年产4万吨12°P啤酒发酵车间的工艺设计详细方案

摘 要本设计是年产4万吨12P啤酒发酵车间的工艺设计。此啤酒的酿造方法采用采用下面发酵法，原料选取70%的麦芽，30%的大米，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,体积为87m3，发酵周期为21天。本设计内容主要包括：（1）参照大量的文献，设计出经济合理的12P啤酒生产工艺路线。（2）按照年生产能力40000 吨，对工艺流程进行优化，包括发酵的过程控制、啤酒的过滤和其它各工序工艺参数的优化选择。（3）进行物料、水、热、蒸汽的衡算。（4）对发酵过程中主要设备啤酒发酵罐进行工艺计算，并由计算结果选定设备型号。（5）根据设计的工艺流程，对主要设备及相关管道进行布置，并作出相应图纸，包括发酵车间的工艺流程图，重点车间的平面图和重点设备发酵罐的装配图。（6）“三废”处理和副产物综合利用的设计。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，采用此设计流程年产量最大可达4万吨，符合生产设计任务要求。关键词： 啤酒； 糖化； 发酵； 发酵罐2武汉科技大学本科毕业设计AbstractThis design subject is annual output 40,000 tons, 12P brewery.This beer picks 70% malt, 30% rice, the raw material processed the dextrinize, saccharification, filters, boils, cooling, and one set fermentation process.The fermentation equipment is the bottom of the cone and cylinder body fermenter, the fermentation cycle is 21 days.This design mainly includes, the calculation of mass balance, coldly consumption balance, and the equipment selection as well as the key equipment computation.This design also conducted the “three wastes” - product processing and comprehensive utilization.The bottom fermentation was adopted. The drawing of this design include the flow chart of the fermentation workshops, the ichnography and elevation drawing of major workshop, the assembly drawing of major equipment(mash kettle，rice-cooker，wort kettle， fermentor).The key points of technical，fermentation and beer filtration were studied in this paper.The keyequipment manufactured by some advanced international companies was used，So it is helpful to improve the beer quality and reduce the manufacture costThe effluent treatment and CO2 recovery plan of this brewery were formulated in the design.Key words： Beer; Saccharification; Fermentation; FermentorVI目 录1 绪论11.1 设计选题的目的11.2 设计工作的意义11.3 中国啤酒产业的发展趋势11.4 课题研究内容及方法21.4.1 设计依据21.4.2 设计内容21.4.3 指导思想21.5 