甘肃河西大麦麦芽干燥控制系统研究

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1、甘肃农业大学 博士学位论文 甘肃河西大麦麦芽干燥控制系统研究 姓名：高晓阳 申请学位级别：博士 专业：草业科学 指导教师：刘荣堂 20100601 肃农业人学博l ：学位论义 中文摘要 甘肃河西大麦麦芽干燥控制系统研究 甘肃省河西地区是我国重要的优质大麦产地之，大麦麦芽质量是影响麦芽价格的重要 因素，提高麦芽加工工艺技术和加1 = 质量成为制麦企业发展的关键。 本研究以甘肃省河两地区生产和种植的大麦主要品种甘啤4 号，为干燥加：原料。研究 沿用合作企业的热风型干燥方式，并以项目组实验研究确定的麦芽最佳干燥一L ：艺，作为麦芽 干燥温度控制研究的技术基础。 本研究以大麦麦芽干燥加 j 系统为研究

2、对象，针对甘肃人麦麦芽企业现有干燥工艺与装 备，综合应用系统丁：程原理、自动控制和智能控制理论，集成运用流体数值模拟技术、传感 技术、电子技术、单片机及接口技术、微机控制技术、模糊控制技术、神经网络技术、虚拟 仪器技术和电机调速技术等多种技术手段，结合传热传质学与生态能值分析方法，进行了干 燥控制的系统性研究，取得了以下主要研究成果： 1 以干燥窒为研究对象，进行了干燥热能计算。结果表明，其圆柱型热风混合干燥室平 均脱水量为1 3 3 0 k g h ，耗风量2 1 6 3 8 4 m 3 h 。另外，热量衡算结果表明，该干燥系统小时需 热量为1 1 8 1 1 0 5k J h 。 利用A

3、N S Y S 软件进行计算机模型模拟和数值仿真，流体动力分析结果为，在进入干燥 热风混合室进风口后，风速逐渐下降，但接近排风口处时义有同升，在进风口处风速为最大； 并在混合室的左右两侧形成两个大的旋涡。在整个区域风压分布变化明显，当风速较小时风 压降低明显。此外，对风机叶片孤立翼型的升力和阻力进行流场模型模拟，结果分析表明， 在孤立翼型的上表面即翼型的迎风面出现最大流速。模拟实验说明通过改变风机的翼型参 数，可减小翼型阻力，提高风机通风效率。 2 本研究进行了干燥试验研究，建立了干燥炉热空气风速、麦层厚度和麦层空气阻力的 数学模型为P = 3 1 5 H e 王蟠，P 麦层空气阻力( m m

4、 H 2 0 ) ，V - 风速( m s ) ，H 麦层厚度( m ) 。 3 麦芽干燥I ：业生态系统的能值分析结果表明，中川麦芽厂能流循环指数( C R E F ) 和 有机能投入相对较低，说明该系统以无机投能为主，一I ：业化程度高。能值投入率( E I R ) 值 总体处于较低水平，在0 3 0 7 间波动。表明中川麦芽厂的干燥麦芽生产成本低，市场竞争 力较强。能值产出率( E Y R ) 总体上处于波动上升态势，表明甘肃中川麦芽厂的能源利用效 率在逐年提高，经济竞争力持续上升。中川麦芽厂环境负载率( E L R ) 由2 0 0 5 年的2 6 2 X 1 0 6 增至2 0 0

5、9 年的3 9 4 X1 0 6 ，总体也呈波动上升趋势，表明对环境的压力逐步增加，发展 主要依靠输入能值和不可更新资源的消耗。 4 本研究设计了基于模糊控制的大麦麦芽干燥温湿度控制系统。设计了以A T 8 9 C 5 1 单 片机为控制核心的系统硬件电路，选用A D 5 9 0 温度传感器和H S11 0 1 湿度传感器，设计了 放大与调理电路，扩展了A D 转换电路和键盘与显示电路，研发了模糊控制算法、控制表 和模糊控制器，实施了单片机变频控制鼓风机运行，和继电器控制排风机I ：作。配置了 A T 8 9 C 5 l 内部R A M 单元，设计了控制系统的汇编语育主程序和数据采集存储、数值

