CN110099994B - 用于生成麦芽汁的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种利用蒸汽喷射加热和分层流产生麦芽汁的系统和方法。该系统将细研磨的谷物与水混合以形成浆料。浆料被泵送通过蒸汽喷射加热器以形成醪浆。加热的醪浆进入分层容器，分层容器从第一端到第二端产生分层的温度分布。分层加热容器允许醪浆从第一端流到第二端而没有内部混合。在保留在醪浆旋管内之后，麦芽汁被引导至醪浆过滤单元。过滤之后，麦芽汁进入沸腾锅并使用第二蒸汽喷射加热器加热。沸腾锅包括喷头，该喷头将酿造液引导到麦芽汁上以减少沸腾锅内的泡沫。最后，麦芽汁穿过刮面筛，该刮面筛从加热的麦芽汁中去除颗粒。

Description

用于生成麦芽汁的系统和方法

背景技术

目前，酿造业在用于啤酒的麦芽汁(wort)的生产或蒸馏中几乎没有可用的创新。用于生成这些产品的技术和设备已有数百年历史，并且食品生产方面的进步尚未成功地应用于酿造业。本公开中概述的方法和系统提供了针对当今啤酒厂(brewery，酿造厂)中普遍存在的工艺和设备中发现的低效率的解决方案。

目前的技术依赖于罐(也称为发酵桶(tun))来醪制(mash)、分离、煮沸和澄清麦芽汁，以用于发酵。由于加热效率低，罐导致生产速度降低，导致加热时间长，酶转化时间长，并且温度控制差。罐也不具有重复控制对于酶转化最理想的醪制条件的能力，导致批次间的不一致。为了加速使用传统酿造设备的生产，需要更多的罐来将各工艺分到专用容器中。这在啤酒厂中占据了大量的空间，并且降低了添加发酵罐(fermentor，发酵器)的能力，这降低了年啤酒产量。

发明内容

本公开旨在通过使用工艺加热器利用分层流动范例来解决这些问题，优选的方法是与许多辅助处理技术相结合的蒸汽喷射加热。本公开中包含一种醪浆旋管系统(mashcoil system)的设计，其可以集成超快速醪浆加热和分层流动范例，以使得能重复地获得酶转化条件。此外，由于快速加热能力，因而大大减少了总提取时间。该旋管系统具有与传统的辊磨谷物或锤磨谷物匹配的独特能力，以获得额外的提取产率。它还可以附加地与再循环系统匹配，以用于其他碳水化合物产物的非酶转化。

传统的啤酒醪制方法利用容器(醪浆桶)加热或保持已加热的啤酒醪浆，以提供用于将淀粉(starch)酶转化为可发酵糖的环境。然而，醪浆桶固有的是不具有在整个醪制阶段精确地产生或保持全部醪浆的温度的能力。对桶中的醪浆加热会产生热区和冷区，造成批次之间不一致，需要大马力搅拌混合器(所述大马力搅拌混合器消耗大量能量)，由于多次输注醪浆中缓慢的步进式(stepping)加热而减慢提取时间，并助长了面团球(doughball)，这会降低批次效率。

资本投资减少、生产延迟、空间要求以及麦芽汁生产的速度和温度准确性都需要新的醪制工艺。本公开允许非常快速和准确地加热醪浆，以产生用于将淀粉转化为可发酵糖的最佳环境，对于给定的工艺尺寸呈现小的相对占地面积，生产的每单位体积的醪浆需要低能量消耗，以及减少了诸如面团球、焦糖化和多酚提取等常见的加工问题。

传统地，在从滤桶或醪浆过滤器分离的麦芽汁(通常仅为75℃至78℃)流入之后，沸腾锅(boil kettle)缓慢地产生沸腾温度。这种滞后时间减慢了酿造周期，并产生批次之间的不一致。此外，传统的锅易于沸溢，这会降低麦芽汁生产效率，并产生批次之间的不一致。锅还向大气排放，这降低了能量回收效率。然而，这种设备对于酿造工艺是必要的，以使谷物中发现的不想要的化合物(off-compounds，萧条化合物)通风，并异构化来自啤酒花的α酸。

本发明中理解并尊重传统酿造锅的价值，然而，通过添加麦芽汁消泡装置以防止沸溢，以及通过蒸汽喷射的高于大气沸点温度的受控加热，可以实现对该设备的增强。将麦芽汁加热至超过100℃，通过闪蒸已知会更快地降低啤酒口味的不想要的化合物来减少沸腾时间，并通过增加啤酒花利用率来减少啤酒花的使用。此设计还可以与现有的能量回收方法相结合，以实现低能耗。

传统的加热水的方式是具有热液体(水)罐，该罐保持至少两倍的酿造水量，例如图1的现有技术系统图中的沸腾锅2所示。该罐通常用内部蒸汽旋管明火加热，或者具有通过内部或外部热交换器(如图1中的附图标记3所示)泵送的液体。热交换器3接收供应量的蒸汽4。水在该罐10中长时间保持加热，因此罐被隔热以尽可能地保持热量。液体通常保持在80℃-85℃。其原因在于，相对于在传统啤酒厂中加热到特定温度，将冷水与热液流混合而使其达到特定温度更容易些。因此，啤酒厂仅承担这个过程中涉及的能源浪费。使用这种方法很难达到精确的冲击温度(strike temperature)，并且通常与所需的冲击温度相差3-7℃。冷水混合不精确，可快速变化，并且由于与混合水相关的冬季水温和夏季水温之间的差异而难以自动化。因此，通常会引起酿造工艺的变化以及由于使醪浆达到正确温度所花费的时间而导致的意外延迟。

