精釀啤酒糖化鍋常用形式及其攪拌裝置與加熱方式分析研究

張旅 戴曉勇

引言

我國精釀啤酒市場的高速發(fā)展，對精釀裝備的需求日益強(qiáng)烈。精釀啤酒釀造系統(tǒng)中的糖化鍋是精釀啤酒生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備。為了適應(yīng)精釀啤酒釀造過程中的特殊需求，精釀啤酒釀造系統(tǒng)中的糖化鍋種類也有多種形式。最常見的種類為單一糖化鍋，糖化過濾槽形式糖化鍋，糖化煮沸鍋形式糖化鍋和糖化煮沸沉淀槽形式糖化鍋。

這些種類的精釀啤酒糖化鍋在實(shí)際生產(chǎn)中都有自身的優(yōu)點(diǎn)，也有很多不足之處，甚至成為裝備制造企業(yè)和精釀啤酒釀造企業(yè)的痛點(diǎn)。對每一個種類進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，找出其不足之處，展望其解決之道顯得尤為重要。

1 糖化鍋關(guān)鍵部件

1.1 單一糖化鍋中常用攪拌器形式

圖1a HUPPMANN 攪拌器

圖1b ZIEMANN 攪拌器

圖1c STEINECKER 攪拌器

1.2 糖化過濾槽形式糖化鍋中常用攪拌器形式

圖2a 糖化過濾槽形式糖化鍋攪拌槳

圖2b 糖化過濾槽形式糖化鍋耕排糟攪拌裝置

2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 單一糖化鍋形式

單一糖化鍋是工業(yè)啤酒釀造釀造中最常見的形式，也是精釀啤酒釀造系統(tǒng)中常見的形式，而且當(dāng)將釀啤酒發(fā)展到一定規(guī)模后精釀啤酒單一糖化鍋是必然選擇。由于功能單一，無論是混合、傳熱還是固液懸浮等都能做到最佳，可以為蛋白質(zhì)分解和淀粉分解為可發(fā)酵型糖提供最佳條件。同時單一糖化鍋也有一些不足之處，比如系統(tǒng)造價高，糖化醪需要低剪切力的泵來輸送到過濾槽等。加熱和攪拌是精釀啤酒單一糖化鍋兩大關(guān)鍵因素，因此下面就對著兩大關(guān)鍵因素進(jìn)行論述。

單一糖化鍋的加熱形式

精釀啤酒單一糖化鍋的升溫速率一般控制1～1.5℃/min，加熱方式主要有蒸汽、電加熱器和燃燒器直火加熱三種。

蒸汽加熱主要采用鍋底和筒體夾套的形式，一些小型的精釀啤酒單一糖化鍋只需要鍋底夾套就足夠了。理論上來講，夾套的傳熱面積越大越好，但是單位體積的糖化醪在精釀啤酒單一糖化鍋中往往能比在工業(yè)啤酒大型糖化鍋中獲得更大的換熱面積，如果夾套布滿鍋體，往往效果適得其反。蒸汽在進(jìn)入夾套后很快冷凝成水，造成夾套只有前半段在加熱，后半段沒用蒸汽過去，更多的夾套反而帶來加熱的不均勻，浪費(fèi)材料，增加制造工作量。那么如果夾套面積過小，就會需要提高蒸汽壓力來提高溫差，造成局部結(jié)焦現(xiàn)象，給清洗帶來很大麻煩。同時精釀啤酒釀造設(shè)備的規(guī)模大小不等龐雜，基本都為非標(biāo)設(shè)計，給設(shè)計計算帶來很大麻煩。那么除了計算以外，是否可以建立模型用數(shù)值模擬的方法找到夾套的最佳面積和最佳位置，減少設(shè)計中的失誤率。