厂址的选择31.6 工艺选择31.7 设备的选择32 啤酒工艺选择与论证42.1 啤酒原料42.1.1 酿造用水42.1.2 麦芽42.1.3 酒花42.1.4 辅料42.1.5 酵母52.2 原料处理工艺52.3 麦汁后处理72.3.1 热凝固物及冷凝固物的分离72.3.2 麦汁的冷却82.3.3 麦汁的充氧82.4 啤酒发酵82.4.1 啤酒发酵方法的选择82.4.2 一罐法发酵工艺的论证82.4.3 酵母的添加与回收92.4.4 发酵设备的降温控制92.5 啤酒过滤102.5.1 啤酒过滤理论102.5.2 啤酒过滤方式的选择与论证102.6 啤酒的包装103 物料衡算123.1 以100kg原料为基准123.2 以100L啤酒为基准134 耗冷量的计算174.1 麦汁冷却耗冷量Q1174.2 发酵耗冷量Q2174.2.1 发酵期间发酵放热Q2174.2.2 发酵后期发酵液降温耗冷Q2174.2.3 发酵总耗冷量Q2184.2.4 每酵所用冷媒耗冷量Q0184.3 酵母培养耗冷量Q3184.4 酵母洗涤用的冷无菌水冷却耗冷量Q4184.5 发酵车间工艺耗冷量Qt184.6 非工艺耗冷量Qnt194.6.1 露天锥形罐冷量散失194.6.2 散失冷量Q6195 发酵罐的设计205.1 发酵罐数量的确定205.2 发酵罐的基本尺寸205.2.1 容积205.2.2 发酵罐的直径205.2.3 发酵罐总高215.3 发酵罐的材料215.4 椭圆封头的设计215.4.1 设计参数的确定215.4.2 椭圆封头厚度的计算225.4.3 椭圆封头强度校核235.5 圆柱筒体的设计235.5.1 筒体厚度的计算235.5.2 筒体强度校核245.6 锥形封头的设计245.6.1 锥形封头厚度的计算245.6.2 锥形封头的强度校核255.6.3 封头的刚度校核255.7 部分附件设计选型265.7.1 真空阀265.7.2 CIP清洗装置265.7.3 温度传感器265.7.4 液位高度传感器275.7.5 压力传感器275.7.6 人孔275.7.7 视镜275.7.8 麦汁、酵母及出酒管管径的确定275.7.9 洗涤液接管285.7.10 冷却剂进出接管285.7.11 CO2回收压缩空气接管285.7.12 冷却面积及冷却盘管的设计285.7.13 支座305.8 开孔与补强的设计305.8.1 开孔与补强理论305.8.2 开孔削弱的截面积A的计算305.8.3 有效补强范围的确定315.8.4 标准补强圈的选用326 辅助设备选型与论证336.1 薄板换热器336.2 清酒罐336.3 硅藻土过滤机336.4 酵母扩培系统346.5 酵母回收系统346.6 麦汁充氧系统356.7 CIP系统357 啤酒的三废处理367.1 废水的处理367.2 废渣处理367.2.1 废酵母的处理367.2.2 硅藻土泥的处理377.2.3 麦糟的处理377.3 废气处理37结 论39参考文献40附 录41致 谢421 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。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武汉科技大学化学工程与技术学院生物工程教研室布置的毕业设计大纲要求来进行设计的。1.4.2 设计内容本设计为年产4万吨12P的啤酒发酵车间工艺设计，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（发酵工艺流程图、发酵车间平面布置图、重点设备装配图），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、管理方便、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。武汉市走马岭就是一个建厂好场所。1.6 工艺选择1.保证产品质量符合国家的标准。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。2 啤酒工艺选择与论证2.1 啤酒原料2.1.1 酿造用水水是啤酒酿造最重要的原料，酿造水1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。