齐 齐 哈 尔 大 学
毕业设计(论文)
题 目:
年产5万吨12°经典啤酒厂发酵车间设计(发酵罐)
学 院: 食品与生物工程学院
专业班级: 生物工程111班
学生姓名: ###
指导教师: ###
成 绩:
2015年06月15日
齐齐哈尔大学毕业设计(论文)
摘 要
本设计为年产5万吨12°经典啤酒厂发酵车间设计。经典啤酒是以麦芽和大米为主要原料,添加大量酒花以及适量酵母发酵酿制而成的一种低二氧化碳、起泡、低酒精度(2.5%~7.5%)的饮料。经典啤酒具有发酵度比较低、麦汁中大分子含量多、口味独特、营养丰富等特点。本设计对5万吨12°经典啤酒厂的生产的发酵工艺进行了论证,确定了发酵方法与工艺流程,进行了物料衡算,发酵工段耗冷计算,水量衡算。糖化方法采用双醪二次煮出糖化法,发酵方法采用下面发酵法。本设计的图纸主要包括发酵车间流程图,发酵车间的平面图和立面图及重点设备发酵罐的装配图。为了节能和减少污染,还设计了工业“三废”处理系统。在降低能耗、减少废水排放、啤酒糟的回收与利用等方面进行了探讨研究。
关键词:啤酒厂;工艺设计;发酵罐;物料衡算;设备选型与论证
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Abstract
This design subject is annual output 50,000 tons of 12° classic brewery fermentation workshop.Classic beer is a kind of low-carbon dioxide,sparkling,low-alcohol content (2.5% to 7.5%) of the beverage malt raw material, which added a large number of hops and fermented by the right amount of yeast, malt and rice as it' s main raw material. Classic beer has many features,such as low fermentation degree,large macromolecule content in the wort, unique taste, nutrient-rich and etc.The production process of the 50,000 tons 12°classic beer was demonstrated,the technological process was formulated,and the materials balance,cooling balance,water balance were calcuated.The double-mash decoction mashing and the bottom fermentation were adopted.The drawings of this design include the flow chart of the fermentation workshops,the ichnography and elevation drawing of fermentation workshop,the assembly drawing of major equipment (fermenter).The waste treament system was design- ed for conserving energy and decreasing pollution.The reducing energy consumption and wastewater discharge, recycle and utilization of beer grains were studied in the design.
Key words: Beer factory; Craft design; Fermenter; Materials balance; Equipment selection and demonstration
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目 录
摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II
第1章 绪论 ............................................................................................................................... 1 1.1 选题依据、意义及理论 ................................................................................ 1 1.2 设计依据 ........................................................................................................ 1 1.3 设计内容 ........................................................................................................ 1 1.4 发酵设备及其特点 ........................................................................................ 1 1.4.1 锥形罐的优点 ......................................................................................... 2 1.4.2 锥形罐的安装和布局 ............................................................................. 2 1.5 厂址的选择 .................................................................................................... 2 1.6 课题研究的内容和方法 ................................................................................ 3 第2章 工艺流程的选择与论证 ........................................................................................... 4 2.1 啤酒生产原料 ................................................................................................ 4 2.1.1 大麦芽 ..................................................................................................... 4 2.1.2 酒花 ......................................................................................................... 4 2.1.3 水 ............................................................................................................. 4 2.1.4 酵母 ......................................................................................................... 4 2.1.5 辅料 ......................................................................................................... 5 2.2 生产工艺流程的选择与论证 ........................................................................ 5 2.2.1 麦汁的制备 ............................................................................................. 5 2.2.2 糖化及糊化 ............................................................................................. 5 2.2.3 麦汁的过滤 ............................................................................................. 6 2.2.4 麦汁的煮沸和酒花的添加 ..................................................................... 7 2.2.5 麦汁的冷却及凝固物的分离 ................................................................. 7 2.3 啤酒发酵 ........................................................................................................ 7 2.3.1 酵母的扩大培养 ..................................................................................... 7 2.3.2 啤酒发酵及工艺曲线 ............................................................................. 8 2.3.3 发酵工艺论证 ......................................................................................... 8 2.3.4 贮酒工艺论证 ......................................................................................... 8
