啤酒發酵之錐形發酵罐發酵法

傳統啤酒是在正方形或長方形的發酵槽（或池）中進行的，設備體積僅在5～30m，啤酒生產規模小，生產周期長。20世紀50年代以后，由于世界經濟的快速發展，啤酒生產規模大幅度提高，傳統的發酵設備以滿足不了生產的需要，大容量發酵設備受到重視。所謂大容量發酵罐是指發酵罐的容積與傳統發酵設備相比而言。大容量發酵罐有圓柱錐形發酵罐、朝日罐、通用罐和球形罐。圓柱錐形發酵罐是目前通用的發酵罐，該罐主體呈圓柱形，罐頂為圓弧狀，底部為圓錐形，具有相當的高度（高度大于直徑），罐體設有冷卻和保溫裝置，為全封閉發酵罐。圓柱錐形發酵罐既適用于下面發酵，也適用于上面發酵，加工十分方便。德國釀造師發明的立式圓柱錐形發酵罐由于其諸多方面的優點，經過不斷改進和發展，逐步在*得到推廣和使用。我國自20世紀70年代中期，開始采用室外圓柱體錐形底發酵罐發酵法（簡稱錐形罐發酵法），目前國內啤酒生產幾乎全部采用此發酵法。

1．錐形罐發酵法的特點

（1）底部為錐形便于生產過程中隨時排放酵母，要求采用凝聚性酵母。

（2）罐本身具有冷卻裝置，便于發酵溫度的控制。生產容易控制，發酵周期縮短，染菌機會少，啤酒質量穩定。

（3）罐體外設有保溫裝置，可將罐體置于室外，減少建筑投資，節省占地面積，便于擴建。

（4）采用密閉罐，便于CO2洗滌和CO2回收，發酵也可在一定壓力下進行。即可做發酵罐，也可做貯酒罐，也可將發酵和貯酒合二為一，稱為一罐發酵法。

（5）罐內發酵液由于液體高度而產生CO2梯度（即形成密度梯度）。通過冷卻控制，可使發酵液進行自然對流，罐體越高對流越強。由于強烈對流的存在，酵母發酵能力提高，發酵速度加快，發酵周期縮短。

（6）發酵罐可采用儀表或微機控制，操作、管理方便。

（7）錐形罐既適用于下面發酵，也適用于上面發酵。

（8）可采用CIP自動清洗裝置，清洗方便。

（9）錐形罐加工方便（可在現場就地加工），實用性強。

（10）設備容量可根據生產需要靈活調整，容量可從20～600m不等，高可達1500m。

2. 錐形罐工作原理與罐體結構

（1）錐形發酵罐工作原理

錐形罐發酵法發酵周期短、發酵速度快的原因是由于錐形罐內發酵液的流體力學特性和現代啤酒發酵技術采用的結果。

接種酵母后，由于酵母的凝聚作用，使得罐底部酵母的細胞密度增大，導致發酵速度加快，發酵過程中產生的二氧化碳量增多，同時由于發酵液的液柱高度產生的靜壓作用，也使二氧化碳含量隨液層變化呈梯度變化（見表4-3-1），因此罐內發酵液的密度也呈現梯度變化，此外，由于錐形罐體外設有冷卻裝置，可以人為控制發酵各階段溫度。在靜壓差、發酵液密度差、二氧化碳的釋放作用以及罐上部降溫產生的溫差（1～2℃）這些推動力的作用下，罐內發酵液產生了強烈的自然對流，增強了酵母與發酵液的接觸，促進了酵母的代謝，使啤酒發酵速度大大加快，啤酒發酵周期顯著縮短。另外，由于提高了接種溫度、啤酒主發酵溫度、雙乙酰還原溫度和酵母接種量也利于加快酵母的發酵速度，從而使發酵能夠快速進行。

（2）錐形發酵罐基本結構

①罐頂部分

罐頂為一圓拱形結構，中央開孔用于放置可拆卸的大直徑法蘭，以安裝CO2和CIP管道及其連接件，罐頂還安裝防真空閥、過壓閥和壓力傳感器等，罐內側裝有洗滌裝置，也安裝有供罐頂操作的平臺和通道。

