汾酒地缸發酵系統熱過程模式及數值模擬研究

韓 英

陳建新2

(1. 山西杏花村汾酒廠股份有限公司技術中心，山西 汾陽 032205；2. 江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，江蘇 無錫 214122)

汾酒地缸發酵系統熱過程模式及數值模擬研究

韓 英1

陳建新2

(1. 山西杏花村汾酒廠股份有限公司技術中心，山西 汾陽 032205；2. 江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，江蘇 無錫 214122)

了解白酒發酵系統的熱過程特征與機理對發酵過程溫度控制及發酵系統的機械化具有重要意義。通過比較不同季節汾酒發酵過程中酒醅及地缸周邊土壤的溫度分布，確認了汾酒地缸系統發酵過程生物熱產生及擴散傳遞的方式，確定了地缸中酒醅溫度的變化特征及發酵傳熱的主要機理(熱傳導)，并且探討了氣溫對發酵熱過程的重要影響。根據研究結果認為發酵過程酒醅溫度的變化模式符合白酒發酵的基本特征和要求，白酒的生產和研究應滿足之。

汾酒；地缸發酵系統；熱過程特性；數值模擬；酒醅熱物性參數

在汾酒生產中，白酒品質受環境溫度和季節氣候影響較大，控制好地溫是提高汾酒品質的基礎[1-2]。控制地溫的目的是保持發酵酒醅溫度在適合的范圍內。白酒發酵過程酒醅溫度的變化模式是“前緩升，中挺，后緩落”，但對產生這種變化模式的機制以及從整體上定量分析酒醅溫度變化模式和機理的研究相對較少[3-4]，黃治國等[5-7]測定了濃香型白酒發酵過程不同部位酒醅溫度的變化，并對溫度曲線進行了模擬建模，構建窖池溫度分布圖，闡明窖池內部溫度梯度的變化。趙景龍等[8]測定了汾酒發酵過程中地缸內部酒醅及周邊土壤和環境溫度變化，認為白酒發酵過程地缸及周圍土壤存在溫度梯度，熱量由地缸內部向周邊傳遞，揭示了清香型白酒發酵系統熱能傳遞的機制。另外，還有一些研究[9-11]測定了發酵過程發酵容器內不同部位酒醅溫度的變化，但僅限于對現象的簡單描述，未進行更深入的研究和探討。

從傳熱機理角度解析白酒發酵的熱過程是深入了解白酒發酵機理和實現發酵過程控制的基礎。根據熱傳導機理構建偏微分方程可以使用有限元分析軟件ANSYS求解，由此可以實現汾酒熱發酵過程的數值模擬[12-14]。本研究將通過測定不同季節汾酒地缸發酵過程地缸內部不同部位酒醅、地缸周邊土壤和環境的溫度及熱物性參數，系統了解汾酒發酵熱過程的變化規律，并根據傳熱機理構建模型，模擬發酵過程溫度梯度的變化。為實現汾酒控溫發酵提供理論數據。

1 材料與方法

1.1 酒醅及土地測定方法

在實際生產中選取若干地缸及周圍土壤作為研究對象，在每個地缸內放入9顆紐扣式溫度計(Maxim DS1992L或Maxim DS1991H)，同時在地缸周邊土壤中埋入多組紐扣溫度計，測定酒醅及土壤溫度變化。溫度計位置安排：地缸內，溫度計分上(S)、中(Z)、下(X)3層，每層為里(L)、間(J)、外(W)3個測溫點。地缸附近土壤溫度測定分3層，每層1個測溫點，測溫點的位置與地缸內每層測溫點的高度相同，測溫點的代號分別為上(TS)、中(TZ)、下(TX)，另外在遠離地缸處也測定了土壤溫度，測溫點有4個面(TMB)、上(TSB)、中(TZB)、下(TXB)，其中上中下3層與其它相同，而面(TMB)為地面下5 cm。具體位置見圖1 (a)。

