一種醬油釀造裝置的參數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計

劉 韻

(重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 401520)

醬油釀造過程是一系列復(fù)雜生物化學(xué)反應(yīng)過程，整個釀造過程涉及到微生物細(xì)胞的生長以及微生物的代謝。釀造過程可近似表達(dá)成具有時變性、多輸入、多輸出以及隨機(jī)性的動態(tài)變化過程。在醬油釀造過程中，相關(guān)過程變量主要包括醬油基質(zhì)濃度、微生物濃度、產(chǎn)物濃度以及釀造轉(zhuǎn)化率，對影響釀造品質(zhì)的相關(guān)過程變量進(jìn)行有效控制具有一定難度[1]。這些生物過程變量直接反映醬油釀造過程狀態(tài)信息，在醬油釀造過程中主要控制與釀造質(zhì)量有關(guān)的變量，如環(huán)境溫度、pH 值、通氣量等，各時變變量之間發(fā)生復(fù)雜的相互作用，難以建立精確的釀造機(jī)理模型[2]。

現(xiàn)有的醬油釀造控制系統(tǒng)主要采用常規(guī)的PID控制率實(shí)現(xiàn)過程控制[3]?？梢岳媚：刂葡到y(tǒng)對醬油釀造過程進(jìn)行控制，形成釀造過程的控制經(jīng)驗知識，總結(jié)成釀造控制過程知識庫，并建立一些行業(yè)規(guī)則，由于基于模糊控制形成的過程知識庫數(shù)據(jù)龐大，進(jìn)行精確過程控制具有一定難度[4]?，F(xiàn)有的包含遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的在線優(yōu)化軟件包，可以實(shí)現(xiàn)醬油釀造過程控制，但該控制系統(tǒng)對醬油釀造過程模型是否正確具有依賴性[5]。由于醬油釀造過程為時變動態(tài)變化過程，使得現(xiàn)有控制方法建立的控制模型和控制方案在實(shí)際應(yīng)用中難以滿足動態(tài)過程要求，使得醬油釀造過程控制系統(tǒng)無法穩(wěn)定有效執(zhí)行。

以控制醬油釀造環(huán)境參數(shù)為控制研究對象，確保在醬油釀造過程中環(huán)境適宜微生物的生長代謝，以提高醬油的釀造率。采用系統(tǒng)參數(shù)控制的方法，分析醬油釀造過程中影響產(chǎn)量的相關(guān)環(huán)境參數(shù)，如環(huán)境溫度和pH值等，并找出影響環(huán)境參數(shù)變化各影響因素之間的相互關(guān)系，對醬油釀造過程系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行仿真，得出建立醬油釀造過程參數(shù)控制系統(tǒng)模型穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、容錯性能好。參數(shù)控制系統(tǒng)很好地控制了醬油釀造過程環(huán)境參數(shù)，并提高了醬油釀造的產(chǎn)量。

1 參數(shù)控制系統(tǒng)的工藝流程

醬油生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的就是對醬油釀造過程環(huán)境參數(shù)的控制，由于醬油基質(zhì)濃度、微生物濃度、產(chǎn)物濃度以及釀造轉(zhuǎn)化率等變量在線檢測非常困難，因此在醬油釀造過程中主要控制與醬油質(zhì)量有關(guān)的變量，環(huán)境溫度、pH值、通氣量。而醬油釀造過程是一種厭氧型釀造過程，在整個釀造過程中無需對釀造環(huán)境進(jìn)行氧氣量控制。針對醬油釀造過程中對微生物代謝有影響的相關(guān)環(huán)境參數(shù)與釀造過程質(zhì)量的關(guān)系，本文首先對醬油釀造過程環(huán)境溫度和 pH值進(jìn)行控制，醬油釀造過程控制系統(tǒng)的工藝流程圖見圖1。

圖1 釀造過程工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of brewing process

釀造過程溫度和pH值是醬油釀造過程中的關(guān)鍵影響因素。因為釀造過程是微生物在釀造過程中繁殖與代謝的過程，產(chǎn)生大量的熱量。根據(jù)醬油釀造過程在不同階段的不同微生物代謝產(chǎn)物，醬油釀造過程可分為主釀造階段和后釀造階段，本文只針對主釀造階段的環(huán)境溫度和 pH值進(jìn)行控制。

在主釀造階段，環(huán)境溫度的變化包括釀造環(huán)境自然升溫和保溫兩個過程，在環(huán)境自然升溫過程中，不需要外界對釀造環(huán)境進(jìn)行控制，因此在釀造過程中，需要對保溫過程進(jìn)行環(huán)境溫度控制。在保溫過程中對環(huán)境溫度進(jìn)行控制時，使用溫度傳感器對冷媒罐和主釀造罐中的環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，在釀造過程中，主釀造罐中釀造環(huán)境溫度的控制通過冷媒閥門的打開程度來進(jìn)行直接控制。主釀造罐中pH值通過罐內(nèi)的pH傳感器來進(jìn)行檢測，在pH值控制過程中，主釀造罐pH值的高低通過釀造罐中氨水的流加量來進(jìn)行控制，該流加量與氨水閥門打開程度有關(guān)。

2 醬油釀造過程參數(shù)控制和建模

為了對醬油釀造過程相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動控制，需對影響釀造過程的相關(guān)過程因素以及各相關(guān)因素之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行了解，從而保證醬油釀造生產(chǎn)過程可以安全平穩(wěn)地進(jìn)行，達(dá)到對醬油釀造生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化的目的。

在醬油釀造過程中，對釀造過程質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素可以分為物理化學(xué)參數(shù)和生物參數(shù)兩類。物理化學(xué)參數(shù)主要包含主釀造罐溫度、pH值、空氣流量、冷媒流量等；生物參數(shù)主要包括微生物代謝產(chǎn)物、代謝產(chǎn)物濃度、釀造基物濃度等。

