萬 波，涂華彬，劉元棚，牟明月，潘 登，朱 彤

（1.貴州茅臺酒股份有限公司，貴州仁懷564501；2.同濟大學(xué)，上海200092）

醬香型白酒的釀造工藝復(fù)雜，工藝流程包括九 次蒸煮、八次發(fā)酵和七次取酒[1-2]，其中蒸煮過程是制酒的關(guān)鍵步驟之一，主要起到糟醅糊化和餾酒的作用，對于出酒品質(zhì)和出酒產(chǎn)量具有重要影響[3-5]。糟醅的蒸餾取酒過程受蒸汽操作參數(shù)、糊化時間、裝甑技術(shù)、糟醅性狀等多個因素影響[6]。傳統(tǒng)上，在蒸餾取酒生產(chǎn)流程操作中往往依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗性原則。例如對于糧醅的蒸煮糊化程度，通過感官判斷“熟而不爛，內(nèi)無生芯”；對于蒸餾過程的蒸汽量控制，要求“緩汽蒸餾，大汽追尾”；對于裝甑原則，要求“松、輕、準(zhǔn)、薄、勻、平”[7]；對于裝甑方法，要求“見汽壓醅”[8]。這些方法在傳統(tǒng)制酒過程中發(fā)揮了巨大作用，但蒸餾取酒過程中的關(guān)鍵物質(zhì)——飽和蒸汽的用量卻沒有定量的描述。酒師操作中往往用進入地鍋的過熱蒸汽或飽和蒸汽壓力來控制蒸汽用量。然而，這一傳統(tǒng)操作方法缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性。因為不同輪次糟（糧）醅松散程度不同，即孔隙率不同；裝甑高度不同，甑桶直徑不同，且蒸汽管道直徑亦可能不同，這些都將導(dǎo)致相同過熱蒸汽或飽和蒸汽壓力所對應(yīng)的蒸汽流量不同；進而導(dǎo)致不同班組蒸煮餾酒操作無法規(guī)范統(tǒng)一。因此，探索科學(xué)合理、準(zhǔn)確計量通過糟醅的飽和蒸汽流量是變革我國傳統(tǒng)白酒行業(yè)蒸汽操作工藝的關(guān)鍵。

地鍋內(nèi)生成的飽和蒸汽在穿過糟（糧）醅過程中，一方面加熱蒸煮糊化糟（糧）醅，另一方面將發(fā)酵后糟醅中的醇類、酯類、酸類等物質(zhì)提取出來。糟醅上下兩端的壓力差即為蒸汽穿過糟醅的阻力，是反映蒸汽與糟醅相互作用的一個宏觀參數(shù)，與蒸汽流量、糟醅高度、糟醅孔隙率、谷殼拌入量等因素有關(guān)，而目前還未見關(guān)于蒸汽穿過糟醅阻力特性及其影響因素的相關(guān)研究報道。

隨著糊化進程，不同輪次糟（糧）醅的性狀具有較大差異，從下沙、造沙階段幾乎是松散的一粒粒高粱，到第7輪次糟醅的黏稠團塊結(jié)構(gòu)，糟醅的阻力特性發(fā)生了很大的變化。因此，針對不同輪次開展測試分析十分必要。由于醬香型酒的制作是以年為周期的，為了節(jié)省實驗研究時間，分別在生產(chǎn)班組進行了第5輪次糟醅、第7輪次糟醅阻力特性研究和在實驗班組開展蒸糧實驗研究。所謂“蒸糧實驗”是指和實際生產(chǎn)流程保持一致的潤糧、蒸煮、攤晾等過程，但沒有高溫堆積和入窖發(fā)酵流程，連續(xù)進行了5 d實驗，模擬潤糧、下沙、造沙、第1輪次蒸煮和第2輪次蒸煮過程。由于缺少高溫堆積和入窖過程，實際生產(chǎn)流程糟醅的性狀和模擬過程會有差異，但蒸糧實驗可大大縮短實驗周期，糧醅的性狀與實際制酒過程的前期輪次接近，對于了解糟醅內(nèi)蒸汽流動阻力特性具有很好的參考價值。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)備和儀器

