產萬噸啤酒廠糖化車間設計開題報告.doc

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南陽理工學院 畢業(yè)設計（論文）開題報告 生物與化學工程 學院 生物工程 專業(yè) 課題名稱：年產 萬噸啤酒廠糖化車間設計 學生姓名： 鄭世文 學 號： 015109031 指導教師： 肖連冬(教授) 報告日期： 2013年1月 18日 1．本課題所涉及的問題在國內（外）的研究現(xiàn)狀綜述 1.啤酒簡介 啤酒是以麥芽為主要原料，經過糖化、加酒花、酵母發(fā)酵釀制而成的低度含醇飲料[1]。自1900 年中國有了第一家啤酒廠以來，今天中國已成世界第一大啤酒生產和消費國。隨著中國整體經濟的騰飛，近幾年中國啤酒又進入了一個全新的高速發(fā)展期，2005 年到2007年每年全國都有30多家大型啤酒工廠（超過年產108 L以上）在新建和擴建。中國啤酒工業(yè)這種前所未有的發(fā)展速度使世界感到非常驚奇，成為世界啤酒業(yè)注目的焦點，繼續(xù)保持著世界啤酒工業(yè)進步的中心地位[2]。 1.1啤酒的全生命周期 啤酒的全生命周期是指啤酒從原材料采購、儲運, 到啤酒生產過程的制麥、糖化、發(fā)酵、過濾、包裝到生產出成品酒乃至到貯存、運輸、進入市場的整個過程[3]。 具體內容見圖 1[3]。 圖1啤酒全生命周期圖 1.2啤酒釀造法的改進 近年來，隨著各種啤酒原料的價格的不斷上漲，特別是進口麥芽價格的直線上揚導致了啤酒生產成本的大幅提高。成本壓力的增大，這就要求各啤酒廠家進行技術創(chuàng)新和提高輔料比來減少原料上漲帶來的壓力[4]。 1.2.1高輔料釀造啤酒法 傳統(tǒng)啤酒釀造均以麥芽為主料搭配30％左右的輔料，高輔料啤酒即大米、玉米等輔料比例高于50％的啤酒[5]。當輔料比超過50%時，可以有效改善啤酒風味，降低色度，降低總多酚的含量，可以有效延長啤酒保質期；同時也帶來了負面影響，α-氨基氮含量偏低可能會導致發(fā)酵困難，麥芽減少導致過濾困難，非生物穩(wěn)定性降低等[4]。啤酒的非生物穩(wěn)定性也叫非生物渾濁，是指由非生物污染而產生的渾濁現(xiàn)象的可能性。提高啤酒非生物穩(wěn)定性的方法有2種，一是減少啤酒中多酚物質含量，二是減少啤酒中蛋白質含量。 1.2.2高濃度釀造高輔料啤酒法 高濃釀造（highgravitybrewing，HGB）工藝，即提高麥汁濃度到16P或者更高，通過提高麥汁濃度增加酵母營養(yǎng)物質含量，滿足酵母正常代謝和發(fā)酵所需。通過采用高濃釀造技術生產出來的啤酒經過稀釋就可以得到所需濃度的啤酒。采用75%的高輔料，大幅度降低了生產過程中大麥芽的用量，有效的降低了生產成本。采用高濃方法進行釀造，解決了高輔料麥汁中α-氨基氮不足的問題，提高了發(fā)酵罐的利用率，產量也得到了大幅度的提高，可以有效緩解啤酒廠在旺季時產能不足的問題，進一步降低生產成本[4]。 1.2.3擠壓膨化技術 擠壓膨化技術應用在啤酒工業(yè)中和傳統(tǒng)工藝相比，膨化輔料工藝具有很大的優(yōu)越性：膨化可改變谷物結構，使原料淀粉獲得較高的α化度，提高糊化率，有利于糖化，從而提高麥汁收得率，增加出酒率；膨化過程對原料進行高溫高壓滅菌，可減少發(fā)酵過程中酸敗損失，改善產品衛(wèi)生狀況，且減少了啤酒生產過程中的污染源。在相同的糖化原料的前提條件下，采用擠壓膨化大米輔料糖化工藝和啤酒傳統(tǒng)不膨化大米輔料糖化工藝相比，糖化麥汁浸出物收得率可提高7.62%左右，還原糖含量提高4.86%，過濾速度提高13.66%左右，其他各項指標與對照樣基本一致，均符合國家有關規(guī)定的要求。因此，擠壓膨化工藝在啤酒工業(yè)中的應用具有廣闊的前景[6]。 