釀酒生產攤晾控溫裝備的研究

鄭昌寧，張宿義，，黃治國，聶增遠，岳良浩，秦 輝

（1.四川輕化工大學生物工程學院，四川宜賓 644000；2.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州 646000）

當今白酒行業各方面都發展非常迅速，自動化生產發展程度更是日新月異，傳統生產操作已無法滿足市場需求，尤其是對生產安全和食品安全要求越來越高的今天，采用高新技術和傳統技術相結合的新型白酒生產模式，已是大勢所趨。近年來，白酒生產逐步向機械化、智能化、信息化的方向發展，釀酒生產自動化程度相對有很大提高。

攤晾技術是白酒釀制工藝中的重要工藝環節之一，攤晾工藝主要是為了使出甑高溫酒糟（85～95 ℃）降至適宜入窖發酵的溫度（18～22 ℃）[2]。現各大小酒廠都基本引入攤晾加曲設備以提高攤晾效率，降低勞動力成本。攤晾設備大多由篩孔攤晾鏈板、軸流風機、翻糟齒、加曲機、傳感器等組成，正是因其制作工藝簡單、設備成本低、使用方法簡單，所以被廣泛運用于釀酒攤晾工藝。但是正是這些因素使得攤晾機技術發展停滯不前，也造成攤晾出的糟醅出現諸多問題，例如打散不均勻、攤晾酒糟收溫不均勻、下曲不均勻、易感染雜菌和設備難以清洗等。因此近些年業內又掀起了攤晾機升級更新的風暴，攤晾機的功能完善和智能化成為其發展的必然趨勢[3]。

在現有攤晾設備的原理基礎上，結合生產工藝設計一款能夠自動同時完成攤晾、加曲、拌和的攤晾設備。本設計采用帶有內螺旋葉片的圓筒式攤晾設備，工作時酒糟顆粒由于受到與筒體摩擦力、自身重力和螺旋葉片的推力的影響，使得輸送物料不與螺旋葉片一起旋轉，在螺旋葉片的推進下，物料沿螺旋軸軸向進行輸送。在輸送的過程中，往布滿孔洞的筒體注入氣流以降低酒糟溫度，實現糟醅冷卻。在筒體尾部安裝有加曲、拌和結構，自動完成攤晾、加曲、拌和過程。盡可能使糟醅冷卻均勻，保證糟醅入窖的溫度、酸度、水分含量、淀粉含量均滿足瀘型酒生產工藝要求。提高攤晾效率，降低勞動成本，節約能源，提高資源綜合利用，實現節能降耗、清潔生產。

1 攤晾控溫裝備結構的構成

攤晾控溫裝備裝配圖見圖1—圖2，包括輸送系統、冷卻系統，支撐系統，整個設備均使用SUS304食品級不銹鋼制作。

圖1 攤晾控溫裝備裝配圖前視圖

圖2 攤晾控溫裝備裝配圖后視圖

輸送系統由螺帶、篩孔滾筒、驅動電機、減速箱、傳動桿、齒輪、進糟口、出糟口等組成，用于連續輸送糟醅。篩孔滾筒、螺帶和從動齒輪三者固定，從動齒輪與傳動齒輪嚙合，傳動電機的高轉速通過減速箱減為適合的轉速，帶動從動齒輪旋轉，使得篩孔滾筒和螺帶旋轉，糟醅在螺帶旋轉推力、重力、摩擦力的合力作用下做翻轉平移運動。冷卻系統由離心風機、軸流風機、篩孔滾筒、風罩、入風道等組成，用于連續冷卻糟醅。糟醅做翻轉平移運動時，離心風機鼓入室溫空氣，空氣通過糟醅內部，帶走多余熱量并形成水蒸氣，同時軸流風機吸出水蒸氣。支撐系統由滑軌、端蓋、密封圈、支撐套、座架、固定板、軸承、支撐板、滑輪、支架等組成。四對滑輪用以限制篩孔滾筒自由度，讓其只能做旋轉運動。支撐板用以固定風罩。側面風罩可以打開，方便對內部進行清理。

