一种啤酒生产配方优化方法组成比例

本发明专利技术涉及一种啤酒生产配方优化方法。现有的生产配方仍然依靠人工经验结合试验的方法来确定。本发明专利技术方法首先获取啤酒配方中主要原料；然后通过原料的参数建立综合生产性能指标估算模型，考虑的主要综合性能指标为麦芽糖化力、麦汁总氮、麦汁α氨基氮、麦汁β葡聚糖以及过滤槽糟层厚度；最后利用变尺度蚁群优化方法对啤酒配方模型进行优化，最终求解最低成本的生产配方。本发明专利技术方法具有开放性、鲁棒性、并行性和全局收敛性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息与控制
，涉及自动化技术，特别是涉及一种啤酒生产配 方优化方法。
技术介绍
原料配方优化设计问题是化工、食品、材料等领域中的一个重要研究内容。为了获 得性能优异、能满足使用要求的配方，需根据产品的性能要求和工艺条件，通过试验、优化、 鉴定、合理地选用原材料，确定各种原材料的用量配比关系。近年来对配方优化设计的应用 研究开始活跃，对于这样一个复杂的多目标配方体系，目前大多采用试验设计的方法。啤酒 企业配方设计也不例外，为了酿造啤酒风格的一致，麦芽进厂后通过分析，进行原料组分的 概算，决定配料方案，再通过小型糖化检查、验证，最后定出配料生产试验方案。通过生产验 证修改，最终订出产品配料。在啤酒生产过程中，啤酒原料配方决定了产品的风味、质量、成本等重要指标。目 前，啤酒生产企业生产配方仍然依靠人工经验结合试验的方法来确定，虽然可以满足工艺 的基本要求，但是原料总成本、口味等指标参数容易偏高。因此对啤酒配方进行优化对提高 企业生产效率、降低产品成本具有重要意义。啤酒配方优化是一个含多极值点的配方优化 问题。迄今为止，配方优化问题多采用常见的传统数学优化方法，如单纯形法、共轭梯度法、 几何平均分析法、正交设计法等。由于这些优化方法缺乏全局最优搜索的鲁棒性，且绝大多 数传统优化都需要梯度信息，因而要求解此类具有复杂数学形式的优化问题，相当困难。
技术实现思路
本专利技术的目标是针对啤酒配方优化中的一些难题，提出一种具有较强全局优化能 力的配方优化方法。本专利技术的技术方案是将连续的配方优化问题转变成离散的组合优化问题，然后采 用仿生的蚁群算法，并采用变尺度的方法改善算法寻优性能，缩短计算时间，最终确立了一 种啤酒生产配方优化方法。本专利技术方法的具体步骤是步骤1、获取啤酒配方中主要原料(包括大麦麦芽、特种麦芽、小麦麦芽和辅助原 料等)的产槽率、a氨基氮、糖化力、总可溶性氮、3葡聚糖以及单价等参数，这些数据可以 通过供应商获得，也可通过生产过程中统计获取；步骤2、通过原料的参数建立综合生产性能指标估算模型，考虑的主要综合性能指 标为麦芽糖化力、麦汁总氮、麦汁a氨基氮、麦汁3葡聚糖以及过滤槽糟层厚度。①麦芽糖化力在正常糖化操作下(65 68°C糖化30 45min)，每千克混合原料投料中，应含有 1500 2000WK的糖化力。上限值可以缩短精化时间，并得到较高发酵度的麦汁；下限值糖 化时间长，发酵度低。如小于1500WK会影响糖化作业、影响原料利用率、影响麦汁组成。且麦芽的总可溶性氮可按下式进行估算 式中，TpXi分别为组分i的糖化力强度及质量分数，1 ≤i ≤η ；②麦汁总氮通常啤酒定型麦汁的总可溶性氮水平为全麦芽麦汁900 1200mg/L加辅料浓醇型啤酒麦汁 700 850mg/L加辅料淡爽型啤酒麦汁 550 700mg/L并且，麦汁的总可溶性氮可按下式进行估算 式中为组分i的总氮质量浓度;A、ν分别为一批次需要的原料总质量和要求的麦汁产量，单位分别为千克以及升；γ、识分别 为蛋白质分解强度和煮沸氮析出率。