1万吨白葡萄酒发酵罐的设计.doc

一 前言1.1白葡萄酒的发展历史酒作为全球最古老的饮料之一，历史悠久，市场广阔。其中具有7000余年悠久历史的葡萄酒是大自然恩赐于人类的美妙的礼品。它蕴含着浓郁的文化底蕴，是科学技术与高尚艺术的完美结晶，它见证了整个人类文明的发展史。目前全世界每年的葡萄酒产品零售总额约1015亿欧元，与化妆品的零售总额不相上下。葡萄酒产业在我国属于新兴产业，近年来已有长足发展，但是我国葡萄酒产业与欧美国家相比仍然存在较大差距。消除或缩短这一差距，我们应该借鉴美洲和澳洲的发展经验，更多地吸收葡萄酒酿造技术中的高新技术，将先进的科学技术应用到传统的葡萄酒酿造艺术中。1.2白葡萄的简介白葡萄酒是以优良白葡萄品种经分选、压榨、皮肉分离发酵、陈酿、澄清处理精制而成的低度葡萄酒。酒的颜色微黄带绿，近似无色或浅黄、禾秆黄、金黄。本文主要阐述了白葡萄酒分选、破碎、分离、澄清以及发酵等一系列影响葡萄酒品质的的各个环节，最终得出酿造出优质白葡萄酒的方法即优良的原料、卫生的环境，优质的自流汁，良好的澄清，严格的发酵温度和进行苹果酸乳酸发酵。必须是优质葡萄品种酿造而成，如霞多丽、贵人香、雷司令等，糖度要求在18克/升以上。正确的二氧化硫用量，前处理阶段，一般质量状况好的葡萄，6080/L（以总二氧化硫为准）。酿制白葡萄酒的葡萄原料，在采摘时应即刻分选，避免染上腐败病，并且葡萄原料也不适宜长途运输。为了酿造优质白葡萄酒，提高酒的稳定性，葡萄汁在发酵前必须经过澄清处理。果汁澄清处理办法一般有静置、加澄清剂、果胶酶、藻土澄清等方法。温度对白葡萄酒发酵来讲是很重要的，优质酒控制在1820最适宜，这种温度酿制的白葡萄酒果香新鲜、口味细腻。苹果酸-乳酸发酵是改善酒体，使香气、风味物质平衡的必需程序，而且在严格工艺控制的条件下可以实现降酸至酿酒者需要的任意酸度，并得到良好的风味和口感。1.3白葡萄酒的功效. 葡萄酒含有糖、醇类、有机酸、无机盐、维生素等营养物质，对人体发育有不同的补益； . 葡萄酒是唯一的碱性酒精性饮品，可以中和现代人每天吃下的大鱼大肉以及米面类酸性食物，降低血中的不良胆固醇，促进消化； . 葡萄酒中含有抗氧化成分和丰富的酚类化合物，可防止动脉硬化和血小板凝结，保护并维持心脑血管系统的正常生理机能，起到保护心脏、防止中风的作用； . 饮用葡萄酒对女性有很好的美容养颜的功效，可养气活血，使皮肤富有弹性； . 葡萄皮中含有白藜芦醇，其抗癌性能在数百种人类常食的植物中最好。这种成分可以防 止正常细胞癌变，并能抑制癌细胞的扩散。红葡萄酒正是由葡萄全果酿制的，故是预防癌症的佳品； . 红葡萄酒中含有较多的抗氧化剂，能消除或对抗氧自由基，所以具有抗老防病的作用，经常饮用还可以预防老年痴呆。二 工艺流程白葡萄或红皮白肉葡萄分选除梗破碎SO2皮渣果汁分离 压榨 白葡萄汁 发酵 澄清处理 蒸馏 控温发酵加糖，酵母 酒脚 倒桶SO2 白葡萄原酒 澄清处理（离心，加皂土） 冷冻 调配 半成品原酒 硅藻土过滤澄清板过滤除菌板过滤检验 SO2 合格成品 成品干白葡萄酒 二次精滤2.1生产工艺的要点白葡萄酒的生产步骤主要包括原料的破碎、果汁分离、葡萄汁的澄清处理、葡萄酒的发酵、储酒、冷处理、杀菌及装瓶及储藏过程中的防氧化。