TRIZ分析方法在中药混合提取液过滤技术中的应用＊

王丽娜，皇盖林

（云南白药天颐茶品有限公司，云南 昆明 650032）

中成药多需要对药材进行提取、过滤、浓缩等，然后再进行制剂和加工。中药成分较复杂，尤其是经过配伍的复方，有些药材在加工时也会发生反应后产生不溶性成分。在过滤提取液时，需要除去药渣以及提取过程中产生的不溶性杂质。目前可选择的过滤设备和介质，比如板框过滤、借用助滤剂的硅藻土过滤、常见的袋式过滤、离心机、最近发展较快的超滤技术等。与传统的分离方法相比，虽然超滤法有许多独特的优势，但目前多数工作还处于实验室研究阶段，距产业化生产还有相当一段距离，究其原因是至今还存在着一些尚未有效解决的实际问题，滤膜的污染和清洗问题是阻碍超滤法推广应用的最大障碍[1]。超滤膜过滤中药提取液通常与离心机联用，但生产过程中超滤环节经常发生阻塞，需定期清洗膜。现阶段，在生产实践中，采用多台超滤设备并联使用，但并没有从根本上解决问题。本文以超滤膜过滤为例，运用创新方法进行分析，以期获得提高超滤效率的工艺方法。

1 TRIZ基本概述

TRIZ即发明问题解决理论，是指导人们进行发明创新、解决工程问题的系统化的方法学体系。相对于传统的创新方法，比如试错法、头脑风暴法等，作为一套成熟的理论和方法体系，TRIZ具有鲜明的特点和优势[2]。它是苏联发明家根李齐·阿奇舒勒（G.S.Altshhuller）为首的研究团队通过对250万件高水平发明专利进行分析和提炼之后总结出来的。TRIZ形成体系并完善后在多个领域得以应用，利用TRIZ解决问题首先需将实际问题转化为问题模型，再有针对性地选择不同的TRIZ工具，以此得到解决方案模型，最后将解决方案模型引用到具体的问题中获得实际方案。

2 中药混合提取液超滤系统工作原理及问题描述

为了将中药混合提取液经过超滤获得澄清溶液，通常先将提取液经离心机进行粗滤，得到含细小杂质的轻液和含较大颗粒的重液，重液通过设备底部的排渣口排出，轻液由加压泵输送进入超滤环节，实现对提取液的精密过滤。过滤一定量的提取液后，滤膜的滤孔逐渐被阻塞，超滤前的压力升高，可通过增加回流量降低压力，但是，这是过滤的效率就会降低，如图1所示。所以，在该过滤系统中，滤膜阻塞后就必须停机清洗，从而导致连贯性不强，降低生产效率，而且定时的清洗也会耗费更多的能源，造成资源和成本的浪费。

图1 系统问题图示

3 讨论利用TRIZ分析问题

TRIZ解决问题的一般流程是：①将1个待解决的实际问题转化为问题模型；②针对不同的问题模型，应用不同的工具，得到解决方案模型；③将这些解决方案模型应用到具体的问题之中，得到问题的解决方案[3]。在此过程中，需要将存在问题的部分及其所在技术系统转化为组件和功能关系，并分析问题产生的原因，从而为选择工具和寻找解决方案做好准备。

3.1 过滤系统的组件和功能分析

将过滤系统中各部分及其作用对象分解为不同的组件，通过各部分之间功能作用关系将各部分连接起来，获得组件分析模型。该技术系统的组件模型如图2所示，离心机分离提取液获得重液和轻液；超滤膜过滤器过滤轻液；加压泵推动轻液至膜过滤器；回流管导流不能通过超滤的轻液至离心机；不溶颗粒杂质阻塞滤膜；轻液透过滤膜得到澄清提取液，滤膜降低通过率。提取液中不溶性颗粒会改变滤膜的通过性，使过滤效率降低。

