发酵工程课程设计

1、大连民族学院生物工程课程设计说明书 题 目：年产30万吨发酵车间工艺设计（12°p）设 计 人： 邹 亚 东 系 别： 生 物 工 程 班 级： 0 9 级 3 班 指导教师： 朴 永 哲 设计日期：2011年 5 月 18 日 6月 1 日年产30万吨发酵车间工艺设计第一章 概述第二章 设计方案的分析与拟定第三章 设计条件及主要物性参数3.1.1糖化阶段工艺流程简图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 第四章 工艺计算4.1 基础数据4.1.1 主要参数年生产数：300天，生产淡季：11月至3月，生产旺季:4月至10月，维修：15天，原料利用率：9

2、2%，麦芽水分：6%，大米水分：12%，无水大米浸出率：90%，无水麦芽浸出率：76%。4.1.2啤酒生产基础数据项 目名 称百分比（%）项 目名 称百分比（%）定额指标无水麦芽浸出率76原料配比麦 芽80大 米20无水大米浸出率90啤酒损失率（对热麦汁）冷却损失5发酵损失2原料利用率98.5过滤损失1麦芽水分6装瓶损失1大米水分12总 损 失94.2物料计算4.2.1 100kg原料（80%麦芽，20%大米）生产12度淡色啤酒的物料衡算 100Kg混合原料中含浸出物的重量（E）麦芽：Gm=m×(1-Wm)×Em=80×(100-6)%×76%=57.1

3、5kg大米：Gn=n×(1-Wn)×En=20×(100-12)%×90%=15.84kg（其中：m为100Kg混合原料中麦芽的质量;n为100Kg混合原料中大米的质量Wm为麦芽的含水量:Em为麦芽的无水浸出率;En为大米的浸出率）则E=Gm+Gn=57.15+15.84=72.99kg混合原料的收得率=72.99×98.5%÷100=71.90%（其中：98.5%为原料的利用率）100kg原料产12度热麦汁量为:71.90×100÷12=599.17kg12度麦汁在20时的相对密度为1.084100麦汁比20麦汁

4、体积增加1.04倍热麦汁体积=599.17×1.04÷1.084=574.85L冷麦汁量=574.85×(1-0.05)=546.11L发酵液量=546.11×(1-0.02)=535.18L滤过酒量=535.18(1-0.01)=529.83L成品酒量=529.83×(1-0.01)=524.53L酒花耗用量：（574.85÷524.53）×0.2%×100=0.22kg4.2.2.生产100L12度淡色啤酒的物料计算100kg原料生产成品酒524.53L生产100L 12度啤酒需用混合原料为100×(

5、100÷524.53)=19.06kg麦芽耗用量=19.06×80%=15.25kg大米耗用量=19.06×20%=3.81kg酒花耗用量=574.85÷524.53×100×0.2%=0.22 kg热麦汁量=100×574.85÷524.53=109.59L 冷麦汁量=100×546.11÷524.53=104.11L成品酒量=100L湿糖化糟量 设热电厂出的湿麦芽糟水分含量为80%，则湿麦芽糟量为：（1-0.06）（100-76）/（100-80）×15.25=17.20 kg 而

6、湿大米糟量为：（1-0.12）（100-90）/（100-80）×3.81=1.68 kg 故湿糖化糟量为：17.20+1.68=18.88 kg酒花糟量 设麦汁煮沸过程干酒花浸出率为40%，且酒花糟水分含量为80%，则酒花糟量为：（100-40）/（100-80）×0.22=0.66 kg4.2.3 300000t/a 12°淡色啤酒酿造车间物料衡算表设生产旺季每天糖化8次，而淡季则糖化4次，每年总糖化次数为1932次。由此可计算出每次投料量及其他项目的物料平衡。把述的有关啤酒厂酿造车间的三项物料衡算计算结果，整理成物料衡算表，如表2所示。表2 啤酒厂酿造车间物