6、滤波、 模糊控制等6 个子程序。 M A T L A B 软件模拟和温湿度控制实验的运行结果表明，该系统控制稳定，控温范围O 9 9 ，温控精度达0 2 5 ，平均误差O 2 ，置信系数K t = 4 3 ( P = 0 0 9 5 ) ，满足控制精 度要求。实验结果表示，排潮热风平均湿度的标准偏若 9 6 ) 一5 0 干燥1 8 h - - 8 0 ，焙焦4 h 一立即去根保存备用( 卢良 恕，1 9 9 6 ) 。不过为使品种的酿造特性得到较好体现，还有人提出了萨丁箱生产 麦芽的工艺流程为：投料、漂洗、去浮麦、去水一加生石灰漂洗浸泡6 h ( 第一次 浸泡) 一空休4 6 h 一加漂白粉

7、浸泡3 h ( 第二次浸泡) 一空休3 一- 6 h 浸泡至下料入 发芽箱( 杨爆峰等，1 9 9 5 ) ( 韩秀峰，2 0 0 X ) 。 在制麦工艺中，浸麦是整个工艺的首要环节，它直接影响发芽和干燥以及麦 芽品质的优劣。原则上根据使用原料大麦的质量分析，确定浸麦工艺。蛋白含量 高的大麦浸麦度亦高些，该种大麦吸水萌发后，氧的消耗较大，应加强通风。由 于高蛋白质大麦一般初期吸水慢，萌发迟，应促进前期吸水，使大麦提早萌发， 进而保证大麦总体生长时间，达到促进溶解的目的。在要求较高浸麦度的大麦， 要掌握短浸长断的方法进行浸麦，以促进吸水，提高活性，促进萌发生长。相反， 蛋白含量中等或偏低的大麦宜

8、调节工艺时间，避免造成浸麦过度，导致麦粒的软 败；确保浸麦过程的通风或抽排二氧化碳时间间隔不应超过1 5 h ，以避免缺氧 造成的无氧呼吸的毒害作用。在缺乏空调设备的生产车间，对同种大麦要保证工 艺条件的稳定，以利于麦芽质量的稳定。这就要求随着季节的变化不断调节各项 因素。对不同品种的大麦要采用不同的浸麦工艺以保证其充分吸水萌发( 刘秉和， J 9 9 9 ) 。 目前J D e w a r 的研究明确表明1 6 h 或更短的浸麦时间对南非麦芽来讲不是最 佳条件。通过显著性分析表明浸麦温度对麦芽质量也有显著影响。在南非，能够 控制浸麦温度的设备很少，冬天的浸麦水温可能低于1 2 ，而夏天的水温

9、可能 高于3 4 ，这些也清晰的说明了浸麦中必须控制其温度( D e w a r ，】9 9 7 ) 。F r e n c h ， 甘肃河西大麦麦芽十燥控制系统研究 B J 认为浸麦是制麦工艺中最关键的步骤，也是开始发芽的一个重要前提，而影 响发芽的重要因素是有足够的水分、温度和氧气( F 1 e n c h ，1 9 9 0 ) 。 通过显著性分析，表明在浸麦期间通风对麦芽的糖化力没有显著性的影响。 浸麦度随着浸麦时间( 1 6 h 4 0 h ) 和浸麦温度( 2 0 “ C 一- 3 0 。C ) 的增加而增加，通风不 能显著影响粮食作物的浸麦度( 1 ) e w a r 。1 9 9

10、7 ) 。 在制麦工艺中周期最长的要数发芽期间，在完成浸麦后，便要进入发芽箱进 行发芽，发芽的温度、时间和发芽方式是发芽工艺中研究较多的课题，而大麦的 发芽工艺仍在继续优化中。石蕊在不同时间因素大麦发芽比较试验中得出大麦发 芽状况的不同，表现在发芽率的高低随种子保存时间的长短呈反比关系。经过成 熟收割后的一段必要休眠期，在种子的寿命期限内，种子时间越长，发芽率越低： 反之，则越高( 了i 麓2 0 0 6 ) 。P e l e m b e 得出粮食作物的发芽温度一般是在2 5 下 发芽5 天，这也是大麦发芽的最佳条件( P e l e m b e ，2 0 0 2 ) 。而B a m f o

11、r t h ，C w 就 研究了大麦和高梁可以在较低的绿麦水分下发芽，而大麦则只有在4 2 一4 6 的水 分含量下发芽才比较均匀( B a m f o r t h ，1 9 9 3 ) 。没有经过发芽其糖化力和1 3 一淀粉 酶活性都不存在，但是1 3 一葡聚糖、糖化力随着发芽时间的延长而增加 ( J e r l s e n ，L G ( ) 1 s e n ，e ta 1 ，1 9 9 6 ) ( P e t e r M a u l e ，1 9 9 5 ) 。 绿麦芽用热空气强制通风方法进行干燥的过程称为绿麦芽的焙燥，习惯称为 干燥。分为凋萎和焙焦两个阶段。在干燥过程中，温度是至关重要的