糟醅的蒸煮餾酒設(shè)備包括地鍋、甑桶、導(dǎo)出管、冷卻器。甑桶為倒立的錐臺形狀，甑桶底部直徑為1.4 m，甑桶上部直徑為1.6 m，甑桶高度為0.8 m。實驗過程中測試的參數(shù)包括：通入地鍋的蒸汽流量、溫度和壓力，上甑和蒸煮過程中地鍋內(nèi)飽和蒸汽的壓力，上甑糟醅的總質(zhì)量。采用的測量儀器包括：孔板流量計、Pt100熱電阻、擴散硅壓力變送器、test 480壓力表和吊稱。甑桶、地鍋結(jié)構(gòu)和測試系統(tǒng)示意圖見圖1。

1.2 糟醅蒸煮餾酒過程分析

糟醅蒸煮餾酒過程按流程分為3個過程：（1）過熱蒸汽或飽和蒸汽通過盤腸進入地鍋，與地鍋內(nèi)的水進行混合，產(chǎn)生飽和蒸汽；（2）地鍋上部的飽和蒸汽進入甑桶，與糟醅進行傳熱傳質(zhì)，起到餾酒和糊化的作用；（3）提取了糟醅中醇類、酯類、醛類等成分的混合蒸汽在冷卻器中冷凝、流酒。其中，地鍋內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸汽與糟醅（糧醅）直接發(fā)生作用，飽和蒸汽流量直接影響蒸煮餾酒的效果。然而，無法直接測量飽和蒸汽流量，為此，本文首先對飽和蒸汽流量的計量問題展開了研究。

1.2.1 飽和蒸汽量計算

由于地鍋采取了保溫措施，且比表面積較小，忽略地鍋壁面向周圍土壤的散熱。以地鍋內(nèi)飽和水為對象，應(yīng)用熱力學(xué)理論，建立能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，如式（1）和式（2）所示。通過簡單推導(dǎo)可得到產(chǎn)生的飽和蒸汽量與過熱蒸汽量之間的關(guān)系，見式（3）。

圖1 實驗設(shè)備和測試系統(tǒng)示意圖

式中，h0表示地鍋內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸汽的比焓（是溫度或壓力的函數(shù)），kJ/kg；h1表示通入地鍋內(nèi)的過熱蒸汽比焓（是溫度、壓力的函數(shù)），kJ/kg；h2表示地鍋內(nèi)飽和水的比焓（是溫度或壓力的函數(shù)），kJ/kg；?0表示地鍋內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；?1表示通入地鍋內(nèi)的過熱蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；?2表示地鍋內(nèi)飽和水蒸發(fā)質(zhì)量流量，kg/s。

這樣，根據(jù)安裝在過熱蒸汽管道上的孔板流量計、溫度傳感器和壓力傳感器，就可以獲得?1和h1值；而根據(jù)地鍋內(nèi)飽和水的溫度就可以確定飽和水蒸氣的比焓h0和飽和水的比焓h2。相比傳統(tǒng)僅在蒸汽管道上安裝壓力表，增加了孔板流量計和溫度計，盡管生產(chǎn)投入增加，但可以準(zhǔn)確計量飽和蒸汽量，為規(guī)范統(tǒng)一蒸汽參數(shù)的操作奠定了基礎(chǔ)，為整理分析我國傳統(tǒng)白酒行業(yè)科學(xué)、規(guī)范的蒸汽操作參數(shù)提供了準(zhǔn)確計量方法。

1.2.2 單位質(zhì)量糟醅阻力系數(shù)計算

在甑桶幾何參數(shù)確定的情況下，糟醅下部和上部空間的壓力差值與通過糟醅的蒸汽平均流速、蒸汽密度有關(guān)。根據(jù)流動阻力計算公式，上述差值滿足關(guān)系式（4）：

式中，P1表示地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力（表壓），Pa；P2表示糟醅上表面蒸汽壓力（表壓），Pa；ζ表示糟醅內(nèi)蒸汽流動局部阻力系數(shù)，與糟醅的質(zhì)量、孔隙率、厚度和甑桶形狀等因素有關(guān)；u表示甑桶入口飽和蒸汽流速，m/s；ρ表示甑桶入口飽和蒸汽密度，kg/m3。

糟醅上部蒸汽壓力等于蒸汽經(jīng)過導(dǎo)氣管、冷卻器的阻力，由于蒸汽在冷卻器中冷凝，故冷卻器具有一定的抽吸能力，因此糟醅上部的蒸汽壓力值較小，接近大氣壓力，相對于地鍋內(nèi)蒸汽壓力可忽略，這樣，式（4）可簡化為式（5）。