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2.3.5 啤酒过滤 ................................................................................................. 8 第3章 三大衡算 ................................................................................................................... 10 3.1 原始数据 ...................................................................................................... 10 3.2 100kg原料生产12°经典啤酒的物料衡算 ................................................. 10 3.2.1 热麦汁量 ............................................................................................... 10 3.2.2 冷麦汁量 ............................................................................................... 11 3.2.3 发酵液量 ............................................................................................... 11 3.2.4 过滤酒量 ............................................................................................... 11 3.2.5 成品酒量 ............................................................................................... 11 3.2.6 酒花量 ................................................................................................... 11 3.2.7 酒花糟量 ............................................................................................... 11 3.2.8 湿糖化糟量 ........................................................................................... 11 3.3 生产100L12°经典啤酒的物料衡算 ........................................................... 12 3.3.1 生产100L12°经典啤酒混合用料量 .................................................... 12 3.3.2 麦芽消耗量 ........................................................................................... 12 3.3.3 大米消耗量 ........................................................................................... 12 3.3.4 酒花耗用量 ........................................................................................... 12 3.3.5 热麦汁量 ............................................................................................... 12 3.3.6 冷麦汁量 ............................................................................................... 12 3.3.7 发酵液量 ............................................................................................... 12 3.3.8 过滤液量 ............................................................................................... 13 3.3.9 湿糖化糟量 ........................................................................................... 13 3.3.10 酵母量 ................................................................................................. 13 3.3.11 酒花糟量 ............................................................................................. 13 3.3.12 二氧化碳量 ......................................................................................... 13 3.3.13 耐高温α淀粉酶量 ............................................................................. 14 3.4 年产5×104t12°经典啤酒的物料衡算 ......................................................... 14 3.4.1 原料用量 ............................................................................................... 14 3.4.2 麦芽用量 ............................................................................................... 14 3.4.3 大米用量 ............................................................................................... 15 3.4.4 酒花用量 ............................................................................................... 15 3.4.5 热麦汁量 ............................................................................................... 15 3.4.6 冷麦汁量 ............................................................................................... 15 3.4.7 发酵液量 ............................................................................................... 15
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3.4.8 过滤液量 ............................................................................................... 15 3.4.9 湿糖化糟量 ........................................................................................... 15 3.4.10 干酵母量 ............................................................................................. 15 3.4.11 酒花糟量 ............................................................................................. 15 3.4.12 CO2的释放量 ...................................................................................... 15 3.5 发酵车间水耗量计算 .................................................................................. 16 3.5.1 薄板冷却器用水 ................................................................................... 16 3.5.2 麦汁冷却器洗刷用水 ........................................................................... 17 3.5.3 过滤机用水 ........................................................................................... 17 3.5.4 洗瓶机用水 ........................................................................................... 17 3.5.5 发酵车间水量耗表 ............................................................................... 