毕业设计---啤酒生产过程中plc自动控制系统的设计

毕业设计---啤酒生产过程中plc自动控制系统的设计内容摘要：

年世界主要啤酒生产国的啤酒总产量约 1635亿公升。 随着国家经济的发展和人民生活水平的改善，我国啤酒工业得到了空前发展，啤酒产量在 1993年达到 1190万吨，列美国之后成为世界第二， 2020年达到 2386万吨， 2020年达 3500万吨。 截至2020年我国啤酒产量及消费量已连续 4年保持世界 第一。 目前我国仍是世界上啤酒市 9 场增长最快的地区之一，预计今后两年还将保持 10％左右的增速。 啤酒工业对国民经济建设发挥了非常重要的作用。 啤酒 是以优质麦芽和水为主要原料，酒花为香料和苦料，经糖化与酵母发酵酿制而成的含有 CO2气体和低度酒精的饮料酒。 由于大麦麦芽具有优良的酿造特性，所以逐渐取代了小麦、荞麦等其他谷物而成为啤酒酿造的主要原料，其他谷物只是作为辅料使用。 在我国为降低麦汁制备的成本心，还常常采用大米、玉米、糖等辅料。 一个完整的啤酒生产过程可划分为麦汁制备、发酵、啤酒处理、清酒、灌装等工序，如图 21所示。 其他辅助工序还有麦芽的烘干、 CO2的回收、脱氧水制备、热水制备、CIP、冷冻、空气压缩等等。 图 21 啤酒工艺 各工序的主要功能如下： (1)麦汁制备：采用大麦、酒花、水及辅料进行麦汁制备； (2)发酵过程：将制备好的麦汁进行发酵，得到啤酒； (3)啤酒处理：对发酵成熟的啤酒进行过滤、修饰、高浓度稀释等处 理； (4)清酒：将过滤好的啤酒泵入清酒罐进行低温储存，等待灌装； (5)灌装：将成品啤酒装瓶 (罐 )，这是啤酒生产的最后一道工序； (6)C02回收：将发酵过程中产生的 C02进行回收，以备需要时进行添加 和综合利用； (7)CIP： CIP意为原位清洗 (Cleaning In Place)，又称为现场清洗系统，用来对整个糖化、发酵过程的所有设备和管道进行清洗，以保证整个啤酒生产过程的清洁无菌； (8)脱氧水制备：除去生产用水中的溶解氧，得到无氧 (或溶解氧很低 )、无菌的 生产用水； (9)冷冻：为整个啤酒厂提供物 料、中间产品、环境、设备冷却、降温及辅料 10 储存所需的冷媒； (10)空气压缩：为整个啤酒厂提供物料输送、设备驱动所需的气源。 其生产主流程为：在糖化车间制备好的麦汁经冷却、添加酵母后进入发酵罐进行发酵，发酵成熟的啤酒经过滤、修饰液添加、高浓度稀释等处理环节后，去掉酒头酒尾，进入清酒罐，等待灌装。 大麦是制造啤酒的主要原料，在进入酿造过程之前，首先要将大麦在 5176。 C～ 6176。 C水中浸泡数日，后烘晾 5～ 10天，促其发芽。 糖化过程是麦汁制备和处理的过程，其主要目的是将原料中的非 水溶性物 质转化成水溶性物质，特别是可发酵性糖，此为麦汁发酵生成啤酒的前提条件。 啤酒糖化生产过程是啤酒生产的第一个关键性环节，对整个啤酒生产的产量、质量、消耗等影响很大。 糖化过程工艺指标控制的好坏，对啤酒的稳定性、 E1感、外观会起到决定性的影响，整个糖化过程主要包括原料粉碎、糊化、糖化、过滤、煮沸、沉淀、冷却等生产工序。 (1)原料粉碎 粉碎是对麦芽和大米进行机械破碎的过程，粉碎设备主要由料仓、提升机、粉碎机等单元设备组成。 粉碎方式主要有干法粉碎、湿法粉碎、回潮粉碎和锤式粉碎四种。 干法粉碎是将储存的麦芽、大米 等干粉碎物直接进入粉碎机进行粉碎；湿法粉碎是将麦芽、大米等浸泡 15～ 20分钟后再进入粉碎机进行粉碎；回潮粉碎是介于干法粉碎与湿法粉碎之间的一种改良粉碎法。 麦芽等粉碎物在进入粉碎机之前，用50176。 C的蒸气或水雾喷湿，使皮壳吸水后立即进入粉碎机进行粉碎。 不同的粉碎方式、不同的啤酒厂，其粉碎工艺各有不同。 以典型的浸湿回潮粉碎过程为例，其操作流程可以简单归纳为：由储仓运来的麦芽、大米等物料首先进入分离筛，除去大块的脏物，对干粉碎物进行喷淋浸湿 (喷淋水称为浸渍水 )，将麦芽、大米分别进入粉碎机进行粉碎，同时用调酿造水 (调 浆水 )再度淋湿，形成麦芽浆、大米浆，用泵自锅底将麦芽浆 、大米浆分别送入糖化锅及糊化锅。 在粉碎系统中，除了实现料仓控制粉碎机控制、原料计量等一般测控要求以外，主要还包括浸渍水和调浆水的流量、温度以及 PH值控制。 (2)糊化和糖化 酒精是啤酒的重要组成部分，它是由糖发酵而来。 糊化和糖化可以简单地理解为淀粉分解转化为糖的过程。 糊化：在热水溶液中，水分子大量进入淀粉分子中，淀粉颗粒膨胀、破裂，形成乳性的溶液，在这一膨胀过程中没有发生物质的分解。 糖化：通过淀粉酶的作用，把已经液化的淀粉分解成麦芽糖和糊精。 糖化过程如图22所示。 在糖化过程中主要产生下列可被啤酒酵母发酵和不可发酵的淀粉分解产 11 物。 图 22糖化过程 ①糊精：不可发酵； ②麦芽三糖：能被所有高发酵度酵母发酵。 只有当麦芽糖发酵完后，酵母才能分解它 (在后酵储存时分解，所以称为后发酵性糖 )； ③麦芽糖及其他双糖：能被酵母又快又好的发酵，称为主发酵性糖； ④葡萄糖：最先被酵母发酵，称为起发酵性糖。 为保证啤酒质量，淀粉必须彻底分解成糖及糊精。 这个过程也是麦汁制备中最重要的过程。 由于浸出物主要是在糖化中通过酶的作用产生，为了使该过程能够尽最大可能形成更多、更好的浸出物，酶必须工作在最佳温度及 PH值范围内，使其充分发挥作用。 麦汁中的各种糖分和糊精共同影响着啤酒的质量，因此在糖化时必须注意影响淀粉分解的各种因素，这些因素主要有： ①糖化过程中的温度： 62176。 C～ 63176。 C的糖化温度，可以得到最大量的麦芽糖和最高的最终发酵度，不同的时间段糖化温度各有不同，各阶段的休止温度是： 48176。 C50176。 C蛋白质休止、 62176。 C65176。 C麦芽糖形成休止、 70176。 C75176。 C糖化休止、 78176。 C并醪 (将原料不同或温度不同的醪液混合 )糖化休止； ②糖化时间：随着时间的延长，浸出物溶液的浓度、麦芽糖的含量、最终发酵度也在不断的提高，但提高过程也将越来越慢； ③醪液的 PH值：醪液的 PH值在 5． 5～ 5． 6时，可提高浸出物的浓度，形成较多的可发酵性糖； ④醪液浓度：在稀醪中，更多的浸出物可以溶出，但 浓醪可以更好的保护 酶。 糖化 12 方法有两大类：煮出糖化法和浸出糖化法。 前者首先在糊化锅中把大米浆按温度曲线进行糊化，再通过醪泵和糖化锅中的麦芽浆混合，并且开始升温糖化，然后将混合醪液的一部分分到糊化锅加热到沸点再与其余醪液混合，最后达到糖化终了温度；后者是纯粹利用酶的分解作用进行糖化的方法，和煮 出法比较没有分醪煮沸的步骤。 为使生产出的啤酒达到期望值，在糖化中需要注意以下几个要点： ①温度控制 (滞后时间约为 lmin)； ②合理搅拌：进行搅拌可以使麦芽和水充分混合，促进酶反应完全，但搅拌应分阶段进行，并避免高速搅拌 ； ③醪液的 PH值； ④避免醪液吸氧； ⑤糊化锅防溢控制等等。 其中，糊化与糖化的温度控制是关键。 一方面，这是一个生化反应过程，温度对麦汁产量和质量的影响都非常大，各种分解酶都需要在各自特定的温度下才能发挥其最佳作用；另一方面，这也是一个能耗很大的过程，如何在自动运行过程中尽可能降低能耗，也是衡量整个系统质量的一个关键。 (3)过滤 糖化过程结束后的醪液中含有水溶性物质和非水溶性物质。 浸出物的水溶液叫“麦汁 ，非水溶性物质叫“麦糟”，麦糟中主要含有麦皮、叶芽和其他物质，这些物质不溶子水。 啤酒生产仅把麦汁作为 原料送到发酵环节进行发酵，为达到目的，就必须尽最大可能使麦汁与麦糟分离，该分离过程叫做“过滤”。 麦汁过滤有过滤槽过滤及过滤机过滤两种方式，采用过滤槽方式过滤时，麦糟起着过滤介质的作用；采用过滤机过滤时，麦糟则不作为过滤介质。 目前，我国的大多数厂家采用过滤槽方式过滤，整个过滤过程分为以下几个步骤：预热水、泵入醪液、静置、混浊麦汁回流、头道麦汁过滤、洗糟和洗糟麦汁过滤、排糟等等。 (4)煮沸 麦汁煮沸是一项复杂的物理化学过程，其主要目的是稳定麦汁成分。 麦汁煮沸主要作用有： ①酶的钝化：破坏麦芽酶的活力，使其失去作用，主要是停止淀粉酶的作用，稳定麦汁中可发酵性糖和糊精的比例，以保持麦汁组分和发酵的一致性。 ②麦汁灭菌：通过煮沸，消灭麦汁中存在的各种菌类，避免发酵时产生麦汁败坏，以保证最终产品的质量。 ③蛋白质变性与絮凝沉淀：煮沸过程中析出某些受热变性及絮凝沉淀的蛋白质，提高啤酒的非生物稳定性。 ④蒸发水分：蒸发麦汁中多余的水分，使麦汁浓缩到要求的浓度。 ⑤酒花成分的浸出：在煮沸过程中添加酒花，将其所含的成分浸出，赋予 啤酒独特 13 的苦味和香味。 ⑥其他：包括降低麦汁的 PH值、提高麦汁 的色度及麦汁的抗氧化能力、蒸发出不良的挥发性成分等等。 煮沸过程的控制主要包括： (a)蒸发强度的 (煮沸强度 )控制：也就是温度的控制 (滞后时间约为 lmin)。 煮沸的蒸发过程可以分为两个阶段：小蒸发阶段和大蒸发 阶段。 小蒸发阶段是指开蒸汽升温到锅内温度达到沸腾温度为止的过程 大蒸发阶段即从沸腾开始到煮沸结束关蒸汽的过程。 在大蒸发阶段中，需要根 据麦汁浓度控制蒸发强度以达到控制麦汁浓度的目的。 (b)补水温度以及补水量的定量控制。 (c)煮沸锅防溢控制。 (d)酒花及其它辅料添加控制等等。 (5)澄清、冷却 煮沸结束时的麦汁 总是含有冷、热凝固物，冷、热凝固物对以后的啤酒酿造有不利的影响，会损坏啤酒质量，所以必须将其除去。 麦汁冷却与凝固物的分离一般分两步进行： (a)麦汁预冷却与热凝固物的分离：降低麦汁温度，促进热凝固物的沉淀并将其除去。 (b)麦汁冷却和冷凝固物的析出和分离：预冷却的麦汁通过激冷，最后达到发酵要求的温度，同时析出凝固物，并将其排除。 麦汁的冷却在薄板冷却器中进行，通常用冰水作冷媒将热麦汁从 95℃～ 98℃冷却至 6176。 C～ 8176。 C的接种温度。 至此，整个糖化环节基本结束，生产出的麦汁泵入发酵罐转入发酵环节。 发酵过程是啤酒生产中另一个非常重要的环节，这个过程可以理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个发酵过程同样也包含若干道生产工序。 例如：麦汁充氧、酵母添加、发酵、过滤、修饰以及酵母培养等等。 (1)麦汁充氧和酵母添加麦汁在泵入发酵罐进行发酵之前，麦汁中需要加入适量的酵母，整个发酵过程可以简单的理解为酵母把麦汁中的糖类分解成 C2H50H、 H20及其它产物 的过程 酵母进入麦汁以后，首先需要进行繁殖。 而酵母繁殖需要氧气，为了酵母的繁殖，必须使酵母活化并进入发酵阶段，因此必须给酵母提供足够的氧气。 在啤酒酿造过程中，麦汁充氧 是唯一的一次给酵母提供氧气的机会。 酵母会在几小时内消耗掉提供的氧气，对麦汁质量无损害。 麦汁充氧和酵母添加可在同一设备中进行，使酵母和氧气均匀地加入和溶入麦汁之中。 因此，这个过程我们需要在一定时间内对二者进行量的控制。 (2)发酵 啤酒发酵是一个复杂的微生物代谢过程，这是啤酒生产过程中耗时最长的一个环节。 简单的说啤酒发酵就是把糖化麦汁中的糖类分解成为 C2H5OH、 C02和 H20的过程，并释放出大量的热量。 同时在发酵过程中还会产生种类繁多的中间代谢产物 (发酵副产物 )，虽然这些代谢产物的含量极少，但它们同酒花成份 一起对啤酒的质量和口味起着决定性的影响。 发酵副产物既可以使啤酒口味丰满，也能对啤酒口味、发泡持性等产生不利的影响。 通常发酵副产物可以分为两类： (a)生青昧物质。 例如双乙酰 (联 14 二酮 )、醛、硫化物等，这些物质赋予啤酒不纯正、不成熟、不协调的口味和气味。 它们可以在发酵过程中通过生化途径从啤酒中分离出去，这是啤酒后酵的目的。 (b)芳香物质。 例如高级醇、酯等，这些物质主要决定啤酒的香味，在一定的浓度范围内，它们的存在是优质啤酒的前提条件。 整个发酵过程可以分为主酵和后酵两个阶段： (a)主酵。 这个阶段又称为前酵。 麦汁接 种酵母进入发酵罐几小时以后逐渐开始主发酵，麦汁糖度下降，产生 C02，反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升。 经过 2～ 3天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再过 23天，降糖速度变慢，糖度很低，酵母开始沉淀，进行封罐发酵。 此时，前酵基本结束，进行降温转入后酵阶段。 普通啤酒在前酵时的温度要求控制在 12176。 C左右，从前酵进入后酵的降温过程，其降温速度一般控制在 176。 C／ h.(b)后酵。 当罐内温度从前酵的 12176。 C降到 817。