原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)設計及節(jié)能分析

段 煉韓吉田 黃華奇 程顯耀宋 波 郭方泉 徐在先

(1. 山東大學能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2. 山東新貴科技股份有限公司，山東 日照 276815)

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原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)設計及節(jié)能分析

段 煉1韓吉田1黃華奇1程顯耀1宋 波2郭方泉2徐在先2

(1. 山東大學能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2. 山東新貴科技股份有限公司，山東 日照 276815)

介紹了原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)的設計流程，包括筒體設計、制冷系統(tǒng)設計、供氣系統(tǒng)設計和智能控制系統(tǒng)設計四個主要環(huán)節(jié)，對該原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)進行了性能測試和保鮮效果監(jiān)測，并對使用該系統(tǒng)的原漿啤酒生產(chǎn)和貯運過程進行了節(jié)能效果分析。

食品包裝與儲藏；智能保鮮系統(tǒng)；原漿啤酒；系統(tǒng)設計；節(jié)能

原漿啤酒是指以麥芽、水為主要原料，加酒花，經(jīng)酵母發(fā)酵釀制而成的、不經(jīng)過濾和滅活工序，保留鮮活酵母的生啤酒原液[1]。圖1是原漿啤酒與普通啤酒生產(chǎn)工藝流程的對比圖。由圖1可見，與普通啤酒的生產(chǎn)工藝相比，原漿啤酒生產(chǎn)時省去了慮酒、洗瓶、驗瓶、灌酒、殺菌、貼標噴碼、裝箱入庫等必要工序。這樣既節(jié)約了能源和成本，也使得原漿啤酒本身未經(jīng)過高溫處理以及后期處理，最大限度地保留了其活性物質(zhì)和營養(yǎng)成分。原漿啤酒幾乎完全保留了發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氨基酸、蛋白質(zhì)以及大量的鉀、鎂、鈣、鋅等微量元素，其中最關鍵的就是保留了大量的活性酵母，這是原漿啤酒與普通啤酒之間最本質(zhì)的區(qū)別。原漿啤酒酒體泡沫極其豐富，麥香濃郁，口味新鮮純正，風味獨特，被譽為啤酒家族中的超級液體面包[2]。啤酒鑒賞專家[3]認為，如果將喝普通啤酒比作“吃蘋果罐頭”，那么喝原漿啤酒則像是在“吃蘋果園里采摘的新鮮蘋果”，原漿啤酒富含多種對身體十分有益的成分，其新鮮、營養(yǎng)程度是普通啤酒根本無法比擬的[4]。隨著啤酒市場日趨激烈的競爭和人們對啤酒品質(zhì)越來越高的要求, 啤酒廠家千方百計提高啤酒質(zhì)量[5]，而原漿啤酒必將為啤酒家族開辟新的高端消費市場，具有良好的推廣前景。 但是原漿啤酒很難在常溫和有氧狀態(tài)下存放，直接暴露在大氣環(huán)境中的時間超過2 h就會發(fā)生性狀的變化，致使原漿啤酒內(nèi)的鮮酵母菌進行快速繁殖和新陳代謝，從而導致變味、變質(zhì)，嚴重制約了中國原漿啤酒的市場推廣。為了延長啤酒的保質(zhì)期，大多數(shù)啤酒廠只能將原漿啤酒通過殺菌處理并過濾后，變?yōu)槠胀ㄆ【蒲b瓶上市，或?qū)⑽唇?jīng)過濾的啤酒經(jīng)巴氏殺菌后裝瓶銷售[6]。而啤酒一旦經(jīng)過高溫殺菌過程，活性物質(zhì)即被消滅，其口感和營養(yǎng)成份將遠遜于原漿啤酒。

圖1 原漿啤酒與普通啤酒的生產(chǎn)工藝流程對比圖

目前也有部分原漿啤酒產(chǎn)品在消費市場上出現(xiàn)，其使用的保鮮方法是以普通瓶裝或灌裝生產(chǎn)原漿啤酒，同時為其產(chǎn)品提供冷鏈運輸和低溫儲藏環(huán)境，但該技術也僅僅能將原漿啤酒的保質(zhì)期延長7～10 d，且在儲存和運輸過程中需要消耗大量的能源，嚴重制約了原漿啤酒的儲運和銷售。因此，研發(fā)新的原漿啤酒貯存和物流技術，延長原漿啤酒的保質(zhì)期，已成為啤酒行業(yè)的一個重要發(fā)展方向。

