家用自分離啤酒發酵桶和發酵方法

李華賓，崔云前

（齊魯工業大學，山東濟南 250353）

1 啤酒發酵設備及發酵流程發展現狀

1.1 國內外啤酒發酵設備發展概況

中國啤酒行業在過去20年快速發展。早年，我國的啤酒發酵所用設備大多由國外引進，我國自行生產的啤酒發酵設備較少。迄今為止，我國針對家用啤酒發酵過程制造的啤酒發酵設備仍較少，且無法適應現有的啤酒發酵流程需求，對于啤酒自釀愛好者來說，無法按照啤酒發酵工廠的流程進行大規模的啤酒發酵，故急需一種適合家用且規格和質量較符合現代要求的家用啤酒發酵桶。

現有用于啤酒發酵的設備多以發酵罐為主，其作為釀造啤酒的容器，由玻璃、不銹鋼、搪瓷等材質制成。發酵罐有單層和雙層兩種結構形式，其中雙層結構的居多。常見的雙層發酵罐為單層臥式發酵罐、雙層立式（或平放）發酵罐、雙層側置（或平放）發酵罐等。常用的單層臥式的雙排管型發酵罐其結構特點為底部裝有攪拌槳葉，用于攪拌物料；上部裝有多排錐形管狀的發酵管；兩端設有進料口和出料口。

1.2 啤酒發酵工藝流程及現有參數監測情況

發酵是啤酒生產過程中的一個關鍵階段。在此階段，將前一過程中產生的含有可發酵糖的液體（麥汁）放入發酵罐中，然后加入酵母，開始發酵過程，將麥汁中含有的糖轉化為乙醇、二氧化碳和其他副產品。發酵過程取決于多個參數，如溫度、酵母發酵率、麥芽汁通氣程度，都會影響發酵程度和啤酒中揮發性化合物的濃度，進而影響最終產品的質量和風味。因此，監測主要的發酵參數可以保證產品的質量。目前現有的系統包括一種基于電位和伏安傳感器的混合電子系統，用于對發酵過程中的不同啤酒樣品進行分類。利用可見/近紅外光譜技術快速評價pH和可溶性固體含量，得到了一種便攜式、廉價的啤酒質量控制裝置。此外，還有研究提出了一種基于模擬plc的遠程工業啤酒生產控制系統。它為發酵罐提供了一個溫度控制系統，以在發酵過程中保持最佳溫度。通過對發酵室多點的相對濕度和溫度進行監測，可獲得這些參數的平均測量值。此外，還有研究提出了一種低成本的葡萄酒生產無線監控系統，使用基于arduino的硬件，并連接有pH探頭和溫度傳感器。一些用于家庭釀造中的發酵監測的商業設備也得到開發，其中一種由數字氣閘組成，主要用于測量發酵罐中的二氧化碳流量。另一種由一個傾斜的氣缸組成，與發酵罐中的啤酒接觸，可以測量密度。

正確的發酵過程是在啤酒生產中獲得良好效果的必要條件。在此階段，由于酵母菌，麥芽汁中含有的糖被轉化為乙醇、二氧化碳和其他副產品。在工業啤酒廠中，很多啤酒發酵工廠配備了專門的傳感器，以監測發酵過程的主要參數。

2 啤酒發酵工藝流程

目前，一般可將啤酒發酵技術分為傳統發酵技術和現代發酵技術。啤酒的制作工藝主要分為制麥工序、糖化工序、發酵工序和包裝工序。下面主要介紹啤酒的發酵工序的工藝流程。

2.1 傳統發酵工藝

傳統發酵工藝采用兩段發酵法。預發酵采用露天池，發酵時間7～8 d，溫度約8 ℃。預發酵過程結束后，頂部葡萄酒被輸入一個封閉的儲罐，保持低溫，并儲存約60～90 d，這成為后發酵過程。這種生產模式設備周轉緩慢，需要巨大的冷庫，消耗大量能源。

2.2 現代發酵工藝

現代發酵將傳統的兩段發酵改為露天大罐發酵。前后發酵在一個罐中進行，罐壁配有熱交換管，以控制發酵過程中每個階段的溫度。這種方法不僅取消了龐大的冷庫建筑，降低了能耗，而且便于控制發酵液在不同階段所需的溫度。因此，縮短了酒齡，提高了設備利用率，葡萄酒質量與傳統發酵相似。

2.3 國內外改進發酵工藝

精釀啤酒需要由麥芽、水和啤酒花等傳統原料組成[1]。目前，啤酒是秘魯消費最多的酒精飲料。啤酒是谷物和其他含淀粉的谷物的浸漬、發酵和成熟的結果。生產這種飲料的一個關鍵步驟是浸漬，因為當熱水與之前磨碎的麥芽混合時，糖就會形成酒精。RAGICEVIC等[2]提出了一種20 L的模糊邏輯溫度控制的不銹鋼設備，使用PIC16F877a為系統控制裝置，LM35為系統的溫度傳感器。最終結果表明，淀粉的酒精含量為6.2 GL，說明淀粉能正確降解為可發酵糖。但這種研究所選擇的電子器件仍需進行更多的測試，可能會得出不同的結果。

