啤酒发酵工艺设计

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目录

1、

概述 ................................................................................................ 5 1.1 世界啤酒的发展历史及我国啤酒的发展历史 ......................... 5 1.2 酿造啤酒的原料 ......................................................................... 7 1.3 麦汁的制备 ................................................................................. 8 1.4 啤酒的发酵 ................................................................................. 8 1、 生产工艺 ............................................................................................ 9

2.1 糖化车间工艺流程示意图 ......................................................... 9 2.2 工艺技术指标及基础数据 ......................................................... 9 3、物料衡算 ............................................................................................ 10

3.1 工艺技术指标及基础数据 ....................................................... 10 3.2 100kg原料（70%麦芽，30%大米）生产10°淡色啤酒的物料衡算 ................................................................................................... 10 3.3 生产100L10°淡色啤酒的物料衡算 ........................................ 11 3.4 40000t/a 10°淡色啤酒酿造车间物料衡算表 ......................... 12 4、 40000t/a啤酒厂糖化车间的热量衡算........................................... 12

4.1 糖化用水耗热量 Q1 ................................................................. 13 4.2 第一次米醪煮沸耗热量 Q2 ..................................................... 14

4.2.1 糖化锅内米醪由初温t0加热到100℃的耗热量 Q21 14 4.2.2 煮沸过程蒸汽带出的热量 Q22 ..................................... 15 4.2.3 热损失 Q23 ..................................................................... 15 4.3 第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量 Q3 ............ 16

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4.3.1 糖化锅中麦醪中的 t ..................................................... 16 4.3.2 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 t ........................................... 16 4.3.3 Q3 ..................................................................................... 17 4.4 第二次煮沸混合醪的耗热量 Q4 ............................................. 17

4.4.1 混合醪升温至沸腾所耗热量 Q41 ................................. 17 4.4.2 二次煮沸过程蒸汽带走的热量 Q42 ............................. 18 4.4.3 热损失 Q43 ..................................................................... 19 4.4.4 求得 Q4 .......................................................................... 19 4.5 洗槽水耗热量 Q5 ..................................................................... 19 4.6 麦汁煮沸过程耗热量 Q6 ......................................................... 19

4.6.1麦汁升温至沸点耗热量Q61 ........................................... 19 4.6.2煮沸强度10%，时间1.5h，蒸发水分V3 .................... 20 4.6.3 热损失Q63 ...................................................................... 20 4.6.4 麦汁煮沸总耗热 Q6 ...................................................... 20 4.7 糖化一次总耗热量 Q总 ........................................................... 20 4.8 糖化一次砂耗用蒸气用量 D .................................................. 20 4.9 糖化过程每小时最大蒸气耗量Qmax ....................................... 21 4.10 蒸气单耗 ................................................................................. 21 5、40000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量衡算......................................... 22

5.1 发酵工艺流程示意图 ............................................................... 22 5.2 工艺技术指标及基础数据 ....................................................... 22

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5.3工艺耗冷量Qt ............................................................................ 23

5.3.1 麦汁冷却耗冷量 Q1 ...................................................... 23 5.3.2 发酵耗冷量Q2 ............................................................... 24 5.3.3 酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3 ....................... 25 5.3.4 酵母培养耗冷量 Q4 ..................................................... 26 5.3.5 发酵车间工艺耗冷量 Qt ............................................... 27 5.4 非工艺耗冷量 Qnt .................................................................... 27

5.4.1 露天锥形罐冷量散失 Q5 .............................................. 27 5.4.2 清酒罐、过滤机及管道等散失冷量Q6 ..................... 28 5.5 40000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表 ..................................... 29 6、主要设备选型与论证 ........................................................................ 29

6.1 麦芽暂贮箱 ............................................................................... 29 6.2 麦芽粉贮箱 ............................................................................... 30 6.3 大米贮箱 ................................................................................... 31 6.4大米粉贮箱 ................................................................................ 32 6.5 糊化锅........................................................................................ 33 6.6 糖化锅........................................................................................ 34 6.7 过滤槽........................................................................................ 34 6.8 麦汁暂存槽 ............................................................................... 36 6.9 煮沸锅........................................................................................ 36 6.10 回旋沉淀槽 ............................................................................. 37 6.11 薄板换热器 .............................................................................. 37

