（轻工技术与工程专业论文）麦汁充氧与酵母添加系统的改进.pdf

摘要 摘要 随着国家经济的持续高速发展，啤酒越来越成为人们同常生活中的一种普通消费 品。而随着政府不断加大的食品卫生和安全的宣传力度和检查力度，以及消费者不断累 积的啤酒消费经验，消费者越来越重视啤酒的风味以及风味的稳定性。风味的稳定性也 越来越成为啤酒制造商用以留住忠诚消费群体进而提高市场竞争力的一种有力手段。啤 酒酵母是啤酒发酵过程中的一个最重要、最基本的元素，参与了啤酒发酵的全过程。啤 酒质量的好坏、风味的纯正与否、质量以及风味的稳定与否，与啤酒的发酵过程直接相 关，也与酿造过程中的工艺设备是否完善直接相关。 麦汁充氧与酵母添加是酿造过程的初始阶段。这一工艺过程的可控性、精确性、无 菌性将直接影响整个发酵过程以及最终结果。因此，深入研究并提供一种可靠的麦汁充 氧与酵母添加工艺设备对啤酒的酿造有着十分重要的意义。已经有许多关于酵母方面的 研究：从酵母的生物学形态与特性，到酵母生理学方面的代谢过程及其控制等，但是， 如何从工艺设备上保证酵母代谢所需的氧气的无菌、精确添加、灵活控制则内容很少。 论文收集整理了国内外零散的关于麦汁充氧与酵母添加方面的论述要点、实验数 据、图表，进行了归纳整理。同时，根据国内啤酒厂的实际情况，对比分析了国内外各 种设备供应商所提供的各种单体设备( 部件) 以及相似设备的优缺点，根据发酵工艺对 麦汁充氧与酵母添加工艺与设备的要求，对一个充氧量可控、酵母添加量准确的麦汁充 氧与酵母添加设备所必须具备的一些基本要素进行了详细的陈述。 论文对“麦汁充氧与酵母添加”这一工艺过程提出了精确可控以及无菌化的观点。 这一观点对于啤酒厂的产品质量提高、生产的可重复性、风味稳定性有着现实的促进作 用。 由于麦汁充氧与酵母添加这一工艺过程处于工艺流程中的糖化与发酵之间，容易被 忽视。考虑到在这一过程中，麦汁温度已经降低，处于一种高染菌风险之下，因此，在 该设备的设计中充分考虑了其自身的原位清洗同时将该工艺过程的原位清洗与发酵罐 区管路之间的原位清洗以及酵母添加管路之间的原位清洗合并考虑进去。这样最大限度 地控制并降低发酵过程中的染菌风险。 最后，本文以一个年产1 5 万吨啤酒厂为例，设计了壹台麦汁充氧与酵母添加设备， 给出了该设备的相关设计图纸及技术说明，例如带控制点流程图以及自控系统功能描述 等等。同时，对该设备作了使用前后的效果对比。 关键词：麦汁充氧，酵母添加，工艺，设备，原位蒸汽灭菌，无菌化 a b s 廿a c t a b s t r a c t c h i n a sa n 锄e 蟛n gn a t i o n ，n l ee c o n o m yh a sb e i n gc o n t 主n u o u s l yd e v e l o p e df a s ti 玎n l e p a s t1oy e a r s b e e rb e c o m e sam o r ea n dm o r ec 0 佃m o nc o n s u m a b l ei nc l l i n e s ed a i l v1 i v e s t h ec o n s u m e rb e c 0 啪e sn o t 0 1 1 】y m o r ea n dm o r ef o c u s i n go nt h eb e e rq u a l i t yb u ta l s o f o c u s i n go n 也eb e e rt a s t ea n dt h eb e e rf l a v o rs t a 柳1 i 咄1 h i si sb e c a u s et 1 1 a tc o n s u m e r sh a v e g a i n e dp e r s o n a le x p 翻e 芏1 c e sn l r o u 曲b e e rc o n s u m i n gd u n gt h ep a s t2 0y e a r s a n do nt h e o t l l e rh a n d ，c l l i n e s eg o v 跚e n tk e 印sr e i n f o r c i n gt h ei n t r o d u c t i o n & i 1 1 s p e c t i o no ff o o d s a n j 训o na n df o o ds a f l e 啦s p e c i a l l 弘t h eb e e r 妇a v o rs t a b i l i t yb e c 0 m e s0 n eo f n l ek e yw a y 南r b e e rm a n u f a c t u r e r st ok e 印t l l e1 0 y 甜c u s t o m e r s f u n h e rm o r et 1 1 i sw i l li n c r e a s et h eb r e w e r i e s c o m p “t i v ec 0 咖p 酏e n c ei nt h em a r k e t y e a s t ，a sam