啤酒发酵靶向控温研究张松宇杨文斌徐彬摘要：针对啤酒发酵温度控制系统具有非线性、强耦合和滞后性的特征，运用传统控制方法不能实现啤酒发酵温度精确控制的问题。关注发酵液的动态特性，将发酵罐视为整体，引入靶向控温策略，寻找到靶向控温点，实现对温度的靶向控制，减少了冷媒消耗，保证了啤酒质量。关键词：靶向控温点;动态特性;发酵DOI：10.16640/jki.37-1222/t.2019.05.0410引言在啤酒生产中，温度控制是发酵生产过程中极其重要的一个环节，它的好坏直接影响了啤酒的风味、口感等重要产品指标。目前，国内啤酒工厂发酵一般在锥形罐中进行，锥形罐上部为柱形，下部为锥形。这种形状便于在底部收集酵母，能够使酵母顺利完整的从底部排除分离，且便于CIP清洗。锥形罐的体积一般在100m?—500m?，一个发酵罐里盛放的就是几百吨酒，要对体积如此大的发酵罐进行控温，难度可想而知，且发酵液在发酵阶段会产生热量，而控温则是要排除发酵时产生的热量，使发酵在预定的温度下进行。传统的控温方法将发酵液在自身发酵过程和控温过程中看做是一罐静止不动的液体，忽略了发酵罐内部酒液的循环，从而造成了温度控制效果不佳，浪费冷媒，造成极大的能源浪费。如果能在啤酒发酵的各个阶段，详细研究发酵罐内酒液的动态循环特性，再结合经典的温度控制方法，那么就会极大地缩短发酵过程，提高生产效率和节约能源。所以本文关注酒液的动态特性，寻找到发酵罐的靶向控温点，实现对温度的靶向控制。1发酵罐构造本文以400m?发酵罐为例说明发酵罐的机械结构。该锥形罐高21米，直径6.8米，四段冷带，每段冷带为缠绕数周在罐壁上的夹套。每一段冷带设置一个测温点，测温点分别为锥温、下温、中温、上温，测温铂电阻采用PT100，精度等级为A级。同时对应安装TIC01、TIC01、TIC03、TIC04四个温度智能变送器和EV01、EV02、EV03、EV04四个冷媒电磁阀进行精细调节。冷媒介质为酒精水，温度在-3至-6℃，冷媒通过罐壁的夹套流动来实现对罐内发酵液的冷却。发酵罐温度控制示意图及外观见图1。2发酵液的动态特性冷麦汁在进入发酵罐之前，会添加酵母用于发酵分解麦汁中的糖分，从而得到酒精和副产物CO2。这一过程伴随产生大量的热量。所以，在发酵初期，发酵液的动态特性主要受酵母代谢影响，酵母剧烈代谢，产生大量CO2气体上升，带动发酵液会出现沸腾一样的景象。伴随着糖分减少，酵母分解糖的生化反应结束，冷媒对发酵液的动态特性成为主要影响因素。一个物理常识，水在4℃时，密度最大，同理发酵液也有这个特性，发酵液在2.5℃左右时，密度最大，在靠近罐壁的发酵液在冷媒作用下，温度偏低，而处在中间区域的发酵液温度较高，这种由内而外的温差，就形成了发酵液运动的动力，靠近罐壁的发酵液由于温度低、密度高向下运动，而中间区域的发酵液由于温度高、密度小，向上运动。3靶向控温点及控温策略研究根据发酵液在不同阶段动态特性不同，下面分步探讨如何在不同阶段，利用其动态特性来辅助控温。目前国内发酵采用的主流工艺为两罐法工藝，即将发酵阶段分为前酵和后酵，前酵为主发酵阶段，后酵为低温贮酒阶段。前酵又细化为自由升温阶段、主发酵阶段、升温段、双乙酰还原阶段和高温降温阶段。自然升温阶段通过酵母分解糖产生热量，使发酵液温度从8℃升温到10℃左右，使酵母活性达到最大，接下来进入到了主发酵阶段和双乙酰还原阶段，这两个阶段的温度控制在10-12℃。该阶段内酵母活性强，糖分足够，酵母代谢非常强烈，产生大量CO2气体，同时还需要开冷媒排除热量，使温度维持在10-12℃之间，此时发酵液在冷媒和CO2气体双重作用下形成一个大循环，这种循环极大的促进了热交换的进度，如果能合理的利用这种动态特性，会有效降低发酵时间，提高生产效率。循环示意图见图2。温度低、密度大的罐壁附近的发酵液沿罐壁由上向下运动。此时，发酵罐上冷带的冷量除了对本段的发酵液有冷却作用，同时由于发酵液向下运动，冷却作用还会影响到中段发酵液。同理，发酵罐中冷带的冷量同样也会对下段发酵液有作用。此时如果再开启下段和锥段冷媒，根据流体力学原理，此时会造成底部发酵液温度过低，抑制了发酵液上升的动力，...