（检测技术与自动化装置专业论文）锥形啤酒发酵罐无菌化测量及控制的研究.pdf

摘要 摘要 纯生啤酒作为一种不经传统高温杀菌的啤酒，在以其新鲜的 i 感和更丰富 的营养得到广大消费者青眯的同时，其食品安全也得到很多专家的重视。目前 纯生啤酒从糖化、清酒、低温膜过滤到罐装整个流程的无菌化生产技术已日臻 完善。但对啤酒质量而言至关重要的参数发酵温度的无菌化测量和控制的 技术，却还刚刚起步。针对目前在啤酒工业生产中发酵温度的测量还普遍采用 的传统的p t 插入式测量和单一p i d 控制的方法，既不符合纯生啤酒无菌化酿造 的要求，也不能满足人们对啤酒生产多样性要求的现状，本文丌展了锥形啤酒 发酵罐无菌测量和控制的研究，所做的 作及主要成果如下： 搭建了啤酒锥形发酵罐多点温度测控系统的实验装置，建立了发酵温度测 控系统和相应的参数测量系统。 配套使用研华公司的p c i 1 7 1 6 数据采集卡和p c l d 7 8 9 d 多路转换板，以 数字量选择通道分时采集数据的方法实现了数据采集卡的a i 通道的扩充功能， 节约了硬件资源。利用v b 编程实现实时数据的采集和显示、发酵温度控制、 历史数据记录、流程显示等多种功能。 在装置上进行科学实验，对冷却过程中啤酒罐夹套的进出口参数以及罐内 各测温点的温度进行测量，为啤酒罐传热机理的研究提供充足的数据样本。 分析了啤酒发酵罐传热机理，判定其机理为大空间自然对流传热，在此基 础上，建立了n a v i e r s t o c k s 数学模型，并用有限差分数值计算方法和计算流 体软件f l u e n t 进行罐内的温度场分布情况计算。将计算结果与实验测得的数 据进行比较，结果显示，三者具有相同的变化趋势，温度值也吻合较好。表明 有限差分法和f l u e n t 软件都能对啤酒发酵罐的温度分布进行较为准确的模拟 计算，具有较好的工业应用价值。 应用发酵罐温度场分析结果，建立了壁面温度t o 和罐内0 2m 处的温度t o2 的知识库，由此知识库可在不同的工况下通过测量t 0 得到罐内温度t o2 。该 知识库建立的意义在于，由t o 代替t 0 2 作为该发酵温度测控系统的控制量，完 成对罐内发酵温度的控制；以壁面测温代替传统的插入罐中的p t 热电阻温度测 量方式，能较少的甚至不产生清洗死角，实现了发酵温度无菌化测量的目的。 t 摘要 以知识库的方式实现无菌化测量是一种直观、可行的途径，具有定的工业应 用前景。 研究了遗传算法在啤酒发酵温度控制中的应用。采用了遗传算法对传统的 单一p i d 控制参数进行了优化整定，将遗传算法应用于诸如发酵过程这样的非 线性、不确定、时变和大惯性的对象，经证明优化后的控制曲线与原控制曲线 相比响应速度加快、超调量有所减少、误差可控制在o 3 ，更好的满足了现 场工艺的要求。而且与现有的控制参数方法相比，本方法还能够针对多样性的 非确定性控制要求，优化控制器的控制参数。 关键词：锥形发酵罐、无菌化测量、温度场分布、知识库、发酵温度控制、 遗传优化 i l a b s t r a c t a b s t r a c t d r a rd e e r 埘t h o u tp a s t e 州z a t i o ni s g e m n gf a v o rf r o mc u s t o m e r sb e c a u s e o fi t sf r e s ht a s t e 肌dr i c hn u t r i t i o n a n di t ss i t u a t i o no fs a n i t a t i o ni s g e t t i n gm o r ec a r ef r o mc o r r e l a t i v ee x p e r t s n a w ，t h eg e n t l 矗e et e d m i q u ei nt h ew h o 】ep r o d u c t i o np m c e s so fd r a rb e e ri s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ep e r f e c te x c e p tt h eg e m f r e em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1o ff e m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ek e y f a c t o rt ob e e rp r o d u c t i o n t r a d i t i o n a lc u t i nm e a s u r e m e n tw i l lb r i n gm a n ys a n i t a t i o nb l a l l da i l g l e s w h i c hd o e s n tm e e tt l l e g e r m f k ed e m a n d a tt h es 锄e t i m e ，t h es i m p l ep l di s n t 行tt ot h em u l t i p l e xr