陳欽明
(百特(福建)智能裝備科技有限公司技術研發(fā)中心,福建 福州 350008)
白酒生產行業(yè)中釀酒生產目前自動化水平較低,大部分還是人工生產,少數(shù)企業(yè)做到半自動。目前存在工藝難于匹配(比如降溫不均勻或波動太大)、機械造成的酒糟料性破壞(比如目前常用的棍狀打散容易造成酒糟骨力降低)、酒體質量下降等因素,影響自動化的實施。隨著白酒行業(yè)產業(yè)升級的需要,以及質量穩(wěn)定管理、技藝傳承的需求,釀酒自動化已經成為白酒行業(yè)急需攻克的課題。本文針對釀酒中的攤晾環(huán)節(jié),研究開發(fā)了一種酒糟自動化攤晾設備。
酒糟經過蒸餾取酒后,需加曲回窖重新發(fā)酵。在加曲之前需要把酒糟溫度由完全蒸透的100℃降到20~30℃。具體溫度根據(jù)酒糟種類不同而定。該降溫過程主要采用物理降溫,即通過風機把常溫空氣穿插過酒糟,酒糟與氣流做熱量交換,熱量由溫度較高的酒糟傳遞給常溫的空氣,最終達到把酒糟溫度降到釀酒工藝要求的溫度。
目前人工攤晾主要是采用把酒糟攤鋪在竹箅床上,強制通風進行降溫,過程中人工適當翻拌酒糟,使酒糟降溫比較均勻。
在攤晾過程中有如下工藝要點:
①整體酒糟降溫均勻,降溫結束后整體酒糟溫差需控制在2℃以內。
②降溫速度適當,不能急速降溫,否則容易造成酒糟結坨。酒糟結坨后內外溫差會相差較大,同時對后道加曲工序也會存在拌料不均勻問題。
③酒糟降溫后的溫度需能準確控制在工藝要求范圍內,比如糧糟需控制在20℃,誤差不能超過±2℃。
④翻拌酒糟時,需輕柔,不能有明顯的擠壓、摔打。對糟料擠壓和摔打會影響物料松軟料性,影響發(fā)酵效果,釀出的酒體也會受影響。
⑤酒糟出甑打量水燜糧后,需以最快的速度攤晾。熱的酒糟堆積在一起容易造成燜糧過度,使酒糟過于糊爛,骨力下降,也會影響發(fā)酵效果。
在開發(fā)自動攤晾設備時,除了需要滿足上述5個工藝要求,還需考慮連續(xù)送料、前后段工藝的輸送銜接等。當然所用器具也需滿足食品生產衛(wèi)生要求。
本設備采用不銹鋼輸送鏈板為主體結構,配備風箱、導風板、風機冷卻系統(tǒng),多組柔性翻料機構,多組溫度感應器組成的溫控系統(tǒng),自動清洗機構,以及整體電控系統(tǒng),詳見圖1。
圖1 自動攤晾機簡圖
通過特定設備把酒糟輸送到攤晾鏈板的入口端,并按一定的厚度鋪灑在鏈板上方。鏈板按一定的速度向前輸送。鏈板輸送過程中,通過風機系統(tǒng),從鏈板下方自下向上吹空氣,空氣通過鏈板上的孔穿過酒糟,與酒糟進行熱交換,從而使酒糟溫度逐漸降低至工藝要求的溫度。在輸送過程中,通過多組翻料機構翻拌酒糟,把上下層酒糟交換位置以及使酒糟更疏松,最終達到酒糟整體均勻降溫。圖2為自動攤晾機酒糟降溫原理圖。
圖2 酒糟降溫原理圖
鏈板機構主要用來輸送酒糟,采用鏈板型式可以實現(xiàn)循環(huán)輸送。在鏈板上均勻設置出一定直徑的孔,用來流通空氣,以便對酒糟進行強制風冷。通風孔的數(shù)量是影響通風效率的一個因素,開孔面積與鏈板面積比值為開孔率。開孔率越大,通風效果越好,但漏料也會越多。需要根據(jù)實際酒糟和工藝要求設定開孔率。鏈板基本結構見圖3。
圖3 鏈板主要功能結構
風機系統(tǒng)主要用來給酒糟吹風強制降溫。該系統(tǒng)包含若干個單元,每個單元主要包含風機、風箱、導風板這三個組件??筛鶕?jù)實際降溫要求組合使用多個風機單元,并對所有單元的風量進行陣列控制,使酒糟溫度最終滿足工藝參數(shù)要求。在某些苛刻條件下,也可對風機增加冷風系統(tǒng),加強降溫效率。導風板的型式也會影響氣流狀態(tài)和效率,目前已經有設計試驗過3種,可應用在不同場合。圖4為單個風機系統(tǒng)單元的基本工作原理,常溫空氣經由離心風機吹入風箱內,氣流在風箱內被導風板分隔成三個區(qū)域,并把風向改為向上吹,氣流通過鏈板通風孔穿過酒糟。
圖4 風機系統(tǒng)工作原理