電加熱器加熱也是精釀啤酒單一糖化鍋的常用形式，設(shè)備投資成本低，熱效率高是，可以精準(zhǔn)計算出其所需功率是其優(yōu)點(diǎn)。但是加熱器不像夾套有那么大的換熱面積，加熱管單位面積上所分?jǐn)偟墓β时容^大，容易結(jié)焦，造成清洗困難且影響糖化質(zhì)量及加熱器的使用壽命。用實(shí)驗(yàn)的方法對單位面積功率數(shù)進(jìn)行研究，來獲得一個最佳的單位面積功率數(shù)作為設(shè)計參考是非常有必要的。另外是否可以用電磁的方法來替代電加熱管也是值得考慮的問題。

燃燒器直火加熱對于有天然氣條件的精釀啤酒釀造單位是非常有利的，設(shè)備投資少，其可以避免電力增容帶來的麻煩，同時直火加熱所產(chǎn)生的適當(dāng)?shù)拿览路磻?yīng)也可以給精釀啤酒帶來一些特殊的風(fēng)味，但是燃燒器的存在也給環(huán)評帶來一定的麻煩。在燃燒器直火加熱系統(tǒng)中，糖化鍋底一般設(shè)置為平斜底，穿熱面積也主要靠鍋底的面積，造成煙氣口的排氣溫度過高，造成能源浪費(fèi)是現(xiàn)在存在的最大的問題。因此在加熱強(qiáng)腔和鍋體側(cè)壁設(shè)置腔體，迫使煙氣從腔體經(jīng)過后從排氣口排出是比較明智的做法。這樣做是可以解決一部分問題，但是不能從根本上解決問題，不能根本精確控制煙道口的排氣溫度，這是急需解決的問題。

單一糖化鍋的攪拌

精釀啤酒單一糖化鍋的攪拌非常關(guān)鍵，對傳熱，鍋內(nèi)溫度的均勻性，混合和固液懸浮影響重大。同時好的攪拌槳應(yīng)該具有溫和攪拌，不形成表面湍流，減少吸氧，剪切力也要盡量小，減少葡聚糖唐之類的物質(zhì)溶出。同時要對物料形成上下對流，液面下形成平均勻平穩(wěn)的湍流，使酶能夠與物料充分接觸，減少作用時間。攪拌裝的效果好壞直接決定了糖化質(zhì)量和收得率。目前精釀啤酒糖化裝置的減速機(jī)主要有放在罐頂和罐底兩種形式。放在罐頂設(shè)計和制造都比較簡單，但是有一根軸伸到罐底，會阻擋洗球，影響清洗效果，同時減速機(jī)放在罐頂也影響美觀。

目前我精釀啤酒裝備的供應(yīng)商已經(jīng)發(fā)展到數(shù)百家，但是基本上都沒有自己的自主知識產(chǎn)權(quán)，都在模仿借鑒德國三家釀造設(shè)備企業(yè)的攪拌裝置?；旧先魏我患椅覈?yīng)商的糖化鍋?zhàn)寴I(yè)內(nèi)人一看就會評價說這是HUPPMANN的攪拌器（圖1a），這是STEINECKER（圖1c）的形式，那是ZIEMANN 的攪拌器（圖1b）。這是目前國內(nèi)的現(xiàn)狀，作為全球精釀啤酒裝備的主要供應(yīng)國，在糖化攪拌器上居然沒有自己的知識產(chǎn)權(quán)，也是一種非常無賴的現(xiàn)象，同時也說明國內(nèi)裝備制造企業(yè)沒有把焦點(diǎn)放在基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)上。

有人對糖化設(shè)備攪拌性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，特別是對HUPPMANN 槳葉，STEINECKER 槳葉以及他們的衍生形式進(jìn)行了對比分析。使用CFD 軟件如美國的FLUENT 公司推出的FLUENT 系列軟件對精釀啤酒糖化鍋內(nèi)的固液懸浮進(jìn)行數(shù)值模擬，并且結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)，設(shè)計出一種具有自身鮮明特點(diǎn)，性能優(yōu)異，自主知識產(chǎn)權(quán)的攪拌裝置顯得尤為重要，也是提升中國制造形象的必要之舉。精釀啤酒糖化鍋產(chǎn)能范圍廣，需要設(shè)計無數(shù)種不同型號尺寸的攪拌器，使用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的攪拌器，由于對其性能非常了解，也可以減少設(shè)計的失誤，提高設(shè)計的精準(zhǔn)性。