②罐體部分

罐體為圓柱體，是罐的主體部分。發酵罐的高度取決于圓柱體的直徑與高度。由于罐直徑大耐壓低，一般錐形罐的直徑不超過6m。罐體的加工比罐頂要容易，罐體外部用于安裝冷卻裝置和保溫層，并留一定的位置安裝測溫、測壓元件。罐體部分的冷卻層有各種各樣的形式，如盤管、米勒扳、夾套式，并分成2～3段，用管道引出與冷卻介質進管相連，冷卻層外覆以聚氨酯發泡塑料等保溫材料，保溫層外再包一層鋁合金或不銹鋼板，也有使用彩色鋼板作保護層。

③圓錐底部分

圓錐底的夾角一般為60º～80º，也有90º～110º，但這多用于大容量的發酵罐。發酵罐的圓錐底高度與夾角有關，夾角越小錐底部分越高。一般罐的錐底高度占總高度的1/4左右，不要超過1/3。圓錐底的外壁應設冷卻層，以冷卻錐底沉淀的酵母。錐底還應安裝進出管道、閥門、視鏡、測溫、測壓得傳感元件等。

此外，罐的直徑與高度比通常為1：2～1：4，總高度不要超過16m，以免引起強烈對流，影響酵母和凝固物的沉降。制罐材料可用不銹鋼或碳鋼，若使用碳鋼，罐內壁必須涂以對啤酒口味沒有影響的且無毒的涂料。發酵罐工作壓力可根據罐的工作性質確定，一般發酵罐的工作壓力控制在0.2～0.3MPa。罐內壁必須光滑平整，不銹鋼罐內壁要進行拋光處理，碳鋼罐內壁涂料要均勻，無凹凸面，無顆粒狀凸起。

（3）錐形發酵罐主要尺寸的確定

①徑高比  錐形罐呈圓柱錐底形，圓筒體的直徑與高度之比為1：1～4。一般徑高比越大，發酵時自然對流越強烈，酵母發酵速度快，但酵母不容易沉降，啤酒澄清困難。一般直徑與麥汁液位總高度之比應為1：2，直徑與柱形部分麥汁高度之比應為1：1～1.5。

②罐容量  罐容量越大，麥汁滿罐時間越長，發酵增殖次數多、時間長，會造成雙乙酰前驅物質形成量增大，雙乙酰產生量大、還原時間長。此外，還會造成出酒、清洗、重新進麥汁等非生產時間延長，且用冷高峰期峰值高，造成供冷緊張。由于二氧化碳的釋放和泡沫的產生，罐有效容積一般為罐總量的80%左右。

③錐角  一般在60°～90°之間， 常用60°～75°（不銹鋼罐常用錐角60°，內有涂料的鋼罐錐角為75°），以利于酵母的沉降與分離。

④冷卻夾套和冷卻面積  錐形發酵罐冷卻常采用間接冷卻。國內一般采用半圓管、槽鋼、弧形管夾套，或米勒板氏夾套在低溫低壓（－3℃、0.03MPa）下用液態二次冷媒冷卻，國外多采用換熱片式（爆炸成型）一次性冷媒直接蒸發式冷卻。一次性冷酶（如液氨蒸發溫度為－3～－4℃）蒸發后的壓力為1.0MPa～1.2MPa,對夾套耐壓性要求較高。由于啤酒冰點溫度一般為－2.0～－2.7℃,為防止啤酒在罐內局部結冰，冷媒溫度應在－3℃左右。國內常采用20%～30%的酒精水溶液，或20%丙二醇水溶液作為冷媒。

根據罐的容量不同，冷卻可采用二段式或三段式。冷卻面積根據罐體的材料而定，不銹鋼材料一般為0.35～0.4m/m發酵液，碳鋼罐為0.5～0.62m/m發酵液。錐底冷卻面積不宜過大，防止貯酒期啤酒的結冰。

⑤隔熱層和防護層  絕熱層材料要求導熱系數小、體積質量低、吸水少、不易燃等特性。常用絕熱材料有聚酰胺樹脂、自熄式聚苯乙烯塑料、聚氨基甲酸乙酯、膨脹珍珠巖粉和礦渣棉等。絕熱層厚度一般為150～200mm。外保護層一般采用0.7～1.5mm厚的鋁合金板、馬口鐵板或0.5～0.7mm的不銹鋼板，近來瓦楞型板比較受歡迎。