17 3.6 发酵车间的耗冷量衡算 .............................................................................. 17 3.6.1 发酵工艺流程 ....................................................................................... 17 3.6.2 工艺技术指标及基础数据 ................................................................... 17 3.6.3 工艺耗冷量Qt ....................................................................................... 18 3.6.4 酵母培养耗冷量 ................................................................................... 19 3.6.5 发酵车间工艺耗冷量Qt ....................................................................... 19 3.6.6 非工艺耗冷量 ....................................................................................... 19 3.6.7 发酵车间冷量衡算表 ........................................................................... 20 第4章 啤酒生产主要设备的选型与论证...................................................................... 21 4.1 主要设备的选型与计算 .............................................................................. 21 4.1.1 薄板冷却器尺寸计算 ........................................................................... 21 4.1.2 清酒罐尺寸计算 ................................................................................... 21 4.2 附属设备设计与选型 .................................................................................. 22 4.2.1 啤酒过滤设备 ....................................................................................... 22 4.2.2 酵母的扩培设备 ................................................................................... 22 第5章 发酵罐的设计与论证 ............................................................................................ 23 5.1 发酵罐数量的计算 ...................................................................................... 23 5.2 发酵罐的设计与论证 .................................................................................. 23 5.2.1 锥角的选择 ........................................................................................... 23 5.2.2 冷却方式的确定 ................................................................................... 23 5.2.3 罐的保温材料的选择 ........................................................................... 23 5.2.4 罐的材料的选择 ................................................................................... 23 5.2.5 径高比 ................................................................................................... 24
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5.2.6 罐主要附件 ........................................................................................... 24 5.3 发酵罐作为内压容器的强度计算 .............................................................. 24 5.4 椭圆封头的壁厚计算与强度计算 .............................................................. 24 5.5 筒体壁厚计算与强度计算 .......................................................................... 25 5.6 锥形封头壁厚计算与强度计算 .................................................................. 26 5.7 强度校核 ...................................................................................................... 27 5.7.1 压力试验 ............................................................................................... 27 5.7.2 应力校核 ............................................................................................... 27 5.7.3 刚度校核 ............................................................................................... 27 5.8 冷却面积的计算 .......................................................................................... 27 5.9 部分附件设计与选型 .................................................................................. 28 5.9.1 人孔 ....................................................................................................... 28 5.9.2 视镜 ....................................................................................................... 28 5.9.3 洗涤液接管 ........................................................................................... 28 5.9.4 CO2回收压缩空气管 ............................................................................ 28 5.9.5 冷却剂出管 ........................................................................................... 28 5.9.6 出酒管 ................................................................................................... 28 5.9.7 支座 ....................................................................................................... 28 第6章 啤酒厂三废处理 ..................................................................................................... 29 6.1 废水 .............................................................................................................. 29 6.1.1 废水来源 ............................................................................................... 29 6.1.2 废水处理 ............................................................................................... 29 6.2 酵母 .............................................................................................................. 30 6.2.1 废酵母在饲料工业中的应用 ............................................................... 