一种酱油酿造装置的参数控制系统设计

2020-06-19刘韵

中国调味品 2020年6期

刘韵

(重庆工商职业学院，重庆 401520)

酱油酿造过程是一系列复杂生物化学反应过程，整个酿造过程涉及到微生物细胞的生长以及微生物的代谢。酿造过程可近似表达成具有时变性、多输入、多输出以及随机性的动态变化过程。在酱油酿造过程中，相关过程变量主要包括酱油基质浓度、微生物浓度、产物浓度以及酿造转化率，对影响酿造品质的相关过程变量进行有效控制具有一定难度[1]。这些生物过程变量直接反映酱油酿造过程状态信息，在酱油酿造过程中主要控制与酿造质量有关的变量，如环境温度、pH 值、通气量等，各时变变量之间发生复杂的相互作用，难以建立精确的酿造机理模型[2]。

现有的酱油酿造控制系统主要采用常规的PID控制率实现过程控制[3]。可以利用模糊控制系统对酱油酿造过程进行控制，形成酿造过程的控制经验知识，总结成酿造控制过程知识库，并建立一些行业规则，由于基于模糊控制形成的过程知识库数据庞大，进行精确过程控制具有一定难度[4]。现有的包含遗传算法和神经网络在内的在线优化软件包，可以实现酱油酿造过程控制，但该控制系统对酱油酿造过程模型是否正确具有依赖性[5]。由于酱油酿造过程为时变动态变化过程，使得现有控制方法建立的控制模型和控制方案在实际应用中难以满足动态过程要求，使得酱油酿造过程控制系统无法稳定有效执行。

以控制酱油酿造环境参数为控制研究对象，确保在酱油酿造过程中环境适宜微生物的生长代谢，以提高酱油的酿造率。采用系统参数控制的方法，分析酱油酿造过程中影响产量的相关环境参数，如环境温度和pH值等，并找出影响环境参数变化各影响因素之间的相互关系，对酱油酿造过程系统环境参数进行仿真，得出建立酱油酿造过程参数控制系统模型稳定性高、抗干扰能力强、容错性能好。参数控制系统很好地控制了酱油酿造过程环境参数，并提高了酱油酿造的产量。

1 参数控制系统的工艺流程

酱油生产过程中最关键的就是对酱油酿造过程环境参数的控制，由于酱油基质浓度、微生物浓度、产物浓度以及酿造转化率等变量在线检测非常困难，因此在酱油酿造过程中主要控制与酱油质量有关的变量，环境温度、pH值、通气量。而酱油酿造过程是一种厌氧型酿造过程，在整个酿造过程中无需对酿造环境进行氧气量控制。针对酱油酿造过程中对微生物代谢有影响的相关环境参数与酿造过程质量的关系，本文首先对酱油酿造过程环境温度和 pH值进行控制，酱油酿造过程控制系统的工艺流程图见图1。

图1 酿造过程工艺流程图Fig.1 Process flow chart of brewing process

酿造过程温度和pH值是酱油酿造过程中的关键影响因素。因为酿造过程是微生物在酿造过程中繁殖与代谢的过程，产生大量的热量。根据酱油酿造过程在不同阶段的不同微生物代谢产物，酱油酿造过程可分为主酿造阶段和后酿造阶段，本文只针对主酿造阶段的环境温度和 pH值进行控制。

在主酿造阶段，环境温度的变化包括酿造环境自然升温和保温两个过程，在环境自然升温过程中，不需要外界对酿造环境进行控制，因此在酿造过程中，需要对保温过程进行环境温度控制。在保温过程中对环境温度进行控制时，使用温度传感器对冷媒罐和主酿造罐中的环境温度进行检测，在酿造过程中，主酿造罐中酿造环境温度的控制通过冷媒阀门的打开程度来进行直接控制。主酿造罐中pH值通过罐内的pH传感器来进行检测，在pH值控制过程中，主酿造罐pH值的高低通过酿造罐中氨水的流加量来进行控制，该流加量与氨水阀门打开程度有关。

2 酱油酿造过程参数控制和建模

为了对酱油酿造过程相关参数进行自动控制，需对影响酿造过程的相关过程因素以及各相关因素之间的逻辑关系进行了解，从而保证酱油酿造生产过程可以安全平稳地进行，达到对酱油酿造生产过程进行优化的目的。

在酱油酿造过程中，对酿造过程质量产生影响的因素可以分为物理化学参数和生物参数两类。物理化学参数主要包含主酿造罐温度、pH值、空气流量、冷媒流量等；生物参数主要包括微生物代谢产物、代谢产物浓度、酿造基物浓度等。

在酿造过程中，酿造温度和酿造过程酸碱度是酱油的风味和稳定性的关键影响因素，同时对酱油质量的好坏以及酿造产量的高低也有一定的影响。因此，本文着重研究酿造过程中酿造环境温度和酸碱度对酱油酿造过程的影响。

2.1 环境温度控制

不同类型的微生物，对于生产环境温度的要求不同。从与微生物有关的生物酶动力学角度出发，当环境温度最适宜时，生物酶达到最佳活力。因此，主酿造罐的环境温度是关键的环境参数，对环境温度产生影响的主要因素包含冷媒罐内冷媒温度的高低、酿造过程中菌体的生长代谢过程、酿造罐内部压力的大小、主酿造罐的散热性能以及酿造过程中其他热量的散失。冷媒阀门的打开程度以及酿造罐降温时冷媒的回流决定了冷媒罐内冷媒温度的高低。随着酿造过程的演变，酿造罐内气体的增加使酿造罐内环境温度不断上升，为保证酿造过程中生物酶活力最高，需要对酿造罐进行温度控制。

2.2 pH 值控制

酿造过程酸碱度是微生物生长与代谢的重要环境参数。随着酿造过程的不断演变，酿造过程产生大量的酸性物质，使酿造罐内pH值下降，pH值过低会影响酱油酿造过程和酱油的口感。为对酿造过程酸碱度进行控制，需要加入碱性溶液对酿造罐中的酸性物质进行中和，保证主酿造罐内pH值处于适合酿造过程微生物生长与代谢的范围内。常用的碱性溶液为氨水，酿造过程酸碱度高低通过控制碱性溶液阀门打开程度来实现。

在酿造过程中环境温度和pH值两个参数彼此之间又相互影响，温度变化会影响pH值的变化，pH值的高低影响微生物的生长代谢，进而影响主酿造罐内环境温度。

通过对酱油酿造过程的环境影响因素进行分析，得出两条因果关系影响链[6]，第一条影响链是主酿造罐内环境温度控制链，第二条链是主酿造罐内pH值控制链。为对酿造过程因果关系进行分析[7,8]，本文做出如下假设：

假设冷媒阀门的打开程度为z10，冷媒罐内环境温度为z11，发酵过程温度为z12，回流冷媒热量为v11，微生物吸收或散失热量为v13，且k1=2，酿造过程环境温度控制链L1:L1={(z10,z11),(z11,z12)},k1=2 。

假设氨水流量控制阀门打开程度为z20，酿造罐内pH值为z21，补料量为v21，且k2=1，pH值控制链为L2:L2={(z20,z21)},k2=1。酱油酿造过程参数控制系统框架示意图见图2。