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1绪论1.1概况去年中国大陆的啤酒产量大约为3515万千升，产量连续5年居世界第一，已然成为世界第一大啤酒生产国。这个成绩显然是值得国人骄傲的，然而中国啤酒所存在的问题也是相当尖锐的。虽然我们的产量达到了世界第一位，但由于近年来啤酒业持续不断的价格战，使得啤酒业始终处于微利经营，“旺丁不旺财”在整个啤酒产业普遍存在，以至造成三成多的啤酒企业亏损经营。1.2研究背景国内啤酒厂生产的主流低档啤酒面对着量大利薄的问题，厂家只有靠多销产能维持生存，因此，中国啤酒企业要维持自己的生存，只有两条路可走，一是提高低档酒的价格，或是加大中高档酒的比例。但提价和加大比例是只能由市场决定的，单独一家或是几家企业很难动摇，影响其价格或是比例。二是降低啤酒的成本。啤酒的成本主要是由原料费用，生产费用，人工费用，运输费用组成的。原料的价格我们难以决定，但可以由采购部门操作，择其物美价廉的，也可在保证质量的前提下，调节配料，或是提出有效的节约粮耗的方案等等；人工费可以由厂方所制定的有效的规章制度，来提高生产效率，提高工人的生产积极性；运输费用可操作的范围更是有限。因此只单论工艺方面，生产成本的可操作性是最大的，一旦生产成本降下来，它所带来的效益不是一时一刻的，而存在于每一瓶啤酒之中，每一个生产啤酒的时刻之中。再者，发展循环经济和清洁生产是21世纪的发展主体，对于国内更加刻不容缓。有限的资源决定我国必须发展循环经济；可持续发展战略决定我国循环经济之路；清洁生产和循环经济是我国环境保护的必然要求。啤酒厂是高能耗型较高水污染的企业，其循环经济和清洁生产的潜力巨大，也是迫在眉睫。如何从工艺的角度来降低生产成本呢?首先，我们都有这样一个共识，啤酒的生产是一个高能耗的过程，能耗费用在啤酒的生产成本占了绝对的大头，因此，能耗高是生产省本高的关键，能否节能降耗就决定了能否降低生产费用。我们找到了这样一个瓶颈就可以从此下手，找寻解决问题的方法。当然啦，节能降耗不仅仅是降低能量耗用，也可以是降低原料的耗用。1.2研究内容1.2.1传统方法啤酒的传统工艺生产主要由糖化、发酵、灌装三个工序组成，其中啤酒厂的全部热能消耗的50%以上用于糖化工序，因此糖化工序是啤酒酿造的主要能源消耗环节。制冷站是啤酒厂的耗能大户，约占全厂用电50％以上，冷耗最大的是发酵工序，因此改进发酵工序的制冷系统的节能至关重要。灌装工序中灭菌也是耗能大户，其潜力降耗也是不小。1.2.2存在的问题现国内啤酒厂在节能降耗方面与国外啤酒厂的差距较大，尤其是在水耗方面，差距更加明显。如表1，国内水耗的平均水平是国际先进水平的3~4倍。无疑，水的大量消耗必定带来成本的增加，更有污水处理费用的负担也随之增加。表1为目前国内外粮耗、水耗、煤耗、电耗的比较，显而易见，国内外的差距相当明显。表1国内外能耗粮耗对比表国内平均国内先进国际先进粮耗（kg/kL）170~175165160水耗（t/kL）9~104.5~5.53~4煤耗（kg/kL）10075~8040~50电耗（kw/kL）100~12070~8070目前国内也有不少啤酒厂采用节能降耗措施，但是，其措施往往只针对某一工序，或是某一设备，其降耗幅度有限，啤酒厂的节能降耗潜力还尚未充分挖掘。1.2.3课题途径和任务国内热麦汁热能、煮沸锅二次蒸汽、蒸汽冷凝水单体设备的回收已有不少工厂开始采用，也已取得了一定的效果。少数工厂还采用了发酵罐氨直接制冷，瞬时灭菌技术，达到了节能降耗的目的。本设计主要利用国内外先进的设备，主要是糖化和灌装两个耗能最大的工段，将其有机的结合起来，实现节能降耗的目的。本设计特色是着重注意水的回收利用，二次蒸汽的回收利用，余热的回收利用。预期结果是要求设计啤酒厂每千升啤酒粮耗、煤耗、水耗达到世界先进水平分别达到150~160kg/kL、40~50kg/kL、4~5t/kL。1.2.4设计内容A.