发酵罐温度控制系统的设计.doc

内蒙古科技大学过程控制工程课程设计说明书题 目：发酵罐温度控制系统的设计学生姓名：邹吉朋学 号：0967112307专 业：测控技术与仪器班 级：2009-3指导教师：李刚目录前 言1发酵工艺背景31.1发酵罐的发酵原理31.2为什么进行温度控制41.3温度对发酵的影响5啤酒发酵罐温度控制系统设计62.1控制思路6 2.2 硬件控制.7 2.3控制系统.8 总结9参考文献9前 言发酵工程是应用生物（主要是微生物）为工业大规模生产服务的一门工程技术，也称微生物工程。发酵工程是包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但应用于生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且还可以生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。发酵反应器（发酵罐）是发酵企业中最重要的设备。发酵罐式必须具有适宜于微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高产量。例如，发酵罐的结构应尽可能简单，便于灭菌和清洗；循环冷却装置维持适宜的培养温度；由于发酵时采用的菌种不同、产物不同或发酵类型不同，培养或发酵条件又各有不同，还要根据发酵工程的特点和要求来设计和选择发酵罐的类型和结构。通风发酵设备要将空气不断通入发酵液中，供给微生物所需的氧，气泡越小，气泡的表面积越大，氧的溶解速率越快，氧的利用率也越高，产品的产率就越高。通风发酵罐有鼓泡式、气升式、机械搅拌式、溢流喷射自吸式等多种类型。机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂常用的类型之一，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和賿液充分混合促使氧在賿液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气，同时强化热量传递。无论是微生物发酵、酶催化或动物植物细胞培养的微生物工程工厂都应用此类设备，占目前发酵罐总数的70%80%，常用语抗生素、氨基酸、有机酸和酶的发酵生产。机械搅拌通风发酵罐是属于一种搅拌釜式反应器，除用作化学反应和生物反应器外搅拌反应器还大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸传热等操作。搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。加班容器包括筒体、换热原件及内构件、搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。啤酒是世界上产量及消费最大的一种酒，特别是北美及欧洲国家的总产量及人均消费量均居世界前列，我国随着改革开放现代化建设，人民生活水平不断断提高，啤酒己成为人们的时尚饮品，市场的宠儿，生产直线上升，进入九十年代后产量逐年增加，目前已成为仅次于美国的世界第二大啤酒产销国，令世界啤酒界人士刮目相看。但是我国人均啤酒消费水平只有8升，仅相当于世界水平的1/3差距很大，因此说我国的啤酒工业有很大的发展潜力。在啤酒生产过程中发酵是一道关键工序，除生产工艺水平外，生产工序控制指标的好坏将直接影响啤酒的质量。为此，对啤酒生产的发酵工序提出计算机监控技术，使啤酒生产集控制与数据管理于一身，能够适应当前现代化生产的需要，使啤酒的质量及企业的自动化程度有较大的提高。 所以我选择利用PLC实现啤酒发酵罐温度的自动控制的选题。为了提高啤酒发酵温度控制精度，简化啤酒温度控制过程，使用效果好且性能稳定可靠，编程简单，具有非常现实的意义。同时我个人可以通过这次设计更加巩固PLC知识，更好地掌握梯形图等编程。熟悉啤酒的制造工艺及过程，并通过此次设计锻炼将理论应用于实际的能力。发酵工艺背景1.1发酵罐的发酵原理（1）主发酵 又称前发酵，是发酵的主要阶段，也是酵母活性期，麦汁中的可发酵性糖绝大部分在此期间发酵，酵母的一些主要代谢产物也是在此期内产生的。发酵方法分两类，即上面发酵法和下面发酵法。我国主要采用后种方法。下面重点介绍下面啤酒发酵法。加酒花后的澄清汁冷却至6.58.0，接种酵母，主发酵正式开始。酵母对以麦芽糖为主的麦汁进行发酵，产生乙醇和CO2，这是发酵的主要生化反应。主要步骤如下：用直接添加法添加酵母 在密闭酵母添加器内将回收的酵母按需要量与麦汁混匀（约1:1），用压缩空气或泵送入添加槽内，适当通风数分钟。酵母添加量 添加量常按泥状酵母对麦汁体积百分率计算，一般为0.50.65，通常接种后细胞浓度为800万1200万个/ml。