e q u i r e so fb e e rp r o d u c t j o n a i m m i n ga tm i sa c t u a l i t y ，t i l i sa r t i c l ed e v e l o p p e dt h es t u d yo nt 1 1 eg e m l f k em e a s u r e m e n ta 1 1 dc o n 订o lo fc o n e s h a p e db e e rt a n k t h em a i nw o r k sa i l di 1 1 1 1 0 v a “v em e t l l o da r el i s t e da sf 0 1 1 0 w s ： b u i l tt h ee x p e r i m e n t a ld e v i c ef o rt i e m u l t i p o i n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mo ff e 邛n e n t 砒i o nt e m p e r a t u r e t h ed e v i c ea p p l i e dp c i 一1 7 1 6a n dp c l d 一7 8 9 do ft l ea d v a n t e c ht og e tt h em u l t i c h a n n e ld a t a ，v bp r o g r a mw a s c o m p i l e dt oc o m p l e t em a n yf u n c t i o n ss u c ha s g e t t i n ga n dd i s p l a y i n go fr e a l _ t i m ed a t a ，c o n t r o l i n gt h ef b n l l e n t a t i o nt e m p e m t u r e ，s a v i n gt h eh i s t o r yd a t ae t c t h ea u t 王1 0 rm e a s u r e st l l e j m p o r t sa i l de x p o n sp a r 锄e t e r so ft h eb e e r t a n k j a c k c ta n dt h et e m p e r a t u r co fe a c hp o i n lf o rm e a s u r i n gt e m p e r a t u i n - t a n kd u r i n gt 1 1 ec o o l i n gp m c e s s ，w h i c hw 珊a f f o r de n o u g hd a t as 锄p l e sf o rt h er e s e a r c ho ft l l eb e e r t a n kh e a t - 仃a n s f e rm e c h a n i s m a n a l y z et 1 1 eh e a tt f a n s f e rm e c h a n i s mo ft h ec o n e s h 印e db e e rt a n k ，a n d d e t e m l i n a n ti ti s t l l en a t i l r a l c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ri nt h ec l o s e dc h 锄b e le s t a b l i s ht t l en a v i e r s t o c k sm a t h e m a t i cm o d e lo nt h eb a s i so ft l l em e c h a l l i s m a i l da n a l y s i st 1 1 et e m p e r a t u r en e l db yi i m i t e dd i f f b r e n c em e t h o da n df l u e n t t h ea u t h o rc o m p a r e st h em e a s u r e m e n tr e s u h sd u r i n ge x p e r i m e n tw i 协t h ec a l c u l a t e dr e s u l t s i ts h o w st h a tu s et h em e t h o do fg m g 舢a 1 1 dt h es o r w a r ef l u e n tc a nb o t hs i m u l a t et h et e m p e m t l l r ed i s t f i b u t i o no ft h eb e e rf e h n e m a t i o n l a l j s l r a c t 协血v e r yw e l l s ot h e yh a v eb e n e rv a l u et oi n d u s t r