潘文見，盧劍鋒，陸洋，郭啟鵬

（1.550025 貴州省 貴陽市 貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2.550025 貴州省 貴陽市 貴州省輕工業(yè)科學(xué)研究所）

0 引言

機(jī)械化、自動化逐步融入傳統(tǒng)行業(yè)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)生產(chǎn)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(fā)酵型米酒。蒸餾型米酒，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾、陳釀、勾兌而成，是具有米香型風(fēng)格的白酒；發(fā)酵型米酒是經(jīng)蒸煮、糖化、發(fā)酵、壓榨、過濾、貯存、調(diào)配而成的釀造酒。米酒生產(chǎn)屬于密集型勞動，生產(chǎn)方式落后，精細(xì)化程度低[2]。釀造的工藝和釀造設(shè)備需要進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合高新技術(shù)手段推動釀造行業(yè)向自動化、智能化方向發(fā)展。

米酒釀造過程中的重要關(guān)鍵因素是發(fā)酵溫度，溫度調(diào)控對釀造過程的穩(wěn)定性有著重要影響，影響米酒的品質(zhì)與產(chǎn)量[3]。傳統(tǒng)釀造受氣候環(huán)境影響，冬天氣溫低，夏季氣溫高，對發(fā)酵工況產(chǎn)生較大影響，影響出酒品質(zhì)以及產(chǎn)量[4]。米酒釀造過程復(fù)雜，發(fā)酵工況影響因素多，不僅是溫度變化，而且溫度分布對發(fā)酵過程也產(chǎn)生巨大影響。

本文從米酒釀造工藝背景出發(fā)，設(shè)計了一款適用于米酒釀造工藝的自動化設(shè)備，搭建了具有蒸煮、冷卻、釀造發(fā)酵、蒸餾、水儲藏處理功能的綜合應(yīng)用性自動化設(shè)備，用以提高米酒的生產(chǎn)效率和產(chǎn)能。

1 設(shè)計與工藝

1.1 釀酒工藝

米酒釀造傳統(tǒng)工藝屬于半受控條件的釀造工藝，涵蓋了蒸糧、糖化發(fā)酵、蒸餾、儲藏等流程，是世代相傳的釀造經(jīng)驗不斷總結(jié)出來的工藝[5]，所以需要從釀酒工藝流程出發(fā)設(shè)計米酒自動釀造釀造設(shè)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(fā)酵罐發(fā)酵—蒸餾—儲藏。

1.2 生產(chǎn)線的設(shè)計

米酒自動化釀造必須保留傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，再引進(jìn)更加全面的技術(shù)，從裝備、控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行優(yōu)化。本文設(shè)計的米酒自動釀造生產(chǎn)線如圖1 所示。圖1（a）為裝置左側(cè)，制冷機(jī)制冷儲藏罐中的水，冷水通過管路連接到各個功能罐中構(gòu)成冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)可以給蒸煮罐、發(fā)酵罐以及蒸餾時提供冷媒，實現(xiàn)冷卻功能。擁有蒸飯、發(fā)酵、蒸餾功能于一體的蒸煮罐，連接著導(dǎo)熱油箱和蒸汽發(fā)生設(shè)備，當(dāng)蒸煮罐作為發(fā)酵罐時，通過導(dǎo)熱油循環(huán)給一體罐供熱。在高溫消毒、蒸煮、蒸餾功能下，由蒸汽發(fā)生器供熱，蒸汽加熱方式比導(dǎo)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(diào)節(jié)通過冷凝器的冷水量，進(jìn)而實現(xiàn)出酒溫度的控制。圖1（b）右側(cè)為保溫發(fā)酵罐，為提高設(shè)備利用效率和生產(chǎn)效率，設(shè)計多個發(fā)酵罐。蒸糧結(jié)束，摻入酒曲后，將發(fā)酵物料輸送至發(fā)酵罐中發(fā)酵。

圖1 設(shè)備設(shè)計圖紙F(tuán)ig.1 Equipment design drawings

米酒自動釀造集成系統(tǒng)涵蓋集成了泡糧、淘洗、蒸糧、發(fā)酵、蒸餾功能等設(shè)備，減少了傳統(tǒng)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(tǒng)，實現(xiàn)米酒機(jī)械化、自動化釀造現(xiàn)場設(shè)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(tǒng)設(shè)計[6]

