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1、项目可行性研究报告项目名称：两罐法工艺酿造啤酒关键技术研究目录一、立项的背景和意义二、研究现状和发展趋势三、项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点四、项目预期目标五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解六、计划进度安排七、现有工作基础和条件八、项目经费概算一、立项的背景和意义发酵工程是指利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，采用现代工程技术手段，由微生物的某些特定功能生产出人类需要的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术，被广泛应用于食品、医药、化工等行业。我国在食品工业生产中利用微生物发酵技术历史悠久，有着许多民族特色的发酵食品，如豆腐
2、乳、酱油、醋、黄酒、白酒等，这些传统发酵食品风味独特、营养丰富，体现了微生物酶在发酵过程中于一定条件下起着生化反应的结果。随着现代发酵工程技术的发展，我国自20 世纪50 年代以来，从无到有地建立起了抗生素、氨基酸、柠檬酸、维生素、甾体激素、核苷酸、微生物多糖等一系列发酵工程，形成了完整的工业体系，同时也使酒、醋、酱油等传统发酵工业得到了进一步的改革和更新，目前现代发酵工程技术已被我省列为2008年重大科技专项资助重点之一。1. 项目提出的依据啤酒是一种以大麦、水为主要原料，以大米或者其他未发芽的谷物、酒花为辅助原料，经麦汁糖化和酵母发酵等工艺过程制备的二氧化碳含量丰富、低酒精度(26)、富含
3、多种营养成分的传统发酵产品，其发酵工艺主要有“一罐法”和“二罐法”两种。“一罐法”是指麦汁的主发酵、双乙酰还原、降温贮酒阶段在同一个露天发酵罐中进行的工艺，具有工艺简单，便于操作等优点。但是，由于整个发酵过程都在同一个锥形罐中进行，因此，在主酵结束后主要利用大罐外壁进行冷却，慢慢把酒液温度从主酵温度的11降到后酵温度的-10。然而，发酵结束后酒液对流非常弱，特别是在降到2左右啤酒达到临界比重时，酒液基本无对流，只靠传导进行热传递，降温速度很慢，因此，大罐中心酒液实际温度并没有同步达到后酵温度，更严重的是，在温度控制不好时会出现罐内分层、冷不透、温度容易回升等问题。目前，啤酒厂广泛采用直径达4米
4、甚至6米以上的大罐，使得这个问题更加突出，要使中心温度同样达到-10，往往需要56天的时间，而且如果降温速度过快，会使罐壁酒液结冰，即浪费能源又影响酒的质量。同时，“一罐法”发酵工艺生产周期较长，旺季时难以满足市场需求，为此往往在酒液一降温时就马上过滤，使得发酵液中冷凝物析出不充分，从而造成成品酒易出现蛋白沉淀等非生物稳定性问题，而且酒体易出现不成熟味。2. 传统两罐法酿造啤酒工艺简介“两罐法”是在“一罐法”的基础上发展起来的一种新发酵方法，即将主发酵和后发酵分别在主发酵罐和后发酵罐中进行的发酵工艺。传统的“两罐法”在主酵液发酵度为6669左右时，把酒液下酒到储酒罐继续发酵使残糖分解，饱和二氧
5、化碳，并逐步降温，促进澄清，促进成熟，此方法能有效解决“一罐法”工艺存在诸如酒液温度不均匀、非生物稳定性较低等问题，但仍然存在生成周期较长的缺点。3. 项目意义本项目是基于传统“两罐法”的基础，对其发酵工艺进一步改进而发展起来的新型发酵方法，即在主酵结束双乙酰合格，排清酵母后，通过冷却薄板把发酵液温度从主酵温度（一般10-11）急速降到贮酒温度（一般0到-1），倒入另一发酵罐进行贮酒，冷藏23天后过滤（图1）。这样酒液通过冷却薄板的深冷速冻，加速了冷凝物的析出，酒液温度均匀一致，且通过23天0 -1的低温贮藏，使酒液中冷凝物快速而彻底的析出，从而使成品啤酒的非生物稳定性大大提高。此外，通过倒罐
