趙 麒

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000）

啤酒在人類發(fā)展歷史上有著不可替代的地位，是消耗量最多的飲料，因其飽含麥芽糖，還被稱為“液體面包”。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，啤酒市場(chǎng)贏得了自二十世紀(jì)傳入以來(lái)最受歡迎的時(shí)期，徹底打破了白酒市場(chǎng)在我國(guó)的壟斷地位。隨著啤酒市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，啤酒產(chǎn)量的激增，消費(fèi)者對(duì)啤酒的品質(zhì)要求越來(lái)越高。

啤酒的主要原料包括大麥芽、酒花和水，經(jīng)過(guò)糖化、發(fā)酵最終釀制而成，有麥芽、酒花、水和酵母相互融合后產(chǎn)生的，含有有益于人體健康的其中氨基酸，即便低濃度，也是口味豐滿、爽口舒適。啤酒的發(fā)酵是在相對(duì)密閉的空間中開(kāi)展的，是微生物菌體進(jìn)行新陳代謝的過(guò)程，對(duì)啤酒整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程起著重要的作用。任何產(chǎn)品的品質(zhì)不止來(lái)源于其原料，生產(chǎn)的過(guò)程控制也是至關(guān)重要的。隨著生產(chǎn)工藝的提高，舊的啤酒生產(chǎn)工藝逐漸面臨淘汰，生產(chǎn)企業(yè)為了降低生產(chǎn)本，提高經(jīng)濟(jì)效益，相繼采用現(xiàn)代化系統(tǒng)控制生產(chǎn)過(guò)程。在此過(guò)程中，可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)以其控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸脫穎而出。在啤酒灌裝過(guò)程中，采用PLC控制系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)酵工藝，減低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效益。

1 啤酒發(fā)酵的主要工藝

啤酒發(fā)酵有兩個(gè)主要的過(guò)程，分為主酵和后酵，發(fā)酵罐是整個(gè)發(fā)酵過(guò)程的主體。

（1）主酵階段。主發(fā)酵是由麥汁接種酵母，然后在發(fā)酵罐中開(kāi)始發(fā)酵。發(fā)酵罐內(nèi)的溫度會(huì)逐漸升高，這是受到了大量熱量的影響，這些熱量是在酶的作用下分解淀粉釋放而出的。隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，酵母會(huì)逐漸發(fā)生沉淀，此時(shí)溫度上升的速度也會(huì)變慢，我們需要密封發(fā)酵罐，讓其在罐體內(nèi)自然發(fā)酵。

（2）后酵階段。主酵完成之后是后酵階段，此階段會(huì)發(fā)生降溫過(guò)程。雙乙肽還原發(fā)生在罐內(nèi)溫度5℃左右的時(shí)候。與此同時(shí)，糖類發(fā)酵仍然需要繼續(xù)進(jìn)行，是為了達(dá)到更好的降低氧的含量，更好地讓蛋白質(zhì)得到沉淀。

罐內(nèi)溫度從5℃降到-1℃左右需要以0.150C/h的下降速率，并且持續(xù)整個(gè)降溫過(guò)程。發(fā)酵罐中含有多種不同德物質(zhì)，這些物質(zhì)在發(fā)酵過(guò)程中的轉(zhuǎn)發(fā)還會(huì)受到其他因素的影響，其中壓力和溫度是兩個(gè)主要的因素，他們對(duì)啤酒產(chǎn)品的影響是至關(guān)重要的。對(duì)于壓力而言，它的增強(qiáng)能夠增加啤酒中二氧化碳的溶解量，同時(shí)，啤酒內(nèi)其他生成物也受壓力增強(qiáng)而減少。對(duì)于溫度而言，發(fā)酵在高溫下進(jìn)行，能夠快速提高發(fā)酵速度，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率；相反，低溫下進(jìn)行發(fā)酵就會(huì)延長(zhǎng)啤酒成品的時(shí)間，但會(huì)減少產(chǎn)生其他代謝物質(zhì)的含量，口感提升。

（3）啤酒的發(fā)酵過(guò)程控制回路。啤酒發(fā)酵的溫度控制就是利用冷媒介質(zhì)對(duì)罐內(nèi)溫度進(jìn)行按工藝要求的分段控制。根據(jù)啤酒發(fā)酵的工藝要求，當(dāng)儀表檢測(cè)到啤酒的發(fā)酵溫度高于工藝要求的溫度時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，打開(kāi)氣動(dòng)閥輸送冷媒，通過(guò)啤酒罐罐壁的冷帶給啤酒降溫；當(dāng)發(fā)酵溫度低于工藝要求的溫度時(shí)，關(guān)閉冷媒，則啤酒按工藝要求繼續(xù)發(fā)酵，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程大約20多天完成。

