啤酒发酵生产工艺

生物化工课程论文

专业班级： 08级化学工程与工艺二班 姓 名： 翟 文 明 学 号： 20080300425 任课老师： 李 红 丽

啤酒发酵生产工艺

啤酒是人类最古老的酒精饮料，是水和茶之后世界上消耗量排名第三的饮料。啤酒于二十世纪初传入中国，属外来酒种。啤酒是根据英语Beer译成中文“啤”，称其为“啤酒”，沿用至今。啤酒以大麦芽﹑酒花﹑水为主要原料﹐经酵母发酵作用酿制而成的饱含二氧化碳的低酒精度酒。现在国际上的啤酒大部分均添加辅助原料。有的国家规定辅助原料的用量总计不超过麦芽用量的50％。在德国，除出口啤酒外，德国国内销售啤酒一概不使用辅助原料。在2009年，亚洲的啤酒产量约5867万升，首次超越欧洲，成为全球最大的啤酒生产地。

啤酒一般典型特征：表现在多方面。在色泽方面﹐大致分为淡色﹑浓色和黑色3种﹐不管色泽深浅﹐均应清亮﹑透明无浑浊现象﹔注入杯中时形成泡沫﹐应洁白﹑细腻﹑持久﹑挂杯﹔有独特的酒花香味和苦味﹐淡色啤酒较明显﹐且酒体爽而不淡﹐柔和适口﹐而浓色啤酒苦味较轻﹐具有浓郁的麦芽香味﹐酒体较醇厚﹔含有饱和溶解的CO2﹐有利于啤酒的起泡性﹐饮用後有一种舒适的刺激感觉﹔应长时间保持其光洁的透明度﹐在规定的保存期内﹐不应有明显的悬浮物。

啤酒发酵过程是指啤酒酵母在一定条件下，利用麦汁中的可发酵性物质而进行的正常生命活动，而啤酒就是啤酒酵母在生命活动之中所产生的产物。由于酵母菌类型的不同，发酵的条件和产品要求、风味等的不同，造成发酵方式也不相同。根据酵母发酵类型不同可把啤酒分成上面发酵啤酒和下面发酵啤酒。一般可以把啤酒发酵技术分为传统发酵技术和现代发酵技术。现代发酵主要有圆柱露天锥形发酵罐发酵、连续发酵和高浓稀释发酵等方式，目前主要采用圆柱露天锥形发酵罐发酵。

啤酒发酵机制

啤酒的生产是依靠纯种啤酒酵母利用麦芽汁中的糖、氨基酸等可发酵性物质通过一系列的生物化学反应，产生乙醇、二氧化碳及其他代谢副产物，从而得到具有独特风味的低度饮料酒。啤酒发酵过程中主要涉及糖类和含氮物质的转化以及啤酒风味物质的形成等有关基本理论。

啤酒发酵的基本理论 冷麦汁接种啤酒酵母后，发酵即开始进行。啤酒发酵是在啤酒酵母体内所含的一系列酶类的作用下，以麦汁所含的可发酵性营养物质为底物而进行的一系列生物化学反应。通过新陈代谢最终得到一定量的酵母菌体和乙醇、CO2以及少量的代谢副产物如高级醇、酯类、连二酮类、醛类、酸类和含硫化合物等发酵产物。这些发酵产物影响到啤酒的风味、泡沫性能、色泽、非生物稳定性等理化指标，并形成了啤酒的典型性。啤酒发酵分主发酵（旺盛发酵）和后熟两个阶段。在主发酵阶段，进行酵母的适当繁殖和大部分可发酵性糖的分解，同时形成主要的代谢产物乙醇和高级醇、醛类、双乙酰及其前驱物质等代谢副产物。后熟阶段主要进行双乙酰的还原使酒成熟、完成残糖的继续发酵和CO2的饱和，使啤酒口味清爽，并促进了啤酒的澄清。

发酵主产物--乙醇的合成途径

麦汁中可发酵性糖主要是麦芽糖，还有少量的葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽三糖等。单糖可直接被酵母吸收而转化为乙醇，寡糖则需要分解为单糖后才能被发酵。由麦芽糖生物合成乙醇的生物途径如下： 总反应式

1/2C12H22O12+1/2H2O→C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP+226.09kJ 麦芽糖 葡萄糖 乙醇

