发酵工程设计概论课件 第五讲.ppt

第五章工艺计算,第一节物料平衡计算一、物料衡算依据：根据质量守恒定律，凡引入某一系统或设备的物料质量Gm，等于所得到的产物质量Gp和物料损失量GL之和Gm=Gp+GL适用于单元操作，也适用于整个生产过程,如：,二、物料衡算的意义1、可求出引入和离开设备的物料各组成的成分、重量和体积计算产品的原料消耗定额、每日或每年消耗量，以及产品、副产品等排出物料量2、确定生产设备的容量、个数和主要尺寸。3、水、汽、热量、冷量等平衡计算。4、工艺流程草图的设计。,三、物料衡算的步骤1、绘出物料衡算流程示意图绘出原料、辅料、产品的流程图，尽可能标出物料的流量、组成、温度等参数。2、了解整个过程和其中每一个单元操作的物料平衡计算方法。,3、收集设计基础数据和有关物化常数。生产规模、生产天数、原辅料和产品的规格、组成及质量、物料的密度、比热容等。4、确定工艺指标及消耗定额对照同类型生产工厂实际水平，制定工艺指标、原材料消耗定额及经验数据。,5、选定计算基准连续操作：单位时间产品量或原料量为计算基准。间断操作：（1）以单位重量、单位体积的产品或原料为计算基准。,（2）以加入设备的一批物料重为计算基准。,每批次投料量（年产啤酒20万吨）,设该工厂全年工作日为360天，淡季180天，每天糖化4次；旺季180天，每天糖化6次，全年总糖化1800次。,每次投料量：200000178.91/180019878.89kg19900kg178.91啤酒吨酒耗粮（kg/t),例：啤酒物料衡算,6、根据计算结果，列出物料衡算表阶段物料衡算表,计算实例:以20万吨12淡色啤酒工厂为例一、参数设定1、原料辅料比例原料：麦芽辅料：大米设定麦芽：大米=65：35（一般20%-35%）,麦芽质量优良，含水解酶丰富，不发芽谷物占总原料25%30%，麦芽中淀粉酶足以承担这部分额外淀粉的糖化，酿出的啤酒口味清爽，泡沫细腻洁白，若不发芽谷物占总原料量超过35%，麦汁组成差，发酵缓滞，需要添加酶制剂。,大麦加工成麦芽，干物质损失10%，价格也提高37%以上，因此在不降低啤酒质量的前提下，在法律许可的范围内（各国规定不一）尽可能使用不发芽谷物代替麦芽。,使用辅料原因,工艺考虑,经济因素,2、每天生产批次设定：旺季6批次，淡季4批次三锅二槽体系（糊化锅、糖化锅、过滤槽、煮沸锅、回旋沉淀槽）现代化的大型啤酒工厂，每天生产批次一般达到8-10批次，有的甚至10-12批次。,3、全年生产总天数啤酒生产旺季投料批次多，产量大，设备维修少。淡季投料批次少，产量小，设备进行维修、检验。大型啤酒厂不存在淡季、旺季的区别，停产时间很少。,设该工厂全年工作日为360天，淡季180天，每天糖化4次；旺季180天，每天糖化6次，全年总糖化1800次。,4、糖化锅料水比设定麦芽：水=1：4在实际生产中，糖化锅浓度一般2040%为宜。5、糊化锅料水比设定大米：水=1：5,6、糖化、糊化过程中添加CaCl2、乳酸、-淀粉酶设定：CaCl2：水=0.12%乳酸:水=0.145%-淀粉酶:水=0.26%,啤酒国家级企业标准（大型厂）,啤酒生产基础数据,二、100千克原料生产12淡色啤酒的物料衡算,热麦汁量冷麦汁量发酵液量滤过酒量成品酒量,湿麦糟量干酵母产量CO2量空瓶需用量瓶盖需用量商标用量,1、热麦汁量麦芽收率：0.75（10.05）（10.0035）71.0大米收率：0.95（10.13）（10.0030）=82.4%,混和原料收率：(0.6571.00.3582.4)98.573.86由上述可知100kg混合原料可制得的12热麦汁为：10073.86%12%615.54kg,又知12麦汁在20时的比重为1.047kg/L，而100热麦汁比20时的麦汁体积增加1.04倍，故热麦汁（100）体积为：615.541.0471.04611.43L,2、冷麦汁量为：611.43（10.05）580.86L,3、发酵液量为：580.86（10.015）572.15L,4、滤过酒量：572.15（10.015）563.57L,5、成品酒量：563.57（10.02）552.30L,6、12淡色啤酒密度为1.012kg/L,则吨酒耗粮为：100/(0.552301.012)178.91kg/t酒,7、湿麦糟量：设排出的湿麦糟水分含量为80，则湿麦糟量为：10065（10.05）（10.75）10035（10.13）（10.95）/(10.8)84.83kg,8、干酵母产量：取酵母泥中含水80，产率转换为2（w/v)，则干酵母产量为：580.86211.61kg11