2 糟醅物理性質的測定

明確出甑糟醅的物理性質，是設計攤晾設備的基礎[4]，需要測定出甑糟醅的水分含量、疏松糟醅密度（后續稱為糟醅密度）、糟醅真實密度、堆積角、甑糟比熱容。

2.1 實驗材料

樣品：糟醅，取自瀘州老窖股份有限公司黃艤釀酒生態園出甑糟醅和攤晾完成但還未加曲的糟醅。

2.2 儀器設備

量筒，稱量瓶，0.1 mg 電子天平，電熱干燥箱，干燥器（變色硅膠做干燥劑），燒杯，漏斗，紗布，正方體木盒（容積為1000 mL，無上底），圓筒容器（直徑100 mm，長度200 mm，無上下底）。

2.3 實驗方法

糟醅密封保存，測量時不能對其有擠壓或者疏松，保持糟醅原有物理形態。每組實驗重復做3次，取平均值。

2.3.1 糟醅水分含量的測量

攤晾前糟醅水分含量（Hh2o）的測量方法：稱量質量為m1的糟醅放入稱量瓶中，將稱量瓶置于100～105 ℃恒溫干燥箱烘干2 h（烘干時打開稱量瓶蓋），取出稱量瓶并蓋上，放入干燥器內冷卻至室溫，再烘1 h，冷卻稱重，至恒重為止[2]，稱量干燥后糟醅質量m2。用同樣的方法測量攤晾后加曲前糟醅水分含量（Hh2o），如公式1：

由實驗得：出甑后攤晾前糟醅含水量Hh2o=58.26%，攤晾完成但還未加曲的糟醅含水量hh2o=56.32%。

2.3.2 糟醅松散密度的測量

糟醅密度（ρ）的測量方法：稱量正方形木盒質量為m，將糟醅輕輕放滿到木盒中，裝滿但不冒尖，稱量木盒和糟醅總質量為m3，糟醅密度ρ如公式2：

由實驗得：出甑后攤晾前糟醅密度ρ=0.498 g/mL=498 kg/m3。

2.3.3 糟醅真實密度的測量

真實密度（ρt）的測量方法：將一定量的乙醇加入1000 mL 量筒中（體積v1），稱量（質量m4）適量糟醅放入裝有乙醇的量筒內，糟醅完全浸入乙醇，立刻讀取總體積v2，糟醅真實密度ρt公式如3：

由實驗得：糟醅真實密度ρt=1.076 g/mL=1076 kg/m3。

2.3.4 糟醅堆積角的測量

堆積角：物料自然堆積時料堆的坡度，即料堆與水平面的夾角。

堆積角（α）的測量方法：將糟醅放入圓筒容器中，慢慢提升圓筒直至糟醅完全滑出，糟醅會在平面上形成一個錐體，測量錐體高度和直徑即可求得糟醅堆積角，計算如公式4。

式中：h——錐體高度；d——錐體直徑。

有研究者[5]曾用此方法測量過松樹種子堆積角。

由實驗可得：出甑糟醅堆積角α=43.4°。

2.3.5 糟醅比熱容的測量

瀘型酒糟醅的主要原料有糠殼、高粱、水，分別測量各物質的含量，可以間接計算出糟醅比熱容[6]。

糟醅比熱容（C）測量方法：已知糟醅水分含量。糠殼干重測量方式：稱量質量為m5的糟醅，用高于85 ℃的水對酒糟進行多次清洗、紗布過濾，對過濾后的殘渣進行初步烘干，之后篩選出殘渣里的糠殼再次烘干至恒重，稱量糠殼質量為m6，糠殼含量H如公式5：

由實驗可得：出甑糟糠殼含量H=11.40%

綜上所述，糟醅中高粱含量H1如公式6：

得：高粱含量H1=30.34%。

混合物質比熱容計算，公式如7：

式中：C混——混合物比熱容；mi——不同組分的含量；ci——不同組分的比熱容。

曾有學者測定過糠殼和高粱比熱容[7]，如表1。

表1 水、高粱、糠殼比熱容

根據公式7計算糟醅比熱容C：

3 設計計算

3.1 輸送系統的設計計算

此攤晾設備輸送結構不同于螺旋輸送機。螺旋輸送機工作原理：當螺旋軸轉動時，由于物料的重力及其與筒體壁所產生的摩擦力，使物料只能在葉片的推送下沿著輸送機的槽底向前移動，物料在中間軸向運移，則是依靠后面前進著的物料的推力，所以，物料在輸送機中的運送，完全是一種滑移運動[8]。用螺旋輸送機對糟醅進行輸送，會對酒糟產生擠壓，使得糟醅物性發生變化，導致不良影響。故此次設計采用筒體加螺帶結構作為輸送，這種結構的優點在于，既能滿足生產所需的輸送量，又不會對糟醅產生擠壓。筒體旋轉時，固定在筒體上的螺帶跟著一并旋轉，酒糟沿葉片的螺旋方向運動，在不斷的提升和翻動過程中，糟醅既做旋轉運動又做上下運動，從而使得糟醅均勻攪拌，糟醅冷卻也會更加均勻。為匹配生產節拍，設計糟醅輸送量Q=8 m3/h。

