小型啤酒釀造機設計與研究

侯潔明，劉國起

（1.合肥賽為智能有限公司，安徽合肥 230031；2.上海皓揚網絡科技有限公司，上海 200237）

0 引言

啤酒是人類最古老的酒精飲料，是水和茶之后世界上消耗量排名第三的飲料。啤酒進入中國是在19 世紀末20 世紀初，當初中國的啤酒產量低而且分布不廣泛，1949 年以后啤酒產業迅速發展，國內啤酒消費逐年增加，目前中國已是世界最大啤酒消費國之一。

釀造啤酒是個十分復雜的工藝工程。首先將原料粉碎，放入鍋中吸收一定水分并加熱，這一過程稱為糊化；再將溫度加熱至57 ℃左右并且持續一段時間，此時麥芽中有效物質被萃取出來并在酶的作用下逐漸分解到水中，這一過程稱為糖化；隨后繼續加熱至沸騰再加入酒花，冷卻過濾掉雜質；當溫度降至常溫時候放入酵母發酵，此時控制好發酵溫度；最后再低溫儲存，大約10 d 以后就可以釀造出新鮮的啤酒。啤酒釀造工藝復雜、設備多、發酵條件苛刻，因此工廠化生產啤酒才可以控制品質并降低成本。

隨著國內消費水平的不斷提升，人們已經不再滿足于飲用工業化啤酒，精釀啤酒的需求逐年上升，并且趨向于在家釀造風味不同的啤酒飲品。由于啤酒釀造工藝較為繁瑣，發酵條件苛刻，只有專業人員或是啤酒釀造愛好者才具備釀造風味獨特啤酒的能力。

本文研究并開發一款適合家庭使用的啤酒釀造機器。釀造機體積564 mm×400 mm×345 mm，相當于一臺烤箱的大小。該設備體積小、功能全，能滿足釀造過程的所有工藝要求。設備預存多種釀造工藝程序，操作者無需任何釀酒技能，一鍵操作便可由機器釀造完成所有工作。設備帶有無線傳輸功能，讓用戶與設備實現互聯互通，可以隨時用手機操控釀酒機。

1 家用釀造機工作過程

家用小型釀造設備是將大型工廠化啤酒設備的小型化，并且參照啤酒釀造工藝流程研發設計的一種小型機器。設備體積小、功能齊全、操作簡便。操作者將粉碎后的麥芽放入糖化罐，發酵罐中加入清水，清水經過水泵在發酵罐、加熱管、糖化罐中循環流動，溫控系統根據釀酒工藝設計水溫，經過一段時間后麥芽中的糖分被萃取出來，水中含有大量的糖分和麥芽提取物——麥汁。此后將麥汁加熱至100 ℃，其間加入啤酒花。煮沸后的麥汁過濾后迅速冷卻至常溫，當麥汁溫度達到24 ℃后加入酵母，打開降溫控制器，此后釀造設備會根據設定的啤酒風味控制發酵罐中的溫度和壓力。經過10 d 左右的時間，一款精釀啤酒制作成功。

2 釀造工藝與設備要求

啤酒的釀造過程大致分為糖化、煮沸、冷卻、發酵、冷藏等5五個步驟，每個工藝步驟都有嚴格的技術要求和檢測標準。本文設計的小型釀酒設備同樣遵循上述5 個步驟標準進行，麥芽的糖化過程要求控制水的溫度和時間，煮沸過程中控制酒花的時機，冷卻發酵控制發酵罐中的溫度和壓力。

2.1 糖化罐設計

大型工業化設備的糖化罐由不銹鋼制作，將粉碎后的麥芽糖放入糖化罐，加入清水保持水溫60 ℃并不斷攪拌，此時麥芽中的糖分不斷溶解至水中。而小型化的糖化設備必須做到精簡和高效，為此設計糖化罐和煮沸罐二合一的結構裝置。如圖1 所示，下層為糖化罐主體，放入粉碎后的麥芽，加熱后的清水流入糖化罐中，此時控制液面淹沒至麥芽最高表面，使麥芽完全浸泡在水中，水溫不斷上升直至工藝要溫度。水流不斷沖擊麥芽，糖化罐中的麥芽在水流作用下不斷翻滾，翻滾越頻繁糖化效果就越明顯，經過一段時間后，清水變成麥汁。

圖1 釀酒機二合一結構

2.2 煮沸與酒花盒

麥汁制作完成后，機器進入下一個程序，加熱系統、水泵繼續工作，此時的麥汁將不再流進糖化罐，而是在酒花盒（圖2）和煮沸罐之間循環流動并不斷加熱，酒花盒每個格中有不同類型的酒花，由主控系統根據不同口味的啤酒程序控制流進各個酒花格的間隔時間和持續時間。隨著麥汁的溫度不斷升高，酒花中的物質被萃取出來，最后麥汁被煮沸，系統根據啤酒風味的不同控制并維持沸騰的時間，直到完成本次工藝過程。

