国内啤酒工业发酵罐设计现状调查

国内啤酒工业发酵罐设计现状调查
班级：生工XXX
学号：XXXXXXXXXX
姓名：XXXX
【标题】啤酒发酵罐设计现状
【摘要】最近几年新建或扩建啤酒厂工程，绝大部分采用了露天发酵罐的一罐法工艺。

发酵罐作为非标设计一直是工程设计关键，直接影响啤酒生产和工程设计水平。

本文就发酵罐设计中遇到的问题作了探讨。

【关键词】啤酒一罐法发酵罐结构
【外文标题】The design of beer fermentation tank
【外文摘要】In recent years new or expansion of beer plant engineering, the vast majority of open-air fermenter tank process. Fermentation tank as non-standard design is the key engineering design, direct impact on beer production and the level of engineering and design. In this paper, fermentation tank design problems encountered are discussed.
【外文关键词】Beer；One pot method；Fermentation tank；Structure
一引言
随着啤酒工业的不断发展，我国啤酒生产规模日益增大，2000年我国啤酒产量达2231．3万吨，居世界第二位。

产量的提高是与采用先进设备和工艺分不开的，其中包括国内外比较先进的露天锥形发酵罐被越来越多的啤酒生产厂家所采用，并且呈大型化趋势，罐容可达400~600m³。

这些罐排放酵母比较方便，可以将传统主发酵和后发酵二个工序合在同一罐内进行，从而创造了一罐法发酵工艺。

锥形罐虽有许多优点，但在实际生产中，由于罐体过大，操作控制难度也加大，会给啤酒生产和质量带来严重危害，以下将从啤酒一罐法锥形发酵罐工艺和设备结构设计进行探讨。

二一罐法发酵工艺
锥形发酵罐一罐法发酵工艺主要是采用低温主发酵、自然生温12℃熟成的方法。

三锥形罐(圆柱锥底罐)的设备结构
1、罐容与材质
目前国内采用锥形发酵罐的罐容最大可达400~600m³，罐容应与糖化能力匹配，容量系数为80％～85％。

材质一般用碳钢(Q235-A)或不锈钢(OC，19Ni9)制成。

由于不锈钢价格昂贵，多数啤酒厂采用普通碳钢加涂料。

用碳钢需内壁涂环氧树脂或T-541涂料防腐。

T-541涂料是采用喷涂技术涂敷罐壁，涂层表面酷似搪瓷，光亮如镜，致密无微孔。

既有优良的防腐性能，又便于清洗与消毒，可耐28~120℃冷热冲击，涂层不起泡、不分层，寿命可达20年以上，从而解决了传统涂料脱落经常返修的问题。

另外碳钢罐的进出料管应采用不锈钢管，以避免管径小涂料施工困难。

2、罐的形状
罐下部为倒圆锥体，麦汁、酵母、啤酒均由锥底口进入或排出。

为保证发酵结束后回收酵母方便，所采用的酵母菌株应该是凝集沉淀性好的酵母菌种。

一般认为锥底角度为60°～85°最为适宜，我们在设计中采用锥底角度为60°。

锥底表面尽可能打光，这样有利于酵母的沉降和排除。

罐内的发酵液由于罐体的高度而产生二氧化碳梯度并控制冷却方位，可以使发酵液形成自下而上或自上而下自然对流运动，对流可保证整个酒液的温度是均匀的。

一般罐体愈高，对流作用愈强，所以罐体高度应适当控制，以免对流过盛。

实践证明罐内液位高度达20米，就会影响酵母沉淀，而且还会影响双乙酰充分还原和酯含量过小，从而影响啤酒的风味。

因此，我们设计中采用圆筒直径与圆筒高度比为D：H=1：1~2．5，直径可达5~6米，可保证啤酒
的质量。

3、罐体冷却夹套
罐体设夹套冷却，冷媒采用25％的乙二醇或乙醇间接冷却，也可用液氨直接冷却。

冷却面积要能够满足工艺上降温要求。

啤酒发酵罐的冷却面积可参考表l计算。

表1发酵罐冷却面积参考值
圆柱体部分冷却夹套视罐体高度可分为2—3段均匀分布，上夹套的上边缘应在工作容量高度处完结；锥体部分也应设一段冷却夹套，冷却面积应小于锥体表面积的70％，冷却区域应尽量靠近锥体底部，有利于酵母的沉降和保存。

