一種醬油釀造裝置的參數控制系統設計

劉 韻

(重慶工商職業學院，重慶 401520)

醬油釀造過程是一系列復雜生物化學反應過程，整個釀造過程涉及到微生物細胞的生長以及微生物的代謝。釀造過程可近似表達成具有時變性、多輸入、多輸出以及隨機性的動態變化過程。在醬油釀造過程中，相關過程變量主要包括醬油基質濃度、微生物濃度、產物濃度以及釀造轉化率，對影響釀造品質的相關過程變量進行有效控制具有一定難度[1]。這些生物過程變量直接反映醬油釀造過程狀態信息，在醬油釀造過程中主要控制與釀造質量有關的變量，如環境溫度、pH 值、通氣量等，各時變變量之間發生復雜的相互作用，難以建立精確的釀造機理模型[2]。

現有的醬油釀造控制系統主要采用常規的PID控制率實現過程控制[3]。可以利用模糊控制系統對醬油釀造過程進行控制，形成釀造過程的控制經驗知識，總結成釀造控制過程知識庫，并建立一些行業規則，由于基于模糊控制形成的過程知識庫數據龐大，進行精確過程控制具有一定難度[4]。現有的包含遺傳算法和神經網絡在內的在線優化軟件包，可以實現醬油釀造過程控制，但該控制系統對醬油釀造過程模型是否正確具有依賴性[5]。由于醬油釀造過程為時變動態變化過程，使得現有控制方法建立的控制模型和控制方案在實際應用中難以滿足動態過程要求，使得醬油釀造過程控制系統無法穩定有效執行。

以控制醬油釀造環境參數為控制研究對象，確保在醬油釀造過程中環境適宜微生物的生長代謝，以提高醬油的釀造率。采用系統參數控制的方法，分析醬油釀造過程中影響產量的相關環境參數，如環境溫度和pH值等，并找出影響環境參數變化各影響因素之間的相互關系，對醬油釀造過程系統環境參數進行仿真，得出建立醬油釀造過程參數控制系統模型穩定性高、抗干擾能力強、容錯性能好。參數控制系統很好地控制了醬油釀造過程環境參數，并提高了醬油釀造的產量。

1 參數控制系統的工藝流程

醬油生產過程中最關鍵的就是對醬油釀造過程環境參數的控制，由于醬油基質濃度、微生物濃度、產物濃度以及釀造轉化率等變量在線檢測非常困難，因此在醬油釀造過程中主要控制與醬油質量有關的變量，環境溫度、pH值、通氣量。而醬油釀造過程是一種厭氧型釀造過程，在整個釀造過程中無需對釀造環境進行氧氣量控制。針對醬油釀造過程中對微生物代謝有影響的相關環境參數與釀造過程質量的關系，本文首先對醬油釀造過程環境溫度和 pH值進行控制，醬油釀造過程控制系統的工藝流程圖見圖1。

圖1 釀造過程工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of brewing process

釀造過程溫度和pH值是醬油釀造過程中的關鍵影響因素。因為釀造過程是微生物在釀造過程中繁殖與代謝的過程，產生大量的熱量。根據醬油釀造過程在不同階段的不同微生物代謝產物，醬油釀造過程可分為主釀造階段和后釀造階段，本文只針對主釀造階段的環境溫度和 pH值進行控制。

在主釀造階段，環境溫度的變化包括釀造環境自然升溫和保溫兩個過程，在環境自然升溫過程中，不需要外界對釀造環境進行控制，因此在釀造過程中，需要對保溫過程進行環境溫度控制。在保溫過程中對環境溫度進行控制時，使用溫度傳感器對冷媒罐和主釀造罐中的環境溫度進行檢測，在釀造過程中，主釀造罐中釀造環境溫度的控制通過冷媒閥門的打開程度來進行直接控制。主釀造罐中pH值通過罐內的pH傳感器來進行檢測，在pH值控制過程中，主釀造罐pH值的高低通過釀造罐中氨水的流加量來進行控制，該流加量與氨水閥門打開程度有關。

2 醬油釀造過程參數控制和建模

為了對醬油釀造過程相關參數進行自動控制，需對影響釀造過程的相關過程因素以及各相關因素之間的邏輯關系進行了解，從而保證醬油釀造生產過程可以安全平穩地進行，達到對醬油釀造生產過程進行優化的目的。

在醬油釀造過程中，對釀造過程質量產生影響的因素可以分為物理化學參數和生物參數兩類。物理化學參數主要包含主釀造罐溫度、pH值、空氣流量、冷媒流量等；生物參數主要包括微生物代謝產物、代謝產物濃度、釀造基物濃度等。

