米酒自動釀造裝置的研究

潘文見，盧劍鋒，陸洋，郭啟鵬

（1.550025 貴州省 貴陽市 貴州大學 機械工程學院；2.550025 貴州省 貴陽市 貴州省輕工業科學研究所）

0 引言

機械化、自動化逐步融入傳統行業，代替傳統生產方式[1]。貴州米酒文化歷史悠久，以水、大米等為主要原料，主要分為蒸餾型和發酵型米酒。蒸餾型米酒，經發酵、蒸餾、陳釀、勾兌而成，是具有米香型風格的白酒；發酵型米酒是經蒸煮、糖化、發酵、壓榨、過濾、貯存、調配而成的釀造酒。米酒生產屬于密集型勞動，生產方式落后，精細化程度低[2]。釀造的工藝和釀造設備需要進行改進，結合高新技術手段推動釀造行業向自動化、智能化方向發展。

米酒釀造過程中的重要關鍵因素是發酵溫度，溫度調控對釀造過程的穩定性有著重要影響，影響米酒的品質與產量[3]。傳統釀造受氣候環境影響，冬天氣溫低，夏季氣溫高，對發酵工況產生較大影響，影響出酒品質以及產量[4]。米酒釀造過程復雜，發酵工況影響因素多，不僅是溫度變化，而且溫度分布對發酵過程也產生巨大影響。

本文從米酒釀造工藝背景出發，設計了一款適用于米酒釀造工藝的自動化設備，搭建了具有蒸煮、冷卻、釀造發酵、蒸餾、水儲藏處理功能的綜合應用性自動化設備，用以提高米酒的生產效率和產能。

1 設計與工藝

1.1 釀酒工藝

米酒釀造傳統工藝屬于半受控條件的釀造工藝，涵蓋了蒸糧、糖化發酵、蒸餾、儲藏等流程，是世代相傳的釀造經驗不斷總結出來的工藝[5]，所以需要從釀酒工藝流程出發設計米酒自動釀造釀造設備。米酒釀造工藝：投放物料—浸泡—瀝干—蒸煮—吹空氣（攤涼）—加曲攪拌—糖化（24 h）—輸送至發酵罐發酵—蒸餾—儲藏。

1.2 生產線的設計

米酒自動化釀造必須保留傳統生產工藝，再引進更加全面的技術，從裝備、控制系統等方面進行優化。本文設計的米酒自動釀造生產線如圖1 所示。圖1（a）為裝置左側，制冷機制冷儲藏罐中的水，冷水通過管路連接到各個功能罐中構成冷卻系統，冷卻系統可以給蒸煮罐、發酵罐以及蒸餾時提供冷媒，實現冷卻功能。擁有蒸飯、發酵、蒸餾功能于一體的蒸煮罐，連接著導熱油箱和蒸汽發生設備，當蒸煮罐作為發酵罐時，通過導熱油循環給一體罐供熱。在高溫消毒、蒸煮、蒸餾功能下，由蒸汽發生器供熱，蒸汽加熱方式比導熱油方式加熱效率更高。蒸煮罐連接冷凝器直通接酒罐，蒸餾時控制器調節通過冷凝器的冷水量，進而實現出酒溫度的控制。圖1（b）右側為保溫發酵罐，為提高設備利用效率和生產效率，設計多個發酵罐。蒸糧結束，摻入酒曲后，將發酵物料輸送至發酵罐中發酵。

圖1 設備設計圖紙Fig.1 Equipment design drawings

米酒自動釀造集成系統涵蓋集成了泡糧、淘洗、蒸糧、發酵、蒸餾功能等設備，減少了傳統工藝中人工運輸、裝卸，提高了工作效率，全密閉式釀造，避免與空氣中粉塵接觸，避免生物污染。建立自動控制釀造系統，實現米酒機械化、自動化釀造現場設備如圖2 所示。

圖2 米酒自動釀造裝置Fig.2 Automatic brewing device for rice wine

2 控制系統設計[6]