理论上每100g葡萄糖发酵后可以生成51.14g乙醇和48.86gCO2。实际上，只有96%的糖发酵为乙醇和CO2，2.5%生成其它代谢副产物，1.5%用于合成菌体。

发酵过程是糖的分解代谢过程，是放能反应。每1mol葡萄糖发酵后释放的总能量为226.09mol，其中有61mol以ATP的形式贮存下来，其余以热的形式释放出来，因此发酵过程中必须及时冷却，避免发酵温度过高。

葡萄糖的乙醇发酵过程共有12步生物化学反应，具体可分为4个阶段： 第一阶段：葡萄糖磷酸化生成己糖磷酸酯。 第二阶段：磷酸已糖分裂为两个磷酸丙酮 第三阶段：3-磷酸甘油醛生成丙酮酸 第四阶段：丙酮酸生成乙醇 发酵过程的物质变化 1．糖类的发酵

麦芽汁中糖类成分占90%左右，其中葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、麦芽三糖和棉子糖等称为可发酵性糖，为啤酒酵母的主要碳素营养物质。麦芽汁中麦芽四糖以上的寡糖、戊糖、异麦芽糖等不能被酵母利用称为非发酵性糖。啤酒酵母对糖的发酵顺序为：葡萄糖>果糖>蔗糖>麦芽糖>麦芽三糖。葡萄糖、果糖可以直接透过酵母细胞壁，并受到磷酸化酶作用而被磷酸化。蔗糖要被酵母产生的转化酶水解为葡萄糖和果糖后才能进入细胞内。麦芽糖和麦芽三糖要通过麦芽糖渗透酶和麦芽三糖渗透酶的作用输送到酵母体内，再经过水解才能被利用。当麦汁中葡萄糖质量分数在0.2%～0.5% 以上时，葡萄糖就会抑制酵母分泌麦芽糖渗透酶，从而抑制麦芽糖的发酵，当葡萄糖质量分数降到0.2%以下时抑制才被解除，麦芽糖才开始发酵。此外，麦芽三糖渗透酶也受到麦芽糖的阻遏作用，麦芽糖质量分数在1%以上时，麦芽三糖也不能发酵。不同菌种分泌麦芽三糖渗透酶的能力不同，在同样麦芽汁和发酵条件下发酵度也不相同。

啤酒酵母在含一定溶解氧的冷麦汁中进行以下两种代谢，总反应式如下： 有氧下 C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi→6H2O+6CO2+38ATP+281kJ

无氧下1/2C12H22O12+1/2H2O→C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP+226.09kJ

啤酒酵母对糖的发酵都是通过EMP途径生成丙酮酸后，进入有氧TCA循环或无氧分解途径。酵母在有氧下经过TCA循环可以获得更多的生物能，此时无氧发酵被抑制，称为巴斯德效应。但在葡萄糖（含果糖）质量分数在0.4%～1.0%以上时，氧的存在并不能抑制发酵，而有氧呼吸却受大抑制，称反巴斯德效应。实际酵母接入麦汁后主要进行的是无氧酵解途径（发酵），少量为有氧呼吸代谢。

2．含氮物质的转化

麦芽汁中的α-氨基氮含量和氨基酸组成对酵母和啤酒发酵有重要影响，酵母的生长和繁殖需要吸收麦汁中的氨基酸、短肽、氨、嘌呤、嘧啶等可同化性含氮物质。啤酒酵母接入冷麦汁后，在有氧存在的情况下通过吸收麦汁中的低分子含氮物质如氨基酸、二肽、三肽等用于合成酵母细胞蛋白质、核酸等，进行细胞的繁殖。酵母对氨基酸的吸收情况与对糖的吸收相似，发酵初期只有A组8种氨基酸（天冬酰氨、丝氨酸、苏氨酸、赖氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、谷酰氨）很快被吸收，其它氨基酸缓慢吸收或不被吸收。当上述8种氨基酸浓度下降50%以上时，其它氨基酸才能被输送到细胞内。当合成细胞时需要8种氨基酸以外的氨基酸时，细胞外的氨基酸不能被输送到细胞内，这时酵母就通过生物合成所需

