薛豪杰

（舟山中海糧油工業(yè)有限公司，浙江 舟山 316000）

作為一種優(yōu)良的蛋白質(zhì)來(lái)源，豆粕在畜牧業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛。將豆粕蛋白水解成豆粕多肽，可以顯著提高其吸收和利用率，從而降低了成本。多肽是一種由3～10個(gè)氨基酸構(gòu)成的小分子物質(zhì)，通常分子量在1000Da 左右。多肽具有良好的溶解性、低黏度、易于被吸收和有利于微生物發(fā)酵等特性，已成為目前大豆蛋白粉發(fā)酵飼料的研究熱點(diǎn)[1]。目前，豆粕多肽飼料的制備主要通過(guò)酸水解、酶水解和微生物發(fā)酵3 種方式。酸水解是利用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿將大分子蛋白質(zhì)降解成小分子肽，但強(qiáng)酸、強(qiáng)堿會(huì)侵蝕人體，對(duì)人體健康有很大影響。酶水解技術(shù)是通過(guò)酶的定向降解作用，將大分子蛋白質(zhì)水解成小分子肽。但該方法制備的多肽果具有很強(qiáng)的苦味，不利于食用。微生物發(fā)酵技術(shù)主要通過(guò)微生物自身的生物化學(xué)代謝作用來(lái)進(jìn)行蛋白質(zhì)的降解和合成[2]。目前對(duì)采用豆粕固態(tài)發(fā)酵方法生產(chǎn)豆粕多肽工藝的研究眾多，但實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的方法大多較粗放，無(wú)法提升豆粕蛋白的水解程度。該文將對(duì)豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分段調(diào)控技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，促進(jìn)豆粕固態(tài)發(fā)酵工藝的進(jìn)一步優(yōu)化。

1 豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度數(shù)據(jù)采集

為了實(shí)時(shí)調(diào)控豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度，在發(fā)酵床使用的過(guò)程中，必須保證能夠?qū)崟r(shí)獲取其溫度數(shù)據(jù)[3]。獲取豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度數(shù)據(jù)時(shí)，為確保溫度控制的合理性，還需要對(duì)周?chē)h(huán)境信息進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)?？稍诎l(fā)酵床上安裝一個(gè)傳感器裝置，負(fù)責(zé)發(fā)酵床發(fā)酵工藝現(xiàn)場(chǎng)溫度和華景數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示[4]。利用傳感器實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度數(shù)據(jù)和其他環(huán)境數(shù)據(jù)。通過(guò)布置合適的溫度傳感器和其他環(huán)境傳感器，獲取發(fā)酵床的溫度、濕度以及氧氣濃度等關(guān)鍵參數(shù)。并通過(guò)接收、分析來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，向各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制終端發(fā)出控制指令。由于豆粕固態(tài)發(fā)酵床所處的環(huán)境中包括眾多干擾數(shù)據(jù)采集精度的因素，因此為了能夠提高后續(xù)的調(diào)控精度，需要對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[5]。數(shù)據(jù)清洗是數(shù)據(jù)預(yù)處理的首要步驟，它的目的是消除數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤、缺失、重復(fù)和異常等問(wèn)題。具體步驟如下。

第一，檢查采集的數(shù)據(jù)集中是否存在重復(fù)的數(shù)據(jù)，如果存在，將其中一條或多條記錄刪除。

第二，對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)刪除缺失值、替換缺失值或采用插值法進(jìn)行處理。插值法具體的計(jì)算求解過(guò)程如下：假設(shè)存在2 個(gè)點(diǎn)，即點(diǎn)A和點(diǎn)B，點(diǎn)A的坐標(biāo)為（i1，b1），點(diǎn)B 的坐標(biāo)為（i2，b2），如果存在一點(diǎn)點(diǎn)P，點(diǎn)P的坐標(biāo)為（i，b），如果i在i1和i2之間，則說(shuō)明點(diǎn)P在點(diǎn)A和點(diǎn)B之間。通過(guò)點(diǎn)P也能夠反映變量遵循直線(xiàn)AB的線(xiàn)性關(guān)系。上述內(nèi)容如公式（1）所示。

式中：k表示直線(xiàn)斜率。

根據(jù)上述插值法補(bǔ)全缺失值。對(duì)異常數(shù)據(jù)的處理同樣可以采用插值法[6]。對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化主要是對(duì)其格式的轉(zhuǎn)換，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可讀取的格式，例如將Excel 文件轉(zhuǎn)換為CSV 文件。

第三，再采用平均值法對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，平均值法的計(jì)算如公式（2）所示。

