精酿啤酒糖化锅常用形式及其搅拌装置与加热方式分析研究

张旅 戴晓勇

引言

我国精酿啤酒市场的高速发展，对精酿装备的需求日益强烈。精酿啤酒酿造系统中的糖化锅是精酿啤酒生产中的关键设备。为了适应精酿啤酒酿造过程中的特殊需求，精酿啤酒酿造系统中的糖化锅种类也有多种形式。最常见的种类为单一糖化锅，糖化过滤槽形式糖化锅，糖化煮沸锅形式糖化锅和糖化煮沸沉淀槽形式糖化锅。

这些种类的精酿啤酒糖化锅在实际生产中都有自身的优点，也有很多不足之处，甚至成为装备制造企业和精酿啤酒酿造企业的痛点。对每一个种类进行优缺点分析，找出其不足之处，展望其解决之道显得尤为重要。

1 糖化锅关键部件

1.1 单一糖化锅中常用搅拌器形式

图1a HUPPMANN 搅拌器

图1b ZIEMANN 搅拌器

图1c STEINECKER 搅拌器

1.2 糖化过滤槽形式糖化锅中常用搅拌器形式

图2a 糖化过滤槽形式糖化锅搅拌桨

图2b 糖化过滤槽形式糖化锅耕排糟搅拌装置

2 优缺点分析

2.1 单一糖化锅形式

单一糖化锅是工业啤酒酿造酿造中最常见的形式，也是精酿啤酒酿造系统中常见的形式，而且当将酿啤酒发展到一定规模后精酿啤酒单一糖化锅是必然选择。由于功能单一，无论是混合、传热还是固液悬浮等都能做到最佳，可以为蛋白质分解和淀粉分解为可发酵型糖提供最佳条件。同时单一糖化锅也有一些不足之处，比如系统造价高，糖化醪需要低剪切力的泵来输送到过滤槽等。加热和搅拌是精酿啤酒单一糖化锅两大关键因素，因此下面就对着两大关键因素进行论述。

单一糖化锅的加热形式

精酿啤酒单一糖化锅的升温速率一般控制1～1.5℃/min，加热方式主要有蒸汽、电加热器和燃烧器直火加热三种。

蒸汽加热主要采用锅底和筒体夹套的形式，一些小型的精酿啤酒单一糖化锅只需要锅底夹套就足够了。理论上来讲，夹套的传热面积越大越好，但是单位体积的糖化醪在精酿啤酒单一糖化锅中往往能比在工业啤酒大型糖化锅中获得更大的换热面积，如果夹套布满锅体，往往效果适得其反。蒸汽在进入夹套后很快冷凝成水，造成夹套只有前半段在加热，后半段没用蒸汽过去，更多的夹套反而带来加热的不均匀，浪费材料，增加制造工作量。那么如果夹套面积过小，就会需要提高蒸汽压力来提高温差，造成局部结焦现象，给清洗带来很大麻烦。同时精酿啤酒酿造设备的规模大小不等庞杂，基本都为非标设计，给设计计算带来很大麻烦。那么除了计算以外，是否可以建立模型用数值模拟的方法找到夹套的最佳面积和最佳位置，减少设计中的失误率。

电加热器加热也是精酿啤酒单一糖化锅的常用形式，设备投资成本低，热效率高是，可以精准计算出其所需功率是其优点。但是加热器不像夹套有那么大的换热面积，加热管单位面积上所分摊的功率比较大，容易结焦，造成清洗困难且影响糖化质量及加热器的使用寿命。用实验的方法对单位面积功率数进行研究，来获得一个最佳的单位面积功率数作为设计参考是非常有必要的。另外是否可以用电磁的方法来替代电加热管也是值得考虑的问题。

燃烧器直火加热对于有天然气条件的精酿啤酒酿造单位是非常有利的，设备投资少，其可以避免电力增容带来的麻烦，同时直火加热所产生的适当的美拉德反应也可以给精酿啤酒带来一些特殊的风味，但是燃烧器的存在也给环评带来一定的麻烦。在燃烧器直火加热系统中，糖化锅底一般设置为平斜底，穿热面积也主要靠锅底的面积，造成烟气口的排气温度过高，造成能源浪费是现在存在的最大的问题。因此在加热强腔和锅体侧壁设置腔体，迫使烟气从腔体经过后从排气口排出是比较明智的做法。这样做是可以解决一部分问题，但是不能从根本上解决问题，不能根本精确控制烟道口的排气温度，这是急需解决的问题。