1.2.4外加酶法 釀制啤酒實質上是靠酶的作用，是麥芽中的多種內源酶將釀制用的原輔料分解成可發(fā)酵糖、糊精、氨基酸和肽等。不難看出如將麥芽內源酶換成外源酶，即加入酶制劑來取代麥芽中部分內源酶，便可以用大麥等谷物代替部分麥芽，同樣可將原輔料淀粉和蛋白質分解，以便達到節(jié)省麥芽，提高輔料用量和降低成本的目的。金立忠等[7]證明應用國產食品級BF7658α-淀粉酶，AS1398中性蛋白酶，β-淀粉酶等酶制劑以大麥代替部分麥芽釀制啤酒的糖化工藝是成功的。王秀麗等[8]直接采用大麥釀造啤酒，通過在糖化階段添加大麥復合酶，能得到和麥芽相似的麥汁，添加復合酶制劑以后對于麥汁質量也有所提高，使得大麥麥汁中的麥芽糖、α-氨基氮含量能夠滿足酵母生長、發(fā)酵的需要，最終發(fā)酵度也較麥芽麥汁高。不經過制麥過程，使得啤酒釀造過程更為簡單，對于原料的限制減少，可以降低啤酒的生產成本，一個產能10 萬KL的啤酒廠每年最多可減少3000t的二氧化碳排放量，可實現(xiàn)節(jié)能減排。 1.3啤酒發(fā)酵度的影響因素 發(fā)酵度是反映啤酒生產過程中的原料質量和技術控制好壞的重要指標。發(fā)酵度的高低，不僅影響著啤酒的感官質量，更是提高啤酒爽口性的有效措施之一。影響發(fā)酵度的因素很多，包括原料、糖化工藝、酵母質量、發(fā)酵過程控制等[9]。其中糖化是釀造過程一道重要的工序,它直接影響啤酒的質量和類型[10]。啤酒啤酒中的高級醇、醛類、雙乙酰、酯類、含硫化合物等對啤酒的風味有著重要影響，這些物質與水酒精、二氧化碳共同組成啤酒的酒體并形成啤酒特有的風味。啤酒風味物質的主要來源有原料、啤酒釀造和儲藏過程中微量物質的變化[5],而糖化的目的就是獲得含有一定量可發(fā)酵性糖、酵母營養(yǎng)物質和啤酒風味物質的麥汁[10]。 2．糖化工藝 2.1糖化工藝流程 浸漬49℃—蛋白質休止62℃—糖化溫度66℃—70℃—73℃—過濾后麥汁溫度74℃—麥汁升溫預熱溫度92℃—煮沸溫度100℃—麥汁冷卻溫度13℃[11]。 糖化流程圖[12]見圖2 麥糟 酒花 冷凝固物 ↑ ↓ ↑ 麥芽→粉碎→糖化→過濾→混合麥汁→煮沸→澄清→冷卻→充氧→麥汁 ↑ ↓ 大米→粉碎→糊化 酒花糟 熱凝固物 圖2 糖化流程圖 2.2麥汁糖化方法 啤酒的糖化大體主要可以分為兩類，一種為浸出糖化法，另外一種則是煮出糖化法[13]。 （1）浸出糖化法 浸出糖化法的特點是糖化醪自始至終不經煮沸，單純依靠酶的作用浸出各種物質，麥汁在煮沸前仍然保留一定的酶活力。根據糖化過程是否添加輔料，可以分為單醪浸出法和雙醪浸出法。 單醪浸出法又可以分為恒溫浸出糖化法和升溫浸出糖化法。 a.單醪恒溫演出糖化法。投料溫度在60℃左右，糖化一到二個小時升溫至過渡溫度78℃，進行過濾。該法沒有蛋白質分解階段，所以只適用于蛋白質分解比較完全的麥芽。 b.單醪升溫浸出糖化法。投料溫度為35到37℃，保溫20分鐘左右，然后升溫至50℃進行蛋白蛋分解。如果麥芽溶解良好，也可以直接采用50℃投料，保溫60分鐘左右，再緩慢升溫至65℃、72℃進行分段糖化，最后再升溫至78℃進行過濾。該法適合溶解良好的麥芽，特別適合用于釀造全麥芽啤酒和上面發(fā)酵啤酒。 雙醪浸出糖化法是指糊化醪煮沸后與糖化醪凈醪后，醪液不再煮沸，而是直接在糖化鍋升溫，達到糖化各階段所要求的溫度。有人將這種方法稱為“一次米化法”或“一次煮漲糖化法”這是不正確的，因為嚴格地講，糊化醪的煮沸應該稱為輔料的“預糊化”或“預煮”，不屬于煮醪的范圍。目前我國許多使用輔料釀造淡色啤酒的廠家采用此方法。 （2）煮出糖化法 煮出糖化法的特點是將糖化醪液的一部分加熱到沸點，然后與其余款煮沸的醪液，使全部醪液溫度分階段地達到不同酶作用所要求的溫度，最后達到糖化終了溫度。