.61（180）2.322kg,9、CO2量：C12H22O11+H2O=4C2H5OH+4CO2+QCO2生成量为：（444/342）0.12580.861.0476121.91kg式中：61实际发酵度0.1212度冷麦汁44CO2的分子量342麦芽糖的分子量,设CO2在啤酒（发酵液）中溶解度为0.4，则啤酒中含量为：572.150.42.289kg游离的CO2量为：21.912.2919.62kg20时，CO2的密度为1.834kg/m3,则体积为：19.62/1.83410.69m3,12、商标用量：设商标损失率为1，867.3（11）876.0张,10、空瓶需用量：设损失率为0.5，选用640ml的空瓶552.30/0.640（10.5）867.3个,11、瓶盖需用量：设损失率为1，867.3（11）876.0个,三、每批次投料量及产量,设该工厂全年工作日为360天，淡季180天，每天糖化4次；旺季180天，每天糖化6次，全年总糖化1800次。,1、每次投料量：200000178.9/180019878.9kg19900kg吨酒耗粮178.9kg/t啤酒2、麦芽投料量：199006512935kg12900kg,3、大米投料量：19900129007000kg4、热麦汁量为：19900100615.54122492.5kg（615.54100kg原料可得615.54kg热麦汁）19900100611.43121674.6L（611.43100kg原料可得611.43L热麦汁）5、干酵母量为：199001002.323462.277kg（2.323100kg原料可得2.323kg干酵母）,6、湿麦糟量为：1990010084.8316881.2kg（84.83100kg原料可得84.83kg湿麦糟）7、CO2量为：1990010010.692127.31m38、冷麦汁量为19900100580.86115591.14L,9、发酵液量为：19900100572.154455431.4L,10、过滤酒量为：19900100563.574448601.7L,11、成品酒量为：19900100552.304439630.8L,设4批次为一个发酵罐（下面以每批发酵计算）,12、空瓶用量为：19900100867.34690370.8个13、瓶盖用量为：19900100876.04697296.0个14、商标用量为：19900100876.04697296.0张,1、年耗粮量为：19900180035820t2、年麦芽耗量为：12900180023220t3、年大米耗量为：7000180012600t4、年产热麦汁量为：121674.61800219014280L5、年产冷麦汁量为：115591.141800208064052L6、年产湿麦糟量为：16881.2180030386160kg,五、年产20万吨12淡色啤酒的物料衡算,7、年产发酵液量为：572.15180019900100204944130L8、年产过滤酒量为：563.57180019900100201870774L9、年耗干酵母量为：462.2771800832098.6kg10、年产游离CO2量为：2127.3118003829158m311、年耗空瓶数为：867.3180019900100310666860个12、年耗瓶盖数为：876.0180019900100313783200个13、年耗商标数为：876.0180019900100313783200张,啤酒生产基础数据,课堂作业根据下面基础数据，计算生产1000L12淡色啤酒所需混合原料、麦芽、大米、热麦汁、冷麦汁、湿麦糟、干酵母、CO2、发酵液、滤过酒、空瓶、瓶盖、商标的量，要求写出计算步骤。,注：12麦汁20比重1.047kg/L，100比20体积增加1.04倍；湿麦糟水分含量为80，酵母泥含水量80，产率转换系数为2（w/v)，CO2在发酵液中溶解度为0.4（w/v），冷麦汁发酵度为60%，空瓶640ml、瓶盖、商标损失率均为1。,发酵度,60,例2：年产6万吨味精厂设计的物料衡算,主要工艺技术参数表（以玉米淀粉为原料）,年产6万吨味精：99MSG占80，80%MSG占20每天生产味精：60000/320=187.5(t/d)（每年生产320天）(99MSG约150t，80%MSG约37.5t)折算为100%MSG：60000（80%99%+20%80%）=57120t每天生产100%MSG：57120/320=178.5（t/d）,总物料衡算,(一)生产能力,(二)总物料衡算(1)1000Kg纯淀粉理论上产100%MSG量,10001.1181.7%1.272=1153.5（Kg）1.11淀粉水解产生葡萄糖的理论得率?81.7%葡萄糖生成谷氨酸的理论收率1.272？