啤酒發(fā)酵靶向控溫研究

張松宇 楊文斌 徐彬

摘 要：針對(duì)啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合和滯后性的特征，運(yùn)用傳統(tǒng)控制方法不能實(shí)現(xiàn)啤酒發(fā)酵溫度精確控制的問題。關(guān)注發(fā)酵液的動(dòng)態(tài)特性，將發(fā)酵罐視為整體，引入靶向控溫策略，尋找到靶向控溫點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的靶向控制，減少了冷媒消耗，保證了啤酒質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：靶向控溫點(diǎn);動(dòng)態(tài)特性;發(fā)酵

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.041

0 引言

在啤酒生產(chǎn)中，溫度控制是發(fā)酵生產(chǎn)過程中極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的好壞直接影響了啤酒的風(fēng)味、口感等重要產(chǎn)品指標(biāo)。目前，國內(nèi)啤酒工廠發(fā)酵一般在錐形罐中進(jìn)行，錐形罐上部為柱形，下部為錐形。這種形狀便于在底部收集酵母，能夠使酵母順利完整的從底部排除分離，且便于CIP清洗。錐形罐的體積一般在100m?—500m?，一個(gè)發(fā)酵罐里盛放的就是幾百噸酒，要對(duì)體積如此大的發(fā)酵罐進(jìn)行控溫，難度可想而知，且發(fā)酵液在發(fā)酵階段會(huì)產(chǎn)生熱量，而控溫則是要排除發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生的熱量，使發(fā)酵在預(yù)定的溫度下進(jìn)行。傳統(tǒng)的控溫方法將發(fā)酵液在自身發(fā)酵過程和控溫過程中看做是一罐靜止不動(dòng)的液體，忽略了發(fā)酵罐內(nèi)部酒液的循環(huán)，從而造成了溫度控制效果不佳，浪費(fèi)冷媒，造成極大的能源浪費(fèi)。如果能在啤酒發(fā)酵的各個(gè)階段，詳細(xì)研究發(fā)酵罐內(nèi)酒液的動(dòng)態(tài)循環(huán)特性，再結(jié)合經(jīng)典的溫度控制方法，那么就會(huì)極大地縮短發(fā)酵過程，提高生產(chǎn)效率和節(jié)約能源。所以本文關(guān)注酒液的動(dòng)態(tài)特性，尋找到發(fā)酵罐的靶向控溫點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的靶向控制。

1 發(fā)酵罐構(gòu)造

本文以400 m?發(fā)酵罐為例說明發(fā)酵罐的機(jī)械結(jié)構(gòu)。該錐形罐高21米，直徑6.8米，四段冷帶，每段冷帶為纏繞數(shù)周在罐壁上的夾套。每一段冷帶設(shè)置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)分別為錐溫、下溫、中溫、上溫，測(cè)溫鉑電阻采用PT100，精度等級(jí)為A級(jí)。同時(shí)對(duì)應(yīng)安裝 TIC01、TIC01、TIC03、TIC04 四個(gè)溫度智能變送器和EV01、EV02、EV03、EV04四個(gè)冷媒電磁閥進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。冷媒介質(zhì)為酒精水，溫度在-3至-6℃，冷媒通過罐壁的夾套流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)罐內(nèi)發(fā)酵液的冷卻。發(fā)酵罐溫度控制示意圖及外觀見圖1。

2 發(fā)酵液的動(dòng)態(tài)特性

冷麥汁在進(jìn)入發(fā)酵罐之前，會(huì)添加酵母用于發(fā)酵分解麥汁中的糖分，從而得到酒精和副產(chǎn)物CO2。這一過程伴隨產(chǎn)生大量的熱量。所以，在發(fā)酵初期，發(fā)酵液的動(dòng)態(tài)特性主要受酵母代謝影響，酵母劇烈代謝，產(chǎn)生大量CO2氣體上升，帶動(dòng)發(fā)酵液會(huì)出現(xiàn)沸騰一樣的景象。

伴隨著糖分減少，酵母分解糖的生化反應(yīng)結(jié)束，冷媒對(duì)發(fā)酵液的動(dòng)態(tài)特性成為主要影響因素。一個(gè)物理常識(shí)，水在4℃時(shí)，密度最大，同理發(fā)酵液也有這個(gè)特性，發(fā)酵液在2.5℃左右時(shí)，密度最大，在靠近罐壁的發(fā)酵液在冷媒作用下，溫度偏低，而處在中間區(qū)域的發(fā)酵液溫度較高，這種由內(nèi)而外的溫差，就形成了發(fā)酵液運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，靠近罐壁的發(fā)酵液由于溫度低、密度高向下運(yùn)動(dòng)，而中間區(qū)域的發(fā)酵液由于溫度高、密度小，向上運(yùn)動(dòng)。

3 靶向控溫點(diǎn)及控溫策略研究

根據(jù)發(fā)酵液在不同階段動(dòng)態(tài)特性不同，下面分步探討如何在不同階段，利用其動(dòng)態(tài)特性來輔助控溫。

目前國內(nèi)發(fā)酵采用的主流工藝為兩罐法工藝，即將發(fā)酵階段分為前酵和后酵，前酵為主發(fā)酵階段，后酵為低溫貯酒階段。前酵又細(xì)化為自由升溫階段、主發(fā)酵階段、升溫段、雙乙酰還原階段和高溫降溫階段。