本公开通过利用作为其优势的淀粉的冷水分散属性来解决这些问题以及与传统醪制方法相关的其他问题。淀粉在冷水中均匀且快速地分散，而不形成面团球。由于蒸汽喷射器能够立即将全部醪浆加热到调浆(mash-in)温度，这允许本公开在加热谷物的同时加热酿造液体，并且不需要将加热的酿造液体保持在热液体罐中。这消除了传统加热方法中的容器的成本和占地面积、滞后时间以及降低醪制效率的面团球。

在分层流范例中加热啤酒醪浆的方法和装置

目前的加热啤酒醪浆的方法利用加热的水与谷物混合和/或利用具有加热源的夹套罐，所述加热源包括蒸汽、热水或直接火焰。当使用热水时，难以控制罐中的醪制温度，由此经常导致醪浆中的显著温度变化。此外，使用夹套加热会导致产品破坏并增加加热时间。通常彼此结合使用的这两种方法在醪浆自身中提供较差的温度控制。在一些系统中，横截面温度变化可能为5℃-10℃。

由于醪浆不被烹制，因此醪浆温度控制的重要性对于酿造周期的一致性(consistency)是至关重要的。理想的醪制设备件仅为醪浆创造了一种最具生物活性的环境。这就是添加到谷物中或在谷物中天然可用的酶将淀粉转化为可发酵糖的地方。温度是有效酶转化的最重要的参数之一，并且是最难控制的。

本公开包括一种新的装置和方法，用于将醪浆加热到非常特定的温度并在整个醪制循环中保持均匀的温度。

本公开的系统和方法中的第一个主要差异是形成一分层容器，其中根据本公开的优选装置是醪浆旋管。在现有系统中，如图1所示，热液罐11用于混合供应量的淀粉5和水6。一旦混合，该供应量则被转移到滤桶(lauter tun)12中，以允许醪浆从罐壁到内部以及从容器的顶部/底部到中心的内部混合。醪浆的混合和加热会产生不均匀的温度分布。

为了解决该问题，本公开利用具有特定尺寸的容器，该容器可以被制作成使混合最小化并保持分层流。本公开的优选配置使用每一圈具有均匀总尺寸的旋管，以便保持均匀的内部管道速度梯度。这种类型的旋管产生尽可能高的流速的层流，以便以最小的混合进行快速处理。这一点很重要，由此可以以最少的变化量产生、维持和重复提取时间和温度，以实现最佳的批次间的一致性。

本公开的设计中固有的另一个关键益处是，在醪制阶段期间的温度梯级(temperature step)目前没有滞后时间。当新的加热循环开始时，热的醪浆在分层流中推压来自前一温度阶段的较冷醪浆。因此，醪浆的“浆塞(plug)”已经处于下一温度，而先前的“浆塞”仍在容器中。通过这种方法，可以简单地通过消除由于传统加热方法引起的滞后时间来实现醪制时间的显著减少。

本公开还能够在单次操作周期通过加热旋管时使温度上升到远远超过传统的醪浆加热范例。传统系统(如图1所示)中教导的最高温度升高为1℃/min(Weinstephan)，其规定了在不会对啤酒醪浆造成明显破坏的情况下罐中加热的最大速度。根据本公开使用的单个蒸汽喷射加热器具有在不破坏醪浆的情况下在单次操作周期中加热醪浆80℃的能力。这允许醪浆旋管在单次操作周期中将含水醪浆加热至调浆温度。

将蒸汽喷射(steam injection)集成为加热源的其中一个技术优点在于，可以在单次操作周期中将醪浆加热到非常精确的温度。目前，通过传统系统不可能具有将温度准度保持为从设定点偏离低于1℃的能力。现在则有可能完全去除热液罐，因为能同时加热酿造液体(水)和谷物。这具有防止形成面团球的附加优势。

传统热液罐的第二个用途是容纳喷洒水(sparge water，冲洗水)。传统啤酒厂中的喷洒是将热的酿造液引入谷物中以将醪浆加热至约78℃而使酶活性失效，并且还从谷物中冲洗残留的糖的行为。在本公开中，分层容器中的水的定时和定序允许醪浆加热源也用作按需喷洒水的加热器。

传统的醪制工艺是通过辊磨机粗磨全谷物。这将破坏单个谷粒，暴露内淀粉胚乳，而同时仍然使颗粒以较大的形式保留下来。目标是在这个工艺中形成少于8-10％的面粉。然后，酿造者将对研磨的谷物(现在称为谷粉)进行温度和重量测量。通过水合器将谷粉进给到醪浆桶中，在水合器中将冲击水(加热的酿造液体)喷雾(spray)到谷粉上以形成浆料。冲击水(strike water)的温度使得与热液体的质量和温度相结合的较冷的谷物的质量和温度等于桶中的特定醪浆温度，称为冲击温度。

如上所述，使用该方法很难达到精确的温度，并且通常与目标冲击温度相差3-7℃。

低于冲击温度结束不一定会破坏麦芽汁，但是需要花费额外的时间来将醪浆的温度升高到适当的冲击温度，这可能延迟酿造工艺。此外，通过罐夹套快速加热会破坏与罐壁接触的一部分醪浆。

高于冲击温度结束会导致更大的问题，因为可能存在酶活性的损失和从谷壳中提取单宁的可能性，这会明显降低成品啤酒的质量。此外，将醪浆冷却下来的唯一方式是混合在冷水中，这不仅是一个缓慢而不准确的过程，而且还会稀释醪浆。如果酿造者在其工艺中在醪浆桶中使用100％的水，则最终的麦芽汁将不符合质量标准。

