专利名称：全自动麦汁充氧酵母添加机及其麦汁充氧酵母添加方法
技术领域：
本发明涉及全自动麦汁充氧酵母添加机及其麦汁充氧酵母添加方法，主要用于生物工程、发酵工程、生物制药、精细化工、化学工程的多物料混合工艺技术领域。尤其涉及用于啤酒麦汁与氧气气液混合及麦汁中酵母添加的全自动过程控制。
背景技术：
随着人们生活质量的不断提高，人们对啤酒口感质量及其一致性的要求越来越高。目前，在生产啤酒的工艺过程中，麦汁充氧及麦汁中酵母添加过程只采用了半自动麦汁充氧酵母添加机设备。现有技术中，半自动麦汁充氧酵母添加机中的空气流量检测、麦汁含氧量检测及自动控制系统由于设计上存在诸多缺陷，不能保证麦汁溶氧及酵母量的准确添加及均一性，从而导致啤酒发酵的酵母繁殖速度及起发速度不一致，最终导致啤酒的口感 质量及其一致性达不到目前高标准的要求。现有技术中使用的半自动麦汁充氧酵母添加机存在空气体积流量计易受温度和压力的影响，空气体积流量检测的体积流量所换算的质量流量不准确；在线溶氧仪检测的信号失真及反馈调节滞后缺陷，是由于氧气被充入麦汁后不是全溶解状态，部分以气泡的形式存在，导致在线溶氧仪不能准确检测麦汁中的溶氧量；闭环反馈调节控制，将下游检测的信号反馈给PLC，PLC对上游调节阀进行控制，在调节的过程中存在明显的滞后现象，导致控制量不准；半自动控制不仅增加了人力成本，也增加了劳动强度和出错几率，这些缺陷对生产啤酒的质量及均一性造成不利影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种全自动麦汁充氧酵母添加机及其麦汁充氧酵母添加方法。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现全自动麦汁充氧酵母添加机，包括机架，设置于机架上端外侧的PLC控制柜、设置于机架上方的文丘里管，机架内部设置有两个膜过滤器、气动PID调节阀、酵母添加泵，所述的PLC控制柜分别与质量流量计、气动PID调节阀、两个体积流量计、气动蝶阀、第一角座阀、第二角座阀相连接，所述酵母添加机外接空气压缩机、冷麦汁入口、发酵罐、酵母扩培罐、蒸汽减压站，所述空气压缩机通过管道依次连接减压阀、浮子流量计、第一手动球阀、质量流量计、气动PID调节阀、第二手动球阀、U型跨接管、第二膜过滤器、第一角座阀、止回阀至文丘里管，所述浮子流量计和第一手动球阀间设置有三通旁路，三通旁路连接至第二手动球阀与U型跨接管之间，三通旁路上设置有针阀，第二膜过滤器和第一角座阀间外接设置有排污管，排污管上设置有第四手动球阀，第一角座阀和止回阀间外接设置有排污管，排污管上设置有第二角座阀；所述空气压缩机连接的质量流量计及气动PID调节阀的应用，为麦汁中氧的准确添加提供了可靠的前提条件，再通过数学模型法建立的数学关系式，为麦汁中氧的准确添加提供了可靠的参数依据，PLC及开环控制原理的应用，避免了闭环控制法中反馈调节滞后现象所带来的问题。所述酵母扩培罐通过管道依次连接体积流量计、酵母添加泵至文丘里管，酵母添加泵至文丘里管间管道上外接设置有排污管道，排污管道上设置有气动蝶阀；所述蒸汽减压站通过管道依次经过压力表、第三手动球阀、第一膜过滤器至U型跨接管，压力表和管道间设置有针阀；所述冷麦汁入口通过管道与文丘里管相连接，所述冷麦汁入口与文丘里管连接的官道上设置有体积流量计。