韓 英

陳建新2

(1. 山西杏花村汾酒廠(chǎng)股份有限公司技術(shù)中心，山西 汾陽(yáng) 032205；2. 江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

汾酒地缸發(fā)酵系統(tǒng)熱過(guò)程模式及數(shù)值模擬研究

韓 英1

陳建新2

(1. 山西杏花村汾酒廠(chǎng)股份有限公司技術(shù)中心，山西 汾陽(yáng) 032205；2. 江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

了解白酒發(fā)酵系統(tǒng)的熱過(guò)程特征與機(jī)理對(duì)發(fā)酵過(guò)程溫度控制及發(fā)酵系統(tǒng)的機(jī)械化具有重要意義。通過(guò)比較不同季節(jié)汾酒發(fā)酵過(guò)程中酒醅及地缸周邊土壤的溫度分布，確認(rèn)了汾酒地缸系統(tǒng)發(fā)酵過(guò)程生物熱產(chǎn)生及擴(kuò)散傳遞的方式，確定了地缸中酒醅溫度的變化特征及發(fā)酵傳熱的主要機(jī)理(熱傳導(dǎo))，并且探討了氣溫對(duì)發(fā)酵熱過(guò)程的重要影響。根據(jù)研究結(jié)果認(rèn)為發(fā)酵過(guò)程酒醅溫度的變化模式符合白酒發(fā)酵的基本特征和要求，白酒的生產(chǎn)和研究應(yīng)滿(mǎn)足之。

汾酒；地缸發(fā)酵系統(tǒng)；熱過(guò)程特性；數(shù)值模擬；酒醅熱物性參數(shù)

在汾酒生產(chǎn)中，白酒品質(zhì)受環(huán)境溫度和季節(jié)氣候影響較大，控制好地溫是提高汾酒品質(zhì)的基礎(chǔ)[1-2]?？刂频販氐哪康氖潜３职l(fā)酵酒醅溫度在適合的范圍內(nèi)。白酒發(fā)酵過(guò)程酒醅溫度的變化模式是“前緩升，中挺，后緩落”，但對(duì)產(chǎn)生這種變化模式的機(jī)制以及從整體上定量分析酒醅溫度變化模式和機(jī)理的研究相對(duì)較少[3-4]，黃治國(guó)等[5-7]測(cè)定了濃香型白酒發(fā)酵過(guò)程不同部位酒醅溫度的變化，并對(duì)溫度曲線(xiàn)進(jìn)行了模擬建模，構(gòu)建窖池溫度分布圖，闡明窖池內(nèi)部溫度梯度的變化。趙景龍等[8]測(cè)定了汾酒發(fā)酵過(guò)程中地缸內(nèi)部酒醅及周邊土壤和環(huán)境溫度變化，認(rèn)為白酒發(fā)酵過(guò)程地缸及周?chē)寥来嬖跍囟忍荻龋瑹崃坑傻馗變?nèi)部向周邊傳遞，揭示了清香型白酒發(fā)酵系統(tǒng)熱能傳遞的機(jī)制。另外，還有一些研究[9-11]測(cè)定了發(fā)酵過(guò)程發(fā)酵容器內(nèi)不同部位酒醅溫度的變化，但僅限于對(duì)現(xiàn)象的簡(jiǎn)單描述，未進(jìn)行更深入的研究和探討。

從傳熱機(jī)理角度解析白酒發(fā)酵的熱過(guò)程是深入了解白酒發(fā)酵機(jī)理和實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程控制的基礎(chǔ)。根據(jù)熱傳導(dǎo)機(jī)理構(gòu)建偏微分方程可以使用有限元分析軟件ANSYS求解，由此可以實(shí)現(xiàn)汾酒熱發(fā)酵過(guò)程的數(shù)值模擬[12-14]。本研究將通過(guò)測(cè)定不同季節(jié)汾酒地缸發(fā)酵過(guò)程地缸內(nèi)部不同部位酒醅、地缸周邊土壤和環(huán)境的溫度及熱物性參數(shù)，系統(tǒng)了解汾酒發(fā)酵熱過(guò)程的變化規(guī)律，并根據(jù)傳熱機(jī)理構(gòu)建模型，模擬發(fā)酵過(guò)程溫度梯度的變化。為實(shí)現(xiàn)汾酒控溫發(fā)酵提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 酒醅及土地測(cè)定方法