o s ti m p o r t a l l ta n dm o s tb a s i ce l e l l l e n ti n t 1 1 eb r e w e 秽f e n n e n 枷o n ，p a r t i c i p a t e si i lt h eb e e rf 缸n e n t i n gw h o l l y e s s e n t i a l l y ，t h eb e e r p r o d u c i n gp r o c e s si st h a tt h ey e a s t sm e t a b o l i s mp r o c e d u r e b e e rq u a l i t 弘t a s t e ，q u a l i t ) r s 诎i l i t ya i l dn a v o rs t a b i l i t ya r ed i r e c t l yr e l e v a n tt o 岛m e l l t a t i o np r o c e s sq u a l i 妣t 1 1 u si sa l s o d i r e c t l yr e 】e v a l l tt ot 1 1 ep r o c e s se q u i p m e n ta sw e l l w o r ta e r a t i o n 锄dy e a s tp i t c h i n gi st 1 1 ep n m a ls t 印o ft h ef 锄e n t a t i o n t h ec o n t m l l a b i l i 戗 a c c u r a c ya n ds t e d l i z a t i o no ft h ep r o c e s sw i l 】d e f i n i t e l yc a u s e 1 er e s u l to ft h ef i n a lp r o d u c t t h e r e f o r e ，t od e 印1 ys t u d ya n dp r o 啊d ear e l i a b l e “w o r ta e r a t i o na 1 1 dy e a s tp i t c h i n gp r o c e s s e q u i p m e n t ”i sm 础g 如1t ob r e 、) l r e r yn o w a d a y s ，t h e r ea r et h o u s a n d so fs t u d i e so ny e a s t c o v 嘶n gt h e6 e l d so fy e a s ts h 印ea 1 1 dc h a r a c t 嘶s t i c s ，y e a s tm e t a b 0 1 i cp r o c e s sa n di t sc o n n o l ， a n ds oo n r e g r e t 向1 1 y ，t h e r ei sv e 巧觚ri n 如m l a t i o na _ b o u th o wt oe n s u r et h es t e 一1 i z a t i o no f t l l ea e r a t i o ng a s ，h o wt oe n s u t et h ep i t c h i n ga c c u r a t e l ya n dh o wt op r o v i d et h ew o n a e r a t i o n a n dp i t c h j n gc o n t r 0 1w i t hf 】e x i b i l i t y ： 1 1 1 ep 印e rc 0 1 l e c t e dt h e 嘶e f so f r e l e v a n ta n i c l e s ，e x p e r i m e n t a ld a t 钆f i g u r e sa 1 1 dc o n c l u d e d a tm es 锄et i m e ，虹1 ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sc o m p 撕s o no f c o m p o n e n t s 、袖i c hf o 舢s t h ep a r to f 廿l ee q u i p m e l l t ，嬲w e l la st h ec o m p l e t ee q u i p m e n t s ，h a v eb e e nd o n ea c c o r d i n gt 0 d e d i c a t e df i 黜l e n t a t i o np r o c e s sr e q u i r e m e n t t 1 1 e r ea r ea l s od e t a i ls t a t e m e n t sa b o u tb a s i c e l e m e n t so fac o n 仃0 1 1 a b l ea e r a t