此外，已证明了图1的现有技术中所示的罐加热模型在醪制工艺中的所有点处在容器内均具有热区和冷区。当加热到温度梯级时，这些温度可高达50℃。此外，醪浆桶不能在所有点处精确控制醪浆的准确温度，这意味着温度梯度永远不会重复。这增加了酿造工艺的批次间不一致性。

此外传统地，热冲击水与冷谷物在目标混合温度(blended temperature)下混合，该目标混合温度超过淀粉的糊化温度。这产生了引起加工问题的面团球(也称为鱼眼(fisheye))，因为在未被润湿的谷物中不会发生淀粉的酶转化。面团球中心的谷物直到球被破坏才会开始酶促过程。这会对最终醪浆的糖产量产生负面影响，并且肯定会减慢该过程。

现有技术的这种方法还取决于过滤(lautering)。在醪制阶段结束后，将醪浆转移到滤桶12中。滤桶12在罐的底部具有筛网13。将醪浆添加到滤桶12的罐中，并且麦芽汁(液体部分)流过筛网中的狭缝并经由管线14离开，在管线处将其作为废物处理。麦芽汁在罐的底部处被抽出并通过管线15转移到沸腾锅2。谷物从筛网13顶部的物理分离是颗粒尺寸必须很大的一个原因。这是将谷物固体与麦芽汁分离的重力方法。这个过程非常缓慢，使麦芽汁失去热量，并且会“粘着(stick)”。在粘着的醪浆那里谷物床变得紧致，以致于液体将不再流过谷物以进行分离。这减少了回收的麦芽汁的量，并增加了在锅中实现煮沸所需的时间。也许最有影响的是，由于谷物的颗粒尺寸必须很大——从谷物中可提取的糖量明显地减少。

这为该技术的可改进版本提供了一个良好的模型，使酿造者能够以较低的费用以及对其工艺的更少额外影响来提高酿造的技术水平。然而，它仍然使用桶，该桶将：

使温度梯度减少重复性

增加清洁时间和化学品使用量

仍依赖于过滤来去除固体

仍产生75％-85％的醪制效率

占用大量地面空间

本公开的用于谷物过滤的优选配置使用醪浆过滤系统。醪浆过滤器允许在锤磨机中将全谷物研磨成细粉，然后分散到酿造液体中。此外，通过在单次操作周期中与冷水水合匹配并加热，如本公开内容，可以实现优势组合。超高的醪浆提取百分比、低水耗、低热能消耗和非常短的麦芽汁生成周期都是可能的。

使用可控蒸汽喷射来煮沸啤酒麦芽汁的方法和装置

目前的煮沸啤酒麦芽汁的方法使用带夹套的锅或加热排管(calandrias)(内部或外部)，例如图1中的沸腾锅2所示，将来自滤桶12或醪浆过滤器的麦芽汁(通常约75℃)加热至沸腾。这些方法都通过金属表面或板加热，使得金属板的表面温度均在130℃至170℃之间。这种煮沸方法的主要缺点之一是麦芽汁的最低速度区域位于加热表面处。这产生了麦芽汁在最大热量点处的停留时间，进而产生麦芽汁的烧糊(burn-on)和焦糖化。

烧糊的主要原因是美拉德反应，其将麦芽汁中的蛋白质与糖结合，并且该化合物沉积在管道或罐壁上。这些沉积物通过隔绝加热表面而降低了装置的加热效率，并且由于残留表面膜而产生了清洁问题。麦芽汁糖的焦糖化是有效加热的另一个副作用，其通过使颜色变暗并人工地产生烧焦范围内的口味(太妃糖、焦糖和葡萄干)来影响麦芽汁质量。

目前的方法的其他限制在于不能将麦芽汁加热到高于沸腾温度。锅必须被特别配备为压力容器，以实现沸点以上的这些更高温度。排管也必须被加压以达到这个过温(overtemperature)，但由于发泡可能会不稳定。此外，锅的尺寸和额定值必须满足蒸汽消耗需求，以提供这些温度，从而控制其尺寸和成本，但效率下降。

此外，当前的方法具有长的滞后时间。滞后时间是将进入的麦芽汁从过滤出口温度加热到沸腾所需的时间。通常，需要15至30分钟的滞后时间才能达到所需温度，这在酿造工艺中产生了额外的时间。例如，当一天制作五份具有30分钟滞后时间的麦芽汁时，在酿造当日就有2.5小时酿造者用来仅仅等待麦芽汁在锅中煮沸。这些时间也可以因环境温度、大气压、蒸汽压力、设备温度等而变化。这在批次间产生了关于煮沸时间的可变量，影响所产生的麦芽汁的一致性。

本公开包括在容器中煮沸麦芽汁的方法，该容器配备有蒸汽喷射加热装置，该蒸汽喷射加热装置设计成使经过滤而进入的麦芽汁立即沸腾。该方法在许多方面优于现有方法。首先，它具有将麦芽汁从低至30℃的进入温度几乎立即煮沸的能力。这消除了大多数酿造者在正常生产啤酒麦芽汁时所面临的滞后时间。此外，它还带来容易地加热至沸腾以上而使最终温度达到140℃的能力。这允许沸腾中更高的啤酒花利用率，这使得啤酒花的使用量显著减少。

当加压的热麦芽汁重新进入大气罐(atmospheric tank，常压罐)时，超过100℃的加热也会使多余的水闪蒸掉。这改善了从麦芽汁中天然存在的谷物衍生的不想要的化合物中去除VOC，与传统方法相比，允许更短的煮沸时间。