一种麦汁充氧酵母添加方法，其步骤为PLC控制柜启动后，PLC控制柜控制第一角座阀和第二角座阀打开，U型跨接管连接第一膜过滤器后端管路及第二膜过滤器前端管路，打开第三手动球阀，洁净蒸汽通过 蒸汽减压站对第一膜过滤器及第二膜过滤器和止回阀之间的管道进行蒸汽杀菌，杀菌结束后，PLC控制第二角座阀关闭，关闭第三手动球阀，U型跨接管连接第二手动球阀末端管路和第二膜过滤器前端管路；通过冷麦汁入口输入冷麦汁，PLC控制柜通过体积流量计接收到从冷麦汁入口来的麦汁的体积流量信号时，根据此信号由数学模型计算决定需要添加的空气的量和酵母的量，依据这个量，再根据空气质量流量计反馈的信号的量与数学模型设定计算的冷麦汁的量的对比来控制气动PID调节阀的开度，使得这两个量达到一致，同时根据酵母扩培罐处的酵母体积流量计反馈的信号的量和体积流量计检测到的冷麦汁的量对比值通过变频来控制酵母添加泵的流量值，使得这两个量达到一致，将空气、冷麦汁、酵母在文丘里管内混合，混合后的麦汁进入发酵罐进行发酵；当来自冷麦汁入口端的体积流量计的信号停止时，PLC控制柜控制第一角座阀、酵母添加泵及气动PID调节阀及时关闭，PLC控制柜再控制气动蝶阀打开进行排污及控制第一角座阀打开，U型跨接管连接第一膜过滤器后端管路及第二膜过滤器前端管路，打开第三手动球阀，通过蒸汽减压站将洁净蒸汽对第二膜过滤器及第二膜过滤器和止回阀之间的管道蒸汽杀菌，杀菌结束后，PLC控制柜控制第二角座阀关闭，关闭第三手动球阀，整个过程完成。本发明方法切实可行，空气的质量流量计的应用，为麦汁中氧的准确添加提供了可靠的前提条件，数学模型的建立，为麦汁中氧及酵母的准确添加提供了可靠依据，开环控制原理的应用，避免了闭环控制中反馈调节滞后的现象，全过程自动控制的实现，大大降低了劳动强度及人为出错的几率，从而提高产品质量及均一性。
图I为本发明的装备图；图2为本发明的工艺流程图；其中1_冷麦汁入口 ；2_空气压缩机；3_减压阀；4_浮子流量计；5_第一手动球阀；6_质量流量计；7_气动PID调节阀；8_第二手动球阀；9-PLC控制柜；10-U型跨接管；11-第一膜过滤器；12_第二膜过滤器；13_第三手动球阀；14、27_针阀；15_压力表；16_蒸汽减压站；17_第四手动球阀；18_第一角座阀；19_第二角座阀；20_止回阀；21_发酵罐；22-酵母扩培罐；23、28_体积流量计；24_文丘里管；25_酵母添加泵；26_气动蝶阀；29_机架。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。如图I和图2示，全自动麦汁充氧酵母添加机，包括机架29，设置于机架29上端外侧的PLC控制柜9、设置于机架29上方的文丘里管24，机架29内部设置有两个膜过滤器11、12、气动PID调节阀7、酵母添加泵25，所述的PLC控制柜9分别与质量流量计6、气动PID调节阀7、两个体积流量计23、28、气动蝶阀26、第一角座阀18、第二角座阀19相连接，所述酵母添加机外接空气压缩机2、冷麦汁入口 I、发酵罐21、酵母扩培罐22、蒸汽减压站16，所述空气压缩机2通过管道依次连接减压阀3、浮子流量计4、第一手动球阀5、质量流量计6、气动PID调节阀7、第二手动球阀8、U型跨接管10、第二膜过滤器12、第一角座阀18、止回阀20至文丘里管24，所述浮子流量计4和第一手动球阀5间设置有三通旁路，三通旁路连接至第二手动球阀8与U型跨接管10之间，三通旁路上设置有针阀27，第二膜过滤器12和 