大米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，本设计采用大米作为辅料，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。本设计采用下面酵母酵母ZAU110。2.2 原料处理工艺将麦芽中非溶性物质转化为水溶性物质，特别是可发酵性糖为主酵和后酵提供基础并添加好所有辅料准备发酵。糖化车间所包含的生产工艺流程2： a、称重麦芽原料从麦芽储仓通过传送带传送到电子称，通过电子称称取一定量的麦芽进行后续加工。b、抛光将麦芽送入抛光机进行抛光处理，以除去麦芽表面的芒刺。c、精选去石将抛光后的麦芽送入去石机，比重的不同除去大米和麦芽中的石块、玻璃块和金属等比重较大的杂质。d、麦芽粉碎粉碎麦芽要求麦芽的皮破而不碎，因为麦皮的皮壳内含有对酒质量不利的苦味物质、色素、单宁，当皮壳磨得太碎时就会大量浸出，而使啤酒色泽变深，口味不正。另外麦芽的皮壳在麦汁中过滤时构成过滤层，磨得太碎，会降低过滤效果，造成过滤困难。e、糖化糊化对于大米淀粉原料而言，不需要经过前面的原料预处理过程，而是直接将其送入糊化锅糊化后，再将糊化锅醪液送入糖化锅。辅料中的淀粉一般由细胞壁包围，以颗粒状存在。这种颗粒不溶于冷水中，也很难被麦芽中的淀粉酶分解，当淀粉颗粒经过加热，迅速吸水膨胀，当升到一定温度后，淀粉细胞壁破裂，淀粉进入水中，淀粉继续膨胀，形成凝胶物，此过程称为“糊化”。简言之，糊化就是淀粉分子在热溶液中膨胀破裂的过程。糖化是指利用麦芽自身酶或外加酶制剂代替部分麦芽将麦芽和辅料中不溶性高分子物质分解成可溶性低分子物质，如糖类、糊精、氨基酸、肽类等的麦汁制过程。由此制得的溶液称为麦汁。糖化的第一步是在糖化锅中加入一定量的水，升温至37并保持20min；然后加入粉碎后的麦芽并搅拌；再将温度升高至50并保持40min；然后将糊化锅醪液加入，将混合液升高至65，并保持70min。最后将糖化液排出并送入过滤槽进行过滤。这一糖化过程称双醪浸出糖化法，双醪浸出糖化法糖化曲线见图2.1。图 2.1f、过滤麦汁过滤最常用的是过滤槽法。过滤槽的槽身内安装有过滤筛板、耕刀等，槽身与若干管道、阀门以及泵组成可循环的过滤系统，利用液柱静压为动力进行过滤。麦汁的粘度和过滤层的厚度影响过滤速度。g、煮沸将过滤后的麦汁送入煮沸锅进行煮沸，煮沸麦汁有多个目的 ：蒸发多余的水分；破坏酶的活性，终止生物化学反应，固定麦汁组成；将麦汁灭菌；浸出酒花中的有效成分；使蛋白质变性凝固等。h、回旋沉淀发酵前必须除掉热凝固物。热凝固物主要是蛋白质与多酚物质的复合物，另外吸附一些酒花树脂和无机物，若带入发酵醪中，可能会黏附在酵母细胞表面，将影响酵母的正常发酵，影响啤酒色度、泡沫性质、苦味和口感稳定性。这些热凝固物是通过回旋沉淀槽除去，其主要是利用离心力分离沉淀。i、冷却将从回旋冷却槽出来的热的麦汁送入薄板冷却器进行冷却，冷却后的麦汁送入发酵车间进行发酵处理。冷却的目的有三个，一是降低麦汁温度，使之达到适合酵母发酵的温度；二是使麦汁吸收一定量的氧气，以利于酵母的生长增殖；再就是析出分离麦汁中的冷、热凝固物，改善发酵条件提高啤酒质量。2.3 麦汁后处理2.3.1 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。漩涡沉淀槽是立式柱形槽，麦汁沿切线方向泵入，形成旋转流动，并使热凝固物以锥丘状沉降于槽底中央，清亮麦汁从侧面麦汁出口排出。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。2.3.2 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。麦汁冷却有一段式和两段式两种冷却方式，本设计采用一段式冷却方式。即先采用氨直冷方式将酿造用水冷却至3-4，然后与热麦汁在板式换热器内进行一次性热交换，在麦汁冷却至发酵温度同时，冷水则被加热至75-80，此水可以直接作为洗糟水使用。2.3.3 麦汁的充氧发酵需要大量的酵母，而酵母繁殖需要氧气，以利于酵母增殖并同时进入发酵阶段。为使空气溶解至冷麦汁中，必须通入很细小的空气泡，并以涡流形式与麦汁进行混合3。冷却和输送麦汁的管道，在进麦汁之前都会先热酸洗，热碱洗，高温热水冲洗共30分钟，在用无菌水降温后开始进麦汁。