⑥罐體的耐壓  發酵產生一定的二氧化碳形成罐頂壓力（罐壓），應設有二氧化碳調節閥，罐頂設有安全閥。當二氧化碳排出、下酒速度過快、發酵罐洗滌時二氧化碳溶解等都會造成罐內出現負壓，因此必須安裝真空閥。下酒前要用二氧化碳或壓縮空氣背壓，避免罐內負壓的產生，造成發酵罐"癟罐"。

3．錐形罐發酵工藝

（1）錐形罐發酵的組合形式

錐形罐發酵生產工藝組合形式有以下幾種：

①發酵－貯酒式  此種方式，兩個罐要求不一樣，耐壓也不同，對于現代釀造來說，此方式意義不大。

②發酵－后處理式   即一個罐進行發酵，另一個罐為后熟處理。對發酵罐而言，將可發酵性成分一次完成，基本不保留可發酵性成分，發酵產生的CO2全部回收并貯存備用，然后轉入后處理罐進行后熟處理。其過程為將發酵結束的發酵液經離心分離，去除酵母和冷凝固物，再經薄板換熱器冷卻到貯酒溫度，進行1～2天的低溫貯存后開始過濾。

③發酵-后調整式  即前一個發酵罐類似一罐法進行發酵、貯酒，完成可發酵性成分的發酵，回收CO2、回收酵母，進行CO2洗滌，經適當的低溫貯存后，在后調整罐內對色澤、穩定性、CO2含量等指標進行調整，再經適當穩定后即可開始過濾操作。

（2）發酵主要工藝參數的確定

①發酵周期

由產品類型、質量要求、酵母性能、接種量、發酵溫度、季節等確定，一般12～24天。通常，夏季普通啤酒發酵周期較短，啤酒發酵周期較長，淡季發酵周期適當延長。

②酵母接種量

一般根據酵母性能、代數、衰老情況、產品類型等決定。接種量大小由添加酵母后的酵母數確定。發酵開始時：10～20×10個/ml；發酵旺盛時：6～7×10個/ml；排酵母后：6～8×10個/ml；0℃左右貯酒時：1.5～3.5×10個/ml。

③發酵高溫度和雙乙酰還原溫度

啤酒旺盛發酵時的溫度稱為發酵高溫度，一般啤酒發酵可分為三種類型：低溫發酵、中溫發酵和高溫發酵。低溫發酵：旺盛發酵溫度8℃左右；中溫發酵：旺盛發酵溫度10～12℃；高溫發酵：旺盛發酵溫度15～18℃。國內一般發酵溫度為：9～12℃。雙乙酰還原溫度是指旺盛發酵結束后啤酒后熟階段（主要是消除雙乙酰）時的溫度，一般雙乙酰還原溫度等于或高于發酵溫度，這樣既能保證啤酒質量又利于縮短發酵周期。發酵溫度提高，發酵周期縮短，但代謝副產物量增加將影響啤酒風味且容易染菌；雙乙酰還原溫度增加，啤酒后熟時間縮短，但容易染菌又不利于酵母沉淀和啤酒澄清。溫度低，發酵周期延長。

④罐壓

根據產品類型、麥汁濃度、發酵溫度和酵母菌種等的不同確定。一般發酵時高罐壓控制在0.07～0.08MPa。一般高罐壓為發酵高溫度值除以100（單位MPa）。采用帶壓發酵，可以抑制酵母的增殖，減少由于升溫所造成的代謝副產物過多的現象，防止產生過量的醇、酯類，同時有利于雙乙酰的還原，并可以保證酒中二氧化碳的含量。啤酒中CO2含量和罐壓、溫度的關系為：

CO2（%，m/m）=0.298+0.04p－0.008t

其中  p --罐壓（壓力表讀數）（MPa）

t --啤酒品溫（℃）

⑤滿罐時間

從*批麥汁進罐到后一批麥汁進罐所需時間稱為滿罐時間。滿罐時間長，酵母增殖量大，產生代謝副產物α-乙酰乳酸多，雙乙酰峰值高，一般在12～24h，在20h以內。

⑥發酵度

可分為低發酵度、中發酵度、高發酵度和超高發酵度。對于淡色啤酒發酵度的劃分為：低發酵度啤酒，其真正發酵度48%～56%；中發酵度啤酒，其真正發酵度59%～63%；高發酵度啤酒，其真正發酵度65%以上，超高發酵度啤酒（干啤酒）其真正發酵度在75%以上。目前國內比較流行發酵度較高的淡爽性啤酒。