設計了米酒釀造自動控制系統，控制發酵液的溫度盡可能均勻分布，減小發酵液溫度差異，監控加曲、溫度、發酵時間。設計投料、水量、酒曲量、發酵溫度、發酵時長的數據記錄。

2.1 系統設計

米酒自動釀造控制系統包括軟、硬件設計。主要包括系統總體設計、硬件選型、下位機程序設計和上位機監控系統設計。PLC 下位機控制模塊接入開關量輸入輸出、傳感器、模擬量輸出、Modbus 485 總線控制流量計、溫控儀表等485 總線設備，控制器發送指令，控制動作閥門、泵的順序啟停、保護以及發酵、蒸餾恒溫控制等；上位機程序設計主要包括系統控制按鈕、參數設置以及數據監控。觸摸屏為現場控制上位機，能夠進行現場控制、數據記錄等。利用GRM 模塊遠程連接接入公網，實現遠程監控設備運行狀態。采用雙上位機的結構，若設備出現異常且現場無人看守，可以通過手機App 等發送異常信息。系統總體結構如圖3 所示。

圖3 自動釀造控制系統組成Fig.3 Composition of automatic brewing control system

2.2 系統硬件以及操控系統

該控制系統以步科觸摸屏為上位機，信捷中型PLC 為下位機，XG 系列為信捷中型機系列，采用XG 系列XG-1 型 CPU，搭配數字量輸入、輸出模塊，檢測和控制電磁閥的開關狀態。壓力傳感器、溫度傳感器輸出為4～20 mA 電流信號，因為有部分溫度傳感器為PT100 信號，故選配了適配該CPU 的模擬量輸入模塊。該控制系統采用的通訊協議為Modbus rs485 和Modbus TCP，實現現場設備的數據交互與控制。該自動釀造控制系統PLC現場控制接線圖如圖4 所示。

圖4 自動釀造系統現場接線圖Fig.4 Field wiring diagram of automatic brewing system

以步科觸摸屏為上位機控制系統，巨控GRM533 作為遠程監控系統，用以查看設備狀態以及故障報錯。上位機界面分別設計了手動操作界面、自動操作界面、溫度曲面查看界面。自動操作畫面設計了自動清洗操控區和自動釀酒區，包含當前設備工作參數設置區，實時顯示正在進行的工藝工序以及相關發酵溫度、發酵時長、酒精度等動態參數；手動操作畫面設計了用戶自行操作的相關設備和閥門，自行設計釀造步驟，用以研究釀酒工藝工序，開發新的釀酒工藝流程。為提高生產效率，設計了多個發酵罐，在發酵罐界面上監控發酵溫度、發酵時長，部分操作界面見圖5。系統硬件連接及參數設計完成后，進行設備試驗，該設備完整地完成釀酒工藝所有流程并實現了釀酒生產。

圖5 控制系統界面Fig.5 Control system interface

3 發酵罐溫度場數值仿真

釀酒最為重要的環節為發酵，發酵工藝對米酒的產酒量、口感、香味影響起重要作用。米酒發酵重要參數是穩定的發酵溫度和發酵時長。在自然環境下密封發酵，發酵溫度易受四季溫度變化影響。發酵期間罐體溫度分布均勻對米酒發酵極其重要。模擬發酵罐內溫度分布，改進罐體結構，盡可能使其內部溫度分布均勻，避免局部溫度過高或過低殺死酵母菌或影響發酵效率。

3.1 建立模型

在釀酒設備設計中，建議采用罐體式發酵方式設計發酵容器。發酵罐結構圖與三維模型如圖6所示。發酵罐有投料口、清洗、觀察口、取樣口，設計有加熱和冷卻功能，為減少環境溫度對內部發酵溫度的影響，設計了聚氨酯材料的保溫夾層。目前設計的發酵罐已數次用于生產試驗。

圖6 發酵罐Fig.6 Fermentation tank

釀造發酵罐要實現較長的發酵時間，所以設計保溫罐體時需要考慮其保溫功能，能夠加熱、降溫以及有外部支撐架等。建立精確完整的模型，計算量大、計算速度慢，需對實際模型進行簡化，但又不能影響計算精確度。本文著重研究發酵罐溫度低于發酵溫度時對其加熱的溫度分布，加熱時溫度是否有局部溫度過高而影響發酵狀態。結合加熱方式，發酵罐實際模型去除其外部支撐架、外部連接管道結構。考慮到罐體結構復雜，優化了計算模型，保留罐體保溫層和罐體內部液體和少量空氣。