自然升溫階段通過酵母分解糖產(chǎn)生熱量，使發(fā)酵液溫度從 8℃升溫到10℃左右，使酵母活性達(dá)到最大，接下來進(jìn)入到了主發(fā)酵階段和雙乙酰還原階段，這兩個(gè)階段的溫度控制在10-12℃。該階段內(nèi)酵母活性強(qiáng)，糖分足夠，酵母代謝非常強(qiáng)烈，產(chǎn)生大量CO2氣體，同時(shí)還需要開冷媒排除熱量，使溫度維持在10-12℃之間，此時(shí)發(fā)酵液在冷媒和CO2氣體雙重作用下形成一個(gè)大循環(huán)，這種循環(huán)極大的促進(jìn)了熱交換的進(jìn)度，如果能合理的利用這種動(dòng)態(tài)特性，會(huì)有效降低發(fā)酵時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。循環(huán)示意圖見圖2。

溫度低、密度大的罐壁附近的發(fā)酵液沿罐壁由上向下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，發(fā)酵罐上冷帶的冷量除了對(duì)本段的發(fā)酵液有冷卻作用，同時(shí)由于發(fā)酵液向下運(yùn)動(dòng)，冷卻作用還會(huì)影響到中段發(fā)酵液。同理，發(fā)酵罐中冷帶的冷量同樣也會(huì)對(duì)下段發(fā)酵液有作用。此時(shí)如果再開啟下段和錐段冷媒，根據(jù)流體力學(xué)原理，此時(shí)會(huì)造成底部發(fā)酵液溫度過低，抑制了發(fā)酵液上升的動(dòng)力，打亂了罐內(nèi)流體循環(huán)，導(dǎo)致發(fā)酵液不能混合，溫度傳導(dǎo)依靠自然對(duì)流，罐壁溫度偏低，中間溫度偏高，溫度不均勻 ，且自然對(duì)流時(shí)延大，這樣對(duì)控溫來說簡(jiǎn)直是噩夢(mèng)，冷媒全開，不僅消耗大量能源，同時(shí)溫控效果極差，此現(xiàn)象糖分消耗完尤為明顯。綜上所述，此階段控溫的重點(diǎn)是上溫和中溫，這兩個(gè)點(diǎn)在該階段的控溫中如果能準(zhǔn)確抓住，那么控溫會(huì)得心應(yīng)手，而且節(jié)能，因此把這兩個(gè)控溫點(diǎn)稱之為靶向控溫點(diǎn)。

高溫降溫段指罐內(nèi)雙乙酰成熟，酒液溫度從 12℃降溫到 3℃的過程。該過程降溫幅度大，需要冷量多，所以本階段控溫時(shí)，降溫速度不宜過大，過大會(huì)造成罐壁結(jié)冰，冷量不能及時(shí)傳遞，既浪費(fèi)能源又影響降溫效果，更嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致冰塊跌落損害溫度傳感器的事件。此時(shí)由于糖分消耗完畢，罐內(nèi)酒體循環(huán)的動(dòng)力為冷媒作用導(dǎo)致內(nèi)外形成的溫差。所以此階段的靶向控溫點(diǎn)也是上溫和中溫，在實(shí)際控制過程中注意降溫速度即可。

低溫降溫段是發(fā)酵罐內(nèi)酒液溫度從3℃降到0℃或-1℃的過程，同理酒液在2.5℃左右時(shí)密度最大，此時(shí)靠近罐壁的酒液在冷媒的作用下，溫度下降，但是密度卻變小，酒液向上緩慢運(yùn)動(dòng)，而中間的酒液由于溫度高，密度大，則向下緩慢運(yùn)動(dòng)。此時(shí)糖分已經(jīng)完全消耗完，酒液循環(huán)的動(dòng)力全部來自于由內(nèi)而外的溫差，在2-3℃之間，酒體溫度不同，但是密度相同，降溫只能來自于酒體內(nèi)部的對(duì)流，降溫緩慢，控溫難度加大，為了盡快擺脫此種困局，此時(shí)如果在錐部和中部打開冷媒，使罐壁附近的酒體溫度下降到低于2℃以后，由于密度變小，罐壁附近的酒體獲得了向上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，從而形成了循環(huán)，使降溫速度加快。由此可見該段的靶向控溫點(diǎn)為錐溫和中溫。循環(huán)示意圖見圖3。

貯酒段是酒體溫度維持在0℃或-1℃的過程，貯酒想要達(dá)到改善膠體特性、澄清酒體、飽和CO2等，此時(shí)溫度低于2.5℃，冷媒給冷的話，罐壁酒體的密度繼續(xù)變小，酒體循環(huán)與圖3相同，只是循環(huán)的過程變的更加緩慢，這個(gè)階段主要是保溫，所以控溫以小冷量，間歇給冷為主，靶向控溫點(diǎn)依然是錐溫和中溫。

4 結(jié)束語

根據(jù)分析酒液在發(fā)酵各階段的動(dòng)態(tài)特性，找尋靶向控溫點(diǎn)，結(jié)合靶向控溫點(diǎn)制定控溫策略，在實(shí)際工廠生產(chǎn)中，收到了良好的效果，同時(shí)也印證了尋找的靶向控溫點(diǎn)的正確性。由此可見，啤酒發(fā)酵罐以及同類型罐體的控溫一定要將其作為一個(gè)整體，如果將各段視作控溫對(duì)象進(jìn)行控制，勢(shì)必會(huì)打破罐內(nèi)的循環(huán)過程，即使再好的控溫算法也不會(huì)有良好的控溫效果。本文通過尋找發(fā)酵各個(gè)過程中的靶向控溫點(diǎn)，有針對(duì)性的進(jìn)行控溫，做到了控溫精確，節(jié)能降耗，同時(shí)提高了發(fā)酵的生產(chǎn)效率。

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基金項(xiàng)目：2018年內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：NJZY18272）

2017年內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：NJDZJZR1708）

作者簡(jiǎn)介：張松宇（1984-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，研究生，講師，研究方向：自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)電一體化。