ya p p l i c a t i o n t h ea u t h o rs e t su pk n o w l e d g eb a s eb e t w e e nw a l lt e m p e r a t u r et oa n di n s i d eo 2mt e m p e r a t u r et 0 2 f o rg e 砸n gt 0 2b ym e a s u r i n gt oo nt h eb a s i so ft e m p e r a l ef i e l dd i s t r i b u t i o n n em e a l l i n go fe s t a b l i s h i n gt h ek n o w l e d g cb a s e 1 i e si n r e a l i z i n gm e 酌f r e e l e a s e m e n tb e c a u s et om a yb et h ec o m r o lv a r i a b l ea 1 1 dp 刚b nt h ec o n t r o lo ft h ef e h n e m a t i o nt e m p e r a n j r ei n s t e a do ft o 2 ， t h u sw a l lm e a s u r e m e n tr e p l a c e st h ec u t - i nm e a s u r e m e n ta n ds a n i t a t i o nb l i n d a n g l e sa r ee l i m i n a t e d t h eg e m l f k em e a s u r e m e n to ff e n n e n t a t i o nt e m p e r a t u r e i sr e a l i z e d d e v e l o pm ea p p l i c a t i o no fg at of e m e n t a t i o nt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 a d o p tg at oo p t i m i z et l l ep a r a m e t e ro f 仃a d i t i o n a lp i d t h e o p t i m i z e dc u r v e ri sp r o v e dt om e e tt h ed e m a n do ft h ei n d u s t r yb e t t e rw i 也q u i c k e ra n s w e rs p e e d 、s m a l l e ro v e f s h o o ta n dt h ed e v i a t i o nw i t h i n 土o 3 k e yw o r d s ：c o n e s h a p e db e e rt 甜山、g e m l f k em e a s l l r e m e n t 、t e m p e r a t u r e 行e l dd i s t r i b u t i o n 、k n o w l e d g eb a s e 、f e r m e n t a t i o nt e m p e m t u r ec o n t m l 、g e n e t i co u t i m i z a t i o n 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 啤酒工业的历史及在我国的发展 啤酒的历史非常悠久，若古书所载属实，那么恐怕4 0 0 0 年前的古埃及女王 就已经开始接触啤酒丁，只不过不是用来品酌，而是用以美容净面。公元前1 8 o o 年的世界卜最古老的法令汉摩拉比法典中已经非常明确的记载了关于啤 酒的刑法规定。1 8 世纪初，西方啤酒开始传入东方，进入我国。所以有些人认 为啤酒是舶来品，其实不然，我国也正是啤酒的发源地之。早在3 0 0 0 年前的 周代，我们的祖先就已掌握了麦牙酿酒技术。苟子礼论载：“飨尚玄尊， 而用酒、醴”。醴，即古代的啤酒。至于为什么后来失传，明代宋应星撰写的 天工开物云：“古来曲造酒，蘖造醴，后世厌味薄，遂至失传。”【1 】 改革开放以后，随着人们生活水平的提高，啤酒也逐渐开始在人们的日常 生活中扮演不可或缺的角色。政府也非常重视啤酒行业的发展，“七五”、“八五” 期间，我国对啤酒工业的发展都曾予以很大的支持，设立专项贷款，消化吸收引 进技术，促进了啤酒行业的发展。1 9 9 5 年以后，啤酒行业从高速发展期转入稳 定增长，保持每年8 0 1 0 0 万吨的增长，2 0 0 2 年啤酒生产量达2 3 8 6 万吨，超 过美国成为世界上啤酒生产和消费量最大的国家。目前，中国啤酒工业发展呈 现了新的特征：啤酒企业的规模不断扩大，集团化、规模化稳步发展，啤酒集 团加速了整合速度，啤酒出口量得到显著增加。从2 0 0 3 年中国的四大啤酒集团 的产量就均可达百万千升以上，而且在技术装备、产品质量上已基本与世界先 进企业同步l 。 