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6.12 清酒罐 ..................................................................................... 38 6.13 硅藻土过滤机 ......................................................................... 38 6.14 酵母扩培系统 ......................................................................... 38 6.15 CIP系统 ................................................................................... 39 6.16发酵罐的设计 .......................................................................... 40

6.16.1 发酵罐数量的确定 ...................................................... 40 6.16.2 发酵罐的基本尺寸 ...................................................... 40 6.16.3 发酵罐的材料 .............................................................. 41 6.16.4 椭圆形封头的设计 ...................................................... 42 6.16.5 圆柱筒体的设计 .......................................................... 42

设计书中主要参考资料、 ...................................................................... 43 总结及感谢 .............................................................................................. 44

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1、 概述

1.1 世界啤酒的发展历史及我国啤酒的发展历史

啤酒的渊源可以追溯到人类文明的摇篮，东方世界的两河流域底格里斯河与幼发拉底河、尼罗河下游和九曲黄河之滨。最原始的啤酒可能出自居住于两河流域的苏美尔人之手，距今至少已有9000多年的历史。

早在公元前3000年左右的埃及古王国时代，已经有作为饮料的麦酒和葡萄酒了。法老、贵族、祭司等人饮葡萄酒，一般平民消费价格低廉的麦酒。考古发掘证实，在古王国时代的墓葬中，不论是国王、贵族或平民，都将酒作为陪葬品。自此以后，世界酒业彼此影响，飞速发展，经历了封建时代和工业社会，形成三大酒系（酿造酒、蒸馏酒和配制酒），精品众多，各国都有名闻世界的独特产品。

中世纪以前，啤酒多由妇女在家庭酿制。到中世纪，啤酒的酿造已由家庭生产转向修道院﹑乡村的作坊生产，并成为修道院生活的一个重要内容。修道院的主要饮食是面包和啤酒。中世纪的修道院，改进了啤酒酿造技术，与此同时啤酒的贸易关系也建立并掌握在牧师手中。中世纪，在欧洲可用啤酒来向教会交纳什一税﹑进行交易和向政府缴税。在中世纪的德国，啤酒的酿造业主结成了同业公会。使用啤酒花作苦味剂的德国啤酒也已输往国外，不来梅﹑汉堡等城市均因此而繁荣起来。17～18世纪，德国啤酒盛行，一度使葡萄酒不景气。19世纪初，英国的啤酒生产大规模工业化，年产量达20Ml。19世纪

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中叶，德国巴伐利亚洲开始出现下面发酵法，酿出的啤酒由于风味好，逐渐在全国流行。目前在德国，92％的啤酒是下面发酵法生产的。德国在19世纪颁布法令，严格规定碑酒的原料以保持啤酒的纯度，而且由于实行下面发酵法和进行有规律的酵母纯粹培养，从而提高了啤酒的质量，成为近代慕尼黑啤酒享有盛誉的基础。在美洲新大陆，17世纪初由荷兰﹑英国的新教徒带入啤酒技术，1637年在马萨诸塞建立了最初的啤酒工厂。不久，啤酒作为近代工业迅速发展，使美国成为超过德国的啤酒生产国。19世纪，酿造学家相继阐明有关酿造技术。1857年，L.巴斯德确立生物发酵学说；1845年，C.J.巴林阐明发酵度理论；1881年，E.汉森发明了酵母纯粹培养法，使啤酒酿造科学得到飞跃的进步，由神秘化﹑经验主义走向科学化。蒸汽机的应用，1874年林德冷冻机的发明，使啤酒的工业化大生产成为现实。目前全世界啤酒年产量已居各种酒类之首，已突破100000Ml。1986年全世界生产啤酒101588.7Ml

中国啤酒业的发展 19世纪末，啤酒输入中国。1900年俄国人在哈尔滨市首先建立了乌卢布列希夫斯基啤酒厂；1901年俄国人和德国人联合建立了哈盖迈耶尔-柳切尔曼啤酒厂；1903年捷克人在哈尔滨建立了东巴伐利亚啤酒厂；1903年德国人和英国人合营在青岛建立了英德啤酒公司(青岛啤酒厂前身)；1905年德国人在哈尔滨建立了梭忌怒啤酒厂。此後，不少外国人在东北和天津﹑上海﹑北京等地建厂，如东方啤酒厂建于1907年，谷罗里亚啤酒厂建于1908年，上海斯堪的纳维亚啤酒厂(上海啤酒厂前身)建于1920年，哈尔滨啤酒厂