糖化车间节能降耗方案(1)热麦汁热能的回收回收麦汁一段冷却热麦汁的热能，此法可将麦汁热回收率从60%提高到95%，冷冻机能耗降低30%~40%，水耗降低40%。将其回收来的热水用于二次蒸汽再加热之用。(2)煮沸锅二次蒸汽的回收使用带有能量回收系统的动态低压煮沸锅，煮沸蒸汽能可减少50%，再加上二次蒸汽回收的热能来预热麦汁，再将热水用做糖化投料水、洗糟水、CIP清洗用水等等。不光总计可节省蒸汽50%以上，还可大量节省水耗。(3)蒸汽冷凝水的回收冷凝水的回收不仅降低了水耗，而且降低了锅炉用水的处理成本，还大大提高了蒸汽蒸发器中水的起点温度，可以降低煤耗。B.发酵车间节能降耗方案发酵罐采用氨直接制冷：发酵系统配置氨直接蒸发装置代替使用乙醇、乙二醇、丙二醇水溶液作冷媒可大大降低电耗及设备投入。C.包装车间节能降耗方案采用瞬时灭菌技术代替传统的巴氏灭菌法：瞬时高温灭菌法虽然温度高于巴氏灭菌法，但是作用时间远远短于巴氏灭菌法，因而其能耗也远远低于巴氏灭菌法。瞬时高温灭菌法更有在预热段可将热啤酒中的热能回收：来自轻酒罐的冷啤酒为0℃，在预热段用热保持管流出的70℃热啤酒使其温度升到56℃，即热交换回收率=(56-0/70-2)×100%=82%。其节能降耗的意义重大。2工艺流程的论证2.1原料粉碎麦芽粉碎的目的是为糖化作准备，通过对麦芽及谷物的粉碎可有较多的比表面积，使物料中储藏物质增加和水，酶的接触面积，加速酶促反应及物料溶解。麦芽粉碎有四种形式：(1)干法粉碎：该方法虽然粉碎效果好，但麦皮太碎，且车间工作环境不好，并有尘暴的危险性。(2)回潮粉碎：粉碎效果好，麦皮破碎少。(3)麦芽湿法粉碎：虽然粉碎效果好，麦皮破怀少，但耗电大且糖化不均匀。(4)连续浸渍湿式粉碎：设备复杂，价格高。综合上述情况，我们对麦芽采用回潮粉碎法，对辅料采用干法粉碎，可采用四辊二级粉碎机。2.2糖化工艺糖化是指利用麦芽中各种水解酶类，以及水和热力作用将麦芽和辅料中高分子储藏物质及分解产物溶于水的过程，通过糖化我们要求麦芽汁的浸出物得率最高，浸出物的组成及其成分比例符合产品要求。糖化过程是原料的分解和萃取过程，它主要是依靠麦芽中的各种水解酶的酶促分解，而水和热力作用是协助作用，其工艺控制可通过下属环节进行。(1)选择麦芽的质量、辅料的种类及其配比、配料。(2)麦芽及非发芽谷物的粉碎度。(3)控制麦芽中各种水解酶的作用条件，如温度、pH、底物浓度(加水比)、作用时间。(4)加热的温度和时间。(5)有时还需要通过外加酶制剂、酸、无机盐进行调节控制。糖化方法可分为煮出糖化法，浸出糖化法，复式糖化法及其他糖化法：煮出糖化法是指麦芽醪利用酶的生化作用和热力的作用，使其有效成分分解和溶解，通过部分麦芽醪的煮沸、并醪，使醪液逐步梯级升温至糖化终了。浸出糖化法是指麦芽醪纯粹利用其酶的生化作用，用不断加热或冷却调节醪的温度，使之糖化完成。复式浸出法则是上述两种基本方法的综合。由于本工艺使用了40%的大米辅料，故需要对辅料进行糊化，液化。本设计采用外加α－高温淀粉酶的方法促进糊化，另外辅料要糊化彻底，故采用大的加水比。α－高温淀粉酶用量为4μ/g辅料。糊化起始温度为50℃，然后直接升温至90℃，添加α－淀粉酶，保温15min，升温至101℃煮沸20min。糖化醪在47℃保温50min，然后并醪至63℃保温40min，升至70℃，保温20min，碘试完全后，升至75℃，糖化终了。2.3糖化工艺曲线的论证2.3.1麦芽质量的影响本设计采用的麦芽为优级和一级麦芽各50%，其中优级麦芽糖化力为250WK/100g干麦芽，一级麦芽糖化力为220WK/100g干麦芽，所以样品糖化力为：(250+220)/2=235WK/100g干麦芽。2.3.2混合投料的糖化力据资料报道，正常糖化力操作下，每公斤混合原料应含1500~2000WK的糖化力。1000×75%×235/100=1762.5WK，故辅料比符合糖化要求。2.3.3麦汁总氮：α-氨基氮的估算设100g混合原料可得10oP定型麦汁0.6L，150×50%+140×50%=145mg/100g干麦芽。