啤酒的分类方法也很多，如根据麦汁浓度分类法、色泽分类法、包装容器 分类法、啤酒酵母性质、生产方式分类法等。不过，现在最常见的是根据啤酒 的杀菌方式分类，经瞬间高温灭菌，温度为7 2 ，灭菌时间为3 0 秒的灭菌方 法称之为巴氏灭菌，经过该灭菌过程的为熟啤酒，否则为纯生啤酒。 中华人民共和国国家标准g b 4 9 2 7 2 0 0 l 规定：生啤酒是不经过巴氏灭菌或 瞬时高温灭菌，而采异j 物理过滤方法灭菌，达到一定生物稳定性的啤酒。所谓 “生啤酒”，就是我们通常所说的“纯生啤酒”。可以这样理解，纯生啤酒是经 过纯净化酿造、无菌化过滤、无菌化罐装和未经过巴氏灭菌技术生产的啤酒。 纯生啤酒未经过巴氏灭菌的处理，可以最大程度的保持啤酒原有的新鲜口味和 营养物质。随着人们生活水平的不断提高，这种口感清新、口味纯正、营养丰 富的“酒中新贵”越来越受到广大消费者的青睐；3 “。 浙江大学顿士学位论文第一章绪论 1 2 纯生啤酒发展现状及目前的无菌生产工艺 1 2 1 纯生啤酒发展现状 纯生啤酒已算不上一种新兴的产品，在世界上较早开始生产纯生啤酒的国 家日本，自纯生啤酒推出以后，从2 0 世纪九十年代的4 5 上升到现代的9 5 。欧洲国家纯生啤酒产量也呈上升趋势，约占5 0 ，在德国的大多数啤酒厂 也不进行巴氏灭菌处理，啤酒过滤后只经过瞬时灭菌，就灌装，只有出口啤酒 j 进行巴氏灭菌处理。在我国，情形却不同，纯生啤酒生产量目前仅为总产量 的5 左右，这与我国总产量居世界前列的啤酒大国身份很不相符。我国纯生啤 酒酿造自起步以来，生产已有一定规模，专家也逐渐认识到，若能保证“优良 的原料、精良的设备、合理的工艺、科学的管理、高素质敬业的队伍”， 纯生 啤酒酿造远没有什么神秘而言1 3 “。国家有关部门已将纯生啤酒定为我国啤酒行 业更新换代的方向性产品而加以大力推广。 1 2 2 纯生啤酒的工艺流程为： 纯生啤酒生产过程主要包括糖化、发酵、过滤以及罐装等环节。 ( 1 ) 糖化 大米粉7 2 ( 3 0 分钟卜! 生! ! 兰0 1 0 0 ( 3 0 分钟) 麦芽糖3 8 4 0 ( 3 0 分钟! ! 塑坌壁- 6 托( 3 0 分钟l 旦兰盟+ 7 3 ( 3 0 分钟) 三二! 兰! ， 7 8 ( 碘榆卜+ 过滤+ 煮沸+ 沉淀槽卜冷却 ( 2 ) 发酵 压缩空气 酵母缸 l 充氧+ 发酵罐( 8 1 0 1 0 6 个m 1 ) 卜主发酵( 1 0 ) 斗 升温双乙酰还原( 1 6 ) 卜降温( 4 5 ) + 排酵母+ 降温贮酒( ，2 o ) ( 3 ) 过滤 离心斗硅藻土过滤 纸板过滤清酒缸低温膜过滤 ( 4 ) 无菌化罐装( 无菌化密封间进行) 窄瓶卜洗瓶卜检验斗装酒、压盖卜检验卜贴标 榆验 装箱- 成品 1 2 3 纯生啤酒无菌化生产技术 纯生啤酒并不只是单纯的依靠一套无菌化过滤和无菌化包装系统就能生产 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 出来的，它对啤酒生产的各个工艺环节都提出了更严格的要求”。在纯生啤酒 的生产过程中，最关键的生产环节是低温膜过滤及无菌化罐装，当然糖化、发 酵至清酒阶段的无菌化控制也非常重要。纯生啤酒的无菌化生产技术是一项系 统技术，在其生产过程中都要有严格的微生物控制手段，咀保证成品质量。 1 2 。2 1 糖化、发酵至清酒阶段的无菌化生产技术 糖化、发酵至清酒阶段的无菌化控制包括以下内容： 保持糖化设备、管道的清洁卫生，定期用在线清洗c i p ( c l e a l l i n gi n p l a c e ) 程序进行清洗，确保冷麦汁细菌总数三5 个1 0 0 m 1 。 保持麦汁管道、冷却器、发酵大罐的清洁卫生。确保麦汁管道、发酵 大罐洗涤残水细菌兰1 0 个m l 。 充氧所用压缩空气要定期检测，确保无菌化。所有空气管道、空气过 滤器、空气贮罐、每周用蒸汽灭菌一次，同时在各用气点上配以二级精滤器。 酿造用水和大罐、麦汁管道、鲜啤管道清洗用水，细菌总数三1 0 个l 0 0 m 1 。 经硅藻土过滤机粗滤后，其啤酒浊度应在o 6 e b c 以下。 纸板精滤机过滤前其酒液温度应降至一1 5 左右，以便于除去啤酒中 易浑浊成分。 现场管理人员，操作人员应始终保持无菌化生产概念。 1 2 2 2 低温膜过滤阶段的除菌技术 纯生啤酒不经巴氏灭菌，而采用低温膜过滤的，该低温膜过滤是纯生啤酒 的关键生产环节之。过滤中所用的微孔滤膜是用生物、化学稳定性很强的合 成纤维制成的。常用的材料有醋酸纤维、硝酸纤维、聚脂、聚矾、聚丙烯、尼 龙6 6 等，微孑l 采用径迹蚀刻法制成，孔径均匀，孔呈圆柱直桶状。滤膜完全用 其表面截流粒子，故过滤速度高，化学稳定性好，耐高温，可加热杀菌，酸、 碱清洗，机械强度高，柔韧好，可折叠。 生产纯生啤酒采用折叠式筒状薄膜滤芯，它具有表面积大、过滤面积大、 流量大的特点，可以按要求对滤芯进行组合，获得不同流量，操作中也容易更 换。滤芯由内层支持体、折叠膜、无纺织物保护层、连接口、密封圈等组成。 