第一角座阀18间外接设置有排污管，排污管上设置有第四手动球阀17，第一角座阀18和止回阀20间外接设置有排污管，排污管上设置有第二角座阀19 ；所述酵母扩培罐22通过管道依次连接体积流量计23、酵母添加泵25至文丘里管24，酵母添加泵25至文丘里管24间管道上外接设置有排污管道，排污管道上设置有气动蝶阀26 ；所述蒸汽减压站16通过管道依次经过压力表15、第三手动球阀13、第一膜过滤器11至U型跨接管10，压力表15和管道间设置有针阀14 ；所述冷麦汁入口 I通过管道与文丘里管24相连接，所述冷麦汁入口 I与文丘里管24连接的官道上设置有体积流量计28。一种麦汁充氧酵母添加方法，其步骤为PLC控制柜9启动后，PLC控制柜控制第一角座阀18和第二角座阀19打开，U型跨接管10连接第一膜过滤器11后端管路及第二膜过滤器12前端管路，打开第三手动球阀13，洁净蒸汽通过蒸汽减压站16对第一膜过滤器11及第二膜过滤器12和止回阀20之间的管道进行蒸汽杀菌，杀菌结束后，PLC控制第二角座阀19关闭，关闭第三手动球阀13，打开第四手动球阀17，将冷凝水排放，然后U型跨接管10连接第二手动球阀8末端管路和第二膜过滤器12前端管路；通过冷麦汁入口 I输入冷麦汁，PLC控制柜9通过体积流量计28接收到从冷麦汁入口 I来的麦汁的体积流量信号时，根据此信号由数学模型计算决定需要添加的空气的量和酵母的量，依据这个量，再根据空气质量流量6计反馈的信号来控制气动PID调节阀7的开度，同时根据酵母扩培罐22器处的酵母体积流量计23反馈的信号值通过变频来控制酵母添加泵25的流量值，将空气、冷麦汁、酵母在文丘里管内混合，混合后的麦汁进入发酵罐21进行发酵；当来自冷麦汁入口 I端的体积流量计28的信号停止时，PLC控制柜9控制第一角座阀18、酵母添加泵25及气动PID调节阀7及时关闭，PLC控制柜9再控制气动蝶阀26打开进行排污及控制第一角座阀18打开，U型跨接管10连接第一膜过滤器11后端管路及第二膜过滤器12前端管路，打开第三手动球阀13，通过蒸汽减压站16将洁净蒸汽对第二膜过滤器12及第二膜过滤器12和止回阀20之间的管道蒸汽杀菌，杀菌结束后，PLC控制柜控制第二角座阀19关闭，关闭第三手动球阀13，整个过程完成。所述PLC控制9柜采集麦汁的体积流量计28、空气的质量流量计6及酵母的体积流量计23的信号，控制气动PID调节阀7、酵母添加泵25的开度和第一角座阀18、第二角座阀19及气动碟阀26的开与关。麦汁充氧及酵母添加的方法，包括质量流量计6检测空气质量流量、体积流量计23检测酵母体积流量，PLC编程的数学模型给出相关具体控制参数及开环控制通过PLC实现对上游调节阀进行控制；质量流量计法使用质量流量计检测压缩空气的流量，所述数学模型推导出控制量之间的关系式；关系式中的已知量有空气中氧气含量、氧气溶解率、冷麦汁流量和麦汁溶氧量，关系式中的未知量有空气质量流量和酵母体积流量；所述开环控制法是通过PLC控制程序在运行之初计算的确定量与控制量之间的关系。