产品质量标准感官指标：色：近似无色、微黄带绿、浅黄、禾秆黄、金黄色澄清透明、有光泽、无明显悬浮物。香：香气纯正、优雅、怡悦、和谐的果香和酒香。味：纯净、幽雅、爽怡的口味和新鲜悦人的果香味、酒体完整。典型性：典型突出，明确。理化指标：酒精度（%vol,20）：9.0-13.0；总糖（以葡萄糖计）：（4.1-12.0）g/L；总酸（以酒石酸计）：5.0-7.5g/L；挥发酸(以乙酸计)：0.6g/L；游离二氧化硫：50mg/L；总二氧化硫：250mg/L；干浸出物：15g/L；铁（以Fe计）：8mg/L；铜（以Cu 计）：0.5mg/L；pH值:3.1-3.6；铅（以Pb计）：0.2mg/L；砷（以As 计）：0.2mg/L；山梨酸：0.5g/L；容量偏差（20）：500mL；细菌总数（个/mL）：50；大肠菌群（个/100mL）：32.1.1原料的破碎白葡萄比较容易被氧化， 采收时必须尽量小心保持果粒完整，以免影响成品质量。采收后的葡萄必须尽快进行榨汁， 白葡萄通常会先进行破皮程序，有时也会去梗2.1.2果汁的分离 为了不将葡萄皮、梗和籽中的单宁和油脂榨出，压榨时压力必须温和平均，而且要适当翻动葡萄渣。白葡萄酒与红葡萄酒前加工工艺不同。白葡萄经破碎（压榨）或果汁分离，果汁单独进行发酵。即白葡萄酒压榨在发酵前，而红葡萄酒压榨在发酵后。果汁分离是白葡萄酒的重要工艺。将葡萄破碎除梗，果浆直接输入果汁分离机进行果汁分离。采用连续螺旋式果汁分离机低速、轻微施压于果浆。2.1.3葡萄汁的澄清处理果汁澄清的目的是在发酵前将果汁中的杂质尽量减少到最低含量，以避免葡萄汁中的杂质因参与发酵而产生不良成分，给酒带来异杂味。为了获得洁净、澄清的葡萄汁，可以采用一下方法。将破碎压榨所得的果汁澄清，使悬浮在其中的杂质沉淀；（1）二氧化硫静置澄清法 采用添加适量的二氧化硫来澄清葡萄汁，其方法操作简便，效果较好。在澄清过程中二氧化硫主要起三个作用，即可加速胶体凝聚，对非生物杂质起到助沉作用；对葡萄皮上野生的酵母、细菌、霉菌等微生物起到抑制、杀菌作用；葡萄汁中游离二氧化硫的存在，可以防止葡萄汁被氧化。根据二氧化硫的最终用量和果汁总量，准确计算二氧化硫使用量。加入后搅拌均匀，然后静置1624h，待葡萄汁中的悬浮物全部下沉后，以虹吸法或从澄清罐高位阀门放出清汁。如果将葡萄汁温度降止15以下，不仅可加快沉降速度，而且澄清效果更佳。 （2）果胶澄清法 果胶酶可以软化果肉组织中的果胶质，使之分解成半乳糖醛酸和果胶酸，是葡萄汁的黏度下降，原来存在于葡萄汁中的固形物失去依托而沉降下来，以增强称钱效果，同时也加快过滤速度，提高出汁率。 使用果胶酶澄清葡萄汁可保持原果汁的芳香和滋味，降低果汁中总酚和总氮的含量，有利于酒的质量，并且可以提高果汁的出汁率3左右，提高过滤速度。 （3）皂土澄清法 皂土，亦称膨闰土，是一种由天然黏土精制的胶体铝硅酸盐，以二氧化硅、三氧化二铝为主要成分的白色粉末，其溶解于水的胶体带负电荷。它具有很强的吸附能力，用来澄清葡萄汁可获得最佳效果。皂土的使用量应根据事先实验确定。使用时以1015倍水缓慢加入皂土中，浸润膨胀12h以上，然后补加部分温水，搅拌成浆液后以45倍葡萄汁稀释。