i o na n da c c u r a t ey e a s tp i t c h i n g t h ep a p e rr a i s e dav i e w p o i n to fa c c u r a t ec o n 毛r 0 1 l a b 】ea e r a t i o na n ds t 硎1 i z a t i o nf o r 、r t a e r a t i o na n dy e a s tp i t c hp r o c e s s t h e 、，i e w p o i n ti s h e l p m l t ob e e rq u a l i 够i m p r o v e m e n t ， r 印e a t a b i l j t yo fp r o d u “o na 1 1 dt a s t es 讪i l i 坝 s m c ew o r ta e r a t i o na i l dy e a s tp i t c h i n gi sap r o c e s sb e t 、) i ，e e l lb r e wh o u s ea n d 向t n e n t a t i o n s e c t l o n ，i ti se a s i e rt ob en e 9 1 e c t e d h o w e v t 1 1 ew o n t e m p e r a t u r ei 1 1t h j sp r o c e s si sa l r e a d y 1 0 ws ot h a ti ti se x p o s e dt oi n f e c t i n gn s k i ti si m p o r t a n tt oc o m b i n e 廿l ec i po f e q u i p m e n t i t s e l fa n dm ec i po ff c 彻锄t a t i o ns e c t i o np i p i n gs y s t e l l ld 嘶n g t h e 朗西n e e 血gd e s i 印o ft h e w o r ta e r a t i o na n dy e a l s tp i t c h j n ge q u i p m e n t t h u st 1 1 e i n f e c t i n g s kw i l lb ec o n 廿0 1 1 e da 1 1 d r c d u c e dt oa sm u c ha sp o s s j b l e f 。m a ll y ，aw o r ta e r a t i o na n dy e a s tp i t c h j n ge q u i p m e i l ti sd e s i 印e db a s e do nae x 锄p l eo f b r e w e 巧w h i c hy e a r l yo u t p u ti s1 ，5 0 0 ，0 0 0 瑚i nt l ep a p 乩t h en e c e s s a 珂d r a w i n g ss u c ha s p & i d ，d o c u m e l l 伽o ns u c h 嬲如n “o nd e s 嘶p t i o no f 叫t o m a t i o na 1 1 dt 1 1 ec o m p 撕s o no ft h e e f 诧c t k e y w o r d s ：w o na e r a t i o n ，y e a s tp i t c h i n g ，p r o c e s s ， e q u i p m 明t ，s t 喇l i z ei np l a c e ，s t 丽l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人雀导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日 期：二oo 八年三月九日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 麦汁充氧与酵母添加对啤酒发酵工艺过程的影响 啤酒生产工艺中，工程师们都在极力避免啤酒或者发酵液接触空气。主要原因有： ( 1 ) 担心空气中的氧气对啤酒发生的氧化作用，造成啤酒浑浊，色泽加深、产生 不愉快的气味与味道； ( 2 ) 担心空气中含有的多种微生物对啤酒发酵过程造成不可控制的转化，最终导 致啤酒质量的下降以及生物稳定性下降； ( 3 ) 导致啤酒喷涌以及爆瓶的增多。 但是，无论是扩大培养后得来的种酵母，或是发酵结束后回收的回收酵母，添加进 麦汁后，都不足以立即形成工业化发酵过程所需的酵母数量( 或称酵母浓度) 。所以， 在酵母添加后，为了得到所需的酵母浓度以促使发酵的正常丌始，首先必须使麦汁中的 酵母得到有效的增殖。这就引出了整个发酵工艺过程中唯一需要接触氧气的工序：在麦 汁冷却后进行麦汁的充氧( 或称通风) 。在密闭的麦汁冷却系统中，对麦汁进行充氧， 其目的是供给酵母繁殖过程所需要的氧。