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建于1932年，上海怡和啤酒厂(华光啤酒厂前身)建于1934年，沈阳啤酒厂建于1935年，亚细亚啤酒厂建于1936年，北京啤酒厂建于1941年等。这些酒厂分别由俄﹑德﹑波﹑日等国商人经营。中国人最早自建的啤酒厂是1904年在哈尔滨建立的东北三省啤酒厂，其次是1914年建立的五洲啤酒汽水厂(哈尔滨)，1915年建立的北京双合盛啤酒厂，1920年建立的山东烟台醴泉啤酒厂(烟台啤酒厂前身)，1935年建立的广州五羊啤酒厂(广州啤酒厂前身)。当时中国的啤酒业发展缓慢，分布不广，产量不大。生产技术掌握在外国人手中，生产原料麦芽和酒花都依靠进口。1949年以前，全国啤酒厂不到十家，总产量不足万吨。1949年後，中国啤酒工业发展较快，并逐步摆脱了原料依赖进口的落後状态。1979年产量达到510Ml，1986年产量达到4000Ml。中国的啤酒于1954年开始进入国际市场，当时出口仅0.3Ml，到1980年已猛增到26Ml)。

啤酒是目前世界上消费量最大的酒类饮料,全球啤酒产量已连续多年稳步增长,2000 年世界主要啤酒生产国的啤酒总产量约1635亿公升。我国的啤酒产量自1993年达到1190万吨,列美国之后成为世界第二,经过9年时间,2002年达到2386万吨超过美国成为世界上啤酒生产和消费量最大的国家。

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。

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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。

本设计为年产4万吨啤酒发酵工艺设计，依据毕业小设计任务书，查阅国内外文献资料，选择了工艺路线，进行了工艺的物料衡算和能量衡算，设计核心设备的大小、结构、规格等，并选择辅助设备的型号、规格和数量等工作，并手工绘制了工艺流程图、主要设备图。

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1、生产工艺

2.1 糖化车间工艺流程示意图

图1 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。

表1 啤酒生产基础数据

项 目 定 额 指 标 名 百分比（%） 项 目 称 无水麦芽 原料配比 78 浸出率 无水大米 90 浸出率 啤酒损失率原料利用率 （对热麦98 汁） 麦芽水分 6 大米水分 12 名 称 百分比（%） 麦 芽 大 米 冷却损失 发酵损失 过滤损失 装瓶损失 总 损 失 70 30 7 2 1 2 12 - 9 -

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3、物料衡算

3.1 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。

3.2 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) %=73.32% 大米收率为： 90%×(100-12) %=79.2%

混合原料收得率为： （0.70×73.32%+0.30×79.2%）98%=73.58% 由上述可得100kg混合料原料可制得的10°热麦汁量为： （73.58%×100）÷10%=735.8kg

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：

735.8÷(1.084×1000)×1000×1.04=705.93L （2）冷麦汁量为：705.93×(1-0.07)=656.52L （3）发酵液量为：656.52×(1-0.02)=643.39L （4）过滤酒量为：643.39×(1-0.01)=636.95L （5）成品啤酒量为：636.95×(1-0.02)=624.22L

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3.3 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624.22L，故可得以下结果：

（1）生产100L10°淡色啤酒需耗混合原料量为：

（100/624.22）×100=16.02 kg （2）麦芽耗用量为：16.02×70%=11.21kg （3）大米耗用量为：16.02-11.21=4.81kg

（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) ×735.8×0.2%=0.24kg

（5）热麦汁量为：（16.02/100）×705.93=113.09L （6）冷麦汁量为：（16.02/100）×656.52=105.18L

（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）]×11.21=11.59kg 而湿大米糟量为：

[（1-0.12）（100-90）/（100-80）]×4.81=2.12kg 故湿糖化糟量为：11.59+2.12=13.71kg

（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）]×0.24=0.72kg

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3.4 40000t/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 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 对100 kg100L 10°度糖化一次混合原料 淡色啤酒 定额量 Kg 100 16.02 3517.79 Kg 70 11.21 2462.45 Kg 30 4.81 1055.34 Kg 1.50 0.24 52.71 L 705.93 113.09 24838.28 L 656.52 105.18 23099.60 Kg 72.35 11.59 2545.65 Kg 4.50 0.72 158.13 L 643.39 103.07 22637.80 L 636.95 102.04 22411.20 L 624.22 100.00 21958.72 备注：10度淡色啤酒的密度为1012 kg/m3 40000 t/a啤酒生产 6.33×106 4.43×106 1.90×106 9.49×104 44.71×106 41.59×106 4.59×106 2.84×105 40.75×106 40.34×106 39.53×106