根據糖化過程是否添加輔料，煮出糖化法可以分為單醪煮出法和雙醪煮出法，根據分醪次數(shù)的多少，又可以把煮出法分為三次煮出法、二次煮出法、一次煮出法[13]。 馬歌麗等[14] 在生產工藝對高輔料啤酒非生物穩(wěn)定性的影響的研究中確定最佳的糖化工藝條件是采用一次煮出糖化法，糖化溫度70℃，麥汁pH值為5.2-5.4，麥汁煮沸時間90-100min。而其與張學軍等[5]發(fā)表的糖化工藝對高輔料啤酒風味物質的影響一文中確定的最佳糖化條件是采用一次煮出糖化法，麥汁pH5.4-5.6，糖化溫度為60℃-65℃，糖化時間62min，煮沸時間90-110min。孟德敬等[10]研究證明了一次煮出與浸出糖化法(B法)優(yōu)于二次煮出糖化法(A法)。兩種方法獲得的麥汁和相應的啤酒具有相同的理化性質,除了淀粉到可發(fā)酵性糖的轉化不同。事實上,B法更加便利,它能得到更多的可發(fā)酵性糖,與A法的可發(fā)酵性糖濃度相比提高了5.3g/L,酒精的含量相應增加了0.25 %(v/v)。B法在獲得最好質量啤酒的同時,也得到了較高的產量,而且糖化時間節(jié)約了33分鐘,能量節(jié)約了20 %。綜上所述，一次煮出法要優(yōu)于二次煮出法，不過，本次課題所選用的糖化方法為二次煮出糖化法。二次煮出糖化法的特點：顏色色澤淡黃，泡沫豐富持久具有特殊味道。其可以補救一些麥芽溶解不良的缺點，當部分醪液加熱至煮沸是，利用熱力作用，促進物料的溶解，使溶液徹底糊化，便于淀粉酶的作用，以提高浸出物收得率。而且其靈活性比較大，適用于處理各種性質的麥芽和制造各種類型的啤酒。 2.3麥汁的冷卻方法 根據板式換熱器的形式, 麥汁冷卻可以分為一段冷卻和兩段冷卻。 2.3.1 一段麥汁冷卻工藝 從回旋沉淀槽出來的95℃ 麥汁, 經一段板式換熱器一步冷卻到酵母發(fā)酵所需的溫度7-9℃。冷媒用冷卻到4℃的釀造水，經過換熱，4℃冰水被95℃熱麥汁傳熱后直接升至80℃進熱水箱，作為投料用水、洗糟用水等。麥汁冷卻溫度可以通過控制出水流量來實現(xiàn)。 2.3.2兩段麥汁冷卻工藝 冷冷水由20℃升至55℃，經加熱至80℃可做投料用水或洗糟用水；第二段冷卻，用冷媒酒精水使麥汁從45℃降到了7℃-9℃。這里冷媒酒精水段的耗冷量受前段冷水溫度及流量的制約，而且水冷段的水源溫度隨季節(jié)氣候的變化而變化，冷水溫度變化直接影響后段麥汁冷卻的溫度及耗冷量。 一段麥汁冷卻工藝比兩段冷卻工藝會節(jié)約大量能源, 明顯降低生產成本。正因如此, 現(xiàn)在幾乎所有啤酒廠的麥汁冷卻工藝均改為一段冷卻[15]。 3糖化車間設備 3.1糖化設備流程 麥芽 麥芽粉碎機 糖化鍋 過濾槽 煮沸鍋 大米 大米粉碎機 糊化鍋 薄板換熱器 回旋沉淀槽 3.2設備的選擇 國內采用的糖化車間冷麥汁制備主體設備有6104 L/次、7.5104 L/次、8104 L/次和105 L/次規(guī)格，用過濾槽的系統(tǒng)現(xiàn)在已可以達到每天糖化9次，用壓濾機的系統(tǒng)可以達到每天糖化12次[2]。 糊化鍋、糖化鍋一般采用三段夾套加熱，高徑比比較小。過濾槽包括篩板、耕刀、麥糟出口等。麥糟輸送采用氣力輸送，現(xiàn)在已不應使用傳統(tǒng)的螺桿泵形式[2]。麥汁壓濾機過濾麥汁速度快，效率高，對于原料比適用范圍大，自動化程度高，勞動強度較低，可提高其他糖化設備的使用效率。麥汁煮沸鍋含有內加熱器，近年來煮沸系統(tǒng)都增加二次蒸汽熱能回收系統(tǒng)，麥汁利用回收熱能并在蒸汽的輔助下將麥汁加熱到95℃左右進入煮沸鍋，有效避免麥汁升溫段內加熱器表面結焦現(xiàn)象?，F(xiàn)在國內通用的沉淀槽進口采用切線夾角進料，夾角一般10-15 ，使得進料動量完全釋放于麥汁回旋[2]。