酵母要繁殖就需要合成新的、形成细胞膜的不 饱和脂肪酸和甾醇，而这些物质需要在氧的参与下力能进行生物合成。同时，为了避免 由于充氧本身对麦汁造成的氧化作用，希望充氧是在麦汁冷却到一定温度后进行以削弱 氧对麦汁的氧化作用。通常，这一温度取决于酵母特性和工艺要求，并且需要对充氧后 麦汁中的溶解氧含量进行适当的控制。 1 1 1 充氧量与啤酒发酵工艺过程的关系 麦汁经过煮沸后，基本上可以说没有污染。所有相关的容器、管道、阀门、泵也事 先经过原位清洗( c l e a ni i lp 1 a c e ) 进行了有效的清洗，因此，麦汁充氧首先要考虑的是 添加的空气( 或者纯氧，下同) 本身必须是无菌的。所以，防止充氧对发酵过程造成污 染主要考虑的是：空气自身的无菌过滤以及从无菌过滤器出口至空气添加进麦汁之间管 路系统的无菌。 合格的麦汁充氧用的空气需要经过以下几个环节的处理： ( 1 ) 合适的取气口：如果压缩空气制备系统的取气口位置不当，极其容易造成压 缩空气的染菌。例如取气口接近工厂公共浴室或者厕所；取气口设置的位置太低，空气 中的杂质、浮尘含量高等等。取气口最好能够设置在比较高的位置以获得洁净的空气。 ( 2 ) 空气压缩机本身的空气滤清器的定期预防性更换：该空气滤清器的目的是去 除空气中大的颗粒杂质以及漂浮在空气中的其它杂质、浮尘。 ( 3 ) 空气压缩机机房内对压缩后空气进行过滤的活性碳和棉饼( 棉花) 的定期预 防性灭菌与更换：去除空气中的异味、固体杂质以及无油压缩机可能带出的润滑油。至 此，空气中所含的固体杂质其最大颗粒直径为1 0 微米，无油、基本无水份。 ( 4 ) 低温冻干机：用于除去压缩空气中的水分。视冻干机的冷却方式不同，有必 要定期对冷却器的表面进行有效的消毒。至此，对空气中的水分含量的要求为：正常使 江南大学专业硕十学位论文 用条件下，其露点温度至少比环境温度低1 0 。 ( 5 ) 经过上述处理后的压缩空气送到麦汁充氧装置后，还需要经过无菌过滤器的 进一步过滤以确保无菌。同时该无菌过滤器又必须是能够被在线灭菌并且重复使用的。 否则，该无菌过滤器本身可能就会成为“污染源”。 ( 6 ) 要做到无菌过滤器入口到空气添加进麦汁之间的管路自身无菌，除了管路系 统( 包括接管板设计方式、阀门选型及其焊接方式等等) 需要设计成为可以完全进行原 位清洗( c i p ) 外，还要能够进行原位蒸汽灭菌( s t 舐1 i z e di i lp 1 a c e ) 。 ( 7 ) 如果采用纯氧作为添加气体，一般来说，由于氧气制备的工艺，一般认为纯 氧中不含有菌体。因此，无需进行无菌处理，但是，管路系统的无菌处理和上述的生盘 内容相同。 得到了无菌的空气后，就可以向冷麦汁中进行充氧了。 冷却后的麦汁中添加酵母以后，发酵便开始了。整个发酵过程基本可以分成三个阶 段：( 1 ) 酵母恢复阶段；( 2 ) 有氧呼吸阶段；( 3 ) 无氧发酵阶段。但此三个阶段并不是 截然可分的。 酵母接种后，首先需要在充氧过的麦汁的条件下，恢复其生理活性。接种的酵母分 成两类，一类是扩培后的扩培酵母，另一类是回收酵母。无论是哪一类酵母，其细胞在 经过上一轮繁殖完毕后，其甾醇含量下降至很低，例如，1m g g 干酵母以下，甚至没有。 酵母细胞膜的主要构成物质之一是甾醇，为了适应接种后对酵母进行繁殖的要求，因此 首先需要合成甾醇，并使其达到一定含量( 例如，1 0m g 儋干酵母左右) ，才能合成新的 细胞膜，恢复其渗透性。然后，依靠酵母细胞膜的渗透性，从麦汁中吸取营养物质( 可 发酵性糖和可同化氮) 。甾醇的合成反应是在不饱和脂肪酸及氧的参与下进行的1 1 】： 3a t p - 3a d p 0 20 2 甲瓦龙酸一一1 一 角鲨烯二l - 羊毛甾醇j l - 麦角甾醇 酵母甾醇 c 0 2 在此恢复期中，酵母基本不繁殖。消耗的能量是由细胞内部的肝糖和海藻糖提供的。 但酵母细胞膜回复其渗透性后，营养物质进入细胞，酵母将利用吸收的糖类再次进行肝 糖的积累，以供下次接种使用。 随着酵母细胞膜渗透性的恢复，酵母恢复了生理活性，于是就进入了下一个过程： 有氧呼吸阶段。在此过程中，麦汁中的糖类物质通过细胞膜进入酵母细胞内，酵母在有 氧的条件下通过有氧呼吸，糖被分解成水和二氧化碳，同时释放出能量。吸收了能量的 酵母开始了增殖过程。这些能为随后的酵母繁殖过程提供能量： c 6 h 1 2 0 6 + 60 2 + 3 8a d p + 3 8p i 专6c 0 2 + 6h 2 0 + 3 8a t p + 热能【1 】 酵母的呼吸过程中，无氧发酵会得到所谓的“巴氏德效应”( p a s t e u re 骶c t ) 的抑制 作用。但是，当麦汁中含有较高浓度的葡萄糖时( 1m 1 0 0 m l ，因酵母而不同) 时， 2 第一章绪论 分子氧不能完全抑制发酵，有氧呼吸反而受到一定程度的抑制，即“克拉勃垂效应” ( c r a b 仃e ee 毹c t ) 。因此，酵母接种初期，由于麦汁中含有较高的葡萄糖，所以，过量充 氧并不一定会形成更多的酵母，而往往会伴随着部分的酒精发酵【l 】。 