在實(shí)際生產(chǎn)中選取若干地缸及周?chē)寥雷鳛檠芯繉?duì)象，在每個(gè)地缸內(nèi)放入9顆紐扣式溫度計(jì)(Maxim DS1992L或Maxim DS1991H)，同時(shí)在地缸周邊土壤中埋入多組紐扣溫度計(jì)，測(cè)定酒醅及土壤溫度變化。溫度計(jì)位置安排：地缸內(nèi)，溫度計(jì)分上(S)、中(Z)、下(X)3層，每層為里(L)、間(J)、外(W)3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。地缸附近土壤溫度測(cè)定分3層，每層1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)的位置與地缸內(nèi)每層測(cè)溫點(diǎn)的高度相同，測(cè)溫點(diǎn)的代號(hào)分別為上(TS)、中(TZ)、下(TX)，另外在遠(yuǎn)離地缸處也測(cè)定了土壤溫度，測(cè)溫點(diǎn)有4個(gè)面(TMB)、上(TSB)、中(TZB)、下(TXB)，其中上中下3層與其它相同，而面(TMB)為地面下5 cm。具體位置見(jiàn)圖1 (a)。

圖1 地缸系統(tǒng)及簡(jiǎn)化模型示意圖

紐扣溫度計(jì)設(shè)置每30 min記錄一次溫度，在酒醅入缸時(shí)放入指定位置，待發(fā)酵結(jié)束后取出并讀取數(shù)據(jù)。

1.2 酒醅及地缸系統(tǒng)其它部分的熱物性測(cè)定

在實(shí)際生產(chǎn)中，分別取處于不同發(fā)酵時(shí)間的地缸，打開(kāi)地缸分別測(cè)定地缸中9個(gè)位點(diǎn)處的酒醅熱物性參數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱)(熱特性分析儀：KD2Pro型，美國(guó)Decagon公司)，這些檢測(cè)點(diǎn)的位置與測(cè)溫點(diǎn)相同，但分別是不同的地缸，這樣可以測(cè)定發(fā)酵過(guò)程不同時(shí)間及地缸不同部位酒醅的熱物性參數(shù)。

地缸其它部分包括地缸缸體、土壤、保溫墊的熱物性參數(shù)也使用相同的儀器?？諝鉄嵛镄詤?shù)則通過(guò)查相關(guān)手冊(cè)獲得。

1.3 汾酒地缸發(fā)酵系統(tǒng)熱過(guò)程模擬

1.3.1 特征分析 地缸發(fā)酵系統(tǒng)的熱過(guò)程本質(zhì)是發(fā)酵熱的傳遞所引起的地缸系統(tǒng)各組成部分所發(fā)生的溫度變化過(guò)程，傳熱機(jī)理為熱傳導(dǎo)。溫度隨時(shí)間變化的傳熱過(guò)程屬于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，過(guò)程的數(shù)學(xué)模型往往表達(dá)為偏微分方程：

(1)

對(duì)于白酒發(fā)酵系統(tǒng)，構(gòu)建發(fā)酵過(guò)程地缸系統(tǒng)溫度分布模型有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

(1) 如圖1所示發(fā)酵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成復(fù)雜。就系統(tǒng)組成而言，主要包括酒醅、缸體、土壤、保溫墊、缸內(nèi)空腔、地表空氣(環(huán)境氣溫)等。就系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，缸體形狀不規(guī)則，地缸之間存在相互影響等。