（4）錐形發酵罐工藝要求

①應有效的控制原料質量和糖化效果，每批次麥汁組成應均勻，如果各批麥汁組成相差太大，將會影響到酵母的繁殖與發酵。如10ºP麥汁成分要求為：濃度%（m/m）10±0.2，色度（EBC單位）5.0～8.0，pH5.4±0.2，α-氨基氮（mg/L）140～180。

②大罐的容量應與每次糖化的冷麥汁量以及每天的糖化次數相適應，要求在16h內裝滿一罐，多不能超過24h，進罐冷麥汁對熱凝固物要盡量去除，如能盡量分離冷凝固物則更好。

③冷麥汁的溫度控制要考慮每次麥汁進罐的時間間隔和滿罐的次數，如果間隔時間長次數多，可以考慮逐批提高麥汁的溫度，也可以考慮前一、二批不加酵母，之后的幾批將全量酵母按一定比例加入，添加比例由小到大，但應注意避免麥汁染菌。也有采用前幾批麥汁添加酵母，后一批麥汁不加酵母的辦法。

④冷麥汁溶解氧的控制可以根據酵母添加量和酵母繁殖情況而定，一般要求每批冷麥汁應按要求充氧，混合冷麥汁溶解氧不低于8mg/L。

⑤控制發酵溫度應保持相對穩定，避免忽高忽低。溫度控制以采用自動控制為好。

⑥應盡量進行CO2回收，以便于進行CO2洗滌、補充酒中CO2和以CO2背壓等。

⑦發酵罐采用不銹鋼材料制作，以便于清洗和殺菌，當使用碳鋼制作發酵罐時，應保持涂料層的均勻與牢固，不能出現表面凹凸不平的現象，使用過程中涂料不能脫落。發酵罐要裝有高壓噴洗裝置，噴洗壓力應控制在0.39～0.49MPa或更高。

（5）操作步驟（一罐法發酵）

①接種  選擇已培養好的0代酵母或生產中發酵降糖正常，雙乙酰還原快、微生物指標合格的發酵罐酵母作為種子，后者可采用罐－罐的方式進行串種。接種量以滿罐后酵母數在（1.2～1.5）×10個/ml為準。

②滿罐時間  正常情況下，要求滿罐時間不超過24h，擴培時可根據啟發情況而定。滿罐后每隔1天排放一次冷凝固物，共排3次。

③主發酵  溫度10℃，普通酒10±0.5℃,酒9±0.5℃，旺季可以升高0.5℃。當外觀糖度降至3.8%～4.2%時可封罐升壓。發酵罐壓力控制在0.10～0.15MPa。

④雙乙酰還原  主發酵結束后，關閉冷媒升溫至12℃進行雙乙酰還原。雙乙酰含量降至0.10mg/L以下時，開始降溫。

⑤降溫  雙乙酰還原結束后降溫，24h內使溫度由12℃降至5℃，停留1天進行酵母回收。亦可在12℃發酵過程中回收酵母，以保證更多的高活性酵母。旺季或酵母不夠用時可在主發酵結束后直接回收酵母。

⑥貯酒  回收酵母后，錐形罐繼續降溫，24h內使溫度降至-1℃～-1.5℃，并在此溫度下貯酒。貯酒時間：淡季7天以上，旺季3天以上。

4．酵母的回收

錐形罐發酵法酵母的回收方法不同于傳統發酵，主要區別有：回收時間不定，可以在啤酒降溫到6～7℃以后隨時排放酵母，而傳統發酵只能在發酵結束后才能進行；回收的溫度不固定，可以在6～7℃下進行，也可以在3～4℃或0～1℃下進行；回收的次數不固定，錐形罐回收酵母可分幾次進行，主要是根據實際需要多次進行回收；回收的方式不同，一般采用酵母回收泵和計量裝置、加壓與充氧裝置，同時配備酵母罐且體積較大，可容納幾個罐回收的酵母（相同或相近代數）；貯存方式不同，錐形罐一般不進行酵母洗滌，貯存溫度可以調節，貯存條件較好。