2 啤酒發(fā)酵過(guò)程的溫度控制

不可否認(rèn)，啤酒整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程影響較大的兩個(gè)因素就是溫度和壓力。為了能夠很好地控制發(fā)酵溫度，需要將發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的熱量盡可能去除，一般是在管壁夾套內(nèi)注入液氨和冷酒精水，讓它們對(duì)熱量進(jìn)行充分的吸收。如此，控制好發(fā)酵過(guò)程中的溫度，來(lái)確保啤酒的最終品質(zhì)。

前面提到啤酒發(fā)酵的主要工藝，分為主發(fā)酵階段和后發(fā)酵階段，這兩個(gè)階段，對(duì)溫度都有著嚴(yán)格的要求。

（1）主發(fā)酵階段：這個(gè)階段的溫度控制主要以發(fā)酵罐的上部為主，使發(fā)酵罐上下部分溫差維持在0.5～1.0℃之間，這樣能夠罐內(nèi)上下部分發(fā)酵物保持很好的對(duì)流，從而使發(fā)酵更加充分，而溫差的控制是通過(guò)操控罐內(nèi)冷媒物的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

（2）后發(fā)酵階段：區(qū)別于主發(fā)酵階段，后發(fā)酵階段的溫度控制主要以發(fā)酵罐的下部為主，此時(shí)，為了能夠使得酵母實(shí)現(xiàn)最佳沉降，罐內(nèi)溫度需要上部高于下部。在后發(fā)酵階段，一定要控制好溫度下降的速度，在開(kāi)始和結(jié)束階段，有必要冷卻冰水，降溫過(guò)程要均勻、緩慢進(jìn)行。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）PLC控制系統(tǒng)方案。可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)以其控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在啤酒灌裝過(guò)程中普及?？紤]到不同企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、發(fā)展?fàn)顟B(tài)等的不同，按照啤酒發(fā)酵工藝的控制需求，對(duì)PLC控制系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。PLC控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

（2）程序流程設(shè)計(jì)。啤酒發(fā)酵過(guò)程中溫度的控制是通過(guò)不斷改變發(fā)酵罐內(nèi)上、中、下三部分的溫度，從而出現(xiàn)溫度差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，PLC的主要作用是能夠在啤酒發(fā)酵溫度控制過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)各個(gè)部分的溫度。啤酒的發(fā)酵工藝溫度控制不同階段不同，是呈現(xiàn)一定曲線規(guī)律的，通過(guò)PID能夠使罐內(nèi)溫度與該曲線保持一致，同時(shí)生產(chǎn)工藝所要求的壓力也能通過(guò)對(duì)排氣閥的控制得以實(shí)現(xiàn)。之所以采用PID控制啤酒發(fā)酵過(guò)程中的溫度，是因?yàn)槠【瓢l(fā)酵的過(guò)程存在時(shí)間滯后、非線性等特征，簡(jiǎn)單的控制算法經(jīng)過(guò)實(shí)踐過(guò)程發(fā)現(xiàn)并不適合。

4 PLC在啤酒生產(chǎn)中的應(yīng)用

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，它的出現(xiàn)是順應(yīng)了工業(yè)環(huán)境的發(fā)展要求。它采用的存儲(chǔ)器是能夠自由編程的，通過(guò)數(shù)字或者進(jìn)行模擬，從而輸入輸出各種操作指令，包括邏輯運(yùn)算、時(shí)間的定制、算數(shù)的計(jì)算等，最后達(dá)到控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程的目的。PLC系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)原則，是要遵循與工業(yè)控制系統(tǒng)合二為一的整體性原則，以及能夠擴(kuò)充工業(yè)控制系統(tǒng)本身功能的原則。

（1）PLC在原料粉碎過(guò)程中的應(yīng)用。啤酒生產(chǎn)過(guò)程中的首個(gè)程序是對(duì)原料進(jìn)行粉碎，此過(guò)程對(duì)系統(tǒng)的要求相對(duì)嚴(yán)格，因?yàn)槠渖a(chǎn)工藝比較復(fù)雜。有研究發(fā)現(xiàn)，采用三級(jí)總線上位機(jī)、下位機(jī)形式的控制系統(tǒng)具有操作方便、可靠性高、靈活性好、便于優(yōu)化生產(chǎn)和控制等優(yōu)點(diǎn)。為使硬件與控制程序具有較好的兼容性，盡量減少軟硬件沖突，采用操作簡(jiǎn)便、功能完備的STEP7組態(tài)工具作為控制程序編制平臺(tái)，并利用 STL語(yǔ)言進(jìn)行程序編制。