設(shè)計了米酒釀造自動控制系統(tǒng)，控制發(fā)酵液的溫度盡可能均勻分布，減小發(fā)酵液溫度差異，監(jiān)控加曲、溫度、發(fā)酵時間。設(shè)計投料、水量、酒曲量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時長的數(shù)據(jù)記錄。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

米酒自動釀造控制系統(tǒng)包括軟、硬件設(shè)計。主要包括系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件選型、下位機(jī)程序設(shè)計和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。PLC 下位機(jī)控制模塊接入開關(guān)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(shè)備，控制器發(fā)送指令，控制動作閥門、泵的順序啟停、保護(hù)以及發(fā)酵、蒸餾恒溫控制等；上位機(jī)程序設(shè)計主要包括系統(tǒng)控制按鈕、參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)監(jiān)控。觸摸屏為現(xiàn)場控制上位機(jī)，能夠進(jìn)行現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)記錄等。利用GRM 模塊遠(yuǎn)程連接接入公網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)。采用雙上位機(jī)的結(jié)構(gòu)，若設(shè)備出現(xiàn)異常且現(xiàn)場無人看守，可以通過手機(jī)App 等發(fā)送異常信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

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

2.2 系統(tǒng)硬件以及操控系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)以步科觸摸屏為上位機(jī)，信捷中型PLC 為下位機(jī)，XG 系列為信捷中型機(jī)系列，采用XG 系列XG-1 型 CPU，搭配數(shù)字量輸入、輸出模塊，檢測和控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)。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(tǒng)采用的通訊協(xié)議為Modbus rs485 和Modbus TCP，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)交互與控制。該自動釀造控制系統(tǒng)PLC現(xiàn)場控制接線圖如圖4 所示。

圖4 自動釀造系統(tǒng)現(xiàn)場接線圖Fig.4 Field wiring diagram of automatic brewing system

以步科觸摸屏為上位機(jī)控制系統(tǒng)，巨控GRM533 作為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用以查看設(shè)備狀態(tài)以及故障報錯。上位機(jī)界面分別設(shè)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(shè)計了自動清洗操控區(qū)和自動釀酒區(qū)，包含當(dāng)前設(shè)備工作參數(shù)設(shè)置區(qū)，實時顯示正在進(jìn)行的工藝工序以及相關(guān)發(fā)酵溫度、發(fā)酵時長、酒精度等動態(tài)參數(shù)；手動操作畫面設(shè)計了用戶自行操作的相關(guān)設(shè)備和閥門，自行設(shè)計釀造步驟，用以研究釀酒工藝工序，開發(fā)新的釀酒工藝流程。為提高生產(chǎn)效率，設(shè)計了多個發(fā)酵罐，在發(fā)酵罐界面上監(jiān)控發(fā)酵溫度、發(fā)酵時長，部分操作界面見圖5。系統(tǒng)硬件連接及參數(shù)設(shè)計完成后，進(jìn)行設(shè)備試驗，該設(shè)備完整地完成釀酒工藝所有流程并實現(xiàn)了釀酒生產(chǎn)。

圖5 控制系統(tǒng)界面Fig.5 Control system interface

3 發(fā)酵罐溫度場數(shù)值仿真

釀酒最為重要的環(huán)節(jié)為發(fā)酵，發(fā)酵工藝對米酒的產(chǎn)酒量、口感、香味影響起重要作用。米酒發(fā)酵重要參數(shù)是穩(wěn)定的發(fā)酵溫度和發(fā)酵時長。在自然環(huán)境下密封發(fā)酵，發(fā)酵溫度易受四季溫度變化影響。發(fā)酵期間罐體溫度分布均勻?qū)γ拙瓢l(fā)酵極其重要。模擬發(fā)酵罐內(nèi)溫度分布，改進(jìn)罐體結(jié)構(gòu)，盡可能使其內(nèi)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(fā)酵效率。

3.1 建立模型

在釀酒設(shè)備設(shè)計中，建議采用罐體式發(fā)酵方式設(shè)計發(fā)酵容器。發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖與三維模型如圖6所示。發(fā)酵罐有投料口、清洗、觀察口、取樣口，設(shè)計有加熱和冷卻功能，為減少環(huán)境溫度對內(nèi)部發(fā)酵溫度的影響，設(shè)計了聚氨酯材料的保溫夾層。目前設(shè)計的發(fā)酵罐已數(shù)次用于生產(chǎn)試驗。

