发酵工程设计概论课件 第五讲

1、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1如：2二、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。3三、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

2、个过程和其中每一个单元操作的物料平衡计算方法。 43、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。55、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。6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： 2000001

3、78.91/180019878.89 kg19900 kg 178.91啤酒吨酒耗粮（kg/t)例：啤酒物料衡算76、根据计算结果，列出物料衡算表 阶段物料衡算表8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%） 9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

4、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102、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。113、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。124、糖化锅料水比 设定麦芽：水

5、=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=1：5 136、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%14项目名称特级企业一级企业二级企业备注1产品质量合格率9998952.物质消耗总损失(%)68.08.5粮耗(kg/t酒)175180185以12度酒计水耗(t/t酒)102025不计制麦芽和生活用水煤耗(kg/t酒)150170185以标煤计不计生活用煤电耗(度/t酒)100105250001500012000资金利税率(%)554030不分大中小型类别人均实

6、现利税(元/人)1500010008000啤酒国家级企业标准（大型厂） 15项目百分比（）项目百分比 （）原料利用率98.5麦芽净损失0.35麦芽水分5大米净损失0.30大米水分13冷却损失5无水麦芽浸出率75发酵损失1.5无水大米浸出率95过滤损失1.5麦芽用量65包装损失2大米用量35总损失10.65啤酒生产基础数据16二、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17181、 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）

7、=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： 615.541.0471.04611.43 L192、 冷麦汁量为： 611.43（10.05）580.86 L3、 发酵液量为： 580.86（10.015）572.15 L4、滤过酒量： 572.15（10.015）563.57 L5、成品酒量： 563.57（10.02）552.30 L6、

8、12淡色啤酒密度为1.012kg/L,则 吨酒耗粮为： 100/(0.552301.012)178.91 kg/t酒207、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)84.83 kg8、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： 580.86211.61 kg 11.61（180）2.322 kg219、CO2量： C12H22O11+H2O = 4C2H5OH + 4CO2 + Q CO2生成量为： （444/342）0.12580.861.0476121.91

9、 kg 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： 572.150.42.289 kg游离的CO2量为： 21.912.2919.62 kg20时，CO2的密度为1.834 kg/m3,则体积为： 19.62 /1.83410.69 m3 2212、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640 ml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23三

10、、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： 200000178.9/180019878.9 kg 19900 kg吨酒耗粮178.9kg/t啤酒2、 麦芽投料量： 199006512935 kg12900 kg243、 大米投料量： 19900129007000 kg4、 热麦汁量为： 19900100615.54122492.5 kg（615.54100kg原料可得615.54kg热麦汁） 19900100611.43121674.6 L（611.43100kg原料可得611.43L热麦汁

11、）5、 干酵母量为： 199001002.323462.277 kg（2.323100kg原料可得2.323kg干酵母）256、湿麦糟量为： 1990010084.8316881.2 kg （84.83100kg原料可得84.83kg湿麦糟） 7、 CO2量为： 19900 10010.692127.31 m38、冷麦汁量为 19900100580.86115591.14 L269、发酵液量为： 19900100572.154455431.4 L10、过滤酒量为： 19900100563.574448601.7 L11、成品酒量为： 19900100552.304439630.8 L设4批次为

12、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271、 年耗粮量为： 19900180035820 t2、 年麦芽耗量为： 12900180023220 t3、 年大米耗量为： 7000180012600 t4、年产热麦汁量为： 121674.61800219014280 L5、 年产冷麦汁量为： 115591.141800208064052 L6、 年产湿麦糟量为： 16881.2180030386160

13、 kg五、年产20万吨12淡色啤酒的物料衡算287、年产发酵液量为： 572.15180019900100204944130 L8、年产过滤酒量为： 563.57180019900100201870774 L9、年耗干酵母量为： 462.2771800832098.6 kg10、年产游离CO2量为： 2127.3118003829158 m311、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 29项目百分比（）项

14、目百分比（）原料利用率98.5冷却损失3麦芽水分6发酵损失1.5大米水分14过滤损失0.5无水麦芽浸出率75包装损失1无水大米浸出率96总损失6麦芽用量70大米用量30啤酒生产基础数据课堂作业根据下面基础数据，计算生产1000L 12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

15、损失率均为1。发酵度60303132例2：年产6万吨味精厂设计的物料衡算333435主要工艺技术参数表（以玉米淀粉为原料）序 号名 称指 标(a均)1制糖车间糖收率双酶法 99%2发酵产酸量80g/l3糖酸转化率58%4发酵操作周期38-48h5发酵罐装料系数，按放料体积计70%6谷氨酸钠提取收率，等电点离交法97%7精制车间谷氨酸钠收率93%36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37.5 t)折算为100%MSG： 60000（80%99%+20%80%

16、）=57120t每天生产 100% MSG：57120/320=178.5（t/d）总物料衡算(一)生产能力37 (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+1.5O2 C5H9O4N+CO2+3H2O 180.16 147.13理论转化率147.13/180.1610081.738(2)1000Kg纯淀粉实际产100%MSG 10001.1199%58%97%93%1.272=731.4（Kg）

17、(3)1000Kg工业淀粉（含86%的玉米淀粉）产100%的MSG量 731.486%=629（Kg）39(4)淀粉单耗 1t 100%MSG消耗纯淀粉量 1000/731.4=1.367（t） 1t 100%MSG实际消耗工业淀粉量 1000/629=1.590（t）40(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)41发酵液量 纯Glu量： 268.258%=155.6(t/d) 折算为80g/l 的发酵液 155.6

18、1000/80=1944.4(m3/d)42提取Glu量 提取后纯Glu量 155.697%=150.9(t/d) 43 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。44 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45计算实例: 年产20万吨12淡色啤酒糖化车间的热量衡算 4647浸出糖化法工