所述减压阀3对来自空气压缩机2的高压压缩空气减压，达到要求的压力，对充氧量及气动元件起到稳定保护作用。所述第一手动球阀5和第二手动球阀8在质量流量计6或控制系统出现故障时关闭，便于质量流量计6或控制系统的拆卸检修和更换，同时通过针阀27调节流量。所述质量流量计6检测压缩空气流量，并将该信号反馈给PLC控制柜9。所述气动PID调节阀7由PLC控制柜9控制其开度大小，使空气流量达到要求值。所述U型跨接管10在麦汁充氧时，连接第二手动球阀8末端管路和第二膜过滤器12前端管路；当进行空气管道通汽杀菌时，U型跨接管10连接第一膜过滤器11后端管路及第二膜过滤器12前端管路。所述第二膜过滤器12对压缩空气经行过滤，拦截压缩空气中的微生物及杂物。所述第一角座阀18在PLC控制柜9检测到冷麦汁处的体积流量计28信号时按逻辑关系要求打开，使压缩空气顺利充入文丘里管内的麦汁中。所述止回阀20防止冷麦汁从文丘里管24倒流进入压缩空气管路，保证压缩空气管路的卫生。所述第四手动球阀17在管路进行蒸汽杀菌时，起到排冷凝水至地沟的作用。所述第二角座阀19在管路进行蒸汽杀菌时，起到自动通蒸汽排污至地沟的作用。所述酵母处体积流量计23检测酵母流量，并将信号反馈给PLC控制柜9。所述酵母添加泵25根据PLC控制柜9指令，输送设定添加酵母量至文丘里管24中。所述气动蝶阀26在酵母添加结束后打开，对管道中残留酵母进行自动排污。所述压力表15显示洁净蒸汽管道的压力，达到指定压力时才可以进行杀菌。所述质量流量计法使用质量流量计检测压缩空气的质量流量，可减少温度及压力的不同变化对空气流量检测结果的影响。所述数学模型法推导出的关系式，通过设定量和检测已知量，准确计算出各个未知量。所述空气中氧气含量根据使用方所在地理位置条件，由数学模型推出。所述氧气溶解率即能够溶解在麦汁中的氧占氧气总量的质量百分比，由科学实验的参数得到。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技 术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.全自动麦汁充氧酵母添加机，包括机架，设置于机架上端外侧的PLC控制柜、设置于机架上方的文丘里管，机架内部设置有两个膜过滤器、气动PID调节阀、酵母添加泵，所述的PLC控制柜分别与质量流量计、气动PID调节阀、两个体积流量计、气动蝶阀、第一角座阀、第二角座阀相连接，所述酵母添加机外接空气压缩机、冷麦汁入口、发酵罐、酵母扩培罐、蒸汽减压站，其特征在于所述空气压缩机通过管道依次连接减压阀、浮子流量计、第一手动球阀、质量流量计、气动PID调节阀、第二手动球阀、U型跨接管、第二膜过滤器、第一角座阀、止回阀至文丘里管，所述浮子流量计和第一手动球阀间设置有三通旁路，三通旁路连接至第二手动球阀与U型跨接管之间，三通旁路上设置有针阀，第二膜过滤器和第一角座阀间外接设置有排污管，排污管上设置有第四手动球阀，第一角座阀和止回阀间外接设置有排污管，排污管上设置有第二角座阀； 所述空气压缩机连接的质量流量计及气动PID调节阀的应用，为麦汁中氧的准确添加提供了可靠的前提条件，再通过数学模型法建立的数学关系式，为麦汁中氧的准确添加提供了可靠的参数依据，PLC及开环控制原理的应用，避免了闭环控制法中反馈调节滞后现象所带来的问题； 所述酵母扩培罐通过管道依次连接体积流量计、酵母添加泵至文丘里管，酵母添加泵至文丘里管间管道上外接设置有排污管道，排污管道上设置有气动蝶阀； 所述蒸汽减压站通过管道依次经过压力表、第三手动球阀、第一膜过滤器至U型跨接管，压力表和管道间设置有针阀； 所述冷麦汁入口通过管道与文丘里管相连接，所述冷麦汁入口与文丘里管连接的官道上设置有体积流量计； 