12、因素，凋萎 及焙焦温度的合理搭配，能够提升啤酒麦芽的品质，继而提高啤酒的品质。在甘 肃中小型大麦麦芽加工企业的加工过程中，直火型( 烟道气直接加热式干燥) 和 热风型( 蒸汽间接换热式) 干燥加工工艺都有存在。直火型大麦麦芽随着焦化程 度的加重，其品质均匀性和优质品率呈减小的趋势，而麦芽色度呈增大趋势。热 风型干燥工艺的成品麦芽品质相对较均匀，Q 一氨基氮含量和优质品率均较稳定。 淡色麦芽在焙燥过程中，一般会发生如下变化，糖化力降低( 一般下降5 0 1 2 0 w k ) ，a 一氨基氮降低( 一般下降l O 3 0 m g l O O g 干) ，色度上升( 一般增加O 5 2 E B C

13、 ) 。如果焙燥工艺控制得不好，就会大大降低麦芽质量，从而影响啤酒质量。 因此，焙燥过程对成品麦芽质量至关重要。淡色麦芽要求色泽低，要尽可能地保 存大量酶活力，不应过度溶解，具有麦芽香味。其焙燥过程分为凋萎、烘干、焙 焦、冷却四个阶段。同时，麦粒内部起着复杂的生物化学变化，包括生理变化阶 什肃农业人学博十学位论义 段、酶的作用阶段和化学变化阶段( 。h k s o n S w 1 9 7 8 ) ( f ，a r l c o 。u s k ，o t a 】，2 0 0 】) ( M ( M u r r o u g h 1 e Ta 1 ，1 9 9 6 ) 。 凋萎期又称自由水分干燥阶段，麦粒

14、内生理变化阶段。开始干燥时，低温大 风量排潮，控制进风温度4 5 。C 5 5 “ C ，进风升温速率1 2 h ，约经l O h 后， 进风温度6 0 “ C “ - - 6 5 “ C 。由于麦粒内部水分扩散速率大于表面汽化速率，故水分 蒸发速率主要决定于表面汽化速率，进风传给麦芽的热量几乎大多用于使水分汽 化，保持大的风量，排汽的相对湿度9 0 9 5 ，绿麦芽水分从4 3 迅速降至临界 点含水量( 2 3 左右) ，麦层上的排汽温度上升3 “ - - 5 。当麦芽水分降至2 3 以 后，麦粒内部水分扩散速率小于表面水分汽化速率，故水分蒸发速率受限制而逐 渐降低，排汽的相对湿度也随之降低

15、。由于进风传给麦芽的热量大于表面水分汽 化所需的热量，故麦芽温度上升较快，每小时排汽温度上升5 1 0 C 。当排 汽温度上升到3 5 “ C - - - - 4 0 “ C 时，表示麦芽水分己降至2 0 左右。此时，可结束凋萎 期。控制凋萎期的条件是低温、大风量和适当的凋萎时间，可减少对酶的破坏， 使溶解差的麦芽继续溶解，甚至可使糖化力和a 一氨基氮有所增加。这一阶段称 为生理变化阶段( 封j 】：、l k 等，1 9 9 I ) 。 烘干期又称中间干燥阶段，麦粒内酶作用阶段。烘干开始时烘床网下进风温 度为4 5 。C 5 5 ，凋萎结束时，进风实际温度以6 0 “ C 一- 6 5 “ C

16、 为宜，麦粒含水大 部分为结合水。升温不能过快、过高。否则，易形成玻璃质和加深色度。适当减 少风量，进风升温速度一般取5 6 h 。烘干结束时烘床网下进风温度为7 5 8 4 。C ，烘干时间以结束时麦芽水分降到8 以下为宜，此时麦层上排汽温度为低 至( 6 5 士5 ) 。酶的分解作用在温度为4 0 。C 一7 0 。C 仍可进行，造成浸出物增多。 但水分降1 0 时，就可以停止这一反应( 管敦仪，1 9 9 8 ) 。 焙焦期又称麦粒内物质化学变化阶段。此阶段的工艺条件一般认为7 8 “ C 8 5 V ，保持3 一- 5 h ，使水分降至3 - - - 4 。由于高温所引起的某些成分之间的化学 变化，从而使麦芽产生应有的色、香、味( P ic k e t t j A e ta 1 ，1 9 7 6 ) 。 在冷却期，通入自然风使麦芽迅速冷却，使麦