的氨基酸。麦汁中含氮物质的含量及所含氨基酸的种类、比例不同对酵母的生长、繁殖和代谢副产物高级醇、双乙酰等的形成都有很大影响。一般情况下，麦汁中含氮物质占浸出物的4%～6%，含氮量800～1000mg/L左右，α-氨基氮含量在150～210mg/L左右。

啤酒发酵过程中，含氮物质约下降1/3左右，主要是部分低分子氮（α-氨基氮）被酵母同化用于合成酵母细胞，另外有部分蛋白质由于pH和温度的下降而沉淀，少量蛋白质被酵母细胞吸附。发酵后期，酵母细胞向发酵液分泌多余的氨基酸，使酵母衰老和死亡，死细胞中的蛋白酶被活化后，分解细胞蛋白质形成多肽，通过被适当水解的细胞壁进入发酵液，此现象称为酵母自溶，其对啤酒风味有较大影响，会造成\"酵母臭\"。

生产状况：

2009年亚洲的啤酒产量约为5867万升，首次超越欧洲，成为全球最大啤酒生产地。

日本麒麟饮食文化研究所2010年8月10日公布的「2009年主要国家啤酒产量」调查报告显示，亚洲已超过欧洲成为全球第一大啤酒生产地。这是该调查自1974年启动以来亚洲首次夺魁。

随著亚洲经济高速成长，消费者的爱好趋于多样化，喝啤酒也成为了很多人的习惯。受此推动，亚洲啤酒产量大幅上升。该研究所指出：「亚洲人均啤酒消费量还较少，因此发展空间很大。

2009年亚洲的啤酒产量约5867万升，较上年增长5.5%。其中越南增长24.3%，印度增长12.3%，中国也增长7%。而日本受到凉夏等影响产量减少了2.2%。欧洲由于受到金融危机影响消费市场低迷，2009年啤酒产量仅约5515万公升，下降了5.1%

生产设备：

1． 原料粉碎设备Materiall milling equipement 2． 糖化过滤设备 Mash-filtering equipement

3． 发酵贮酒设备 Fermenting and storage equipement 4． 硅藻土过滤设备 DE filter

5． CIP清洗系统 CIP cleaning system 6． 制冷系统 Refrigerating system

7． 水处理系统 Simple water treatment sysyem 8． 相关的电气设备 Related electrical equipment

菌种：选择双乙酰产生量低的菌种；适当提高酵母接种量，双乙酰还原期酵母数不低于7×106个/100ml；使用酵母代数不要超过5代。

工艺流程： 麦芽制造

麦芽的目的是通过不同酵素的作用降低强度，为了使这部分过程无限制地进行，重要的是每种酵素遵守对其合适的条件。生物催化剂只有在参数例如温度、时间和pH 值各自都处于最适宜的情况下才能发挥其全部潜力，在这里最重要的参数是温度，当其超过对酵素很关键的区间时，酵素将不再活动，强度分解将无法继续进行。所以对啤酒制造者而言重要的是使用可靠的温度传感器，它将信号传送给调节加热设备的调节器。这个调节器确保加热装置只提供必要的能量，也

意味着没有不必要的运行，此外一个经过优化的测量、调节技术设备负责加热可以尽快达到期望的温度。

JUMO 为此推荐多通道编程调节器JUMO IMAGO 500， 结合一个具有EHEDG 认证的食品业温度传感器，例如JUMO 类型902810 或902815。JUMO IMAGO 500 利用其多达8个通道的调节器、具有数学及逻辑功能、串行接口和制表功能可以胜任此类过程的所有要求。

提纯

那些没有被麦芽溶解的成分即榨渣在提纯过程中被与麦芽汁分离，在此麦芽首先被泵入循环中直到形成一层非溶性成分，这个榨渣层在下道工序中被用作麦芽汁的过滤材料，它现在应该是尽可能快的流过滤层。但榨渣在通过流动的麦芽汁时形成阻力，因为多的麦芽汁引起通流，在阻力作用下形成一个漩涡以使后续的通流可以进行。由此榨渣聚在一起使麦芽汁流缓慢下来。

为了预防这种减速必须确定榨渣层前和榨渣层后的压差，为了保持一个稳定的、快速的麦芽汁流，这个压差必须保持在尽可能小的程度。当压差上升的时候纯净桶的刀具开始弄松榨渣层并降低压差，为了能达到一个最佳的过滤速度，在此应用一个高精度的压差变送器是很重要的。压差变送器JUMO dTRANS p02 delta 因其快速响应时间和高速很适合此类应用。如在卫生环境中应用，它装备了卫生型的压力传感器。