用酒泵循环1h左右，使其充分与葡萄汁混合均匀。根据澄清情况及时分离。配合明胶使用，效果更佳。 白葡萄汁经皂土处理后，干浸出物含量和总氮含量均有减少，总氮含量的减少有利于避免蛋白质浑浊，干浸出物含量的减少可使葡萄汁变得更加纯净。皂土处理不能重复使用，否则有可能使酒体变得淡薄，降低酒的质量。 （4）机械澄清法 利用离心机高速旋转产生巨大的离心力，使葡萄汁与杂质因密度不同而得到分离。离心力越大，澄清效果越好。它不仅使杂质得到分离，也能除去大部分野生酵母，为人工酵母的使用提供有利条件。离心前葡萄汁中加入果胶酶、皂土或硅藻土、活性炭等助滤剂，配合使用效果更加。 机械澄清法可在短时间内使果汁澄清，减少香气的损失；能除去大部分野生酵母，保证酒的正常发酵；自动化程度高，即可以提高质量，有可以降低劳动强度。2.1.4葡萄酒的发酵葡萄汁经澄清后，根据具体情况决定是否进行改良处理，之后再进行发酵。 白葡萄酒发酵多采用添加人工培育的优良酵母（或固体活性酵母）进行发酵。酵母的选择除具有酿酒风味好这一重要条件外，还应能适应低温发酵、保持发酵平稳、有后劲，发酵彻底、不留较多的残糖、抗二氧化硫能力强，发酵结束后，酵母凝聚，并较快沉入发酵容器底部，使就易澄清。白葡萄酒的发酵通常采用控温发酵，干白葡萄酒发酵温度一般控制在1418，不能超过20.主发酵期一般为15d左右。发酵温度对白葡萄酒的质量有很大影响，低温发酵有利于保持葡萄中原有果香的发挥性化合物和芳香物。如果超过工艺规定范围，会造成以下主要危害：易于氧化，减少原葡萄品种的果香；低沸点芳香物质易于挥发，减低酒的香气；酵母菌活力减弱，易感染杂菌或造成细菌性病害。因此控制发酵温度是白葡萄酒发酵管理的一项重要工作。为达到此目的，发酵容器常附带冷却装置。 主发酵结束后残糖降低止5g/L以下，即可转入后发酵。后发酵温度一般控制在15以下。在缓慢的后发酵中，葡萄酒香和为的形成更为完善，残糖继续下降止2g/L以下。后发酵约持续一个月左右。下表为主发酵结束后白葡萄酒外观和理化指标：指标要 求外观发酵液面只有少量CO2气泡，液面较平静，发酵温度接近室温。酒体呈浅黄色、浅黄带绿或乳白色。有悬浮的酵母混浊，有明显的果实香、酒香、CO2气味和酵母味。品尝有刺舌感，酒质纯正理化酒 精：911（体积分数）（或达到指定的酒精度）残 糖：5g/L以下相对密度：1.011.02挥 发 酸：0.4g/L以下（以醋酸计）总 酸：自然含量白葡萄酒发酵多采用人工培育的优良酵母（或固体活性干酵母）进行低温发酵。主发酵温度在1622 为宜，主发酵期为6 d 左右。主发酵后残糖降至5 g/L 以下，即可转入后发酵。后发酵温度一般控制在15以下。在缓慢的后发酵中， 葡萄酒香和味的形成更为完善， 残糖继续下降至2g/L 以下。后发酵持续30 d 左右2.1.5倒桶、储酒将澄清的葡萄酒倒入橡木桶中储藏， 此过程对白葡萄酒的酿制很重要， 几乎所有高品质的葡萄酒都经橡木桶的储藏，因为橡木桶不仅补充了酒的香味，同时提供适度的氧气使酒圆润和谐。储藏时间的长短依据酒的结构、橡木桶的大小新旧而定，通常不会超过2 年。白葡萄酒储藏的过程主要是为了提高稳定性，使酒成熟，口味重，要达到这个要求，和谐乳酸发酵、换桶、短暂透气等都是不可少的程序。 