年产三万吨啤酒厂啤酒发酵工艺
设计
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C(2007-12-06 20:32:30)
标签:发酵工艺设计
四、 30000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量衡算
啤酒发酵工艺有上面发酵和下面发酵两大类,而后者有传统的发酵槽发酵和锥形罐发酵等之分[8]。不同的发酵工艺,其耗冷量也随之改变。下面以目前我国应用最普遍的锥形罐发酵工艺进行20000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量计算。
4.1 发酵工艺流程示意图
冷却
94℃热麦汁 冷麦汁(6℃) 锥形灌发酵 过冷却至-1℃ 贮酒 过滤 清酒灌
图4 发酵工艺流程
4.2 工艺技术指标及基础数据
年产10°淡色啤酒30000t;旺季每天糖化8次,淡季为4次,每年共糖化1800次;主发酵时间6天;
4锅麦汁装1个锥形罐;
10°Bx麦汁比热容c1=4.0KJ/(kgK);
冷媒用15%酒精溶液,其比热容可视为c2=4.18 KJ/(kgK);
麦芽糖化厌氧发酵热q=613.6kJ/kg;
麦汁发酵度60%。
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两类,即: (39)
4.3 工艺耗冷量
4.3.1 麦汁冷却耗冷量Q1
近几年来普遍使用一段式串联逆流式麦汁冷却方法[9]。使用的冷却介质为2℃的冷冻水,出口的温度为85℃。糖化车间送来的热麦汁温度为94℃,冷却至发酵起始温度6℃。
根据表2啤酒生产物衡酸表,可知每糖化一次热麦汁20053L,而相应的麦汁密度为1048kg/m3,故麦汁量为:
G=1048×18.62871=19522.89(kg)
又知100 Bx麦汁比热容C1=4.0KJ/(Kg·k),工艺要求在1h小时内完成冷却过程,则所耗冷量为:
Q1 =[GC(t1-t2)]/τ (40)
=[19522.89×4.0(94-6)]/1
=6872056.61(KJ/h)
式中t1和t2——分别表示麦汁冷却前后温度(℃)
τ——冷却操作过程时间(h)
根据设计结果,每个锥形发酵罐装4锅麦汁,则麦汁冷却每罐耗冷量为:
Qf=4Q1=4×6872056.61=27488226.42(kJ) (41)
相应地冷冻介质(2℃的冷冻水)耗量为:
Mf=Q1/[Cm(t4-t3)]= 6872056.61/[4.18(85-2)]=19807.62(kg/h) (42)
式中,t3和t4——分别表示冷冻水的初温和终温(℃)
Cm——水的比热容[KJ/(kg·K)]
4.3.2 发酵耗冷量Q2
(1)发酵期间发酵放热Q21,假定麦汁固形均为麦芽糖,而麦芽糖的厌氧发酵房热量为613.6kJ/kg。设发酵度为60%,则1L麦汁放热量为:
q0=613.6×10%×60%=36.82(kJ)
根据物料衡算,每锅麦汁的冷麦汁量为17324.7L,则每锥形缺罐发酵放热量为:
Q01=36.82×17324.7×4=2551581.82(kJ)
由于工艺规定主发酵时间为6天,每天糖化8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:
Q21 =(Q01×1.5×7)/(24×6×4)
=(2551581.82×1.5×7)/(24×6×4)]
=46513.21(kJ/h)
(2)发酵后期发酵液降温耗Q22主发酵后期,发酵后期,发酵液温度从6℃缓降到-1℃。每天单罐降温耗冷量为:
Q02=4GC1[6-(-1)]=4×19522.89×4.0×7=2186563.68(KJ) (43)
工艺要求此过程在2天内完成,则耗冷量为(麦汁每天装1.5个锥形罐):
Q22=(1.5Q02)/(24×2)=(1.5×2186563.68)/(24×2)=68330.12(KJ/h) (44)
(3)发酵总耗冷量Q2
Q2=Q21+Q22=46513.21+68330.12=114843.33(kJ/h) (45)
(4)每罐用冷媒耗冷量Q0
Q0=Q01+Q02=2551581.82+2186563.68=4738145.5kg/h (46)
(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:
M2=Q2/(Cm×8)=114843.33/(4.18×8)=3434.31kg/h (47)
4.3.3酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3
