一种黄酒发酵的动力学模型的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种黄酒发酵的动力学模型，通过对数据拟合找准黄酒发酵过程中菌体浓度、底物浓度、产物浓度等状态变量随时间的变化规律及其控制变量(温度、pH值和溶解氧)之间的关系，使用Matlab，结合csape、fnder、ppval、nlinfit，建立了黄酒发酵过程中菌体生长的动力学模型、底物消耗动力学模型、产物(酒精)生成的动力学模型，这对主动控制黄酒发酵过程工艺条件、保证产品稳定性具有重要意义和实用价值，同时这也是发酵过程放大及从分批发酵过渡到流加发酵，连续发酵的理论基础。
【专利说明】一种黄酒发酵的动力学模型
【技术领域】
[0001]本发明属于一种黄酒发酵动力学的模型，主要涉及的是一种黄酒发酵动力学模型。
【背景技术】
[0002]黄酒为世界三大古酒之一，源于中国，且唯中国有之。黄酒产地较广，品种很多。黄酒富含糖类、氨基酸、维生素、蛋白质、酶、微量元素、酯类等成份，且易被人体消化吸收，所以被誉为“液体蛋糕”。
[0003]千百年来，黄酒始终徘徊在以陶缸、陶坛作为发酵容器的手工作坊式生产方式中。但随着人们物质生活的提高，在酒类市场中，不再追求烈性白酒，而逐步向低度营养型黄酒发展，市场对黄酒的品质和需求量越来越大。但是受传统工艺的影响黄酒产量增长速度缓慢，黄酒品质差异较大。而在传统黄酒生产工艺中人们依然靠自然气候条件对黄酒发酵过程进行控制，人们也很难对发酵过程进行控制。这造成黄酒每批次之间品质差距很大甚至在同批次酒之间也不相同。这使得机械化大罐生产成为黄酒生产工艺革新的必然趋势。
[0004]而到目前，黄酒的生产方式仍以手工酿造为主，并视手工酿造为正宗，机械化黄酒所占的比重不到总产量的三分之一，生产企业也以自己能生产传统的黄酒而自豪，甚至标榜自己的产品“坛坛手工”。如果说一种产品是以手工艺为特色，以创作者技艺高低决定其价值的，那么书法绘画雕塑、传统服装及琵琶制造等，手工技艺的高低确实能决定产品的品质。但当一种产品已形成为社会化大生产且其本质与科技含量有紧密的联系时，那么手工只能是阻碍生产力发展的桎梏，黄酒的生产就属于后者。提出这个观点不是要全盘否定黄酒生产的传统手工工艺，而是要充分利用黄酒传统工艺的合理内涵，结合现代科技的最新技术，把黄酒的生产技术提高到一个新的水平。
[0005]啤酒、葡萄酒的机械化自动化程度越来越高，工艺技术越来越先进，生产效率不断提高。而阻碍机械化大罐黄酒发展的主要原因，除了小企业资金和技术实力不足以及观念问题外，主要原因还是对大罐生产黄酒过程中关键技术没能够突破。目前绍兴黄酒前酵罐最大容积为60m3，而啤酒发酵罐容积达100m3-600m3。啤酒发酵容器大型化后，由于发酵基质和酵母对流获得强化，加速了发酵，缩短发酵周期，大幅度减少罐数，节省投资。
[0006]生化工程关于放大工作对发酵工业的发展曾产生了很大影响，由于各种放大方法不断发展，微生物和发酵方面的知识在不断积累，生化工程师们致力于放大工作已逐渐变为更准确和更有效。但黄酒为高浓醪发酵，发酵基质与发酵特性均与啤酒差别较大，使得人们在大罐黄酒发酵过程中温度、PH等变化规律还没有完全掌握，另外大罐发酵工艺通过无菌空气进行主动开耙，以引导发酵醪自动翻腾，排出二氧化碳，以达到酵母进行有氧代谢，但是在何时通气，通气量大小对菌体生长代谢有无影响等问题上不能解决。基于这些因素致使黄酒大罐发酵过程数学模型建立很难完成，因而发酵容器大型化也尚有许多技术难题需要解决。
[0007]发酵动力学是实现发酵过程最优控制的前提条件，也是研究发酵过程放大及从分批发酵过渡到流加发酵，连续发酵的理论基础。本发明便是基于生物、化学、物理、计算机等科学的不断发展的前提，以及人们对黄酒发酵过程中，复杂的化学反应、菌体的新陈代谢机理等的准确和定量的认识和描述，建立了一个包含众多实验因素(pH值、初始底物浓度、底物糖的类型、温度、溶解氧等)在内的动力学方程和相关模型，这将有利于更准确的掌握、了解黄酒发酵过程的各重要参数，实现黄酒发酵自动化，是以后黄酒发酵方程的重要前提和研究方向。