2.4 啤酒发酵2.4.1 啤酒发酵方法的选择根据传统生产方法，啤酒发酵过程分主发酵和后发酵两个阶段，（又可分为上面发酵和下面发酵，下面发酵生产的啤酒柔和、色淡，本设计采用下面发酵方法），酵母繁殖和大部分可发酵性糖类的代谢以及发酵产物的形成，均在主发酵阶段完成，后发酵是前发酵的延续，必须在密闭的容器中进行，残唐进一步进行分解，形成二氧化碳，并充分溶于啤酒中，达到饱和，啤酒在低温下陈贮，进一步得到成熟后澄清。2.4.2 一罐法发酵工艺的论证一罐法发酵由于操作简单，温度，压力和风味可以很方便的进行自动控制，回收酵母液比较方便，而且一罐法生产啤酒可以省去两罐法的倒灌操作，较少了接触空气的机会，清洗消耗少，酒损失低。缺点是：由于酒液对流强烈，许多本应分离的杂质不能排出去而溶于酒中。本设计采用一罐法高温发酵工艺进行发酵。高温发酵工艺与低温发酵工艺相比，可在质量不变的前提下提高设备利用率，生产周期也明显缩短，生产成本大大降低。工艺方法如下：热麦汁经回旋沉淀槽除去冷凝固物和粉碎酒花渣后，以薄板冷却器冷至8，在以硅藻土过滤除去冷凝固物，并充无菌空气使溶氧达到7-8mg/L,原麦汁浓度为12P，添加0.6%-0.8%的泥状酵母。麦汁在发酵罐内8-9保持36h，进行酵母增殖，而后使温度升至（100.5），进入主发酵。经过大约两天的发酵后，外观发酵度降至6P时，使罐压升至0.04-0.05Mpa，并逐步自然升温至12，继续发酵并还原双乙酰。约在满罐后的第5天，外观发酵度降至最低点（2.8-3.0P）；满罐后大约9-11天，双乙酰的含量可降至0.1mg/L以下。这时可缓慢降温，直至0，进行后熟及饱和二氧化碳，时间为4-5天。在降温至0的第2天，排放酵母并进行回收。滤酒前一天在排一次酵母和冷凝固物。一罐法高温发酵工艺的总时间为19-21天。2.4.3 酵母的添加与回收在麦汁进行充氧同时添加酵母，为了使酵母均匀分布在发酵罐中，酵母应在整个麦汁流入过程中均匀添加，接种量一般为（1.5-1.8）107/mL麦汁，即约0.6-0.8L浓酵母泥/hL麦汁。种酵母要求：外观色泽洁白，凝聚性良好，无黏着现象，无杂质，无变异，镜检酵母细胞大小整齐，健壮，无杂菌感染，细胞活性97%以上，冷水低温保存时间不超过2天，使用代数不超过5代。沉降于发酵罐底的酵母可以分为三类：上层为轻质酵母，主要由落下的泡盖和最后沉降下来的酵母细胞组成，可做饲料或经行其它综合利用。中层为核心酵母，由健壮、发酵力强的酵母细胞组成，其量占65%-70%,可留作下批种酵母用。下层为弱细胞或死细胞，由最初沉降下来的颗粒组成，可作饲料或弃置不用。2.4.4 发酵设备的降温控制本设计采用的发酵设备为应用极为广泛的露天锥形发酵罐，酵母在发酵过程中会产生热量，为使发酵和后熟在设计的工艺温度下进行，必须进行冷却。常用的冷却方式有两种：间接冷却法和直接冷却法，由于直接冷却的冷却介质是液氨，即液氨直接在锥形罐的冷却夹套中蒸发并吸热，在实际生产中需要注意一下几个方面：一是液氨具有刺激性臭味，在一定条件下可燃可爆，二是液氨工作压力较高，且渗透性很强，因而发酵罐的夹套焊接要求也较高，故本设计采用间接冷却方式。间接冷却方式其冷溶剂是乙二醇与水的混合溶液，它在氨制冷的蒸发器箱中进行冷却，温度一般控制在-4左右，它主要用于麦汁冷却和发酵罐的降温，一般情况下，发酵罐冷却系统有两种介质循环，即液氨吸热蒸发制冷循环系统和冷却发酵罐酒液的酒精水循环系统。2.5 啤酒过滤2.5.1 啤酒过滤理论经过发酵或后处理的成熟啤酒，其残余酵母和蛋白质凝固物等沉积于贮酒罐底部，少量仍悬浮于酒液中，这些物质在以后的贮存期间会从啤酒中析出，导致啤酒浑浊。所以，必须经过过滤工序将其除去。啤酒过滤式一种物理分离过程，是啤酒生产过程中非常重要的生产工序。经过过滤后，啤酒外观清亮透明，富有光泽，使其更富有吸引力，同时，可赋予啤酒以良好的生物稳定性与非生物稳定性，使其至少在保质期内不出现外观的变化，从而保证了啤酒外观质量的完美。2.5.2 啤酒过滤方式的选择与论证对于啤酒过滤来说，现在使用较普遍的过滤设备主要有硅藻土过滤机、纸板过滤机和膜过滤机，硅藻土过滤机作为啤酒的粗滤，膜过滤主要用于生产纯生啤酒，由于发酵成熟的啤酒中含有大量的酵母，酒液十分浑浊。所以，一般先要进行粗虑，然后再进行精滤。本设计为12经典啤酒，啤酒的粗虑采用硅藻土过滤机，啤酒的精滤采用纸板过滤机。由于烛式过滤机具有过滤面积大，过滤效率高等特点，本设计采用烛式硅藻土过滤机。2.6 啤酒的包装啤酒的包装形式有瓶装、易拉罐装和桶装三种形式，本设计生产的主要是瓶装啤酒。