式中：表示經(jīng)過(guò)平均值法處理后得到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)；N表示采集到的數(shù)據(jù)量；Xi表示原始數(shù)據(jù)集中的第i個(gè)原始數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述論述，從多個(gè)方面對(duì)采集的豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度數(shù)據(jù)和相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取出與豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度和環(huán)境相關(guān)的關(guān)鍵特征，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和建模提供更可靠而有效的基礎(chǔ)。

2 基于溫度差的發(fā)酵床溫度實(shí)時(shí)控制規(guī)則設(shè)計(jì)

基于采集的溫度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)新的發(fā)酵床溫度實(shí)時(shí)控制規(guī)則，利用溫度差進(jìn)行反饋控制。通過(guò)比較實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之間的差異，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)和控制策略，將發(fā)酵床溫度控制在合適的范圍內(nèi)。由于豆粕固態(tài)發(fā)酵具有非線(xiàn)性、時(shí)滯性和不確定性等特點(diǎn)，因此為了在調(diào)控發(fā)酵床溫度的同時(shí)，保證其內(nèi)部溫度的均勻性，需要對(duì)發(fā)酵床進(jìn)行分區(qū)、分時(shí)段控制。該文選擇將設(shè)定的溫度與發(fā)酵床的實(shí)際溫度之間的差值作為參考數(shù)據(jù)指標(biāo)，向控制器發(fā)出控制指令[7]。通過(guò)改變冷媒、熱媒進(jìn)入發(fā)酵床的體積來(lái)調(diào)節(jié)其溫度。具體步驟如下：將閥門(mén)復(fù)位，設(shè)定溫度初始值，根據(jù)需要選擇手動(dòng)程序或自動(dòng)程序。再通過(guò)模擬量將溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，設(shè)定豆粕固態(tài)發(fā)酵工藝各個(gè)階段所需的發(fā)酵溫度。自動(dòng)程序?qū)⒏鶕?jù)啟動(dòng)時(shí)間自動(dòng)更改設(shè)定的溫度數(shù)值。將設(shè)定的溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，并將溫度差作為控制自適應(yīng)的輸出，控制閥門(mén)開(kāi)度。閥門(mén)的開(kāi)口控制冷媒或熱媒的流量，以此改變發(fā)酵床狀態(tài)。溫度差的計(jì)算如公式（3）所示。

式中：Δt表示溫度差；t0為發(fā)酵床設(shè)定的溫度；ti表示發(fā)酵床在某一時(shí)刻i的實(shí)際溫度。

在進(jìn)行溫度控制的過(guò)程中，將|Δt|數(shù)值與閾值0.5℃進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比。當(dāng)滿(mǎn)足溫度要求，即|Δt|取值為-0.5℃～+0.5℃時(shí)，不對(duì)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行控制，并通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵床溫度。當(dāng)|Δt|的取值大于或等于+0.5℃時(shí)，不夠滿(mǎn)足溫度的控制要求。當(dāng)|Δt|的取值小于或等于-0.5℃時(shí)，則說(shuō)明發(fā)酵床的實(shí)際溫度超過(guò)設(shè)定的溫度，此時(shí)對(duì)其發(fā)出控制指令，并調(diào)節(jié)控制閥的開(kāi)度，增加進(jìn)入發(fā)酵床中的冷媒或熱媒體積，從而使溫度床的溫度相應(yīng)地降低或升高，直到滿(mǎn)足|Δt|取值為-0.5℃～+0.5℃的條件為止。根據(jù)上述論述內(nèi)容，完成對(duì)發(fā)酵床溫度實(shí)時(shí)控制規(guī)則的設(shè)計(jì)。

3 發(fā)酵床溫度遠(yuǎn)程分段調(diào)節(jié)

對(duì)豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度的遠(yuǎn)程分段調(diào)節(jié)可以在LCD交互界面上進(jìn)行。作為人機(jī)交互的平臺(tái)，LCD 交互界面可以為用戶(hù)提供友好的操作界面，方便用戶(hù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定分段控制條件。通過(guò)LCD 界面，用戶(hù)可以設(shè)定不同的溫度段和對(duì)應(yīng)的控制策略。例如用戶(hù)可以設(shè)定一個(gè)高溫段、一個(gè)中溫段和一個(gè)低溫段。在不同的溫度段內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)則進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，以確保發(fā)酵床溫度在每個(gè)溫度段內(nèi)都保持穩(wěn)定。此外，用戶(hù)還可以通過(guò)LCD 界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和查看當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)、控制狀態(tài)和報(bào)警信息。界面上可以顯示溫度曲線(xiàn)、設(shè)定溫度值和實(shí)際溫度值等信息，提供全面的反饋和控制可視化。在該界面上設(shè)置豆粕固態(tài)發(fā)酵時(shí)米曲霉的發(fā)育時(shí)間、分化時(shí)間以及發(fā)育起始時(shí)間。通過(guò)在LCD 交互界面上設(shè)定遠(yuǎn)程分段條件，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要和發(fā)酵過(guò)程的特點(diǎn)對(duì)溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和優(yōu)化。這樣可以更靈活地控制發(fā)酵床溫度，適應(yīng)不同階段的發(fā)酵需求，提高發(fā)酵過(guò)程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