③麦汁α氨基氮麦汁α氨基氮均与啤酒的风味物质高级醇和双乙酰相关，控制麦汁α氨基氮浓 度对于控制啤酒风味尤为重要。一般麦汁α氨基氮控制在160 180mg/L范围内比较适 宜。且麦汁α氨基氮含量可以通过下式估算 式中，广《为组分i的α氨基氮质量浓度，K为氨基氮系数。④麦汁β葡聚糖啤酒中含有适量的β葡聚糖是保持啤酒具有醇厚感的物质之一，但是如果过多 的β葡聚糖会在制麦中分解不足，在啤酒酿造过程中会带来一系列相关的问题。因此在制 麦过程β葡聚糖的含量低于250mg/L。且麦汁β葡聚糖含量可以通过下式估算 式中，ρ为组分i的β葡聚糖质量浓度，ν为葡聚糖系数。⑤过滤槽糟层厚度在糖化过程中，糖化醪所含有的不溶性麦糟将形成糟层。糟层厚度过厚，麦汁过滤 速度缓慢，过滤时间延长；糟层厚度过薄，虽然提高过滤速度，但会降低麦汁透明度。生产中 糟层厚度一般控制在30 50cm。且糟层厚度可以通过下式估算 式中，D为过滤槽设备的直径，广为组分i的产槽率。步骤3、利用变尺度蚁群优化方法对啤酒配方模型进行优化，最终求解最低成本的 生产配方。具体步骤如下①进行参数初始化，将每种组分所占质量百分比进行N等分，每种组分的离散间 琪中,胃为组分质量百分比的上下限。②若max Qll, h2，. . .，hn)≤ε，算法停止，输出当前最优方案，ε表示结束条件； 否则转第3步；③(r，i)为第r组分上的第i个节点，其数值记为Xr, t ； (r+1, j)为第r+1组分上 的第j个节点；为节点(r, i)到节点(r+1, j)的连线，蚁群中蚂蚁的数 量为m在运动过程中，在时刻t蚂蚁k由位置(r，i)转移到位置(r+1，j)的概率为 式中Μ,+1是第r+Ι组分的允许取值范围，保证各品种比例之和不大于100%。如果第r+Ι品种不是最后一个待定品种，那么Mrt取值范围为 但对于最后一个品种，则Mrt只能取值为 为时刻t在连线上残留得信息素浓度强度，初始条件下各条路径上信息素浓度强度相等，即τ [(r, 0,(^,^(0)= C常数。蚂蚁k(k = 1,2. ..m)是根据各条路径上概率进行随机选择。在创建解的过程中， 蚂蚁访问到节点后，并且对其所走路径上的信息素采用局部信息素更新规则进行更新 式中，ρ是信息量衰减参数，(O < P < 1)，令^ = +，0为常数，^表示该蚂蚁得到方案的配方成本。每只蚂蚁如此递推并最终生成各自的配方方案。④利用指标模型剔除不满足生产指标的不可行方案，对可行方案按下式计算配方 成本J并将其与最好方案对比，如果配方成本J小于最好方案中的配方成本，则把该方案记 为最好方案； 儿其中Mi为原料组分i的单价。⑤当所有蚂蚁均构建了配方方案，则按下式对信息素进行全局更新，得到信息素 浓度强度 式中Jmin gb为开始迭代时所获得的最低目标函数值。⑥更新迭代次数t — t+Ι ；若t ≥ tmax，则转到第3步；否则，找出当前最好方案，更 新xrt、、其中wr= 2·h1，并按下式修正搜索上下限xrappCT、χ—转到第1步，其中Xrfl为 最好方案中第r组分的最佳质量百分比。 本专利技术相比于现有技术具有以下有益效果本专利技术方法具有开放性、鲁棒性、并行 性、全局收敛性以及对问题的数学形式无特殊要求等特点。附图说明图1为本专利技术方法中组分的离散间隔示意图。 具体实施例方式以下将结合附图对本专利技术作进一步描述。