一瓶啤酒质量的好坏，对消费者来说，首先看到的是这瓶啤酒的包装。产品包装既是产品的卖点，又是市场的亮点，新颖独特的包装设计往往最容易打动消费者的心。因此，啤酒企业不仅要生产合乎标准和品质上乘的产品，而且要有端庄美观的商标和包装，如此才能使其产品更具吸引力和竞争力，使其品牌更加深入人心。啤酒包装的基本功能有以下几点。（1）保护功能。包装应该保证产品的安全和清洁卫生，使其在储存、运输和销售过程中不致散失、损坏和变质，这是包装最基本的作用。（2）美化增值功能。美观大方的包装造型、生动形象的图案和新颖别致的装潢可以衬托产品形象，提高产品的附加价值。（3）促销功能。包装是“无声的推销员”，消费者通过包装可以了解产品，引起消费兴趣，激发购买动机，从而有利于扩大商品销售。3 物料衡算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。据表3.1的基础数据，首先进行100kg原料生产12P淡色啤酒的物料计算，然后进行100L 12P淡色啤酒的物料衡算，最后进行年产40000t啤酒厂的物料平衡计算。表3.1 啤酒生产基础数据项目名称百分比说明定额指标原料利用率98麦芽水分6大米水分12无水麦芽浸出率70无水大米浸出率90原料配比麦芽70大米30损失率冷却损失5发酵损失2对热麦汁而言过滤损失1装瓶损失1总损失率啤酒总损失率9对热麦汁而言3.1 以100kg原料为基准（1）热麦汁量根据表1可得原料收得率分别为：原料麦芽收得率为：0.70(100-6)100=65.8%原料大米收得率为：0.90(100-12)100=79.2%混合原料收得率为：（0.7065.8%+0.3079.2%）98%=68.4%由上述可得100kg混合原料可制得的12P热麦汁量为：（68.412）100=570.2(kg)又知12P麦汁在20时的密度为1.084kg/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： （570.21.084）1.04=547.05(L)（2）冷麦汁量547.05(1-0.05)=519.70(L)（3）发酵液量519.70(1-0.02)=509.30(L)（4）过滤酒量509.3(1-0.01)=504.21(L)（5）成品啤酒量504.21(1-0.01)=499.17(L)3.2 以100L啤酒为基准 根据上述衡算结果知，100kg混合原料可生产12P淡色啤酒约500L，故可得下述结果：（1）生产100L12P经典啤酒需耗混合原料量（100/500）100=20.03(kg)（2）麦芽耗用量20.0370%=14.02(kg)（3）大米耗用量20.0330%=6.01(kg)（4）酒花耗用100L热麦汁中加入的酒花量为0.2千克，故酒花耗用量为：（547.05/500）1000.2%=0.219(kg)同理，100kg原料耗酒花：500/1000.219=1.095kg（5）热麦汁量（547.05/500）100=109.41L（6）冷麦汁量（519.70/500）100=103.94L（7）发酵液量：（8）滤过酒量：（9）成品酒量：（10）湿糖化糟量：设排出的湿麦糟含水分80%，湿麦芽糟量为：湿大米糟量为： 故湿糖化糟量为：14.50+2.64=17.14kg，同理，100kg原料产生湿糖化糟：（11）湿酒花糟量：设酒花在麦汁中的浸出率为40%，酒花糟含水分以80%计，则酒花糟量为：同理，100kg原料产生湿酒花糟： kg（12）酵母量（以商品干酵母计）生产100L啤酒可得2kg湿酵母泥，其中一半作生产接种用，一半作商品酵母用，即为1kg。湿酵母泥含水分85%酵母含固形物量:则含水分7%的商品干酵母量为：（13）.