4、 40000t/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）

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图2 啤酒厂糖化工艺流程图

4.1 糖化用水耗热量 Q1

根据工艺，糊化锅加水量为：

G1=（1055.34+211.10）×4.5=5698.98kg

式中，1055.34kg为糊化一次大米粉量，211.10kg为糊化锅加入的麦芽粉量（为大米量的20%） 而糖化锅加水量为： G2=2251.35×3.5=7879.73kg

式中，2251.35kg为糖化一次糖化锅投入的麦芽粉量，即

2462.45-211.10=2251.35kg

而2462.45kg为糖化一次麦芽定额量。 故糖化总用水量为：

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GW=G1+G2=5698.98+7879.73=13578.71kg (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)=13578.71×4.18×(50-18)=1816288.3kJ (2)

4.2 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) 4.2.1 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)

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=0.01[（100-6）1.55+4.18×6]=1.71kJ/(kg·K) c大米=0.01[（100-12）1.55+4.18×12]=1.87kJ/(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）

=(1055.3×1.87+211.1×1.71+5699.0×4.18]/(1055.3+211.1+5699.0) =3.76kJ/(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） =[(1055.3×1.87+211.1×1.71)×18+5699.0×4.18×50]（6965.4×3.76）

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=47.1℃

其中G米醪 =1055.3+211.1+5699.0.1=6965.4kg

（3）把上述结果代如1中，得：

Q21=6965.4×3.76（100-47.1）=1385965.74kJ 4.2.2 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=6965.4×5%×40/60=231.18kg （7） 故Q22= V1I=231.18×2257.2=524076.696kJ （8） 式中，I为煮沸温度（约为100℃）下水的汽化潜热（kJ/kg） 4.2.3 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（1385965.74+524076.696） (10) =2196548.801kJ

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4.3 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。 4.3.1 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=2251.35+7879.83=10131.08kg （11） c麦醪=（G麦芽C麦芽+G2Cw）/（G麦芽+G2） （12） =（2251.35×1.71+7879.73×4.18）/（2251.35+7879.73） =3.63kJ/(kg·K)

t麦醪=（G麦芽C麦芽×18+G2Cw×50）/（G麦醪C麦醪） (13) =（2251.35×1.71×18+7879.73×4.18×50）/（10131.08×3.63） =46.67℃

4.3.2 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 t

G混合=G米醪+G麦醪=6965.38+10131.08=17096.46kg (14) c混合=（G米醪C米醪+G麦醪C麦醪）/（G米醪+G麦醪） (15) =（6965.38×3.76+10131.08×3.63）/17096.46

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=3.68kJ/(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) =（17096.46×3.68×63-10131.08×3.63×46.67）/（6965.38×3.76） =86℃ 4.3.3 Q3 Q3=G（17）

混合C混合（70-63）=17096.46×3.68（70-63）=440404.810kJ

4.4 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）

4.4.1 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=6965.38-232.18=6733.2kg （19） 糖化锅的麦芽醪量为：

G麦醪=G麦芽+G2=2251.35+7879.73=10131.08kg （20） 故进入第二次煮沸的混合醪量为：

G混合=G/米醪+G麦醪=6733.2+10131.08=16864.28kg （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） （23） =（2251.35×1.71+7879.73×4.18）/（2251.35+7879.73） =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） =（6733.2×3.76+10131.08×3.63）/16864.28 =3.68kJ/(kg·K)

（4）故Q41=26.7%G混合c混合（100-70）=497105.009kJ （25） 4.4.2 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 =17096.46×5%×10/60 =142.47kg

Q42=IV2=2257.2×142.47=321583.284kJ （26） 式中，I为煮沸温度下饱各蒸汽的焓(kJ/kg)