圖6 發(fā)酵罐Fig.6 Fermentation tank

釀造發(fā)酵罐要實現(xiàn)較長的發(fā)酵時間，所以設(shè)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(jìn)行簡化，但又不能影響計算精確度。本文著重研究發(fā)酵罐溫度低于發(fā)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(fā)酵狀態(tài)。結(jié)合加熱方式，發(fā)酵罐實際模型去除其外部支撐架、外部連接管道結(jié)構(gòu)?？紤]到罐體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，優(yōu)化了計算模型，保留罐體保溫層和罐體內(nèi)部液體和少量空氣。

3.2 數(shù)值模擬工況分析

以錐型發(fā)酵罐發(fā)酵，罐體結(jié)構(gòu)如圖6，以水代替發(fā)酵液，分析其加熱傳熱過程。發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液通過底部加熱，向上傳熱，且與環(huán)境形成自然對流。實際加熱過程中發(fā)酵罐內(nèi)部加熱的流動狀態(tài)是紊態(tài)的，十分復(fù)雜，為了簡化計算，對仿真模型作以下合理假設(shè)[7-9]：（1）實驗中溫度變化不產(chǎn)生相變,所以假設(shè)水為常物性、不可壓縮物質(zhì)；（2）加熱時間短，認(rèn)為生產(chǎn)車間為恒定溫度；（3）不考慮流體的黏性耗散；（4）設(shè)定各項導(dǎo)熱系數(shù)、熱容和熱膨脹系數(shù)為定值。

該仿真利用了能量方程和k-estandard 湍流模型對發(fā)酵液進(jìn)行溫度場數(shù)值模擬計算。

連續(xù)性方程：

式中：ρ——密度；u——速度。

動量方程：

式中：f——質(zhì)量力；Su——達(dá)西源項，表示空氣與發(fā)酵液之間的相互作用力；σ——應(yīng)力張量，由不可壓縮流體應(yīng)力張量計算公式計算得出：

式中：P——壓力；τ——偏應(yīng)力張量；I——單位張量。

能量方程：

式中：cp——定壓熱容；h——導(dǎo)熱系數(shù)；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?jǐn)?shù)來模擬2種或多種不混溶流體[10]。在數(shù)值模擬計算的模型中，從里到外依次為發(fā)酵液、保溫材料和殼體，該發(fā)酵罐體總厚度為118 mm 的外層，包含保溫層和鋼體結(jié)構(gòu)，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(shù)值計算中將采用VOF 多項模型，氣體設(shè)為第1 相，液體為第2 相。計算的工作情況：設(shè)備車間實際環(huán)境溫度低于要求的發(fā)酵溫度，發(fā)酵發(fā)酵罐外環(huán)境溫度為25℃，初始溫度為25℃，計算加熱后，分析罐體內(nèi)發(fā)酵液的溫度分布。

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

罐體加熱部分是通過電加熱管加熱導(dǎo)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(wěn)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(shù)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(jié)果與試驗分析

4.1 仿真結(jié)果

模擬仿真結(jié)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(dá)到極高的溫度，殺死了酒曲發(fā)酵酵母，終止了部分發(fā)酵液發(fā)酵，影響發(fā)酵。而上半部分未產(chǎn)生溫度變化，仍在較低的溫度段，達(dá)不到良好的發(fā)酵工況。這種情況給靜態(tài)液體發(fā)酵造成較大控制難度，且要在同一罐體里實現(xiàn)蒸餾功能時，底部發(fā)酵物料會糊掉，出酒時有較重糊味，影響了出酒品質(zhì)。

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(huán)境溫度一致，鍋底（加熱部）溫度與上部溫度對比出現(xiàn)較大溫度差。在此工況下，上部發(fā)酵速度緩慢，下部溫度過高發(fā)酵失效，發(fā)酵過程產(chǎn)生雜質(zhì)升高，影響發(fā)酵品質(zhì)，酒體酸度升高，進(jìn)而影響米酒品質(zhì)。

