啤酒发酵设备学习资料

1、啤酒发酵设备学习资料早在1908年和1927年，德国纳旦（l. nathan）博士就申请了立式密闭圆柱锥底罐的单罐发酵专利。1930年，纳旦建成了他的第一个“纳旦罐”。该罐内涂搪瓷，罐的高径比为2l，罐身及锥底设有冷却夹套。纳旦强调卫生条件，麦汁冷却，麦汁通风以及在发酵前去除凝固物的重要性。发酵采用低温，罐内保压0.05mpa。试验中他观察到，罐中酒液的对流比传统平底发酵池强烈得多，发酵速度也快得多。发酵结束后，先对锥底进行冷却，然后排放酵母，再用二氧化碳洗涤酒液2436h，排除生青味。12p麦汁全部发酵和后熟只用12天。遗憾的是，他的创造在当时并未得到认可和推广。60年代以后，圆柱锥底发酵罐

2、（简称锥形罐）开始引起各国的注意。在纳旦罐的基础上，人们又作了多项改进，锥形罐的实用性能大大提高，并由室内走向露天，在生产中取得成功。之后，相继出现了其他类型的大型发酵罐，如日本的朝日罐（asaki tank，1965年），美国的通用罐（unitank，1968年），西班牙的球形罐（spherotank，1975年），这些罐都各具特色。我国在70年代末，开始采用室外锥形罐发酵，并逐步取代了传统的室内发酵。目前，全国新建和改建的啤酒厂，都已采用了露天锥形发酵罐。第一节 锥形发酵罐的基本结构与性能一、锥形发酵罐的特点 （1）具有锥底，角度在6090之间，主发酵后回收酵母方便。为保证啤酒良好的过滤性

3、，酵母多采用凝聚性能良好的菌株。 （2）罐体设有冷却夹套，冷却能力能满足工艺降温要求。罐的柱体部分设23段冷却夹套，锥体部分设一段冷却夹套，这种结构有利于酵母沉降和保存。 （3）锥形罐是密闭罐，可以回收co2，也可进行co2洗涤；既可作发酵罐用，又可作贮酒罐用。（4）发酵罐中酒液的自然对流比较强烈。罐体愈高，对流作用愈强。对流强度与罐体形状、容量大小和冷却系统的控制有关。（5）锥形罐具有相当的高度，凝聚力较强的酵母较易沉淀，而凝聚性差的酵母就需要借助其它手段进行酵母分离。 （6）锥底罐不仅适用于下面发酵，同样也适用于上面发酵，在山东很多啤酒厂已经使用锥形发酵罐生产上面发酵的小麦啤酒。二、锥形发

4、酵罐的结构与尺寸锥形罐（见图6.1）的尺寸过去并没有严格的规定，高度可达40m，直径可超过10m。随着发酵理论的不断完善和酿酒技术的不断进步，为满足啤酒质量的要求，锥形罐必须按照一定的规范进行精心设计和制造。酵母不但承受液压，还承受着气压，如果再考虑高浓度co2即浓度梯度现象的因素，酵母的生理性能无疑会受到较大的影响。另外，锥形罐高度过大，发酵液对流过强，也容易形成搅拌发酵。因此罐内液位高度是一个重要的参数，它不仅影响发酵副产物的组成，同时影响酵母的活性和生理代谢。罐体高度和径高比应根据工艺要求确定。经过实践证明，锥形发酵罐中麦汁的最高液位为15m；锥形贮酒罐的麦汁液位高度可据实际情况确定，因

5、为后熟过程双乙酰分解已经完成，对于发酵的影响较小。对于锥形罐的径高比有不同的观点，一般1315为宜。三、锥形罐的制作材料锥形罐最初用碳钢板制作，但易生锈，必须用防腐涂料进行防锈处理。在使用过程中，应经常对此类大罐进行检查，防止防腐涂料的脱落，并定期更新防腐涂层。现在的发酵罐多用不锈钢制作。锥形罐内表面的光洁度十分重要。内表面要尽可能光洁和平滑，用显微镜检查不得有缝隙。表面的不平滑程度多用“粗糙深度”（见图6.3）表示。通过正确的平面加工处理方法，可以降低“粗糙深度”。用轧辊处理可使平面“粗糙深度”达到0.60.8m。通过磨光处理可使“粗糙深度”达到0.40.5m。电子抛光处理可使“粗糙深度”达