在每個(gè)階段設(shè)置對(duì)應(yīng)米曲霉的適宜溫度。在該基礎(chǔ)上運(yùn)行RTC 時(shí)鐘。當(dāng)RTC 時(shí)鐘達(dá)到上述3 個(gè)階段中的任意一個(gè)時(shí)，將溫度設(shè)置為對(duì)應(yīng)的數(shù)值，并將溫度值下發(fā)到控制終端。在控制的過(guò)程中，為了便于計(jì)算機(jī)識(shí)別控制指令，以20 位數(shù)字形式表示控制指令，其中數(shù)字的首字符表示發(fā)酵床編號(hào)，后續(xù)數(shù)據(jù)依次代表溫度閾值、經(jīng)各個(gè)發(fā)酵床的路由節(jié)點(diǎn)編號(hào)、轉(zhuǎn)發(fā)各設(shè)備執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)以及設(shè)備編號(hào)等。進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控時(shí)，要求云平臺(tái)下發(fā)控制指令，控制各個(gè)溫度控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)。同時(shí)，發(fā)酵床溫度遠(yuǎn)程分段調(diào)節(jié)可采用基于比例-積分-微分的控制方式，如公式（4）所示。

式中：u（t）表示輸出控制指令信號(hào)；Kp表示比例系數(shù)；e（t）表示偏差信號(hào)；TI表示積分常數(shù)；TD表示微分常數(shù)。

計(jì)算機(jī)可以直接識(shí)別上述公式所得輸出信號(hào)，并做出相應(yīng)的控制動(dòng)作，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度。該方案將有效提高豆粕固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的溫度控制能力。通過(guò)多傳感器數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制規(guī)則的設(shè)計(jì)，可以及時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整發(fā)酵床的溫度，以確保發(fā)酵過(guò)程正常進(jìn)行。將PID 控制理論和LCD 交互界面結(jié)合應(yīng)用，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、精確調(diào)節(jié)和方便操作。這將使豆粕固態(tài)發(fā)酵工藝具有更高的自動(dòng)化水平和效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

在上述基礎(chǔ)上，分別從該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的調(diào)控準(zhǔn)確性和新技術(shù)應(yīng)用后豆粕固態(tài)發(fā)酵效果2 個(gè)方面，對(duì)新調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用可行性進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。在試驗(yàn)過(guò)程中，選擇由某糧油工業(yè)有限公司提供的豆粕為試驗(yàn)原材料，該豆粕類(lèi)型為普通型豆粕，粗蛋白含量大于或等于44%。在發(fā)酵的過(guò)程中還需要麥麩皮材料，由某糖業(yè)股份有限公司提供，其他所需材料均為化學(xué)分析純。將準(zhǔn)備好的材料放入豆粕固態(tài)發(fā)酵床中進(jìn)行發(fā)酵，并利用上述提出的調(diào)控技術(shù)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分段調(diào)控。發(fā)酵床選用LSHZ-300 型號(hào)，其主要參數(shù)如下：振蕩頻率為啟動(dòng)到250r/min，可調(diào)；工作負(fù)載為20kg；外形尺寸為682mm×425mm×850mm。根據(jù)豆粕固態(tài)發(fā)酵的一般經(jīng)驗(yàn)，不同階段的溫度要求不同，具體見(jiàn)表1。

表1 豆粕固態(tài)發(fā)酵不同階段對(duì)照溫℃要求表

根據(jù)上述論述，記錄豆粕固態(tài)發(fā)酵不同階段相應(yīng)的溫度條件，并將豆粕固態(tài)發(fā)酵的不同階段所需溫度條件與調(diào)控技術(shù)控制下的豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度進(jìn)行對(duì)比，可以驗(yàn)證調(diào)控的準(zhǔn)確性和精度。并通過(guò)計(jì)算豆粕固態(tài)發(fā)酵后的大豆肽轉(zhuǎn)化率，來(lái)對(duì)豆粕固態(tài)發(fā)酵效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。大豆肽轉(zhuǎn)化率的計(jì)算如公式（5）所示。