综合上述，可以看到，麦汁充氧过程是必需的，但同时还需要根据工艺特点、酵母 特性、麦汁成分建立一个有效的、可以精确调节以获得优化值的工艺过程。 充氧不足和过度充氧，对酵母的增殖都存在着危害性。 充氧不足的危害有酵母的繁殖不良、影响降糖、发酵不旺盛、延长发酵时间、减少 对氨基氮的吸收、减少杂醇油、乙偶姻和丙酮酸的形成、降低酵母的活性( 发育能力) ； 致使p h 值升高以及酯的形成。 过度充氧的危害：增加脂肪酸和固醇类物质、得到较少的用于酯转化的酶、增加了 双乙酰前期物质的形成、形成乙醛、减少二甲基硫、增加硫化氢、促使酵母退化和变形。 如果是采用纯氧充氧，则过量充氧会导致酵母“氧中毒”。 根据啤酒酿造工艺要求和实际酿造经验，麦汁充氧量一般在6 1 0m 鲫( 麦汁) 的范 围内【l 】。低于6 m 鲫，一般认为充氧不足；而高于1 0 m 妒，一般认为充氧过度。因此， 从工程设计的角度来说，经验值是8m g 1 士2m 鲋。 在根据工艺要求确立了合适的麦汁充氧量后，就需要进一步考虑如何保证氧气真正 能够在麦汁中溶入。一般认为，影响麦汁溶氧量的主要因素有： ( 1 ) 氧的饱和溶解度以及影响饱和溶解度的因素 特定的环境下，能够溶解在麦汁中的氧的最大浓度( 数量) 称为氧的饱和浓度( c s ) 。 c s ：p p o ，( 4 9 5 4 - o 0 7 1 6 o g ) i _ 1 3 9 3 4 4 + 塑塑一掣+ 坚塑掣一丝掣l 口】 、 。l 。i 。ri 。11 i j 其中： c s= 麦汁中氧的饱和溶解度，m 鲋 p = 麦汁在输送管道内的绝对压力，b a r p 0 2 = 0 2 的分压，b a r 。其中p 0 2 ( 空气中) = 0 2 0 9 5b a r ，p 0 2 ( 纯氧中) = 1 o o ob a rg o g = 啤酒原浓( o p ) t = 温度( k ) 以下就上式中的相关因素中单个因素发生变化时对氧饱和浓度的影响进行定量分析： 3 0 2 5 喜；： 61 0 5 0 5791 11 31 51 71 92 12 3 o c ! c s 窖气- 蔓! 墨0 图1 1 氧气和空气的氧饱和溶解度曲线 f i g 1 - lc u r v eo f c s ，0 2v s a i r 3 江南人学专业硕士学位论文 充氧气体的种类对氧饱和浓度的影响：麦汁压力为1b a r ，原浓为1 0 0 p 由图1 1 可以知道：如果将纯氧气用作麦汁充氧的介质，麦汁温度越低，饱和溶解 度越高。而且趋势明显；如果将空气用作麦汁充氧的介质，饱和溶解度随麦汁温度升高 而略降低，但是趋势不明显；相同麦汁压力与温度下，纯氧气的饱和溶解度约空气饱和 溶解度的4 7 倍。 麦汁的温度和原浓对氧饱和溶解度的影响；麦汁压力为1b a r ，原浓分别为1 0 叩， 15o p ，2 0 叩 1 0p 1 5p 2 0p c s 图1 2c s 氧饱和溶解度曲线 f i g 1 2c u r v eo f c s 由图1 2 可以知道：原麦汁温度越低，饱和溶解度越高；相同麦汁温度条件下，原 麦汁浓度越低，饱和溶解度越高。 麦汁压力对氧饱和浓度的影响：1 2 0 p 原浓，以空气充氧。在同等温度下，麦汁管 道背压越高，饱和溶解度越高。麦汁压力每增加1b a r ，饱和溶解度大约增加一倍。 对于啤酒厂而言，为了稳定生产工艺以及特定酵母在特定浓度麦汁中的性能，无论 是否采用高浓度啤酒稀释技术，原浓范围一般在( 1 0o p 1 5o p ) 之间。此外，一般来说， 添加的是空气，因此，p 0 2 也是常数。麦汁温度会有少量变动，范围在( 5 0 c 8 0 c ) 之 间。在此情况下，进行计算后取其平均值，麦汁中氧的饱和溶解度公式可以简化为c s 2 1 4 p ，即麦汁中氧的饱和浓度与麦汁的浓度之间有着近似线性关系。 ( 2 ) 氧的传递方式、氧的气泡尺寸对充氧量的影响 氧在麦汁中的传递速率与以下几个方面的因素有关： 麦汁的粘度：原麦汁浓度高，则粘度高，传递慢；原麦汁浓度低，粘度低，传递 快。 气泡大小：麦汁中空气的气泡越小，同等添加量下，气泡的数量就越多，因此， 接触面积越大，氧的传递就越快。 麦汁的压力越高，由于液体压力的作用，气泡的尺寸就越小；压力越小，气泡的 尺寸越大。 ( 3 ) 充氧后氧气的停留时间对充氧量的影响 充氧后，麦汁中的氧气溶入麦汁是一个物理过程。因此，需要一定的时间供氧气真 4 第一章绪论 正有效地溶解进麦汁中。这个时问称为氧气在麦汁中的停留时间。氧气( 纯氧或者空气 中的氧气) 添加进麦汁后，在麦汁中的停留时间( 自添加始至最终溶解进麦汁之间的时 间) 越长，氧的传递量越多，越接近饱和溶解度。一般来说，在lb a r ( a b s ) 条件下， 达到1 0m 朗氧的溶解需要大约1 0 秒的时间。【l o 】 填充的空气不可能完全溶解进麦汁中成为溶解氧，因此，充氧量总是比溶解氧量要 高。充氧量的多少，实际上对设备的选型( 例如无菌过滤器大小、流量计大小、阀门大 小等等) 有影响，进而对设备的造价有影响。