2.2 糖化過濾槽形式糖化鍋

糖化和過濾在一個容器中完成，即糖化過濾槽形式，是英美精釀啤酒糖化系統(tǒng)的主要形式。起初設(shè)設(shè)計這樣的糖化過濾槽適應(yīng)為在英美采用單一溫度的一步糖化法比較流行，即直接用一定溫度的熱水和麥芽混合后得到自己想要的目標(biāo)溫度的糖化醪，并保溫一定時間讓淀粉酶充分作用，把淀粉分解為可發(fā)酵性的糖。這樣糖化方法簡單易行，也適合于歐美一些性能優(yōu)異的麥芽釀造ALE 類啤酒。采用糖化和過濾在一個容器中完成不需要倒醪到過濾槽的過程，使得操作簡便易行，設(shè)備成本也低。但是隨著能夠升溫進(jìn)行多溫度段糖化（如蛋白質(zhì)休止）的優(yōu)勢凸現(xiàn)，設(shè)備制造商們應(yīng)釀酒師的要求，開始尋求在糖化過濾槽上解決加熱問題，因此加熱和攪拌也是精釀啤酒糖化過濾槽的兩大關(guān)鍵因素。

2.2.1 糖化過濾槽形式糖化鍋的加熱形式

由于過濾槽底部有篩板的阻隔，因此在底部設(shè)計加熱裝置變得幾乎不可能，因此底部無法設(shè)置底部蒸氣加熱夾套，也無法采用燃燒器直火加熱。由于耕排糟裝置的存在，或者沒有耕排糟裝置但需要人工攪拌和排糟，電加熱管的存在也變得幾乎不可能。因此采用蒸汽夾套加熱也幾乎是唯一選擇，而且只能放在過濾槽的筒體側(cè)壁上。只有側(cè)壁夾套，沒有底部夾套一個主要現(xiàn)象就是物料頂層溫度非常高，而低層非常低，分層現(xiàn)象非常嚴(yán)重。因此一個優(yōu)良的攪拌裝置顯得尤為重要；另外由于底部沒有夾套，篩板以下物料得不到加熱，需要解決底部物料的循環(huán)問題。

2.2.2 糖化過濾槽形式糖化鍋的攪拌

糖化過濾槽形式糖化鍋攪拌的主要有兩種形式：一是采用具有排糟功能的攪拌槳（圖2a），必要時還可以設(shè)置雙層槳。這種形式的攪拌槳混合和固液懸浮功能良好，能夠保證物料各點(diǎn)溫度基本一致，但是這種形式的攪拌槳舍棄了耕糟功能，在需要耕糟的情景下弱點(diǎn)必現(xiàn)。二是采用普通的耕排糟裝置充當(dāng)攪拌，這種形式好處是保留了過濾槽原始的耕排糟功能，但是攪拌效果不佳，加熱到設(shè)定溫度后停止加熱，實(shí)際溫度會有很大的飆升。如何兼具個方面的功能同時能夠保證篩板底部物料也能夠均勻受熱是設(shè)計一個性能優(yōu)異糖化過濾槽必須考慮的問題。

對耕刀底部進(jìn)行改進(jìn)，采用多個弧形小槳裝置，使得耕排糟裝置具備攪拌功能（圖2b）。當(dāng)減速機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)時，弧形小槳保持與過濾槽筒體通心，實(shí)現(xiàn)耕糟。當(dāng)減速機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)時，弧形小槳呈關(guān)閉狀態(tài)可以進(jìn)行攪拌和排糟。但是這種形式的耕排糟裝置攪拌效果一般，需要在耕刀上部和攪拌軸上部增加輔助攪拌槳，帶來良好的攪拌效果。

無論是槳式攪拌器還是改進(jìn)型耕排糟裝置，長時間攪拌后都回造成糖化醪中的細(xì)小顆粒落入篩板下部，給后面的麥麥汁回流帶來很大麻煩。因此在解決攪拌傳熱問題，耕排糟問題，需要找到方法解決篩板底部物料不受熱，細(xì)小顆粒落入篩板底部的問題。

