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啤酒一罐法锥形发酵罐的结构设计


第 13 卷   3 期 第
2003 年 6 月













JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITY

   文章编号 : 1009 - 3907 (2003) 03 - 0028 - 04

啤酒一罐法锥形发酵罐的结构设计
卢晓霆 , 薛冬桦 , 胡可心 , 闫   俊
1 1 2 3

(1. 长春工业大学 生物工程学院 , 吉林 长春   130012 ; 2. 吉林农业大学 生物技术学院 , 吉林 长春   130118 3. 吉林省轻工业设计研究院 , 吉林 长春   130021)

0    引 言

1  一罐法发酵工艺

111   麦汁组成

日益增大 , 2000 年我国啤酒产量达 223113 万吨 ,
3

居世界第二位 。产量的提高是与采用先进的设备和 形发酵罐被越来越多的啤酒生产厂家所采用 , 并且 呈大型化的趋势 , 罐容可达 400 ~ 600m 。这些罐

工艺分不开的 , 其中包括国内外比较先进的露天锥

排放酵母比较方便 , 可以将传统主发酵和后发酵二 个工序合在同一罐内进行 , 从而创造了一罐法发酵 于罐体过大 , 操作控制难度也加大 , 会给啤酒生产 和质量带来严重危害 , 本文将从啤酒一罐法锥形发 酵罐工艺和设备结构设计进行探讨 。

工艺 。锥形罐虽有许多优点 , 但在实际生产中 , 由

发酵 、自然升温 12 ℃熟成的方法 见图 1 。

尽量符合以下要求 : a. α — 氨基氮 : 180~200mgΠ ; L
收稿日期 : 2003203205 与设计 。

) 作者简介 : 卢晓霆 (1963 -   , 男 , 吉林省长春市人 , 长春工业大学生物工程学院副教授 , 主要从事生物发酵工程的研究

摘   : 啤酒发酵过程工艺参数的控制 , 决定发酵罐结构形式 , 而先进的发酵罐结构 , 又决定产 要 品的质量 。本文根据啤酒一罐法发酵工艺 , 对锥形发酵罐结构设计进行探讨 。 关键词 : 啤酒 ; 一罐法 ; 锥形发酵罐 ; 结构 中图分类号 : TQ92015     文献标识码 : A 随着啤酒工业的不断发展 , 我国啤酒生产规模
图1  主程序流程图

锥形发酵罐一罐法发酵工艺主要是采用低温主
[1 ]

, 其发酵曲线

0 送入锥形罐进行发酵的麦汁 ( 12 BX) 组成应 [2 ]

c. PH : 514 ± 12 ; 0

b. 可发酵性糖 : 8~10gΠ 100ml ;

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112   酵母添加与增殖 113   发酵

6℃ 左右冷麦汁送入锥形罐 , 可分 4 ~ 5 次满

罐 。然后加入酵母接种 , 酵母添加量为冷麦汁体积 的 015 %~ 1 % 。酵母可分二至三次加入 , 或一次 6 加入 , 接种后酵母细胞浓度为 ( 15 ± ) × 个Π 3 10 ml , 待酵母增殖 16 ~ 20 小时后进行发酵 。一天后 可排一次沉淀物 , 即冷凝固物 ( 占总量的 30 %~ 40 %) 。 发酵 液 自 然 升 温 至 815 ~ 9 ℃时 ( 不 可 超 过 ) 915 ℃ , 保持此温 , 进行发酵 3 ~ 5 天 , 直到外观 发酵度达 55 %~60 % , ( 高发酵度酵母最终外观发
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酵度 达 80 % 左 右 , 真 发 酵 度 = 外 观 发 酵 度 ×