以空气为例，在麦汁溶解氧的要求一定的 条件下，可以得到以下关系： ( 1 ) 麦汁管道压力越高，气泡尺寸越小，氧的传递效率越高，真正溶解进麦汁中 的氧就越多，因此，空气( 或者氧气) 的利用率就越高，所以，所需的空气( 或者纯氧) 的绝对数量就越少。 ( 2 ) 麦汁温度越低，饱和溶解度越高，所以，溶解进麦汁的溶解氧量就越高，所 需的充氧量就越少。 ( 3 ) 原麦汁浓度越低，饱和溶解度越高，所以，溶解进麦汁的溶解氧量就越高， 所需的充氧量就越少。 ( 4 ) 充氧后，维持一定麦汁压力的时间越长，溶解的量也越高，所需的充氧量就 越少。 1 1 2 酵母添加量与啤酒发酵工艺过程的关系 酵母添加量，亦即酵母的接种量。同一工艺方案，接种量高，新生酵母细胞相对较 少，有利于降低高级醇的形成；接种量过低，新生酵母细胞繁殖多，易形成较多的高级 醇。【l 】 同一种酵母，发酵温度的高低也对接种量的多少有影响。一般，发酵温度高，接种 量就可以少一些；如果发酵温度比较低，则需要更多的接种量。 发酵过程中，一般以酵母浓度来表示麦汁中是否添加了足量的酵母，其单位为 c e l l s m 1 ，即每毫升的酵母细胞数。该酵母浓度，工业上一般默认为“活的”( 或者“合 适的) 酵母的浓度。 按照酵母活性方式分类，分为带有在线活酵母监测装置的酵母添加，无活酵母检测 的酵母添加方式。目前大多数啤酒厂用的均为无活酵母监测；只有少量的厂家采用了在 线活酵母检测手段，以保证添加的酵母量确为“活的 酵母的数量。 活酵母监测的基本原理是：假定如果酵母是活的，那么，这个酵母势必有完整的细 胞膜。如果细胞膜破裂，那么该酵母就不可能是活的。当一个带有完整细胞膜的酵母通 过一个射线场时，细胞膜表面所带有的电荷将发生迁移：即f 电荷和负电荷在细胞膜上 同时向相反的方向迁移。当酵母细胞膜表面的电荷发生了迁移后，通过电子线路，可以 检测到这种迁移后在酵母细胞表面发生的电荷变化。这种变化最终通过电子线路感测到 电容的变化( c = q t ：c 为单位电容的变化，其数值等于单位时间t 内电荷电 量的变化q ) 。对于一种特定的酵母，其通过射线场时发生的这种电荷变化是相同的， 5 7 j 萄入学专业硕十学何论文 所以电容变化也是相同的。而如果该酵母是死的，那么，由于没有完整的细胞膜，所以 不会发生这种电荷迁移，因此也h i 能被监测到。【4 】 凹1 3 活酵母细胞形志 f 1 9l 3s 1 1 a p eo n a s tc e l l i 划】4 活d 芋母检测器探头原理 h 9 1 4 t h e p 一1 p l e o f y e 丑s d o n l t o rs e n s o 。 活酵母监测的好处是能够有效地保证发酵起发时所需的酵母浓度，使得每一个露天 发酵罐在酵母浓度方面基本相同。这种监测方式对于回收酵母再添加有着很重要的意 义。我们知道，回收酵母中总是包含一定量的死酵母。而通常，馥酵母死r 璋是通过实 验室的手段检测出来的，然后在实际q ：产中将这个死亡率补偿进酵母添加量去。这种实 验室的酵母死亡率检测存在许多人为的因素的干扰而导致测不准：如取样位置、样品的 均质程度等等。对于扩培酵母，由于其基本为处丁二对数增长期的酵母，因此，基本【死 亡率极低，所以，如果添加的是扩培酵母，该活酵母监钡0 就显得多余。 对于无活酵母监测装置的酵母添加方法，其添加量的控制又分为两类。一类是通过 安装在添加管路上的酵母体积流量计检测添加的体积量，此方法一般用于扩培酵母的添 加。此时，由于打培酵母的浓度高并且自身体现一种流动性很好的液态，因此，采用这 种方式添加酵母比较准确。另一类是通过酵母贮存罐自身配置的重量传感器检测。此方 法一般用于回收酵母的再添加。此时，需要考虑在酵母储罐中设置搅拌缓慢而匀速的搅 拌嚣以防止酵母“结块”。但是采用重量添加的方式则可以避开一旦发生搅拌不均匀 或者甚至没有搅拌时出现的酵母结块而导致的流量计测不准的问题。但是，无论是检测 体积量还是重量，都必须考虑到酵母的死亡率这个基本事实。通过提高酵母添加量来修 正酵母死亡率，确保添加的酵母达到发酵起始时所需要的酵母浓度。 需要说明的是，在日前工程技术水平下，在线酵母监测仪表尚无法区分不同代数 第一章绪论 ( g e n e r 撕o n s ) 之问的酵母。无论是哪一代的酵母，只要酵母是活的，显示的结果都一样。 因此，在目前工程技术水平下，唯一有可能对酵母代数进行控制的地方就是酵母贮存。 在酵母贮存与添加过程中，通过细致的管理，将不同代数的酵母按照一定方式区分并安 排在不同时候进行添加。 酵母的添加方式分为连续添加和批量添加两种方式。在连续添加方式中，还可以按 照添加方式的不同细分为每批麦汁均匀流加或者间歇流加。 酵母的连续添加方式，业内也称流加。其特点是随着麦汁迸发酵罐的过程中，酵母 以一定的流量连续地向充氧后的麦汁中添加并随麦汁一起进入发酵罐。这种流加方式可 以根据实际生产工艺需要分为每批均匀流加或者间歇流加( 也称追加法【2 】) 。流加的好 处是在麦汁的湍流作用下，将可能存在的“结块”状回收酵母冲散均匀，使得酵母细胞 更充分地与麦汁进行接触，有利于啤酒的发酵。同时采用追加法则可以减少起发所需的 时削2 1 。总的来说，这种添加方式比较适合于回收酵母的添加。