啤酒或发酵液的冰点温度由以下经验公式计算：
G=-(A×O．42+P×0．04+O．02)
式中 A——酒精含量(m／m％)；
P——原麦汁浓度(°BX)；
G——冰点温度(℃)。

10°BX—12°BX啤酒酒精含量一般在3．2~4．2之间，通过计
算其冰点温度在-2．0℃～-2．5℃之间。

因此冷媒的温度不宜太低，宜在-2．0℃~-5℃之间，以避免啤酒或发酵液结冰。

冷却夹套可采用矩形、梯形、弧形、半圆形和米勒板。

由于米勒板换热为板式换热，同时冷媒还受到蜂窝点扰动作用，呈湍流传热，传热系数明显提高，米勒板比其它夹套节能10％以上。

根据GB 150—89《钢制压力容器》规定罐体及夹套材料采用20 R。

但20 R由于价格等原因难以被建设单位接受，实际制造时往往采用Q 235。

根据QB／T207l一94《钢制压力容器设计规定》和各个啤酒厂使用经验，Q 235经复验后代替20 R是可行的。

内图涂料质量也很重要。

罐内表面须作喷砂处理，然后涂轻工部推广使用的T 541涂料。

一般应涂两遍，涂后不应有肉眼可见的明显缺陷和突粒。

露天发酵罐还需作保温处理，目前多采用聚氨脂发泡塑料现场发泡形式，保温层厚度一般为。

120～150mm，个别情况保温200mm。

保温前应对罐体及夹套和保温材料接触的外表面刷防锈漆。

保温层外应加保温护板。

设计时要出保温施工图纸，局部位置处理应有详细图，如罐顶，封头和筒体连接形式，裙座处理方式等等。

总之，保温的最基本要求是决不能让渗水进入保温层。

4、正确设置测温点
锥形发酵罐应在每段冷却带上设测温点，罐体冷带为2~3段，锥体为1段，故测温点设3~4个。

测温电阻一般采用铂热电阻外加不锈钢套管。

测温点位置应设在本段冷却带的上端，电阻套管的安装均是
由垂直方向向下倾斜45°角插入。

插入的深度是罐体半径的l／3左右。

其理论依据是：罐容积V=πR²H，假设插入深度为(1／3)R，则罐体中央部分的体积V=πH[(1-1／3)R]²=4／9πHR²≈1／2πHR²，即插入深度是罐体半径的1／3左右处是热传递的中间位置。

另外在金属套管内灌装硅油介质，可减少仪表系统的误差，解决金属套管内结露问题。

5、罐顶装置
发酵罐内啤酒的二氧化碳含量与温度和压力关系如下：
CO₂％=0.298+O.4p—O.08t
p——罐压(大气压)；
t——酒温(℃)。

由发酵工艺和表2可知罐压控制在1.2大气压(O.12Mpa)以下，可保证双乙酰含量和二氧化碳含量达到标准。

因此，在设计锥罐时，罐顶采用椭圆封头，在罐顶设置安全阀，罐的最大工作压力设为0.15Mpa。

表2不同压力温度下CO₂含量表
发酵罐在大的放料速度下空罐时，以及在进行碱液洗涤时，罐内CO₂会被碱液吸收，造成真空。

因此，罐顶应设置真空阀，便于空气进入罐内，以平衡罐内外的压力。

罐顶还应设有汽液分流器接口，供CO₂排出及洗液进入。

罐内设旋转喷头与洗液进口相连，旋转喷头位于罐顶下1米左右，发酵液面之上。

罐顶还应设有差压变送器接口，以供自动测量压力之用。

另外，罐顶应设直径500㎜的人孔，供检修用；设灯镜和视镜供生产中观察发酵状况。

6、锥底附属装置
为了检测和控制发酵过程以及保证安全可靠运行，发酵罐锥底除设有麦汁、酵母进出口、冷带、测温点外，还应设有以下附属装置：
(1)出酒管，应靠近锥底角部位设出酒管，或采用麦汁及酵母进出管内套出酒管，材质为不锈钢，应深入锥底800~1200㎜，以避免锥底沉淀酵母过多地进入啤酒中。