換熱器的種類很多，二十世紀20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結構緊湊，傳熱效果好。 這些設備一般都含有CIP清洗系統(tǒng)，CIP清洗是指被清洗的設備、容器及管路不動的情況下，通過機械力讓洗滌液循環(huán)，進行完整徹底清洗。CIP清洗系統(tǒng)有多種形式，包括一次性洗滌系統(tǒng)、洗滌劑重復利用的CIP系統(tǒng)和混合洗滌系統(tǒng)。糖化設備和麥芽汁管道每天在80-85℃條件下用2％-3％的NaOH溶液清洗40min。麥汁過濾劑每周在80℃條件下先用熱堿清洗后再用酸洗，時間長度為60min[16]。 不同的設備都具有各自的優(yōu)勢和劣勢，車間設計就是盡可能的將各種設備的優(yōu)勢都綜合的應用到一起并減少設備劣勢帶來的負面影響。設備的選擇需要根據具體的情況而定。 本設計是對年產10萬噸啤酒糖化車間進行設計，主要內容是依據擬定的產量進行了工藝設計，對生產過程進行物料、水及熱量衡算；進而對主要的設備進行設計計算、選型，如糊化鍋、糖化鍋、過濾槽、煮沸鍋、沉淀槽及薄板冷卻器的主要尺寸、選型以及其他輔助設備選型。最后對整個車間進行布置設計，繪制出工藝流程圖及車間布置圖。為工業(yè)生產啤酒提供一定的參考。 參考文獻： [1]張祖蓮，朱漢明，萬莉．改變啤酒釀造中鋅離子含量的方法.湖北農業(yè)科學,2009,48（11）：2834～2836 [2]錢列生,潘建中.現(xiàn)代啤酒工廠原料和糖化工段的設備選擇.現(xiàn)代食品科技,2007,23（8）：54～56 [3]劉妍.淺析啤酒全生命周期中的清潔生產機會.環(huán)境科學與管理,2008,33（9）：186～190 [4]倪應應,胡鵬剛.高濃釀造法生產高輔料啤酒的研究.中國釀造,2012,31（4）：72～74 [5]馬歌麗,魏泉增,張學軍.糖化工藝對高輔料啤酒風味物質的影響.中國釀造，2009,28（7）：145～147 [6]楊勇,申德超,張少彩.基于單一酶的膨化輔料糖化工藝研究.中國釀造,2010,29（1）：84～88 [7]金立忠,譚雨清.節(jié)能降耗啤酒糖化的應用研究.食品科技,2007,第4期：162～163 [8]王秀麗,王家林.不同糖化工藝對大麥啤酒的麥汁質量的影響.食品研究與開發(fā),2012,33（10）：153～155 [9]畢德成,張道雷,郭東波.工業(yè)生產中啤酒發(fā)酵度影響因素的研究.中國釀造,2012,31（12）：116～118 [10]孟德敬,陸鍵,趙海鋒.糖化工藝對啤酒釀造的影響.啤酒科技,2006,第12期：70～72 [11]雷春生.啤酒釀造在德國.啤酒科技,2011,第9期:21～22 [12]盛霞.年產10萬噸淡色啤酒廠糖化車間糖化鍋設計.四川理工學院,2008 [13]admin.啤酒設備常見糖化方法有哪些特點. 濟南德工設備技術有限公司 http://www.sdhanbo.com.2012-8-17 [14]馬歌麗,何紅,賀永寅.生產工藝對高輔料啤酒非生物穩(wěn)定性的影響.中國釀造,2011,30（7）：148～151 [15]崔云前,于同立,張志永.糖化車間節(jié)能技術探討.釀酒,2005,32（4）：108～113 [16]梁世中.生物工程設備.第二版，北京：中國輕工業(yè)出版社，2011年6月.448～450 2．本人對課題任務書提出的任務要求及實現(xiàn)預期目標的可行性分析 任務要求： 設計一條合理、經濟、先進的工藝路線。 進行全廠工藝衡算，主要包括有物料衡算、熱量衡算、水衡算等，在工藝衡算的基礎上，對主要的設備進行設計計算、選型。 繪制工藝流程圖和車間布置圖。 實現(xiàn)預期目標的可行性分析： （1）熟悉啤酒生產工藝及糖化車間的流程和工藝。 （2）借鑒以前的設計方法，結合自己的設計目的及設計思想，設計出合理的工藝路線。 （3）能熟練應用工廠設計理論，掌握工藝計算方法。 （4）運用所掌握的生物工程設備知識，根據工藝計算的數(shù)據對設備進行設計計算和選型。并根據工藝流程圖及所學專業(yè)理論，再加上工廠實地考察對設備進行合理布置。 （5）熟悉使用CAD制圖工具，繪制工藝流程圖和車間布置圖。 本設計要查閱大量的啤酒行業(yè)的文獻資料、采集啤酒廠生產實際中的技術參數(shù)。以工藝技術上先進、可靠；經濟上合理、可行為設計原則。采用二次煮出糖化法。選用的較先進的生產設備，按照規(guī)定標準設計糖化車間布置，使建成的啤酒廠車間布局合理，產出啤酒質量較好，生產效益更高。 通過查找圖書館中大量的相關中、外文獻資料，綜合運用自己所學的專業(yè)知識，以及啤酒廠的實地參觀考察，完成年產10萬噸啤酒廠糖化車間的設計是沒有問題的。 3．本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路 1、糖化車間物料衡算：通過工藝計算確定主要結構參數(shù)。 2、糖化車間熱量衡算：通過熱量衡算找出流程中設備的熱負荷及熱損失。 3、耗水量的計算：通過耗水量的計算確定工廠的日耗水量及年耗水量。 4、耗冷量的計算：通過耗冷量的計算確定發(fā)酵車間的年耗冷量。 5、確定設備結構形式及尺寸：根據工藝要求，按物料的容積、特點、傳熱的型式、安裝、維修要求，確定糖化鍋、糊化鍋等的結構形式和外形尺寸，如簡體高度、封頭形狀的選擇、軸封形式選擇等。 6、選用零部件：設備中用到的攪拌、傳動、密封、傳熱等裝置及其他零部件、大多已系列化、標準化。因此根據工藝條件及制造、安裝等合理選用零部件。 7、車間布置圖設計：按正投影原理繪制，其視圖內容包括 （1）一組視圖，表示糖化車間廠房建筑的基本結構和設備在廠房內外的布置情況。平、立面圖，剖面圖的數(shù)量以表示清楚為原則。 （2）尺寸及標注，在圖中注寫與設備布置有關的尺寸和建筑軸線的編號、設備的位號、名稱等。 （3）安裝方位標，指示安裝方位的圖標。 （4）說明與附注，對設備安裝布置有特殊要求的說明。 （5）設備一覽表，列表填寫設備位號、名稱等。 （6）標題欄，注寫圖名、圖號、比例、設計階段等。 4．完成本課題所必須的工作條件（如工具書、實驗設備或實驗環(huán)境條件、某類市場調研、計算機輔助設計條件等等）及解決的辦法 1、需工具書有《生物工程設備》、《生物工程工廠設計概論》等，解決辦法向圖書館借閱。 2、所需物料參數(shù)、設備型號等查閱相關手冊或上網進行查找。 3、計算機輔助設計條件是應用AutoCAD繪圖。 4、需要計算器進行計算。 5．完成本課題的工作方案及進度計劃 2012.12.30—2013.1.20 完成開題報告； 2013.2.25—2013.3.17 查閱資料，設計工藝路線； 2013.3.18—2013.4.21 工藝衡算，設備設計計算與選型，完成設計說明書； 2013.4.22—2013.5.5 繪制設計圖紙； 2013.5.6—2013.5.21 熟悉內容準備答辯 6．指導教師審閱意見 指導教師（簽字）：　　　　　　 年 月 日 7．學院畢業(yè)設計（論文）工作領導小組評審意見 領導小組組長（簽字）：　　　　　 　　　　　　學院（簽章） 年 月 日 說明： 1.本報告由承擔畢業(yè)設計（論文）課題任務的學生在接到“畢業(yè)設計（論文）任務書”、正式開始做畢業(yè)設計（論文）的第2周或第3周末之前獨立撰寫完成，并交指導教師審閱。 2.每個畢業(yè)設計（論文）課題撰寫本報告1份，作為指導教師、畢業(yè)設計（論文）指導小組審查學生能否該畢業(yè)設計（論文）課題任務的依據，并接受學校的抽查。