）100=905.38(kg)又知 8P 麦汁在 20时的密度为 1.032kg/L，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：（603.581.032）1.04=912.4(L)（2）冷麦汁量 912(1-0.035)=880.08(L)表 3-1 啤酒生产物料衡算表 物料名称 单位 对 100kg 混合原料 对 100L 成品啤酒 糖化一次 定额量 混合原料 kg 100 17.92 3275.9 麦芽 kg 75 8.82 2457 大 M kg 25 2.94 819 酒花 kg 1.83 0.215 60 热麦汁 L 912.4 107.34 29889 冷麦汁 L 880.08 103.58 28831 湿糖化糟 Kg 142.55 11 4670 湿酒花糟 Kg 5.48 0.645 180 发酵液 L 866.88 102.03 28398 过滤酒 L 858.21 101.01 28114 成品啤酒 L 850 100 27845 备注：8P 啤酒的密度为 1008kg/m3，实际年生产啤酒:t 6.50709 第四章耗热量的计算 4.1 糖化用水 糊化锅加水量：m1=（819+164）5=4915(kg)糖化锅加水量：m2=22933.5=8026(kg)总用水：m3=m1+m2=4915+8026=12941(kg)4.2 糊化过程耗热量 Q2 糊化过程耗热有三部分，一部分为加自来水后温度升至 100耗热 Q21，一部分为 M醪在煮沸时蒸汽带出的热量Q22，还有一部分为整个过程中的热损失Q23,即 Q2=Q21+Q22+Q23 Q21=mM醪CM醪（100-18）(1)计算 M 醪的比热容 CM醪 根据经验公式：C谷物=0.01(100-W)C0+4.18W 式中 W谷物含水百分率；C0绝对谷物比热容；取 C0=1.55kJ/(kgK),则：C麦芽=0.01（100-6）1.55+4.186=1.71kJ/(kgK)C大M=0.01（100-13）1.55+4.1813=1.89kJ/(kgK)所以，CM醪=（m大MC大M+m麦芽C麦芽+m1C水）/(m大M+m麦芽+m1)=(8191.89+1641.71+49154.18)/(819+164+4915)=3.79kJ/(kgK)所以，Q.21=mM醪C米醪(100-18)=58983.97(100-18)=1832981kJ 式中，mM醪=糊化锅内物料量+水的量=819+164+4915=5898kg 4.3 合醪前糖化锅需供热 Q3 合醪前糖化锅耗热由两部分组成，一部分为物料升温至 55耗热 Q31，另一部分为升温过程中的热损失 Q32，即 Q3=Q31+Q32 4.3.1 糊化锅内醪液由 18加热至 55耗热 Q31 Q31=m麦醪C麦醪(55-18)m麦醪=8026+2293=10319kg C麦醪=(m麦芽C麦芽+m2C水)/(m麦芽+m2)=(2293+1.71+8026+4.18)/(2293+8026)=3.63kJ/kg.k 所以,Q31=103193.63（55-18）=1385945kJ 4.3.2 合醪前热损失 Q32 设合醪前热损失率为 12%，则 Q32=Q3112%=166313kJ 4.4 计算合醪后醪液温度 t0 计算合醪后醪液的比热容 C合 C合=麦醪米醪麦醪麦醪米醪米醪mmCmCm=10319589863.31031979.35898=3.69(kJ/kg.k)m合=mM醪+m麦醪=16217kg，所以合醪后醪液温度 t0=合合麦醪麦醪米醪米醪Cm55Cm100Cm=69.3162175563.31031910079.35898=35 4.5 合醪后总共需供热 Q4 合醪后总需供热可看做由两部分组成，一部分为合醪后至糖化结束耗热 Q41，另一部分为该过程的热损失 Q42，即 Q4=Q41+Q42 4.5.1 合醪后至糖化结束所需热量 Q41 Q41=m合C合（78-35）=162173.69（78-35）=2573151(kJ)4.5.2 合醪后至糖化结束时热损失 Q42 设热损失率为 12%，则 Q42=Q4112%=257315112%=308778(kJ)所以 Q4=Q41+Q42=2573151+308778=2881929(kJ)4.6 整个糖化过程需供热 Q1 Q1=Q2+Q3+Q4=2427093+152258+2881929=6861280(kJ)4.7 糖化一次耗用蒸汽量 m 使用表压为 0.3Mpa 的饱和蒸汽，h=2725.3(kJ/kg)，则：m=Q1/(h-h)=6861280/(2725.3-561.47)95%=3338(kg)式中 h相应冷凝水的焓（561.47kJ/kg）蒸汽的热效率，取=95%4.8 过滤时洗糟水耗热量 Q5 设洗槽水平均温度为 70，每 100kg 原料用水 450kg，则用水量为：m洗=（3276/100）450=14742（kg）故 Q5=m洗C水(70-18)=3204321（kJ）4.9 麦汁煮沸过程耗热量 Q6 煮沸过滤后的麦汁耗热量可由三部分组成，一部分为麦汁升温至沸点（近似为 100）时耗热 Q61，另一部分为麦汁煮沸时蒸汽带出热量 Q62以及该过程的热损失 Q63，即Q6=Q61+Q62+Q63 4.9.1 麦汁升温至沸点耗热量 Q61 