6、到0.30.4m。 尤其是罐的底部和物料出口处，其“粗糙深度”必须要低，以防止微生物在粗糙表面处生存。这也涉及到焊缝的处理。今天，焊缝抛光后的“粗糙深度”要求达到0.40.5m。酵母细胞的大小约为610m，经轧辊处理的材料，酵母细胞已无法进入。但细菌的大小却只有0.74m，在罐壁的粗糙处，细菌就有可能在里面繁殖，从而导致污染。因此，对罐的表面进行抛光处理是极其重要的工作，同时也减轻了清洗杀菌的工作压力。图6.1 现代化发酵车间一角图 6.2 锥形罐1操作平台 2罐顶装置 3电缆管和排水管 4感温探头 5冷却夹套 6、8冷却夹套 7保温层 9液氨流出口和流入口 10锥底冷却夹套 11锥底人孔 1

7、2取样阀 13清洗管或排气管 14保压装置 15内容物容积测量装置、空罐探头9四、罐的保温 为了降低土建费用，锥形罐多放置于露天。所以，发酵罐要进行良好的保温，以降低生产中的耗冷量。所用的保温材料要求导热系数低、密度小、吸水率低，不易燃烧。目前，广泛应用的保温材料及其特点见表6.1所示。表6.1 绝缘材料的性能绝缘材料名称导热系数/kw/(m)体积质量/（kg/m2）吸水性聚苯乙烯泡沫塑料聚酰氨树脂膨胀珍珠岩0.0290.0350.0210.0420.0350.04720303040 40130极低较低易吸水聚苯乙烯泡沫塑料是最佳绝缘材料，但价格较高。聚酰氨树脂价格较便宜，可现场发泡喷涂，施工

8、方便，但易燃。两种材料的保温厚度应为1520cm。膨胀珍珠岩因易吸水，保温性能要差一些。但它的价格低廉，使用厚度以2025cm为宜。当然，保温材料的种类和厚度还要根据当地的气温和气候条件而定。保温材料外部需设一外防护层。一般采用铝合金板或薄型不锈钢板。从实际应用效果来看，瓦楞型板材较美观，也比较受欢迎。图 6.4 罐壁粗糙深度示意图图6.3 发酵罐的瓦楞型外包装板材五、发酵罐的承压性能和使用中的安全问题锥形发酵罐要能承受一定的压力。使用的温度和压力不同，对发酵罐壁厚的要求也不一样。一般而言，发酵罐的封头和锥底部分承受压力要大一些；柱体的下部较柱体的上部承受压力要大一些。承受压力大的部位，耐压强

9、度就应当高，因此，罐壁的厚度就相应加大。为了市场竞争，各国设备厂家都努力在保证质量的前提下，节省材料，降低造价。下面是英、法、德、美各国对一个锥形发酵罐（容量为130t、直径为4m、工作压力为0.2mpa、操作温度分别为130和20）的设计规范，见（表6.2、表6.3）。表6.2 130温度的设计规范（单位mm）规范封头壁厚 柱体上部壁厚 柱体下部壁厚 锥部壁厚 总质量/tbs5500（英）adm（德）asme（美）codap（法）9 4 5 7 7.5 8 6 8 8 9.6 5 5 6 7 7.85 4 5 7 7表6.3 20温度的设计规范规范封头壁厚 柱体上部壁厚 柱体下部壁厚 锥部壁

10、厚 总质量/tbs5500（英）adm（德）asme（美）codap（法）9 4 5 6 77 4 7 7 7.8 5 5 6 7 7.85 4 5 6 6.7在锥形罐的使用过程中，要注意发酵罐的安全问题。防止超压和真空状态对罐体的损坏。许多啤酒厂习惯于使用热水清洗发酵罐或用蒸汽灭菌，其实是很危险的。在正常压力下，1m3蒸汽重560g，但1m3水重1吨。若蒸汽被冷凝，蒸汽会收缩到原有体积的1/1786。收缩时会造成负压现象，它严重威胁着罐体的安全。另外，发酵罐放料速度过快而进风量不足时；发酵罐进行碱水洗涤，罐内的二氧化碳被碱液吸收并且体积收缩时；热碱水洗涤后，再用冷水冲洗时，都易发生真空抽罐现

11、象。为此建议，清洗发酵罐时的温度不宜超过40。一旦形成真空，就会造成罐体的损坏。因此，要根据工作压力的要求设置正、负压安全阀。负压保护阀多采用薄膜式真空阀，它便于空气进入罐内，平衡罐内外的压力。它最大的优点是易于清洗，不存在污染问题。第二节 锥形罐相关附件一、罐顶装置锥形罐最顶部称为罐顶。罐顶装置见图6.5、6.6，包括1个正压保护阀；1个真空阀；带管道的cip清洗附件。图6.5 罐顶装置实物图6.6 罐顶装置示意图1cip清洗管 2真空阀 3正压保护阀 4自清洗co2排出阀5液位探头 6照明设备 7喷球 8罐顶法兰 9对接法兰1正压保护阀发酵罐内压力升高时，会发生危险。因此必须安装正压保护阀