低温膜过滤工艺可以分为以下几个阶段： 准备阶段：大量冷水冲洗时间5m i n ，顺过滤方向，流量2 3m 3 h ； 完整性实验：以空气为实验介质检测过滤可能性故障，以确保过滤的安 全性； 过滤前杀菌：用热水( 8 5 9 5 ，3 0m i n ) 杀菌后，再用饱和蒸汽( i 浙j t 大学硕十学位论文 第一幸绪论 1 0 ，3 0m i n ) 杀菌，顺过滤方向； 过滤：杀菌后立即投入过滤，用c 0 2 将过滤器排空并用c 0 2 加压，结束 时，用c o 。或冷水将过滤器内啤酒压到残啤酒罐； 过滤后：每次过滤后用大量冷水冲洗； 化学药剂苒生：过滤后用2 的n a o h 溶液( 7 0 8 0 ) 清洗，然后用 大量冷水冲洗或用酸中和后再冲洗； 过滤操作结束：将过滤器排空，充入c o 。 低温膜过滤阶段的微生物控制：要求整个过滤系统保持无菌化状态，预 过滤后啤酒要求细菌总数三5 0 个m 1 ，有害细菌耋5 个向l ，终过滤后细菌总数 三5 个m l ，有害细菌为o 。 1 2 2 3 包装阶段的无菌化生产技术 纯生啤酒的包装也是纯生啤酒的关键生产环节之一。目前它的无菌化生产 包括以下措旌： 设置密封问，使得罐装压盖在密封问中进行，密封间通无菌化空气； 空瓶经洗瓶机清洗后，须光亮、清洁，瓶内积水不超过三滴，细菌总数 三5 个1 0 0 m 1 。 洗瓶机与罐装机之间的输送链要设原位清洗，所用润滑剂要含有灭菌 剂，输送链上部要设置瓶罩，以防止脏物进入瓶内： 装酒前，装洒机和压盖机内部先用7 5 碱水洗，再用8 5 热水灭菌， 最后用无菌化水冲洗，外部用洗涤剂清洗并用8 5 热水淋洗； 罐装过程中每隔1 h 对灌装机进行清洗，以防溅漏的酒液污染细菌。 洗瓶机所用倒冲水及罐装机备压c 0 2 应通过无菌化过滤。 1 3 啤酒发酵温度测量及控制的研究现状 1 3 1 发酵过程温度检测控制的特点： 啤酒发酵是一个生化代谢过程，糖化麦汁中的糖类分解成c 2 h 5 0 h 、h 2 0 以及双乙酰等多种代谢产物，这些代谢物的含量虽然微乎其微，却对啤酒的质 量和口感有很大的影响，发酵温度是决定啤酒口感、风味的一个关键指标。工 艺操作的控制主要是对温度、压力和时间变化的控制，如糖度的控制是由调节 温度来完成的，而时间、压力的控制，在一定浓度、酵母数量和活性的条件下， 也取决于发酵温度。在发酵过程中的不同阶段，酵母菌的活动能力不同，低温 发酵有利于降低脂类、高级醇等，使啤酒质量提高；高温发酵有利于发酵速度 的提高，提高设备利用率，提高产量。因此，啤酒发酵过程控制主要是对发酵 a 浙江大学颁十学位论文第一章绪论 温度的检测和控制。 啤酒发酵温度测控系统主要有以下几个特点： 大惯性大时滞。发酵过程，一方面由于发酵放热，另一方面通过冷却夹 套中通入冷媒( 液氨、乙二醇溶液等) 吸收生化反应热，以维持适宜的发酵温 度。从食品卫生考虑，发酵罐内部没有搅拌装置，热量交换仅通过对流方式进 行，因此大滞后和时变性是啤酒发酵生产过程最主要的特征。例如一个1 2 0 m 3 啤酒发酵罐温度响应的滞后时间一般会有5 3 0 m i n ； 时变性。发酵罐的温度特性主要取决于生化反应的剧烈程度，发酵过程 中，由于处于不同的发酵阶段加之麦汁浓度、酵母数量和压力等不确定因素对 系统随机干扰，都会造成酒体温度特性的变化，使发酵温度的的对象特性具有 明显的时变性。 强偶合和大时间常数。罐内主要是对流换热，使得上中下温度参数之间 存在严重的交叉耦合；发酵液体通过罐壁与冷却水进行热交换的过程比较缓慢， 发酵罐的体积大等导致该温控对象具有大时间常数。 对发酵温度准确度和精确度要求高。通过现场经验，若控制发酵温度在 给定温度的o 5 范围内，就能使酵母的繁殖和衰减，麦汁中的糖度消耗以 及双乙酰等杂质含量都达到最佳状态。 由于对发酵过程中物理、化学变化本质的在认识r f i 存在局限性，对诸如酵 母特性、原料特性等许多因素的变化都缺少在线或实时的获取手段，对于发酵 温度这样复杂的系统精确建模几乎是不可能的。 1 3 2 发酵过程温度测控系统现有方案 国内啤酒生产自动控制只有十年左右的历史，目前，国内啤酒生产的控制 水平基本上可以分为四个水平： 1 完全手动操作方式。以单纯的手工测控或采用模拟屏配合气动仪表使用 为主要特点。该方式工人劳动强度大，发酵温度受人为因素影响较大，啤酒质 量不稳定，生产效率低下。 2 半自动控制方式。阀门多采用气动或电动自动阀门，采用诸如数据采集 器等手段采集各种过程量进入控制室，一般设有马赛克模拟屏或上位机。这种 方式可减轻工人劳动强度，控制效果不理想，系统的故障率高，可靠性差，实 际应用效果欠佳。 3 d c s 控制方式。下位机采用进口p l c ，上位机人机界面采用工控组态 软件，上、下位机通过网络连接，并可接入工厂管理网络，系统的可靠性高、 控制效果理想、故障率低，但硬件投入大、成本高。 4 p c 机+ 数据采集卡方式。插在工业p c 机插槽中的数据采集卡通过相 浙江大学硕f j 学位论文 第一章绪论 应的变送器完成过程控制中的各种外围信号的采集，p c 机作为上位机完成集中 管理：在p c 机画面上显示各种过程参数，同时控制阀门等设备的启停来满足 工艺生产要求。这种测控方案能在一定程度上解决啤酒生产过程控制的问题， 目前在国内也有较广泛的应用。尤其对于实验研究而言，p c 机+ 数据采集卡方 式是信价比最高的选择【9 l o 1 3 3 发酵温度测控现状及存在的问题 传统上啤酒发酵温度一般是采用普通p t 热电阻进行插入式测量的。