3 家用自分離啤酒發酵桶

家用啤酒發酵工藝基本屬于現代發酵工藝，但工藝流程中使用到的發酵罐在家用發酵的情況下替換為家用啤酒發酵桶，更適應空間大小和操作便捷的需求。目前針對家用啤酒發酵過程，對啤酒發酵桶的質量、樣式、功能性具有一定的要求，本文介紹了一種自分離的啤酒發酵桶，使得居家發酵啤酒時更易操作，同時也能大大減小設備放置所需的空間[3]。

本文介紹的家用自分離啤酒發酵桶由反應桶、與反應桶內部連通的進口閥和出口閥、與反應桶內部連通且位于反應桶頂部的排氣閥以及設置在反應桶上用于添加酵母并可實現啤酒與酵母分離的功能單元組成。功能單元包括拉桿、存儲盒、物料盒體、拉簧、進料電磁鎖和退料電磁鎖。本文介紹的家用自分離啤酒發酵桶通過雙重電磁閥結構、固定化啤酒酵母與存儲盒的配合實現了啤酒的發酵與自動分離。該種設備可以生產45 L精釀啤酒，因此需要一個總容量為90 L的儲罐。由于功能原因，油箱是圓柱形，頂部和底部都是橢圓形。它采用2 mm厚的AISI 304不銹鋼制造，以確保耐腐蝕、耐溫和衛生要求。

本文介紹的家用自分離啤酒發酵桶除了無需手動分離、加酵外，還提出了通過該種發酵桶能夠實現的優化浸漬過程。水通過防回流裝置進入水箱，用22.5 kW帶型電阻加熱流體，直到溫度達到65 ℃，阿爾法酰胺酶被激活。此時，麥芽粉通過罐頂部的一個直徑為12.7 cm的洞加入。PID控制器開始工作，以保持溫度恒定在一個固定的時間。控制器的位置位于油箱的左下角。為了使溫度均質化并提高糖產量，當PUMP1泵被激活時，通過油管產生回流。此外，為了消除罐中的殘留物，本文介紹的家用自分離啤酒發酵桶包括并啟用了一個凈化管道。

小型精釀啤酒生產商沒有合適的設備，也沒有麥芽浸漬的精確過程控制，但這是啤酒制造的一個基本步驟。在這一階段，根據不同需求使用不同的溫度，將麥芽淀粉降解為更簡單的糖。因此，有必要使用具有一定結構功能的容器（耐用的材料）。此外，由于溫度調節至關重要，因為它可調節產生可發酵糖的酶（阿爾法酰胺酶）的活性，因此溫度監測必須是自動的，而不是手動的，以避免抑制酶的活性。本文介紹的家用自分離啤酒發酵桶是一種精釀啤酒浸漬的自動設備。需注意操作溫度為65 ℃，這是阿爾法酰胺酶激活的溫度。浸漬需要對流體的溫度進行精確的控制，這取決于輸入電阻的電流（4～20 mA）。此外，控制變量的所有測量都使用專業設備完成。因此，在測量溫度誤差時，須設計一個好的控制器充分調節電阻的電流，以達到設定值[4]。

本文提到的高中啤酒發酵設備涉及的精釀啤酒自動浸漬工藝控制，可在65 ℃中穩定60 min，這是從麥芽中提取最佳糖所必需的。生產啤酒所用到的原料在溫度控制過程中會產生不穩定性，使PID的初始溫度控制復雜化。但在經過特定的一段時間后，溫度會通過該反饋系統自動穩定下來。

4 家用自分離啤酒發酵方法

啤酒原液通過進口閥進入反應桶中，將固定化啤酒酵母置于存儲盒中，此時進料電磁鎖與退料電磁鎖均處于鎖定狀態。當反應桶中發酵液的溫度達到所需的反應溫度時，控制進料電磁鎖中電磁線圈的電流大小和方向使電磁閥芯向電磁線圈移動，并解鎖物料箱體。物料箱體在重力或外推力的作用下進入反應桶，并將儲存箱浸入液位。存儲盒中的固定化啤酒酵母與啤酒儲備液接觸進行發酵；發酵完成后，控制回流電磁鎖中電磁線圈的電流大小和方向，使電磁閥芯向電磁線圈方向移動，解鎖拉桿，在拉簧復位張力下提升儲物箱液位，從而實現固定化啤酒酵母與發酵液的分離，進入啤酒的儲存過程。

本文介紹的固定化啤酒酵母顆粒的制備方法是通過蔗糖溶液活化所需量的啤酒酵母制備海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液，將啤酒酵母和海藻酸鈉溶液充分混合均勻，形成海藻酸鈉-啤酒酵母懸浮液，滴入氯化鈣溶液中形成固定化啤酒酵母顆粒，靜置一段時間后沉淀固定化啤酒酵母顆粒，清洗備用。

5 結語

我國啤酒現采用的發酵生產辦法預處理不經濟、耗時、環境不友好[5]。例如，在使用啤酒桶進行啤酒發酵時，許多微生物的滋生可能被忽視。本文介紹了一種家用自分離啤酒發酵桶及其發酵方法。它的優勢是能在節省占地空間的情況下實現半自動式的發酵操作，同時引入的自動控溫技術能夠使發酵流程保持在恒定且適宜的溫度，有利于改善啤酒發酵完成的風味和質量。同時，因為其高密封性和科學的操作流程，使啤酒在發酵的過程中微生物滋生的可能性極小，在保留了啤酒所需的風味的同時能夠有效避免家庭發酵過程中常見的微生物侵入的難題，得到高質量的發酵流程。