由物料衡算表可知，100kg 混合原料可得到 912.4L 热麦汁，并设过滤完毕麦汁温度为 75，则进入煮沸锅的麦汁量为：m麦汁=（3276/100）912.41.032=30847(kg)C麦汁=(24571.71+8191.89+32766.44.18)/(32767.4)=3.53(kJ/kg.k)故 Q61=m麦汁C麦汁（100-75）=2722248(kJ)4.9.2 煮沸过程蒸发耗热量 Q62 设煮沸强度 10%，时间 1.5h，则蒸发水分为 V2=G麦汁10%1.5=3084710%1.5=4627(kg)故,Q62=IV2=2257.24627=10444064(kJ)第五章耗冷量的计算 5.1 麦汁冷却耗冷量 Q1 本设计采用一段式串联逆流式麦汁冷却方法，使用的冷却介质为 2的冷却水，出口温度为 70，糖化车间送来的热麦汁温度为 97，冷却至发酵起始温度 10。有前面的计算可知，每糖化一次得到的麦汁为 29889L，相应的麦汁密度为 1.032kg/L.故热麦汁为:M=298891.032=30845kg 麦汁的比热容为 3.53kJ/kg.工艺要求在 1h 内完成冷却过程。则所耗冷：Q1=mC（97-10）/1=9472807kJ/h 旺季每天糖化 6 次，每三锅麦汁进一个发酵罐，则麦汁冷却每罐耗冷：Qf=3Q1=94728073=28418421kJ/罐 5.2 制取冷冻水耗冷量 Q1 设每 100kg 原料需冷冻水 500kg，则用水量 m冷=3276500/100=16380kg，故 Q1=C水m冷（18-2）=4.1816380（18-2）=1095494kJ/h 5.3 发酵耗冷量 Q2 5.3.1 发酵期间发酵放热 Q2 设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 1kg 麦汁放热量为:613.68%60%=44.18kJ 糖 化 一 次 得 冷 麦 汁 量:m=3276880.08/100=28831kg 每 锥 形 罐 发 酵 放 热 量Q0=44.18288313=3821316(kJ)由于工艺规定主发酵时间为 6 天，每天糖化 6 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：Q2=（Q01.56）/(2464)=59708（kJ/h）5.3.2 发酵后期发酵液降温耗冷 Q2 主发酵后期，发酵后期，发酵液温度从 16缓降到 0。每天单罐降温耗冷量为：Q0=3GC1(16-0)=3308453.5316=5226377(kJ)工艺要求此过程在 4 天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装 2 个锥形罐）：Q2=（2 Q0）/(244)=(25226377)/(244)=108883(kJ/h)5.3.3 发酵总耗冷量 Q2 Q2=Q2+Q2=59708+108883=168591(kJ/h)5.4 酵母洗涤用的冷无菌水冷却耗冷量 Q4 设用 1的无菌水洗涤，洗涤量为干酵母量的 2 倍，冷却前，无菌水温度为 20，则由前表，生产 100L 啤酒耗活性干酵母 0.16kg，则每罐耗活性干酵母：2784530.16/100=133.7kg/罐 无菌水用量：133.72=267.4kg/罐 则冷却无菌水耗冷量 Q4=267.44.18(20-1)=21237kJ/罐，又无菌水冷却操作在两小时内完成，故每小时耗冷：21237/2=10619kJ/h 5.5 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+Q1=9472807+168591+10619+70000+1095494=10817511kJ/h 5.6 非工艺耗冷量 Qnt 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选取。根据经验，年产5 万吨啤酒厂露天锥形罐的冷量在13000-30000kJ/t啤酒之间，本设计选 18000kJ/t 啤酒。则旺季每天耗冷量 Q5=Gb18000=278451.032618000/10000=3103492(kJ/d)若白天日晒高峰耗冷为平均每小时耗冷量的 1.5 倍，则高峰耗冷量为：Q4=1.5Q5/24=193968(kJ/h)第六章耗水衡算 6.1 糖化用水 根据热量衡算可知，糖化用水量为 12941kg，糖化用水时间设为 0.5 小时，则每小时最大用水量为：12941/0.5=25881kg/h。6.2 洗槽用水 据前面有关计算结果，洗糟用水为 14742kg，用水时间为 1.5h，则每小时最大用水量为：14742/1.5=9828（kg/h）6.3 糖化室洗刷用水 糖化室及糖化设备洗刷用水：每糖化一锅用水 1t，用水 2h，则每小时糖化洗刷最大用水量为：1/2=0.5t/h=500kg/h 6.4 回旋沉淀槽洗刷用水 每次洗刷用水 2t，冲洗时间设为 0.5h。则每小时最大用水量：2000/0.5=4000kg/h 6.5 酵母洗涤用水 每天需酵母泥约 1.5t，洗水量为酵母泥 6 倍，设备用水时间 1h，则每小时最大用无菌水量：1.56=9t/h=9000kg/h 6.6 发酵罐洗刷用水 每罐洗水 4t，洗涤 0.5h，每小时最大洗刷发酵罐用水量：4/0.5=