即地鍋和甑桶幾何形狀一定時，地鍋內(nèi)部的蒸汽壓力主要由蒸汽流速、糟醅（糧醅）阻力系數(shù)決定。

由于不同實驗工況下甑桶內(nèi)糟醅質(zhì)量不完全相同，直接影響了糟醅在甑桶內(nèi)的高度，也影響甑桶內(nèi)糟醅的孔隙率。假設(shè)甑桶內(nèi)糟醅的孔隙率分布均勻，可采用單位質(zhì)量糟醅的阻力系數(shù)與地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力關(guān)系，來反映不同工況下糟醅的孔隙率，見式（6）。

式中，A表示甑桶下底面面積，m2；m表示上甑糟醅質(zhì)量，kg；其他符號含義同上。實際上，上甑的糟醅質(zhì)量與蒸煮餾酒過程中的糟醅質(zhì)量不相等，這里統(tǒng)一采用上甑糟醅質(zhì)量作為計算基準(zhǔn)，以便對不同工況進行對比分析。后續(xù)分析均以1000 kg糟醅作為基準(zhǔn)。注意：ζ和ζ1的單位不一樣，前者為無因次量，后者則為1/(m2·kg)。

1.3 實驗工況

實驗中通過閥門控制地鍋入口的過熱蒸汽流量，由孔板流量計、溫度傳感器和壓力表等示值，通過式（3）計算得到地鍋內(nèi)實際產(chǎn)生的飽和蒸汽流量。第5輪次設(shè)置了4組對照實驗工況，第7輪次設(shè)置6組對照實驗工況，蒸糧實驗中，每輪次設(shè)置3組對照實驗工況。

2 結(jié)果與分析

2.1 從上甑到蒸煮結(jié)束地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力隨時間的變化

在生產(chǎn)班組的蒸煮實驗過程中，蒸煮時間依據(jù)各工況的出酒情況進行了調(diào)整，為了便于不同工況之間的比較，將時間無量綱化。當(dāng)前采樣時刻與蒸煮整個過程的總時間的比值即為無量綱時間。

第5輪次、第7輪次糟醅從上甑開始到蒸煮結(jié)束開甑桶蓋過程中，地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力隨時間變化見圖2、圖3。上甑剛開始階段，甑桶內(nèi)的糟醅量較少，同時糟醅的溫度較低，飽和蒸汽在糟醅內(nèi)冷凝，導(dǎo)致地鍋內(nèi)的壓力較低，壓力與大氣壓力接近或為微負(fù)壓狀態(tài)；隨著裝甑的進行，甑桶內(nèi)的糟醅量增加，地鍋內(nèi)的飽和蒸汽壓力逐漸增加；上甑結(jié)束蓋上甑桶蓋后的糊化階段，地鍋內(nèi)的飽和蒸汽壓力相對穩(wěn)定，受蒸汽管道蒸汽壓力波動，地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力亦會有波動。

2.2 糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力與飽和蒸汽流量之間的關(guān)系

通過數(shù)據(jù)整理分析，得到了不同輪次糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力與飽和蒸汽流量的關(guān)系，第5輪次和第7輪次糟醅糊化過程地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力與飽和蒸汽流量關(guān)系分別見圖4和圖5。兩個輪次糟醅在糊化階段，地鍋內(nèi)的飽和蒸汽平均壓力隨飽和蒸汽流量的增加而增加。第5輪次糟醅，飽和蒸汽平均流量由2.007 kg/min增加到2.363 kg/min，糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力由50.96 hPa增加到57.25 hPa；第7輪次糟醅，糊化階段飽和蒸汽平均流量由1.753 kg/min增加到2.816 kg/min，地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力由40.44 hPa增加到56.02 hPa。

圖2 第5輪次糟醅不同工況下地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力隨時間變化

圖3 第7輪次糟醅不同工況下地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力隨時間變化

圖4 第5輪次糟醅糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力與飽和蒸汽量關(guān)系

圖5 第7輪次糟醅糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力與飽和蒸汽量關(guān)系

蒸糧實驗各輪次糧醅糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力與飽和蒸汽平均流量關(guān)系見圖6，均呈現(xiàn)隨著飽和蒸汽流量增加，地鍋內(nèi)蒸汽壓力上升。不過，隨著輪次推進（從下沙—造沙—第1輪次—第2輪次），在糊化階段飽和蒸汽平均流量接近的條件下，地鍋內(nèi)飽和蒸汽的壓力逐漸升高。對于3組飽和蒸汽流量接近的對應(yīng)工況，第2輪次糟醅相對于下沙糧醅，地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力分別升高12.04倍、6.76倍和8.7倍。這是由于下沙、造沙蒸煮過程中，糧醅仍然以剛剛破皮的高粱粒為主，呈現(xiàn)松散的顆粒狀。而隨著反復(fù)蒸煮糊化，糧醅的破皮率顯著提高，高粱粒表面裹覆一些淀粉類物質(zhì)，使得部分顆粒團聚在一起，因而蒸汽穿行的阻力增加較多。