3.2 數值模擬工況分析

以錐型發酵罐發酵，罐體結構如圖6，以水代替發酵液，分析其加熱傳熱過程。發酵罐內發酵液通過底部加熱，向上傳熱，且與環境形成自然對流。實際加熱過程中發酵罐內部加熱的流動狀態是紊態的，十分復雜，為了簡化計算，對仿真模型作以下合理假設[7-9]：（1）實驗中溫度變化不產生相變,所以假設水為常物性、不可壓縮物質；（2）加熱時間短，認為生產車間為恒定溫度；（3）不考慮流體的黏性耗散；（4）設定各項導熱系數、熱容和熱膨脹系數為定值。

該仿真利用了能量方程和k-estandard 湍流模型對發酵液進行溫度場數值模擬計算。

連續性方程：

式中：ρ——密度；u——速度。

動量方程：

式中：f——質量力；Su——達西源項，表示空氣與發酵液之間的相互作用力；σ——應力張量，由不可壓縮流體應力張量計算公式計算得出：

式中：P——壓力；τ——偏應力張量；I——單位張量。

能量方程：

式中：cp——定壓熱容；h——導熱系數；T——溫度；Sh——相變釋放熱。

VOF(Volume of Fluid）模型通過求解動量方程并跟蹤整個計算域中不同的流體體積分數來模擬2種或多種不混溶流體[10]。在數值模擬計算的模型中，從里到外依次為發酵液、保溫材料和殼體，該發酵罐體總厚度為118 mm 的外層，包含保溫層和鋼體結構，不銹鋼板厚度為2 mm，保溫層為聚氨酯材料，厚度為114 mm，材料性能如表1 所示。罐體中存在10%的空氣和90%的溶液，并且要模擬出其溫度變化趨勢，所以在數值計算中將采用VOF 多項模型，氣體設為第1 相，液體為第2 相。計算的工作情況：設備車間實際環境溫度低于要求的發酵溫度，發酵發酵罐外環境溫度為25℃，初始溫度為25℃，計算加熱后，分析罐體內發酵液的溫度分布。

表1 材料性能參數Tab.1 Material performance parameters

罐體加熱部分是通過電加熱管加熱導熱油，在控制器中使用PID 控制策略通過可控硅輸出功率給予電加熱管將油溫穩定控制為100 ℃，簡化計算為底部固定100 ℃向罐體加熱。文章通過數值仿真計算，驗證該加熱方式加熱效果是否良好，觀察溫度場分布，以便改善加熱方式。

4 結果與試驗分析

4.1 仿真結果

模擬仿真結果如圖7 所示。從溫度云圖可得：由底部向上加熱的過程，溫度由下向上傳遞，形成梯度。底部局部達到極高的溫度，殺死了酒曲發酵酵母，終止了部分發酵液發酵，影響發酵。而上半部分未產生溫度變化，仍在較低的溫度段，達不到良好的發酵工況。這種情況給靜態液體發酵造成較大控制難度，且要在同一罐體里實現蒸餾功能時，底部發酵物料會糊掉，出酒時有較重糊味，影響了出酒品質。

圖7 溫度分布云圖Fig.7 Cloud map of temperature distribution

體積溫度云圖如圖8 所示。由圖8 可見，溫度集中在罐體下部，上部仍與環境溫度一致，鍋底（加熱部）溫度與上部溫度對比出現較大溫度差。在此工況下，上部發酵速度緩慢，下部溫度過高發酵失效，發酵過程產生雜質升高，影響發酵品質，酒體酸度升高，進而影響米酒品質。

圖8 溫度分布體積云圖Fig.8 Volume cloud diagram of temperature distribution

4.2 現場加熱溫度工況

為驗證加熱傳熱數值模擬與實際情況差異，因加熱區在發酵罐底部，溫度分布形成較明顯的溫度梯度，在發酵罐中布置溫度采集點，分3 層區域采集不同高度的溫度，在每層采集A、B、C 點溫度，分析溫度在各區域的溫度分布，如圖9 所示。

圖9 溫度數據采集點Fig.9 Temperature data acquisition points

在加熱實驗中，測量12 個溫度采集點溫度值，加熱溫度測量數據如表2 所示。由鍋底到3 到1 垂直方向上，溫度由100 ℃逐漸降低到25 ℃，即初始環境溫度在每層A、B、C 形成中性軸對稱分布。底部溫度明顯過高，上部溫度幾乎未發生改變，即熱量未傳入上部，上部發酵液沒有得到加熱，溫度與環境溫度保持一致。