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4.4.3 热损失 Q43

根据经验有：Q42=15%（Q41+Q42） （27） 4.4.4 求得 Q4

把上述结果代入公式（27）得：

Q4=1.15(Q41+Q42)=1.15(497105.009+321583.284)=818688.293kJ （28）

4.5 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:

G=3517.79×450/100=15830.055kg

故 Q5=GCw(80-18)=15830.055×4.18×(80-18)=4102517.054kJ （29）

4.6 麦汁煮沸过程耗热量 Q6

Q6=Q61+Q62+Q63 （30） 4.6.1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735.8kg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 =3517.79×735.8/100=25883.90kg

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c

麦醪=（2462.45×1.71+1055.34×1.89+3517.79×6.4×4.18）/

（3517.79×7.4）

=3.85kJ/(kg·K)

故Q61= G麦汁c麦汁 (100-70)=25883.90×3.85×30=2989590.45kJ （31） 4.6.2煮沸强度10%，时间1.5h，蒸发水分V3

V3=25883.90×10%×1.5=3882.59kg （32） 故Q62=I V3=8763782.15kJ 4.6.3 热损失Q63

Q63=15%

（Q61+Q62） （33）

4.6.4 麦汁煮沸总耗热 Q6

把上述结果代入公式（33）得：

Q6=1.15（Q61+Q62）=13516378.49kJ （34）

4.7 糖化一次总耗热量 Q总

Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 =22890825.7kJ

（35）

4.8 糖化一次砂耗用蒸气用量 D

使用表压0.3MPa的饱和蒸汽，I=2725.3kJ/kg,则：

D= Q总/[（I-i）η] （36）

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=22890825.7/[(2725.3-561.47) ×95% ] =11135.63kg/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%。

4.9 糖化过程每小时最大蒸气耗量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=Q6/(1.5×95%)=13516378.49/(1.5×95%)=9485177.888kJ/h 相应的最大蒸气耗量为：

Dmax=Qmax/（I-i）=9485177.888/(2725.3-561.47)=4383.511kg/h

4.10 蒸气单耗

据设计，每年糖化次数为1800次，总共生产啤酒40000t.年耗蒸汽总量为：

Dr=11135.63×1800=20044134kg

每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）：

D5=20044134/40000=501.10kg/t 每昼夜耗蒸汽量（生产旺季算）为： Dd=11135.63×8=89085.04kg/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

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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 40000t/a啤酒厂糖化车间总热量衡算表

名称 蒸汽 规格 每吨消耗定额（MPa） （kg） 0.3（表压） 501.10 每小时最大用量（kg/h） 3711.88 每昼夜消耗量（kg/d） 89085.04 每年消耗量（kg/a） 20044134

5、40000t/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。

5.1 发酵工艺流程示意图

94℃热麦汁 冷却 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

5.2 工艺技术指标及基础数据

年产10°淡色啤酒40000t;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；

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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=4.18 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）

5.3工艺耗冷量Qt

5.3.1 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：

G=1048×24.84=26030.52kg

又知100 Bx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：

Q1 =[GC（t1-t2）]/τ （40） =[26030.52×4.0(94-6)]/1

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=9162743.04kJ/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=4×9162743.04=36650972.16kJ （41） 相应地冷冻介质（2℃的冷冻水）耗量为：

Mf=Q1/[Cm（t4-t3）]= 9162743.04/[4.18(85-2)]=26410.17kg/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)] 5.3.2 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=613.6×10%×60%=36.82kJ

根据物料衡算，每锅麦汁的冷麦汁量为23099.6L,则每锥形缺罐发酵放热量为：

Q01=36.82×23099.6×4=3402109.01kJ

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

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酵高温时期耗冷量为：

Q21 =（Q01×1.5×7）/(24×6×4) =(3402109.01×1.5×7)/(24×6×4) =62017.61kJ/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)]=4×26030.52×4.0×7=2915418.24kJ （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）：

Q22=(1.5Q02)/(24×2)=(1.5×2915418.24)/(24×2)=91106.82kJ/h（44） （3）发酵总耗冷量Q2

Q2=Q21+Q22=62017.61+91106.82=153124.43kJ/h （45） (4)每罐用冷媒耗冷量Q0

Q0=Q01+Q02=3402109.01+2915418.24=6317527.25kg/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)=153124.43/(4.18×8)=4579.08kg/h （47） 5.3.3 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