30 6.2.2 废酵母在食品工业中的应用 ............................................................... 30 6.2.3 废酵母在制药工业中的应用 ............................................................... 30 6.3 凝固物 .......................................................................................................... 30 6.4 烟的危害 ...................................................................................................... 31 6.5 玻璃碎片 ...................................................................................................... 31 6.6 声音危害 ...................................................................................................... 31 结论 .............................................................................................................................................. 32 参考文献 ..................................................................................................................................... 33 附录 .............................................................................................................................................. 34 致谢 .............................................................................................................................................. 36
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第1章 绪 论
1.1 选题依据、意义及理论
经典啤酒是以麦芽为主要原料,以大米为主要辅料,添加大量酒花以及酵母发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、起泡、低酒精度(2.5%~7.5%)的饮料。经典啤酒具有发酵度低、麦汁中残糖含量高、口味独特、营养丰富等特点。改革开放二十多年来中国啤酒工业得到迅猛发展,2008年啤酒产量为4103.09万千升,连续七年保持世界第一。显然我国已成为啤酒生产主消费大国。然而传统的规模满足不了消费的需求,因为传统主酵是在正方形或长方形的发酵池(槽)中进行的,设备的容积仅在5~30m3,生产规模小。所以在七十年代开始盛行圆柱锥形发酵罐,能满足传统发酵达不到的产量需求,具有结构简单,节约冷库面积,便于实现自动控制,投资费用少,发酵周期短,便于清洗,适用于较大型工厂的特点,所以本设计采用圆柱锥形发酵罐。该罐主体呈圆柱形,罐顶为圆弧形状,底部为圆锥形,罐体设有冷却和保温装置为全封闭发酵罐[1]。
1.2 设计依据
我国啤酒质量标准GB 4927—1991等国家啤酒生产的相关规定; 齐齐哈尔大学食品与生物工程学院下达的毕业设计任务书; 我国普遍使用的相关设计和设备的技术规范。
1.3 设计内容
完成开题报告;完成设计说明书;绘制4张图纸。
设计说明书内容有:绪论;工艺流程选择论证;物料衡算,耗冷衡算;主要设备选型与计算;三废处理。
图纸内容:重点设备发酵罐的装配图;发酵车间流程图;发酵车间平面图;发酵车间立面图。
1.4 发酵设备及其特点
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本次设计所用的发酵设备是圆筒体锥底立式发酵罐(简称锥形罐),如今国内外许多大型啤酒厂都选择使用发酵罐,因为它不仅适用于上面发酵,也适用于下面发酵。而且该设备具有投资费用低、占地面积小、工艺灵活、便于回收酵母、冷却效果好、酒损较低以及便于自动化控制等特点,同时适用于生产各种类型的啤酒。但大型锥形罐只适合于批量生产同一主要啤酒品种[2]。
1.4.1 锥形罐的优点
操作简便,工艺控制准确,感染机会少,啤酒质好且稳定;发酵周期短,啤酒成熟快,提高了生产效率;经济效益好,符合多快好省的要求,建设周期短,工程造价低投资少,见效快。
1.4.2 锥形罐的安装和布局
由锥形罐的大产量可知,锥形罐具有一定的高度,所以选择安装在露天,因为露天安放形式的应用也更为广泛,选择直接安装在一个与混凝土地基相连的立式支撑框架上。
1.5 厂址的选择
厂址的选择要符合国家下达建厂计划任务书中所作的规定和要求。厂址尽量靠近城镇,可靠的水源,厂外已有的热、电源,地形平坦,交通便利。本设计厂址选在北方(山东青岛)。
地理环境:青岛位于山东半岛南端(北纬35°35'-37°09',东经119°30'-121°00')、黄海之滨。青岛依山傍海,风光秀丽,气候宜人,是一座独具特色的海滨城市。青岛地势东高西低,南北两侧隆起,中间低陷,其中,山地约占全市总面积的15.5%,丘陵占25.1%,平原占37.7%洼地占21.7%。全市海岸分为岬湾相间的山基岩岸、山地港湾泥质粉砂岸及基岩砂砾质海岸等3种基本类型。 浅海海底则有水下浅滩、现代沁下三角州及海冲蚀平原等。
气候类型:青岛地处北温带季风区域,属温带季风气候。市区由于海洋环境的直接调节,受来自洋面上的东南季风及海流、水团的影响,故又具有明显的海洋性气候特点。空气湿润,温度适中,四季分明。春季气温回升缓慢,较内陆迟1个月;夏季湿热多雨,但无酷暑;秋季天高气爽,降水少;冬季风大温低,持续时间较长,但无严寒。青岛地处北温带季风区域,属温带季风气候,略有海洋性气候特征。市区由于海洋环境的直接调节,受来自洋面上的东南季风及海流、水团的影响,故又具有明显的海洋性气候特点。空气湿润,温度适中,四季分明。春季气温回升缓慢,较内陆迟1个月;夏季湿热多雨,但无酷暑7月平均温度23度,极端高温37.4度;秋季天高
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气爽,降水少;冬季风大温低,持续时间较长,但并无严寒,1月平均温度-3度,极端低温-16度。
气候要素变化特征:地理位置决定了气候的特点,据1898年以来的气象资料表明,市区年平均气温12.2℃,极端高气温36.2℃(1939年7月31日),极端低气温16.4℃(1931年1月10日)。全年8月份最热,平均气温25.1℃;1月份最冷,平均气温1.2℃。日最高气温高于30℃的日数年平均为11.4天,日最低气温低于5℃的日数年平均为22天。降水量年平均为775.6mm,春、夏、秋、冬四季雨量分别占全年降水量的14%、57%、22%和7%。年降水量最多1272.7毫米(1911年),最少仅308.2毫米(1981年),降水的年变率为62%。年平均降雪日数只有10天,气压平均为1008.6百帕,年平均风速为5.3m/s,以东南风为主导风向。年平均相对湿度为73%,7月份最高,为89%;12月份最低,为68%。青岛海雾多频,浓雾年平均51.3天,轻雾108.2天。
1.6 课题研究的内容和方法
本课题研究的内容是5万吨12°经典啤酒厂的发酵车间设计(发酵罐)。包括厂址的选择、物料衡算和水、热、冷等能源衡算,设备的选型和尺寸的计算及论证,同时对重点备发酵罐进行详细计算,并对工艺流程和车间布置进行详细规划。
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第2章 工艺流程的选择与论证
2.1 啤酒生产原料
经典啤酒的主要原料有大麦芽、酒花、水、酵母;淀粉质辅助原料选用大米。
2.1.1 大麦芽
本次设计课题是经典啤酒,因为大麦芽含有较高的淀粉含量,所以选择大麦芽为主要原料。本设计选择从麦芽厂直接购买麦芽。
2.1.2 酒花
经典啤酒具有酒花添加量多的特点,使用酒花的目的在于利用其苦味物质赋予啤酒柔和的苦味和特殊的香味;加速麦汁中高分子蛋白质的絮凝;增加啤酒的起泡性;增加啤酒的防腐能力;提高啤酒的非生物稳定性。酒花的主要成分是20.0%的蛋白质,18.5%的苦味物质,8.0%的矿物质,3.5%的多酚物质和0.5%的酒花油。酒花中最主要的成分是酒花树脂,它是苦味物质的主要来源,其中α-酸(学名Humulone)占2%~45%,β-酸(Lupulone)占45%~58%,硬树脂约占12%[3]。
然而啤酒厂直接使用酒花的比例越来越少,取而代之的是新的酒花制品,包括酒花粉末、颗粒酒花、酒花浸膏、酒花油等[4]。新的酒花制品具有利用率高、便于运输和贮藏、费用低、质量稳定以及可自动计量添加等特点。本设计采用颗粒酒花。
2.1.3 水
啤酒生产用水分为酿造用水和洗刷用水。酿造用水是啤酒酿造最重要的原料,酿造用水称为“啤酒的血液”[5],所以对酿造用水必须达到以下标准:无色透明、无悬浮物、无沉淀、无异味、无异臭味;硝酸盐含量及碳酸根含量150-200mg/L;pH值应在6.8-7.2之间;有毒离子不允许存在;重金属离子含量以只含痕量为好;游离氯、氨的含量低于0.3mg/L,无杂菌污染、符合饮用水的卫生标准。工厂用水来源于江水、河水、泉水、井水等,只要经过适当的处理达到上述要求的均可作为酿造用水。
2.1.4 酵母
啤酒是麦汁经过酿酒酵母的发酵酿制而成的,所以啤酒的质量与不同酵母的不同性能有很大关系。酵母的种类很多,本设计使用下面酵母种类下的萨士酵母,在发酵过程中啤酒酵母利用发酵液中的葡萄糖、麦芽糖、半乳糖以及蔗糖等糖类进行发酵,产生酒精、CO2、SO2等。萨士酵母:细胞呈卵圆形、发酵度低、凝集性强、沉淀快
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2.1.5 辅料
常用的辅助原料有大米、玉米、大麦、小麦、高粱、着色糖、糖等,本设计使用的辅料是大米,大米具有淀粉含量高、无水浸出率高、脂肪含量低、无多酚物质且含有较多的泡持蛋白等特点。辅料的使用可以调整麦汁中的含氮物质,适当的辅料加入比例可以改善啤酒风味特性、使啤酒泡沫洁白细腻。本设计使用的主辅物料比为3:1。
2.2 生产工艺流程的选择与论证
2.2.1 麦汁的制备
2.2.1.1 麦芽粉碎