2.1.6冷处理冷处理是使酒中杂质因温度降低而发生沉淀， 再通过过滤把沉淀除去，使酒质稳定，如去酒石酸化盐、乳酸发酵、澄清等，才能使发酵液在瓶中进行二次发酵。在二次发酵前， 酿酒师常会混合不同产区和年份的葡萄酒以调配出所要的各种口味。发酵完毕，经储藏一段时间的葡萄原酒，逐渐趋向老熟，酒味变得醇和起来，酿酒者可以对原酒的酒度、糖分、酸分进行调配。上市的红葡萄酒的含糖量为12 %14 %，酒度为12 %vol，酒度用同品种蒸馏酒调配，酸度可用柠檬酸或中性酒石酸调配，糖度用白砂糖调配。2.1.7杀菌及装瓶装瓶前，必须去除酒中的死酵母和葡萄碎屑等杂质。常用的方法有换桶、过滤法、离心分离器和皂土过滤法等。把酒装入预先消毒的酒瓶中， 于6070 ， 杀菌1520 min。2.1.8白葡萄酒的防氧处理白葡萄酒中含有一些酚类化合物，如花色素苷、单宁、芳香物质等，这些物质有较强的嗜氧性，在与空气接触过程中易被氧化生成棕色聚合物，使白葡萄酒的颜色变深，酒的新鲜果香味降低，甚至造成酒的氧化味，从而影响葡萄酒的质量和外观的不良变化。因此白葡萄酒中的防氧化处理极为重要。白葡萄酒氧化现象存在于生产过程的每一个工序，如何掌握和控制氧化是十分重要的。形成氧化现象需要三个因素：有可以氧化的物质如颜色、芳香物质等；与氧接触；氧化催化剂如氧化酶、铁、铜等的存在。凡能控制这些因素的都是防氧化行之有效的方法，目前国内在白葡萄酒生产中采用的防氧措施见下表：防氧措施内 容选择最佳采收期选择最佳葡萄成熟期进行采收，防止过熟霉变原料低温处理葡萄原料先进性低温处理（10以下），然后再压榨分离果汁快速分离快速压榨分离果汁，减少果汁与空气接触时间低温澄清处理将果汁进行低温处理（510），加二氧化硫，进行低温澄清或采用离心澄清控稳发酵果汁转入发酵罐内，将品温控制在1620，进行低温发酵皂土澄清应用皂土澄清果汁（或原酒），减少氧化物质和氧化酶的活性避免与金属接触凡与酒（汁）接触的铁、铜等金属器具均需有防腐蚀涂料添加二氧化硫在酿造白葡萄酒的全部过程中，适量添加二氧化碳充加惰性气体在发酵前后，应充加氮气或二氧化碳气体密封容器添加抗氧剂白葡萄酒装瓶前，添加适量的抗氧化剂如二氧化碳、维生素C等三物料衡算(1)生产周期前酵期57 d， 后酵期为2030 d， 储酒期0.52年，生产能力10000 t。(2)原料用量按工艺要求，葡萄酒的原料为100%新鲜的优质葡萄，葡萄用量为2000kg。其糖度为196g/L，按正常操作，酿成的酒精度为11.0%-12.0%，符合国家的标准要求。(3)葡萄汁的量葡萄经除梗破碎之后得到的葡萄汁，一般情况下皮、梗、籽占整个果穗的23%，不能酿酒发酵的低档压榨汁为3%。因此，所得葡萄浆的量为：10000（1-23%）（1-3%）=7469 t10000（1-23%）（1-3%）=7469 t(4)发酵原酒的量葡萄汁经过酒精发酵之后，分离酒脚，接着进行自然发酵，之后分离酒脚得到的发酵原酒。一般情况下，酒精发酵后的酒脚量约占整个发酵醪液的5%，自然发酵后的酒脚量约占发酵原酒的2%，再次发酵过程中的压榨、管道及操作损失约为1%。