一般情況下，發酵結束溫度降到6～7℃以下時應及時回收酵母。若酵母回收不及時，錐底的酵母將很快出現"自溶"。回收酵母前錐底閥門要用75%（v/v）的酒精溶液棉球滅菌，回收或添加酵母的管路要定期用85℃的NaOH（俗稱火堿）溶液洗滌20分鐘；管路每次使用前先通85℃的熱水30分鐘、0.25%的消毒液（H2O2等）10分鐘；管路使用后，先用清水沖洗5分鐘，再用85℃熱水滅菌20分鐘。

酵母使用代數越多，厭氧菌的污染一般都會增加，酵母使用代數不要超過4代。對厭氧菌污染的酵母不要回收，做滅菌處理后再排放。

回收酵母時注意：要緩慢回收，防止酵母在壓力突然降低造成酵母細胞破裂，適當備壓；要除去上、下層酵母，回收中層強壯酵母；酵母回收后貯存溫度2～4℃，貯存時間不要超過3天。

酵母泥回收后，要及時添加2～3倍的0.5～2.0℃的無菌水稀釋，經80～100目的酵母篩過濾除去雜質，每天洗滌2～2.5次。

若回收酵母泥污染雜菌可以進行酸洗：食用級磷酸，用無菌水稀釋至5%（m/m），加入回收的酵母泥中，調制pH2.2～2.5，攪拌均勻后靜置3h以上，傾去上層酸水即可投入使用。經過酸洗后，可以殺滅99%以上的細菌。

酵母使用代數：有人研究發現，在同樣的條件下，2代酵母的發酵周期較長，但降糖、還原雙乙酰的能力較好；3代酵母在發酵周期、降糖、還原雙乙酰能力等方面，酵母活性強；4代酵母以后，發酵周期逐漸延長，酵母的降糖能力和雙乙酰還原能力也逐漸下降，產品質量將變差。

如果麥汁的營養豐富（α-氨基氮含量高，大于180mg/L），回收酵母的活性高，而麥汁營養缺乏時，回收的酵母活性很差，對下一輪發酵和啤酒質量有明顯影響。

回收酵母泥時用0.01%的美藍染色測定酵母死亡率，若死亡率超過10%就不能再使用，一般回收酵母死亡率應在5%以下。

5．CO2的回收

CO2是啤酒生產的重要副產物，根據理論計算，每1kg麥芽糖發酵后可以產生0.514kg的CO2，，每1kg葡萄糖可以產生0.489kg的CO2，實際發酵時前1～2天的CO2不純，不能回收，CO2的實際回收率僅為理論值的45%～70%。經驗數據為，啤酒生產過程中每百升麥汁實際可以回收CO2約為2～2.2kg。

CO2回收和使用工藝流程為：

CO2收集→洗滌→壓縮→干燥→凈化→液化和貯存→氣化→使用

①收集CO2  發酵1天后，檢查排出CO2的純度為99%～99.5%以上，CO2的壓力為100～150kPa，經過泡沫捕集器和水洗塔除去泡沫和微量酒精及發酵副產物，不斷送入橡皮氣囊，使CO2回收設備連續均衡運轉。

②洗滌  CO2進入水洗塔逆流而上，水則由上噴淋而下。有些還配備高錳酸鉀洗滌器，能除去氣體中的有機雜質。

③壓縮  水洗后的CO2氣體被無油潤滑CO2壓縮機2級壓縮。第1級壓縮到0.3MPa（表壓），冷凝到45℃；第2級壓縮到1.5～1.8MPa（表壓），冷凝到45℃。

④干燥  經過2級壓縮后的CO2氣體（約1.8MPa），進入1臺干燥器，器內裝有硅膠或分子篩，可以去除CO2中的水蒸汽，防止結冰。也有把干燥放在凈化操作后。

⑤凈化  經過干燥的CO2，再經過1臺活性碳過濾器凈化。器內裝有活性炭，清除CO2氣體中的微細雜質和異味。要求2臺并聯，其中1臺再生備用，內有電熱裝置，有的用蒸汽再生，要求應在37h內再生1次。

⑥液化和貯存  CO2氣體被干燥和凈化后，通過列管式CO2凈化器。列管內流動的CO2氣體冷凝到－15℃以下時，轉變成－27℃、1.5MPa的液體CO2，進入貯罐，列管外流動的冷媒R22蒸發后吸入致冷機。