12、。空罐的压力变化特别明显，罐容越大，危险性就越大。正压保护阀安装在锥形罐的顶部，有配重式（见图6.7）和弹簧式（见图6.8）两种。图6.7 配重式正压保护阀 图6.8 弹簧式正压保护阀2真空阀或负压保护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。真空阀（见图6.9）的质量和安装必须可靠。在正常压力或超压状态下，通过自身重量关闭孔道，在出现负压时，则阀盖被提升，外界空气被吸入。必须防止真空阀被粘糊或冻结。为此，真空阀要与cip清洗系统相接，以便于清洗。3cip清洗装置锥形罐当然要采用cip系统清洗。冲洗

13、喷头与罐顶装置相连接，保证罐顶和罐体都能很好地被清洗。清洗罐顶装置时，要卸下所有的阀门，以防止粘连。以罐的周长为单位计，清洗液的量通常需要每米每小时30hl。清洗大容量发酵罐一般的喷头是不行的，要用特殊的清洗装置，一般可分为两种：（1）定向高压冲洗器（见图6.10）其工作原理就是将清洗液以较高压力定向冲洗罐壁，达到去除污垢的目的。 图6.9 真空阀 图6.10 定向高压冲洗器 1阀体 2与罐连接的进口管 3外部空气进管（2）涡轮式喷淋洗罐器（见图6.11）它可在给定时间内提供360范围内密集清洗，喷淋距离16m，最高工作温度95，清洗发酵罐的规格可达700m3。其工作原理为清洗液流经涡轮、齿轮

14、装置和喷头本身，然后分散到4或8个喷嘴，产生高密度的喷射。由于喷头和喷嘴的转速差异，喷射会产生一个控制的图案保证清洗距离内的区域得到有效的清洗。完整的清洗图案在喷头旋转43圈后产生，然后重新开始。另外，2个外部的喷嘴可保证对喷头本身外表面进行清洗。机体转3圈清洗效果放大图4喷嘴8喷嘴带有8个喷嘴的旋转喷头清洗时产生的图案密度比4个喷嘴高一倍，这使清洗时间更短。其清洗效果对比见图6.12。图6.11 涡轮式喷淋洗罐器 图6.12 洗罐器4嘴与8嘴清洗效果对比采用洗罐器的优点：同其它清洗方式相比，具有强力的喷射和高效清洗效果；能节约清洗时间；水和清洗剂的用量降低；自我清洗设计，无自身污染。二、发酵

15、罐的其它附件1温度计在主酵过程中，需要进行准确的温度控制和精确的温度测量。由于在这期间罐内会出现强烈的对流，形成温差，因此需要在罐的上部1/3处和罐的下部1/3处分别安装温度计。现在啤酒厂的温度控制多采用计算机。2液位高度显示器罐内液位的检查很重要。通过压差变送器，可以将压力信号转换为液位高度。通过计算机，可以很方便地换算出罐内酒液的体积。3压力表或压力传感器在发酵和贮酒过程中，必须监控锥形罐的压力。压力显示使用传统的压力表，或使用压力传感器与计算机连接，采集数据，随时检查正、负压保护阀是否正常。4最低液位探头和最高液位探头每个锥形罐都安装有最低液位和最高液位探头，以保证在进液时不超过最高液位

16、，在出罐时能终止液体的流出。探头的作用十分重要。在此要特别阐明：若达到最高允许液位时，进液仍未停止，则在发酵时，泡沫上升的自由空间就会不够。泡沫会通过罐顶阀门并从上升管中流出，由此使整个设备都被泡沫“污染”，造成很大的危害。此外，锥形罐的酒液全部排空会使罐中吸入大量空气，损失同样不小（进液时，还得备压）。5取样装置锥形罐上设有取样口，取样口与自动取样装置连接。自动取样装置借助于固定安装的小泵进行循环，利用此泵可随时进行酵母或嫩啤酒的取样。从管道中取样的可行办法有：（1）随机取样。可在任意时刻取样，多次样品混合，通过分析得出产品质量的平均结果。（2）多次取样。在给定的时间内取样，可反映一定时间内