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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′=23099.6×6×1.0%×3=4157.93kg/d 式中 23099.6——糖化一次的冷麦汁量 kg

每班无菌水量：Gw= Gw′/3=4157.93/3=1385.98kg/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=[1385.98×4.18×(30-1)]/2=84004.25kg/h（49） 所耗冷冻介质量为：

M3=Q3[cw(t2-t1)]/r=84004.25×(4.18×8)=2809102.12kg/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=[1385.98×4.18×(30-1)]/1.5 =112005.66kJ 式中 1.5——每班装罐1.5罐 5.3.4 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40000t啤酒培养冷量为55800

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（kJ/h），则对应的年冷耗量为：

Q4’= Q4×288×10=1.61×108kJ 相应的高峰冷冻介质循环量为：

M4 =Q4/[cw(t1-t2)]=55800/(4.18×8) =1668.66kg/h

5.3.5 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=9162743.04+153124.43+84004.25+55800 =9455671.72kJ/h

5.4 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。

5.4.1 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：

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式中，——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：

冷媒（稀酒精）用量：

5.4.2 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％×9455671.72=1134680.61kJ/h （57） 冷媒（-8℃稀酒精）用量：

M6=Q6/[cw(t2-t1)]=1134680.61/(4.18×8)=33931.84kJ/h （58）

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5.5 40000t/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40000t/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 耗冷项目 麦汁冷却Q1 工 艺 耗 冷 量 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 非工艺 耗冷量 管道等冷损Q6 非工艺总耗冷Qnt 合计 单耗 总耗冷Q 每小时耗冷量(kJ/h) 9162743.04 冷媒用量 每罐耗冷 (kJ/h) (kJ) 26410.17 36650972.1(M1) 6 4579.08 153124.43 6317527.25 (M2) 2809102.12 84004.25 112005.66 (M3) 55800 1668.6(M4) ———— 9455671.7————— ———— 2 5083.73(M5170000 1600000 ) 1134680.633931.84 4200042.36 1 (M6) 1021963.6————— 5800042.36 3 8121660.5————— 38405397.2 1 152266.67kJ/t啤酒 ———— ———— ———— ———— ———— ———— ———— ———— 4.568×109

6、主要设备选型与论证

6.1 麦芽暂贮箱

（1） 所需容量计算

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每次投料量G=2462.45kg，麦芽容重?=500kg/m3，有效容积系数错误！未找到引用源。=0.75

所需容积 V= 错误！未找到引用源。=错误！未找到

引用源。6.56m3 （2） 结构

采用方形斜锥底，金属结构。 定箱内尺寸为： A=1500mm，a=350mm B=1500mm，b=350mm H=2500mm，h=1000mm 总容积为：

V总=ABH+（2AB+Ab+aB+2ab）

=1.5×1.5×2.5+(2×1.5×1.5+1.5×0.35+1.5×0.35+2×0.35×0.35) =6.59m3

16h66.2 麦芽粉贮箱

（1）所需容量计算

每次投料量G=2462.45kg

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麦芽粉比容C=2.56m3/t

有效容积系数错误！未找到引用源。=0.7

所需容积V?GC?2462.45?2.56错误！未找到引用源。错误！未找

?0.7到引用源。=9.0m3

（3） 结构 采用方形锥底，金属结构 定箱内尺寸为：

A=1500mm，a=300mm B=1500mm，b=300mm H=3000mm，h=2500mm 总容积为：

V总?ABH?h6（2AB?Ab?aB?2ab）

=1.5×1.5×3+错误！未找（2×1.5×1.5+1.5×0.3+1.5×0.3+2×0.3×0.3）

=9.075m3

6.3 大米贮箱

（1）所需容量计算

每次投料量G=1055.34kg

大米容重错误！未找到引用源。=800kg/m3 有效容积系数0.7

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到引用源。 常州大学毕业小设计

所需容积 V=错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=1.88m3 （2）结构

采用方形锥底，就是结构 定箱内尺寸为： A=1000mm，a=300mm B=1000mm，b=300mm H=1500mm，h=1000mm 总容积为：

V总=ABH+(2AB+Ab+aB+2ab)