,C6H12O6+NH3+1.5O2C5H9O4N+CO2+3H2O180.16147.13理论转化率147.13/180.1610081.7,(2)1000Kg纯淀粉实际产100%MSG10001.1199%58%97%93%1.272=731.4（Kg）(3)1000Kg工业淀粉（含86%的玉米淀粉）产100%的MSG量731.486%=629（Kg）,(4)淀粉单耗1t100%MSG消耗纯淀粉量1000/731.4=1.367（t）1t100%MSG实际消耗工业淀粉量1000/629=1.590（t）,(5)原料及中间产品计算每天淀粉用量178.51.590=283.8(t/d)每天糖化液量纯糖283.886%1.1199%=268.2(t/d)折算为24%的糖液268.2/24%=1117.6(t/d),发酵液量纯Glu量：268.258%=155.6(t/d)折算为80g/l的发酵液155.61000/80=1944.4(m3/d),提取Glu量提取后纯Glu量155.697%=150.9(t/d),第二节热量平衡计算,一、热量衡算的意义,1、计算能耗定额指标，比较工艺设计方案，选择先进工艺。,2、设备类型的选择及确定其尺寸、台数的依据。,3、改进工艺流程和设备，节约能源，降低成本。,二、热量衡算的方法和步骤,1、画出物料的流向及变化示意图2、写出热量衡算式,3、收集数据（如物料量、工艺条件、物性参数等）4、确定计算基准：以0为基准温度；每批次的处理量作为基准量。5、进行具体的热量计算,计算实例:年产20万吨12淡色啤酒糖化车间的热量衡算,浸出糖化法工艺流程如下：自来水，1850热水Q1糊化锅（t0）20min糖化锅（t1）60min10min90(20min)Q2100(15min)t2(90120min)至碘反应终止Q378（10min）去过滤Q=Q1+Q2+Q3,1、糖化用水耗热量Q1糊化加水g糖化加水W212900451600kg糖化用水WW1W23500051600=86600kg设初水温18，糖化配料用水50，则糖化用水耗热为，Q1WCW(T2T1)866004.18（5018）11583616KJ,2、大米醪煮沸耗热量Q2（1）、由t0升温至100耗热Q2；,C大米（113%）1.554.1813%1.89kJ/kg.kC米醪(G大米C大米G水C水)/(G大米G水)（70001.89350004.18）/(7000+35000)3.80kJ/kg.k,糊化锅大米醪由t0升温至100耗热Q2Q2G米醪C米醪(100t0)420003.80（10047.3）8410920kJ,设原料初温18，热水50，则大米醪初温为：t0（G大米C大米18G水C水50）/G米醪C米醪（70001.8918350004.1850）/3.804200047.3,(2)、煮沸过程中蒸汽带出热量Q2煮沸15min，蒸发水量为每小时5%，则420005%1560=525kgQ25252257.21185030kJ式中：2257.2100下水的汽化潜热（kJ/kg）热损失：米醪升温和第一次煮沸过程的热损失为前两次耗热的15，所以，大米醪煮沸耗热量Q2Q2Q2+Q2+0.15（Q2+Q2）1.15（84109201185030）11035342.5kJ,3、兑醪后,C麦芽(15%)1.554.185%1.68kJ/kg.kC麦醪(G麦芽C麦芽G水C水)/(G麦芽G水）（129001.68516004.18）/（1290051600）3.68kJ/kg.k,设原料初温18，热水50，则：516004.18(50-t1)129001.68(t1-18)可求得麦醪初温t1为：t147.1,兑醪：将米醪（42000-525=41475kg，100，比热容3.80kJ/kg.k）与麦醪（64500kg，47.1，比热容3.68kJ/kg.k）进行混合兑醪求兑醪后糖化醪温度t2：414753.80（100-t2)645003.68(t2-47.1)兑醪后糖化醪温度t2=68.2,蒸发水量,糖化醪比热：C糖醪(G麦醪C麦醪G米醪C米醪)/(G麦醪G米醪)（645003.68414753.80）/(6450041475)3.73kJ/kg.k,兑醪后保温90120min，升温至78糖化醪升温耗热：Q3G糖醪C糖醪（7868.2）（6450