圖2 酒花盒、糖化罐、發酵罐位置

2.3 過濾冷卻

當麥汁煮沸完成后，麥汁中的蛋白質凝固成絮狀物質，部分水分被蒸發，此時麥汁的糖度一般會在12°以上，下一步需要迅速冷卻并通過過濾系統將麥汁中的雜質濾掉。本文研究的小型設備是在煮沸罐的底部增加一層過濾網和過濾棉，麥汁循環流動中已經將雜質過濾掉。煮沸的麥汁溫度是100 ℃，本設備需要在很短的時間內將麥汁冷卻到24 ℃以下，兼顧到縮小尺寸結構和降溫效率，采用風冷排和制冷片同時降溫的方法，風冷排在機器上部，制冷片貼服在煮沸罐側壁上，工作中由水泵將麥汁抽出流經風冷排將麥汁的熱散發出去，同時制冷片也在進行降溫工作，在兩個工作模組共同作用下，麥汁迅速降溫。

2.4 發酵與控溫控壓

機器完成過濾冷卻后，麥汁的溫度已經降至常溫24 ℃左右，此時放入酵母，機器進入發酵程序。為保證酵母發酵壓力控制在3 bar（0.3 MPa）以內，發酵罐的壓力由罐頂部的壓力閥控制，超過設定壓力，閥自動開啟，低于設定壓力，閥自動關閉。發酵過程中會產生熱量，環境溫度也會有高低不同的不變化，為此在發酵罐上安裝降溫和加熱補償裝置。采用半導體模組，用鋁塊和銅管做導熱器件，將發酵罐內的熱量導出并向機器外部散熱。當發酵罐內溫度不足時，半導體模塊電路自動反向接電，此時冷熱端反向，控溫模塊將機器外部熱量傳導至發酵罐內部，保持設定溫度。

3 設計與參數匹配

根據釀酒工藝的標準和對設備體積的要求，設計研發小型釀酒機，機器包含四大部分，糖化罐酒花盒部件，發酵罐和壓力控制部件，加熱循環系統，冷卻系統，主控電路等。

3.1 加熱系統、過濾糖化罐、酒花盒

如圖1 所示，機器分為左右兩個部分，左側透明塑料罐為糖化罐，用于將麥芽糖化成麥汁，右側為不銹鋼密封罐，用于啤酒發酵使用。塑料罐上部為帶隔斷的小盒，小盒共有4 個分段，分別放入不同類型的酒花，工作過程中水流不斷沖刷小盒內的酒花。開始工作前先在左側糖化罐中放入粉碎后的麥芽，右側密封罐中加入清水，啟動開關，水泵（表1）將右側發酵罐中的水抽出到加熱管中（表2），經過加熱后的水流入左側糖化罐的底部再由另一個水泵抽出到發酵罐中，糖化罐中間和底部分別裝有液位傳感器，液位信號用于控制糖化罐中液體高度。工作后的水在發酵罐、加熱管和糖化罐中反復循環，不斷被加熱。主控板根據程序控制水的溫度，經過一段時間后，麥芽中的淀粉被萃取出來。水由于吸取了麥芽的有效物質后成為麥汁，隨后進入煮沸工藝，由主控程序控制水泵和加熱管繼續工作，水流持續循環并被加熱，此時水流不再流進糖化罐，而是進入糖化罐上部的酒花盒內，酒花盒總共有4 個不同的小格，裝入不同的酒花品種，程序根據啤酒口味控制水流進入酒花盒的時機和流經的持續時間，以獲得不同的口味。

表1 水泵規格參數

表2 加熱管規格參數

3.2 發酵罐、控溫系統、控壓系統

機器的右側為發酵罐，發酵罐是密封的，罐頂有壓力控制模塊和溫度傳感器，罐的側壁有半導體降溫模塊。由于發酵的后期需要將發酵罐密封并保持罐內壓力，因此罐頂部裝有壓力控制閥（電磁閥參數見表3），機器在第二步煮沸工藝中需要將閥門打開，以便讓蒸氣揮發出去，第四步工藝中程序將閥門關閉，酵母發酵過程會產生二氧化碳，隨著發酵的深入，罐內壓力不斷增大，為了保持罐內壓力達到標準要求，將閥門控制值設定在3 bar（0.3 MPa）以內，罐內壓力超過設定值，閥門自動打開放氣減壓。

表3 電磁閥參數

3.3 冷卻降溫系統

酵母在發酵過程中持續放熱，當環境溫過高不利于酵母發酵，并且酵母發酵過程會持續放熱，為了給發酵提供良好的環境，發酵罐外設計安裝降溫控制系統。為保持整個機器體積較小采用半導體制冷片，其中一面緊貼在鋁塊上，鋁塊再緊貼在發酵罐的外側表面，半導體發熱端采用5 根銅熱管導熱，銅管末端固定在鋁鰭片并附加強排風扇進行散熱處理。啟動制冷工作程序半導體制冷片開始工作，不斷將發酵罐內的熱量傳輸到機器外部，持續數小時后罐內溫度可降至10 ℃左右。

4 結束語

啤酒釀造歷史悠久，近代工業促成了大規模工廠化生產。啤酒品種多樣，口味各有特色，人們希望釀造具有獨特風味的啤酒，但又缺乏專業技能，為此研究并掌握啤酒的釀造工藝，在基本工藝基礎上簡化機器設備，使其能夠滿足家庭化的使用要求。研究與設計中不僅僅要求溫度、時間、壓力、冷卻、過濾等都要達到設計要求，同時預先存儲各種釀造程序，使用者無需專業技能，通過手機即可完成整個釀造過程。本研究與開發經歷數款機型的試驗與測試，并經過眾多用戶的試用，于2019 年完成定型并交由代工廠批量生產。