6、，使酵母及时与酒液分离，避免酵母在高压、高温、无营养的状态下自溶，从而使啤酒口感更纯正，啤酒保质期延长，提高产品市场竟争力。重要的是，本项目开发的“两罐法工艺能有效缩短啤酒生产周期，提高设备利用率。每罐酒以20天酒龄计算，实施本项目后减少酒龄4天，全部采用则可降低20%发酵罐，新建或扩建就可以降低20%发酵罐的成本。以通常发酵罐占啤酒厂总投资的10%计算，采用本项目开发的技术则可节约近2%的投资（“两罐法”的投资较少，和整个投资相比可不考虑）。以全省每年新增50万KL计算，若全部采用此工艺则可节约近1000万元，成效显著。更值得关注的是，本项目开发的工艺能有效降低啤酒生产的单位能耗。众所周知，
7、啤酒生产企业是食品领域内耗能较大的行业之一。2006年，我省啤酒总产量为277.14104 kL，并且近年来平均以每年18.1%的速度增长。以啤酒生产的平均耗电量为72 kWhkL-1计算，我省啤酒企业年耗电19954.08104 kWh，折合可燃烧煤24523.56104 kg。针对这一情况，浙江省质量技术监督局发布了啤酒单位综合能耗限额及计算方法（DB33/6672007），并于2008年1月1日起开始实施。由此可知啤酒生产企业应该更新观念，加强厂内管理，通过推行清洁生产来降低生产能耗。本项目通过改进设计、采用先进的工艺技术与设备、改善管理和综合利用等措施，提高了发酵罐的资源利用率，减少生
8、产单位产品用电量。跟据本厂一车间的预试验结果，采用本项目工艺，每kL啤酒平均可节约用电约1 kWh，以全省年产啤酒300万kL计，每年可节约用电300万kWh。因此，本项目能在提高经济效益的同时达到节能的目的，符合我国“十一五”计划中节能降耗工作的相关要求，具有较大的经济和社会效益。冷麦汁充 氧添加酵母酵母贮存CO2回收主 发 酵酵母回收倒罐废酵母浆冷藏烘 干废水过 滤稀释灌装车间清 酒 罐包装外售废硅藻土 脱氧水图1 “两罐法”发酵工艺流程简图工艺流程说明：冷麦汁经充氧、按比例添加酵母后进入发酵罐进行发酵，在发酵过程中要严格按发酵曲线进行温度控制，发酵结束后进行倒罐，倒灌工程中利用换热薄板进
9、行快速降温，把温度从11快速降至01，储存23天即可进行啤酒的硅藻土过滤，过滤后的清酒送至清酒罐或经稀释后送至清酒罐待灌装。二、国内外研究现状和发展趋势啤酒是一种深受大众喜爱的酒精性饮料，改革开放二十多年来中国啤酒工业得到迅猛发展，从1987年到1994年国内啤酒年均增幅在20%以上，年产量增幅最高时达到30%以上，1995年以来我国啤酒产量增长速度放慢，但年均增幅仍达到7%以上。2001年啤酒产量为2274万吨，2002年啤酒产量达到2386万吨，首次超过美国成为世界第一啤酒生产大国。近几年来，啤酒行业出现大规模的兼并、收购活动，形成了像青岛、燕京、华润、哈啤等超百万吨的大型集团。就开放程度
10、来看，我国啤酒行业是较为开放的行业之一，从80年代末90年代初以来，西方各国啤酒数十个著名的啤酒品牌涌入中国。据统计，有60多家5万吨以上的重点啤酒厂搞了合资，合资企业的啤酒产量已超过全国产量的30%。因此，目前国内外啤酒生产在发酵工艺上大同小异，均采用“一罐法”或“两罐法”生产。“一罐法”是指主发酵和后发酵在同一罐内进行的发酵方式，一罐法包括低温发酵法和快速发酵法。贮酒中仅能利用80的罐容积，并且由于对流，所分离的物质不能及时排除，再次溶解造成啤酒口味比二罐法生产的啤酒粗糙，苦味增重。 “二罐法”是在一个罐内完成发酵和双乙酰还原，然后转入第二个锥形罐进行冷贮酒的发酵方式。此工艺的典型代表是德