本专利技术方法的包括以下步骤步骤1、获取啤酒配方中主要原料(包括大麦麦芽、特种麦芽、小麦麦芽和辅助原 料等)的产槽率、α氨基氮、糖化力、总可溶性氮、β葡聚糖以及单价等参数，这些数据可以 通过供应商获得，也可通过生产过程中统计获取；步骤2、通过原料的参数建立综合生产性能指标估算模型，考虑的主要综合性能指 标为麦芽糖化力、麦汁总氮、麦汁α氨基氮、麦汁β葡聚糖以及过滤槽糟层厚度。①麦芽糖化力在正常糖化操作下(65 68°C糖化30 45min)，每千克混合原料投料中，应含有 1500 2000WK的糖化力。上限值可以缩短精化时间，并得到较高发酵度的麦汁；下限值糖 化时间长，发酵度低。如小于1500WK会影响糖化作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种啤酒生产配方优化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤１、获取啤酒配方中主要原料的产槽率、α氨基氮、糖化力、总可溶性氮、β葡聚糖以及单价；步骤２、建立麦芽糖化力、麦汁总氮、麦汁α氨基氮、麦汁β葡聚糖和过滤槽糟层厚度综合生产性能指标估算模型；麦芽糖化力＝＊１０.Ｔ↓［ｉ］.Ｘ↓［ｉ］，式中，Ｔ↓［ｉ］、ｘ↓［ｉ］分别为组分ｉ的糖化力强度及质量分数，１≤ｉ≤ｎ；麦汁总氮＝＊１０.Ｃ↓［ｉ］↑［Ｎ］.Ｘ↓［ｉ］.Ａ.γ.（１－φ）／Ｖ，式中，Ｃ↓［ｉ］↑［Ｎ］为组分ｉ的总氮质ｎｎ］表示该蚂蚁得到方案的配方成本，每只蚂蚁如此递推并最终生成各自的配方方案；④利用指标模型剔除不满足生产指标的不可行方案，对可行方案计算配方成本Ｊ并将其与最好方案对比，如果配方成本Ｊ小于最好方案中的配方成本，则把该方案记为最好方案；Ｊ＝＊Ｍ↓［ｉ］.Ｘ↓［ｉ］.Ａ，其中Ｍ↓［ｉ］为原料组分ｉ的单价；⑤当所有蚂蚁均构建了配方方案，则按下式对信息素进行全局更新，得到信息素浓度强度τ′↓［［（ｒ，ｉ），（ｒ＋１，ｊ）］］＊＊＊式中：Ｊ↓［ｍｉｎｇｂ］为开始迭代时所获得的最低目标函数值；⑥更新迭代次数ｔ←ｔ＋１；若ｔ≥ｔ↓［ｍａｘ］，则转到第３步；否则，找出当前最好方案，更新ｘ↓［ｒ０］、ｗ↓［ｒ］，其中ｗ↓［ｒ］＝２.ｈ↓［ｒ］，并按下式修正搜索上下限ｘ↓［ｒｕｐｐｅｒ］、ｘ↓［ｒｌｏｗｅｒ］，转到第１步，其中ｘ↓［ｒ０］为最好方案中第ｒ组分的最佳质量百分比，＊＊＊。量浓度；Ａ、Ｖ分别为一批次需要的原料总质量和要求的麦汁产量，单位分别为千克以及升；γ、φ分别为蛋白质分解强度和煮沸氮析出率；麦汁α氨基氮＝＊１０.Ｃ↓［ｉ］↑［α］.Ｘ↓［ｉ］.Ａ.κ／Ｖ，式中，Ｃ↓［ｉ］↑［α］为组分ｉ的α氨基氮质量浓度，κ为氨基氮系数；麦汁β葡聚糖＝＊１０.Ｃ↓［ｉ］↑［β］.Ｘ↓［ｉ］.Ａ.ν／Ｖ，式中，Ｃ↓［ｉ］↑［β］为组分ｉ的β葡聚糖质量浓度，ｖ为葡聚糖系数；过滤槽糟层厚度＝＊４０.Ｃ↓［ｉ］↑［ｃ］.Ｘ↓［ｉ］.Ａ／π.Ｄ↑［２］，式中，Ｄ为过滤槽设备的直径，Ｃ↓［ｉ］↑［ｃ］为组分ｉ的产槽率；步骤３、利用变尺度蚁群优化方法对啤酒配方模型进行优化，最终求解最低成本的生产配方，具体步骤如下：①进行参数初始化，将每种组分所占质量百分比进行Ｎ等分，每种组分的离散间隔ｈ↓［ｒ］＝ｘ↓［ｒｕｐｐｅｒ］－ｘ↓［ｒｌｏｗｅｒ］／Ｎ（ｒ＝１，２，…，ｎ）；其中，ｘ↓［ｒ］↑［ｕｐｐｅｒ］...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：葛铭，郑松，魏江，郑小青，李春富，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]