麦芽粉碎常采用干法粉碎、湿法粉碎、回潮粉碎和连续浸渍增湿粉碎4种方法。 本设计采用湿法粉碎,就是将麦芽用20~50℃的温水浸泡15~20min,使其吸水膨胀,当水分含量达到28%~30%时用粉碎机粉碎,湿法粉碎物麦皮完整,胚芽被磨成浆状细粉,既有利于加速麦汁过滤,又可增加麦芽浸出率[7]。
湿法粉碎的粉碎设备采用对辊粉碎机。 2.2.1.2 辅料粉碎
辅料粉碎采用湿法粉碎。辅料的粉碎对粉碎的要求是有较大的粉碎度、粉碎的细一些,这样有利于辅料的糊化和糖化。
2.2.2 糖化及糊化
2.2.2.1 糖化、糊化工艺流程
糖化就是利用麦芽所含有的淀粉酶将麦芽和辅助原料中的不溶性高分子物质逐步水解成可溶性低的分子物质的过程[8]。常用的糖化方法有浸出糖化法、煮出糖化法、双醪煮出糖化法、双醪浸出糖化法、麦醪的连续糖化法。煮出糖化法就是在糖化过程中要兑出一部分醪液进行煮沸,然后并入未煮沸部分,以提高混合醪液的温度,双醪是指未发芽谷物粉碎后配成的醪液和麦芽粉碎后配成的醪液,双醪糖化法又分为双醪一次煮出法和双醪二次煮出法。本设计采用双醪二次煮出糖化法。国内的啤酒厂绝大部分采用二次煮出糖化法,虽然二次煮出糖化法生产麦芽和啤酒的类型比较灵活,操作较简单,耗能较小,成本低,生产周期短,但双醪二次煮出糖化法制得的麦汁糖分容易控制、适合酿造浓色啤酒,适用于酿造12°经典啤酒。双醪二次煮出糖化法工艺流程如下图:
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糖化锅 糊化锅
35~37℃(30min) 45℃(20min)
10min 70℃(20min) 15min 52~54℃(30~60min) 煮沸(40min) 取出部分醪液 取出部分醪液 52~54℃
65~67℃
(碘液反应基本完全) 煮沸
取出部分醪液 65~67℃
78℃ 煮沸
麦汁过滤
图2-1 糖化工艺流程图
2.2.2.2 糖化、糊化工艺论证
糊化锅中的料水比为1:5,把大米粉和淀粉液化酶与热水一起放入糊化锅,在45℃下保温20min,这阶段蛋白质分解,持续加热45min,使醪液升温至70℃,保温20min,此时α-淀粉酶的作用增强,非糖化比例增加。在15min内把醪液加热至煮沸(100℃),煮沸40min。
糖化锅中的料水比为1:3.5,麦芽粉浆输送到糖化锅中在35~37℃保温30min,成为浸渍阶段,此阶段有利于酶的浸出和酸的形成,并有利于β-葡聚糖的分解,再利用糖化锅夹层把醪液加热到52~54℃,保持30~60min,与糊化醪混合,此时蛋白质分解,生成氨基酸、多肽和可溶性氮。之后一部分醪液在此温度下煮沸,另一部分醪液升温至65~67℃并与之前煮沸的醪液混合,混合后再取出部分65~67℃醪液进行煮沸。
2.2.3 麦汁的过滤
麦汁过滤必须在尽可能短的时间内彻底将从原料中溶出的浸出物(麦汁)与不溶性物质(麦糟)、细小的浑浊颗粒分开,获得清亮、固形物含量少的麦汁,然后将麦汁进行预热及麦汁煮沸[9]。麦汁过滤采用过滤槽,糖化结束后,意味着原料中可溶物质已尽可能多的溶于水中。将过滤槽的滤板洗净铺好,并将过滤板和槽底之间充满76~78℃的热水,以浸没滤板为准。将糖化醪充分搅拌,并尽快泵入过滤槽后,使用耕糟机翻拌均匀,再静置20min左右,让醪糟自然沉降,形成过滤层。自正式过滤开始15~30min后检查原麦汁的糖度、澄清度以及色、香、味。如果糖化效果好,静置后麦糟上面麦汁如理石一样漆黑。设备主要优点:操作简单,劳动强度低,设备简单,
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投资少,维修费用低。
2.2.4 麦汁的煮沸和酒花的添加
麦汁过滤结束后,麦汁先进入暂存罐,再通过一薄板换热器预热后进入煮沸锅,在煮沸过程中添加颗粒酒花。
麦汁煮沸以及添加酒花的目的:破坏酶活性,固定麦汁组成;杀灭麦汁中的各种杂菌;蒸发多余水分,浓缩到规定的浓度;苦味物质溶出赋予啤酒特殊的苦味和香味;降低pH值;提高麦汁的生物稳定性[10]。
酒花的添加量和方法:酒花的添加方式一般分为一次、二次、三次添加法,本设计采用三次添加方式,再麦汁初沸时,加入酒花总量的50%,煮沸30min后再添加酒花总量的30%,第三次是在麦汁煮沸结束前加入剩下的20%。
2.2.5 麦汁的冷却及凝固物的分离
麦汁煮沸后必须立即冷却,本设计采用的设备是薄板冷却器,并采用一段冷却。其优点:节能、降低生产成本且方便控制;不需冷冻剂;温度变化小,操作稳定;热能利用充分。热凝固物的分离采用回旋沉淀槽。其优点:设备结构简单,占地面积小卫生条件易控制,洗刷容易,杀菌彻底,不易污染,可自动清洗。
2.3 啤酒发酵
啤酒发酵是一项非常复杂的生化反应过程,在啤酒酵母所含酶系的作用下,在厌氧条件下酒精发酵,使大部分可发酵性糖转化为酒精和CO2以及少量的代谢副产物如高级醇、酯类、连二酮类、醛类、酸类和含硫化合物等发酵产物。这些发酵产物影响到啤酒的风味、泡沫特性、色泽、非生物稳定性等理化指标,并形成了啤酒的典型性。啤酒发酵过程巧妙地利用了酵母在有氧和无氧情况下的不同特征,在发酵开始时,酵母在含有溶解氧的麦汁中大量繁殖并积累能量,保证在无氧条件下进行发酵所需的酵母量和能量[11]。
2.3.1 酵母的扩大培养
酵母扩大培养分为两个阶段:由斜面试管到卡氏罐为实验室扩大培养阶段,汉生罐以后为生产现场扩大培养阶段。酵母的扩大培养就是指从斜面种子到生产所用种子的培养过程。
2.3.1.1 实验室扩大培养
工艺流程:斜面试管 液体试管培养(25~27℃,2~3天) 小三角瓶培养(23~25℃,2天) 大三角瓶培养(23~25℃,2天) 卡氏罐培养(18~20℃,3~5
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天) 汉生罐培养
工艺控制:扩培使用的一切用具必须洗刷干净,并高温灭菌;实验室使用的培养基用全麦制备麦汁;扩大培养时采用逐级降温法;每次扩培稀释倍数保持10~20倍;每个扩培阶段,应做平行培养,选择生长繁殖良好的进入下一级培养。 2.3.1.2 生产现场培养
工艺流程:汉生罐(13~15℃,2天) 繁殖期(9~11℃,2天) 发酵罐 工艺控制:扩大培养所需麦汁组成要合理,能满足酵母生长繁殖的需要;应在对数生长期移植;生产现场扩培温度也是逐级降低;稀释倍数1:5为宜。
2.3.2 啤酒发酵及工艺曲线
本设计采用圆柱锥底发酵罐,其工艺曲线如图2-2:
1412121212121210899996462发酵天数/d200-2-1-1-1-1-1-1-10123456789101112131415161718温度/℃
图2-2 发酵曲线 2.3.3 发酵工艺论证
本设计为“两罐法工艺”,采用低温发酵、高温后熟工艺,工艺总生产周期为20d,其优点在于形成的发酵副产物不是特别多,而且这些发酵副产物又可在高温后熟时得到良好的分解。接种温度6℃,前发酵时间2d;主发酵温度9℃,发酵时间4d,发酵度达到50%左右后关闭冷却装置,自然升温至12℃进行双乙酰的后熟阶段,直到双乙酰还原降至0.1mg/L,达到规定发酵度后开始降温,降温速度以控制在2d内完成为宜,温度降至-1℃,在此温度下进行贮酒7d。此方法酵母所生的双乙酰及其它副产物少[12]。
2.3.4 贮酒工艺论证
当发酵液温降至0℃后即进入贮酒阶段,贮酒时间为7d。贮酒的目的是为了澄清酒液,饱和CO2,从而改善啤酒的胶体稳定性,在贮酒期间一定要控制温度的稳定,期间可加澄清剂,充CO2饱和,提高啤酒的CO2含量。倒罐前必须采用CO2背压以避免啤酒接触O2,防止双乙酰回升、啤酒氧化,减少损失。
2.3.5 啤酒过滤
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经过贮酒罐的低温贮藏并不能满足消费者的要求,而且酒体保质期短,很难进行大范围销售,这时就需要对啤酒进行过滤及稳定化的处理。
啤酒过滤是利用过滤介质,将啤酒内炫富的微小颗粒从酒液内分离除去,使啤酒清澈透明、不含悬浮物的一个物理过程。啤酒过滤的目的主要有以下几点:(1)除去酒中的悬浮物;(2)适当减少使啤酒出现浑浊沉淀的物质;(3)减少或除去酵母及微生物;(4)改善啤酒风味、色泽,提高生物稳定性。
啤酒过滤方法有硅藻土过滤、PVPP过滤、膜过滤和错流过滤。本设计采用硅藻土过滤方法,硅藻土作为过滤机主要有以下优点:结构简单、性能稳定、维护费用低,使用寿命长;过滤效率高,过滤迅速方便;过滤精度高,可达到很高的澄清度。啤酒过滤时应注意溶解氧、微生物、以及浊度的控制。
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第3章 三大衡算
3.1 原始数据
表3-1 基础数据
项目
名称 原料利用率 麦芽水分
定额指标
大米水分 无水麦芽浸出率 无水大米浸出率
原料配比
麦芽 大米 冷却损失
损失率
发酵损失 过滤损失 装瓶损失 空瓶
包装物损失
瓶盖 商标
总损失率
啤酒总损失率
百分比% 98.5 6.0 13.0 75.0 95.0 75.0 25.0 5.0 1.5 1.5 1.0 0.5 1.0 0.1 9.0
说明 对热麦汁而言
对热麦汁而言
根据表3-1基础数据,首先进行100kg原料生产12°经典啤酒的物料衡算,然后进行生产100L12°经典啤酒的物料衡算,最后进行年产5×104t啤酒厂物料衡算。
3.2 100kg原料生产12°经典啤酒的物料衡算
3.2.1 热麦汁量
根据表3-1可得到原料收得率分别为: 原料麦芽收得率:
10
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0.75100610070.50%
原料大米收得率:
0.951001310082.65%
混合原料收得率:
0.7570.50%0.2582.65%98.5%72.43%
由上述可得100kg混合原料可制得12°的热麦汁量
72.4312100603.58kg
已知12°麦汁在20℃的相对密度为1.047,而100℃热麦汁比20℃麦汁的体积增加1.04倍,故100℃热麦汁的体积为:
603.581.0471.04599.54L
3.2.2 冷麦汁量
599.5410.05569.56L
3.2.3 发酵液量
569.5610.015561.02L
3.2.4 过滤酒量
561.0210.015552.60L
3.2.5 成品酒量
552.6010.01547.07L
3.2.6 酒花量
100L热麦汁加酒花量为0.2kg,则:
599.540.2/1001.20kg
3.2.7 酒花糟量
设麦汁煮沸过程中酒花浸出率为40%,且酒花水分含量为80%,则酒花糟量为:
1.2010040/100803.60kg
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3.2.8 湿糖化糟量
设啤酒厂排出的湿麦芽糟水分含量为80%,则: 湿麦芽糟量为:
10.0610075/100807588.13kg
湿大米糟量为:
10.1310095/10080255.44kg
故湿糖化糟量为:
88.13+5.44=93.57kg
3.3 生产100L12°经典啤酒的物料衡算
3.3.1 生产100L12°经典啤酒混合用料量
100100547.0718.28kg
3.3.2 麦芽消耗量
18.2875%13.71kg
3.3.3 大米消耗量
18.2825%4.57kg
3.3.4 酒花耗用量
已知100L热麦汁加入酒花的定量为0.2kg,则酒花耗用量为:
599.54547.070.20.219kg
3.3.5 热麦汁量
100599.54547.07109.59L
3.3.6 冷麦汁量
100569.56547.07104.11L
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3.3.7 发酵液量
100561.02547.07102.55kg
3.3.8 过滤液量
100552.60547.07101.01L
3.3.9 湿糖化糟量
设啤酒厂排出的湿麦糟水分含量为80%,则
麦糟量为:
13.7110.0610075/1008016.11kg
大米糟量为:
4.5710.1310095/100800.99kg
湿糖化糟量为:
16.110.9917.10kg
3.3.10 酵母量
生产100L啤酒可得到2公斤湿酵母泥,其中一半作为生产接种用,另一半作生产酵母用,即1kg湿酵母泥含水分为85%,则 酵母固形物含量为:
110085/1000.15kg
则含水分7%的商品干酵母量为:
0.15100/10070.16kg
3.3.11 酒花糟量
设酒花在麦汁中浸出率为40%,酒花糟水分含量以80%计,则酒花糟量为:
0.21910.4/10.80.66kg
3.3.12 二氧化碳量
12°冷麦汁104.11L中浸出物量为:
12%104.1112.49kg
13
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设麦汁的真正发酵度为65%,则可发酵的浸出物量为:
12.4960%8.12kg
麦芽糖发酵的化学反应式为:
C12H22O11H2O2C6H12O6 2C6H12O64C2H5OH4CO256Kcal
设麦芽中浸出物均为麦芽糖构成,则CO2生成量为:
8.12444/3424.18kg
式中 44——CO2分子量 342——麦芽糖分子量
设12°啤酒含CO2为0.4%,则酒中含CO2量为:
104.110.41000.42kg
则释放出的CO2量为:
4.180.423.76kg
1m3CO2在20℃常压下重1.832kg,故释放出的CO2体积为:
3.761.8322.05m3
3.3.13 耐高温α淀粉酶量
大米淀粉含量为80%,α淀粉酶使用量为0.06~0.08L/100kg淀粉,所以α淀粉酶量为:
4.57×80%×(0.08/100)=2.92ml
3.4 年产5×104t12°经典啤酒的物料衡算
设生产日为300d,旺季180d,每天糖化4次,而淡季120d,每天糖化3次,则总的糖化次数为每年1080次。 糖化一次的物料计算
3.4.1 原料用量
5104103108018.28/1008463kg
3.4.2 麦芽用量
14
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846375%6347kg
3.4.3 大米用量
846325%2116kg
3.4.4 酒花用量
510410310800.219/100101.39kg
3.4.5 热麦汁量
51041031080109.59/10050736L
3.4.6 冷麦汁量
51041031080104.11/10048199L
3.4.7 发酵液量
51041031080102.55/10047477L
3.4.8 过滤酒量
51041031080101.01/10046764L
3.4.9 湿糖化糟量
5104103108017.10/1007917kg
3.4.10 干酵母量
510410310800.16/10074.07kg
3.4.11 酒花糟量
510410310800.66/100305.56kg
3.4.12 CO2的释放量
510410310802.05/100949.07m3
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齐齐哈尔大学毕业设计(论文) 表3-2 啤酒厂物料衡算表
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 干酵母 CO2释放量 发酵液 过滤酒 成品酒
单 位 kg kg kg kg kg L kg kg kg m3 L L L
对100kg 混合原料 100.00 75.00 25.00 1.20 599.54 569.56 93.57 3.60 0.88 11.21 561.02 552.60 547.07
100L12° 啤酒 18.28 13.71 4.57 0.219 109.59 104.11 17.10 0.66 0.16 2.05 102.55 101.01 100.00
糖化一次 定额量 8463 6347 2116 101.39 50736 48199 7917 305.56 74.07 949.07 47477 46764 46296
5104t/y啤酒生
产 9.140106 6.855106 2.285106 1.095105 5.479107 5.205107 8.550106 3.300105 8.000104 1.025106 5.128107 5.051107 5.000107
3.5 发酵车间的水耗量计算
3.5.1 薄板冷却器冷却用水
使用的冷却介质为4℃的冷水,出口温度为80℃,糖化车间送来的热麦汁温度为95℃,冷却发酵起始温度为8℃,由物料衡算得:
麦汁量: GP1.0475073653120.59kg 设麦汁冷却时间为1h
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则: QGP3.6995817053303.01kJ/h
用水量为:
G17053303.01/4.1895846893.54kg/h
3.5.2 麦汁冷却器冲刷用水
设冲刷一次用水4t,用水时间0.5h,则最大用水量为为4/0.5=8t/h
3.5.3 过滤机用水
设冲刷一次用水3t,使用时间1.5h,则最大用水量为3/1.5=2t/h
3.5.4 洗瓶机用水
按设备规范表,洗瓶机生产能力为3000瓶/时,冲洗每个瓶约需水2L,则用水量为3000×2=600L/h,每班生产7h,总耗水量6000×7=42000L
3.5.5 发酵车间水量耗表
表3-3 啤酒厂发酵车间水量耗表
耗水分类 薄板冷却器用水 麦汁冷却器冲刷用水
过滤机用水 洗瓶机用水
耗水量 46.89t/h 8t/h 2t/h 6000L/h
3.6 发酵车间的耗冷量衡算
3.6.1 发酵工艺流程
95℃热麦汁 冷麦汁8℃ 锥形发酵罐 过冷却至-1℃ 贮酒 过滤
3.6.2 工艺技术指标及基础数据
生产12°经典啤酒5×104t,旺季每天糖化4次,淡季3次,每年总共糖化1080次,主发酵时间6天。冷媒用15%酒精溶液,比热容可视作C2=4.18kJ/(kg∙K);麦芽糖厌氧发酵热q=623.6kJ/(kg∙K);12°麦汁比热容C1=4.10kJ/(kg∙K);麦汁发酵度65%;3锅麦汁装一个发酵罐。
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,即:
Q=Qt+Qnt (3-6)
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3.6.3 工艺耗冷量Qt
3.6.3.1 麦汁冷却耗热量Q1
冷却介质4℃冷冻水,出口温度80℃,热麦汁温度95℃,发酵起始温度8℃。由啤酒厂物料衡算可知,每糖化一次热麦汁50736L,而相应的麦汁密度为1048kg/m3,故热麦汁量:
G50736103104853171.33kg
又知12°麦汁比热容4.10kJ/(kg∙K),工艺要求在1h内完成冷却过程,则麦汁耗冷量为:
Q1Gct1t2/53171.334.10958/12.03107kJ/h
式中 t1和t2——分别为麦汁冷却前后的温度(℃) ζ ——冷却操作过程时间(h)
根据设计结果,每个锥形发酵罐装3锅麦汁,则麦汁冷却每罐耗冷量为:
Qf3Q132.031076.09107kJ
相应的冷冻介质(4℃的冷冻水)耗冷量为:
MfQ1/Cmt2't1' (3-7) 2.03107/4.18804 65627.83kg/h 式中 t1'和t2'——分别为冷冻水初温和终温(℃) Cm——水的比热容kJ/(kg∙K) 3.6.3.2 发酵耗冷量
(1)发酵期间发酵放热Q2' 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65%,则1L麦汁放热量为:
q0=613.6×16%×65%=63.81kJ
根据物料衡算,每锅麦汁的冷麦汁量为48199L,则每个锥形发酵罐放热量为:
Q0'=63.81×48199×3=9.23×106kJ
由于工艺规定主发酵时间为6天,每天糖化4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,则发酵高温时耗冷量为:
Q2'Q0'1.54/2463128194.44kJ/h
(2)发酵后期发酵液降温耗冷Q2'' 主发酵后期,发酵液温从12℃缓降到-1℃。
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每天单罐降温耗冷量为:
Q0''3GC1121353171.334.10138.50106kJ
工艺要求此过程在2天内完成,则耗冷量为(麦汁每天装1.4个锥形罐):
Q2''1.4Q0''/242247916.67kJ/h
(3)发酵总耗冷量Q2
Q2Q2'Q2''376111.11kJ/h
(4)发酵用冷媒耗量Q0
Q0Q0'Q0''1.77107kJ
(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:
M2Q2/C8376111.11/4.18811247.34kg/h
3.6.4 酵母培养耗冷量
根据工厂实践,年产3×104t啤酒酵母培养耗冷量为29260kJ/h,每月需进行一次酵母醇培养,培养时间12d,即288h,则对应的年耗冷量为:
Q3'Q32885/3101.40108kJ
相应的高峰冷冻介质循环量为:
M3Q3/Ct2t1292604.188875kg/h
3.6.5 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:
QtQ1Q2Q32.03107376111.11292602.07107kJ/h
3.6.6 非工艺耗冷量
3.6.6.1 露天锥形罐冷量散失
根据经验,年产3×104t啤酒厂露天锥形罐的耗冷量在13000-30000kJ/t,取最高值。故旺季生产每天耗冷量为:
Q4'Gb300004629641035/3300009259200kJ/d
式中 Gb——旺季成品啤酒日产量(t)
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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:
Q42Q4'/24771600kJ/h
冷媒(-8℃稀酒精)用量:
M4Q4/Cmt2t1771600/4.18823074.16kg/h
3.6.6.2 散失冷量
散失冷量,取Q5=12%Qt,所以:
