家用自分离啤酒发酵桶和发酵方法

李华宾，崔云前

（齐鲁工业大学，山东济南 250353）

1 啤酒发酵设备及发酵流程发展现状

1.1 国内外啤酒发酵设备发展概况

中国啤酒行业在过去20年快速发展。早年，我国的啤酒发酵所用设备大多由国外引进，我国自行生产的啤酒发酵设备较少。迄今为止，我国针对家用啤酒发酵过程制造的啤酒发酵设备仍较少，且无法适应现有的啤酒发酵流程需求，对于啤酒自酿爱好者来说，无法按照啤酒发酵工厂的流程进行大规模的啤酒发酵，故急需一种适合家用且规格和质量较符合现代要求的家用啤酒发酵桶。

现有用于啤酒发酵的设备多以发酵罐为主，其作为酿造啤酒的容器，由玻璃、不锈钢、搪瓷等材质制成。发酵罐有单层和双层两种结构形式，其中双层结构的居多。常见的双层发酵罐为单层卧式发酵罐、双层立式（或平放）发酵罐、双层侧置（或平放）发酵罐等。常用的单层卧式的双排管型发酵罐其结构特点为底部装有搅拌桨叶，用于搅拌物料；上部装有多排锥形管状的发酵管；两端设有进料口和出料口。

1.2 啤酒发酵工艺流程及现有参数监测情况

发酵是啤酒生产过程中的一个关键阶段。在此阶段，将前一过程中产生的含有可发酵糖的液体（麦汁）放入发酵罐中，然后加入酵母，开始发酵过程，将麦汁中含有的糖转化为乙醇、二氧化碳和其他副产品。发酵过程取决于多个参数，如温度、酵母发酵率、麦芽汁通气程度，都会影响发酵程度和啤酒中挥发性化合物的浓度，进而影响最终产品的质量和风味。因此，监测主要的发酵参数可以保证产品的质量。目前现有的系统包括一种基于电位和伏安传感器的混合电子系统，用于对发酵过程中的不同啤酒样品进行分类。利用可见/近红外光谱技术快速评价pH和可溶性固体含量，得到了一种便携式、廉价的啤酒质量控制装置。此外，还有研究提出了一种基于模拟plc的远程工业啤酒生产控制系统。它为发酵罐提供了一个温度控制系统，以在发酵过程中保持最佳温度。通过对发酵室多点的相对湿度和温度进行监测，可获得这些参数的平均测量值。此外，还有研究提出了一种低成本的葡萄酒生产无线监控系统，使用基于arduino的硬件，并连接有pH探头和温度传感器。一些用于家庭酿造中的发酵监测的商业设备也得到开发，其中一种由数字气闸组成，主要用于测量发酵罐中的二氧化碳流量。另一种由一个倾斜的气缸组成，与发酵罐中的啤酒接触，可以测量密度。

正确的发酵过程是在啤酒生产中获得良好效果的必要条件。在此阶段，由于酵母菌，麦芽汁中含有的糖被转化为乙醇、二氧化碳和其他副产品。在工业啤酒厂中，很多啤酒发酵工厂配备了专门的传感器，以监测发酵过程的主要参数。

2 啤酒发酵工艺流程

目前，一般可将啤酒发酵技术分为传统发酵技术和现代发酵技术。啤酒的制作工艺主要分为制麦工序、糖化工序、发酵工序和包装工序。下面主要介绍啤酒的发酵工序的工艺流程。

2.1 传统发酵工艺

传统发酵工艺采用两段发酵法。预发酵采用露天池，发酵时间7～8 d，温度约8 ℃。预发酵过程结束后，顶部葡萄酒被输入一个封闭的储罐，保持低温，并储存约60～90 d，这成为后发酵过程。这种生产模式设备周转缓慢，需要巨大的冷库，消耗大量能源。

2.2 现代发酵工艺

现代发酵将传统的两段发酵改为露天大罐发酵。前后发酵在一个罐中进行，罐壁配有热交换管，以控制发酵过程中每个阶段的温度。这种方法不仅取消了庞大的冷库建筑，降低了能耗，而且便于控制发酵液在不同阶段所需的温度。因此，缩短了酒龄，提高了设备利用率，葡萄酒质量与传统发酵相似。

2.3 国内外改进发酵工艺

精酿啤酒需要由麦芽、水和啤酒花等传统原料组成[1]。目前，啤酒是秘鲁消费最多的酒精饮料。啤酒是谷物和其他含淀粉的谷物的浸渍、发酵和成熟的结果。生产这种饮料的一个关键步骤是浸渍，因为当热水与之前磨碎的麦芽混合时，糖就会形成酒精。RAGICEVIC等[2]提出了一种20 L的模糊逻辑温度控制的不锈钢设备，使用PIC16F877a为系统控制装置，LM35为系统的温度传感器。最终结果表明，淀粉的酒精含量为6.2 GL，说明淀粉能正确降解为可发酵糖。但这种研究所选择的电子器件仍需进行更多的测试，可能会得出不同的结果。