圖1 地缸系統及簡化模型示意圖

紐扣溫度計設置每30 min記錄一次溫度，在酒醅入缸時放入指定位置，待發酵結束后取出并讀取數據。

1.2 酒醅及地缸系統其它部分的熱物性測定

在實際生產中，分別取處于不同發酵時間的地缸，打開地缸分別測定地缸中9個位點處的酒醅熱物性參數(導熱系數、熱阻、熱擴散系數和比熱)(熱特性分析儀：KD2Pro型，美國Decagon公司)，這些檢測點的位置與測溫點相同，但分別是不同的地缸，這樣可以測定發酵過程不同時間及地缸不同部位酒醅的熱物性參數。

地缸其它部分包括地缸缸體、土壤、保溫墊的熱物性參數也使用相同的儀器。空氣熱物性參數則通過查相關手冊獲得。

1.3 汾酒地缸發酵系統熱過程模擬

1.3.1 特征分析 地缸發酵系統的熱過程本質是發酵熱的傳遞所引起的地缸系統各組成部分所發生的溫度變化過程，傳熱機理為熱傳導。溫度隨時間變化的傳熱過程屬于瞬態熱傳導，過程的數學模型往往表達為偏微分方程：

(1)

對于白酒發酵系統，構建發酵過程地缸系統溫度分布模型有以下幾個難點：

(1) 如圖1所示發酵系統結構和組成復雜。就系統組成而言，主要包括酒醅、缸體、土壤、保溫墊、缸內空腔、地表空氣(環境氣溫)等。就系統結構而言，缸體形狀不規則，地缸之間存在相互影響等。

(2) 酒醅處于發酵過程中，其體積和物性指標不斷發生變化，同時，整個系統熱過程主要是酒醅發酵過程產生的生物熱引起的，而發酵產熱過程受多種因素影響，無法準確預測。

(3) 整個過程除了熱傳導外，保溫墊與地表空氣間的傳熱屬于對流傳熱和輻射傳熱。

1.3.2 模型構建及模擬結果分析 發酵熱過程相對復雜，熱過程模型只能采用數值解法[12-13]。并且地缸形狀獨特，結構復雜，地缸系統由酒醅、缸體、周邊土壤、保溫毯、環境氣溫等多部分組成，屬于多層熱傳導過程，采用有限元法能夠較好地求解此類問題。ANSYS是常用的有限元分析軟件，利用它可以比較精細地模擬白酒發酵的熱過程[14]。構建系統模型時，進行如下簡化和假設：

(1) 地缸系統組成簡化為酒醅、地缸周圍土壤、地缸上部空氣層、地缸及土壤上覆蓋的保溫毯。省略了地缸缸體及缸頂部的水泥蓋板，因為它們的導熱系數均較高并且厚度較小，熱阻較小，對熱傳導的影響較小。

(2) 地缸保溫毯與車間內的空氣僅有對流傳熱，輻射傳熱忽略。并且車間氣溫維持恒定。

(3) 地缸系統結構復雜，模型無法簡化成一維或二維模型，只能建立簡化的三維結構模型進行求解。因地缸系統在水平面上過圓心對稱，為了減少計算量，取1/4截面組成的長方體建模[見圖1(b)]。

(4) 由于遠離地缸的土壤對地缸溫度影響較小，模型底部邊界離地缸底部約1 m。模型系統邊界除頂部平面與車間環境進行對流熱交換外，假設其余5個面均為絕熱面，忽略地缸之間的相互影響。

(5) 本試驗模擬了冬季酒醅溫度場變化，設定系統中除酒醅以外的其它部位的起始溫度均為16 ℃，酒醅起始溫度取實際發酵酒醅溫度的平均值，本試驗取18.5 ℃。車間平均室溫10 ℃，對流傳熱系數30 W/(m2·℃)，系統中各部分的熱物性參數見表1。