技术系统的最终理想结果是，该过滤系统能够实现对提取液的过滤，在滤膜阻塞时能够实现自动清洁，在提高效率的同时保证澄清度达到工艺要求。

图2 系统组件模型图示

3.2 技术系统的因果分析

对过滤系统进行组件分析并建立模型后，根据每个组件之间的功能作用关系，分别以过滤膜受阻和提取液不溶物含量过高为出发点进行因果分析。从系统外部的整个超系统层面来看，药材粉碎的粒度和洁净度对提取液的杂质含量有影响。从系统本身来看，由于离心机分离不溶性杂质功能不足，超滤膜上的滤孔被颗粒杂质阻塞后不能及时清除，导致超滤膜被阻塞，过滤效率降低。

4 应用TRIZ理论中的工具解题并获得方案

利用TRIZ解决问题其实就是矛盾的产生、问题的定义、工具的选择、矛盾的解决等一个连续过程。TRIZ理论认为，解决创新问题的关键是要解决矛盾，并提供了包括矛盾矩阵和创新原理、物质场分析模型和标准解、创新问题解决算法、科学和技术知识效应库等在内的解决方法[4]。TRIZ的问题模型可分为4种形式，即技术矛盾、物理矛盾、物场问题、知识使能问题。技术矛盾是指，为了改善系统的一个参数，导致另一个参数恶化。物理矛盾是针对系统的某个参数，提出了2种不同的要求。在解决问题时，最有效的解决方案就是解决技术难题中的矛盾。对于技术矛盾，阿奇舒勒给出了一个矛盾矩阵，矛盾矩阵是一个（40×40）的矩阵，其中第1列为39个可改善的工程参数，第1行为39个会导致恶化的工程参数，剩下的39行和39列形成一个矩阵，里面的数字对应着解决矛盾的通用创新原理。对于物理矛盾，则采用空间分离、时间分离、条件分离和系统级别分离等方法，并利用通用的40个发明创新原理加以解决。此外，TRIZ理论还有物场模型和标准解、知识库、效应库等解决工具[5]。

4.1 三轴分析的应用

以当前的技术系统为中心，分别在因果轴、操作轴和系统轴上分析问题。在因果分析中，发现问题产生的根本原因和薄弱点；在操作轴和系统轴上，分析解题资源、降低解决问题的成本。在对技术系统的资源进行列举和功能分析的基础上，寻找可用资源，在系统改动最小的前提下提高预期效果。利用过滤后的提取液进行定时反冲，使滤膜上的杂质得以清除，反冲液经过回流管返回到离心机中再次离心沉降。

4.2 技术矛盾的应用

TRIZ中的物理矛盾是当对一个系统的某个参数提出具有相反的要求时而出现的。矛盾分析是在系统问题中寻找出2个关联的指标参数，改善其中之一可以恶化另外一个参数，确定矛盾对后根据TRIZ中的40个发明原理获得方案。从主要问题点入手进行技术矛盾分析，该过滤系统由于离心机分离效率低，导致超滤环节进料浊度大，效率降低。分析初步解决方案，可考虑改用多级过滤或离心系数更高的管式离心机，以提高超滤环节进料的澄清度，保证超滤生产效率。由此确立技术矛盾，改善的参数为作用于物体的有害因素，恶化的参数为生产率。

在矛盾矩阵中查找创新原理，分别为22变害为利原理，35物理或化学参数改变原理，13反向作用原理，24借助中介物原理。在这些创新原理中获得对应的技术启示，参照借助中介物原理中的暂时结合原理，将提取液中的不溶性颗粒杂质与其他容易去除的物体暂时结合，将离心机替换为使用助滤剂的过滤澄清设备，比如硅藻土过滤器。因为硅藻土本身粒径比较大，易于滤除，所以，借用硅藻土微观结构中的孔径增加过滤面积，使饮料调配液透过，不溶性颗粒被硅藻土上的缝隙吸附，利用硅藻土形成的截留层滤除调配液中的大颗粒杂质。