接种量应根据酵母新鲜度，稀稠度，酵母使用代数、发酵温度、麦汁浓度以及添加方法等适当调节。若麦汁浓度高，酵母使用代数多，接种温度及酵母浓度低，则接种量应稍大，反之则少。发酵第一阶段 又称低泡期。接种后1520小时，池的四周出现白沫，并向中间扩展，直至全液面，这是发酵的开始。而后泡沫逐渐培厚，此阶段维持2.53天，每天温度上升0.91，糖度平均每24小时降1Bx。发酵第二阶段 又称高泡期。为发酵的最旺盛期，泡沫特别丰厚，可高达2530cm。由于麦汁中酒花树脂等被氧化，泡沫逐渐变为棕黄色。此阶段23天，每天降糖11.5。发酵第三阶段 又称落泡期。高泡期过后，酵母增殖停止、温度开始下降，降糖速度变慢，泡沫颜色加深并逐步形成由泡沫、蛋白质及多酚类氧化物等物质组成的泡盖，厚度25cm。此阶段2天，每天降糖0.50.8。当12度酒糖度降至3.84Bx时，即可下酒进入后发酵。（2）后发酵后发酵又称贮酒，其目的是完成残糖的最后发酵，增加啤酒的稳定性，饱充CO2，充分沉淀蛋白质，澄清酒液；清除双乙酰、醛类及H2S等嫩酒味，促进成熟；尽可能使酒液处于还原状态，降低氧含量。下面介绍下面啤酒发酵法的后发酵。下酒 将主酵嫩酒送至后酵罐称为下酒。下酒时，应避免吸氧过多，为此先将贮酒罐充满无菌水，在用CO2将无菌水顶出，当CO2充满时再由贮酒桶底部进酒液。此外，要求尽量一次满罐，留空隙1015cm，以防止空气进入酒液。如果酒液被CO2饱和，由于有CO2溢出，氧则难溶于酒液中。否则啤酒中存在过多的溶解氧易引起氧化混浊，并产生氧化味。管理 下酒后，先开口发酵，以防CO2过多，酒沫涌出，23天后封罐。下酒初期室温2.83.2，若是外销酒，一个月后逐渐降至01。温度前高后低目的在于先使残糖发酵，随后澄清。注意不能将不同酒龄的酒液共存一室，否则温度要求互相矛盾，无法控制室温。一般老工艺12Bx外销酒贮酒时间为6090天，内销酒为3540天。贮酒期间，用烧杯取样观察，通常714天罐内酵母下沉。若长期酒液不清，应镜检。若是酵母悬浮，则是酵母凝聚性差；若是细菌混浊，则属细菌污染，通常无法挽救，只能排放；若是胶体混浊，原因是麦芽溶解度差，糖化蛋白分解不良，煮沸强度不够，冷凝固物分离不良等因素造成。1.2为什么进行温度控制在发酵过程中会有很多发酵热的产生：发酵热的产生是产生热能的散失热能的综合结果，是引起发酵温度变化的原因。发酵过程中产生的净热量称为发酵热。发酵过程中的菌体对培养基德利用，氧化分解有机物质，机械搅拌，发酵罐壁向外散热，水分蒸发等都会产生热量交换，综合起来就是发酵热。现将这些产热和放热的因素分述如下。（1）生物热产生菌在生长繁殖过程中产生的热量，称为生物热。这些产生的生物热一部分用来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动需要，一部分用来合成代谢产物，其余部分已热量形式，散发出来。生物热的大小随培养基成分和菌种的变化而变化；随培养时间的不同而不同；与菌体的呼吸强度有对应关系，呼吸强度越大产生的生物热越大。（2）搅拌热搅拌器转动锁引起的液体之间、液体与设备之间的摩擦所产生的热量，即搅拌热。（3）蒸发热空气进入发酵罐与发酵液广泛接触后，引起水分蒸发所需的热能，称为蒸发热。这部分热量在发酵过程中先以蒸汽形式散发到发酵罐液面，再由排气管带走。（4）辐射热由于管外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向大气辐射的能量，即辐射热。辐射热的大小取决于罐内外温度差。发酵热在整个发酵过程中随时间而变化，引起发酵温度发生波动，为了使发酵能在一定温度下进行，一定要控制发酵温度。1.3温度对发酵的影响微生物药品发酵所用的菌体绝大多数十中温菌，如丝状真菌、放线菌和一般细菌。它们的最适生长温度一般在2040摄氏度。在发酵过程中，应维持适当温度，以使微生物生长代谢顺利进行。由于微生物的种类不同，所具有的酶系及其性质也不同，因此所要求的温度也不同，如细菌的生长温度大多比霉菌高。有些微生物在生长、繁殖和合成代谢产物等各个阶段的最适温度是不同的。因此，要想获得最高的发酵单位，在发酵的各个阶段要调整发酵温度。处于迟缓期的菌体对温度十分敏感，因此，最好在其最适生长温度范围内对其进行培养，这样可以缩短延滞期和包子萌发时间。通常情况下，在最适温度范围内提高对数生长期的温度，有利于菌体的生长。例如，提高枯草杆菌前期的最适温度，对该菌的生长产生了明显的促进作用。温度变化对发酵过程可产生两方面的影响：一方面是影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质；另一方面是影响发酵液的物理性质。