(2) 酒醅處于發(fā)酵過(guò)程中，其體積和物性指標(biāo)不斷發(fā)生變化，同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)熱過(guò)程主要是酒醅發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的生物熱引起的，而發(fā)酵產(chǎn)熱過(guò)程受多種因素影響，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

(3) 整個(gè)過(guò)程除了熱傳導(dǎo)外，保溫墊與地表空氣間的傳熱屬于對(duì)流傳熱和輻射傳熱。

1.3.2 模型構(gòu)建及模擬結(jié)果分析 發(fā)酵熱過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，熱過(guò)程模型只能采用數(shù)值解法[12-13]。并且地缸形狀獨(dú)特，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地缸系統(tǒng)由酒醅、缸體、周邊土壤、保溫毯、環(huán)境氣溫等多部分組成，屬于多層熱傳導(dǎo)過(guò)程，采用有限元法能夠較好地求解此類(lèi)問(wèn)題。ANSYS是常用的有限元分析軟件，利用它可以比較精細(xì)地模擬白酒發(fā)酵的熱過(guò)程[14]。構(gòu)建系統(tǒng)模型時(shí)，進(jìn)行如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

(1) 地缸系統(tǒng)組成簡(jiǎn)化為酒醅、地缸周?chē)寥?、地缸上部空氣層、地缸及土壤上覆蓋的保溫毯。省略了地缸缸體及缸頂部的水泥蓋板，因?yàn)樗鼈兊膶?dǎo)熱系數(shù)均較高并且厚度較小，熱阻較小，對(duì)熱傳導(dǎo)的影響較小。

(2) 地缸保溫毯與車(chē)間內(nèi)的空氣僅有對(duì)流傳熱，輻射傳熱忽略。并且車(chē)間氣溫維持恒定。

(3) 地缸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型無(wú)法簡(jiǎn)化成一維或二維模型，只能建立簡(jiǎn)化的三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行求解。因地缸系統(tǒng)在水平面上過(guò)圓心對(duì)稱(chēng)，為了減少計(jì)算量，取1/4截面組成的長(zhǎng)方體建模[見(jiàn)圖1(b)]。

(4) 由于遠(yuǎn)離地缸的土壤對(duì)地缸溫度影響較小，模型底部邊界離地缸底部約1 m。模型系統(tǒng)邊界除頂部平面與車(chē)間環(huán)境進(jìn)行對(duì)流熱交換外，假設(shè)其余5個(gè)面均為絕熱面，忽略地缸之間的相互影響。

(5) 本試驗(yàn)?zāi)M了冬季酒醅溫度場(chǎng)變化，設(shè)定系統(tǒng)中除酒醅以外的其它部位的起始溫度均為16 ℃，酒醅起始溫度取實(shí)際發(fā)酵酒醅溫度的平均值，本試驗(yàn)取18.5 ℃。車(chē)間平均室溫10 ℃，對(duì)流傳熱系數(shù)30 W/(m2·℃)，系統(tǒng)中各部分的熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。

(6) 白酒發(fā)酵過(guò)程生物熱的產(chǎn)生受多種因素影響，暫時(shí)無(wú)法用數(shù)學(xué)公式概括，本次建模采用以實(shí)測(cè)酒醅淀粉消耗量為依據(jù)采用生物熱產(chǎn)量的方法確定生物熱的產(chǎn)生。

根據(jù)上述假設(shè)，利用ANSYS軟件經(jīng)過(guò)創(chuàng)建幾何模型、對(duì)模型實(shí)施網(wǎng)格劃分(體單元取SOLID70，全局網(wǎng)格尺寸取0.05 m)，熱過(guò)程各部分的起始溫度以及保溫墊表面熱對(duì)流均在計(jì)算前分別施加到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和保溫墊表面[15-17]，發(fā)酵過(guò)程的生物熱通過(guò)施加表格載荷到酒醅體積的方式引入計(jì)算過(guò)程。模型按照瞬態(tài)熱傳導(dǎo)計(jì)算步驟進(jìn)行過(guò)程模擬[18]。模擬結(jié)果通過(guò)與檢測(cè)部位相同的節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)表現(xiàn)模擬溫度分布的變化，以及特定時(shí)間點(diǎn)的溫度分布云圖反映總體溫度分布。