d. 冷却麦汁含氧 : 6~8mgΠ 。 L

Vol113   13 No June 2003

  第3期

  卢晓霆等 : 啤酒一罐法锥形发酵罐的结构设计

 
29  

2  锥形罐 ( 圆柱锥底罐) 的设备结构

01819) , 然 后 自 然 升 温 到 12 ℃ ( 最 高 升 至 13 ~ ) 14 ℃ , 利用酵母还原酶 , 进行双乙酰还原 ( 提高

罐内的发酵液由于罐体的高度而产生二氧化碳 梯度并控制冷却方位 , 可以使发酵液形成自下而上 或自上而下自然对流运动 , 对流可保证整个酒液的 温度是均匀的 。一般罐体愈高 , 对流作用愈强 , 所 以罐体高度应适当控制 , 以免对流过盛 。实践证明 罐内液位高度达 20 米 , 就会影响酵母沉淀 , 而且 还会影响双乙酰充分还原和酯含量过小 , 从而影响 [5 ] 啤酒的风味 。因此 , 我们设计中采用圆筒直径与 圆筒高度比为 D ∶ = 1 ∶ ~ 215 , 直径可达 5 ~ 6 H 1 米 , 可保证啤酒的质量 。 213   罐体冷却夹套 罐体设夹套冷却 , 冷媒采用 25 % 的乙二醇或 乙醇间接冷却 , 也可用液氨直接冷却 。冷却面积要 能够满足工艺上降温要求 。啤酒发酵罐的冷却面积 [6 ] 可参考表 1 计算 。
表1  发酵罐冷却面积参考值 冷却面积
( m2Π ) 100t 42~52 50~62 33~40 40~50

发酵温度 、增加接种 、加大通风量 , 有利于降低游 离脂肪酸的含量 ) , 同时升压至 0108Mpa , 即可提 高发酵速度 , 又可降低高级醇和酯类的形成 , 有利 [3 ] 于在保证啤酒质量的情况下缩短酒龄 。保持 2~ 4 天 , 当糖度下降至发酵度与最终发酵度相差 10 % , 即发酵外观浓度降至 317° 左右时 , 开始 BX 升压至 011 ~ 0112Mpa , 直到达到最终发酵度 , 双 [4 ] 乙酰降至 011mgΠ 以下 。 L 114   降温贮酒 开始缓慢降温 , 以 013 ℃ h 的速度 , 在 24 小 Π 时内将酒温降至 5 ℃, 保持一天 , 让酵母还原酶继 续还原双乙酰 。然后第一次排出三分之二酵母 , 排 出的酵母可作为下一次发酵用 。继续以 011 ℃ h 的 Π 速度降至 0~ - 110 ℃, 共 2~3 天 , 并在罐压 0105 ~0106Mpa 下 , 保持此温进行后熟 。在此期间排酵 母 2~3 次 ( 包括冷凝固物和酒花树脂 , 在低温下 缓慢沉下来 ) 使啤酒澄清 。还可进行 CO2 洗涤与 饱和 , 可除去嫩啤酒的生青味 ( 主要是乙醛 、双乙 酰 、硫化氢) , 冷藏 15 天左右 , 以利于酒的沉淀澄 清和 CO2 饱和 。整个发酵周期为 22~25 天 。

冷媒 乙醇 乙醇 液氨 液氨

材质

冷却方式 间接冷却 间接冷却 直接冷却 直接冷却

不锈钢 碳纲 不锈钢 碳钢

设计

211   罐容与材质

目前国内采用锥形发酵罐的罐容最大可达 400 3 ~600m , 罐容应与糖化 能 力 匹 配 , 容 量 系 数 为 80 %~85 % 。材质一般用碳钢 ( Q235 - A) 或不锈 [4 ] 钢 ( 0Cr 19Ni 9) 制成 。用碳钢需内壁涂环氧树脂

   圆柱体部分冷却夹套视罐体高度可分为 2 ~ 3 段均匀分布 , 上夹套的上边缘应在工作容量高度处 完结 ; 锥体部分也应设一段冷却夹套 , 冷却面积应 小于锥体表面积的 70 % , 冷却区域应尽量靠近锥 体底部 , 有利于酵母的沉降和保存 。 啤酒或发酵液的冰点温度由以下经验公式计
G = - ( A × 142 + P × 104 + 0102) 0 0
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[6 ]

算:

或 T - 541 涂料防腐 。T - 541 涂料是采用喷涂技术 涂敷罐壁 , 涂层表面酷似搪瓷 , 光亮如镜 , 致密无 微孔 , 既有优良的防腐性能 , 又便于清洗与消毒 , 可耐 28 ~ 120 ℃冷热冲击 , 涂层不起泡 、不分层 , 寿命可达 20 年以上 , 从而解决了传统涂料脱落经 常返修的问题 。另外碳钢罐的进出料管应采用不锈 钢管 , 以避免管径小涂料施工困难 。 212   罐的形状 罐下部为倒圆锥体 , 麦汁 、酵母 、啤酒均由锥 底口进入或排出 , 发酵结束后回收酵母方便 , 所采 用的酵母菌株应该是凝集沉淀性好的酵母菌种 。一 般认为锥底角度为 60° 85° ~ 最为适宜 。我们在设计 中采用锥底角度为 60° 锥底表面尽可能打光 , 这 , 样有利于酵母的沉降和排除 。

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之间 , 通过计算其冰点温度在 - 210 ℃ - 215 ℃ ~ 之 间 。因此冷媒的温度不宜太低 , 宜在 - 210 ℃ ~ 5℃ 之间 , 以避免啤酒或发酵液结冰 。 冷却夹套可采用矩形 、梯形 、弧形 、半圆形和 米勒板 。由于米勒板换热为板式换热 , 同时冷媒还 受到蜂窝点扰动作用 , 呈湍流传热 , 传热系数明显 提高 , 米勒板比其它夹套节能 10 %以上 。 214   正确设置测温点 锥形发酵罐应在每段冷却带上设测温点 , 罐体 冷带为 2 ~ 3 段 , 锥体为 1 段 , 故测温点设 3 ~ 4

10° ~ 12° 啤酒酒精含量一般在 312 ~ 412 BX BX

式中 A —— — 酒精含量 ( mΠ %) ; m P —— — 原麦汁浓度 (° ) ; BX ) G —— — 冰点温度 ( ℃ 。

 
30  

  长 春 大 学 学 报

  第 13 卷

个 。测温电阻一般采用铂热电阻外加不锈钢套管 。 测温点位置应设在本段冷却带的上端 , 电阻套管的 安装均是由垂直方向向下倾斜 45° 角插入 , 插入的 深度是罐体半径的 1Π 左右 。其理论依据是 : 罐容 3 2 积 V =πR H , 假设插入深度为 ( 1Π ) R , 则罐体 3 2 2 中央部分的体积 V =πH [ ( 1 - 1Π ) R ] = 4ΠπHR ≈ 3 9 π 2 1Π HR , 即插入深度是罐体半径的 1Π 左右处是 2 3 热传递的中间位置 。另外在金属套管内灌装硅油介 质 , 可减少仪表系统的误差 , 解决金属套管内结露 问题 。 215   罐顶装置 发酵罐内啤酒的二氧化碳含量与温度和压力关 系如下 :
0115Mpa 。
罐压
2

( 1) 出酒管 , 应靠近锥底角部位设出酒管 , 或

采用麦汁及酵母进出管内套出酒管 , 材质为不锈 钢 , 应深入锥底 800~1200mm , 以避免锥底沉淀酵 母过多地进入啤酒中 。 ( 2) 差压变送器接口 , 在冷带下边缘设一个差 压变送器接口 , 供自动测量发酵罐内液位之用 。 ( 3) 取样口 , 在冷带上边缘靠近锥底的上部设 取样 口 , 取 样 管 材 质 为 不 锈 钢 , 应 深 入 罐 中
300mm , 罐外取样管及取样阀应顺锥体而下尽量包

在保温层内 , 以避免染菌 。 (4) CO2 洗涤与饱和装置 , 在锥底冷带上部圆 周设 4 个均匀分布的 CO2 进口 , 进行 CO2 洗涤与饱 和 。CO2 喷头可采用钛柱 。
217   罐体绝缘层与防护层

供检修用 ; 设灯镜和视镜供生产中观察发酵状况 。 216   锥底附属装置 发酵罐锥底除设有麦汁 、酵母进出口 、冷带 、 测温点外 , 还应设有以下附属装置 :

由发酵工艺和表 2 可知罐压控制在 112 大气压 (0112Mpa) 以下 , 可保证双乙酰含量和二氧化碳含 量达到标准 。因此 , 在设计锥罐时 , 罐顶采用椭圆 封头 , 在罐顶设置安全阀 , 罐的最大工作压力设为
表2  不同压力温度下 CO2 含量表
CO2 含量 % 015 ℃ 01494 01614 01692 01774