表2 加熱溫度測量Tab.2 Heating temperature measurement

實際測試數據與仿真結果均顯示此加熱方式傳熱效果不佳，熱量由下向上傳遞，熱量集中在下部，下部溫度已超過酵母存活的極限溫度，嚴重影響發酵，酸化了發酵液，可能產生發酵雜質，影響出酒品質。

4.3 優化控溫方法

綜合仿真與實際加熱結果顯示，底部加熱方式存在溫度梯度大的問題，局部溫度存在過高和過低情況。易發生底部溫度高，發酵生物存活率降低，發酵速率驟降，酵解過程中斷等復雜情況，致使發酵物料酸度升高，影響出酒品質，降低產酒量。本文提出2 種改良方案：

方案1：通過底部加熱，利用循環泵經管道將上中下層發酵液在發酵罐腔體里不斷循環，直至各層溫度達到發酵溫度范圍內，停止循環和加熱；當溫度差較大時，開啟循環和加熱，實現腔體實際發酵溫度穩定在設定范圍內。

方案2：需要改動結構，在保溫層與內壁之間設計兩道盤管，溫度過高時利用水泵將冷水在冷卻盤管中循環，即可冷卻發酵液；溫度過低時，在另一道盤管中通入恒溫水或蒸汽加熱內部發酵液。設計成發酵、蒸餾一體的多功能發酵罐。設計結構圖如圖10 所示。

圖10 發酵罐改良結構Fig.10 Improved structure of fermentation tank

方案1 實施過程會干擾靜態發酵過程，帶來發酵液含氧量變高，使發酵液產生酸類物質，且會引起傳感器數值波動，難以控制。方案2 的加熱受熱接觸面更大，加熱接觸面能夠更均勻地分布在發酵液的上中下層，加熱區域更加均勻，減弱發酵液溫度分布梯度大的現象，因此采用方案2。

5 設備試釀造實驗

開機后，運行自動清洗消毒程序，設定釀造過程參數、步驟。啟動自動釀造程序，發酵溫度控制在28～35℃。發酵結束后，通入蒸汽加熱蒸餾，溫度升至85 ℃左右時開始出酒，出酒溫度控制在25℃附近。當接酒罐酒精度顯示為50%vol 時開始接尾酒；出酒酒精度為10%Vol 時停止蒸餾。進行了5 次米酒釀造實驗，實驗結果如表3 所示。

表3 實驗結果Tab.3 Experimental results

第1 次釀造實驗結果出酒率為62%計值，微渾濁。品評結果：米香突出，干凈、無異雜味；第2 次實驗出酒率為78%計值，清澈。品評結果：米香突出，入口柔和，干凈、無異雜味，有突出的禾香味；第3 次實驗出酒率為75%計值，清澈。品評結果：米香突出，入口柔和，干凈、無異雜味，新酒明顯，有突出的禾香味；第4 次實驗出酒率為68%計值，清澈。品評結果：米香突出，干凈、無異雜味，入口柔和，香氣豐富。檢測酸度比實驗1、實驗2、實驗3 偏高；第5 次出酒率為65%，清澈。品評結果：米香突出，醬味較為明顯，入口柔和，香氣豐富。

6 結語

從米酒釀造工藝出發，研究米酒自動釀造裝置，設計裝置控制系統，設備組裝調試后對裝置進行現場驗證，發酵時發酵罐中發酵液體達不到發酵溫度，對其加熱出現在垂直方向上有溫度梯度分布情況，因此對發酵罐加熱時溫度場做仿真分析。將仿真結果與現場試驗數據對比，仿真結果與現場試驗都出現溫度垂直梯度分布情況。針對此情況，對加熱方案進行優化，提出了2 個優化方案，考慮經濟性，遂采用方案2，并優化罐體結構。相比傳統米酒釀造工藝，裝置有如下優點：（1）自動化程度高，可實現無人值守，減少人工作業量和勞動強度；（2）工作效率更高，節省人工鏟糟、運輸發酵物料等時間；（3）相比傳統釀造方式，產酒品質穩定，酒的口感和理化指標優良；（4）儲存酒糟再處理，對環境污染小。

米酒自動釀造裝置顛覆了傳統手工操作模式，節約了人員成本，產品發酵過程中的工藝條件通過數字化控制，使每一批次的產品品質穩定性一致，排放少，污染輕微。