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

4.2 現(xiàn)場加熱溫度工況

為驗證加熱傳熱數(shù)值模擬與實際情況差異，因加熱區(qū)在發(fā)酵罐底部，溫度分布形成較明顯的溫度梯度，在發(fā)酵罐中布置溫度采集點，分3 層區(qū)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(qū)域的溫度分布，如圖9 所示。

圖9 溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(huán)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(fā)生改變，即熱量未傳入上部，上部發(fā)酵液沒有得到加熱，溫度與環(huán)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(shù)據(jù)與仿真結(jié)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(yán)重影響發(fā)酵，酸化了發(fā)酵液，可能產(chǎn)生發(fā)酵雜質(zhì)，影響出酒品質(zhì)。

4.3 優(yōu)化控溫方法

綜合仿真與實際加熱結(jié)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(fā)生底部溫度高，發(fā)酵生物存活率降低，發(fā)酵速率驟降，酵解過程中斷等復(fù)雜情況，致使發(fā)酵物料酸度升高，影響出酒品質(zhì)，降低產(chǎn)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(huán)泵經(jīng)管道將上中下層發(fā)酵液在發(fā)酵罐腔體里不斷循環(huán)，直至各層溫度達(dá)到發(fā)酵溫度范圍內(nèi)，停止循環(huán)和加熱；當(dāng)溫度差較大時，開啟循環(huán)和加熱，實現(xiàn)腔體實際發(fā)酵溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。

方案2：需要改動結(jié)構(gòu)，在保溫層與內(nèi)壁之間設(shè)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(huán)，即可冷卻發(fā)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(nèi)部發(fā)酵液。設(shè)計成發(fā)酵、蒸餾一體的多功能發(fā)酵罐。設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖10 所示。

圖10 發(fā)酵罐改良結(jié)構(gòu)Fig.10 Improved structure of fermentation tank

方案1 實施過程會干擾靜態(tài)發(fā)酵過程，帶來發(fā)酵液含氧量變高，使發(fā)酵液產(chǎn)生酸類物質(zhì)，且會引起傳感器數(shù)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(fā)酵液的上中下層，加熱區(qū)域更加均勻，減弱發(fā)酵液溫度分布梯度大的現(xiàn)象，因此采用方案2。

5 設(shè)備試釀造實驗

開機(jī)后，運行自動清洗消毒程序，設(shè)定釀造過程參數(shù)、步驟。啟動自動釀造程序，發(fā)酵溫度控制在28～35℃。發(fā)酵結(jié)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(dāng)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(jìn)行了5 次米酒釀造實驗，實驗結(jié)果如表3 所示。

表3 實驗結(jié)果Tab.3 Experimental results

第1 次釀造實驗結(jié)果出酒率為62%計值，微渾濁。品評結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果：米香突出，醬味較為明顯，入口柔和，香氣豐富。

6 結(jié)語

從米酒釀造工藝出發(fā)，研究米酒自動釀造裝置，設(shè)計裝置控制系統(tǒng)，設(shè)備組裝調(diào)試后對裝置進(jìn)行現(xiàn)場驗證，發(fā)酵時發(fā)酵罐中發(fā)酵液體達(dá)不到發(fā)酵溫度，對其加熱出現(xiàn)在垂直方向上有溫度梯度分布情況，因此對發(fā)酵罐加熱時溫度場做仿真分析。將仿真結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比，仿真結(jié)果與現(xiàn)場試驗都出現(xiàn)溫度垂直梯度分布情況。針對此情況，對加熱方案進(jìn)行優(yōu)化，提出了2 個優(yōu)化方案，考慮經(jīng)濟(jì)性，遂采用方案2，并優(yōu)化罐體結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)米酒釀造工藝，裝置有如下優(yōu)點：（1）自動化程度高，可實現(xiàn)無人值守，減少人工作業(yè)量和勞動強(qiáng)度；（2）工作效率更高，節(jié)省人工鏟糟、運輸發(fā)酵物料等時間；（3）相比傳統(tǒng)釀造方式，產(chǎn)酒品質(zhì)穩(wěn)定，酒的口感和理化指標(biāo)優(yōu)良；（4）儲存酒糟再處理，對環(huán)境污染小。

米酒自動釀造裝置顛覆了傳統(tǒng)手工操作模式，節(jié)約了人員成本，產(chǎn)品發(fā)酵過程中的工藝條件通過數(shù)字化控制，使每一批次的產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性一致，排放少，污染輕微。