温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q10）（每增加10摄氏度，化学反应速度增加的倍数）来表示，在不同温度范围内，Q10的数值是不同的，一般是23，而酶反应速度与温度变化的关系也完全符合此规律，也就是说，在一定范围内，随着温度的升高，酶反应速率也增加，但有一个最适温度，超过这个温度，酶的催化活力就下降。温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合成的酶反应的影响往往是不同的。啤酒发酵罐温度控制系统设计2.1控制思路 利用PLC实现啤酒发酵罐温度的自动控制 (1) 被控对象啤酒发酵是在发酵罐中静态进行的，它是由罐体、冷却带、保温层等部件组成。发酵罐的形状一般为圆锥状，容积较大，大部分在100m3（我国的啤酒发酵罐容积在120m3500m3）以上。啤酒发酵要严格的按着工艺曲线进行，否则就会影响啤酒质量。为了有利于热量的散发，在发酵罐的外壁设置了上、中、下三段冷却套，相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内的冰水流量以实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量，相应有3个冷媒阀门，通过控制流过冷却带的冷媒流量，控制发酵罐的温度。在发酵的过程中，温度在不断的升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环使罐内的温度降下来。当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发酵过程大约20多天完成。因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。(2) 啤酒发酵温度曲线啤酒发酵工艺曲线如图1所示，包括自然升温、高温恒温控制、降温及低温恒温控制等三个阶段。在前期的自然升温阶段基本上不需要加以控制，这是由于啤酒罐发酵过程中，升温是靠发酵本身产生的热量进行的，任其自然升温；在恒温阶段，通过控制冷媒开关阀，保持发酵罐内温度恒定；在降温阶段，通过控制冷媒开关阀，以指定速率降温。 典型啤酒发酵曲线根据以上要求，设计以PLC为核心的啤酒发酵控制器。每个控制器控制一个发酵罐。具体的温度控制采用PID 算法实现。PID控制以其简单可靠、容易实现、静态性能好等优点而广泛应用于实际工业过程中。2.2 控制系统的硬件实现发酵过程PLC控制系统结构如图2所示，由SIEMENS S7系列PLC（控制站）和若干台IPC（操作站）组成。该系统采用3级总线结构：底层链路为PROFIBUS-DP总线，连接远程I/O机架，负责PLC、CPU与分布式I/O站点的连接，现场设备就近连接到分布式I/O机架上。发酵罐群PLC控制系统结构图 控制站（下位机）下位机系统只需配置一套S7-200或者S7-300PLC系统（根据系统规模而定），主要实现数据采集、自动控制、遥控和联锁等功能。下位机系统具有可靠性高、扩展方便的特点。 操作站（上位机）上位机系统由两套以上的工业控制计算机结合相应的通信接口设备构成。2.3控制系统组成温度是工业生产中主要的被控参数之一。温度控制系统组成框图如图3所示。图中的控制器即为PLC，它按PID控制规律来设计控制程序。PID调节器的输出量变换成PWM脉宽调制量，用于控制PLC的输出继电器，从而控制啤酒发酵罐的冷媒开关阀。 温度控制系统组成框图温度测量元件采用线性度好且时间常数小的铂电阻来测量发酵罐温度，经温度变送器把温度转换成与其成比例的电压。V/F转换器的作用是将温度转换器输出的电压转换成与其成比例的频率，该频率代表发酵罐内的实际温度。用PLC内的高速计数器记录此频率，以便和温度的给定值相比较产生误差信号。啤酒的发酵工艺过程共有十多天时间，最重要的环节是控制每个时间段发酵罐内不同的发酵温度，我们根据发酵工艺的要求，设计出发酵温度-时间曲线，输入可编程序控制器，使系统自动根据不同时间段的温度给定值进行调节。整个系统主程序流程图如图所示。 控制主程序主程序开始先计算出实际该罐啤酒的发酵时间，然后取出该段时间对应的标准温度值，将标准温度值与实际温度值比较，若相等则再次回到主程序入口进行下一轮的标准值查找，若不相等则系统由CPU计算出相应的PID系数，输出信号控制电磁阀，用电磁阀控制的气打开或关闭冷媒阀，进行温度调节。总结 在啤酒发酵这一重要环节中，温度变化是主要因素。发酵温度控制的好坏，将直接影响啤酒的质量。在发酵控制方法方面有人工控制器和以PID控制为代表的传统控制方法，正在兴起以专家系统为代表的智能控制方法。目前存在的发酵过程温度控制策略有时变性、大滞后等特点，针对啤酒发酵过程的时变性、大滞后等特点，决定利用PLC控制的方法提高啤酒发酵温度的控制精度，又具有形式简单易于操作的特点。参考文献【1】韩德权. 发酵工程. 哈尔滨： 黑龙江大学出版社，2008