单一糖化锅的搅拌

精酿啤酒单一糖化锅的搅拌非常关键，对传热，锅内温度的均匀性，混合和固液悬浮影响重大。同时好的搅拌桨应该具有温和搅拌，不形成表面湍流，减少吸氧，剪切力也要尽量小，减少葡聚糖唐之类的物质溶出。同时要对物料形成上下对流，液面下形成平均匀平稳的湍流，使酶能够与物料充分接触，减少作用时间。搅拌装的效果好坏直接决定了糖化质量和收得率。目前精酿啤酒糖化装置的减速机主要有放在罐顶和罐底两种形式。放在罐顶设计和制造都比较简单，但是有一根轴伸到罐底，会阻挡洗球，影响清洗效果，同时减速机放在罐顶也影响美观。

目前我精酿啤酒装备的供应商已经发展到数百家，但是基本上都没有自己的自主知识产权，都在模仿借鉴德国三家酿造设备企业的搅拌装置。基本上任何一家我国供应商的糖化锅让业内人一看就会评价说这是HUPPMANN的搅拌器（图1a），这是STEINECKER（图1c）的形式，那是ZIEMANN 的搅拌器（图1b）。这是目前国内的现状，作为全球精酿啤酒装备的主要供应国，在糖化搅拌器上居然没有自己的知识产权，也是一种非常无赖的现象，同时也说明国内装备制造企业没有把焦点放在基础技术的研发上。

有人对糖化设备搅拌性能进行了实验研究与数值模拟，特别是对HUPPMANN 桨叶，STEINECKER 桨叶以及他们的衍生形式进行了对比分析。使用CFD 软件如美国的FLUENT 公司推出的FLUENT 系列软件对精酿啤酒糖化锅内的固液悬浮进行数值模拟，并且结合实验验，设计出一种具有自身鲜明特点，性能优异，自主知识产权的搅拌装置显得尤为重要，也是提升中国制造形象的必要之举。精酿啤酒糖化锅产能范围广，需要设计无数种不同型号尺寸的搅拌器，使用具有自主知识产权的搅拌器，由于对其性能非常了解，也可以减少设计的失误，提高设计的精准性。

2.2 糖化过滤槽形式糖化锅

糖化和过滤在一个容器中完成，即糖化过滤槽形式，是英美精酿啤酒糖化系统的主要形式。起初设设计这样的糖化过滤槽适应为在英美采用单一温度的一步糖化法比较流行，即直接用一定温度的热水和麦芽混合后得到自己想要的目标温度的糖化醪，并保温一定时间让淀粉酶充分作用，把淀粉分解为可发酵性的糖。这样糖化方法简单易行，也适合于欧美一些性能优异的麦芽酿造ALE 类啤酒。采用糖化和过滤在一个容器中完成不需要倒醪到过滤槽的过程，使得操作简便易行，设备成本也低。但是随着能够升温进行多温度段糖化（如蛋白质休止）的优势凸现，设备制造商们应酿酒师的要求，开始寻求在糖化过滤槽上解决加热问题，因此加热和搅拌也是精酿啤酒糖化过滤槽的两大关键因素。

2.2.1 糖化过滤槽形式糖化锅的加热形式

由于过滤槽底部有筛板的阻隔，因此在底部设计加热装置变得几乎不可能，因此底部无法设置底部蒸气加热夹套，也无法采用燃烧器直火加热。由于耕排糟装置的存在，或者没有耕排糟装置但需要人工搅拌和排糟，电加热管的存在也变得几乎不可能。因此采用蒸汽夹套加热也几乎是唯一选择，而且只能放在过滤槽的筒体侧壁上。只有侧壁夹套，没有底部夹套一个主要现象就是物料顶层温度非常高，而低层非常低，分层现象非常严重。因此一个优良的搅拌装置显得尤为重要；另外由于底部没有夹套，筛板以下物料得不到加热，需要解决底部物料的循环问题。

2.2.2 糖化过滤槽形式糖化锅的搅拌

糖化过滤槽形式糖化锅搅拌的主要有两种形式：一是采用具有排糟功能的搅拌桨（图2a），必要时还可以设置双层桨。这种形式的搅拌桨混合和固液悬浮功能良好，能够保证物料各点温度基本一致，但是这种形式的搅拌桨舍弃了耕糟功能，在需要耕糟的情景下弱点必现。二是采用普通的耕排糟装置充当搅拌，这种形式好处是保留了过滤槽原始的耕排糟功能，但是搅拌效果不佳，加热到设定温度后停止加热，实际温度会有很大的飙升。如何兼具个方面的功能同时能够保证筛板底部物料也能够均匀受热是设计一个性能优异糖化过滤槽必须考虑的问题。