3.1.1 篩孔滾筒及螺帶尺寸的設計

篩孔滾筒尺寸主要考慮直徑和長度，根據糟醅在滾筒內的運動情況確定有效攤晾面積，攤晾面積越大，產出較高，攤晾面積減小，窖池產出也隨之減少[9]。螺帶主要確定步距S 和螺帶高度H。為了確定糟醅的運動情況，制作了一個滾筒螺帶模型，直徑D=0.8 m，長度L=1.2 m，螺帶步距S=0.28 m，螺帶高度H=0.2 m，經試驗得，此模型輸送糟醅，糟醅運動堆積形態如圖3所示。

圖3 糟醅運動堆積形態圖

由此實驗可得，糟醅有效攤晾面積與旋轉一圈可以輸送糟醅和滾筒直徑、螺帶高度有關，也和糟醅的堆積角度有關，當∠A 超過糟醅最大堆積角度α，以糟醅堆積角度計算。糟醅在滾筒內做提升運動時，糟醅與水平夾角會逐漸變大，當達到最大堆積角且繼續運動，糟醅會出現崩塌從而做翻轉運動。如果螺帶高度過低，糟醅會從一個步距跨越到另外一個步距，從而影響輸送效果，故為了達到理想的輸送效果，應當∠A≥堆積角度α。

為了和瀘州某酒廠自動化生產線攤晾場地相匹配，篩孔滾筒直徑取D=1.5 m、長度L=5.5 m。

（1）步距的確定：

式中：k1——螺旋螺距與直徑的比例系數，與物料的性質有關，物料摩擦系數越高，k1取值越小，此結構一般S≤0.5D。曾有學者利用運動仿真分析可得[10]：經優化后的螺旋輸送機螺距明顯減小，機械效率也有了較大幅度的提升，此時k1=0.33。

經公式8計算得：S=0.495 m，取整S=0.5 m。

（2）螺帶高度的確定：

螺帶高度是影響單位時間糟醅輸送量的一個重要參數，但是又受到糟醅堆積角的制約，為了達到理想輸送量又不能浪費材料，則需要知道糟醅在筒體內部的最適填充系數φ。糟醅物性：黏性，屬于含糖、淀粉質的團，故填充系數φ取值0.125～0.20 之間。考慮到糟醅不易結塊，松散度較高，填充系數φ取值0.17。結合圖3 糟醅運動堆積形態圖計算出螺帶高度H=35 cm。

3.1.2 篩孔滾筒轉速的確定

篩孔滾筒轉速直接影響其輸送率，每旋轉一圈，糟醅就前進一個步距。設計輸送量為8 m3/h，此時糟醅應全部脫離篩孔滾筒，所以，1 h 內，糟醅不僅要進入滾筒內部，并且還需全部輸送出來。螺旋輸送能力和很多因素相關[11]，如螺旋直徑、螺帶步距、轉速等，可按照公式9進行計算。

式中：Q——輸送量（m3/h）；D——螺旋筒內直徑（m），取1.5 m；S——螺帶步距（m）；n——轉速（r/min）；φ——填充系數，取0.2；c——傾斜輸送系數，見表2。

表2 螺旋輸送機傾斜校正系數 c

攤晾機水平放置，故傾斜輸送系數取1。

由公式9計算得：篩孔滾筒轉速n=0.89 r/min。

3.2 冷卻系統的設計

攤晾是利用空氣與糟醅之間進行熱量交換，排出高溫蒸汽，使得糟醅快速降溫以滿足入窖溫度。攤晾又分為自然風冷和強迫風冷，此攤晾過程屬于強迫風冷[12]。離心風機通入空氣，將糟醅多余熱量帶走。