   发酵罐在大的放料速度下空罐时 , 以及在进行 碱液洗涤时 , 罐内 CO2 会被碱液吸收 , 造成真空 。 因此 , 罐顶应设置真空阀 , 便于空气进入罐内 , 以 平衡罐内外的压力 。 罐顶还应设有汽液分流器接口 , 供 CO2 排出 及洗液进入 。罐内设旋转喷头与洗液进口相连 , 旋 转喷头位于罐顶下 1 米左右 , 发酵液面之上 。 罐顶还应设有差压变送器接口 , 以供自动测量 压力之用 。另外 , 罐顶应设直径 500mm 的入孔 ,

( kgΠ ) cm 015 018 110 112

CO2 % = 01298 + 014 p - 0108 t
p —— — 罐压 ( 大气压) ;

[6 ]

) t —— — 酒温 ( ℃ 。

3  结论

0℃

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01498 01618 01697 01775

110 ℃ 0149 0161 0169 0176

露天锥形发酵罐应做好热和冷的绝缘 。常用的 2 绝缘材料有导热系数低于 01029WΠ · 的聚苯乙 m K 烯 、聚氨酯泡沫塑料 , 厚度 200mm 。防护层一般采 用镀锌薄钢板 、不锈钢薄板 、铝合金薄板以及上述 薄板的瓦楞型板 。

锥形发酵罐是啤酒发酵过程的心脏 , 啤酒发酵 周期和啤酒质量均决定于发酵罐的设计水平及相应 工艺过程 。锥形发酵罐作为大型生物反应器是生物 工程研究的重点之一 , 也是生物工程技术的一个重 要组成部分 。1995 年以来 , 我们先后为银瀑 、冰 川 、九台 、农安 、嫩江等啤酒厂设计了大型锥形发 酵罐 。到目前为止 , 设备运行正常 , 产品质量均达 到国家标准 。

参考文献 :

[1 ]   张志强 . 啤酒酿造技术概要 [ M] . 北京 : 中国轻工

业出版社 , 1995. 版社 , 1996.

[2 ]   顾国贤 . 酿造酒工艺学 [ M] . 北京 : 中国轻工业出

[ 3 ]   1 Kumada1Fermentation Temperature and Enzyme Pattern of J [4 ]   中国轻工业总会 . 轻工业技术装备手册 [ M ] . 北

京 : 机械工业出版社 , 1997.

[ 5 ]   M1Bruneis1The design of Large Tank [ J ] . Brewer s π Guardian , 1978 , (5) : 10 - 12. [6 ]   管敦仪 . 啤酒工业手册 [ M] . 北京 : 中国轻工业出

版社 , 1998.

Yeast [J ] . The Brewerπs Digest , 1974 , (10) : 15 - 20.

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  第3期

  卢晓霆等 : 啤酒一罐法锥形发酵罐的结构设计

 
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(1. School of Biological Engineering , Changchun University of Technology , Changchun 130012 , China ; 2. School of Biological Technology , Jilin University of Agriculture , Changchun 130118 , China ; 3. Light Industry Design and Research Institute of Jilin Province , Changchun 130021 , China)
Abstract : The control of the process parameters in the fermentation determines the structure of the fermentation tank , while the advanced the article probes the structure design of the coned tank. structure of the fermentaton tank determines the quality of beer. According to the fermentation technology of beer one tank brewing process , 2 Key words : beer ; one2tank fermentation ; coned fermentation tank ; structure

( 上接第 10 页)

rectionalized so as to get a conventient and practical effect.

spondence signal to the mainframe) and replace the PCΠ keyboard in the use of the mainframe having the controlling field Chinesized and di XT 2 Key words : PCΠ keyboard ; software ; monolithic processor XT

Abstract : The article introduces how to use the monolithic processor to bring about the function of the PC XT keyboard ( sending the corre2 Π

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Coned tank structure design of beer one2tank fermentation
( Scientific Research Office , Changchun University , Changchun 130022 , China)

A special keyboard based on principle of PCΠ XT KBD
ZHOU Feng2chen

LU Xiao2ting , XUE Dong2hua , HU Ke2xin , Y J un AN
1 1 2

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