Q512%Qt12%2.071072.48106kJ/h
冷媒(-8℃稀酒精)用量:
M5Q5/Cmt2t174162.68kg/h
3.6.6.3 非工艺耗冷量
QntQ4Q57716002.481063.25106kJ/h
3.6.7 发酵车间冷量衡算表
将上述结果,整理后可得5×104t啤酒厂发酵车间冷量衡算表,如3-4所示
表3-4 啤酒厂发酵车间冷量衡算表
耗冷 分类
每小时耗冷量
耗冷项目
冷媒用量
每罐耗冷
kJ/h
2.03107
kg/h
65627.83 11247.34 875 23074.16
kJ
6.09107 1.77107
工 艺 耗 冷 量 非 工 艺 耗 冷 量 合计
麦汁冷却Q1 发酵耗冷Q2 酵母培养Q3 工艺总耗冷Qt 锥形罐冷损Q4
376111.11 29260 2.07107
645161 7.92107
771600 9259200
管道等冷损Q5 非工艺总耗冷Qnt
总耗冷Q
2.48106 3.25106 2.39107
74162.68
6.44106 1.57107
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齐齐哈尔大学毕业设计(论文)
第4章 啤酒生产主要设备的选型与论证
4.1 主要设备的选型与计算
4.1.1 薄板冷却器尺寸计算
薄板冷却器采用一段式冷却的方式,设麦汁进回旋沉淀槽后的温度为95℃,冰水的温度为4℃。麦汁95℃-8℃,冰水4℃-8℃。
t115℃,t24℃
QG3.6995817053303.01kg
tt1t2/lnt1/t2 (4-6) FQ/Kt (4-7) 17053303.01/35538.32 576.89m3 K=3553kJ/(m2∙h∙℃),K为850×4.18-2850×4.18。
选用型号为RB0.9的薄板冷却器,按人字型波纹,单台换热器的换热面积大。
4.1.2 清酒罐尺寸计算
考虑到清酒罐需保存,一发酵罐入三个清酒罐,一天两发酵罐酒进6个清酒罐。备用3个,共需9个。3锅进一个发酵罐,则:
V发47.4773142.431m3
清酒罐容积142.431/347.477m3,填充系数0.9,则:
V总V有效/47.477/0.952.75m3
设清酒罐直径为D,高为2D,圆形封头高D/4,则:
V总D/22D52.75m3
2求出D=3.23m,H=2D=6.46m。
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齐齐哈尔大学毕业设计(论文)
4.2 附属设备设计与选型
4.2.1 啤酒过滤设备
由于糖化一次成品酒46296kg=46.296t,每天糖化四次,则每次出酒量为46.296×4=185.184t,选用水平式叶片过滤机,型号为JZL120,最大过滤能力为20t/h。
4.2.2 酵母的扩培设备
采用分级培养系统,一个麦汁杀菌管,一级,二级,三级扩培罐组成。 本设计取酵母接种细胞浓度18×106个/ml,每一级细胞培养后的浓度为75×106个/ml,各级扩大比例为1:5.
则三级扩培:V3=18×106/(75×106)×72=18m3 二级扩培:V2=18/5=3.6m3 一级扩培:V1=3.6/5=0.72m3
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第5章 发酵罐的设计与论证
5.1 发酵罐数量的计算
Ntn/A3 (5-1)发酵罐的个数为:
式中 t——发酵周期
n——每天糖化次数(按旺季计算) A——每个发酵罐可以容纳的麦汁的批次数 3——周转量数 则有N174/3326个
5.2 发酵罐的设计与论证
5.2.1 锥角的选择
一般锥角采用70-75°适宜,这个锥角范围内沉降酵母在锥底所占的比表面积小,有利于酵母的沉降和排放。本次设计选取的锥角为74°。
5.2.2 冷却方式的确定
本设计发酵罐采用液氨直接冷却。一般采用-4℃直接送到锥形罐的冷却夹套中,对锥形罐进行冷却。液氨直接冷却装置采用弧形管式夹套。
5.2.3 罐的保温材料的选择
本设计选用聚酰胺树脂,外防护层采用瓦楞型板。由于发酵罐的放置在室外,只有锥底部分在室内,露天的椎体要做好保温的措施。聚酰胺树脂可现场喷涂发泡,施工方便,价格中等,而且导热系数低。
5.2.4 罐的材料的选择
设计采用的材料为不锈钢。啤酒发酵时产生的H2S、SO2对铁材料会造成氧化还原腐蚀。同时,啤酒是酸性的饮料,容易造成铁的电化学腐蚀,由于不锈钢的表面能形成铬含量高、化学性质稳定的氧化层,所以,不锈钢能够抗腐蚀。选择不锈钢作为发酵罐的材料,耐腐蚀而且导热系数小,有利于罐的保温。
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齐齐哈尔大学毕业设计(论文)
5.2.5 径高比
罐高度与直径比例一般为1.5-6.1。本设计采用5:1。
5.2.6 罐主要附件
在发酵罐顶部应用安全阀,CIP执行机构应装在液面上150mm,还应装视镜、灯镜、空气和二氧化碳排出等装置。三段冷却介质进出口位置下装智能型铂温度传感器,在圆筒下部装可清洗取样阀。温度传感器和取样管均需深入罐中300mm,同时,还装有出酒管,管的上口应在沉淀酵母层上不,避免大量酵母泥混入酒内,造成滤酒困难。
糖化一次发酵液的量为48199L,三锅进一个发酵罐,则发酵罐的容积为:
481993144597L144.6m3145m3 设填充系数为0.9,则:
V总V有效/145/0.9162m3
取径高比为D:H1:5,锥角为74℃,hDtg37/2,则
V总D/25D1/3D/2tg37D/2162m3 (5-2)
22解得D=3.43m,H=5D=5×3.43=17.15m,h=3.43/2×0.75355405=1.29m。
5.3 发酵罐作为内压容器的强度计算
由于本次设计采用一罐法发酵工艺,查啤酒工业手册得,温度与压力的关系为:罐压(MPa)=温度(℃)×0.01=12×0.01=0.12MPa (5-3)
设计压力取最大工作压力的1.1倍,则设计压力为:Pc=1.1×0.12=0.132MPa
5.4 椭圆封头的壁厚计算与强度计算
dP Di/20.5PC (5-4)c'CC1C2
式中 C1——钢板厚度偏差 C2——腐蚀余量 ϕ ——焊缝系数
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[σ]' ——设计温度下材料的许用应力
由材料OCr18Ni9查表得[σ]' =137MPa,ϕ=1,Pc=0.132MPa,Di=4000mm,则 d=0.132×4000/(2×137×1-0.5×0.132)=1.93mm
其中C1取0.3mm,C2取0mm,则: δd=d+C=1.93+0.3=2.23mm 圆整至3mm
标准椭圆型封头的厚度不小于0.15%Di,则: 0.15%Di=4000×0.15%=6.0mm>2.22mm,则δd=6mm
最大工作压力:P2'C/Di0.5C 2137160.3/40000.560.3 0.39MPa0.132MPa(设计压力)
应力校核:PDiC/2C 0.39400060.3/260.31 136MPa137MPa'
则选择6mm符合要求。
5.5 筒体壁厚计算与强度计算
每次进入发酵罐的发酵液为145m3,则锥底的体积:
V3底1/33.43/2/tg377.01m38m3
则筒体内发酵液体的高度为:
1458/3.43/23.43/214.83m
Pgh10459.814.830.15MPa
则筒体设计压力P1.10.150.1320.31MPa 则PDi/2'P 0.314000/21370.31 4.53mm
钢板厚度负偏差C1=0.3mm,腐蚀余量C2=0mm
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5-5)5-6) ( ( 齐齐哈尔大学毕业设计(论文)
设计厚度δd=δ+C1+C2=4.53+0.3+0=4.83mm 圆整至5mm 最大工作压力:P2'C/Di0.5C
2137150.3/40000.550.3 0.322MPa0.31MPa(设计压力) 应力校核:PDiC/2C
0.31400050.3/250.31 132MPa137MPa
'则选择5mm符合要求。
5.6 锥形封头壁厚计算与强度计算
锥底高度h=1.29m,则锥底的最大液柱高为7.74m, P静=ρgh=1045×9.8/7.74=0.1MPa 设计压力P=1.1×(0.1+0.132)=0.255MPa
当a≥30°,往往采用带折边的锥形封头,标准折边锥形封头r=0.15Di,由于本次设计为a=37°>30°,采用带折边的锥形封头。形状系数K由常用压力容器手册查得K=0.7338。
过渡部分:KPDi/2'0.5P (5-7) 0.73380.2554000/21370.50.255 2.73mm
查常用压力容器手册得C1=0.3mm,C2=0mm δd=δ+C1+C2=2.73+0.3+0=3.03mm 圆整至4mm
锥底部分:fPDi/2'0.5P (5-8) 0.5891440000.255/213710.50.255 2.19mm 查表得C1=0.3mm,C2=0mm
δd=δ+C1+C2=2.19+0.3+0=2.49mm 圆整至3mm 锥体厚度应取两者最大值,即4mm。
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5.7 强度校核
5.7.1 压力试验
Pt1.25PS/S (5-9)
t 式中 Pt——试验压力 P——设计压力
[S]——容器材料在试验温度下许用应力MPa [S]t——容器材料在试验温度下许用应力MPa
取容器铭牌上规定的最大工作压力,允许最大工作压力取代设计压力,[S]/[S]t取最小的132/137=0.9635。
Pt1.250.310.96350.37MPa
5.7.2 应力校核
tDTDie/2e t0.9s才符合要求 s137MPa e6mm
不计液柱静压力
tDTDie/2e0.3740006/26123.3MPa 液压试验容器符合要求。
5.7.3 刚度校核
设计中采用的材料为不锈钢,最小厚度δmin=2mm。设计中椭圆封头厚度、筒体厚度、锥形封头厚度均大于2mm,因此符合要求。
5.8 冷却面积的计算
对于单酿C.C.T发酵,二次冷媒蒸发冷却F/V=0.35-0.40 本设计使用酒精冷媒,取F/V=0.4 总传热面积:F总=0.4×145=58m2 锥底传热面积:F底=0.4×8=3.2m2 锥体的传热面积:F体=58-3.2=54.8m2
5.9 部分附件设计选型
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5.9.1 人孔
开人孔的目的是便于大罐的维修,在上下封头应该各开一个,上封头人孔选用回旋盖人孔AIIPg2.5Dg600JB1207-73,其外径800mm内径500mm,则:
S补=d×Sn/(D2-D1)=16.34mm
故取补强圈厚度为18mm,重234kg,锥底人孔选用法兰Pg6Dg500,JB581-64.
5.9.2 视镜
因为视镜要装在封头上,取视镜Dg150YHS4-80-78-5,重17.8kg。补强圈Gg500,JB120-73,S补=150×10/(300-163)=10.95mm,故取12mm,重4.69kg。