7、料衡算表物料名称单位对100kg混合原料100L 12°度淡色啤酒糖化一次定额量250000t/a啤酒生产混合原料Kg10019.0625088.815.65×107大麦Kg8015.2520071.054.52×107大米Kg203.815017.761.13×107酒花Kg1.500.22289.526.52×105热麦汁L574.85109.5914427.1832.49×107冷麦汁L546.11104.11137033.7530.86×107湿糖化糟Kg72.3518.8824866.795.60×107

8、湿酒花糟Kg4.500.66888.100.20×107发酵液L535.18109.59134103.303.02×107过滤酒L529.83104.11132779.032.99×107成品啤酒L524.53100.00131432.272.96×107备注：12度淡色啤酒的密度为1012kg/m34.3 耗冷计算 4.3.1 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4.3.2 工艺技术指标及基础数据 年产12°淡色啤酒300000t;旺季每天糖化8次，淡季为6次，每年共糖化2252次;主

9、发酵时间6天； 4锅麦汁装1个锥形罐； 12°Bx麦汁比热容c1KJ/（kgK）； 冷媒用99%酒精溶液，其比热容可视为c2= KJ/（kgK）； 麦芽糖化厌氧发酵热q=613.6kJ/kg；麦汁发酵度。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： 4.3.3 工艺耗冷量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4的冷冻水，出口的温度为85。糖化车间送来的热麦汁温度为98，冷却至发酵起始温度8。根据表2啤酒生产物衡酸表，可知每糖化一次热麦汁14427.18L，而相应的麦汁密度为1084kg/m3,故麦汁量为：G=108

10、4×14427.18=156390.63 kg又知120 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 =G（t1-t2）/ =156390.63×4.0(98-8)/1=56300626.8(KJ/h)式中t1和t2分别表示 麦汁冷却前后温度（） 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=4×56300626.8=225202507.2(kJ) 相应地冷冻介质（4的冷冻水）耗量为：Mf=Q1/Cm（ t4-t3）= 56300626.8 4.

11、18(85-4)=166284.56 (kg/h) 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）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=613.6×12%×60%=44.18(kJ)根据物料衡算，每锅麦汁的冷麦汁量为137033.75L,则每锥形缺罐发酵放热量为：Q01=44.18×137033.75×4=24216604.30(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

12、），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 =（Q01×1.5×8）/(24×6×4) =(24216604.30×1.5×8)/(24×6×4) =504512.59(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8缓降到-1。每天单罐降温耗冷量为：Q02=4GC18-（-1）=4×156390.63×4.0×9=22520250.72(KJ) 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

13、罐）：Q22=（1.5Q02）/(24×2)=(1.5×22520250.72)/(24×2)=703757.84 (KJ/h)（3）发酵总耗冷量Q2Q2=Q21+Q22=504512.59+703757.84=1208270.43(kJ/h) (4)每罐用冷媒耗冷量Q0Q0=Q01+Q02=24216604.30+22520250.72=46736855.02 kg/h (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）=1208270.43/(4.18×8)=36

14、132.49kg/h 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57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=156390.63×6×1.0%×3=28150.31(kg/d) 式中 151912.93糖化一次的冷麦汁量（kg）每班无菌水量：Gw= Gw/3=28150.31/3=9383.44(kg/每班) 假无菌水冷却操作在2h小时内完成，则

15、无菌水冷却耗量为：Q3=GwGm(tw-tw)/r =9383.44×4.18×(30-1)/2=568730.30(kg/h) （49）所耗冷冻介质量为：M3=Q3cw(t2-t1)/r=568730.30(4.18×8)=19018341.23(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=9383.44×4.18×(30-1)/1.5 =758307.06(kJ) 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12

16、d，即288h。根据工厂实践，年产15000t啤酒培养冷量为41800（Kj/h），则对应的年冷耗量为：Q4 =41800×20=836000Q4= Q4×288×10=2.41×109(KJ) 相应的高峰冷冻介质循环量为：M4 =Q4/cw(t1-t2)=836000/(4.18×8) =25000(kg/h)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=Q1Q2Q3Q4=56300626.81208270.43568730.30836000 =58913627.53(KJ/h)4.3.4 非工艺耗冷量Qnt除了上述