二氧化碳量因12P冷麦汁密度为1.084kg/L，则103.94L冷麦汁质量为：所以,12P冷麦汁112.67kg中浸出物量为：12%112.67=13.52kg设麦汁的真正发酵度为80%，则可发酵的浸出物量为：13.52（1-0.05）80%=10.28kg麦芽糖发酵的化学反应式为： 设麦芽汁中的浸出物均为麦芽糖构成，则CO2生成量为：式中 44CO2分子量342麦芽糖（C12H22O11）分子量设12P啤酒含二氧化碳为0.35%，酒中含CO2量为：112.670.35%=0.39kg则释放出的CO2量为：5.29-0.39=4.9kg而1m3CO2在20常压下重1.832kg故释放出的CO2的体积为：设生产旺季为7个月共210天，每天糖化6次，而淡季4个月共120天，每天糖化4次，每年的工作日为330天，因此，每年总糖化次数：2106+1204=1740次,把前述的有关啤酒物料衡算计算结果整理见下表3.2：表3.2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kg10020.034394.42麦芽kg7014.023076.09大米kg306.011318.32酒花kg1.0950.21948.12热麦汁L547.05109.4124039.65冷麦汁L519.70103.9422837.77湿糖化糟Kg100.1517.144401.01湿酒花糟Kg3.2850.657144.36发酵液L509.30101.6822380.75过滤酒L504.21100.8422157.08成品啤酒L499.1710021935.6备注：12P啤酒的密度为1048kg/m ，实际年生产啤酒: 40000.053t4 耗冷量的计算4.1 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8。有前面的计算可知，每糖化一次得到的麦汁为24039.65L，相应的麦汁密度为1.0423kg/L.故热麦汁为:M=24039.651.0423=25056.71kg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/t=25056.713.53（97-8）/1=7872067kJ/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=78720673=23616201.74kJ/罐4.2 发酵耗冷量Q24.2.1 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80%，则1kg麦汁放热量为:613.612%80%=58.90kJ糖化一次得冷麦汁量:m=1.08422837.77=24756.14kg每锥形罐发酵放热量Q0=58.924756.143=4374409.94kJ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)=68350.16kJ/h4.2.2 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12缓降到0。每天单罐降温耗冷量为：Q0=3GC1(12-0)=325056.73.5312=3184205.44(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)=(23184205.44)/(244)=66337.61(kJ/h)4.2.3 发酵总耗冷量Q2Q2= Q2+ Q2=68350.16+66337.61=134687.77(kJ/h)4.2.4 每酵所用冷媒耗冷量Q0Q0= Q0+ Q0=4374409.94+3184205.44=7558615.38(kJ)4.3 酵母培养耗冷量Q3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56000（kJ/h），则对应的年冷耗量为：Q3= Q28811=177408000(kJ)4.4 酵母洗涤用的冷无菌水冷却耗冷量Q4设用2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：21935.630.16/100=105.29kg/罐无菌水用量： 105.292=210.58kg/罐则冷却无菌水耗冷量Q4=210.584.18(20-2)=15844.04kJ/罐又无菌水冷却操作在两小时内完成，故每小时耗冷：Q4=15844.04/2=7922.02kJ/h4.5 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=7872067+134687.77+56000+7922.02=8070676.79kJ/h4.6 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。