3.2.1 糟醅總散熱量

攤晾1 h，糟醅溫度由92 ℃降低到22 ℃釋放的熱量，按照熱力學方程10計算：

式中：Q——糟醅釋放的總熱量（kJ）；c——糟醅平均比熱容[kj/（kg·℃）]；ρ——糟醅密度（kg/m3）；V——攤晾1 h糟醅體積（m3）；△t——攤晾前后溫差（℃）。

由公式10計算得：Q=845564.16 kJ。

3.2.2 糟醅在攤晾過程中水分散失帶走的熱量計算

糟醅在攤晾過程中，隨著空氣的通入，糟醅中的部分水分會跟隨空氣揮發，形成明顯的水蒸氣，水從液態變為氣態，會帶走一部分熱量Q1，這部分熱量可以根據糟醅攤晾前后含水量的變化結合揮發1 kg水需要的熱量c1計算得出，計算公式如11：

式中：Q1——糟醅中水分散失帶走的熱量（kJ）；c1——低于100 ℃時揮發1 kg水需要的熱量（2.267 kJ）；Hh2o——攤晾前糟醅含水量（%）；hh2o——攤晾后糟醅含水量（%）；ρ——糟醅密度（kg/m3）；V——攤晾1 h糟醅體積（8 m3）。

由公式11計算得：Q1=175.22 kJ。

此部分熱量約占攤晾全過程糟醅散發熱量的0.02%，攤晾1 h水分散失約有77 kg。

3.2.3 攤晾設備所需風量計算

糟醅攤晾過程是利用室溫空氣通過糟醅內部進行降溫，空氣溫度在一段時間內可以看作恒定不變，糟醅溫度由高到低變化[13]。空氣與糟醅換熱效率受較多因素影響，如糟醅溫度、空氣溫度、空氣流量等，換熱效率直接影響傳熱系數，導致傳熱系數K 一直變化，利用熱交換器的熱計算基本方程式：Q=K△tmF 難以計算。故此次計算采用“比熱法”進行計算。

在已知糟醅總發熱量（Q=845564.16 kJ）的情況下，假設發熱量全部由空氣帶走，計算公式如12：

式中：q——冷卻空氣流量（m3）；Q——物體發熱量（kJ）；ρp——空氣密度（1.29 kg/m3）；cp——空氣定壓比熱容[1.003 kJ/kg·℃]；△T——空氣的平均溫升（℃）。

空氣平均溫升（△T）的計算是參考現有鏈板式攤晾機出風口風溫，經計算△T約為20 ℃。

由公式12計算得：攤晾1 h所需風量q=32676 m3。

3.2.4 風機的選型

風機是組成攤晾設備必不可少的設備，用于糟醅攤晾的風機主要有離心風機和軸流風機兩種。離心風機的特點：風量相對較小、全壓大、噪音大、能耗高；軸流風機的特點：風量相對較大，全壓小，噪音小。風機的選擇，考慮因素主要有風量和風壓。兩款風機均能滿足合適的風量，但由于篩孔滾筒內部糟醅較厚，軸流風機風壓較小，糟醅可能“吹不透”導致冷卻效果不佳，故此設計采用離心風機作為冷卻風機，離心風機參數如表3。

表3 離心風機參數

風機參數在使用中存在誤差，利用風速測量儀（AS-H3）、直尺便能測量此風機的實際使用風量。測量風機出風口風速vt（m/s）和出風口面積st（m3），計算實際風量qt（m3/h）如公式13：

由實驗得，風機實際風量qt=（6700～7100）m3/h。

五臺離心風機總風量q總=（33500～35500）m3/h，滿足此攤晾設備對風量的要求。攤晾設備頂部兩臺離心風機的總風量略大于q總即可。

4 總結

糟醅攤晾是白酒生產工序中的關鍵工序，是控制糧糟入窖水分和溫度的重要操作步驟。由傳統的石晾堂、攤晾床發展到現代的自動化晾糟機，可謂是發展迅速，但也存在諸多問題。如漏料、不易清洗和能源浪費等。此次研究將螺旋輸送和風冷結合，也是兩個學科的結合。能在連續性生產的同時通過冷凝設備對攤晾時產生的水蒸氣進行回收利用，為攤晾設備的發展提供了一個設計方向。隨著科技的進步，會有更多的學科與白酒生產行業進行融合，逐步取代傳統釀酒生產模式，向機械化、自動能、智能化、信息化發展，定會有更多更先進更完善的機械設備應用到釀酒生產中。