17、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。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10万吨啤酒厂露天锥形罐的冷量在130000-300000kJ/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：Q5=Gb ×250000=131.44×1.012×8×300000=319241472(Kj/d) 式中，Gb旺季成品啤酒日产量（t） 若白天日晒高

18、峰耗冷为平均每小时耗冷量的2倍，则高峰耗冷量为：Q5 =2Q5/24=2×319241472/24=26603456 (KJ/h) 冷媒（-8稀酒精）用量：M5=Q5/Cm(t2-t1)= 26603456 /4.18/8=795557.89(KJ/h) 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=12Qt=12×58913627.53=7069635.34KJ/h 冷媒（-8稀酒精）用量：M6=Q6/cw(t2-t1)= 7069635.34/(4.18×

19、;8)=211412.54(KJ/h) 3、300000t/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300000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表，如表4所得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Q156300626.8166284.56 (M1)225202507.21.28×发酵耗冷Q21208270.4336162.49 (M2)4636855.02无菌水冷却Q3758307.0619018341.23 (M3)758307.06酵母培养Q483600025000 (M4)2

20、.41×109工艺总耗冷Qt56300626.8非工艺耗冷量锥形罐冷损Q526603456管道等冷损Q67069635.34211412.54非工艺总耗冷Qnt合计总耗冷Q5.1 设备设计和选型的原则 近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展。大型化的目的主要有两方面：大型化使啤酒的质量均一化；由于啤酒采用一罐法进行发酵，生产的罐数减少，降低了主要设备的投资。5.2 发酵罐的基本尺寸 5.2.1发酵罐选型糖化一次可得冷麦汁137033.75L，4锅进一个发酵罐，则有效容积V=137033.75×4=548135.00L取填充系数为0.875，则V总=548135.0

21、0/0.875=626400L取V总=650m3发酵罐直径:高=1：4，圆锥底角=74°，D：H=1:4，锥高h=D/(2tan）V=D=5.381m H=23.24m h=3.86m发酵罐总高：封头高取h。=D/4=1.45mH总=H+ h。+ h=28.55m 因此选用公称容积为650m3的发酵罐 取罐内径6m,圆柱高24m,封头高2m,封头容积25.5m3，全容积700m35.2.2 生产能力的计算 现每天产12度淡色啤酒1000吨，发酵周期为18天 则每天需热麦汁体积为1082.91m3，冷麦汁体积为1028.75m3 。每吨12度淡色啤酒需冷麦汁1028.61L， 即1.0

22、3m3 取=87.5%，则每天需要发酵罐的总容积为V0 V0=V麦/=1000÷87.5%=1142.86（m3) 5.2.3 发酵罐个数的确定 由上选型可知，发酵罐公称容积为650m3，总容积为700m3 则发酵罐个数 N=nt+1=2×18+1=37（个）其中：n-每天装罐数 t-发酵周期 1-备用罐个数取公称容积500m3的发酵罐37个 650×87.5%×2实际产量验算： ×300=356796.12(t/a) 1.03 356796.12300000富裕量： =18.93%，能满足产量要求 3000005.2.4 冷却面积的计算对于前

23、发酵对于啤酒发酵，每1m3发酵液，每小时传给冷却器的最大热量为4.18×6000KJ/h采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18×500KJ/（m3.h.）发酵液： 148冷媒：-80 t1t2 8-6平均温差tm=6.95 l n(t1÷t2) l n(8÷6) 对公称容量650m3的发酵罐，每天装2罐，每罐实际装液量为1028.75÷2=514.38（m3) Q 4.18×6000×514.38换热面积F= = =888.14(m3) Ktm 4.18×500×6.95对于进入后发酵降温发酵液： 81