从工程设计角度，流加 方式由于把所需添加的总量分成了几次添加，所以，可以选择流量比较小的添加泵，从 造价方面考虑也是不错的选择。 酵母的批次添加。其特点是所有所需的酵母一次性在头批麦汁中添加完毕。对于扩 培酵母，比较回收酵母而言，其酵母浓度比较低因此添加比例较高( 见表1 1 ) ，所以， 扩培酵母比较适合采用这种一次性添加的添加方式。从工程角度考虑，这样的添加方式 由于添加总量较高，所以所选择的泵的造价也比较高。 酵母添加量的确定。工业生产上，一般允许的回收酵母的死亡率在3 以下，而扩 培酵母的死亡率在1 以下。【l 】如果发生酵母死亡率高于上述数值，则需要从根本上查 找原因并作相应的改进，而不是简单地靠提高酵母添加量来弥补。通常，如果发生酵母 死亡率比较高时，往往伴随着酵母的生理形态、生理性能的变异，而这些都会对最终的 啤酒的品质造成负面的影响。大量实验表明，提高酵母添加量是加快发酵的最重要手段， 而且不会出现不利影响。【2 】 工业生产中，习惯上，酵母的添加量是以百分比来描述。其原因是：以百分比束描 述添加量( 或者说添加率) 使用起来方便、直接。它的来源如下： 设麦汁重量为 ah l 1 1 ( 百升小时) 用于添加的酵母浓度 bc e l l s “ 添加量为 y 添加后进罐的酵母浓度为 cc e l l s m 1 由于添加前后的酵母总量相等，y b = ( a + y ) c 经过变形后得到 y a = c ( b c ) 量纲计算后添加率= ( c e l l s m 1 ) ( c e l l s m 1 ) = ( v v ) ( 体积比) 。 以下以一些特点的数据为例，对添加率给出一个定量的说明。下表中，b 、c 两项的 数值可以根据实际情况进行调整，但是，计算方法是一样的。 7 江南大学专业硕+ 学位论文 从表1 1 可以看出，扩培酵母的添加率和回收酵母的添加率差异比较大。从工程设 计的角度，找到这样一种合适的添加泵是比较困难的，甚至不可能找到这样的添加泵。 考虑到回收酵母与扩培酵母的特殊性，工程设计上，一般会采用两种不同类型的泵来进 行酵母添加：对扩培酵母，由于其流动性较好、添加量比较高，一般采用离心泵作为添 加泵；对于回收酵母，由于其粘度较高、添加量比较小，所以一般采用容积式泵作为添 加泵。 1 2 关于麦汁充氧与酵母添加方面的现状 尽管啤酒质量在近些年有了很大的提高，但是从消费者同益提高的品质要求以及政 府日益加强的食品卫生与安全监控的形势来看，啤酒质量及其质量稳定性已经成为啤酒 制造商能够在市场上竞争的基本条件。从工艺角度，麦汁经过冷却后即进入了一个相对 容易发生染菌的环节。而麦汁充氧与酵母添加就紧随麦汁冷却，因此，能否做好这个生 产过程的可控性和无菌化是整个发酵过程的基础。 国内许多啤酒制造商的实际生产现状是： ( 1 ) 对无菌空气的理解：空气经过压缩冷凝之后，通过活性碳、棉饼之类过滤后， 就视为合格的无菌空气。采用空气无菌过滤装置的很少，而对空气管路，尤其是经过空 气调节阀之后且进入麦汁之前的这段空气管路定时进行无菌处理则基本没有。 ( 2 ) 对空气添加过程的控制：通过事后( 或者过程中) 取样检测麦汁中的含氧量： 如果氧含量低了，阀门开大一些；如果高了，阀门关小一些。充氧量的控制不稳定。有 时，操作人员怕麻烦，索性将阀门一直以一定的开度保持开启。 ( 3 ) 在酵母添加管路方面：目f ；i 绝大多少的啤酒制造商都注意到了酵母扩培过程 的无菌控制和酵母回收过程的无菌控制。但是，从酵母扩培与酵母回收装置出来的酵母 至添加进冷麦汁之间的管路系统的无菌考虑就很少。 目前国内在麦汁充氧和酵母添加方面已经进行的工作主要是：在生产过程中，强化 定期取样检测、灭菌；积极掌握充氧量与充氧压力之间的关系；通过延长c i p 时间等方 法来保证充氧与酵母添加过程的可控性与无菌状态。 而有关麦汁充氧和酵母添加的内容，基本上都是零星地散落在各种各样的教科书、 参考书、手册以及行业技术论述中，基本上没有关于这方面的全面的、详细的、完整的 说明，这也为其它学习者完整掌握这方面的知识造成了一定的困难。 第一章绪论 1 3 立题背景和意义 酵母作为啤酒发酵过程中的一个最基本元素，参与了发酵的整个过程。从本质上说， 啤酒的生产过程就是酵母本身的代谢演化过程。因此，啤酒厂的终产品一啤酒一的质量 好坏、风味如何以及风味的稳定性如何都与酿造过程的可控性与无菌化直接相关。 目前中国国内啤酒厂分为两类：一类是大型国内品牌的啤酒集团，如青岛啤酒集团、 燕京啤酒集团等以及全外资或者中外合资的大型啤酒集团，如h l b e v 集团、珠江啤酒集 团等等；另一类是独立存在的中小型啤酒厂。对于大型的啤酒集团，由于其自身的资金 力量雄厚，或者由于其合资外方在国外使用经验，他们往往有能力选用设计合理、性能 稳定可靠的国外品牌的麦汁充氧与酵母添加设备。但是，对于幅员辽阔的中国市场来说， 由于目前中国的经济发展不平衡性、劳动力成本以及物流成本等因素，中小型啤酒厂仍 然有其独特的生存空间。同时，这些啤酒厂为了满足其消费者对于啤酒品质与风味方面 不断提高的要求，逐步也有了对现有的麦汁充氧与酵母添加装置进行升级改造的要求。 