因此，酒精发酵后所得原酒的量为：7469（1-5%-1%）=7020.86t苹果酸-乳酸发酵后所得原酒的量为：7020.86（1-2%）=6880.44t(5)陈酒原酒量发酵后，原酒进入陈酿阶段，此过程经过几次的倒罐操作，分离酒脚，得到较澄清的、口感较佳的陈酿型原酒。在陈酿期间酒脚、储存期自然损失及操作过程中的损失一般为3%左右，因此，陈酿后原酒的量为：6880.44（1-3%）=6674.03t(6)稳定后处理原酒的量陈酿后的原酒在品评均衡后经稳定性处理，主要进行下胶澄清、低温冷冻和趁冷过滤处理。其中下胶澄清过程的损失约为2%。低温冷冻和趁冷过滤过程损失约为2%。因此，稳定性处理后原酒的量为：6674.03（1-2%）（1-2%）=6409.74t(7)装瓶后成品的量稳定性处理后的酒经过无菌过滤后，进入灌装系统装瓶包装。在此过程中的过滤损失及机械操作等损失大约为2%。因此装瓶后的成品量为：6409.74（1-2%）=6281.54t(8)出酒率由物料衡算得知，10000t葡萄产酒6281.5t则葡萄出酒率为：6281.5/10000100%=62.815%吨酒耗葡萄量为：10000/6281.5=1.5919t年产10000吨白葡萄酒耗葡萄量为：100001.5919=15919t(9)二氧化硫的添加量生产10000t白葡萄酒，二氧化硫用量为50/L,使用6%的亚硫酸调硫，添加量为：10000(10)蔗糖添加量生产10000t白葡萄酒，出汁率为75%，含糖量为196g/L,生产12%vol葡萄酒，需补加蔗糖：（1218-196）10000=100t四 备选型及设计4.1除梗机选用卧式除梗破碎机。将进料破碎、除梗、测糖、添加二氧化硫等功能于一身。除梗机的生产能力一般为1520 th，对于年产5000 t 白葡萄酒的大型企业，可以选择卧式除梗破碎机2 台。4.2气囊压榨机用于葡萄浆与发酵醪的皮渣压榨。压榨机的数量要根据其生产能力和原料的进料能力而定，可按下式计算：n=eW式中：n压榨机的台数；e进料能力，th；W压榨机的生产能力，th。根据压榨机的生产能力应选择1820 th， 因此选择4 台压榨机，型号为DZJ20。4.3发酵罐发酵罐是一切发酵过程的硬件，这是因为发酵周期和发酵成熟液的质量决定于发酵罐设计水平及相应工艺过程。厌氧、发酵周期短的酒精发酵罐虽不像需氧量极大、发酵周期较长的青霉素发酵罐那样复杂，但酒精发酵罐也越来越体现其独特性，现在运行的酒精发酵罐容积已达4200m甚至更大，远比青霉素发酵罐大（约15倍）。大型生物反应器的研究是生物化学工程中四大课题之一，是生物工程技术中的一个重要组成部分。酒精发酵罐的几何形状有：碟形封头圆柱形发酵罐、锥形发酵罐、圆形斜底发酵罐、圆柱形卧式发酵罐。目前常见的600m以下发酵罐多设计为追星发酵罐，超过600m的发酵罐多设计为圆柱形斜底发酵罐目前美国最大的圆柱形斜底发酵罐，容积已达4200m。改进型的圆柱形卧式发酵罐可能更有前途，这是因为圆柱形卧式发酵罐高度可以相对低（罐高降低、罐底部压力降低，有利于酵母菌生存代谢），便于工艺操作，容积还有可能增大，倾斜放置更利于CIP在线清除系统发挥作用。4.4储罐（橡木桶）用于葡萄酒的存储、控温、控制pH 值等。容积：35.28.5=300 m3；数量：34 个4.5螺杆制冷机组用于发酵罐、储罐及配酒罐的恒温制冷。