(6) 白酒發酵過程生物熱的產生受多種因素影響，暫時無法用數學公式概括，本次建模采用以實測酒醅淀粉消耗量為依據采用生物熱產量的方法確定生物熱的產生。

根據上述假設，利用ANSYS軟件經過創建幾何模型、對模型實施網格劃分(體單元取SOLID70，全局網格尺寸取0.05 m)，熱過程各部分的起始溫度以及保溫墊表面熱對流均在計算前分別施加到網絡節點和保溫墊表面[15-17]，發酵過程的生物熱通過施加表格載荷到酒醅體積的方式引入計算過程。模型按照瞬態熱傳導計算步驟進行過程模擬[18]。模擬結果通過與檢測部位相同的節點的溫度變化曲線表現模擬溫度分布的變化，以及特定時間點的溫度分布云圖反映總體溫度分布。

模擬結果分析通過式(2)、(3)計算總體平均溫度和總體溫度不均勻度判定。

(2)

(3)

式中：

Tave,t——時刻t時的總體平均溫度，℃；

Ti,t——時刻t時點i處的溫度，℃；

ΔTt——時刻t時的總體溫度不均勻度。

2 結果與分析

2.1 發酵過程地缸系統溫度變化特征分析

由于使用多個紐扣溫度計對多個地缸內部酒醅和附近(TS、TZ、TX)及較遠(TMB、TSB、TZB、TXB)處土壤溫度的測定，汾酒發酵過程的生物熱產生及傳遞的機制被清晰地呈現。由于篇幅的限制，本文僅提供比較典型的測定結果。圖2是其中一個地缸內酒醅及附近和較遠處土溫變化情況。首先，整個發酵過程酒醅及附近土溫存在溫度梯度。溫度梯度經歷一個不斷增加達到極值然后又不斷減小的過程，同時，土壤溫度峰值出現的時間遠滯后于酒醅。表明汾酒發酵的產熱過程主要集中在發酵前期，而且在產熱高峰期熱能不能快速地傳遞到土壤中，熱量積累在酒醅中。在地缸不同部位溫度峰值不同，最大溫差接近10 ℃，這種不均勻性是汾酒地缸發酵的特征之一。地缸周圍的土壤具有較強的蓄熱能力，在地表覆蓋保溫墊的情況下，保溫墊吸收了大部分發酵熱，保證了發酵過程溫度在適當的范圍內波動，對有效控制酒的質量和風味起到至關重要的作用。圖2中的發酵過程在冬季，土壤溫度呈現出上低下高的特征，并且，離地缸較遠的土壤并沒有受到發酵過程的影響，而是受氣溫的影響，越接近地表，影響越顯著。

圖2 地缸中酒醅及周邊地溫分布

盡管，對白酒發酵過程酒醅溫度的變化模式總結為“前緩，中挺，后緩落”，但與濃香型白酒酒醅溫度變化相比，汾酒酒醅溫度變化相對要劇烈得多，前期的升溫速度較快，中挺時間較短，而后落的前期溫度下降也比較快。總之，不同發酵系統溫度變化的模式大體相似，但具體變化過程差別還是比較大，地缸發酵酒醅經受高溫的時間比較短，總體上屬于較低溫度發酵。這種溫度變化模式的差異也許是造成白酒風味差異的原因之一。

2.2 季節(環境溫度)對發酵過程酒醅溫度變化的影響

由圖3可知，處于地缸中心部位的酒醅，在2種季節溫度變化的差異主要體現在發酵后半期，夏季時酒醅溫度停留在較高的溫度水平而冬季則相對較低，但發酵的前半周期，兩者的變化差異不大，并沒有受到季節的影響。產生這種現象的原因可能是：① 酒醅中心部位與周邊土壤較遠，受周圍環境的影響較小；② 冬夏兩季的相關操作有一定的針對性，抵消了環境溫度變化造成的影響。地缸邊緣的酒醅溫度變化的季節差異比較明顯，冬季酒醅溫度明顯低，而夏季相對較高，同樣，地缸周邊的土溫也表現出類似差異。由于地缸邊緣部分的體積顯然高于中心部位，因此可以認為季節變化對汾酒發酵過程酒醅溫度的變化還是產生了明顯的影響。說明盡管地缸附近的土壤溫度受發酵過程影響，但同時土壤溫度又受氣候的影響，即土壤溫度由發酵熱和氣候共同決定，氣候對發酵過程酒醅溫度產生間接的影響，但氣候對土壤溫度的影響是決定性的，因此，氣候也對酒醅溫度也具有決定性的作用。從這個角度分析，氣溫也是影響汾酒發酵的因素之一，由于氣溫具有波動和不確定性的特點，造成傳統白酒發酵過程溫度控制并不穩定，而是在一定范圍內波動。而通常汾酒廠在冬季原酒優質品率相對較高，可能與發酵過程酒醅溫度較低有關。