本研究針對現(xiàn)有原漿啤酒儲運保鮮領域的技術難題，設計開發(fā)了一套原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)，使得原漿啤酒能夠在適當?shù)臏囟?、壓力及氣體氛圍中得到長時間的保存，并在保存過程中進行持續(xù)的監(jiān)測和控制，避免出現(xiàn)結(jié)冰、漏氣等現(xiàn)象。本課題組聯(lián)合國家權(quán)威質(zhì)監(jiān)部門對該系統(tǒng)貯存的啤酒性狀進行了長時間的質(zhì)量監(jiān)測試驗，監(jiān)測結(jié)果表明，該系統(tǒng)至少可將原漿啤酒的保質(zhì)期延長到30 d以上，為原漿啤酒能夠順利走上啤酒銷售市場提供了技術保障。最后將該系統(tǒng)貯運原漿啤酒的過程和普通瓶裝啤酒的生產(chǎn)過程進行了簡單的能耗對比分析。

1 系統(tǒng)設計

如圖2所示，該原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)主要由筒體、制冷系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)四個模塊組成。其中制冷系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)均安裝在筒體下部的底座中。

1.1 筒體設計

如圖3所示，筒體由外殼、保溫層、內(nèi)膽、底座和其它輔助部件組成[7]。外殼位于筒體最外層，起支撐和保護作用，采用不銹鋼材質(zhì)或木材制造均可；保溫層位于外殼內(nèi)側(cè)，采用聚氨酯發(fā)泡材料絕熱保溫，用以保持桶內(nèi)低溫狀態(tài)，降低系統(tǒng)冷負荷；內(nèi)膽位于筒體中央，采用不銹鋼材料制造，用以貯存原漿啤酒，并保持膽內(nèi)空間與外界空氣隔離的密封狀態(tài)；底座位于整個筒體的最下部，起支撐作用，其內(nèi)部用以安裝制冷系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，在底座的適當位置留有換氣隔柵，用以冷卻制冷系統(tǒng)冷凝器的空氣進出。另外，考慮到系統(tǒng)將直接應用于從啤酒灌裝出廠到市場銷售的整個環(huán)節(jié)，因此，還為系統(tǒng)設計了部分功能性零部件，如桶體側(cè)壁中部設計了酒頭用于出酒，桶體上端設酒矛，可直接與外部輸酒管連接，向桶內(nèi)加注啤酒。底座下部設置有重量傳感器，安裝在桶體下方，負荷傳感器與控制器的中央微處理器連接，用以檢測內(nèi)膽中啤酒的儲存量。

1. 重量傳感器 2. 壓縮機 3. 配平盒 4. 控制器 5. 節(jié)流裝置 6. 冷劑管 7. 酒頭 8. 溫度傳感器 9. 壓力傳感器 10. 電磁閥 11. 減壓閥 12. 流量開關 13. 二氧化碳氣瓶 14. 冷凝器 15. 冷凝風扇

圖2 原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Figure 2 Structure of the intelligent fresh-keeping system of puree draft beer

1. 酒矛 2. 內(nèi)膽 3. 保溫層 4. 外殼 5. 冷劑管

1.2 制冷系統(tǒng)設計

如圖4所示，制冷系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置及散熱風扇等組成[8]，用于保持原漿啤酒的貯存溫度。

圖4 制冷系統(tǒng)原理圖

制冷系統(tǒng)除蒸發(fā)器安裝于保溫層與內(nèi)膽之間的空隙中，其余部分均安裝于底座內(nèi)部。系統(tǒng)采用蒸汽壓縮式制冷方式，選用小型往復式制冷壓縮機，采用新型環(huán)保制冷工質(zhì)。蒸發(fā)器采用新型螺旋管換熱器，其制冷量與換熱面積通過CFD模擬技術進行優(yōu)化匹配，冷凝器選用風冷翅片式換熱器和散熱風扇強制對流散熱。