模擬結(jié)果分析通過(guò)式(2)、(3)計(jì)算總體平均溫度和總體溫度不均勻度判定。

(2)

(3)

式中：

Tave,t——時(shí)刻t時(shí)的總體平均溫度，℃；

Ti,t——時(shí)刻t時(shí)點(diǎn)i處的溫度，℃；

ΔTt——時(shí)刻t時(shí)的總體溫度不均勻度。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵過(guò)程地缸系統(tǒng)溫度變化特征分析

由于使用多個(gè)紐扣溫度計(jì)對(duì)多個(gè)地缸內(nèi)部酒醅和附近(TS、TZ、TX)及較遠(yuǎn)(TMB、TSB、TZB、TXB)處土壤溫度的測(cè)定，汾酒發(fā)酵過(guò)程的生物熱產(chǎn)生及傳遞的機(jī)制被清晰地呈現(xiàn)。由于篇幅的限制，本文僅提供比較典型的測(cè)定結(jié)果。圖2是其中一個(gè)地缸內(nèi)酒醅及附近和較遠(yuǎn)處土溫變化情況。首先，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程酒醅及附近土溫存在溫度梯度。溫度梯度經(jīng)歷一個(gè)不斷增加達(dá)到極值然后又不斷減小的過(guò)程，同時(shí)，土壤溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間遠(yuǎn)滯后于酒醅。表明汾酒發(fā)酵的產(chǎn)熱過(guò)程主要集中在發(fā)酵前期，而且在產(chǎn)熱高峰期熱能不能快速地傳遞到土壤中，熱量積累在酒醅中。在地缸不同部位溫度峰值不同，最大溫差接近10 ℃，這種不均勻性是汾酒地缸發(fā)酵的特征之一。地缸周?chē)耐寥谰哂休^強(qiáng)的蓄熱能力，在地表覆蓋保溫墊的情況下，保溫墊吸收了大部分發(fā)酵熱，保證了發(fā)酵過(guò)程溫度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)波動(dòng)，對(duì)有效控制酒的質(zhì)量和風(fēng)味起到至關(guān)重要的作用。圖2中的發(fā)酵過(guò)程在冬季，土壤溫度呈現(xiàn)出上低下高的特征，并且，離地缸較遠(yuǎn)的土壤并沒(méi)有受到發(fā)酵過(guò)程的影響，而是受氣溫的影響，越接近地表，影響越顯著。

圖2 地缸中酒醅及周邊地溫分布

盡管，對(duì)白酒發(fā)酵過(guò)程酒醅溫度的變化模式總結(jié)為“前緩，中挺，后緩落”，但與濃香型白酒酒醅溫度變化相比，汾酒酒醅溫度變化相對(duì)要?jiǎng)×业枚?，前期的升溫速度較快，中挺時(shí)間較短，而后落的前期溫度下降也比較快。總之，不同發(fā)酵系統(tǒng)溫度變化的模式大體相似，但具體變化過(guò)程差別還是比較大，地缸發(fā)酵酒醅經(jīng)受高溫的時(shí)間比較短，總體上屬于較低溫度發(fā)酵。這種溫度變化模式的差異也許是造成白酒風(fēng)味差異的原因之一。