另外的配置可以将沸腾容器和醪浆分层容器整合成单个罐系统，这显著减少酿造所需占用空间并通过将热量保持在给定的过程中而提高加热效率。

该沸腾容器的另外的配置包括高流量再循环回路，该高流量再循环回路允许淀粉在非酶碳水化合物反应中进行热转化。

分散沸腾锅中的麦芽汁泡沫以防止沸溢的方法和工艺

煮沸时，麦芽汁泡沫是一个加工问题，因为其形成速度比破裂速度快。泡沫的效果被称为沸溢(boil-over)，由此泡沫将溢出锅的检修孔(manway)或进入排放通道。这些效果会在沸溢过程中产生排气流量减少、清洁问题和松散的麦芽汁，其是高价值产物。此外，当啤酒花首先被引入沸腾的麦芽汁中时，啤酒花倾向于漂浮，因此在该阶段期间的沸溢降低了可影响成品啤酒质量的啤酒花浓度。

目前控制由泡沫引起的沸溢的方法包括将沸腾的麦芽汁泵送到瓷盖的下侧。这导致向下喷雾，而有助于机械地破裂泡沫。这种方法在控制沸溢方面并不总是有效的，因为泡沫的耐久性随着沸腾的进展而发生变化。此外，如果酿造者将沸腾锅填充达到瓷盖上方的容积中，则该方法作为控制泡沫的手段是无效的。

通常，为了解决这个问题，酿造者手动地将来自冷水软管的冷水喷雾到泡沫上。用冷水喷雾的行为是控制泡沫的有效手段，但在配方中添加了可变且未确定量的水。这种可变性导致批次间的不一致，并改变啤酒的矿物质浓度，这会影响成品啤酒的质量。此外，这种方法使麦芽汁冷却下来，其可能需要一段时间才能恢复剧烈的沸腾。当与实现温度超过100℃的沸腾方法结合使用时，该问题会加重。该方法产生过量的泡沫，需要额外的泡沫抑制方法。

本公开包括与配备有高压、低流速喷头的沸腾锅一起制备麦芽汁的方法。麦芽汁制备包括制作高重力麦芽汁(22°P至30°P)，并添加矿物盐而制备麦芽汁，以用于整个体积的目标麦芽汁(11°P至15°P)。可向锅中添加水以用于泡沫控制，只要添加的水不会将糖浓度降低至低于目标麦芽汁即可。为了确保不会发生这种情况，将高压、低流速喷嘴的使用集成到锅中，使得水滴的动力起到机械地破坏泡沫的作用，这可以通过用于收缩泡沫尺寸的冷水的热冲击来加以辅助。该解决方案集成于锅的顶部，因此锅中的麦芽汁的特定体积不会像现有设计那样降低其效果。

用于沸溢保护装置的水源是系统范围的高压无菌冷水系统。该系统中的水是经过滤的、未回火的酿造液或反渗水。可能通过具有控制装置的计量泵，使用酸在线调节pH。可使用电导率或pH发送器(transmitter)来感测酸的浓度，以向酿造软件发送信号，该酿造软件控制计量泵以使得水处于目标pH。

通过这种方法，高压水在不影响锅中的啤酒花平衡或啤酒花提取时间的情况下实现高效的泡沫控制。此外，在控制系统中监测添加的用于减少泡沫的过滤水的量，使得最终麦芽汁的糖水比以及成品啤酒的其他品质得以保留。

蒸汽喷射系统中能量回收的方法和装置

蒸汽喷射在与任何其他当前加热工艺相比使用更少的总能量有效加热到非常受控的温度的能力方面来说是革命性的。这本质上是由于蒸汽冷凝物被消耗到加热过程中。虽然它在产品加热方面是节能的，但在实用性方面产生了锅炉(boiler)能量回收问题。

通过使用蒸汽喷射而不将受热的冷凝物返回到供水(feed water)处，该锅炉必须使用锅炉的蒸汽形式的一些加热能力来预热进入的锅炉供水。这被称为100％补给的(100percent make-up)锅炉系统。有必要将这些水加热到最低60℃，但更常见的是加热到80℃以上的温度，以防止热冲击和锅炉系统的破坏。对供水预热所需的蒸汽越多，锅炉系统的整个能量平衡变得越低效。

为了将热能回收到锅炉，将热电池的使用集成到本公开中。与电力电池类似，热电池被“充电”和“放电”。充电回路是向热电池供应热液体的流。通过集成的热交换器，电池中的液体接收热量并将其存储在热电池元件中，同时冷却该回路。然后，该冷却的回路使电池充满额外的热能。该系统中的充电回路是位于沸腾锅2之后的麦芽汁冷却装置和装在沸腾锅2上的蒸汽冷凝器。此外，该电池可以从任何数量的其他加热能量回收系统(例如制冷回收加热器)接收热负荷(thermal charges)，以便提高能量回收效率。

电池将所有存储的热能释放回锅炉系统，以预热进入的供水。这能够实现有效的能量回收，以在不使用蒸汽的情况下将供水加热到80℃以上，从而形成高效的加热系统。

从以下结合附图的描述中，本发明的各种其他特征、目的和优点将变得显而易见。

附图说明

附图示出了目前设想的实现本公开的最佳模式。在附图中：

图1是现有技术的酿造工艺的视图；

图2是本公开的系统的操作部件的示意图；

图3示出了与图2的系统一起使用的麦芽汁过滤单元；

图4是根据本公开使用的沸腾锅和喷嘴的视图；

图5是根据本公开使用的刮面筛(scraped surface sieve)的视图；

图6是麦芽汁生成系统的示意图；

图7是类似于图6的视图，其中移除了外皮(outer skin)；以及

图8是类似于图7的视图，其中移除了醪浆旋管。

具体实施方式

图1示出了现有技术的系统，其总体上示出了用于酿造啤酒的传统方法。图1的主题被结合到本申请中，以便于理解典型的酿造工艺，使得典型的酿造工艺可以与本公开的方法和系统进行比较。传统的酿造方法包括热液罐11，该热液罐用于保留供应量的热酿造液(经过滤和处理过的水)以在酿造工艺中使用。热液罐11用内部蒸汽旋管加热，并用于使罐的内容物达到所需的温度，该温度通常在约80℃-85℃。