[0008]因此，本发明对酒发酵过程工艺条件、保证产品稳定性具有重要意义和实用价值，同时这也是发酵过程放大及从分批发酵过渡到流加发酵，连续发酵的理论基础。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种黄酒发酵的动力学模型，本发明特点是:通过对数据拟合找准黄酒发酵过程中菌体浓度、底物浓度、产物浓度等状态变量随时间的变化规律及其控制变量(温度、PH值和溶解氧)之间的关系，建立黄酒发酵过程中菌体生长的动力学模型、底物消耗动力学模型、产物(酒精)生成的动力学模型。所述模型能估算黄酒发酵过程中菌体浓度、底物浓度、产物浓度等状态。
[0010](I)动力学方程的建立
[0011]建立黄酒发酵过程中菌体生长的动力学模型、底物消耗动力学模型、产物(酒精)生成的动力学模型，必须对实验得到的数据进行拟合得到菌体浓度、底物浓度、产物浓度动力学方程。
[0012]本发明首先对实验得到的数据进行拟合，采用Logistic方程形式，得到酵母细胞质量与时间的对数关系模型。由于黄酒生产周期长，酵母细胞的生长可明显分为前期(生长期及稳定期)和后期(衰亡期)两个阶段，因此采用分段函数对酵母的生长状况进行描述:
[0013]a)发酵前期:
[0014]cx (t) = 0.0041nt+0.012，R2 = 0.9663
[0015]其中:cx为菌体质量浓度；t为发酵时间。
[0016]b)发酵后期，酵母细胞进入衰亡期，在衰亡期细胞生长环境恶化，活细胞死亡速率增加，细胞浓度迅速降低。细胞的死亡速率亦遵循一级反映动力学关系，拟合衰亡期的酵母细胞质量与时间的数学关系模型:
[0017]Cx ⑴=0.033e-0.nt (t > 8d)，R2 = 0.975
[0018]其中:cx为菌体质量浓度；t为发酵时间。
[0019]然后，对数据进行拟合，得到酒精质量浓度与时间的对数关系模型:
[0020]Cp(t) = 2.7061n t+6.653, R2 = 0.960
[0021]其中:cP为酒精质量浓度；t为发酵时间。
[0022]再次，对数据进行拟合，得到残余总糖浓度与时间的对数关系模型:
[0023]Cs (t) = -27.21n t+78.36, R2 = 0.966
[0024]其中:cs为残糖质量浓度；t为发酵时间。
[0025](2)酵母生长模型
[0026]根据Logistic方程描述酵母细胞前期的生长情况，有:
【权利要求】
1.一种黄酒发酵的动力学模型，所述模型能估算黄酒发酵过程中菌体浓度、底物浓度、产物浓度等状态，其特征在于包括如下步骤: a)按照正常黄酒制作方法，设置不同PH值进行发酵，分别采用直接滴定法、用蒸馏测定法、细胞干质量称重法测定可溶性糖、发酵醪中的酒精质量、细胞干质量。获得PH值与细胞生长动力学参数之间的关系。 b)按照正常黄酒制作方法，设置不同发酵温度进行发酵，采用(I)所述相同的方法获得不同温度下黄酒发酵过程参数。 c)按照正常黄酒制作方法，设置不同溶解氧进行发酵，采用(I)所述的方法获得不同溶解氧下黄酒发酵过程参数。 d)通过数据拟合找准发酵过程中菌体浓度、底物浓度、产物浓度等状态变量随时间的变化规律及其控制变量(温度、PH值和溶解氧)之间的关系，使用Matlab，结合csape、fnder、ppval、nlinfit,建立黄酒发酵过程中菌体生长的动力学模型、底物消耗动力学模型、产物(酒精)生成的动力学模型。
2.按照权利要求书I所述的方法，应用Logistic方程，建立黄酒发酵过程中菌体生长的动力学模型，其模型如下:
μ = 0.1864(1-0.204cx)，R2 = 0.966 其中:μ为菌体比生长速率，cx为酵母细胞浓度。
3.按照权利要求书I所述的方法，建立黄酒发酵过程中产物(酒精)生成的动力学模型，其模型如下:`
qs = 11447 μ +192.5，R2 = 0.958 其中，qs为产物(酒精)比产率，μ为比生长速率。
4.按照权利要求书I所述的方法建立黄酒发酵过程中底物消耗动力学模型，其模型如下:
qp = -661.0 μ +19.3，R2 = 0.956 其中，qp为比底物消耗速率，μ为比生长速率。
【文档编号】G06F17/50GK103793543SQ201210431737
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年11月2日 优先权日:2012年11月2日
【发明者】毛健, 姬中伟, 黄桂东, 彭金龙, 张敏, 冯浩 申请人:江南大学