4.6.1 露天锥形罐冷量散失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12000-25000kJ/t啤酒之间，本设计选18000kJ/t啤酒。则旺季每天耗冷量Q5=Gb18000=21935.61.048618000/10000=2482758.95(kJ/d)式中 Gb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1.5倍，则高峰耗冷量为：Q5=1.5Q5/24=155172.43(kJ/h)4.6.2 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%9523089.1=1142770.69(kJ/h)非工艺耗冷量Qnt=Q5+Q6=155172.43+1142770.69=1297943.12(kJ/h)5 发酵罐的设计5.1 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：N=(tn)/A+4 式中：t-发酵周期 N-每天糖化的次数（按旺季计算）A-每个发酵罐可以容纳的麦汁的批次数4-周转量数根据工艺，规定3锅麦汁进1个发酵罐，每天最大糖化次数为6次，啤酒生产周期为21天，则有N=（216）/3+4=46（个）5.2 发酵罐的基本尺寸5.2.1 容积糖化一次可得冷麦汁量为22837.77L，三锅进一个发酵罐，则有效容积V=22.8383=68.514m3，取填充系数为0.8，以便为泡沫提供预留空间，则总容积V总=68.514/0.8=85.6425 m3,取87m3。5.2.2 发酵罐的直径径高比一般以（1:3）-（1:4）为宜，此处取H:D=4:1，圆锥底角一般为70-75，这里选圆锥底角为74，则锥高：h=D/(2tan/2),又V总=，代入相关数据得D=3.0m,H=12.0m，h=2.0m5.2.3 发酵罐总高封头高取h0=D/4,故h0=3.0/4=0.75m,H总=H+h0+h=12.0 +0.75+2.0=14.75m5.3 发酵罐的材料锥形发酵罐置于露天环境，要进行良好的保温，以降低生产中的耗冷量，所用保温材料要求热导率低，密度小，吸水率低，不易燃烧。聚苯乙烯泡沫塑料式最佳绝缘材料，但价格较高，聚苯胺树脂价格较便宜，可现场发泡喷涂，施工方便，但易燃。两种材料的保温厚度为15-20cm，膨胀珍珠岩因易吸水，保温性能要差一些，但价格低廉，使用厚度为20-25cm为宜，结合本设计实际情况，综合考虑选价格中等的聚酰胺树脂作为保温材料。保温材料外部设防护层，采用瓦楞型板材，罐体采用型号为0Cr18Ni9的不锈钢。5.4 椭圆封头的设计常见的上封头有球冠形封头、半球形封头、蝶形封头、椭圆形封头，由于椭圆部分经线曲率平滑连续，故封头中盈利分布计较均匀，另外椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成形，故本设计采用椭圆形封头。5.4.1 设计参数的确定1设计压力P设计压力是指发酵罐顶部的最高工作压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。本设计发酵罐上装有安全阀，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力P不能低于安全阀的开启压力，通常设计压力为安全阀开启压力的1.05-1.1倍，本设计采用设计压力为安全阀开启压力的1.1倍。本设计采用一罐法发酵工艺发酵，在发酵过程中安全阀的最大开启压力为0.16Mpa。则设计压力P气=1.10.16=0.176MPa2设计温度设计温度是指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度，它用于确定材料的许用应力，本设计发酵罐最高的工作温度为16，为安全起见，考虑到发酵罐有保温和保冷措施，及一定的安全性。设计温度取18。3许用应力许用应力是容器壳体、封头等受压元件的材料允许的最高强度。本设计选用的材料为不锈钢0Cr18Ni9型号，查表知其许用应力为137Mpa。4焊接接头系数通过焊接制成的容器，其焊缝的强度比较薄弱，为了补偿焊接时可能出现的焊接缺陷对容器强度的影响，引入了焊接接头系数，它反映了由于焊接连接时材料强度的削弱程度，本设计采用焊接方式为双面焊接，全部无损探伤，故焊接系数为1。