来自热液罐11的经加热的液体与供应量的冷水混合而达到冲击温度。然后将冷却液体吸入醪浆滤桶12中。尽管图1中示出了单独的热液罐和滤桶12，但是这两个容器可以组合。来自罐11的冷却液体被添加到包含在滤桶12中的醪浆。在滤桶12中，将谷物和水混合并加热以产生醪浆。在此过程中，可以根据酿造工艺中的需要而升高醪浆温度。上面已经阐述了与这种醪制和醪浆温度控制相关的缺点和问题。

在醪浆滤桶12中，水和谷粉的组合形成称为“麦芽汁”的含糖液体，然后在称为过滤的工艺中从罐的底部排出。这利用了滤桶底部的筛网13，使得使用过的谷粉(现称为“麦酒糟(spent grain)”)保持在筛网13的顶部，同时液体麦芽汁流过筛网13。与这种过滤有关的缺点和问题如上所述。然后，将麦芽汁泵送到沸腾锅2，麦芽汁在沸腾锅中被煮沸，并且可以向麦芽汁中加入其他原料，例如啤酒花、药草或糖。在沸腾锅2中，在麦芽汁内发生许多化学和技术反应，其影响所制造的啤酒的口味、颜色和香味。与这种加热相关的缺点和问题如上所述。

在图1所示的实施例中，沸腾锅2将产品送至漩涡部(whirlpool)15，在漩涡部中将啤酒花和其它固体分离出来，取出澄清的麦芽汁并将其连通至热交换器18，同时取出最终废物并丢弃或用于其他目的。在热交换器18之后，冷却的麦芽汁进入发酵罐(未示出)。图1中所示的实施例旨在提供酿造工艺的一个常见示例，使得可将该常见示例与将在下面详细描述的方法和系统进行比较。

图2至图4示出了根据本公开的产生用于酿造工艺的麦芽汁的系统21和方法。

如图2所示，首先接收谷物20并在步骤22中进行称重。在称重步骤22之后，谷物进入锤磨机24，在锤磨机中谷物被研磨成细的、类似面粉的稠度。锤磨机24的使用不同于上述现有技术的酿造工艺。在现有技术的工艺中，谷物被研磨成较大的颗粒尺寸，这是醪制之后的过滤步骤所需的。本公开使用将在如下描述的非常不同的醪浆过滤系统，从而可以在醪制步骤中使用更精细的颗粒尺寸。

来自锤磨机24的谷物被接收在水合器26内，水合器用于将水添加到研磨的谷物(谷粉)中以形成浆料。通过流量阀31控制向水合器26供应的水28的量。根据本公开，水合器26将冷水与谷粉混合，以消除“面团球”的形成。

水和谷粉之间的完全混合在膨胀室27内进行，膨胀室包括将在下面详细描述的多个输入部。在膨胀室27中混合之后，可以通过醪浆泵30从膨胀室27中抽出水和谷粉的浆料。在图2所示的实施例中，醪浆泵30是双螺杆泵，尽管其他类型的泵也被认为是在本公开的范围内。系统21的所有其他部件以及醪浆泵30的操作均由控制器69控制。控制器69能够监测和控制麦芽汁生成工艺的所有方面，如下面将更详细描述的。

与在图1所示的现有技术系统中对研磨的谷物进行混合相比，已经证明由锤磨机24产生的精细研磨的谷粉的使用能够与通过水合器添加的水更快速且更完全地混合。使用更精细研磨的谷物颗粒消除了“面团球”的产生，这是本公开主题的优点之一。

离开膨胀室27的浆料被称为“醪浆”，并且供给到醪浆泵30的入口并准备好进行进一步处理和加热。根据本公开，图2所示的实施例包括蒸汽喷射加热器38，该蒸汽喷射加热器接收来自醪浆泵30的输出部的醪浆。至少一个温度传感器21和流量传感器29位于醪浆泵30的下游，使得控制器可以在该工艺期间监测此点处的醪浆的流速和醪浆的温度。在本公开的一个实施例中，蒸汽喷射加热器是一种商业产品，例如可从Hydro-ThermalCorporation(水电热力公司)获得的Infuze炊具。然而，其他类型或型号的蒸汽喷射加热器也被认为在本公开的范围内。

蒸汽喷射加热器38沿着管线40接收供应量的蒸汽，并且能够将蒸汽喷射到供应量的醪浆中，以通过非常严格的温度控制而将醪浆快速加热到期望的设定点。蒸汽喷射加热器38的操作再次由控制器69控制。然后，在分层加热容器39的下部第一端41处接收离开蒸汽喷射加热器38的经加热的醪浆。分层容器39是在醪浆从第一端41移动到第二端43时产生醪浆的分层温度分布的装置。在图2所示的实施例中，分层容器39是醪浆旋管42，其形成为从第一端41延伸到第二端43的管道的堆叠旋管，尽管可以设想分层容器39的其他实施例。

醪浆旋管42的每一圈具有恒定的外径和内径，以便保持均匀的内部管道速度梯度。此外，形成醪浆旋管的管道的内径在旋管的整个长度上也是恒定的。该设计允许层流和湍流，这取决于在最高可能流速下的需要，以允许快速处理而不存在内部散料混合(bulkmixing)。醪浆旋管42被设计为可以产生、维持和重复精确的提取时间和温度曲线，以实现最佳的批次间的一致性。