p t 热电 阻用于发酵温度测量时，由于发酵温度的变化区间小，p t 热电阻对小范围测温 没有优势：而且由于发酵罐内的潮湿环境，使得热电阻保护套管内存在严重的 结露现象，接线端子也会产生接触电阻，总之存在诸多因素影响p t 热电阻的测 温精度，使得发酵温度的实际测量误差很大，严重的制约了自动化技术在该领 域的应用m j 。 近年来由于纯生啤酒的无菌化生产，对发酵罐而言，就要求罐内光滑平整 无清洗死角，发酵罐内就不能有任何插入物件。有学者提出了以端面温度计代 替传统的插入式温度计测量罐内液体温度的 设想。所谓端面温度计【8 】，就是一种紧贴壁 面安装的无需插入到被测对象容器的温度 计，如图1 1 所示。但是考虑到发酵罐是一个 大容量系统，发酵罐内温度在整个发酵过程 中的分布情况、端面温度与传统上插入到罐 内的温度点之间的温差以及引起的控制品质 上的差别究竟如何等问题，就显得很重要。 此外，在实际啤酒发酵过程中，在发酵罐壁 上设置有上、中、下三段冷却套，相应的安 装了三个温度测点。由于热交换和生化放热 以及罐内的自然对流，罐内的温度分布极其 复杂，从机理上难以建模，加之缺乏系统研 究的实验装置，目前国内外对这方面的研究 也比较欠缺，所以，发酵罐内不同位置的测 图1 1 端面温度计安装示意图 温点之间不同工况下的温差关系以及不同测温点进行温度控制时的品质差别一 直缺乏理论指导。过去虽然有一些企业和学者作过这方面的实验，但限于当时 的条件，缺乏强有力的实验方法和手段，实验数据缺乏可比性和真实性，难以 作为可供参考的数据确凿的资料。 浙 t 大学顾士学位论文 第一章绪论 所以由于以上各种原因，目前国内绝大多数啤酒厂仍然保留着p t 热电阻测温 和单一p i d 控制的生产状态。众所周知，p i d 是自动控制领域中影响最为深远的 一类控制规律，它在一定程度e 综合了过去( i ) 、现在( p ) 和将来( d ) 的信息，对于 理想的无滞后对象的p i d 控制器的参数整定问题，迄今为止已有很多种方法及公 式，如z i e g l e r - n i c h o l s ( z - n ) 、c o h e n c o o n ( c c ) 整定公式1 3 4 ，3 5 j ，但这些整定方 法除了依据动态性能、控制目标外，更多的还要取决于经验技巧，特别是对存在 大时滞和不确定的复杂对象而言，理论和实践存在着明显的差距。从以上分析可 看出，啤酒发酵温度这一对象特性具有大时滞性、不确定性以及强耦合等特点， 对于这样复杂的系统，单纯使用p i d 控制很难取得另人满意的控制精度和鲁棒性， 难以保证啤酒的质量。 随着生产水平的提高，发酵过程的控制要求也趋于多样化。从发酵机理的角 度出发，发酵过程有微生物的参与，由于发酵温度直接影响发酵罐中微生物的生 长、繁殖和代谢，因此发酵温度必须控制在工艺要求的范围内，而且对发酵温度的 控制必须平稳，避免降温过激。从能耗角度出发，要求发酵过程中的能耗小，从设 备维护角度出发，要求丌电磁阀门的频率低，以延k 关键部件的使用寿命发酵 罐又具有非线性、不确定、时变和大惯性的特性，因此控制器参数的调整变得非 常复杂。 随着智能控制的发展，目前许多学者都积极进行多种尝试，模糊控制j 、神 经网络控制、专家系统、蚁群、多模态控制1 田等先进算法都被应用于发 酵这一复杂过程的控制和优化，有的己经在实际中应用并取得了很好的控制效 果。目前p i d 参数的优化方法有很多，如间接寻优法，梯度法，爬山法等，而在 而在热工系统中单纯形法、专家整定法则应用较广。虽然这些方法都具有良好的 寻优待性，但却存在着一些弊端单纯形法对初值比较敏感，容易陷入局部最优 化解，造成寻优失败。专家整定法则需要太多的经验，不同的目标函数对应不同 的经验，而整理知识库则是一项长时问的工程。 所以，无论从食品安全的无菌化生产的角度，还是保证高档啤酒的质量， 以及生产中诸如能耗、设备的使用寿命等多样化要求讲，研究如何改进和优化 啤酒发酵温度检测与控制策略具有很大的现实意义。 1 4 课题的提出及本文的主要内容 随着人们生活水平的提高，对啤酒质量、口味的要求越来越高，促使许多 大型啤酒企业相继推出自己的纯生啤酒。而纯生啤酒的制作，必须严格控制微 生物含量，所以对整个生产过程都要求采用无菌化生产技术。目前纯生啤酒生 产过程中的低温膜过滤、糖化、发酵至清酒及罐装阶段的无菌化生产技术已经 比较成熟( 本章前面内容介绍) ，但对于发酵罐内发酵温度的无菌化测量目前还 浙江大学顾士学位论文第一章绪论 未见比较成功的报道。目前在啤酒1 ：业生产中温度测量多采用传统的插入式测 量方法( 即将p t 热电阻插入发酵罐内部进行温度测量) ，势必会造成许多清洗 死角，给纯生啤酒的生产带来许多安全隐患，不适合纯生啤酒无菌化酿造的要 求。针对这种现状，着眼于无菌化的壁面测量正受到越来越多的关注。 无菌化测量是一种紧贴壁面安装的无需插入被测对象容器的测量方法，可 以较少的甚至不产生由测量仪器引起的清洗死角。锥形啤酒发酵罐无菌化测温 的研究和应用才刚冈4 起步，主要是因为现场发酵过程的内部机理非常复杂，对 于发酵罐内部的温度场分布目前还缺乏精确的定量的数学描述手段。