对耕刀底部进行改进，采用多个弧形小桨装置，使得耕排糟装置具备搅拌功能（图2b）。当减速机顺时针旋转时，弧形小桨保持与过滤槽筒体通心，实现耕糟。当减速机逆时针旋转时，弧形小桨呈关闭状态可以进行搅拌和排糟。但是这种形式的耕排糟装置搅拌效果一般，需要在耕刀上部和搅拌轴上部增加辅助搅拌桨，带来良好的搅拌效果。

无论是桨式搅拌器还是改进型耕排糟装置，长时间搅拌后都回造成糖化醪中的细小颗粒落入筛板下部，给后面的麦麦汁回流带来很大麻烦。因此在解决搅拌传热问题，耕排糟问题，需要找到方法解决筛板底部物料不受热，细小颗粒落入筛板底部的问题。

2.3 糖化煮沸锅形式糖化锅

糖化和煮沸在一个容器中完成，即糖化煮沸锅形式，是德式精酿啤酒糖化系统的主要形式。在精酿啤酒酿造中只有糖化和煮沸阶段需要加热，因此在同一个容器中完成可以共用加热装置，共用温度测量元件和加热执行元件，对节约成本作用很大。

2.3.1 糖化煮沸锅形式糖化锅的加热形式

精酿啤酒糖化煮沸锅和将酿啤酒单一糖化锅一样，蒸汽加热，电加热器加热和燃烧器直火加热都可以采用。

采用蒸汽加热方式时，除了和精酿啤酒单一糖化锅蒸气夹套一致外，夹套的面积和位置要考虑煮沸的要求,考虑底夹套和筒体夹套独立分开控制，甚至可以考虑把筒体夹套分成两段，便于调节煮沸强度和糖化时使用不同的夹套，同时底部夹套可以单独使用在麦汁很少时就可以加热，节约麦汁煮沸时间。

采用电加热器加热方式时，最好把加热管设计成功率可调的形式或者分成多个加热器来独立控制，方便控制煮沸时溢锅。

采用燃烧器直火加热时，一般燃烧器的功率都来可以在一定范围内调节，选择功率合适的燃烧器很重要。

2.3.2 糖化煮沸锅形式糖化锅的搅拌

精酿啤酒糖化煮沸锅的搅拌装置和精酿啤酒单一糖化锅搅拌装置所面对的问题一致。在后面设计研究中可以考虑搅拌器的在煮沸时的防溢锅功能。

2.4 糖化煮沸沉淀槽形式的糖化锅

这种形式的精酿啤酒糖化锅是在英美系统的糖化过滤槽加热遇到问题时想把糖化功能移植到煮沸沉淀槽上，进而产生的一种新的糖化过形式。优点是不用在过滤槽里糖化了，但是目前这种形的糖化锅实际应用不多，多种功能集中在一个锅上造成效率不高，实际应用中也会遇到一些其它问题。

2.4.1 糖化煮沸沉淀槽形式的糖化锅的加热方式

精酿糖化煮沸沉淀槽可以采用蒸汽加热，电加热器加热和燃烧器直火加热。除了上面精酿啤酒单一糖化锅所要面对的优缺点外，还要考虑沉淀槽的加入对燃烧器选择的影响，比如内置的电加热器是否会对旋流沉淀时的流体离心旋转造成影响，进而影响热凝固物在中心积聚。

2.4.2 糖化煮沸沉淀槽形式的糖化锅的搅拌

精酿糖化煮沸沉淀槽由于要考搅拌器的存在对对旋流沉淀时的流体离心旋转造成影响，需要对搅拌进行特殊设计。现有的系统大部分都是直接采用常规的搅拌器，多少都会对热凝固物在锅底中心的积聚造成影响。如果桨叶能够收起到中心位置，那么它对旋流沉淀的影响将会降到最低，这是未来设计研究中需要考虑的问题。

3 结论

精酿啤酒糖化锅搅拌桨研发有性能优异的自主之产权的搅拌桨，可以借助一些计算流体力学软件和实验进行数值模拟。

精酿啤酒糖化过滤槽中，无论是搅拌桨还是耕排糟搅拌装置都有很多不足之处，还有很多提升空间。

任何一种加热方式都可以考虑使用数值模拟的方式来优化。