当醪浆泵30加速至醪制流速时，膨胀室27入口处的背压阀关闭，以维持醪制循环压力。蒸汽喷射器喷射加热器打开，以开始将醪浆加热至目标冲击温度。该初始加热循环持续直到全部醪浆处于冲击温度。这是通过醪浆旋管42中的仪器感测的，以使得控制系统减少注入旋管中的蒸汽量，同时保持压力和流量。

根据酿造者的配方，该加热工艺针对每个步骤在醪浆的温度中重复，直到醪制(mash-out)之前的最后温度。醪浆泵30停止，并且转移阀转换以将来自醪浆泵30的流引导至醪浆旋管42的顶部。

如图2所示，可以打开流量控制阀49以允许加热的醪浆离开醪浆旋管42。将酿造液引至膨胀室27中达特定百分比的醪浆体积，并且醪浆泵30将该喷洒水推到醪浆旋管42的顶部。然后沿相反方向推动醪浆通过蒸汽喷射加热器38并推向醪浆过滤单元32。当醪浆穿过时，蒸汽喷射加热器38将醪浆加热至醪制温度(mash-out temperature)。这持续进行，直至到达醪浆泵30的入口的喷洒水量耗尽。醪浆泵30停止，并且转移阀改变隔离醪浆泵30。然后，加压的CO₂推压喷洒水塞，以将醪浆排出醪浆旋管42，该醪浆仍然加热到醪制温度。醪浆旋管42中的仪器检测冷喷洒水塞与加热的醪浆塞之间的界面，使得当界面与蒸汽喷射加热器38接触时，其打开，以在单次操作周期中将喷洒水塞从环境温度加热到醪制温度。当喷洒塞已排空醪浆旋管42时，蒸汽喷射加热器38关闭蒸汽，并且用喷洒水冲洗醪浆旋管42，使其变空，并准备好进行下一个醪浆循环。

在醪浆离开时，可以通过温度传感器79测量温度。在醪浆离开醪浆旋管42之后，若干三通阀71、73和75控制醪浆的流动方向。可以通过第一阀71将醪浆引回到膨胀室27中或引导到阀73。阀73可以将醪浆返回到膨胀室27或将醪浆引导到阀75。可以控制阀75以将醪浆引导回蒸汽喷射加热器38以进行另一个加热步骤，或者可以将醪浆引导至包括过滤器32的下一个处理步骤。可预期的是，在加热的麦芽汁被允许停留在醪浆旋管42内之前，将使用不止一个操作周期通过蒸汽喷射加热器38将麦芽汁加热到指定温度。当醪浆停留在醪浆旋管42中时，不同位置的醪浆不会彼此混合，这增强了醪浆旋管42中的温度控制和温度分布。控制器69用于控制各个三通阀和蒸汽喷射加热器38。

由于醪浆不被烹制，因此醪浆温度控制的重要性对于酿造周期的一致性是至关重要的。醪浆旋管42创造了使醪浆最具生物活性的环境。蒸汽喷射加热器38和醪浆旋管42结合，以将醪浆加热到非常特定的温度并在整个醪制循环中保持均匀的温度。

具有特定尺寸的醪浆旋管42被制作以防止散料混合(这是很重要的)，以便可以产生、维持和重复精确的提取时间和温度，以获得最佳的批次间的一致性。醪浆将在醪浆旋管42的旋管中产生材料塞，其中第二端43附近的一部分固体醪浆将不与第一端41附近的一部分固体醪浆混合。通过这种方式，可以由温度传感器77和79监测固体醪浆的头部和尾部，以进一步辅助温度控制。

加热源是蒸汽喷射加热器38，该蒸汽喷射加热器可以在单次操作周期中提供极高的温度提升并且具有非常精确和准确的温度控制。此外，当集成到包括醪制旋管的醪制装置中时，该蒸汽喷射加热器可以产生温度梯度的分层流，使得精确的提取时间成为可能。

此设计中固有的其他主要优点在于，步进型醪制循环现在可以在时间上更加平行。当新的加热循环开始加热醪浆时，该热醪浆以分层流的方式推压来自前一循环的较冷的醪浆。因此，在先前的“浆塞”仍处于先前的温度步骤时，醪浆的“浆塞”已经处于下一个温度步骤。通过这种方法，可以实现醪制时间的显著减少。

在图2所示的实施例中，在加工和可能的多个加热循环以及在醪浆旋管42中所需的停留时间之后，将水合的、加热的醪浆通过流量控制阀81引导至醪浆过滤单元32。然而，可以设想的是，对于醪浆和喷洒水的流动存在几种可能的配置，这些配置在多个流动方向上利用加热器以获得最佳的处理效率。

在图2所示的实施例中，该系统包括就地清洁系统，该系统可根据需要引导水28或另一种液体通过该系统。水供应量28也可用于将醪浆的浆塞从醪浆旋管42推动通过阀71、73、75和81的正确位置。

现在参照图3，醪浆过滤单元32包括多个过滤板33，这些过滤板从醪浆中分离出任何细颗粒。较大的麦酒糟通过重力去除，并通过移除管34将其丢弃且在步骤36中被丢弃。在穿过醪浆过滤单元32之后，将醪浆的液体部分(称为麦芽汁)引导至下一个处理步骤，即沸腾阶段35。

一旦麦芽汁穿过蒸汽喷射加热器38、醪浆旋管42和醪浆过滤单元32，液体麦芽汁则被转移到沸腾锅44中，如图4所示。来自醪浆过滤单元32的麦芽汁通过产品管线46进入沸腾锅44的开放内部56中。在所示的实施例中，沸腾锅44的开放内部56具有倾斜的底壁49，该底壁将液体麦芽汁供给到出口45。出口45连接到热麦芽汁保持罐47的入口51。流量控制阀83控制麦芽汁从沸腾锅44到保持罐47的通路。所示实施例中的流量控制阀83是蝶形阀，尽管也可设想其他类型的阀，例如闸阀。