2.3 糖化煮沸鍋形式糖化鍋

糖化和煮沸在一個容器中完成，即糖化煮沸鍋形式，是德式精釀啤酒糖化系統(tǒng)的主要形式。在精釀啤酒釀造中只有糖化和煮沸階段需要加熱，因此在同一個容器中完成可以共用加熱裝置，共用溫度測量元件和加熱執(zhí)行元件，對節(jié)約成本作用很大。

2.3.1 糖化煮沸鍋形式糖化鍋的加熱形式

精釀啤酒糖化煮沸鍋和將釀啤酒單一糖化鍋一樣，蒸汽加熱，電加熱器加熱和燃燒器直火加熱都可以采用。

采用蒸汽加熱方式時，除了和精釀啤酒單一糖化鍋蒸氣夾套一致外，夾套的面積和位置要考慮煮沸的要求,考慮底夾套和筒體夾套獨(dú)立分開控制，甚至可以考慮把筒體夾套分成兩段，便于調(diào)節(jié)煮沸強(qiáng)度和糖化時使用不同的夾套，同時底部夾套可以單獨(dú)使用在麥汁很少時就可以加熱，節(jié)約麥汁煮沸時間。

采用電加熱器加熱方式時，最好把加熱管設(shè)計成功率可調(diào)的形式或者分成多個加熱器來獨(dú)立控制，方便控制煮沸時溢鍋。

采用燃燒器直火加熱時，一般燃燒器的功率都來可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，選擇功率合適的燃燒器很重要。

2.3.2 糖化煮沸鍋形式糖化鍋的攪拌

精釀啤酒糖化煮沸鍋的攪拌裝置和精釀啤酒單一糖化鍋攪拌裝置所面對的問題一致。在后面設(shè)計研究中可以考慮攪拌器的在煮沸時的防溢鍋功能。

2.4 糖化煮沸沉淀槽形式的糖化鍋

這種形式的精釀啤酒糖化鍋是在英美系統(tǒng)的糖化過濾槽加熱遇到問題時想把糖化功能移植到煮沸沉淀槽上，進(jìn)而產(chǎn)生的一種新的糖化過形式。優(yōu)點(diǎn)是不用在過濾槽里糖化了，但是目前這種形的糖化鍋實(shí)際應(yīng)用不多，多種功能集中在一個鍋上造成效率不高，實(shí)際應(yīng)用中也會遇到一些其它問題。

2.4.1 糖化煮沸沉淀槽形式的糖化鍋的加熱方式

精釀糖化煮沸沉淀槽可以采用蒸汽加熱，電加熱器加熱和燃燒器直火加熱。除了上面精釀啤酒單一糖化鍋所要面對的優(yōu)缺點(diǎn)外，還要考慮沉淀槽的加入對燃燒器選擇的影響，比如內(nèi)置的電加熱器是否會對旋流沉淀時的流體離心旋轉(zhuǎn)造成影響，進(jìn)而影響熱凝固物在中心積聚。

2.4.2 糖化煮沸沉淀槽形式的糖化鍋的攪拌

精釀糖化煮沸沉淀槽由于要考攪拌器的存在對對旋流沉淀時的流體離心旋轉(zhuǎn)造成影響，需要對攪拌進(jìn)行特殊設(shè)計?，F(xiàn)有的系統(tǒng)大部分都是直接采用常規(guī)的攪拌器，多少都會對熱凝固物在鍋底中心的積聚造成影響。如果槳葉能夠收起到中心位置，那么它對旋流沉淀的影響將會降到最低，這是未來設(shè)計研究中需要考慮的問題。

3 結(jié)論

精釀啤酒糖化鍋攪拌槳研發(fā)有性能優(yōu)異的自主之產(chǎn)權(quán)的攪拌槳，可以借助一些計算流體力學(xué)軟件和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。

精釀啤酒糖化過濾槽中，無論是攪拌槳還是耕排糟攪拌裝置都有很多不足之處，還有很多提升空間。

任何一種加熱方式都可以考慮使用數(shù)值模擬的方式來優(yōu)化。