5.9.3 洗涤液接管
钢管:Dg80YB804-70(无缝耐酸) 法兰:Pg6Dg100HG5010-58。
5.9.4 CO2回收压缩空气管
钢管:Dg80YB804-70(无缝耐酸) 法兰:Pg6Dg100HG5010-58。
5.9.5 冷却剂进出管
钢管:Dg80 HG5010-70(无缝耐酸) 法兰:Pg6Dg80HG5010-58。
5.9.6 出酒管
钢管:Dg100YB231-70(无缝耐酸) 法兰:Pg6Dg100HG5010-58。
5.9.7 支座
支座的选择要根据罐的重量以及支座来进行 罐的重量=表面积×厚度×密度
=(8.15×4+3.14×3.43×17.15×5+17.9×6)×7.9 =8402.00kg
酒的重量=145×1.045×1000=151525kg 总重=151525+8402.00=159927.00kg 159927.00×9.8=1567284.6N
选JB/T4725-92,耳座B8,长臂,带垫板,允许载荷250N,一共8个。
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第6章 啤酒厂三废处理
6.1 废水
6.1.1 废水来源
啤酒生产过程中,除了直接进入啤酒及其副产物或被蒸发外,其余每一滴水都进入废水中。主要包括(1)酿造过程废水:麦汁制造过程废水、发酵过程废水、贮酒过程废水、滤酒过程废水等;(2)灌装过程废水:洗瓶废水、杀菌机溢流水等;(3)生活污水。啤酒厂排出的废水中吸收或溶解了很多物质,其中主要含有下列物质:残余啤酒和麦汁;洗糟水;含凝固物的废水;含酵母的废水;CIP清洗废水;CIP清洗用废碱;CIP清洗用酸;回收酒瓶和酒桶中的残酒;含硅藻土的废水。这些物质使废水污染强度越来越高,处理这些废水需要大量的处理设备和处理费用。为了节约,急需采取降低废水污染量的措施,即阻留措施和回收利用[13]。
6.1.2 废水处理
废水含有很多能被微生物分解的物质。但微生物分解时需要氧气。因此人们可以往水中通入空气来进一步处理净化废水。在此过程中会形成混有需氧微生物的淤泥,这种方法称为水的有氧处理。由于空气不能自己进入水中,所以通风时要消耗能源。
如果不通风,废水则被腐烂细菌慢慢分解。这时通过水解作用首先会产生有机酸,然后通过甲烷化产生沼气。这种方法称作水的厌氧处理。与有氧处理相比,废水污染分解较低、剩余淤泥量少[14]。 6.1.2.1 废水排放标准
我国1974年颁布GBJ4-73,工业废水排放标准的第三章第12条规定:麦芽与啤酒厂的废水属二类废水,其长远影响小于第一类有害物质,工厂排放水质符合14项细则,其中,对啤酒工业有限制性的仅前面四项:pH:6~9;SS:500mg/L;BOD(20℃,5d):60mg/L;COD(Cr法):100mg/L。 6.1.2.1 废水处理方式
废水收集和废水预处理:废水收集可以平衡废水流量,对废水组成和浓度进行稀释和调节,废水的预处理与下一步生化处理有着密切关系,通过对废水pH的调节和营养物质的添加,使微生物能有效的繁殖与消耗有机物质降低废水的BOD值。固形物的去除:啤酒废水中往往含有不少固形物,这些固形物具有相应的BOD值,悬浮固形物的去除可采用初级沉淀或气浮池,通过充气、鼓泡,利用这些悬浮物的表面活
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性,不仅可以形成泡沫浮渣,而且可以相互凝聚、沉降。生化处理:利用耗氧空气细菌的繁殖,消耗有机营养物。 6.1.2.2 废水有氧处理设备
废水的有氧处理设备很多,可以分为三类:活化池或沟:这里指的是长度可超过50cm,水位超过的大池,使用通风设备往里面的废水添加氧气,同时保证废水的均匀性,避免淤泥沉淀;专用反应器:在这一设备中废水被强力通风,产生淤泥通过一个特殊装置排出;带有固定生物淤泥的反应器:在这种反应器中淤泥不断同废水接触,同时有氧气通入。
6.2 酵母
啤酒废酵母是啤酒工业的副产物,是在啤酒生产过程中经主发酵和后发酵酿造工艺后产生的,啤酒废酵母的营养成分十分丰富。
6.2.1 废酵母在饲料工业中的应用
大量使用过的酵母称为废酵母,属于耗氧量巨大的生物。因此酵母绝对不能进入废水中,否则会很快变成腐烂物。最好的办法就是蛋白质和维生素含量丰富的酵母作为饲料出售。但为了能够保存,必须立即蒸一下,否则会在胃里发酵,造成胃绞痛。此外,这些酵母很快会自溶,并产生不舒服的气体。作为饲料使用时,对酵母进行干燥处理并作为混合饲料添加。
6.2.2 废酵母在食品工业中的应用
废酵母可以生产营养酱油;酵母抽提物的制备(天然调味素);生产食品添加剂。啤酒废酵母的综合开发利用的途径还有很多。与制备饲料相比,啤酒酵母制作食品,工业要求比较严格,但此类工艺收益较大,而且有着极其广泛的应用前景[15]。
6.2.3 废酵母在制药工业中的应用
(1)利用废酵母制取核酸、核苷酸、核苷类药物。 (2)利用废酵母制取果糖二磷酸钠。
(3)利用废酵母制取谷胱甘肽的其他生化药物。
6.3 凝固物
凝固物以堆状出现在回旋沉淀槽中,少数来自分离器或沉淀槽。不管哪种情况,
凝固物中含有可回收的麦汁。将浑浊麦汁泵入过滤槽用于洗糟以便回收麦汁。同时更
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有效的利用这些能为牧畜提供丰富的蛋白质营养物质的凝固物。也可直接添加到槽中作为饲料出售。
6.4 烟的危害
总的来说,使用燃烧设备时,可以选择适当的燃料来保障烟气中含量不超过规定的污染界限值[16],可采取以下措施:
(1)在小型固定柴油发电机中使用涡流式发动机。
(2)在较大的柴油发电机中安装三道催化器,四冲程发动机也是如此。 (3)柴油发电机上应安装一个烟过滤器。
6.5 玻璃碎片
酒厂中的玻璃碎片量最大程度上取决于玻璃材料的质量。估计中等质量的玻璃材料的破损率为0.5%,即每产生10000mL成品啤酒,每年会产生3.5t的玻璃碎片。如玻璃材料的破损率为1.5%,这一数值则会提高到11t。玻璃碎片被分类收集起来并定期进行回收处理,通常情况下被用于玻璃瓶的再生产。
6.6 声音危害
啤酒厂中声音危害主要存在在灌装车间、空气压缩机和制冷机附近、蒸汽冷凝器附近、二次蒸汽压缩机附近等。
减轻噪声危害可以采取选择适当的保温材料、安装消音天花板、带上防护耳塞等措施。
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结 论
在这近三个月的时间里,我认真地撰写大学里的最后一件事情也就是毕业设计,在指导老师的精心指导和同学们的耐心帮助下,我终于完成了年产5万吨12°经典啤酒厂发酵车间(发酵罐)的设计。本次设计的重点设备是发酵罐,对发酵罐的数量、锥角、直径与高度、壁厚与强度、附件等进行了设计、计算与论证,并绘制了详细的发酵车间流程图,发酵车间的平面图和立面图及重点设备的装配图(发酵罐),重点工段是发酵工段,对发酵工艺、贮酒工艺、过滤工艺进行了工艺论证。最后讨论工厂三废的处理。本次设计采用圆筒锥底发酵罐,发酵方法采用“两罐发酵法”,低温发酵、高温后熟工艺,其优点在于形成的发酵副产物不是特别多,而且这些发酵副产物又可在高温后熟时得到良好的分解。过滤采用硅藻土过滤,具有结构简单、性能稳定、维护费用低,使用寿命长;过滤效率高,过滤迅速方便;过滤精度高,可达到很高的澄清度等特点。在本次设计中,我查阅了大量的专业书记和文献,全面回顾和梳理了大学四年所学习的知识,使所学习的理论知识与实际结合起来,更加融会贯通,锻炼了我的创新能力。但在本次设计中还存在很多的不足之处,希望老师多多指教,让我得到更大的进步。
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参考文献
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附 录
啤酒生产设备一览表I
设备名称 大米粉碎机 麦芽粉碎机 水箱 酒泥槽 糖化锅 糊化锅 煮沸锅 回旋沉淀槽 过滤槽 麦汁缓冲罐 斗式提升机 麦糟槽 缓冲罐 充氧缓冲罐 无菌水罐 双氧水罐 清水罐 碱罐
规格(mm) 1800×1800×2500 2000×2000×2000 3000×3000×2800 Ф2000×3000 Ф4540×2270 Ф3400×1700 Ф4770×2390 Ф5450×2730 Ф5100×2550 Ф3500×5040 1000×1000×23000 Ф1500×3000 Ф2000×2500 F-219-1450 Ф2000×31000 Ф2400×3100 Ф2000×3100 Ф2400×3100
材料 A3 A3 Q253-A Q253-A Q253-A Q253-A Q253-A Q253-A Q253-A Q253-A A3 Q253-A Q253-A OGr18Ni9 Q253-A Q253-A Q253-A Q253-A
数量 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1
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啤酒生产设备一览表II
设备名称 热水罐 麦汁灭菌罐 一级扩培罐 二级扩培罐 三级扩培罐 发酵罐 硅藻土助滤器 清酒罐 酵母泥贮罐 酵母泥洗涤罐 干燥机 粉碎机 贮仓 CO2贮罐 冷却器 空气压缩机 活性炭过滤器 无菌罐 薄板换热器
规格(mm) Ф2000×3100 Ф800×1200 Ф720×120 Ф3600×900 Ф18000×4500 Ф3430×17150 Ф1000×2500 Ф=3230×6460 V=14m3 V=14m3 JF25001 JG3301 V=40m3 V=20m3 6AW-17 2E 1/8 S=60m3 Ф=2000×3000 BR4J-S-110
材料 Q253-A Q253-A OGr18Ni9 OGr18Ni9 OGr18Ni9 OGr18Ni9 Q253-A OGr18Ni9 Q253-A Q253-A Q253-A Q253-A Q253-A OGr18Ni9 OGr18Ni9 OGr18Ni9 Q253-A OGr18Ni9 Q253-A
数量 2 1 1 1 1 26 1 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
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致 谢
通过本次毕业设计,我对啤酒工厂的工艺原理与流程有了更好深刻的认识。能够完成本次设计,我非常感谢田英华老师的帮助,因为从查阅资料到设计提纲的确定,工艺流程的确定以及中期设计的修改等各个环节中都得到指导老师的耐心指导,也让我学会了严谨的科学态度。从课题的选择到设计的最终完成,田老师都对我的设计提出了宝贵的意见,帮助我解决了很多设计中的问题。为此对老师表示衷心的感谢,因为你的不辞辛苦,使我能够圆满的完成了大学最后也是最重要的毕业设计。另外,我要感谢整个毕业设计期间风雨兼程的我的同学们,感谢你们对我慷慨的帮助。在此,我再一次真诚的感谢帮助过我的各位老师和同学们。
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