当流量控制阀83处于关闭位置时，蒸汽喷射加热器52(例如来自Hydro-ThermalCorporation的Solaris蒸汽喷射加热器)用于加热麦芽汁并将麦芽汁再循环回到沸腾锅44的开放内部56中。该蒸汽喷射加热器52接收供应量的蒸汽54并将蒸汽喷射到液体麦芽汁中。蒸汽喷射加热器52具有使麦芽汁从低至30℃的进入温度几乎立即沸腾的能力。这消除了啤酒麦芽汁正常生产中存在的滞后时间。此外，蒸汽喷射加热器52允许加热超过沸腾以达到高达140℃的最终温度的能力。这允许沸腾中的更高啤酒花利用率，使得苦味啤酒花的使用量显著减少。

来自蒸汽喷射加热器52的经加热的产品重新进入沸腾锅44的开放内部56中，在此处与其余储存的供应量的麦芽汁混合。热麦芽汁和冷麦芽汁的这种混合可在开放内部56内产生泡沫。该工艺持续进行，直至所有麦芽汁都已转移到沸腾锅中，其中整个内容物处于沸腾温度。加热过程以这种方式继续下一时间阶段，其中酿造者引入苦味啤酒花和其他添加物，同时从麦芽汁中去除不需要的挥发物。沸腾锅44还包括喷头58，该喷头包括多个喷嘴60，这些喷嘴60可用于减少开放内部56内的泡沫量。根据本公开，喷头58接收来自管线92的供应量的冷酿造液，以产生低流速、高压的冷酿造液喷雾，该喷雾被向下引导以控制可形成在容纳于开放内部56中的麦芽汁顶部的泡沫。喷头58引导高压、低流速的供应量的液滴，以机械地破坏泡沫。用于缩小气泡尺寸的冷液体的热冲击也有助于泡沫的破坏。将喷嘴结合到沸腾锅的顶部，使得锅中的麦芽汁的体积不会降低其有效性。

用于沸溢保护装置的酿造液体源来自系统范围的高压无菌冷液系统，而不是过去酿造系统中的水。由控制器69计量和控制流量，使得沸腾锅44内的麦芽汁的组成被得知并且可以被监测。

在图4所示的实施例中，热电池94用于在麦芽汁进入沸腾锅44之前预热麦芽汁。热电池94与电力电池类似地被充电和放电，并且当麦芽汁被下文所示和所述的热交换器冷却时提取热量。热电池94可包括相变材料，所述相变材料存储热量并使用所存储的热量来增加麦芽汁的温度。虽然示出了热电池94，但在本公开的一些实施例中也可以去除热电池。

加热之后，现在必须分离啤酒花固体以及蛋白质沉淀物(称为冷却残渣(trub))。保持罐47的输出部联接到泵48，该泵将加热的麦芽汁引导到筛90。如图所示，一旦麦芽汁被适当加热，麦芽汁则被泵48抽出并被引导至图5所示的刮面筛100。刮面筛100沿着管线102接收麦芽汁，并且通过温度传感器104测量温度。麦芽汁进入入口106并通过筛的中心，并流过过滤器元件108。液体麦芽汁流过筛的筛网，而固体部分保留在筛中。在筛中保持了来自麦芽汁的最大量的固体时，筛使流动暂时地停止并将固体载荷排放到废物流中。筛100包括内部螺旋钻110，该内部螺旋钻从过滤器元件108刮除固体颗粒，并从固体出口112排出固体颗粒。过滤后的麦芽汁在出口114处离开，此处另一温度传感器116测量麦芽汁温度。刮面筛从沸腾锅去除固体，并将产品引导至热交换器118。

图4所示的加热器52允许系统将麦芽汁加热至水的沸点之上，这是优于现有技术系统的优点。此外，由于在蒸汽喷射器52的设计中固有的从谷物中优异蒸发VOC，可预期沸腾时间的显著减少。

返回参考图2，该系统包括就地清洁系统70。CIP系统由控制单元72内的软件驱动，并且通过使用图2所示的多个阀，可以用于以所需间隔使用水流来清洁系统。

尽管图2所示的系统被描述为可用于在啤酒酿造工艺中加热麦芽汁，但还应该理解的是，该系统可以用于烹制谷类以用于其他大型酿造应用或其他情况中。蒸汽喷射加热器38和旋管42可用于将谷类加热到所需温度，使得来自旋管42的谷类可被引导到不同位置并根据需要进行处理。

在图2至图5所示的视图中，示出了用于啤酒的麦芽汁生成或蒸馏的系统和方法的示意图。尽管这些图示意性地示出了该工艺所需的过程和部件，图6至图8示出了用于合并所述部件的一种可能的物理配置和实施方式。尽管图6至图8中示出的物理实施方式提供了各种部件相对于彼此的物理位置，但应当理解的是，在本公开的范围内操作的同时可以使用各种其他配置。图6至图8旨在仅示出一种预期的配置。

在图6中，示出了麦芽汁生成系统150。物理系统包括外裙部、盖或表皮152，其可用于封闭麦芽汁系统的许多操作部件。如图所示，刮面筛100位于外裙部的外侧。在图6所示的视图中，可以看到用作沸腾锅44的一部分的蒸汽喷射加热器52。沸腾锅44包括具有通风口156的顶盖154。

现在参照图7，麦芽汁系统由一系列支撑腿支撑，以支撑各种操作部件(包括醪浆旋管42)。如前所述，醪浆旋管42包括在旋管的第一端和第二端之间引导的一系列单独的旋管160。如图7所示，用于从热麦芽汁保持罐47中提取加热的麦芽汁的泵48被定位成如图所示。泵48将加热的麦芽汁引导至图6所示的刮面筛100。

