啤酒發酵靶向控溫研究

張松宇 楊文斌 徐彬

摘 要：針對啤酒發酵溫度控制系統具有非線性、強耦合和滯后性的特征，運用傳統控制方法不能實現啤酒發酵溫度精確控制的問題。關注發酵液的動態特性，將發酵罐視為整體，引入靶向控溫策略，尋找到靶向控溫點，實現對溫度的靶向控制，減少了冷媒消耗，保證了啤酒質量。

關鍵詞：靶向控溫點;動態特性;發酵

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

0 引言

在啤酒生產中，溫度控制是發酵生產過程中極其重要的一個環節，它的好壞直接影響了啤酒的風味、口感等重要產品指標。目前，國內啤酒工廠發酵一般在錐形罐中進行，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?，一個發酵罐里盛放的就是幾百噸酒，要對體積如此大的發酵罐進行控溫，難度可想而知，且發酵液在發酵階段會產生熱量，而控溫則是要排除發酵時產生的熱量，使發酵在預定的溫度下進行。傳統的控溫方法將發酵液在自身發酵過程和控溫過程中看做是一罐靜止不動的液體，忽略了發酵罐內部酒液的循環，從而造成了溫度控制效果不佳，浪費冷媒，造成極大的能源浪費。如果能在啤酒發酵的各個階段，詳細研究發酵罐內酒液的動態循環特性，再結合經典的溫度控制方法，那么就會極大地縮短發酵過程，提高生產效率和節約能源。所以本文關注酒液的動態特性，尋找到發酵罐的靶向控溫點，實現對溫度的靶向控制。

1 發酵罐構造

本文以400 m?發酵罐為例說明發酵罐的機械結構。該錐形罐高21米，直徑6.8米，四段冷帶，每段冷帶為纏繞數周在罐壁上的夾套。每一段冷帶設置一個測溫點，測溫點分別為錐溫、下溫、中溫、上溫，測溫鉑電阻采用PT100，精度等級為A級。同時對應安裝 TIC01、TIC01、TIC03、TIC04 四個溫度智能變送器和EV01、EV02、EV03、EV04四個冷媒電磁閥進行精細調節。冷媒介質為酒精水，溫度在-3至-6℃，冷媒通過罐壁的夾套流動來實現對罐內發酵液的冷卻。發酵罐溫度控制示意圖及外觀見圖1。

2 發酵液的動態特性

冷麥汁在進入發酵罐之前，會添加酵母用于發酵分解麥汁中的糖分，從而得到酒精和副產物CO2。這一過程伴隨產生大量的熱量。所以，在發酵初期，發酵液的動態特性主要受酵母代謝影響，酵母劇烈代謝，產生大量CO2氣體上升，帶動發酵液會出現沸騰一樣的景象。

伴隨著糖分減少，酵母分解糖的生化反應結束，冷媒對發酵液的動態特性成為主要影響因素。一個物理常識，水在4℃時，密度最大，同理發酵液也有這個特性，發酵液在2.5℃左右時，密度最大，在靠近罐壁的發酵液在冷媒作用下，溫度偏低，而處在中間區域的發酵液溫度較高，這種由內而外的溫差，就形成了發酵液運動的動力，靠近罐壁的發酵液由于溫度低、密度高向下運動，而中間區域的發酵液由于溫度高、密度小，向上運動。

3 靶向控溫點及控溫策略研究

根據發酵液在不同階段動態特性不同，下面分步探討如何在不同階段，利用其動態特性來輔助控溫。

目前國內發酵采用的主流工藝為兩罐法工藝，即將發酵階段分為前酵和后酵，前酵為主發酵階段，后酵為低溫貯酒階段。前酵又細化為自由升溫階段、主發酵階段、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生熱量，使發酵液溫度從 8℃升溫到10℃左右，使酵母活性達到最大，接下來進入到了主發酵階段和雙乙酰還原階段，這兩個階段的溫度控制在10-12℃。該階段內酵母活性強，糖分足夠，酵母代謝非常強烈，產生大量CO2氣體，同時還需要開冷媒排除熱量，使溫度維持在10-12℃之間，此時發酵液在冷媒和CO2氣體雙重作用下形成一個大循環，這種循環極大的促進了熱交換的進度，如果能合理的利用這種動態特性，會有效降低發酵時間，提高生產效率。循環示意圖見圖2。

溫度低、密度大的罐壁附近的發酵液沿罐壁由上向下運動。此時，發酵罐上冷帶的冷量除了對本段的發酵液有冷卻作用，同時由于發酵液向下運動，冷卻作用還會影響到中段發酵液。同理，發酵罐中冷帶的冷量同樣也會對下段發酵液有作用。此時如果再開啟下段和錐段冷媒，根據流體力學原理，此時會造成底部發酵液溫度過低，抑制了發酵液上升的動力，打亂了罐內流體循環，導致發酵液不能混合，溫度傳導依靠自然對流，罐壁溫度偏低，中間溫度偏高，溫度不均勻 ，且自然對流時延大，這樣對控溫來說簡直是噩夢，冷媒全開，不僅消耗大量能源，同時溫控效果極差，此現象糖分消耗完尤為明顯。綜上所述，此階段控溫的重點是上溫和中溫，這兩個點在該階段的控溫中如果能準確抓住，那么控溫會得心應手，而且節能，因此把這兩個控溫點稱之為靶向控溫點。

高溫降溫段指罐內雙乙酰成熟，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，降溫速度不宜過大，過大會造成罐壁結冰，冷量不能及時傳遞，既浪費能源又影響降溫效果，更嚴重會導致冰塊跌落損害溫度傳感器的事件。此時由于糖分消耗完畢，罐內酒體循環的動力為冷媒作用導致內外形成的溫差。所以此階段的靶向控溫點也是上溫和中溫，在實際控制過程中注意降溫速度即可。

低溫降溫段是發酵罐內酒液溫度從3℃降到0℃或-1℃的過程，同理酒液在2.5℃左右時密度最大，此時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，酒液向上緩慢運動，而中間的酒液由于溫度高，密度大，則向下緩慢運動。此時糖分已經完全消耗完，酒液循環的動力全部來自于由內而外的溫差，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部的對流，降溫緩慢，控溫難度加大，為了盡快擺脫此種困局，此時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動的動力，從而形成了循環，使降溫速度加快。由此可見該段的靶向控溫點為錐溫和中溫。循環示意圖見圖3。

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

4 結束語

根據分析酒液在發酵各階段的動態特性，找尋靶向控溫點，結合靶向控溫點制定控溫策略，在實際工廠生產中，收到了良好的效果，同時也印證了尋找的靶向控溫點的正確性。由此可見，啤酒發酵罐以及同類型罐體的控溫一定要將其作為一個整體，如果將各段視作控溫對象進行控制，勢必會打破罐內的循環過程，即使再好的控溫算法也不會有良好的控溫效果。本文通過尋找發酵各個過程中的靶向控溫點，有針對性的進行控溫，做到了控溫精確，節能降耗，同時提高了發酵的生產效率。

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基金項目：2018年內蒙古自治區教育廳高等學校科學技術研究項目（編號：NJZY18272）

2017年內蒙古機電職業技術學院科學研究項目（編號：NJDZJZR1708）

作者簡介：張松宇（1984-），女，內蒙古呼和浩特人，研究生，講師，研究方向：自動控制技術、機電一體化。