=1.5×1×1+(2×1×1+1×0.3+1×0.3+2×0.3×0.3) =1.96m3

16166.4大米粉贮箱

（1）所需容量计算

每次投料量G=1055.34kg 大米容重c=1.73m3/t 有效容积系数0.75 所需容积V=（2）结构

采用方形锥底，就是结构 定箱内尺寸为：

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Gc??1055.34?1.733

?2.43m

0.75常州大学毕业小设计

A=1000mm，a=300mm B=1000mm，b=400mm H=2000mm，h=1000mm 总容积为：

V总=ABH+(2AB+Ab+aB+2ab)

=1×1×2+（2×1×1+1×0.4+1×0.3+2×0.4×0.3） =2.49m3

16h66.5 糊化锅

（1）容积的确定，投料：大米粉1055.34kg，麦芽粉211.10kg，用水为5698.98kg，用米醪量为

G=1055.34+211.10+5698.98=6965.42kg

糊化锅中干物质百分数：错误！未找到引用源。=16.2％ 查表得醪液密度错误！未找到引用源。=1059kg/m3，V=G/错误！未找到引用源。=6965.42/1059=6.68m3

有效容积系数为0.7，则V总=5.83/0.7=9.4m3 （2）基本尺寸

采用圆柱形锅身，直径D是柱高H的2倍，锅底为半球形，锅底高位D/4，则：

D24D1H??()3? V??4342得D=2.80m，H=1.40m，h=0.70m，取D=2800mm，H=1400mm，h=700mm。

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（3）升气管

取糊化锅升气管面积为料液面积的错误！未找到引用源。，设升气管直径为d，则

错误！未找到引用源。，得d=0.44，取d=500mm

6.6 糖化锅

（1）容积的确定，投料：麦芽粉投料量2251.35kg，用水 2251.35×3.5=7879.73kg

则糖化醪量：G=2251.35+7879.73=10131.08kg

糖化锅中干物质百分数：错误！未找到引用源。=20.89% 查表得醪液密度错误！未找到引用源。=1083kg/m3，错误！未找到引用源。

有效容积系数0.7，则错误！未找到引用源。 （2）基本尺寸

采用圆柱形锅身，直径D是柱高H的2倍，锅底为半球形，锅底高位D/4，则

错误！未找到引用源。

得D=3.16m，H=1.58m，h=0.79m，取D=3200mm，H=1600mm，h=800mm。 （3）升气管

取升气管面积为料液面积的1/40，设升气管直接为d，则

?4d2?1???D2 404- 34 -

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得d=0.506m，取d=600mm

6.7 过滤槽

（1） 容积的确定

G淀=G麦醪+G米醪-W蒸发=10131.08+6965.42-232.18=16864.32kg

合醪干物质(%)?2462.45（1-6%）?1055.34（1-12%）?100%=19.23%

16864.32查表得相对密度错误！未找到引用源。=1070kg/m3 则过滤槽有效容积错误！未找到引用源。 取充满系数为0.7 则 V总?（2） 基本尺寸

采用平底过滤槽，槽面积：S?G0Y H15.76?22.51m3 0.7式中：G0：投麦芽量，H：槽层厚度，取0.35m，Y：每吨投料量所产生麦糟量，取2.6m3/h 所以 S?2462.45?2.6?18.29m3 取S?19m3

0.35过滤槽直径：D?4S??4?19?4.92m 3.14取D＝5000mm，采用直径与高度之比为3:1，则高度H＝5000/3＝1666.77mm，取 H＝1700mm

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（3） 升气管

取过滤槽升气管面积为料液面积的1/40，直径为d，

?4d2?1???D2 得 d=0.79m 取d=800mm 4046.8 麦汁暂存槽

糖化一次得热麦汁24838.28L，相应体积为24.838m3，采用容积25m3麦汁暂存槽，其直径与高度之比为2:1，D/H＝2/1

V??4?D2?D 得 D=3.99m 取D=4000mm 则 H=2000mm 26.9 煮沸锅

（1）容积的确定

V有效?24838.28/1000?24.838m3 取充满系数为0.7 V总?24.838/0.7?35.5m3

（2）基本尺寸

采用圆柱形锅身，球形锅底，且直径D是柱高H的2倍，锅底高位D/4，则：

D24D1V??H??()3?

