啤酒发酵靶向控温研究

张松宇 杨文斌 徐彬

摘 要：针对啤酒发酵温度控制系统具有非线性、强耦合和滞后性的特征，运用传统控制方法不能实现啤酒发酵温度精确控制的问题。关注发酵液的动态特性，将发酵罐视为整体，引入靶向控温策略，寻找到靶向控温点，实现对温度的靶向控制，减少了冷媒消耗，保证了啤酒质量。

关键词：靶向控温点;动态特性;发酵

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.041

0 引言

在啤酒生产中，温度控制是发酵生产过程中极其重要的一个环节，它的好坏直接影响了啤酒的风味、口感等重要产品指标。目前，国内啤酒工厂发酵一般在锥形罐中进行，锥形罐上部为柱形，下部为锥形。这种形状便于在底部收集酵母，能够使酵母顺利完整的从底部排除分离，且便于CIP清洗。锥形罐的体积一般在100m?—500m?，一个发酵罐里盛放的就是几百吨酒，要对体积如此大的发酵罐进行控温，难度可想而知，且发酵液在发酵阶段会产生热量，而控温则是要排除发酵时产生的热量，使发酵在预定的温度下进行。传统的控温方法将发酵液在自身发酵过程和控温过程中看做是一罐静止不动的液体，忽略了发酵罐内部酒液的循环，从而造成了温度控制效果不佳，浪费冷媒，造成极大的能源浪费。如果能在啤酒发酵的各个阶段，详细研究发酵罐内酒液的动态循环特性，再结合经典的温度控制方法，那么就会极大地缩短发酵过程，提高生产效率和节约能源。所以本文关注酒液的动态特性，寻找到发酵罐的靶向控温点，实现对温度的靶向控制。

1 发酵罐构造

本文以400 m?发酵罐为例说明发酵罐的机械结构。该锥形罐高21米，直径6.8米，四段冷带，每段冷带为缠绕数周在罐壁上的夹套。每一段冷带设置一个测温点，测温点分别为锥温、下温、中温、上温，测温铂电阻采用PT100，精度等级为A级。同时对应安装 TIC01、TIC01、TIC03、TIC04 四个温度智能变送器和EV01、EV02、EV03、EV04四个冷媒电磁阀进行精细调节。冷媒介质为酒精水，温度在-3至-6℃，冷媒通过罐壁的夹套流动来实现对罐内发酵液的冷却。发酵罐温度控制示意图及外观见图1。

2 发酵液的动态特性

冷麦汁在进入发酵罐之前，会添加酵母用于发酵分解麦汁中的糖分，从而得到酒精和副产物CO2。这一过程伴随产生大量的热量。所以，在发酵初期，发酵液的动态特性主要受酵母代谢影响，酵母剧烈代谢，产生大量CO2气体上升，带动发酵液会出现沸腾一样的景象。

伴随着糖分减少，酵母分解糖的生化反应结束，冷媒对发酵液的动态特性成为主要影响因素。一个物理常识，水在4℃时，密度最大，同理发酵液也有这个特性，发酵液在2.5℃左右时，密度最大，在靠近罐壁的发酵液在冷媒作用下，温度偏低，而处在中间区域的发酵液温度较高，这种由内而外的温差，就形成了发酵液运动的动力，靠近罐壁的发酵液由于温度低、密度高向下运动，而中间区域的发酵液由于温度高、密度小，向上运动。

3 靶向控温点及控温策略研究

根据发酵液在不同阶段动态特性不同，下面分步探讨如何在不同阶段，利用其动态特性来辅助控温。

目前国内发酵采用的主流工艺为两罐法工藝，即将发酵阶段分为前酵和后酵，前酵为主发酵阶段，后酵为低温贮酒阶段。前酵又细化为自由升温阶段、主发酵阶段、升温段、双乙酰还原阶段和高温降温阶段。