2.2 季節(jié)(環(huán)境溫度)對(duì)發(fā)酵過(guò)程酒醅溫度變化的影響

由圖3可知，處于地缸中心部位的酒醅，在2種季節(jié)溫度變化的差異主要體現(xiàn)在發(fā)酵后半期，夏季時(shí)酒醅溫度停留在較高的溫度水平而冬季則相對(duì)較低，但發(fā)酵的前半周期，兩者的變化差異不大，并沒(méi)有受到季節(jié)的影響。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是：① 酒醅中心部位與周邊土壤較遠(yuǎn)，受周?chē)h(huán)境的影響較?。虎?冬夏兩季的相關(guān)操作有一定的針對(duì)性，抵消了環(huán)境溫度變化造成的影響。地缸邊緣的酒醅溫度變化的季節(jié)差異比較明顯，冬季酒醅溫度明顯低，而夏季相對(duì)較高，同樣，地缸周邊的土溫也表現(xiàn)出類(lèi)似差異。由于地缸邊緣部分的體積顯然高于中心部位，因此可以認(rèn)為季節(jié)變化對(duì)汾酒發(fā)酵過(guò)程酒醅溫度的變化還是產(chǎn)生了明顯的影響。說(shuō)明盡管地缸附近的土壤溫度受發(fā)酵過(guò)程影響，但同時(shí)土壤溫度又受氣候的影響，即土壤溫度由發(fā)酵熱和氣候共同決定，氣候?qū)Πl(fā)酵過(guò)程酒醅溫度產(chǎn)生間接的影響，但氣候?qū)ν寥罍囟鹊挠绊懯菦Q定性的，因此，氣候也對(duì)酒醅溫度也具有決定性的作用。從這個(gè)角度分析，氣溫也是影響汾酒發(fā)酵的因素之一，由于氣溫具有波動(dòng)和不確定性的特點(diǎn)，造成傳統(tǒng)白酒發(fā)酵過(guò)程溫度控制并不穩(wěn)定，而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。而通常汾酒廠(chǎng)在冬季原酒優(yōu)質(zhì)品率相對(duì)較高，可能與發(fā)酵過(guò)程酒醅溫度較低有關(guān)。

土溫在冬季是上低下高，而在夏季則是上高下低，反映出土壤調(diào)節(jié)緩沖氣溫變化的能力，是理想的溫度穩(wěn)定系統(tǒng)，保證了白酒發(fā)酵酒醅溫度的相對(duì)穩(wěn)定。

盡管溫度的變化模式相同，但溫度變化曲線(xiàn)存在一定的差別，說(shuō)明發(fā)酵過(guò)程酒醅溫度的變化并非單一模式，而是在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，造成這種波動(dòng)是由各種因素綜合作用的結(jié)果。

2.3 地缸系統(tǒng)熱物性參數(shù)

歸類(lèi)于厭氧固態(tài)發(fā)酵的白酒發(fā)酵過(guò)程，因糧食中有用成分被利用使得顆粒萎縮造成酒醅體積減少，有很小的宏觀運(yùn)動(dòng)，總體上可以認(rèn)為酒醅空間位置穩(wěn)定，沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，可以把整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中熱量的傳遞歸結(jié)為熱傳導(dǎo)過(guò)程。測(cè)定與熱傳導(dǎo)相關(guān)的熱物性參數(shù)是構(gòu)建熱傳導(dǎo)過(guò)程模型的基礎(chǔ)[19-21]，在地缸系統(tǒng)中，由于微生物發(fā)酵引發(fā)酒醅發(fā)生持續(xù)的生化反應(yīng)，酒醅的組成和物理結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的變化，這種變化是否會(huì)引起熱物性參數(shù)也發(fā)生顯著變化，需要通過(guò)檢測(cè)確定。而地缸系統(tǒng)中的其它部分在發(fā)酵過(guò)程中沒(méi)有顯著變化，因此可以認(rèn)定在發(fā)酵過(guò)程熱物性參數(shù)也是穩(wěn)定的。

由圖4可知，地缸不同部位酒醅熱物性參數(shù)有差異，但差異不大，可以認(rèn)為地缸中各處的熱物性參數(shù)基本相同，各處熱物性參數(shù)的平均值可以代表整個(gè)地缸的熱物性參數(shù)。

表1是地缸系統(tǒng)各個(gè)部分的熱物性參數(shù)，除了空氣，均為實(shí)際測(cè)定值，這些參數(shù)可以用于地缸系統(tǒng)傳熱模型的構(gòu)建。