3 家用自分离啤酒发酵桶

家用啤酒发酵工艺基本属于现代发酵工艺，但工艺流程中使用到的发酵罐在家用发酵的情况下替换为家用啤酒发酵桶，更适应空间大小和操作便捷的需求。目前针对家用啤酒发酵过程，对啤酒发酵桶的质量、样式、功能性具有一定的要求，本文介绍了一种自分离的啤酒发酵桶，使得居家发酵啤酒时更易操作，同时也能大大减小设备放置所需的空间[3]。

本文介绍的家用自分离啤酒发酵桶由反应桶、与反应桶内部连通的进口阀和出口阀、与反应桶内部连通且位于反应桶顶部的排气阀以及设置在反应桶上用于添加酵母并可实现啤酒与酵母分离的功能单元组成。功能单元包括拉杆、存储盒、物料盒体、拉簧、进料电磁锁和退料电磁锁。本文介绍的家用自分离啤酒发酵桶通过双重电磁阀结构、固定化啤酒酵母与存储盒的配合实现了啤酒的发酵与自动分离。该种设备可以生产45 L精酿啤酒，因此需要一个总容量为90 L的储罐。由于功能原因，油箱是圆柱形，顶部和底部都是椭圆形。它采用2 mm厚的AISI 304不锈钢制造，以确保耐腐蚀、耐温和卫生要求。

本文介绍的家用自分离啤酒发酵桶除了无需手动分离、加酵外，还提出了通过该种发酵桶能够实现的优化浸渍过程。水通过防回流装置进入水箱，用22.5 kW带型电阻加热流体，直到温度达到65 ℃，阿尔法酰胺酶被激活。此时，麦芽粉通过罐顶部的一个直径为12.7 cm的洞加入。PID控制器开始工作，以保持温度恒定在一个固定的时间。控制器的位置位于油箱的左下角。为了使温度均质化并提高糖产量，当PUMP1泵被激活时，通过油管产生回流。此外，为了消除罐中的残留物，本文介绍的家用自分离啤酒发酵桶包括并启用了一个净化管道。

小型精酿啤酒生产商没有合适的设备，也没有麦芽浸渍的精确过程控制，但这是啤酒制造的一个基本步骤。在这一阶段，根据不同需求使用不同的温度，将麦芽淀粉降解为更简单的糖。因此，有必要使用具有一定结构功能的容器（耐用的材料）。此外，由于温度调节至关重要，因为它可调节产生可发酵糖的酶（阿尔法酰胺酶）的活性，因此温度监测必须是自动的，而不是手动的，以避免抑制酶的活性。本文介绍的家用自分离啤酒发酵桶是一种精酿啤酒浸渍的自动设备。需注意操作温度为65 ℃，这是阿尔法酰胺酶激活的温度。浸渍需要对流体的温度进行精确的控制，这取决于输入电阻的电流（4～20 mA）。此外，控制变量的所有测量都使用专业设备完成。因此，在测量温度误差时，须设计一个好的控制器充分调节电阻的电流，以达到设定值[4]。

本文提到的高中啤酒发酵设备涉及的精酿啤酒自动浸渍工艺控制，可在65 ℃中稳定60 min，这是从麦芽中提取最佳糖所必需的。生产啤酒所用到的原料在温度控制过程中会产生不稳定性，使PID的初始温度控制复杂化。但在经过特定的一段时间后，温度会通过该反馈系统自动稳定下来。

4 家用自分离啤酒发酵方法

啤酒原液通过进口阀进入反应桶中，将固定化啤酒酵母置于存储盒中，此时进料电磁锁与退料电磁锁均处于锁定状态。当反应桶中发酵液的温度达到所需的反应温度时，控制进料电磁锁中电磁线圈的电流大小和方向使电磁阀芯向电磁线圈移动，并解锁物料箱体。物料箱体在重力或外推力的作用下进入反应桶，并将储存箱浸入液位。存储盒中的固定化啤酒酵母与啤酒储备液接触进行发酵；发酵完成后，控制回流电磁锁中电磁线圈的电流大小和方向，使电磁阀芯向电磁线圈方向移动，解锁拉杆，在拉簧复位张力下提升储物箱液位，从而实现固定化啤酒酵母与发酵液的分离，进入啤酒的储存过程。

本文介绍的固定化啤酒酵母颗粒的制备方法是通过蔗糖溶液活化所需量的啤酒酵母制备海藻酸钠溶液和氯化钙溶液，将啤酒酵母和海藻酸钠溶液充分混合均匀，形成海藻酸钠-啤酒酵母悬浮液，滴入氯化钙溶液中形成固定化啤酒酵母颗粒，静置一段时间后沉淀固定化啤酒酵母颗粒，清洗备用。

5 结语

我国啤酒现采用的发酵生产办法预处理不经济、耗时、环境不友好[5]。例如，在使用啤酒桶进行啤酒发酵时，许多微生物的滋生可能被忽视。本文介绍了一种家用自分离啤酒发酵桶及其发酵方法。它的优势是能在节省占地空间的情况下实现半自动式的发酵操作，同时引入的自动控温技术能够使发酵流程保持在恒定且适宜的温度，有利于改善啤酒发酵完成的风味和质量。同时，因为其高密封性和科学的操作流程，使啤酒在发酵的过程中微生物滋生的可能性极小，在保留了啤酒所需的风味的同时能够有效避免家庭发酵过程中常见的微生物侵入的难题，得到高质量的发酵流程。