采用三洋压缩机的低温单机双级变频螺杆机组，-30-60。-30时，冷量可达190 kW，工质为R22。4.6发酵罐控制器用途：主要控制主发酵罐的温度、pH 值、酸度、糖浓度、搅拌、循环系统及各辅料的输入等。数量：10 个（因为发酵罐数量是10 个）。葡萄汁冷却器将压榨后的葡萄汁冷却至后发酵温度20。型式：板式冷却器。所需冷却面积计算：冷却（冷却介质为冷水）：葡萄汁温度：2520 ；冷水温度：1821 ；冷却时间：60 min。FGC（t1-t2）式中G=10000 kg/h，C=0.98 kcal/kgt125，t1=18 ，t2=20 ，t2=21 Q=100000.98(25-20)49000 kcal/hF Q/Ktcp， tcp=(t1-t2)/ln(t1/t2)逆流传导时的平均偏差：t1t1-t225-214t2t22-t120-182tcp (4-2)/ln(4/2)2.89先取用葡萄汁冷却器为薄板冷却器， 其传热系数K值取2000 kcal/m2 h，则F= 49000/(20002.89) =8.48 m2过滤段冷却（冷却介质为盐水）：葡萄汁温度25 -5 ；盐水温度-10 0 ；冷却时间60 min。Q2GC（t1-t2）式中：G49000 kg/h C0.98 kcal/kgt125，t1= -10，t2=-5， t2=0 Q249000 0.98（25+5）1440600 kcal/hF2 Q2/Ktcp， tcp(t1-t2)/ln(t1/t2)t1t1-t225-025t2t2-t1 -5-（-10）5tep= (25-5)/ln (25/5)=12.43 ，取K2000 kcal/kg盐水耗用量G Q 总/C（t2-t1） ， C0.37 kcal/kg盐水量：G 1489600/0.7310-（-10）203775.6 kcal/h4.7酒瓶1t 葡萄酒需容量为750 mL2 %的酒瓶1350 个，年需瓶量为：100001350=1350万个；用水量：生产过程中，水主要用于发酵罐的清洗、车间的冲洗及瓶的冲洗等。1 t 水可以清洗的面积为30 50 m2。4.8设备选型一览表设备名称型号处理量（t/h）设备质量（kg）外形尺寸（mm）数量（台/个）螺旋输送机LSS2525125300060010001卧式除梗破碎机JYG202012001800120011752连续式压榨机DZJ20524453740111017902发酵罐10螺杆制冷机组JZKA12.5C21301储罐3008008500520017沉淀真空转鼓过滤机1洗瓶机QSP-8002000-8000P35004200140013001灌酒机PS-303000-5000P23001800165018001全自动包装机DXDY6040-60箱37001625075015001蠕动泵4活塞泵2板框滤机BM100332003480145013601配酒罐200400850036003五 总结 20世纪生物工程技术最大的突破是细菌产生的耐高温-淀粉酶的广泛利用，与之配套的蒸汽连续喷射液化技术两者相得益彰，其结果是产生了大型酒精发酵罐连续发酵技术。过去酒精发酵罐容