17、样品的情况。（3）有代表性的平均取样。能真正代表样品。先将样品容器内备压至产品流过管道中的压力并不断调整，与其保持一致。样品的取出与流速成正比；这样，在“量和质”上才能真正代表产品及其组成情况。6检查孔有时必须检查锥形罐是否有下列情况发生：（1）出现裂缝或腐蚀；（2）罐上或管道中的死角。因此，发酵罐一般上下各开一个可关闭的人孔，其直径至少为50cm。下部人孔在锥体最下端出口处，旋松螺母即可卸下。三管道连接与阀门接管板大多数的啤酒厂使用多路管道连接板（见图6.13）。在多路管道连接板上，由于采用活动的拱形连接管，故仅用很少的手柄就可以连通所期望的管道。通过手动碟阀或远控碟阀（见图6.14）就可以

18、打开或关闭连接系统。图6.13 管道连接板避免吸氧特别重要，因为一旦吸氧，必然会导致质量下降。为此要隔离氧气。随着时间的推移，阀的密封性会变差，若清洗碱液进入啤酒中，则会造成巨大损失。因此，必须采取一切措施避免损失发生。 87564321图6.15 双座阀1空气进管 2粗大弹簧 3压缩空气下面进入4小压缩弹簧 5阀杆 6上阀 7泄露导管8底座图6.14 蝶阀（左）和遥控蝶阀（右）2双座阀与阀阵为了保证较高的安全可靠性，人们越来越多地使用双座阀。尤其生产质量要求较高的纯生啤酒，企业大都采用了这种先进的、自动化程度较高的双座阀，代替了蝶阀，使清洗有了保证，从而实现清洁生产。双座阀的工作原理：双座闪

19、具有以下几个特点：（1）带泄漏识别功能；（2）清洗时无卫生死角；（3）物料不易混合，混合液可排出；（4）可自动化控制。啤酒企业安装双座阀使生产自动化成为可能，且清洁卫生可靠，缺点是一次性投资较大。为了实现自动化生产，使用双座阀组成阀阵，其生产流程示意图可见图6.16。当然不同公司生产的阀不尽相同，但只要是防泄漏阀，在两个阀之间总设有一个泄漏液无压排出的自由空间。第三节锥形罐的降温控制一、锥形罐的冷却酵母在发酵过程中会产生热量，为使发酵和后熟在设定的工艺温度下进行，则必须进行冷却。冷却方式发酵罐的冷却降温有两种方式，一是间接冷却方式；二是直接冷却方式。（1）间接冷却方式（见图6.16） 冷媒是乙

20、醇或乙二醇与水的混合液，它在氨制冷机的蒸发器箱中进行冷却，温度一般控制在5左右，它主要用于麦汁冷却和发酵罐的降温。制冷机制冷机冰水箱发酵罐泵冷媒蒸发器膨胀阀散热器图6.16 间接冷却方式氨泵发酵罐氨收集器553氨压缩器氨蒸发器氨分离器油分离器图 6.17 直接冷却方式（2）直接冷却方式（见图6.17） 氨制冷机中的制冷剂液态氨直接在锥形罐的冷却夹套中蒸发并吸热，对发酵罐中的酒液进行降温。2 冷却夹套（1）间接冷却方式 带通过乙醇或乙二醇与水的混合液（冷媒）。它采用水平流动的冷却管段（见图6.18），液体从下面流入，从上面流出。它必须能承受冷却剂静止状态下的压力。（2）直接冷却方式 冷却夹套中冷

21、媒是液态氨，流动方式为半圆管的垂直流动式（见图6.19）或水平流动式（见图6.20）。液氨从上面经过分配管进入，向下流动。采用垂直流动式时，冷却夹套不分区段。使用液氨直冷方式，工作压力可以达到1.16mpa。设备制作时，要保证各处焊接良好，不得有液氨渗漏，否则，会出现严重的质量和安全问题。3两种冷却方式的比较与使用乙醇或乙二醇的间接冷却方式相比，液氨直接蒸发冷却具有以下优点：（1）节约能源20左右。直接蒸发的压缩机工作温度只需5左右即可；而采用间接冷却方式时，压缩机需要在低得多的温度下进行，由此而使制冷机的制冷能力偏低。另外，冷媒液氨的输送量也小得多。（2）需要的设备少。不需要间接冷却所用的列

22、管换热器，乙二醇和膨胀阀等器件。 图6.18 乙醇或乙二醇冷却管段 图6.19 液氨冷却垂直管段 图6.20 液氨冷却水平管段 （3）需要的绝热材料少，安装费用低。使用的管道和容器少，减少了绝热材料的消耗，节省了安装费用。 由于以上显著的优点，越来越多的啤酒厂采用了液氨直接蒸发冷却方式。 二、发酵液在发酵罐中的对流方式在同一发酵罐中，各点的温度并非均匀一致。主发酵阶段的对流与后发酵阶段的对流方向是完全相反的。1主发酵阶 温度高的啤酒向上流动，温度低的啤酒则向下流动。所以，在此阶段，应加强对锥形罐上部的冷却。冷却后的啤酒向下流动，而温度较高的啤酒继续向上流动（见图6.21），由此循环往复，直到达