11、国的DAB发酵工艺和丹麦的二罐法发酵工艺。“前锥后卧”式发酵，“前锥后卧”式发酵也是一种“二罐法”发酵，是将锥形大罐与传统发酵中的卧式后贮酒罐相结合的一种发酵方法，对从传统发酵产业改建来的啤酒厂来说是一种值得推广的工艺。但是鉴于我国幅员辽阔、各地风土人情相差较大的特殊国情，在啤酒的发展趋势上也拥有自己的特色及缺点。1. 口味发展多样化啤酒是世界性饮料，各地生产的啤酒都有自己独特的风格。而我国啤酒产业由于开放性较高，受世界各地啤酒风格的影响，目前开发有四大风味类型，即强力、柔和、浓醇和淡爽。德式啤酒以全麦芽、煮出糖化法，长期后酵为酿造特点，啤酒以浓醇为风格形式。目前，我国啤酒典型代表青岛啤酒即为
12、此类风格，浓醇而柔和。在20世纪70年代，我国通过引进美国啤酒的风味，又创造出低浓度、浅色泽、低苦味值、低总酸的淡爽的啤酒风格。目前，这种啤酒在江苏、浙江、安徽、上海、福建和江西等地的市场十分流行。这种淡爽、柔和的啤酒特别受到新一代消费者的青睐。2. 啤酒保鲜期良莠不齐目前，我国啤酒企业绝大多数都能按照国家标准生产、销售，但在风味优劣、风味保险时间长短等问题上良莠不齐，特别是风味保鲜时问，短的只有1个多月，长的有两年多，这样的差别直接影响了市场覆盖面和销售时间。因此，啤酒的风味保鲜期问题，是企业迫切需要解决的问题之一。3. 能耗较高自2002年起，我国的啤酒产量已连续6年位居全球首位。但从整体
13、上看，我国啤酒生产仍处于水平较低、规模较小、效益较低的发展模式，全行业统计吨啤酒综合能耗明显高于国外先进企业，特别是酿造用水环节（表1）。因此，啤酒生产企业应该更新观念，加强厂内管理，通过改进设计、采用先进的工艺技术与设备、改善管理和综合利用等措施，降低生产成本和节约资源。表 1 不同生产水平的啤酒生产企业耗水及排水指标项目单位国际先进国内先进a国内平均b吨产品耗水t4.0-6.06.012吨产品工艺废水t3.54.510*a：数据来自国家环境保护总局中华人民共和国环境保护行业标准；b：数据来自浙江省经济贸易委员会啤酒行业清洁生产审计技术要求。总之，我国啤酒产业从总体上来说发展形式良好，但是随
14、着各种生产原料成本的上升，啤酒企业仍面临较大的成本压力。随着我国市场的进一步开放，国内啤酒行业必然会受到国外同行更猛烈的冲击，因此，大的啤酒集团，如燕京、青岛、华润等应该稳步发展，投资逐步步入国际化；小企业应脚踏实地、通过自己的啤酒风格特点和企业文化，扩大企业生存和发展的空问。三、项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点1. 主要研究内容针对“一罐法”和传统“两罐法”工艺存在的缺点，本项目拟解决的问题主要有以下几方面：（1）如何使倒罐后酒液温度迅速达到-10，但又防止酒液结冰；（2）倒罐时两罐压力的控制；（3）控制酒液中的酵母数，从而提高啤酒的纯清度和质量；（4）倒罐时防止微生物的污染；（5
15、）防止氧气的摄入，使双乙酰反弹或啤酒发生氧化，从而保持啤酒风味和质量。2. 技术关键（1）适当提高糖化麦汁钙离子浓度，发酵降糖将要结束时，稍提前封罐升压，这样既能加快酵母沉降，又不影响双乙酰还原；从而确保倒罐时，酒液中酵母数0.3107个/ml。（2）根据发酵液的温度和冷媒的温度及倒罐后酒液要达到的温度，计算出冷却薄板冷却面积，确保酒液在6小时内完成倒罐操作，同时倒罐后酒液温度达到-10，又不使酒液结冰。（3）倒罐前以纯度99.95%以上的氮气备好空罐压力，倒罐时连通两只罐顶排气管，使两罐能自动补压，保证两只罐压力稳定，防止二氧化碳和泡沫溢出。（4）倒罐前彻底清洗、消毒管路，同时以脱氧水吸收管路中的氧。这样确保倒罐过程中杂菌污染和氧的摄入，从而避免双乙酰反弹。3. 主要创新点（1）酵母数偏多会影响悬浮物质的凝聚和沉降，从而影响发酵过程中酒液的纯清效果。本项目适当提高糖化麦汁钙离子浓度，发酵降糖将要结束时，稍提前封罐升压，既加快了酵母沉降，又不影响双乙酰还原；（2）采用冷却薄板对酒液进行深冷速冻，加速了冷凝物的析出，使酒液