一种麦汁充氧酵母添加方法，其步骤为 PLC控制柜启动后，PLC控制柜控制第一角座阀和第二角座阀打开，U型跨接管连接第一膜过滤器后端管路及第二膜过滤器前端管路，打开第三手动球阀，洁净蒸汽通过蒸汽减压站对第一膜过滤器及第二膜过滤器和止回阀之间的管道进行蒸汽杀菌，杀菌结束后，PLC控制第二角座阀关闭，关闭第三手动球阀，U型跨接管连接第二手动球阀末端管路和第二膜过滤器前端管路； 通过冷麦汁入口输入冷麦汁，PLC控制柜通过体积流量计接收到从冷麦汁入口来的麦汁的体积流量信号时，根据此信号由数学模型计算决定需要添加的空气的量和酵母的量，依据这个量，再根据空气质量流量计反馈的信号的量与数学模型设定计算的冷麦汁的量的对比来控制气动PID调节阀的开度，使得这两个量达到一致，同时根据酵母扩培罐处的酵母体积流量计反馈的信号的量和体积流量计检测到的冷麦汁的量对比值通过变频来控制酵母添加泵的流量值，使得这两个量达到一致，将空气、冷麦汁、酵母在文丘里管内混合，混合后的麦汁进入发酵罐进行发酵； 当来自冷麦汁入口端的体积流量计的信号停止时，PLC控制柜控制第一角座阀、酵母添加泵及气动PID调节阀及时关闭，PLC控制柜再控制气动蝶阀打开进行排污及控制第一角座阀打开，U型跨接管连接第一膜过滤器后端管路及第二膜过滤器前端管路，打开第三手动球阀，通过蒸汽减压站将洁净蒸汽对第二膜过滤器及第二膜过滤器和止回阀之间的管道蒸汽杀菌，杀菌结束后，PLC控制柜控制第二角座阀关闭，关闭第三手动球阀，整个过程完成。
2.根据权利要求I所述的全自动麦汁充氧酵母添加机，其特征在于所述PLC控制柜采集麦汁的体积流量计、空气的质量流量计及酵母的体积流量计信号，控制气动调节阀、第一角座阀、第二角座阀、酵母添加泵及气动碟阀。
3.根据权利要求I所述的全自动麦汁充氧酵母添加机，其特征在于所述减压阀对来自空气压缩机的高压压缩空气减压，达到要求的压力，对充氧量及气动元件起到稳定保护作用，所述第一手动球阀和第二手动球阀在质量流量计或控制系统出现故障时关闭，便于质量流量计或控制系统的拆卸检修和更换，同时通过针阀调节流量。
4.根据权利要求I所述的全自动麦汁充氧酵母添加机，其特征在于所述止回阀防止冷麦汁从文丘里管倒流进入压缩空气管路，保证压缩空气管路的卫生。
全文摘要
全自动麦汁充氧酵母添加机及其麦汁充氧酵母添加方法，涉及生物工程、发酵工程、生物制药、精细化工及化学工程的多物料混合工艺技术领域，包括机架，设置于机架上端外侧的PLC控制柜、设置于机架上方的文丘里管，所述酵母添加机外接空气压缩机、冷麦汁入口、发酵罐、酵母扩培罐、蒸汽减压站，一种麦汁充氧酵母添加方法，其步骤为通过冷麦汁入口进入冷麦汁，空气压缩机进入空气，酵母扩培罐进入酵母，将三者在文丘里管中混合，混合后进入发酵罐，本发明方法切实可行，空气质量流量计和体积流量计的应用，为麦汁中氧和酵母的准确添加提供了可靠的前提条件，数学模型法的建立，为麦汁中氧及酵母的准确添加提供了可靠依据，开环控制原理的应用，避免了闭环控制中反馈调节滞后的现象，全过程自动控制的实现，大大降低了劳动强度及人为出错的几率，从而提高产品质量及均一性。
文档编号C12C7/28GK102816662SQ201210306448
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者陶安军 申请人:安徽华艺生物装备技术有限公司