麦芽汁蒸煮

麦芽汁蒸煮的过程因其需要大量的能源，对啤酒酿造业一直是个巨大的成本因素。为此，企业越来越对能使该过程更节约能源的科技和灵感发生兴趣。蒸煮是必不可少的，因为只有在蒸煮的过程中才能提取出受欢迎的香味和蛋白成分并蒸发掉其他不需要的成分。

现今存在各种不同的麦芽汁蒸煮方式，所有的方式都致力于在保持阻力不变的同时节约能源。JUMO 能够借助于过程调节器获得额外的能源节约，类似于麦芽对快速响应的传感器和优化的麦芽汁蒸煮中过程调节器开关频率的选择也是不可或缺的，因为这种结合支持了设备制造商的突出技术。JUMO IMAGO 500 就是这种选择的产品，借助前多通道功能在一台设备中整合了麦芽制造和芽汁蒸煮过程所需要的测量、调节技术设备。

麦芽汁冷却

在麦芽汁冷却过程中，通过蒸煮提纯的麦芽汁会尽快被冷却到预定的温度：目的一是降低通过高温支持的质量损失，二是为了防止对啤酒有害的微生物繁殖。因此，不可缺少的是可靠和卫生的温度测量，并通过调节来控制流量。按照测量的温度，啤酒将被冷却装置或快或慢地泵入，原则上是啤酒温度越低啤酒降到预定温度的速度越快。

对此调节任务随适合的装置是 JUMO－cTRON 系列一体调节器，该系列装置由可调节温度、压力和其他过程参数的可自由设置、综合应用的一体调节器组成。

发酵与存储

发酵与存储几乎无一例外都是在椭圆型罐(ZKTs)中进行的，这些罐由椭圆型顶盖和圆锥型下部组成，其在收获酵母、清空和清洁时具有优势，按照不同需求被使用于发酵与存储。下面对所使用测量技术的描述适用于两者。

罐容器为排走在发酵过程中产生的热量设置了冷凝设备，在其中泵入了液态氨，它可以使周围环境冷却下来。为了不使用大于必要的冷却功率，对于罐容器中温度的调节是很有意义的。由于椭圆型罐经常处于不同的气候条件，有必要对

每个冷却区域内的罐容器设置卫生型的温度传感器，由此可使冷却区域间相互隔离，保证一个稳定的发酵与存储环境。

JUMO－cTRON 系列提供了一个解决方案的例子，此一体的微型过程调节器系列为每个冷却区域调节罐内的温度。

CIP－清洁

运行上述过程的设备必须在每次使用后被清洁，出于成本的考虑，目前已经不再使用人力来清洁了。

CIP 过程(现场清洁)已被发展用于节约时间和费用，CIP 意味着借助于化学、机械、温度和时间在不对其进行拆解的情况下对设备进行清洁。在清洁的过程中值得推荐的是对电导率进行不间断的监控。例如，提供电磁式电导率/浓度和温度测量变送器JUMO CTI－750，通过它可实现水和化学物的节约，因为化学物及水的传送可被精确地确定。不锈钢的传感器外壳能够像其他设备一样被从全部清洗，因为在食品、饮料行业即使是外部的卫生也必须确保。

过程控制

在啤酒酿造技术方面，过程的优化是个永久的任务。在此过程中，测量数据应该在记录设备上显示并定期评估，因为只有不中断和无损的记录数据，才能确保高度的过程及产品的安全性。

为了完善麦芽塔和发酵室中的过程控制，值得推荐按照啤酒酿造区域的不同规模对各部分进行过程可视化的中心

pH值：酵母发酵的最适pH为5～6，过高过低都会影响啤酒发酵速度和代谢产物的种类、数量，从而影响啤酒的发酵和产品质量。

发酵温度：啤酒发酵采用变温发酵，发酵温度指旺盛发酵（主发酵）阶段的最高温度。啤酒发酵一般采用低温发酵。上面啤酒发酵温度为18～22℃，下面发酵温度为7～15℃。采用低温发酵的原因是：低温发酵可以防止或减少细菌的污染，同时酵母增殖慢，最高酵母细胞浓度低，发酵过程中形成的双乙酰、高级醇等代谢副产物少，同化氨基酸少，pH值下降缓慢，酒花香气和苦味物质损失少，酿制出的啤酒风味好，此外酵母自溶少，使用代数多。