式中：φ表示大豆肽的轉(zhuǎn)化率；Nc表示初始濃度數(shù)值；Np表示轉(zhuǎn)化后的濃度數(shù)值。

根據(jù)豆粕固態(tài)發(fā)酵工藝的要求，大豆肽的轉(zhuǎn)化率φ達(dá)到55.6%以上時(shí)才能證明該工藝的有效性，φ值越高，說(shuō)明轉(zhuǎn)化效果越理想，也進(jìn)一步驗(yàn)證了該文提出的調(diào)控技術(shù)對(duì)提高工藝質(zhì)量和水平有一定的促進(jìn)作用。

4.2 新技術(shù)調(diào)控準(zhǔn)確性分析

根據(jù)上述試驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容完成該次實(shí)例應(yīng)用研究，并在應(yīng)用后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。為了更方便地分析新技術(shù)調(diào)控的準(zhǔn)確性，將上述獲得的不同時(shí)刻豆粕固態(tài)發(fā)酵溫度與所需溫度條件進(jìn)行對(duì)比，得到如圖1 所示的結(jié)果。

圖1 應(yīng)用該文技術(shù)后的豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度變化圖

圖1 中標(biāo)記了各個(gè)階段對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍，將各個(gè)范圍內(nèi)發(fā)酵床的溫度與每個(gè)階段對(duì)應(yīng)的溫度要求進(jìn)行對(duì)比可以看出，發(fā)酵床的溫度始終控制在規(guī)定要求的范圍內(nèi)，充分滿(mǎn)足了豆粕固態(tài)發(fā)酵工藝的要求，也證明了該文調(diào)控技術(shù)在實(shí)際溫度調(diào)控中的準(zhǔn)確性。該文提出了基于溫度差的新的發(fā)酵床溫度實(shí)時(shí)控制規(guī)則。通過(guò)比較實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之間的差異，及時(shí)調(diào)整參數(shù)和控制策略，確保發(fā)酵床溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。該控制規(guī)則確保了發(fā)酵床溫度的穩(wěn)定性和精確性。在LCD 交互界面上結(jié)合PID 控制理論對(duì)發(fā)酵床溫度進(jìn)行分段調(diào)節(jié)。PID 控制算法能夠根據(jù)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)。PID 控制器可以對(duì)溫度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，并具有快速響應(yīng)和超調(diào)較小的特點(diǎn)。因此，PID 控制的應(yīng)用有助于確保發(fā)酵床溫度始終控制在規(guī)定要求的范圍內(nèi)。

4.3 新技術(shù)應(yīng)用下的豆粕固態(tài)發(fā)酵效果分析

結(jié)合試驗(yàn)準(zhǔn)備中大豆肽轉(zhuǎn)化率的計(jì)算公式，計(jì)算多組不同豆粕固態(tài)發(fā)酵組應(yīng)用該文調(diào)控技術(shù)后的大豆肽轉(zhuǎn)化率φ，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 調(diào)控技術(shù)應(yīng)用下的豆粕固態(tài)發(fā)酵工藝大豆肽轉(zhuǎn)化率

結(jié)合表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，在5 組豆粕固態(tài)發(fā)酵組中，每組大豆肽轉(zhuǎn)化率均高于75.00%，能夠充分滿(mǎn)足上述豆粕固態(tài)發(fā)酵工藝要求的大豆肽轉(zhuǎn)化率φ在55.6%以上的要求。因此，根據(jù)上述實(shí)例應(yīng)用結(jié)果可以證明，該文調(diào)控技術(shù)的溫度控制準(zhǔn)確性較高，并且在實(shí)際進(jìn)行豆粕固態(tài)發(fā)酵的過(guò)程中，良好的溫度控制水平可以有效促進(jìn)大豆肽的轉(zhuǎn)化，從而進(jìn)一步優(yōu)化了工藝效果，因此該技術(shù)具備較高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)在發(fā)酵的過(guò)程中，豆粕內(nèi)部的米曲霉會(huì)經(jīng)歷生長(zhǎng)、產(chǎn)酶和酶解3 個(gè)階段的特點(diǎn)，該文對(duì)豆粕固態(tài)發(fā)酵床溫度遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分段調(diào)控技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。通過(guò)研究提出了一種全新的調(diào)控技術(shù)，并通過(guò)實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了該技術(shù)的應(yīng)用可行性和應(yīng)用價(jià)值。在后續(xù)的研究中，為了能夠進(jìn)一步優(yōu)化豆粕固態(tài)發(fā)酵床和整個(gè)工藝，還將從自動(dòng)化控制、智能化控制等角度進(jìn)行更深入的研究。