本研究从 锥形发酵罐的实验室装置出发，利用数值计算方法及f l u e n t 应用软件分析了 发酵罐内部温度场的分布情况，并在此基础上利用模糊框架知识表示方法建立 了壁面温度t 0 和罐内o _ 2m 处的温度t o2 ( 发酵温度控制中的控制量) 之间关 系的知识库。这样由此知识库就可以通过测量壁面温度t o ，而得到罐内部温度t o2 ，实现了由t o 代替t o2 作为该发酵温度测控系统的控制量，对罐内温度进行 控制。为满足发酵控制的多样化要求、改善单一p l d 控制的控制精度和鲁棒性 问题，本文采用了遗传算法对p i d 的控制参数进行优化，经证明可达到较好的 控制效果。 本文的主要内容如下： 第一章：绪论。介绍了纯生啤酒与传统啤酒的主要区别，详细介绍纯生啤 酒无菌化生产技术以及啤酒发酵温度控制的研究进展和现状，提出了本文的研 究内容，并给出了本文的创新之处和总体框架。 第二章：介绍了本研究中所搭建的实验系统。主要包括机械和控制两个部 分。 第三章：研究了发酵罐内温度场分布情况。分析发酵罐内传热机理为大空 问自然对流传热，在此基础上建立物理模型，应用n 撕e r s t o c k s 数学模型， 采用控制容积法对方程以及边界条件进行离散化处理，对控制体划分均匀交错 网格，运用v i s u a lf o n r a l l ( v f ) 锥形啤酒发酵罐温度分布数值计算程序，及f l u e n t 软件对锥形啤酒发酵罐冷却过程中发酵液的温度场进行计算，将计算的 结果用实验所得数据进行检验。 第四章：根据第三章中的分析结果，建立了表达壁面温度t o 与发酵罐内部 温度之间关系的知识库，本装置是用罐内o 2m 处的温度t o2 作为发酵温度控 制量的，所以知识库中建立的就是壁面温度t 0 与罐内0 2m 处的温度t o 2 之 间的关系。以此知识库可通过壁面温度t o 的测量得到发酵罐内部温度t o2 ，代 替t o2 进行发酵温度的控制，实现了发酵温度的无菌测量。 第五章：研究了发酵温度控制技术，采用遗传算法优化p i d 控制参数。 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 第六章：总结与展望。总结全文的研究成果和创新之处；并对今后的工作 提出了展望。 1 5 本章小结 本章介绍了啤酒发展的历史和现状； 综述了纯生啤酒无菌化生产技术的研究进展和现状； 综述了啤酒发酵温度测量和控制技术的现状； 探讨了本课题的研究背景和意义，在此基础上提出了本文的研究内容、创 新点，并给出了全文的总体框架。 第一章绪论 u 第一：章实验装置及硬件系统和软什实现 ! 第三章锥形啤酒发酵罐温度场分布的研究 u 第四章温度场分布知识库的建立 u 第五章发酵温度p i d 控制参数的优化 i 第六章总结与展望 浙江人学硕士学位论义第二章锥形发酵罐光茁化测量反控制实验系统的研制 第二章锥形发酵罐无菌化测量及控制实 验系统的研制 近年来，随着纯生啤酒在国内的迅速发展以及整个生化行业在国民经济生 活中所扮演的角色越来越重要，从食品安全角度考虑，传统的p t 热电阻插入测 温方式，因为会带来清洗死角，存在食品卫生安全隐患，已不能很好的满足纯 生啤酒无菌化生产的需求；另外生产更高质量的产品以及延长设备使用寿命等 多样化要求也强烈呼吁一种新型有效的智能控制方法被应用于啤酒行业。基于 这些原因探索出一条在现场切实可行的可以实现发酵温度无菌化测量和高效控 制的途径日益成为啤酒等生化行业的研究热点。 本文作者也在此方面进行了一些研究工作，并经实验装置和仿真结果证明， 取得了一定的成绩。为进行研究，设计、搭建了一套啤酒发酵罐系统的实验装 置，在本章将对该实验装置进行详细的介绍。 2 1 实验装置的总体设计思想 该装置必须考虑到实验室实际情况又能充分模拟工业发酵过程【9 l ，所以有 以下几点需要考虑：首先，工业发酵考虑到产量，所用的发酵罐容积一般都有 1 0 0 2 0 0 m 3 ，大型啤酒厂所用的罐容可达4 0 0 6 0 0 m 3 ，而实验研究不能等同于 工业生产，实验时不需要考虑产量问题，只要能够模拟发酵过程就可以了，而 且实验室空间有限，因此，发酵罐的实际大小可以根据实验室的大小决定。其 次，实际发酵所用的物质是经过糖化过程之后生成的麦汁，麦汁接种酵母开始 起酵，在实验研究时麦汁和酵母却不是随时都能够得到的，所以实验中不可避 免只能用其它物质来替代，例如用水。此外，工业发酵罐在罐壁装有上、中、 下三段冷却套，相应的安装了 、中、下三个测温点，且每个测温点仅测罐内 一点温度。这对于研究发酵罐内温度分布来说显然是不够的( 这也是为什么不 在啤酒厂做实验研究的重要原因之一) 。实验时为了能够研究发酵罐内的温度分 布情况，设计时在发酵罐上需多留几个插孔，便于多点测温，而且在每个插孔 处尽量能测量罐内同一径向不同深度的温度，以便于研究温度分布情况。本套 装置分为机械和控制两大部分。实物图2 1 所示。 2 2 实验装置机械部分 本套实验装置的机械部分主要由发酵罐、制冷装置、加热装置以及其他辅 助设旎如泵、电磁阀、阀门各种表计等设备组成。