(2)差压变送器接口，在冷带下边缘设一个差压变送器接口，供自动测量发酵罐内液位之用。

(3)取样口，在冷带上边缘靠近锥底的上部设取样口，取样管材质为不锈钢，应深入罐中300㎜，罐外取样管及取样阀应顺锥体而下尽量包在保温层内，以避免染菌。

(4) CO₂洗涤与饱和装置，在锥底冷带上部圆周设4个均匀分布的CO₂进口，进行CO₂洗涤与饱和。

CO₂喷头可采用钛柱。

一般CO₂在满罐8～10小时后，CO₂含量高于80％即可回收
（5）安全阀，按压力容器的规定，安全阀为必备，以防止罐内压
力超过容器所允许的最高压力。

安全阀多见于重锤式，但实际使用起来有的厂家反应易生绣和反应不灵敏，形同虚设。

目前有呼吸阀可以替代安全阀。

呼吸阀过去多用于管路，目的是备压和回收CO₂，实践证明呼吸阀也可用于罐顶替代安全阀。

（6）洗涤装置，发酵罐在每一罐麦汁发酵结束后都产死酵母、蛋白质、酒以及CO₂等均需完全清洗掉，罐内达到无菌以备下一批料使用。

发酵罐自动清洗是通过车间的CIP清洗系统来完成的。

罐顶清洗装置多为洗球和洗罐器，洗球应用广泛，例如德国Kieselmalln公司认为洗球的使用直径可至5～6m。

洗罐器是专为大型发酵罐开发设计的，洗罐器生产厂家较多，质量参差不齐，要求啤酒厂经实验后选用。

清洗装置的出口喷射压力要求大约为0.3MPa，换句话说CIP供液泵须达到0.5～0.6MPa，泵的流量10～15m³/h。

为了防止堵塞，洗涤装置应在洗涤管路上设置管道过滤装置，清洗操作时为达到无菌，应将所有和发酵液相接触管阀打开清洗。

7、罐体绝缘层与防护层
露天锥形发酵罐应做好热和冷的绝缘。

防护层一般采用镀锌薄钢板、不锈钢薄板、铝合金薄板以及上述薄板的瓦楞型板。

根据GB150—89《钢制压力容器》规定罐体及夹套材料采用20R。

但20 R由于价格等原因难以被建设单位接受，实际制造时往往采用Q235。

根据QB／T207l一94《钢制压力容器设计规定》和各个啤酒厂使用经验，Q235经复验后代替20R是可行的。

内图涂料质量也很重要。

罐内表面须作喷砂处理，然后涂轻工部推广使用的T541涂料。

一般应涂两
遍，涂后不应有肉眼可见的明显缺陷和突粒。

露天发酵罐还需作保温处理，目前多采用聚氨脂发泡塑料现场发泡形式，保温层厚度一般为120～150mm，个别情况保温200mm。

保温前应对罐体及夹套和保温材料接触的外表面刷防锈漆。

保温层外应加保温护板。

设计时要出保温施工图纸，局部位置处理应有详细图，如罐顶，封头和筒体连接形式，裙座处理方式等等。

总之，保温的最基本要求是决不能让渗水进入保温层。

四结论
啤酒发酵过程工艺参数的控制，决定发酵罐结构形式，而先进的发酵罐结构，又决定产品的质量。

锥形发酵罐是啤酒发酵过程的心脏，啤酒发酵周期和啤酒质量均决定于发酵罐的设计水平及相应工艺过程。

锥形发酵罐作为大型生物反应器是生物工程研究的重点之一，也是生物工程技术的一个重要组成部分。

参考文献
【1】管敦仪.呻酒工业手册[M].北京:中国轻工业出版社.1998．【2】中国轻工业总会.轻工业技术装备手册[M].北京:机械工业出版社,1997．
【3】顾国贤.酿造酒工艺学[M].北京:中国轻工业出版社,1996．【4】长春大学学报.啤酒一罐法锥形发酵罐的结构设计[J].吉林;长春大学出版社,2003.
【5】H.M Esslinger，Freiberg. gaer-und Lagertank. BRAUWELT Nr24/25 1994.。