麦汁成分：麦汁组成适宜，能满足酵母生长、繁殖和发酵的需要。120P麦汁中α-氨基氮含量应为（180±20）mg/L，还原糖含量9.5～10.2～11.2g/100ml，溶解氧含量8～10mg/L，锌0.15～0.20mg/L。

罐压：在一定的罐压下酵母增殖量较少，代谢副产物形成量少，主要原因是由于二氧化碳浓度的增高抑制了酵母的增殖。在提高发酵温度缩短发酵时间的同时，应相应提高罐压（加压发酵），以避免由于升温带来的代谢副产物增多的问题。罐压越高，啤酒中溶解的CO2越多，发酵液温度越低，酒中CO2含量越高。

代谢产物：酵母自身代谢产物乙醇的积累将逐步抑制酵母的发酵作用，一般当乙醇体积分数达到8.5%以上时就会抑制发酵，此外重金属离子Cu2+等对酵母也有毒害作用。

发展方向

节能：随着国内外能源日趋紧张，可用资源随着时间的推移不断减少，煤、油、电、水价格不断攀升，节能既是摆在每一个行业面前的重要任务，也是未来技术发展的方向。

生产线系统节能

⑴啤酒包装生产线是一个消耗水、电、汽比较多的系统。部分生产用水循环利用，作为杀菌机及洗瓶机碱槽用水，这点国内有个别厂家已经在考虑。

⑵洗瓶机的溢流热水可作为洗箱机用水。现在国内外少数厂家已经采用。 ⑶加热器的蒸汽冷凝水集中回收，返送给锅炉作为蒸发用水，这点国外已普遍采用。

⑷加强回收瓶管理，改善回收瓶存放条件，从而降低洗瓶机的碱耗及水耗。 节能型设备研究开发

前几年，国外开发出一种节能型杀菌机，其耗水量比普通杀菌机要少一半，国外已经推广使用。在国内有两个厂家使用这种进口杀菌机，效果很好，现在国内的设备厂家也正在研究开发这种设备。相信今后随着技术的不断进步，会开发出更多、更好的节能型国产啤酒设备。

近几年，大多数厂家采购都倾向于选择36,000瓶/时和40,000瓶/时啤酒灌装生产线。从市场销售情况看，36,000瓶/时和40,000 瓶/时啤酒灌装生产线的销售量已经超过24,000瓶/时啤酒灌装生产线，购买20,000瓶/时啤酒灌装生产线的厂家更少。这是一个理性的趋势，今后还会朝着这个方向发展，因为，中国的人才成本不断攀升，厂房所用的土地及建筑用材价格不断提升。除此之外，国内的技术及制造水平也不断提高，36,000瓶/时和40,000瓶/时啤酒灌装生产线技术已相对成熟，国内的瓶、箱等产品的质量也相应提高，所以这种选择是必然的，今后的下一个发展目标是48,000瓶/时、56,000瓶/时啤酒灌装生产线。

快速更换：由于市场的需要，以前常用的640ml、360ml的瓶装规格已经满足不了市场的竞争需要，现在一家啤酒厂就有10多种包装形式。作为设备厂家也必须适应市场的需要，一条啤酒包装生产线应同时满足多种包装规格的要求，这样就给我们带来了一个新课题，就是解决在更换瓶种、箱种时，相关包装设备的附件以最短的时间完成更换，减少非生产时间，这种技术我们称之为快速更换。这种技术在国外被视为是很重要的，而且发展得很快。相比之下，以前国内对这种技术重视不够，现在国内设备厂家已经开始认识到这一点，研发工作正在起步。

人性化设计：要保证一条包装生产线或者一台机器良好运行，除了其本身的质量外，还有一个重要因素，就是操作者。设计者在研发时除了要考虑机器本身，也应该考虑提供给操作者一个舒适、方便的操作环境，这样才能把操作者的主观能动性调动起来，实现机器效率最大化。在这方面的研究国内要比先进国家落后很多，有待我们今后进一步研究和解决。