1.3 供氣系統(tǒng)設計

供氣系統(tǒng)主要用于向內(nèi)膽提供一定壓力的CO2氣體，當罐體內(nèi)的啤酒隨銷售不斷減少時，恒壓控制系統(tǒng)啟動，補充CO2以保持系統(tǒng)內(nèi)膽中的壓力恒定，一方面阻止外界空氣的滲入，維持原漿啤酒所在的無氧環(huán)境，避免空氣對啤酒的污染和氧化，另一方面可以保持原漿啤酒內(nèi)的CO2含量，使得啤酒口感更加爽口，也提供一定的壓力方便取酒。

供氣系統(tǒng)的安裝位置與組成部件見圖2。由圖2可見，供氣系統(tǒng)由CO2氣瓶、氣體流量開關、減壓閥和輸氣管組成[9]。輸氣管連接至內(nèi)膽上方，其上設置供氣電磁閥，用以自動控制輸氣管啟閉。

1.4 智能控制系統(tǒng)設計

如圖5所示，智能控制系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)三部分組成。其中，傳感系統(tǒng)包括溫度傳感器、壓力傳感器和重量傳感器，除重量傳感器如前文所述安裝于底座下部外，溫度傳感器和壓力傳感器均設置于筒體內(nèi)膽中，其安裝位置見圖2。

圖5 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

中央控制系統(tǒng)包括中央處理器、壓縮機驅(qū)動模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、顯示驅(qū)動模塊和電源裝置等部分。中央處理器采用C8051單片機，輸入端與溫度傳感器、壓力傳感器和重量傳感器相聯(lián)接，可以接收傳感器的輸入信號；輸出端直接聯(lián)接壓縮機驅(qū)動模塊、電磁閥驅(qū)動模和顯示驅(qū)動模塊，分別用于控制制冷系統(tǒng)的壓縮機、供氣系統(tǒng)的供氣電磁閥以及向顯示器輸送顯示信號。

系統(tǒng)工作前，需要根據(jù)原漿啤酒的最佳保存溫度范圍及需要的CO2氣體壓力范圍對中央控制系統(tǒng)進行數(shù)值預設。系統(tǒng)工作時，通過中央處理器將采集到的桶內(nèi)溫度和壓力信號與設定值進行比較，當桶體內(nèi)溫度高于預設溫度上限時，中央處理器通過壓縮機驅(qū)動模塊控制制冷壓縮機啟動，制冷系統(tǒng)開始工作并提供冷量為桶內(nèi)降溫，當桶體內(nèi)溫度降到規(guī)定范圍下限后自動控制壓縮機停止工作；當桶體內(nèi)壓力低于設定值下限時，通過電磁閥驅(qū)動模塊控制電磁閥開啟，向桶體內(nèi)補充CO2使氣體增壓，當桶體內(nèi)壓力達到設定值上限后自動控制電磁閥關閉?？紤]到溫度和壓力的交互影響，對系統(tǒng)溫度和壓力的預設范圍進行了試驗研究。研究結(jié)果表明，當預設溫度和壓力范圍合理時，未發(fā)現(xiàn)因桶內(nèi)溫度的波動而產(chǎn)生壓力變化，從而導致供氣系統(tǒng)頻繁充氣或桶內(nèi)壓力過高的情況。因此，本系統(tǒng)能夠長時間保持溫度和壓力穩(wěn)定，滿足原漿啤酒的長期貯存要求。

2 性能測試

本研究對該系統(tǒng)進行了冷藏性能測試，測試初始時系統(tǒng)內(nèi)貯存有90 L原漿啤酒樣品，試驗系統(tǒng)利用多通道溫度數(shù)據(jù)采集儀和壓力傳感器對環(huán)境溫度、桶內(nèi)多點溫度、桶內(nèi)壓力等參數(shù)進行了為期1個月的檢測試驗[10]，測試周期中每天均從酒頭處放出1 L啤酒樣品，以檢測壓力控制系統(tǒng)的性能和對啤酒樣品進行觀感測試。試驗測試結(jié)果見圖6、7。