5厚度附加量按公式计算得到的容器厚度，不仅要满足强度和刚度要求，而且还要根据实际情况加入一定的厚度附加量C。C=C1+C2式中 C1厚度负偏差，C2腐蚀裕量本设计取C1=0.3mm，C2=1mm，故C=1.3mm。5.4.2 椭圆封头厚度的计算 式中：计算厚度 K形状系数，此处选标准椭圆形封头，故为1。 设计温度下材料的许用应力，又由材料0Cr18Ni9查表得t=137MPa。 焊接接头系数，=1.则 =1.93mm设计厚度d=+C=1.93+1.3=3.23mm，圆整至4mm。即名义厚度n=4mm。又由于标准椭圆形封头的厚度不小于0.15%Di，0.15%Di=30000.15%=4.5mmn=4mm，（注：为简化计算，取加工减薄量为0）故取厚度为4.5mm，圆整至5mm。5.4.3 椭圆封头强度校核1：压力校核最大允许工作压力：Pw=式中封头的有效厚度=-C=5-1.3=3.7mm，故Pw=0.338MPaPc=0.176Mpa(设计压力)故压力校核符合要求。2：应力校核: 式中P试验压力，本处取设计压力Pc试验压力下的许用应力所以=71.44Mpa0.294MPa(设计压力)2：应力校核 =PDi+(-C)/2(-C) =0.2943000+(5-1.3)/2(5-1.3)=119.34MPaP=0.323Mpa(设计压力)故压力校核符合要求。2：应力校核: 式中P试验压力，本处取设计压力P试验压力下的许用应力所以=131.1Mpa=137Mpa故应力校核符合要求5.6.3 封头的刚度校核容器和封头的最小厚度主要考虑制造工艺要求以及运输和安装过程中得刚度要求。同时，根据工程经验确定其值。不包括腐蚀余量。设计中采用得材料为不锈钢，最小厚度min=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。5.7 部分附件设计选型5.7.1 真空阀大罐对真空很敏感，较小的负压就会导致其外形的改变，负压造成的危险远比大罐超压要大，即使温度只有很小的变化，也会造成较大的气体体积的变化。此处真空阀选择型号为FK48X，规格为DN50-150MM。5.7.2 CIP清洗装置CIP为 clean in place（洗涤定位）或in-place cleaning（定位洗涤）的简称。其定义为：不用拆开或移动装置，即可用高温、高浓度的洗净液，对装置加以强力的作用，把与食品的接触面洗净的方法。发酵完毕后，通常要对罐进行清洗，冲洗喷头与罐顶装置相连接，保证灌顶和罐体都能很好地被清洗，大罐清洗装置有下列三种：固定式洗球，旋转式洗球和旋转式喷射洗球。由于本次设计的发酵罐直径为3米，故选择固定式洗球即可满足要求。固定洗球还具有工作压力要求低、固定投资少、维修费用低、操作方便等优点。因此，本设计选用GEA公司生产的G2一1型洗球，喷射直径4一6米，工作压力0.2一0.25MPa，工作流量34一40m3/hr。5.7.3 温度传感器在主发酵过程中，需要进行准确的温度控制和精确的温度测量，由于在这期间内会出现强烈的对流，形成温差，因此，需要在罐的上部1/3处分别安装温度传感器，并连接计算机，实现自动化控制。可选择此型号的温度传感器：P10A31S441000350P10A31S441000350Pt1000A级50200单只SUS3044.0mm1000mm三线制铁氟龙线裸线镀锡5.7.4 液位高度传感器罐内液位的检查很重要，通过压差变送器，可将压力信号转换为液位高度，通过计算机显示出液位的高度。选用铠装液位变送器连接发酵罐和计算机。5.7.5 压力传感器在发酵和贮酒中，必须监控锥形罐的压力，本设计采用压力传感器与计算机采集数据，随时检查正压、负压保护阀是否正常。SMC 牌的G46-15-02M-C压力传感器。5.7.6 人孔由于本设计的重点设备发酵罐属于内压容器，故应选择受压人孔，受压人孔有回转盖式，吊盖式。吊盖式人孔使用方便，垫片压紧较好，而回转盖式人孔结构简单，转动时所占空间较小，如布置在水平位置，开启时较为费力，综合考虑，本设计选用吊盖式人孔。公称直径选为500mm。5.7.7 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Dg500JB120-73，S补=150*10/（300-163）=10.95mm ，故取12mm，重4.69kg。5.7.8 麦汁、酵母及出酒管管径的确定罐底为清酒进出口，即麦