由于麦汁充氧与酵母添加部分是整个发酵过程的最初始阶段，而在这个过程结束 后，所能采取的办法都是一种“补救”手段。因此，在这个过程中能够进行精确可靠地 控制，将有助于实现啤酒生产过程的可重复性、稳定性和可控性。 1 4 工程设计的内容 本设计的内容包括了几个部分： ( 1 ) 现有类似设备的比较，以及优缺点分析； ( 2 ) 核心部件的比较； ( 3 ) 本设计方案的确定； ( 4 )以年产1 5 万吨的啤酒厂为例，进行相关的工艺设计、工程设计计算以及设备选 型计算； ( 5 ) 与该设备相关的糖化与发酵的工艺流程图、设备本身的p & i d 图、车间平面布置 图、单体设备部件图以及核心设备图； ( 6 ) 制造过程中的要点描述； ( 7 ) 使用前后效果的比较。 9 第二幸方案的比较o j 设计方案的确定 第二章方案的比较与设计方案的确定 麦汁充氧与酵母添加是将一个工艺过程中的两个连续的不同工艺过程组合在一起 的一个模块化装置。麦汁充氧是啤酒发酵工艺过程中唯一一处与空气发生接触的工序， 而且这又是一种有益的接触一为随后进行的酵母添加提供酵母繁殖所必须的氧气。麦汁 充氧和酵母添加都是“手段”，目的是为了按照发酵工艺的要求以及酵母的特性为麦汁、 酵母和氧气提供一个最佳的接触状态。设计方案的比较以及确定都将围绕这个基本宗旨 展开。 2 1 选择的依据与比较的目的 方案的选择依据：选择用于比较的方案必须是工业化的设备方案。方案本身成熟、 可靠，有一定数量的用户。根据这一原则，选择的方案有以下几个： 1 国内普遍在用的方案； 2 a p v 公司的麦汁充氧方案； 3 t u c h e n h a g e n 公司的麦汁充氧酵母添加方案； 几个方案的比较，可以选择相关的比较好的处理方案、零部件或者自控原理，使得 本设计方案能够得到优化。 2 2 方案的比较 2 2 1 国内普遍在用的方案 国内啤酒厂商目前普遍将麦汁充氧和酵母添加视为两个独立的单元，因此，二者之 间只是由于发酵工艺的关系放置在前后的工序上。 ( 1 ) 麦汁充氧：一种麦汁充氧是采用“文丘罩 管方式的装置。如图2 1 ： 图2 1 “文丘里”管式充氧器外形图 f i g 2 1t h eo u t l o o ko fv e n t 嘶t y p ea e r a t o r 其原理是：利用文丘罩管的变截面设计，在麦汁进入文丘里管时，向麦汁中添加空 气。然后，麦汁与空气一起通过文丘罩变截面( 截面积变小) ，使得流速得到提高，麦 汁流动的湍流程度增加，提高空气与麦汁的混合程度。经过一定长度的小截面管道后， 江南人学专业硕+ 学位论文 使得空气与麦汁得到稳定，然后，再进入一个变截面( 截面变大，恢复到麦汁进入文丘 罩管之前的管道截面) ，此时，流速下降，压力下降到接近( 由于管道的阻力损失，不 可能完全恢复压力) 麦汁进文丘里管的压力，同时在其内部形成涡流，使得空气与麦汁 充分混合。早期的文丘里管充氧方式中，空气是直接喷射进麦汁的。由于这种直接喷射 进麦汁的方式的空气溶解度不高，导致空气的有效溶解量少，添加的空气的绝对数量比 较高，浪费严重。因此，改进型的文丘里管( 如上图中的椭圆形小图所示) 在结构上作 了调整：空气通过一个弯曲成9 0 0 的、逆向于麦汁流动方向的、端部锥形带均匀分布微 孔的充气管向麦汁充氧。其改进的目的是通过锥形端部的多个分布均匀的微孔，提高空 气与麦汁的接触，进而提高空气的溶解效率。其好处是：结构稳定可靠。通过转子流量 计来控制添加的空气的数量，较进一步的工程方案是在充氧后的管道上安装一个玻璃视 镜观察气泡情况。坏处是：无论是物料( 麦汁) 管道或者空气管道的c i p 效果都得不到 保证。由于文丘旱管工作特性所特有的变截面几何结构，在c i p 时，c i p 液经过喷嘴扩 口部分时流速下降，因而导致c i p 清洗效果不好。此外，由于这种结构产生的气泡直径 比较大( 相对于下述的另一种微孔充氧) 同时又缺乏空气与麦汁的有效“混合过程， 所以，气体实际溶解度不高。 另一种麦汁充氧是采用“表面微孔的烧结材料”方式的装置。其原理很简单。为了 降低气泡直径大小、提高气泡与麦汁的接触面，通过在麦汁管路中设置一个中空的钛材 料或者其它材料的表面微孔的烧结体，将空气导向该烧结体或者钛棒的内部空间，利用 其本身的微孔，使得空气在压力作用下以细小的气泡方式从钛棒表面逸出，然后，这些 气泡与麦汁接触后溶进麦汁中。其好处是：气体的气泡微小，溶解快；坏处是：空气经 过该装置的压力损失大，需要供给较高的气体压力，并且由于其表面微孔，在c i p 时则 导致清洗十分困难，并且一旦麦汁中的纤维等杂质过滤不尽后会粘附在其表面后，导致 气泡减少，阻力提高。所以，经常可以看到这种方式的空气添加在使用一段时间后，或 者需要提高供给的压缩空气的压力，或者需要拆卸出来浸泡后作彻底清洗。 上述两种方式的麦汁溶解氧含量控制都是比较粗放的，基本是手动控制，需要通过 实验室( 或者在线溶解氧测定仪) 测定实际麦汁中的溶解氧含量，然后，通过手动调节 空气阀门，观察浮子流量计的空气流量来调节。这种调节方式太过依赖操作人员的经验， 可重复性和稳定性比较差。 ( 2 ) 酵母添加： 添加方式基本上是通过一个计量罐来定量拟添加的酵母数