溫度測試結(jié)果表明，系統(tǒng)內(nèi)膽中的原漿啤酒溫度能夠始終保持在預設的3～5 ℃，且受環(huán)境溫度變化的影響較小。壓力測試結(jié)果表明，CO2恒壓控制系統(tǒng)能夠?qū)⑼皟?nèi)壓力始終保持在0.6～0.8 MPa，符合設計要求，并未發(fā)生因溫度波動而造成的壓力失調(diào)現(xiàn)象。伴隨著桶內(nèi)酒水的減少，CO2補壓過程發(fā)生的周期也在延長。由此可見，該系統(tǒng)可以較長時間地將原漿啤酒所處的溫度和壓力環(huán)境終保持在最佳的范圍，保證啤酒原液的貯存環(huán)境不發(fā)生變化，使原漿啤酒內(nèi)的酵母菌長時間處于休眠狀態(tài)。

圖6 溫度測試結(jié)果圖

圖7 壓力測試結(jié)果圖

本試驗還同時對該系統(tǒng)每日放出的樣品進行了觀感和口感測試。觀感測試結(jié)果表明，在保鮮最初的1～10 d，“口感”與“觀感”指標均為“濃”；在11～20 d時，“口感”與“觀感”指標均為“較濃”；在21～30 d時，“口感”與“觀感”指標均為“淡”；在整個測試周期內(nèi)，原漿啤酒的感官分析結(jié)論均為“正?！?，即在測試周期內(nèi)啤酒并未發(fā)生變質(zhì)而導致無法飲用。

借助國家權(quán)威質(zhì)檢部門的測試儀器和測試方法，對使用該系統(tǒng)貯存的原漿啤酒酒液在保質(zhì)期(30 d)內(nèi)的性狀參數(shù)變化狀況進行了檢測試驗。檢測結(jié)果表明(表1)，本系統(tǒng)能夠?qū)⒃瓭{啤酒的保鮮時間延長至30 d以上。而現(xiàn)有國內(nèi)外同類技術產(chǎn)品僅能保鮮7 d。因此，本系統(tǒng)大大提高了原漿啤酒的保鮮時間，同時該技術的自動化程度高、穩(wěn)定可靠，遠優(yōu)于現(xiàn)有的保鮮技術。

表1 國家啤酒及飲料質(zhì)量監(jiān)督及檢驗中心檢測試驗結(jié)果?

? 樣品數(shù)量：90 L；樣品特性和狀態(tài)：桶裝3～5 ℃保存，二氧化碳氣壓0.08 MPa；檢測單位：國家啤酒及飲料質(zhì)量監(jiān)督及檢驗中心。

3 原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)節(jié)能分析

3.1 節(jié)能原理分析

利用原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)貯存、運輸和銷售原漿啤酒，可以減少啤酒生產(chǎn)過程中自發(fā)酵以后的所有工序。僅其中的包裝工序，就減少了包括洗瓶、灌酒、封口、殺菌、貼標和裝箱等許多環(huán)節(jié)，省去了洗瓶機、空瓶檢驗機、裝瓶、裝罐機等多套普通啤酒生產(chǎn)所必備的設備，因此，可以大幅降低生產(chǎn)能耗。

3.2 節(jié)能效果分析

與普通啤酒的生產(chǎn)工藝相比，原漿啤酒生產(chǎn)時省略了多道必要工序，每一道工序的省略，都伴隨著大量的能源節(jié)約。例如洗瓶、驗瓶和灌酒工序的省略，就會減少大量設備的購置和運行費用，大大節(jié)約了水源和電能的消耗，并且由于省略了分裝的酒瓶、標簽、紙箱等包裝，也會大量節(jié)約玻璃及紙質(zhì)材料。