100×(1-7%)×60%×145×1/(100×0.6)=135.2mg/L。2.4麦醪过滤糖化过程结束时，必须在最短的时间内把麦汁和麦糟分离，麦芽醪过滤包括三个过程：(1)残留的耐热性α-淀粉酶进一步液化，提高原料浸出物的收率。(2)从麦芽中分离出“头号麦汁”。(3)用热水将残留于麦糟中的麦汁洗出来，并将第三次洗糟水用于下批糖化第一次洗糟用水。目前的过滤设备有三类：(1)依赖于液柱静压力为推动力的过滤槽法。(2)依赖泵送的正压力为推动力的压滤机法。(3)依赖于液柱正压和麦汁泵抽吸局部负压的渗出过滤槽法。过滤槽是目前采用的最为普遍的方法，它以筛孔与麦糟构成过滤介质，用醪的液柱高度产生的静压力为推动力来实现过滤。但其缺点是过滤时间长，其优点是过滤彻底，所含对啤酒的有害物质少，设备投资较少。故传统的啤酒厂多用此设备。但为了提高糖化速度，现越来越多的啤酒厂采用麦汁压滤机，麦汁压滤机可以提高生产效率每天可满足糖化12批次，最多可达13~14批次；降低生产成本，得到较高的糖化室利用率；提高产品质量，整个过滤、洗糟过程，处于密闭状态，因而降低了麦汁的氧化作用。又因过滤时间缩短，可防止麦皮中的有害成分浸出。考虑到提高整个糖化工艺设备利用率，选用麦汁压滤机。2.5麦汁煮沸及酒花添加麦汁经过过滤后，需要添加酒花进行煮沸，这样可蒸发水分，浓缩麦汁，钝化全部酶活和麦汁杀菌，使蛋白质变性和絮凝，浸出酒花有效成分，排除麦汁中特异的异杂臭气。目前啤酒厂采用的煮沸锅一般为常压煮沸锅，这种设备往往需要较长的煮沸时间。为此，本设计采用新式的带二次蒸汽回收的动态低压煮沸锅。低压煮沸锅通过自动控制连续升压——降压的动态操作，不仅缩短了煮沸时间，而且有效降低了DMS含量，节省能量。低压煮沸锅带有热能回收储存系统，其包括一个热水罐，一个二次蒸汽冷凝器，二个板式换热器和泵，管线和必须的安全设备。温度传感器用来监控罐中的温度。当麦汁煮沸回收的热量将麦汁从70℃加热到95℃时，啤酒厂的热平衡就达到了。通常煮沸蒸发率达到5%的时候会到平衡点。在麦汁加热过程中分70℃~95℃和100℃两个阶段，清楚的表示出储能罐的效果。麦汁加热阶段的74℃~95℃可以通过储能罐中的热水来完成。煮沸是整个糖化最耗蒸汽的阶段，采用麦汁低压煮沸，总蒸发量由原来的12%降为6%，煮沸蒸汽能可减少50%，加上二次蒸汽回收的热能来预热麦汁，总计可节省蒸汽50%以上。200000/88%=227273吨麦汁227273×0.908×50%=103182吨蒸汽每年可节省103182吨蒸汽。酒花是啤酒生产中的必须物质，它能赋予啤酒柔和优美的芳香和爽口的微苦味，能加速麦汁中的高分子蛋白质的絮凝，提高啤酒泡沫的起泡性和泡持性，也能增加麦汁和啤酒的生物稳定性。酒花添加量可依据如下因素调解。(1)酒花中的α－酸含量(2)消费者的嗜好，消费者嗜好口味若为清淡型，如我国南方，应降低酒花的添加量。(3)啤酒浓度低，色泽浅，淡爽性应少加，反之浓度高，颜色深（并非深色啤酒），发酵度低可以多加。(4)敞口发酵法，粉末型酵母，贮酒期长，苦味物质损失多的，可以适当增加添加量。酒花采用两次添加法，第一次在煮沸10min后，加总量的80%，第二次在结束前5min加总量的20%。这种添加方式将获得更细腻柔和的苦味。2.6麦汁处理由煮沸锅放出的定性热麦汁，在进入发酵以前还需进行一系列的处理，才能成为发酵麦汁，对麦汁的处理要求是：(1)对能引起啤酒非生物浑浊的冷、热凝固物尽可能给予足够的分离。(2)麦汁处理高温时，尽可能减少接触空气，防止氧化，麦汁冷却后，发酵前须补充适量无菌空气，供酵母前期呼吸。(3)麦汁处理各个工序中，严格杜绝有害微生物的污染。本工艺采用国内目前较多的流程，麦汁冷却运用一段冷却法，并回收一段冷却的热能。回旋沉淀槽将采用平底回旋沉淀槽，它沉淀的热凝固物紧密，酒花糟可一起分离，不需要另设酒花分离器。为避免已经煮沸絮凝的蛋白质在泵送的过程中重新被打散，回旋沉淀槽可装