在锥形罐啤酒发酵过程,主发酵结束时要排放部分酵母,经洗涤活化后重复用于新麦汁的发酵,一般可重复使用5—7次。设湿酵母添加量为麦汁量的1.0%,且使用1℃的无菌水洗涤,洗涤无菌水量为酵母量的3倍。冷却前无菌水温30℃。用-8℃的酒精液作冷地介质。
由中述条件,可得无菌水用量为:
Gw′=19522.89×6×1.0%×3=3514.12(kg/d)
式中 19522.89——糖化一次的冷麦汁量(kg)
每班无菌水量:Gw= Gw′/3=3514.12/3=1171.37(kg/每班) (48)
假无菌水冷却操作在2h小时内完成,则无菌水冷却耗量为:
Q3=[GwGm(tw-tw′)]/r =[1171.37×4.18×(30-1)]/2=70996.94(kg/h) (49)
所耗冷冻介质量为:
M3=Q3[cw(t2-t1)]/r=70996.94(4.18×8)=2374137.73(kg/h) (50)
式中,t1和t2——冷冻酒精液热交换前后的温度,分别为-8℃和0℃。
每罐用于酵母洗涤的耗冷量:
Q3=[GwGm(tw-tw′)]/1.5=[1171.37×4.18×(30-1)]/1.5 (51)
=94662.31(kJ)
式中 1.5——每班装罐1.5罐
4.3.4 酵母培养耗冷量Q4
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30000t啤酒培养冷量为41800(Kj/h),则
对应的年冷耗量为:
Q4’= Q4×288×10=1.20×108(KJ) (52)
相应的高峰冷冻介质循环量为:
M4 =Q4/[cw(t1-t2)]=41800/(4.18×8)
=1250(kg/h)
4.3.5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=6872056.61+114843.33+70996.94+41800 (53)
=7099696.88(Kj/h)
4.4 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。
4.4.1露天锥形罐冷量散失Q5
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坟取。根据经验,年产2万吨啤酒厂露天锥形罐的冷量在9000-20000kJ/t啤酒之间,若在南方亚热地区设厂,可取高值。故旺季生天耗冷量为:
(54)
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2倍,则高峰耗冷量为:
(55)
冷媒(-8℃稀酒精)用量:
(56)
4.4.2 清酒罐、过滤机及管道等散失冷量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,所以:
Q6=12%Qt=12%×7099696.88=851963.63(KJ/h) (57)
冷媒(-8℃稀酒精)用量:
M6=Q6/[cw(t2-t1)]=851963.63/(4.18×8)=25477.38(KJ/h) (58)
4.5 30000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表
将上述计算结果,整理后可得30000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表,如表4所得
表4 啤酒厂发酵车间冷量衡算表
耗冷分类
耗冷项目
每小时耗冷量(kJ/h)
冷媒用量
(kJ/h)
每罐耗冷
(kJ)
年耗冷量
(kJ)
工
艺
耗
冷
量
麦汁冷却Q1
6872056.61
19807.62 (M1)
27488226.42
1.20×108
发酵耗冷Q2
114843.33
3434.31 (M2)
4738145.5
9.42×108
无菌水冷却Q3
70996.94
2374137.73 (M3)
94662.31
1.73×108
酵母培养Q4
41800
1250(M4)
284320.55
12.0×108
工艺总耗冷Qt
7099696.88
—————
32605354.8
24.35×108
非工艺
耗冷量
锥形罐冷损Q5
170000
5083.73(M5)
1600000
5.23×108
管道等冷损Q6
851963.63
25477.38 (M6)
4200042.36
16.1×108
非工艺总耗冷Qnt
1021963.63
—————
5800042.36
21.33×108
合计
总耗冷Q
8121660.51
—————
38405397.2
4.568×109
单耗
152266.67kJ/t啤酒