（2）PLC在糖化過(guò)程中的應(yīng)用。糖化過(guò)程是啤酒釀制過(guò)程中一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)變化過(guò)程，麥汁中可發(fā)酵糖的含量足夠多時(shí)，才能保證啤酒成品能夠達(dá)到一定的發(fā)酵度，這是物質(zhì)上最基本的保證。影響麥汁組成的因素是多種多樣的，其中，糖化濕度、pH值的調(diào)整，直接到α-淀粉酶、β-淀粉酶的活性都是重要的組成因素。發(fā)酵罐在分段升溫的時(shí)候，糖化過(guò)程會(huì)為各種酶提供最佳作用濕度條件，同時(shí)有效改善啤酒色澤和口味。PLC控制系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)、模擬控制屏、采集單元及輸出控制單元構(gòu)成。PLC安裝在模擬控制屏后，操作員在啤酒發(fā)酵進(jìn)行之前，按照相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。糖化過(guò)程中可能某些特殊工藝需要操作員手動(dòng)配合完成，對(duì)于這種類型的工藝，由操作員在上位或模擬控制中進(jìn)行。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，PLC根據(jù)設(shè)定的工藝曲線，自動(dòng)完成進(jìn)料、糊化、糖化、過(guò)濾、煮沸、沉淀、冷卻等各個(gè)環(huán)節(jié)的操作。投產(chǎn)以來(lái)，產(chǎn)品品質(zhì)良好，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

（3）PLC在發(fā)酵溫度控制中的應(yīng)用。在受到酵母的干預(yù)下，啤酒在發(fā)酵過(guò)程中，對(duì)麥汁的部分組成能夠產(chǎn)生代謝，麥汁風(fēng)味經(jīng)過(guò)一系列變化會(huì)產(chǎn)生啤酒風(fēng)味，這即是啤酒發(fā)酵的整個(gè)過(guò)程。啤酒發(fā)酵過(guò)程中的主體發(fā)酵罐在此期間會(huì)釋放出大量的熱量，總體是一個(gè)熱反應(yīng)的經(jīng)過(guò)，這是啤酒生產(chǎn)工藝流程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。PLC發(fā)酵控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為依托，采用PID計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)程序的自我調(diào)節(jié)與指令的自然完成，從而使得整個(gè)發(fā)酵過(guò)程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化。而且，PLC系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單性與可操作性，穩(wěn)定性能較強(qiáng)。

（4）PLC在灌裝及包裝過(guò)程中的應(yīng)用。啤酒在灌裝過(guò)程中，其壓蓋自動(dòng)控制系統(tǒng)是由多個(gè)部分組成的，包括溫度、壓力等過(guò)程量的調(diào)節(jié)，灌裝閥門(mén)的開(kāi)啟、灌裝過(guò)程中損壞部分等。PLC系統(tǒng)能夠在整個(gè)灌裝過(guò)程中，對(duì)灌裝工藝各個(gè)組成要素進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)控，并作出調(diào)整，壓力、溫度等均包括在內(nèi)。PLC會(huì)將采集的相關(guān)信息向上傳輸給上位機(jī)，然后上位機(jī)會(huì)回傳相應(yīng)指令，PLC根據(jù)回傳指令做出反應(yīng)。通過(guò)大量啤酒灌裝過(guò)程控制證明PLC系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集反饋等方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

PLC系統(tǒng)之所以在啤酒發(fā)酵過(guò)程的溫度控制中能夠起著如此重要的作用，源于PLC系統(tǒng)本身所具有的抗干擾能力，尤其在環(huán)境非常差的條件下，而且，PLC較小的體積，靈活簡(jiǎn)單的編程，在不需要變動(dòng)硬件的情況下就能夠通過(guò)改變自身程序來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的變化，第三源于其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，可靠的數(shù)據(jù)采集能力，這是其他系統(tǒng)所不具備的。PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)市場(chǎng)是一個(gè)重大的補(bǔ)充，其相關(guān)的技術(shù)研究具有重要的參考價(jià)值。