⑦氣化  液態CO2的貯罐壓力為1.45MPa（1.4～1.5之間），通過蒸汽加熱蒸發裝置，使液體CO2轉變為氣體CO2，輸送到各個用氣電。

回收的CO2純度要大于99.8%（v/v），其中水的的高含量為0.05%，油的高含量為5mg/L，硫的高含量為0.5mg/L，殘余氣體的高含量為0.2%，將CO2溶于不能出現不愉快的味道和氣味。

6．錐形罐的清洗與消毒

在啤酒生產中，衛生管理至關重要。生產環節中清洗和消毒殺菌不嚴格所帶來的直接后果是：輕度污染使啤酒口感差，保鮮期短，質量低劣；嚴重污染可使啤酒酸敗和報廢。

（1）發酵大罐的微生物控制  啤酒發酵是純粹啤酒酵母發酵，發酵過程中的有害微生物的污染是通過麥汁冷卻操作、輸送管道、閥門、接種酵母、發酵空罐等途徑傳播的，而發酵空罐則是大的污染源。因此，必須對啤酒發酵罐進行洗滌及消毒殺菌。

（2）殺菌劑的選擇 設備、方法、殺菌劑對大罐洗滌質量起著決定作用，而選擇經濟、、安全的消毒殺菌劑則是關鍵。我國大多數啤酒廠所采用的殺菌劑大致有CIO2、雙氧水、過氧乙酸、甲醛等，使用效果的是CIO2。

（3）洗滌方法的選擇

①清水-堿水-清水這種方法是比較原始的洗滌方法，目前在中小型啤酒廠中使用較多，雖然洗滌成本低，但不能充分殺死所有微生物，而且會對啤酒口感帶來影響。也有采用定期用甲醛洗滌殺菌，但并不安全。

②清水-堿水-清水-殺菌劑（CIO2、過氧乙酸、雙氧水）  一般認為上述三種消毒劑終分解產物無毒副作用，洗滌后不必沖洗。采用此種方法的廠家較多，其啤酒質量特別是口感、保鮮期會比*種方法提高一個檔次。

③清水-堿水-清水-消毒劑-無菌水  有的廠家認為這種方法對微生物控制比較安全，又可避免萬一消毒劑殘留而帶來的副作用，但如果無菌水細菌控制不合格也會帶來大罐重復污染。

④清水-稀酸-清水-堿水-清水-殺菌劑-無菌水  此種方法被認為是比較理想的洗滌方法。通過對長期使用的大罐內壁的檢查，可發現粘附有由草酸鈣、磷酸鈣和有機物組成的啤酒石，先用稀酸（磷酸、硝酸、硫酸）除去啤酒石，再進行洗滌和消毒殺菌，這樣會對啤酒質量有利。

（4）其它因素對大罐洗滌的影響

①CIP系統的設計:特別是管道角度、洗滌罐的容量及分布、洗滌水的回收方法等，都會對洗滌殺菌產生影響。有些采用帶壓回收洗滌水，壓力過高會使洗滌水噴射產生阻力而影響洗滌效果。

②洗滌器：當前生產的洗滌器種類很多，應選擇噴射角度*，不容易堵塞的萬向洗滌器。定期拆開大罐頂蓋對洗滌器進行檢查，以免洗滌器因異物而堵塞。

③洗滌泵及壓力:如果泵的壓力過小，洗滌液噴射無力，也會在大罐內壁留下死角，洗滌的壓力一般應控制在0.25～0.4MPa。

④大罐內壁:有的大罐內壁采用環氧樹脂或T541涂料防腐，使用一段時間后會起泡或脫落，如果不及時檢查維修，就會在這些死角藏有細菌而污染啤酒。

⑤洗滌時間:只要方法正確，設備正常，一般清水沖洗每次15～20分鐘，堿洗時間20分鐘，殺菌時間20～30分鐘，總時間控制在90～100分鐘是比較理想的。

⑥微檢取樣方法：大罐洗滌完畢后放凈水，關閉底閥幾分鐘，然后再打開，用無菌試管或無菌三角瓶，在火焰上取樣作無菌平皿培養24小時或厭氧菌培養7天，取樣方法不正確或者培養不嚴格也會使微生物測定不準確。