041475）3.739.83873810kJ升温过程热损失，Q315Q3所以，兑醪后耗热量为，Q3Q3+Q31.1538738104454881kJ,4、糖化过程总耗热QQ1Q2Q31158361611035342.5445488127073839.5kJ,5、洗糟水耗热量设洗糟水平均温度为80，洗糟水用量为原料量的2.4倍，则洗糟水量为，G洗199002.447760kgQ4G洗Cw（8018）477604.186212377481.6kJ,6、煮沸过程耗热（1）升温至沸点G麦汁G糖醪G洗G麦糟（6450041475）4776016881.2136853.8kgC麦汁129001.6870001.89(86600+47760-525)4.18/1537353.86kJ/kg.k,麦糟,过滤后的麦汁温度为70Q5G麦汁C麦汁(100-70)136853.83.863015847670kJ,所以，升温至沸点耗热为,（2）沸腾过程中耗热煮沸强度10，煮沸1.5小时，则蒸发水量为，V136853.8101.520528.1kg所以，沸腾过程中耗热Q52257.220528.146336027.3kJ式中，2257.2水的汽化潜热(kJ/kg.k),（3）热损失Q515（Q5Q5）（4）麦汁煮沸总耗热Q51.15（Q5Q5）1.15（1584767046336027.3）71511252kJ,7、糖化一次总耗热Q总QQ4Q527073839.512377481.671511252110962573.1kJ,8、糖化一次耗用蒸汽量使用表压0.3Mpa的饱和蒸汽，I2725.3kJ/kg相应冷凝水焓561.47kJ/kg，蒸汽热效率95DQ总/(Ii)95%110962573.1/(2725.3561.47)9553979.6kg,9、糖化过程每小时最大蒸汽耗量在各步骤中，Q5为最大，且煮沸1.5h，热效率95，故，QmaxQ5/1.571511252/1.547674168kJ/h相应最大蒸汽耗量DmaxQmax/(Ii)95%49185034/（2725.3561.47）9523192kg/h,10、蒸汽单耗每年糖化1800次，共生产啤酒200000t年蒸汽耗量为DT53979.6180097163280kg/a每吨成品啤酒耗蒸汽量（对糖化）DSDT/20000097163280/200000485.8kg/t啤酒每昼夜耗蒸汽量（按旺季计算）DdD653979.66323877.6kg/d,年产20万吨啤酒厂糖化车间总热量衡算表,第三节水平衡计算一、水的主要用途（啤酒工厂）1、糖化用水2、稀释用水3、冷却用水4、清洗用水二、水衡算步骤1、了解计算内容2、收集基础数据3、确定指标4、核算、列表,例：年产20万吨12淡色啤酒厂水衡算,1.糊化用水加水比m1=5每批次加水量g2.糖化用水加水比m2=4每批次加水量W212900451600kg,一.糖化用水,W=W1+W2=35000+51600=86600kg糖化用水时间为0.5h，则每小时水流量为W=W/0.5=86600/0.5=173200kg/h,旺季每天用水W866006519600kg/d（6批次）淡季每天用水W866004346400kg/d（4批次）全年用水量W=866001800155880000kg/a,3.糖化用水总量,规定在40min内洗糟完毕洗糟水流量为W4776060/4071640kg/h旺季每天用水W477606286560kg淡季每天用水W477604191040kg全年洗糟用水W47760180085968000kg/年,洗糟水用量为原料用量的2.4倍一批次用水为W199002.447760kg,4.洗糟用水,二、薄板冷却用水采用一段冷却,每批次换热量为Q(136853.8-20528.1)3.86（94-6）39479545.7kJ,冰水流量WQ/c(t1-t2)39479545.7/4.18(75.3-4)132466.6kg,冷却时间1.5小时冷水流量W132466.6/1.588311kg/h全年冷却用水W132466.61800238439880kg/a,1、糖化设备洗刷用水（1）糊化锅洗刷用水洗水量为糊化锅容积的20WV20100063.350.2100012670kg/批（2）糖化锅洗刷用水洗水量为容积的20WV201000142.2010000.228440kg/批（3）过滤槽洗刷用水W19000kg/批,三.清洗用水,（4）煮沸锅洗刷用水洗水量为容积20WV201000190.810000.23816