23、到工艺要求的温度为止。2冷贮藏阶段 此时，发酵罐中酒液的流动方向与主发酵阶段的刚好相反。可以水为例说明。水在4时密度最大，高于或低于4水的密度均小于4。因此，水温低于4时，水的运动方向是由下向上的。同样，啤酒在2.5时的密度最大（较高浓度啤酒1左右时密度最大；低浓度啤酒3左右时密度最大）。所以，冷贮阶段中，发酵罐中的酒液的温度是上部低，下部高，啤酒的对流方向是，低温啤酒向上运动，高温啤酒向下运动（见图6.22）。因此，后贮阶段要加强发酵罐底部的冷却。这样，可以显著地改善冷却效果。图6.21 啤酒主发酵时的对流 图6.22 啤酒低温贮藏时的对流三、发酵罐的冷却夹套和温度传感器1 冷却夹套锥形发酵

24、罐的冷却夹套一般分为两段或三段。罐体部分设两段或三段；圆锥部分设一段。冷却夹套的位置：柱体上冷却夹套的顶端一般位于液面以下15cm；柱体下冷却夹套的顶端则位于50%液位以下15cm。锥角冷却夹套尽量靠近锥底。2温度传感器根据工艺的需要，开启不同的冷却夹套对酒液进行降温，选择正确的温度传感器得出罐内酒液真实温度。一般情况下可设2个温度传感器，下部传感器设在柱体的底部；上部传感器设在上冷却夹套的下面。锥形发酵罐冷却夹套和温度传感器的位置及使用情况见表6.4所示。表6.4 圆柱锥底罐冷却夹套和温度传感器的位置及使用情况罐的作用冷却夹套的使用温度传感器的使用发酵阶段控制温度由双乙酰还原温度冷却至3深冷

25、至3贮酒阶段柱体两个冷却夹套柱体两个冷却夹套锥部冷却夹套及柱体下部冷却夹套锥部冷却夹套下部传感器下部温度传感器上部温度传感器上部温度传感器四、啤酒的冰点啤酒结冰的温度称为冰点。冷却温度不能低于酒液的冰点。否则，酒液易在罐壁结冰，影响啤酒的质量和稳定性。啤酒的冰点因啤酒中酒精度含量和浸出物浓度的不同而异，计算公式如下：t = （ 0.42 + p 0.04 + 0.2）式中 t 啤酒冰点（） 酒精浓度（g/100g） p原麦汁浓度（p）为了避免酒液在罐壁结冰，冷媒温度不宜过低，以控制在3左右为宜。第四节 锥形罐的压力控制利用锥形罐发酵，发酵开始采用无压发酵，以利某些劣味挥发性物质（硫化氢、乙醛、

26、双乙酰等）的排放。二氧化碳回收时采用微压（0.010.02mpa）。至发酵后期，外观发酵度达70%以上时，封罐，逐渐升压至0.08mpa左右，使二氧化碳逐渐饱和酒内。过早升压酵母沉降块，不利于双乙酰还原。加压发酵总是与高温发酵相伴而行的。高温发酵（13以上）虽然可以加快发酵速度，但酵母增殖强烈，将产生过多的代谢副产物，影响啤酒质量。高温发酵通过加压措施，可抑制酵母过多增殖，避免产生过多的代谢副产物。加压发酵控制加压时间很重要，加压过早，酵母增殖受到抑制，影响发酵速度；加压太晚，又会增加代谢副产物的产生。因此，分段缓慢升压是可取的。酵母接种时无压，温度控制在1012,当发酵度达25%30%时（此时细胞数可达30106细胞/ml左右），缓慢升压至0.03mpa左右，然后升高发酵温度至16左右（此时发酵度为50%左右），压力也相应提高至0.16mpa左右。温度与压力的关系可以下式表示之：罐压（mpa）= 温度（）0.01由此而产生的啤酒，其高级醇和酯类含量明显较单纯高温发酵者低（苯乙醇含量并未降低，反而升高），但仍高于低温发酵酒，啤酒的风味仍然与低温发酵者有所区别，比较粗、苦、涩，双乙酰则有所降低。第五节 锥形罐在使用中常见问题锥形罐在中国