19、艺流程如下： 自来水，18 50热水 Q1 糊化锅（t0）20min 糖化锅（t1）60min 10min 90(20min) Q2 100(15min) t2(90120min) 至碘反应终止 Q3 78（10min） 去过滤 Q = Q1+ Q2+Q3481、糖化用水耗热量Q1糊化加水 kg糖化加水 W212900451600 kg糖化用水 W W1W2 3500051600=86600 kg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） 11583616 KJ492、大米醪煮沸耗热量Q2 （1）、由t0

20、升温至100耗热Q2； C大米（113%）1.554.1813% 1.89 kJ/kg.k C米醪(G 大米C大米G水C水)/(G大米G水) （70001.89350004.18）/(7000+35000) 3.80 kJ/kg.k50糊化锅大米醪由t0升温至100耗热Q2 Q2G米醪C米醪(100t0) 420003.80（10047.3） 8410920 kJ 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） /3.8042000 47.3 51(2)、煮沸过程中蒸汽带出热量Q2 煮沸15min

21、，蒸发水量为每小时5%，则 420005%1560=525kg Q25252257.21185030 kJ 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Q2Q2 Q2+ Q2 +0.15（Q2+ Q2 ） 1.15（84109201185030） 11035342.5 kJ523、兑醪后 C麦芽(15%)1.554.185% 1.68 kJ/kg.k C麦醪(G麦芽C麦芽G水C水)/(G麦芽G水） （129001.68516004.18）/ （1290051600） 3.68 kJ/kg.k 53 设

22、原料初温18，热水50，则：516004.18 (50- t1)12900 1.68 (t1 -18)可求得麦醪初温t1为： t147.1 54兑醪：将米醪（42000-525=41475kg，100 ，比热容3.80 kJ/kg.k）与麦醪（64500kg，47.1 ，比热容3.68 kJ/kg.k）进行混合兑醪求兑醪后糖化醪温度t2：414753.80（100- t2)64500 3.68 (t2 -47.1)兑醪后糖化醪温度t2=68.2蒸发水量55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)3.73

23、kJ/kg.k56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）3.739.8 3873810 kJ 升温过程热损失，Q315Q3 所以，兑醪后耗热量为， Q3Q3+ Q3 1.15 4454881 kJ574、 糖化过程总耗热 QQ1Q2Q3 11583616 11035342.5 27073839.5 kJ585、 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199002.447760 kg Q4G洗Cw（8018） 477604.1862 12377481.6 kJ59 6、 煮沸

24、过程耗热 （1）升温至沸点 G麦汁G糖醪G洗G麦糟 （6450041475）4776016881.2 136853.8 kgC麦汁129001.6870001.89 (86600+47760-525)4.18/ 153735 3.86 kJ/kg.k 麦糟60过滤后的麦汁温度为70Q5G麦汁 C麦汁 (100-70) 136853.83.863015847670 kJ 所以，升温至沸点耗热为61（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，V136853.8101.5 20528.1kg 所以，沸腾过程中耗热 Q52257.220528.146336027.3 kJ 式中

25、，2257.2水的汽化潜热(kJ/kg.k)62（3）热损失 Q515（ Q5Q5） （4）麦汁煮沸总耗热 Q51.15（ Q5Q5） 1.15（ 1584767046336027.3） 71511252 kJ 637、 糖化一次总耗热Q总QQ4Q5 27073839.512377481.6 71511252 110962573.1 kJ648、 糖化一次耗用蒸汽量使用表压0.3Mpa的饱和蒸汽，I2725.3 kJ/kg相应冷凝水焓561.47 kJ/kg，蒸汽热效率95 DQ总 / (Ii)95% 110962573.1 /(2725.3561.47)95 53979.6 kg 65 9、

26、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，QmaxQ5/1.5 71511252 /1.5 47674168 kJ/h相应最大蒸汽耗量 DmaxQmax / (Ii)95% 49185034 /（2725.3561.47）95 23192 kg/h6610、蒸汽单耗 每年糖化1800次，共生产啤酒200000 t 年蒸汽耗量为 DT 53979.6 1800 97163280 kg/a 每吨成品啤酒耗蒸汽量（对糖化） DSDT/200000 97163280 /200000 485.8kg/t啤酒 每昼夜耗蒸汽量（按旺季计算） DdD6 53979.66

27、 323877.6 kg/d67年产20万吨啤酒厂糖化车间总热量衡算表名称蒸汽规格0.3Mpa（表压）每吨产品耗定额485.8 kg每小时最大用量23192 kg/h每昼夜消耗量323877.6 kg/d年消耗量97163280 kg/a68 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 6970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 g 2. 糖化用水 加水比 m2=4 每批次加水

28、量 W212900451600kg一 . 糖化用水71 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/a3.糖化用水总量72规定在40min内洗糟完毕洗糟水流量为 W4776060/4071640 kg/h旺季每天用水 W477606286560 kg淡季每天用水 W477604191040 kg全年洗糟用水 W4

29、7760180085968000 kg/年洗糟水用量为原料用量的2.4倍一批次用水为 W199002.447760kg4.洗糟用水73二、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/a74 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20 WV20100063.350.2100012670 kg/批（2）糖化锅洗刷用水 洗水量为容积的20 WV201000142.2010000.228440 kg/批 （3）过滤槽洗刷用水 W19000 kg/批三. 清洗用水75（4）煮沸锅洗刷用水 洗水量为容积20 WV201000190.810000.238160 kg/批（5）全年糖化设备洗刷用水 W（12670284401900038160）1800 176886000kg/年76每天洗刷用水6吨，洗刷1小时，全年 W60003602160000 kg/年2、糖化车间地面洗刷用水773、 麦汁冷却器