24、冷媒：-80 t1t2 8-7平均温差tm= =7.49 l n(t1÷t2) l n（8÷7） Q 4.18×6000×514.38换热面积F= = =824.11(m3) Ktm 4.18×500×7.49对于后发酵发酵液： 1-1冷媒：-8-2 t1t2 6-2平均温差tm=3.65 l n(t1÷t2) l n（6÷2） Q 4.18×6000×514.38换热面积F= = =1691.11(m3) Ktm 4.18×500×3.65总上，换热面积F=1691.11(

25、m2)才能满足生产要求5.2.5、冷却管布置计算（1）求最高热负荷下的耗水量W而Q总=4.18×6000×514.38=1.29×107（kJ/h) Q总 1.29×107W=385765.6(Kg/h)=107.16(Kg/s) c2(t2t1) 4.18(0+8)取冷却水在管中流速为1m/s ，则冷却管总截面积S总为S总=W/=1.07×10-1÷1=1.077×10-1(m2)进冷媒总管直径d 总2=S总/0.785，所以d 总=0.37(m)(2)冷却管组数和管径设冷却管总表面积为S总，管径d0,组数为n,则 S总=

26、n×0.785d02现根据本罐情况，取n=8，则管径 d02=S总/（n×0.785),所以d0=0.0.131(m)查金属材料表取76×4无缝钢管现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为l0： l0=D=3.14×500=1570（mm)（3）冷却管总长度L计算由前知，冷却管总面积F=1691.11m3，每米长冷却面积为F0=3.14×0.07×1=0.22m2，则 L=F÷F0=1691.11÷0.22=7686.86（m) 冷却管占有体积V=0.785×0

27、.1312×7686.86=103.55(m3) （4）每组管长L0和管组高度： L0=L÷n=7686.86÷8=960.86(m) 另需连接管8m：L实=L+8=7694.86m 可排竖蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm 设发酵罐内附件占有体积2m3，则总占有体积为 V总=V液+V管+V附件=514.38+103.55+2=619.93（m3) 则筒体部分液深为：（V总-V封）÷S截=（514.3825.5）÷（0.785×62）=17.30m 竖蛇管总高H管=17.30+0.25=17.55（m) 又两端弯管总

28、长l0=1570mm ，两端弯管总高500mm 则直管部分高度：h=H管500=17550-500=17050mm 则一圈管长l=2h+l0=2×170501570=35670mm （5）每组管子圈数n0 n0=L0÷l=960.86÷35.67=27圈 （6）设备材料的选择 选用不锈钢制作 （7）发酵罐壁厚S的计算 C=C1C2C3 式中C壁厚附加量，cm C1钢板负偏差，其范围为0.131.3，现取0.8mm C2腐蚀裕量，为双面腐蚀，取2mm C3 加工减薄量，取0 得C=0.8+2+0=2.8mm=0.28cm PD S=C 2P 式中 P设计压力，取最高

29、工作压力的1.05倍，现取0.4MPa D发酵罐内径，为6 m 不锈钢的许用应力，为127MPa 焊缝系数，范围在0.51之间，现取0.7 代入上式 0.4×600 S= 0.28 2×127×0.70.4 =1.7cm 选用17mm厚不锈钢板制作 （8）支座选择 因为设备的容量大，总质量也比较大，因此用裙式支座。数据汇总表物料衡算数据汇总物料名称单位对100kg混合原料100L 12°度淡色啤酒糖化一次定额量250000t/a啤酒生产混合原料Kg10019.0625088.815.65×107大麦Kg8015.2520071.054.52&#

30、215;107大米Kg203.815017.761.13×107酒花Kg1.500.22289.526.52×105热麦汁L574.85109.5914427.1832.49×107冷麦汁L546.11104.11137033.7530.86×107湿糖化糟Kg72.3518.8824866.795.60×107湿酒花糟Kg4.500.66888.100.20×107发酵液L535.18109.59134103.303.02×107过滤酒L529.83104.11132779.032.99×107成品啤酒L524.53100.00131432.272.96×107备注：1