土溫在冬季是上低下高，而在夏季則是上高下低，反映出土壤調節緩沖氣溫變化的能力，是理想的溫度穩定系統，保證了白酒發酵酒醅溫度的相對穩定。

盡管溫度的變化模式相同，但溫度變化曲線存在一定的差別，說明發酵過程酒醅溫度的變化并非單一模式，而是在一定的范圍內波動，造成這種波動是由各種因素綜合作用的結果。

2.3 地缸系統熱物性參數

歸類于厭氧固態發酵的白酒發酵過程，因糧食中有用成分被利用使得顆粒萎縮造成酒醅體積減少，有很小的宏觀運動，總體上可以認為酒醅空間位置穩定，沒有相對運動。因此，可以把整個發酵過程中熱量的傳遞歸結為熱傳導過程。測定與熱傳導相關的熱物性參數是構建熱傳導過程模型的基礎[19-21]，在地缸系統中，由于微生物發酵引發酒醅發生持續的生化反應，酒醅的組成和物理結構發生顯著的變化，這種變化是否會引起熱物性參數也發生顯著變化，需要通過檢測確定。而地缸系統中的其它部分在發酵過程中沒有顯著變化，因此可以認定在發酵過程熱物性參數也是穩定的。

由圖4可知，地缸不同部位酒醅熱物性參數有差異，但差異不大，可以認為地缸中各處的熱物性參數基本相同，各處熱物性參數的平均值可以代表整個地缸的熱物性參數。

表1是地缸系統各個部分的熱物性參數，除了空氣，均為實際測定值，這些參數可以用于地缸系統傳熱模型的構建。

圖3 冬夏兩季發酵系統溫度比較

圖4 大楂發酵過程酒醅地缸不同部位導熱系數及熱擴散系數變化

表1不同材質的熱物性參數對比

Table 1 Comparison of thermal physical properties of different materials

不同材料導熱系數K/(MJ·m-3·K-1)比熱C/(MJ·m-3·K-1)酒醅 0.300^0.4002.00^3.00土 1.000^2.0002.60^3.00地缸壁5.000—保溫被0.0780.38空氣 0.0265.04×10-3水 0.5994.20

2.4 地缸系統發酵熱過程數值模擬

通過實際檢測可以了解地缸發酵系統熱過程的基本特性，而構建系統模型模擬實際發酵的熱過程可以更系統全面地了解系統內部各處的溫度變化歷程[22-25]，也可為發酵過程溫度場的監測和發酵過程溫度場控制提供必要的支持。

圖5(a)和(b)顯示了地缸系統實測溫度變化曲線和模擬溫度變化曲線，由于實際發酵酒醅起始時溫度并不均勻，而模擬時按酒醅溫度均勻計算，因此，對應各點溫度變化曲線并未較好地重合。由圖5(c)可知，從實際發酵與模擬計算比較看，總體平均溫度的擬合效果較為理想，比較總體不均勻度實際發酵較高而模擬較低，但變化趨勢基本相同。產生這種現象可能有兩方面的原因：① 初始狀態不同，差異大，由于實際發酵初始時就存在較大的不均勻現象；② 實際過程存在一定程度宏觀移動現象以及有關熱物性參數測定誤差等。比較分析模擬結果可知，模擬效果在總體上變化比較理想。在內部具體細節上還需要改進。由于實際熱過程比熱傳導復雜并存在一定的不確定性，達到比較精確的模擬還存在一定難度。因此，盡管地缸系統的溫度變化比較復雜，但仍可以采用數值模擬的方法在總體上模擬白酒發酵熱過程[26-29]。