发酵罐为主要研究对象，通 - 9 一 浙江大学硕士学位论文第二章锥彤发酵罐无菌化测量及控制实验系统的研制 过制冷、加热装置对循环媒质进行冷却、升温，循环媒质经发酵罐上、中、下 三段夹套与发酵罐进行换热，温度的调节可以通过控制每个进出口管道上的电 磁阀的丌关时间来实现。实验装置机械部分的设计图为2 2 所示。各组成部分 介绍如下： 图2 1 实验装置实物图 1 啤酒发酵罐2 乙二酵溶液夹套 3 电磁阀4 三通球阀5 盘管式蒸发器 6 压缩机 7 风冷式冷凝器8 热力膨胀阀9 储液罐1 0 水泵 图2 _ 2 机械部分设计图 浙江大学顾士学位论文第二章锥形发酵罐无菌化测量及控制实验系统的硼涮 2 2 1 发酵罐 发酵罐是本实验研究的对象，因此它的设计是本套装置最重要的部分。根 据总体设计思想，量身定做了一个容积为8 0 0 l 的不锈钢发酵罐，其中筒体直径 为8 0 0 m m ，罐体高度为1 2 0 0 m m 。下罐体( 即锥形部分) 高度为3 2 d = 6 9 2 肋雄， 其中d 为简体直径，夹角为6 0 。其冷带分为上、中、下三段，具体位置参看 图2 2 ，冷媒为乙二醇水溶液( 一6 一1 0 ) 。温度传感器的安装位置如图2 5 所示。图中t 。、t 。、t 。分别代表了壁面温度、发酵罐内0 2 m 、发酵罐内0 4 m 处的温度。整个发酵罐共九处插孔，每个插孔安装了一个特制的护套管，其 上可以安装t 0 、t 。、t 。三个温度测点，所以发酵罐上共安装了2 7 个测点。特 制护套管的结构可参看示意图2 3 。 图2 _ 3 特制护套管结构示意 图2 4 常用护套管示意图 图2 5 发酵罐上传感器安装示意图 2 2 2 测温传感器及电磁阀 ( 1 ) 测温传感器a d 5 9 0 0 1 本研究中采用的温度传感器是美国模拟器件公司生产的一种高性能、高灵 敏度的电流型二端器件a d 5 9 0 ，其特点及性能如下： 1 ) 输出阻抗高达1 0 mq 以上，能很好地消除电源的变动和交流波纹对系 统的影响。 2 ) a d 5 9 0 是已作过校正的二端温度传感器，直流工作电源为4 3 0 v ，不 需要线性补偿和零点补偿等外围器件。 浙江大学硕士学位论文 第一章锥形发酵罐无菌化测量及控制实验系统的研制 3 ) 芯片上的薄膜电阻已经过了激光修正，故器件互换性好 4 1 正向电压最高可达4 4 v ，反向耐压可达2 0 v ，因此，即使工作电压接反， 也不易损坏器件，一般工作电压选+ 15 v 。 5 1a d 5 9 0 给出的温标是热力学温标和国际实用温标的温度单位，其符号 为t ，单位为k ( 开尔文) 。也可用摄氏温度表示，符号为t ，单位为，t 与t 的关系是t = t 一2 7 3 1 6 。在实验中所涉及的量程下，a d 5 9 0 具有标准化( 1 r n a 服) 的输出，输出与温度是非常好的线性化关系。而且a d 5 9 0 输出的是电流信 号，更便于远距离传输，且不会因为激励电压的降低和噪声电压面产生不允许 的误差。 与其他温度传感器相比集成温度传感器a d 5 9 0 有两方面的优点： 一方面，由于在一定温度范围内a d 5 9 0 是一个具有高输入阻抗的电流输 出传感器，其电流温度灵敏度为lm a k ，所以它在长线传输过程中对电压不 敏感，抗干扰能力强，图2 6 所示为a d 5 9 0 在三个不同温度下的电流电压典型 的特性曲线。另一方面，由于a d 5 9 0 是一个两端温度传感器，仅需4 3 0 v 直 流工作电压，不需要昂贵的传送器，滤波器和线性化电路，使其成本降低。此外， 它有一致性好，容易互换，所需功率较小，对电流电压及纹波漂移不敏感等优 点。同时可用最少的引线将许多a d 5 9 0 的信号引到测量仪表或计算机上，适合 于多点温度测量。 础 输棚 出 电瑚 流剞8 工 供电电址v 图2 6a d 5 9 0 电压电流典型特性曲线 ( 2 ) 电磁阀 电磁阀与传统的调节阀相比，具有体积小、重量轻、控制简单等优势，是 目前工业生产常用的控制装置。本套装置采用d f 2 型二通不锈钢电磁阀，适用于 无压差的场合，工作压力为0 o 8 m p a ，适用空气、水、油、煤气等介质。采 用“定频调宽”控制策略，通过开关量控制电磁阀开关的时间间接控制冷却液 的流量，同样达到控制罐内温度的目的，省却了模拟量输出模块。 浙江大学硕上学位论文第。：章锥形发酵罐无菌化测量及控制实验系统的研制 2 2 3 制冷、加热系统简介 为了保证啤酒发酵期间的温度要求，国内绝大多数生产厂都采用问接供冷 方式即用乙醇一水混合液作为载冷剂，用它调节和控制发酵期间啤酒的温度。 乙醇一水混合液的温度一般控制在4 左右。国内大多数啤酒厂采用的发酵罐 冷却系统如图2 7 所示，液氨在蒸发器内吸热蒸发，冷却酒精水池内的酒精水， 酒精水用泵注入发酵罐夹套冷却罐内发酵液，吸收罐内热量温度升高后，酒精 水回到酒精水池重新被冷却降温。液氨在蒸发器内吸热蒸发后变成气氨，经气 液分离器分离后，气氨吸入压缩机压缩，再经冷凝器冷凝成液氨进入液氨贮罐。 贮罐内的液氨又进入蒸发器吸热蒸发，如此循环。由图2 8 可见发酵罐冷却系 统有两种介质循环，即液氨吸热蒸发循环系统和冷却发酵罐的酒精水循环系统。 图2 7 制冷系统实物图 制冷系统中还涉及到压力信号、流量以及冷带进出口温度信号的测量，用 于后面温度