在釀造過程中，釀造溫度和釀造過程酸堿度是醬油的風(fēng)味和穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素，同時對醬油質(zhì)量的好壞以及釀造產(chǎn)量的高低也有一定的影響。因此，本文著重研究釀造過程中釀造環(huán)境溫度和酸堿度對醬油釀造過程的影響。

2.1 環(huán)境溫度控制

不同類型的微生物，對于生產(chǎn)環(huán)境溫度的要求不同。從與微生物有關(guān)的生物酶動力學(xué)角度出發(fā)，當(dāng)環(huán)境溫度最適宜時，生物酶達(dá)到最佳活力。因此，主釀造罐的環(huán)境溫度是關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)，對環(huán)境溫度產(chǎn)生影響的主要因素包含冷媒罐內(nèi)冷媒溫度的高低、釀造過程中菌體的生長代謝過程、釀造罐內(nèi)部壓力的大小、主釀造罐的散熱性能以及釀造過程中其他熱量的散失。冷媒閥門的打開程度以及釀造罐降溫時冷媒的回流決定了冷媒罐內(nèi)冷媒溫度的高低。隨著釀造過程的演變，釀造罐內(nèi)氣體的增加使釀造罐內(nèi)環(huán)境溫度不斷上升，為保證釀造過程中生物酶活力最高，需要對釀造罐進(jìn)行溫度控制。

2.2 pH 值控制

釀造過程酸堿度是微生物生長與代謝的重要環(huán)境參數(shù)。隨著釀造過程的不斷演變，釀造過程產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)，使釀造罐內(nèi)pH值下降，pH值過低會影響醬油釀造過程和醬油的口感。為對釀造過程酸堿度進(jìn)行控制，需要加入堿性溶液對釀造罐中的酸性物質(zhì)進(jìn)行中和，保證主釀造罐內(nèi)pH值處于適合釀造過程微生物生長與代謝的范圍內(nèi)。常用的堿性溶液為氨水，釀造過程酸堿度高低通過控制堿性溶液閥門打開程度來實(shí)現(xiàn)。

在釀造過程中環(huán)境溫度和pH值兩個參數(shù)彼此之間又相互影響，溫度變化會影響pH值的變化，pH值的高低影響微生物的生長代謝，進(jìn)而影響主釀造罐內(nèi)環(huán)境溫度。

通過對醬油釀造過程的環(huán)境影響因素進(jìn)行分析，得出兩條因果關(guān)系影響鏈[6]，第一條影響鏈?zhǔn)侵麽勗旃迌?nèi)環(huán)境溫度控制鏈，第二條鏈?zhǔn)侵麽勗旃迌?nèi)pH值控制鏈。為對釀造過程因果關(guān)系進(jìn)行分析[7,8]，本文做出如下假設(shè)：

假設(shè)冷媒閥門的打開程度為z10，冷媒罐內(nèi)環(huán)境溫度為z11，發(fā)酵過程溫度為z12，回流冷媒熱量為v11，微生物吸收或散失熱量為v13，且k1=2，釀造過程環(huán)境溫度控制鏈L1:L1={(z10,z11),(z11,z12)},k1=2 。

假設(shè)氨水流量控制閥門打開程度為z20，釀造罐內(nèi)pH值為z21，補(bǔ)料量為v21，且k2=1，pH值控制鏈為L2:L2={(z20,z21)},k2=1。醬油釀造過程參數(shù)控制系統(tǒng)框架示意圖見圖2。

圖2 釀造過程參數(shù)控制系統(tǒng)框架圖Fig.2 Frame diagram of brewing process parameter control system

假設(shè)醬油釀造系統(tǒng)各相關(guān)子系統(tǒng)Σij的動態(tài)模型為：

其中，a1、a2、b1、b2、c1、c2、c3分別通過最小二乘法進(jìn)行參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)識別。

3 參數(shù)控制系統(tǒng)模型預(yù)估

醬油釀造過程環(huán)境溫度控制預(yù)估模型為：

醬油釀造過程環(huán)境pH值控制預(yù)估模型為：

引入醬油釀造過程環(huán)境溫度與pH值的期望值和預(yù)估值算法，可以得到醬油釀造過程環(huán)境溫度與pH值的控制算法：

4 仿真求解

對所建立的醬油釀造裝置參數(shù)控制系統(tǒng)中涉及的環(huán)境溫度與pH值模型進(jìn)行仿真。控制目標(biāo)為：主釀造罐內(nèi)環(huán)境溫度(15±0.3) ℃，主釀造罐冷媒入口溫度(8±0.3) ℃，主釀造罐冷媒出口溫度(19±0.3) ℃，主釀造罐內(nèi)上部與底部pH值為6.5±0.2。

仿真方法：每間隔1 min進(jìn)行一次仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，采集100次。根據(jù)仿真系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行生鮮釀造裝置參數(shù)控制系統(tǒng)模型識別，最后采用預(yù)估方式得出生鮮釀造裝置參數(shù)控制算法。仿真結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 釀造控制系統(tǒng)溫度控制曲線Fig.3 Temperature control curves of brewing control system

圖4 釀造控制系統(tǒng)pH值控制曲線Fig.4 pH control curves of brewing control system

5 結(jié)論

在醬油釀造過程中采用參數(shù)控制系統(tǒng)對釀造過程相關(guān)環(huán)境變量進(jìn)行了控制。使醬油釀造系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了釀造系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而提高了醬油的產(chǎn)量與口感，為醬油釀造控制系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計提供了相關(guān)依據(jù)。