翻料機構的作用是翻拌酒糟,把下層翻到上層,上層酒糟翻到下層,使酒糟降溫更為均勻。同時翻料機構還有整平和疏松酒糟的作用,目的也是使降溫更為均勻。翻料機構主要包含翻料葉片組、翻料主軸、驅動電機。通過調節(jié)電機速度,調整翻料機構的翻拌速度。對于釀酒工藝而言,翻料機構需做到柔性翻拌,不鈍擊、不擠壓。圖5為一種柔性翻料機構,創(chuàng)造性采用類似鐵鍬的鏟料方式,銳口插入酒糟,并輕輕揚起翻拌,大大減輕對酒糟的破壞。目前已經發(fā)明3種翻料機構,均能很好地實現(xiàn)柔性翻拌,并根據(jù)不同的細節(jié)功能應用在多個場合。
圖5 翻料機構
在攤晾機的入口、出口以及每組翻料機構后各設置一組溫度傳感器,用于檢測各個位置點的酒糟溫度。每一組溫度傳感器由5個溫度傳感器組成,一字排開,其中3個采用接觸式溫度傳感器(如熱電阻式),插入酒糟內部檢測。2個采用非接觸式溫度傳感器(如紅外測溫)測量酒糟表面溫度。這種多點測量方式可以實時監(jiān)測攤晾過程中不同階段的酒糟溫度,以便控制系統(tǒng)對風機系統(tǒng)和翻料機構進行調節(jié)處理。
控制系統(tǒng)主要采用PLC控制方式和工控機數(shù)據(jù)分析處理,包含現(xiàn)場層信息采集感應器(如溫度感應器、環(huán)境濕度感應器、風箱風速感應器等)、設備驅動單元(如鏈板電機調速變頻器、翻晾電機調試變頻器、風機風量調節(jié)變頻器等)、控制層PLC和人機界面、以及數(shù)據(jù)儲存分析工控機。
PLC采集各類設備參數(shù)和根據(jù)工藝要求控制設備運行,操作人員可通過人機界面對工藝參數(shù)和運行參數(shù)進行調節(jié)設置。PLC把各類參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至工控機,工控機軟件進行數(shù)據(jù)存儲分析,存儲大量的運行參數(shù)后即可進行大數(shù)據(jù)分析,固化各種環(huán)境溫度和不同類酒糟的經驗運行參數(shù),并在生產中自動調用參數(shù)和在線微調,做到智能化生產。
在攤晾過程中會涉及如下設備參數(shù):鏈板的輸送速度、鏈板開孔率、風機系統(tǒng)的風量大小和分布、翻料機構的翻轉速度。這些參數(shù)互相關聯(lián),會影響最終的攤晾溫度。
鏈板的輸送速度:試驗攤晾機設計的鏈板輸送速度范圍為35~175 mm/s,經初步測試,能保障較好酒糟厚度的速度范圍為35~52.5 mm/s,因此選取此范圍內做聯(lián)動試驗。
鏈板開孔率:因為加工工藝限制,鏈板通孔間隙不能小于2 mm。在此條件下,根據(jù)設計驗證,鏈板通孔尺寸越小最大開孔率不會增加。比如通孔直徑3 mm的最大開孔率約24.9%,而直徑4 mm的最大開孔率約25.03%。另外,考慮孔越大,越容易漏酒糟,所以試驗用通孔直徑選擇為4 mm。針對此條件下的三種開孔率鏈板參數(shù)如表1。
表1 三種開孔率鏈板參數(shù)
風機系統(tǒng)的風量大小和分布:參考人工攤晾床面積和攤晾時間,在10m長攤晾機上設置8個風箱和8臺風機,其中4臺風量為4000~4500 m3/h,另外4臺風量為5100~6700 m3/h,后4臺變頻可調風量。風機采用左右交錯分布,主要考慮左右吹風均勻。
圖6 風機分布示意圖
翻料機構翻轉速度:設置范圍為11.2~56 r/min。
按此參數(shù)范圍設計制造的攤晾機在某濃香型酒廠經過一年多試驗,經歷了4輪發(fā)酵周期,最終產酒效果比人工方式有很大的提升,不僅滿足了自動化生產要求,產酒率也提升了10%以上。此外,攤晾效率也有極大提升,由30min左右縮短到20~25min。相關試驗結果參數(shù)見表2。
表2 人工攤晾和設備攤晾產量結果
通過以上結構措施和聯(lián)動控制,使酒糟降溫梯度可控、降溫均勻,減少糟醅料性破壞,降低糟醅起坨結塊現(xiàn)象,生產效率也有較大提升,產量和質量也優(yōu)于人工生產,能滿足傳統(tǒng)白酒的嚴謹工藝要求,為白酒釀造生產的自動化、智能化升級解決一個工藝難點,能為企業(yè)創(chuàng)造更好的效益。后續(xù)進行生產參數(shù)的積累,通過大數(shù)據(jù)分析,可逐步實現(xiàn)工藝參數(shù)的標準化,使傳統(tǒng)生產經驗得以數(shù)據(jù)化并可靠傳承。