自然升温阶段通过酵母分解糖产生热量，使发酵液温度从 8℃升温到10℃左右，使酵母活性达到最大，接下来进入到了主发酵阶段和双乙酰还原阶段，这两个阶段的温度控制在10-12℃。该阶段内酵母活性强，糖分足够，酵母代谢非常强烈，产生大量CO2气体，同时还需要开冷媒排除热量，使温度维持在10-12℃之间，此时发酵液在冷媒和CO2气体双重作用下形成一个大循环，这种循环极大的促进了热交换的进度，如果能合理的利用这种动态特性，会有效降低发酵时间，提高生产效率。循环示意图见图2。

温度低、密度大的罐壁附近的发酵液沿罐壁由上向下运动。此时，发酵罐上冷带的冷量除了对本段的发酵液有冷却作用，同时由于发酵液向下运动，冷却作用还会影响到中段发酵液。同理，发酵罐中冷带的冷量同样也会对下段发酵液有作用。此时如果再开启下段和锥段冷媒，根据流体力学原理，此时会造成底部发酵液温度过低，抑制了发酵液上升的动力，打乱了罐内流体循环，导致发酵液不能混合，温度传导依靠自然对流，罐壁温度偏低，中间温度偏高，温度不均匀 ，且自然对流时延大，这样对控温来说简直是噩梦，冷媒全开，不仅消耗大量能源，同时温控效果极差，此现象糖分消耗完尤为明显。综上所述，此阶段控温的重点是上温和中温，这两个点在该阶段的控温中如果能准确抓住，那么控温会得心应手，而且节能，因此把这两个控温点称之为靶向控温点。

高温降温段指罐内双乙酰成熟，酒液温度从 12℃降温到 3℃的过程。该过程降温幅度大，需要冷量多，所以本阶段控温时，降温速度不宜过大，过大会造成罐壁结冰，冷量不能及时传递，既浪费能源又影响降温效果，更严重会导致冰块跌落损害温度传感器的事件。此时由于糖分消耗完毕，罐内酒体循环的动力为冷媒作用导致内外形成的温差。所以此阶段的靶向控温点也是上温和中温，在实际控制过程中注意降温速度即可。

低温降温段是发酵罐内酒液温度从3℃降到0℃或-1℃的过程，同理酒液在2.5℃左右时密度最大，此时靠近罐壁的酒液在冷媒的作用下，温度下降，但是密度却变小，酒液向上缓慢运动，而中间的酒液由于温度高，密度大，则向下缓慢运动。此时糖分已经完全消耗完，酒液循环的动力全部来自于由内而外的温差，在2-3℃之间，酒体温度不同，但是密度相同，降温只能来自于酒体内部的对流，降温缓慢，控温难度加大，为了尽快摆脱此种困局，此时如果在锥部和中部打开冷媒，使罐壁附近的酒体温度下降到低于2℃以后，由于密度变小，罐壁附近的酒体获得了向上运动的动力，从而形成了循环，使降温速度加快。由此可见该段的靶向控温点为锥温和中温。循环示意图见图3。

贮酒段是酒体温度维持在0℃或-1℃的过程，贮酒想要达到改善胶体特性、澄清酒体、饱和CO2等，此时温度低于2.5℃，冷媒给冷的话，罐壁酒体的密度继续变小，酒体循环与图3相同，只是循环的过程变的更加缓慢，这个阶段主要是保温，所以控温以小冷量，间歇给冷为主，靶向控温点依然是锥温和中温。

4 结束语

根据分析酒液在发酵各阶段的动态特性，找寻靶向控温点，结合靶向控温点制定控温策略，在实际工厂生产中，收到了良好的效果，同时也印证了寻找的靶向控温点的正确性。由此可见，啤酒发酵罐以及同类型罐体的控温一定要将其作为一个整体，如果将各段视作控温对象进行控制，势必会打破罐内的循环过程，即使再好的控温算法也不会有良好的控温效果。本文通过寻找发酵各个过程中的靶向控温点，有针对性的进行控温，做到了控温精确，节能降耗，同时提高了发酵的生产效率。

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基金项目：2018年内蒙古自治区教育厅高等学校科学技术研究项目（编号：NJZY18272）

2017年内蒙古机电职业技术学院科学研究项目（编号：NJDZJZR1708）

作者简介：张松宇（1984-），女，内蒙古呼和浩特人，研究生，讲师，研究方向：自动控制技术、机电一体化。