在釀造過程中，釀造溫度和釀造過程酸堿度是醬油的風味和穩定性的關鍵影響因素，同時對醬油質量的好壞以及釀造產量的高低也有一定的影響。因此，本文著重研究釀造過程中釀造環境溫度和酸堿度對醬油釀造過程的影響。

2.1 環境溫度控制

不同類型的微生物，對于生產環境溫度的要求不同。從與微生物有關的生物酶動力學角度出發，當環境溫度最適宜時，生物酶達到最佳活力。因此，主釀造罐的環境溫度是關鍵的環境參數，對環境溫度產生影響的主要因素包含冷媒罐內冷媒溫度的高低、釀造過程中菌體的生長代謝過程、釀造罐內部壓力的大小、主釀造罐的散熱性能以及釀造過程中其他熱量的散失。冷媒閥門的打開程度以及釀造罐降溫時冷媒的回流決定了冷媒罐內冷媒溫度的高低。隨著釀造過程的演變，釀造罐內氣體的增加使釀造罐內環境溫度不斷上升，為保證釀造過程中生物酶活力最高，需要對釀造罐進行溫度控制。

2.2 pH 值控制

釀造過程酸堿度是微生物生長與代謝的重要環境參數。隨著釀造過程的不斷演變，釀造過程產生大量的酸性物質，使釀造罐內pH值下降，pH值過低會影響醬油釀造過程和醬油的口感。為對釀造過程酸堿度進行控制，需要加入堿性溶液對釀造罐中的酸性物質進行中和，保證主釀造罐內pH值處于適合釀造過程微生物生長與代謝的范圍內。常用的堿性溶液為氨水，釀造過程酸堿度高低通過控制堿性溶液閥門打開程度來實現。

在釀造過程中環境溫度和pH值兩個參數彼此之間又相互影響，溫度變化會影響pH值的變化，pH值的高低影響微生物的生長代謝，進而影響主釀造罐內環境溫度。

通過對醬油釀造過程的環境影響因素進行分析，得出兩條因果關系影響鏈[6]，第一條影響鏈是主釀造罐內環境溫度控制鏈，第二條鏈是主釀造罐內pH值控制鏈。為對釀造過程因果關系進行分析[7,8]，本文做出如下假設：

假設冷媒閥門的打開程度為z10，冷媒罐內環境溫度為z11，發酵過程溫度為z12，回流冷媒熱量為v11，微生物吸收或散失熱量為v13，且k1=2，釀造過程環境溫度控制鏈L1:L1={(z10,z11),(z11,z12)},k1=2 。

假設氨水流量控制閥門打開程度為z20，釀造罐內pH值為z21，補料量為v21，且k2=1，pH值控制鏈為L2:L2={(z20,z21)},k2=1。醬油釀造過程參數控制系統框架示意圖見圖2。

圖2 釀造過程參數控制系統框架圖Fig.2 Frame diagram of brewing process parameter control system

假設醬油釀造系統各相關子系統Σij的動態模型為：

其中，a1、a2、b1、b2、c1、c2、c3分別通過最小二乘法進行參數系統參數識別。

3 參數控制系統模型預估

醬油釀造過程環境溫度控制預估模型為：

醬油釀造過程環境pH值控制預估模型為：

引入醬油釀造過程環境溫度與pH值的期望值和預估值算法，可以得到醬油釀造過程環境溫度與pH值的控制算法：

4 仿真求解

對所建立的醬油釀造裝置參數控制系統中涉及的環境溫度與pH值模型進行仿真。控制目標為：主釀造罐內環境溫度(15±0.3) ℃，主釀造罐冷媒入口溫度(8±0.3) ℃，主釀造罐冷媒出口溫度(19±0.3) ℃，主釀造罐內上部與底部pH值為6.5±0.2。

仿真方法：每間隔1 min進行一次仿真系統數據采集，采集100次。根據仿真系統采集到的數據進行生鮮釀造裝置參數控制系統模型識別，最后采用預估方式得出生鮮釀造裝置參數控制算法。仿真結果見圖3和圖4。

圖3 釀造控制系統溫度控制曲線Fig.3 Temperature control curves of brewing control system

圖4 釀造控制系統pH值控制曲線Fig.4 pH control curves of brewing control system

5 結論

在醬油釀造過程中采用參數控制系統對釀造過程相關環境變量進行了控制。使醬油釀造系統更加穩定，提高了釀造系統的轉化率，進而提高了醬油的產量與口感，為醬油釀造控制系統的參數化設計提供了相關依據。