从图8的视图中可以看出，醪浆泵30也安装至支撑腿，并位于醪浆旋管42的略微下方处。图8还示出了沸腾锅44相对于热麦芽汁保持罐47的位置。阀83位于沸腾锅44与热麦芽汁保持罐47之间，并且可以选择性地打开和关闭以允许加热的麦芽汁从沸腾锅44传递到热麦芽汁保持罐。

通过图6至图8所示的视图可以理解，麦芽汁生成系统所需的各种部件可以组合成相对小的占地面积，从而赋予其在酿造环境中的使用灵活性。

该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例并无与权利要求书的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例旨在权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种用于从研磨的谷物和水的浆料中产生一批麦芽汁或用在酿造工艺中的系统，所述系统包括：

膨胀室(27)，接收所述浆料；

泵(30)，用于从所述膨胀室(27)抽出所述浆料；

蒸汽喷射加热器(38)，定位成将蒸汽喷射到从所述膨胀室抽出的所述浆料中以加热所述浆料而从所述浆料产生醪浆，所述蒸汽喷射加热器定位于所述泵的下游；

分层容器，具有定位成接收来自所述蒸汽喷射加热器的醪浆的入口和将所述醪浆返回所述泵的出口，其中，当所述醪浆通过所述分层容器从所述入口移动到所述出口时，所述分层容器防止所述醪浆内的混合；

其中，所述分层容器是从第一端延伸到第二端的管道的堆叠旋管；以及

其中，所述管道从所述第一端(41)到所述第二端(43)具有恒定直径。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括三通阀，所述三通阀操作为控制所述醪浆离开所述分层容器后的流动方向，在所述三通阀的一个位置将所述醪浆引导回所述膨胀室，在所述三通阀的另一个位置将所述醪浆引导回所述蒸汽喷射加热器以进行另一加热步骤，且在所述三通阀的再一个位置将所述醪浆引导至进一步的处理步骤。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述堆叠旋管从所述第一端(41)到所述第二端(43)具有恒定内径和外径。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括过滤单元(32)，所述过滤单元定位成接收来自所述分层容器的所述醪浆，其中，所述过滤单元从所述醪浆中去除粗颗粒以产生麦芽汁。

5.根据权利要求4所述的系统，还包括沸腾锅(44)，所述沸腾锅具有开放内部(56)，所述开放内部的尺寸制定成容纳所述麦芽汁，其中，所述沸腾锅包括联接到第二蒸汽喷射加热器的出口(45)，所述第二蒸汽喷射加热器(52)用于加热所述麦芽汁并使所述麦芽汁返回到所述开放内部(56)。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括喷头(58)，所述喷头位于所述沸腾锅(44)内并用于将液体的喷雾引导至容纳在所述沸腾锅的开放内部内的麦芽汁上。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述液体的喷雾是酿造液。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，被引导通过所述喷头的酿造液的体积被测量。

9.根据权利要求5所述的系统，还包括刮面筛，所述刮面筛定位成接收来自所述沸腾锅的所述麦芽汁并用于从所述麦芽汁中去除任何固体。

10.根据权利要求5所述的系统，还包括：

保持罐(47)，定位成接收来自所述沸腾锅(44)的被加热的麦芽汁；

流量控制阀(83)，定位于所述沸腾锅的出口(45)与所述保持罐(47)之间；以及

排放泵(48)，用于从所述保持罐(47)引导所述麦芽汁。

11.一种用在酿造工艺中产生麦芽汁的方法，所述方法包括以下步骤：

将供应量的谷物研磨成细颗粒；

将研磨的所述供应量的谷物与水混合以形成浆料；以及

操作泵(30)以将所述浆料引导到蒸汽喷射加热器(38)中，所述蒸汽喷射加热器(38)操作为提供加热所述浆料和产生醪浆所需的热能；

在分层容器的第一端(41)接收所述醪浆；

将所述醪浆保留在所述分层容器内，以当所述醪浆移动通过所述分层容器时防止所述醪浆内的混合；

其中，所述分层容器是从第一端(41)延伸到第二端(43)的管道的堆叠旋管，其中所述堆叠旋管防止所述醪浆在所述堆叠旋管内混合；以及

其中，所述管道从所述第一端(41)到所述第二端(43)具有恒定直径。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括操作三通阀的系统，以控制所述醪浆离开所述分层容器后的流动方向，在所述三通阀的一个位置将所述醪浆引导回膨胀室，在所述三通阀的另一个位置将所述醪浆引导回所述蒸汽喷射加热器以进行另一加热步骤，且在所述三通阀的再一个位置将所述醪浆引导至进一步的处理步骤。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括从所述分层容器的第二端(43)移除所述醪浆并将所述醪浆引导到过滤单元(32)以从所述醪浆中去除粗颗粒而产生液体麦芽汁的步骤。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：

将所述麦芽汁接收在沸腾锅(44)的开放内部(56)内；

从所述沸腾锅(44)中移除所述麦芽汁，并用第二蒸汽喷射加热器(52)加热所述麦芽汁；

将加热的所述麦芽汁返回到所述沸腾锅(44)的开放内部(56)；以及

从所述沸腾锅(44)的开放内部引导所述麦芽汁，以用于酿造的发酵工艺中。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括将酿造液的喷雾引导到所述沸腾锅的开放内部内的麦芽汁上以减少发泡的步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过定位于所述沸腾锅的开放内部内的喷头引导酿造液的喷雾。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括将所述麦芽汁从所述沸腾锅引导到刮面筛的步骤，其中，所述刮面筛用于从所述麦芽汁中去除固体。

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