圖3 冬夏兩季發(fā)酵系統(tǒng)溫度比較

圖4 大楂發(fā)酵過(guò)程酒醅地缸不同部位導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散系數(shù)變化

表1不同材質(zhì)的熱物性參數(shù)對(duì)比

Table 1 Comparison of thermal physical properties of different materials

不同材料導(dǎo)熱系數(shù)K/(MJ·m-3·K-1)比熱C/(MJ·m-3·K-1)酒醅 0.300^0.4002.00^3.00土 1.000^2.0002.60^3.00地缸壁5.000—保溫被0.0780.38空氣 0.0265.04×10-3水 0.5994.20

2.4 地缸系統(tǒng)發(fā)酵熱過(guò)程數(shù)值模擬

通過(guò)實(shí)際檢測(cè)可以了解地缸發(fā)酵系統(tǒng)熱過(guò)程的基本特性，而構(gòu)建系統(tǒng)模型模擬實(shí)際發(fā)酵的熱過(guò)程可以更系統(tǒng)全面地了解系統(tǒng)內(nèi)部各處的溫度變化歷程[22-25]，也可為發(fā)酵過(guò)程溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和發(fā)酵過(guò)程溫度場(chǎng)控制提供必要的支持。

圖5(a)和(b)顯示了地缸系統(tǒng)實(shí)測(cè)溫度變化曲線(xiàn)和模擬溫度變化曲線(xiàn)，由于實(shí)際發(fā)酵酒醅起始時(shí)溫度并不均勻，而模擬時(shí)按酒醅溫度均勻計(jì)算，因此，對(duì)應(yīng)各點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)并未較好地重合。由圖5(c)可知，從實(shí)際發(fā)酵與模擬計(jì)算比較看，總體平均溫度的擬合效果較為理想，比較總體不均勻度實(shí)際發(fā)酵較高而模擬較低，但變化趨勢(shì)基本相同。產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能有兩方面的原因：① 初始狀態(tài)不同，差異大，由于實(shí)際發(fā)酵初始時(shí)就存在較大的不均勻現(xiàn)象；② 實(shí)際過(guò)程存在一定程度宏觀移動(dòng)現(xiàn)象以及有關(guān)熱物性參數(shù)測(cè)定誤差等。比較分析模擬結(jié)果可知，模擬效果在總體上變化比較理想。在內(nèi)部具體細(xì)節(jié)上還需要改進(jìn)。由于實(shí)際熱過(guò)程比熱傳導(dǎo)復(fù)雜并存在一定的不確定性，達(dá)到比較精確的模擬還存在一定難度。因此，盡管地缸系統(tǒng)的溫度變化比較復(fù)雜，但仍可以采用數(shù)值模擬的方法在總體上模擬白酒發(fā)酵熱過(guò)程[26-29]。

圖5(d)不僅顯示了酒醅內(nèi)部總體溫度分布的情況，也顯示了土壤和保溫毯中的溫度分布。根據(jù)溫度分布可以看出土壤的吸熱能力和保溫毯控制熱量散失的作用。對(duì)熱過(guò)程的模擬可以比較系統(tǒng)全面地顯示溫度分布，這是對(duì)熱過(guò)程模擬的優(yōu)點(diǎn)[30]。

通過(guò)數(shù)值模擬可以幫助了解整個(gè)地缸發(fā)酵系統(tǒng)的熱過(guò)程，酒醅內(nèi)部溫度梯度的產(chǎn)生及變化是整個(gè)系統(tǒng)共同作用的結(jié)果。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)白酒發(fā)酵過(guò)程機(jī)械化的愿望越來(lái)越高[31-33]，采用新的發(fā)酵系統(tǒng)替代傳統(tǒng)發(fā)酵系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械化最現(xiàn)實(shí)的方法，但新發(fā)酵系統(tǒng)如何能夠保持傳統(tǒng)發(fā)酵系統(tǒng)中酒醅的溫度變化模式是新系統(tǒng)能否保持傳統(tǒng)發(fā)酵特色和風(fēng)味的重要標(biāo)準(zhǔn)，而數(shù)值模擬方法可以檢查新系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)要求[34-35]。