圖5(d)不僅顯示了酒醅內部總體溫度分布的情況，也顯示了土壤和保溫毯中的溫度分布。根據溫度分布可以看出土壤的吸熱能力和保溫毯控制熱量散失的作用。對熱過程的模擬可以比較系統全面地顯示溫度分布，這是對熱過程模擬的優點[30]。

通過數值模擬可以幫助了解整個地缸發酵系統的熱過程，酒醅內部溫度梯度的產生及變化是整個系統共同作用的結果。當前實現白酒發酵過程機械化的愿望越來越高[31-33]，采用新的發酵系統替代傳統發酵系統是實現機械化最現實的方法，但新發酵系統如何能夠保持傳統發酵系統中酒醅的溫度變化模式是新系統能否保持傳統發酵特色和風味的重要標準，而數值模擬方法可以檢查新系統是否能夠實現要求[34-35]。

3 結論

通過比較分析汾酒發酵過程地缸系統的溫度分布變化，發現發酵熱在系統內主要以熱傳導的方式傳遞，由周邊土壤吸收并最終傳入環境。地缸發酵系統各組成部分協同完成發酵過程酒醅溫度的控制，并且形成酒醅在發酵過程獨特的溫度變化模式，這個模式是汾酒發酵的特征之一。通過比較發現不同季節酒醅溫度變化模式有明顯差異，主要表現在發酵中后期夏季酒醅的溫度高于秋冬季3～5 ℃，而季節溫差是產生這種溫差的主要原因，說明發酵車間環境溫度對酒醅溫度變化模式產生了重要影響。

圖5 地缸系統熱過程數值模擬結果

汾酒酒醅的入缸溫度是以 “三溫定一溫”的方式確定[1]，氣溫、地溫決定著入缸溫度，決定著發酵過程控制及產品質量。目前各研究主要停留在記錄熱變化情況，在機械化及地上控溫過程中，模擬其溫度變化曲線進行發酵過程的控制，清香型白酒是最與國際接軌的香型，對其特殊的發酵容器地缸傳熱模式進行研究，采用熱傳導機理對汾酒發酵的熱過程構建數學模型，并采用有限元法運算模型可以比較準確地模擬發酵過程地缸系統溫度變化。通過數值模擬可以系統全面地了解發酵熱過程的全貌，為實現發酵過程溫度檢測和控制提供了必要的手段，也為實現發酵過程的機械化奠定了基礎。

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Thermal process pattern and numerical simulation of fen liquor fermentation in underground vats

HANYing1

CHENJian-xin2

(1.ShanxiXinghuacunfenjiuDistilleryCo.,Ltd.,Fenyang,Shanxi032205,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforCerealFermentationTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to understand the characteristics and mechanism of the thermal process of liquor fermentation system, which have great significance to the temperature control of the fermentation process and the mechanization of the fermentation system. The temperature distribution of fermented grains and the soil surrounding the cylinder are compared in different seasons. The process of biological heat generation and diffusion during the Fen liquor fermentation was confirmed. The temperature variation characteristics of fermented grains and heat conduction is the main mode of heat transfer in fermentation is determined. The important influence of temperature on the thermal process of fermentation is discussed. The numerical simulation of the thermal process of the fermentation system has been realized by measuring the thermal physical parameters of the fermentation system and using the finite element method of partial differential equation, which lays a foundation for the detection and control of fermentation process. The change pattern of fermented grains temperature in fermentation process is the basic characteristics and requirements of liquor fermentation, research and production of liquor should meet.

ground cylinder fermentation system; thermal process characteristic; numerical simulation

韓英(1972—)，女，山西杏花村汾酒廠股份有限公司高級工程師，工程碩士。E-mail:qxhy0708@163.com

2017—03—06

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.07.005

重慶市社會民生科技創新專項(編號：cstc2015 shmszx80021)；重慶市特色食品工程技術研究中心能力提升項目(編號：cstc2014ptgc8001)；中央高校基本業務費專項資金(編號：XDJK2016A018)