2.3 糊化階段糟醅的阻力系數(shù)與飽和蒸汽量的關(guān)系

聯(lián)合各輪次糟醅測試得到的飽和蒸汽平均流量、地鍋內(nèi)飽和蒸汽的平均壓力，根據(jù)式（6）可計算得到各輪次糟醅糊化階段單位重量的平均阻力系數(shù)。第5輪次、第7輪次、蒸糧實驗各輪次糟醅糊化階段單位重量的平均阻力系數(shù)隨飽和蒸汽平均流量的變化見圖7—圖9。第5輪次糟醅、第7輪次糟醅和蒸糧實驗第2輪次糟醅的單位質(zhì)量糟醅阻力系數(shù)均隨飽和蒸汽流量的增加而降低。蒸糧實驗其他輪次糟醅單位質(zhì)量糟醅的阻力系數(shù)隨飽和蒸汽量的增加有降低趨勢。

單位質(zhì)量糟醅的阻力系數(shù)主要與糟醅的孔隙率即糟醅的疏松程度相關(guān)，實驗測試結(jié)果表明，單位重量糟醅的阻力系數(shù)與飽和蒸汽流量具有負(fù)相關(guān)的關(guān)系，說明在實驗工況范圍內(nèi)，飽和蒸汽在糟醅內(nèi)部流動中對糟醅的“托舉”作用不可忽略，直接影響糟醅的疏松程度，飽和蒸汽流量越大，蒸汽對糟醅的“托舉”作用越大，糟醅孔隙率越高，阻力系數(shù)越小。蒸糧實驗中，飽和蒸汽流量接近時，不同輪次糟醅的單位質(zhì)量糟醅的阻力系數(shù)隨輪次的推進而升高，使得地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力升高。這是因為隨著輪次的推進，糟醅團聚效應(yīng)逐步增加，孔隙率相對減少所致。

圖6 蒸糧實驗不同輪次地鍋飽和蒸汽壓力與飽和蒸汽平均流量關(guān)系

圖7 第5輪次糟醅單位質(zhì)量阻力系數(shù)與飽和蒸汽流量關(guān)系

3 結(jié)論

圖8 第7輪次糟醅單位質(zhì)量阻力系數(shù)與飽和蒸汽流量關(guān)系

圖9 蒸糧實驗不同輪次糟醅單位質(zhì)量阻力系數(shù)與飽和蒸汽流量關(guān)系

應(yīng)用熱力學(xué)理論知識，推導(dǎo)得到了地鍋產(chǎn)飽和蒸汽流量的計算方法。實驗測試了生產(chǎn)班組的第5輪次、第7輪次糟醅和蒸糧模擬實驗的4個輪次的飽和蒸汽流量與地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力，分析了糟醅的阻力特性與飽和蒸汽流量之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

（1）在蒸汽管道上安裝孔板流量計、溫度傳感器、壓力傳感器，根據(jù)本文推導(dǎo)得到的飽和蒸汽流量計算公式，可以獲得準(zhǔn)確的地鍋產(chǎn)飽和蒸汽流量，為科學(xué)、規(guī)范蒸汽操作參數(shù)提供了依據(jù)，改變了傳統(tǒng)白酒行業(yè)以蒸汽壓力值反映蒸汽量的操作模式。

（2）對于醬香型白酒不同輪次糟（糧）醅來說，其松散程度不同，隨著蒸煮糊化進程的不斷深入，糟（糧）醅由下沙階段的一粒粒松散狀，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轲こ淼膱F聚狀；在相同飽和蒸汽流量下，地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力由幾百Pa增加到5500多Pa，阻力系數(shù)亦不斷提高。

（3）在同一輪次，隨著飽和蒸汽流量增加，飽和蒸汽對糟醅的“托舉”作用不斷增加，即糟醅的孔隙率不斷增大，地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力上升，但阻力系數(shù)逐步減小。

上述糟醅的阻力特性研究成果為后續(xù)開展蒸汽與糟醅的傳熱傳質(zhì)研究提供了基礎(chǔ)，為科學(xué)、規(guī)范、統(tǒng)一蒸汽操作提供了計量方法，對提高蒸煮餾酒的品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要的意義。