3 結(jié)論

通過(guò)比較分析汾酒發(fā)酵過(guò)程地缸系統(tǒng)的溫度分布變化，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵熱在系統(tǒng)內(nèi)主要以熱傳導(dǎo)的方式傳遞，由周邊土壤吸收并最終傳入環(huán)境。地缸發(fā)酵系統(tǒng)各組成部分協(xié)同完成發(fā)酵過(guò)程酒醅溫度的控制，并且形成酒醅在發(fā)酵過(guò)程獨(dú)特的溫度變化模式，這個(gè)模式是汾酒發(fā)酵的特征之一。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)酒醅溫度變化模式有明顯差異，主要表現(xiàn)在發(fā)酵中后期夏季酒醅的溫度高于秋冬季3～5 ℃，而季節(jié)溫差是產(chǎn)生這種溫差的主要原因，說(shuō)明發(fā)酵車(chē)間環(huán)境溫度對(duì)酒醅溫度變化模式產(chǎn)生了重要影響。

圖5 地缸系統(tǒng)熱過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果

汾酒酒醅的入缸溫度是以 “三溫定一溫”的方式確定[1]，氣溫、地溫決定著入缸溫度，決定著發(fā)酵過(guò)程控制及產(chǎn)品質(zhì)量。目前各研究主要停留在記錄熱變化情況，在機(jī)械化及地上控溫過(guò)程中，模擬其溫度變化曲線(xiàn)進(jìn)行發(fā)酵過(guò)程的控制，清香型白酒是最與國(guó)際接軌的香型，對(duì)其特殊的發(fā)酵容器地缸傳熱模式進(jìn)行研究，采用熱傳導(dǎo)機(jī)理對(duì)汾酒發(fā)酵的熱過(guò)程構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并采用有限元法運(yùn)算模型可以比較準(zhǔn)確地模擬發(fā)酵過(guò)程地缸系統(tǒng)溫度變化。通過(guò)數(shù)值模擬可以系統(tǒng)全面地了解發(fā)酵熱過(guò)程的全貌，為實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程溫度檢測(cè)和控制提供了必要的手段，也為實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程的機(jī)械化奠定了基礎(chǔ)。

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Thermal process pattern and numerical simulation of fen liquor fermentation in underground vats

HANYing1

CHENJian-xin2

(1.ShanxiXinghuacunfenjiuDistilleryCo.,Ltd.,Fenyang,Shanxi032205,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforCerealFermentationTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to understand the characteristics and mechanism of the thermal process of liquor fermentation system, which have great significance to the temperature control of the fermentation process and the mechanization of the fermentation system. The temperature distribution of fermented grains and the soil surrounding the cylinder are compared in different seasons. The process of biological heat generation and diffusion during the Fen liquor fermentation was confirmed. The temperature variation characteristics of fermented grains and heat conduction is the main mode of heat transfer in fermentation is determined. The important influence of temperature on the thermal process of fermentation is discussed. The numerical simulation of the thermal process of the fermentation system has been realized by measuring the thermal physical parameters of the fermentation system and using the finite element method of partial differential equation, which lays a foundation for the detection and control of fermentation process. The change pattern of fermented grains temperature in fermentation process is the basic characteristics and requirements of liquor fermentation, research and production of liquor should meet.

ground cylinder fermentation system; thermal process characteristic; numerical simulation

韓英(1972—)，女，山西杏花村汾酒廠(chǎng)股份有限公司高級(jí)工程師，工程碩士。E-mail:qxhy0708@163.com

2017—03—06

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.07.005

重慶市社會(huì)民生科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào)：cstc2015 shmszx80021)；重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心能力提升項(xiàng)目(編號(hào)：cstc2014ptgc8001)；中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(編號(hào)：XDJK2016A018)