以生產(chǎn)104L 600 mL玻璃瓶裝啤酒計算，啤酒總瓶數(shù)為1.67萬瓶。洗瓶過程耗電約9.2 kW·h，耗水25.6 m3；驗瓶過程耗電約8.3 kW·h，耗0.3 MPa蒸汽約2 m3；灌裝過程共耗電約18.4 kW·h；壓蓋過程耗電約75.2 kW·h；采用巴氏殺菌耗電約400 kW·h，耗0.3～0.4 MPa蒸汽約18 m3；瓶體貼標耗電約20.8 kW·h；裝箱設備耗電約1.3 kW·h，耗0.5～0.6 MPa蒸汽約為58 m3。以上為原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)所節(jié)約的各個工序的設備能耗情況，總計生產(chǎn)104L啤酒約耗電量534.23 kW·h，耗水量25.551 m3，耗0.3～0.6 MPa蒸汽78.1 m3。如果啤酒企業(yè)采用自動理瓶機等先進設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工[11]，生產(chǎn)啤酒的能耗將會進一步加大。

使用原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)裝運啤酒，還可以大大減少玻璃瓶使用量，節(jié)約生產(chǎn)玻璃瓶的能耗。以600 mL瓶裝啤酒為例，一個空啤酒瓶的重量約為0.5 kg，則瓶裝104L啤酒用玻璃量約為8.33 t，中國每生產(chǎn)1 t成品玻璃綜合能耗(按理論熱值計算)約為3 356 kW·h 。瓶裝103L啤酒瓶用玻璃耗能約為2.8×104kW·h。而本系統(tǒng)生產(chǎn)過程中也需要消耗鋼材，扣除掉系統(tǒng)生產(chǎn)時消耗的鋼材能耗，預計每套原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)投入使用后，每年僅節(jié)約玻璃瓶生產(chǎn)一項，即可實現(xiàn)社會節(jié)能量2.4×104kW·h以上。

以山東日照某公司目前正在投入生產(chǎn)建設的某項目為例，其設計產(chǎn)量為年產(chǎn)該系統(tǒng)15 000套，項目達產(chǎn)后可實現(xiàn)社會節(jié)能量5萬t以上標準煤。如果再計算上其它生產(chǎn)環(huán)節(jié)所節(jié)約的能源，則該系統(tǒng)的節(jié)能量是十分可觀的。

4 結(jié)論

本試驗針對現(xiàn)有原漿啤酒保鮮技術的不足，設計了全新的原漿啤酒智能保鮮系統(tǒng)。檢測結(jié)果表明，該系統(tǒng)至少可將原漿啤酒的保質(zhì)期延長到30 d以上，能夠滿足原漿啤酒的物流和銷售周期需求。對使用該系統(tǒng)貯運原漿啤酒的過程和普通瓶裝啤酒的生產(chǎn)銷售過程的能耗對比分析表明，使用該系統(tǒng)貯運原漿啤酒，可以顯著降低啤酒生產(chǎn)、流通和倉儲過程的生產(chǎn)資料消耗量，可降低能耗50%以上，有效減少碳排放，符合中國的節(jié)能減排政策。

該系統(tǒng)已應用于日照、泰安、威海、赤峰、徐州、南陽、廣州等城市的部分高檔酒店、賓館、酒吧等場所，既保留了原漿啤酒中的活性物質(zhì)和營養(yǎng)成分，有效提高了人體的消化和吸收功能，同時也保持了啤酒最原始、最新鮮的口感，得到了業(yè)內(nèi)人士及消費者的好評。

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Design and Energy-saving effect analysis of intelligent fresh-keeping system of puree draft beer

DUAN Lian1HANJi-tian1HUANGHua-qi1CHENGXian-yao1SONGBo2GUOFang-quan2XUZai-xian2

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,ShandongUniversity,Jinan,Shandong250061,China;2.ShandongHIFRETechnologyCo.Ltd. ,Rizhao,Shandong276815,China)

The design procedures for the intelligent fresh-keeping system of puree draft beer, including the cylinder body, refrigeration, gas supplying, and intelligent control units were present in this study. The system we designed here could greatly prolong the preservation time and ensure the quality of puree draft beer. The performance of the system was evaluated along with the analysis of energy-saving effect.

food packing and preservation; intelligent fresh-keeping system; puree draft beer; system design; energy-saving

段煉，男，講師，山東大學在讀博士生。

韓吉田(1961—)，男，山東大學教授，博士，博導。

E-mail: jthan@sdu.edu.cn

2015—12—29