4342得D﹦2.20m，H=1.10m，h=0.55m，取D﹦2200mm，H﹦1100mm，h﹦550mm。 （3）升气管

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取升气管面积为料液面积的1/40，设升气管直径为d，则

?4d2?1???D2 得d=0.3479m 取d=350mm 4046.10 回旋沉淀槽

（1）容积的确定

由煮沸锅送来的麦汁总体积为24.838m3，取充满系数为0.95，则 V总?24.838/0.95?26.15m3 （2）基本尺寸

回旋沉淀槽采用圆柱形器身，平面槽底，且直径与高度比为0.4，即D/H﹦0.4，则：

V??()2H 得H=5.925m 取H=6000mm D=0.4H=2400mm

D26.11 薄板换热器

采用一段式窜连逆流冷却方式，冷却水进口温度为2℃，出口温度为70℃，热麦汁进口温度97℃，出口温度10℃。

于是 ?t1?10?2?8℃，?t2?97?70?27℃

?t??t1??t28?27??15.6℃ ?t18lnln?t227换热量错误！未找到引用源。=GC(t1-t2)=26452.77?3.85(94-10)=8554825.82kJ

则换热面积：F?Q8554825.82??68.55m2 圆整到66m2 K?t8000?15.6式中K—8000KJ/m2错误！未找到引用源。h错误！未找到引用

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源。，

采用型号BRS06对称型板式换热器，按人字形波纹形式，单台换热器的换热面积最大。

6.12 清酒罐

（1）容积的确定

由于一天糖化8次，4锅麦汁装一个发酵罐，一个发酵罐的酒进两个清酒罐，备用1个，则供需5个，有上所述，相当于1.5锅底麦汁进1个清酒罐。

故错误！未找到引用源。 则错误！未找到引用源。 （2）基本尺寸

取直径与高之比为1:2，圆形封头高为D/4，则

得D﹦1.98m，取D﹦2000mm,则高﹦4000mm

6.13 硅藻土过滤机

糖化一次产酒量21958.72L，相应质量：1012×21958.72﹦22.22t，一天糖化8次，

相应质量：22.22×8=177.76t/d，过滤机的工作能力为177.76/24=7.41t/h

选用WK400-I型硅藻土过滤机，配泵型号YL10-25。

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6.14 酵母扩培系统

采用三级扩培。在逐级扩大培养过程中，正确选择扩大比，会影响到起始细胞浓度、扩大培养时间、酵母菌龄一致性以及在扩大培养中抵抗杂菌污染的能力。扩大比遵循的原则如下：在汉生罐以前各级，由于采用较高培养温度（25-27错误！未找到引用源。），酵母倍增时间短，无菌操作条件好，可采用1:10-20；反之，汉生罐以后各级，采用低温倍养（不大于13错误！未找到引用源。），酵母倍增时间长，杂菌污染机会多，扩大比宜小，一般比宜1：4-5。

由于每罐麦汁量为20461.56×4﹦81846.24L，相应体积为82m3 若发酵接种后细胞浓度为15-20×106个/ml，则汉生罐以后各级扩大比定为1：5，高每一级细胞培养后浓度为75×106个/ml。 则第三级罐有效容积为大罐容积。

6.15 CIP系统

（1）CIP系统的设置

洗涤过程：清水喷淋10min，热水喷淋洗涤10min，80错误！未找到引用源。，2%热碱水淋洗15min，热水洗涤10min，清水10min，

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双氧水（2%）淋洗15min，无菌水淋洗15min。 （2）洗涤罐设置

清水灌2个，热水罐2个，碱水罐1个，双氧水罐1个，无菌水罐1个。

6.16发酵罐的设计

6.16.1 发酵罐数量的确定

本设计采用锥底圆柱形发酵罐，目前国内几乎所有的厂家都用这种发酵罐。发酵罐的个数为：

式中：n-每天糖化的次数（按旺季计算） t-发酵周期

(6)每个发酵罐可以容纳的麦汁的批次数 3-周转量数

根据工艺，规定4锅麦汁进1个发酵罐，每天最大糖化次数为8次，啤酒生产周期为14天，则有错误！未找到引用源。 6.16.2 发酵罐的基本尺寸 a．容积

糖化一次可得冷麦汁量23099.6L，四锅进一个发酵罐，则有效容积

V﹦23.100×4﹦92.4m3，取填充系数0.75，以便为泡沫提供预留

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