4.3 物理矛盾的应用

从技术系统的因果轴分析来看，压力泵使加压饮料调配液经进料管进入膜过滤器，滤膜被杂质阻塞，系统压力增加，通过加大回流缓解压力过大，但是过滤效率降低。为了提高调配液的过滤效率，加压泵要不断加压，使调配液能够加速通过滤膜上的滤孔，但滤膜容易损伤，影响过滤效果。以系统压力为物理矛盾点进行分析，寻找适用的创新原理。根据机械系统替代原理中超声波脱除毛发的技术启示建立解决方案。超声波清洗是基于空化作用，即在清洗液中无数气泡快速形成并迅速内爆，由此产生的冲击将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物剥落下来。超声波发出后对孔隙中的杂质颗粒产生持续振动，及时清洁被阻塞的滤孔。这是利用超声波发生器在滤膜表面产生作用释放被阻塞的滤孔。超滤设备套连超声波装置，在过滤过程中定时启动，超声波在滤膜表面形成气态的微型空穴，以实现滤膜在工作中自清洁。

4.4 物场模型的应用

分析整个技术系统各环节中存在的问题，在该系统中，由于离心机分离效果不足，导致大量杂质进入膜过滤环节，从而阻塞滤膜。根据加强型物场模型标准解，分析系统相关资源，系统内料液先通过离心除去较大的颗粒杂质；离心机通过离心碟片搅动料液，大颗粒杂质在离心力的作用下被甩出；系统内能量资源为离心机的离心力；超系统资源为饮料浓缩液和原料提取液。利用提高物质的动态性能标准解，在原有离心机中添加过滤网，借助离心力提高对饮料调配液的离心过滤效果，减少在下一个环节中的不溶物浓度，将碟片式离心机更换为过滤式离心机，提高原离心机的除杂性能。

4.5 标准解的应用

系统的理想化最终结果是在滤膜被阻塞的区域内，并且在发生阻塞时能够不让杂质附着，以实现持续过滤。根据标准解1.2.1在系统的2个物质之间引入外部现成的物质。围绕着理想化结果所要达到的状态，通过标准解案例库中的技术启示获得方案，纳米材料在很多领域都得到了应用。根据材料特性将其与现有滤膜材料结合，滤膜表面足够光滑，使颗粒物在滤膜表面的附着力减小，间接实现滤膜的自清洁，实现调配液的持续过滤。

4.6 进化法则的应用

判断该技术系统所处的S曲线位置，并结合进化法则进行分析。从采用表面属性进化法则来看，根据系统的进化趋势和内部结构进化发展分割组件，使得系统更加协调。根据该法则所给出的技术发展趋势，按照理想化的设计，滤膜应该具有自清洁功能，将清洁功能从滤膜分割出来，设计表面具有刷毛的球形颗粒，在调配液的推动下，球形刷不断冲刷滤膜清理杂质，使滤膜能够保持恒定的有效过滤面积。

5 TRIZ最终解决方案选择与总结

根据创新原理和技术矛盾分析等工具获得技术方案，再利用Pro/Evolver软件（北京亿维讯同创科技有限公司开发的一款基于创新方法的应用软件）的方案评价功能，从过滤效率、成本、能源消耗、质量水平4个维度对上述方案进行综合评价。通过对方案价值的分析，对方案价值评价较高的方案进行技术分析，具体包括以下几点：①利用系统内资源实现反向压力泵输送滤液，清洁滤孔，这需要增加设备才能实现。同时，利用滤液进行反冲，在一定程度上降低了工作效率。②技术矛盾分析方案增加硅藻土作为过滤介质。根据目前的过滤技术，硅藻土过滤设备已相对比较成熟，如果能够使用硅藻土过滤器来替代，则无需使用膜过滤器，同时，硅藻土具有一定的吸附作用，需要考虑中药提取液中有效成分损失等问题。③物理矛盾分析得到的方案是引入超声波设备，但该方案还需考虑超声波对滤膜材料和连接部件密封性的影响。④物场模型分析方案通过增强离心效果来实现，需通过方案应用进行对比，评价具体的过滤效率等内容。⑤标准解方案是在滤膜表面增加纳米材料，减小膜材料对杂质的附着力。在滤膜表面增加一层纳米材料层需要经过材料学实验的验证，而且还应考虑是否会增加耗材的成本以及过滤效率的提高幅度。⑥在进化路径方案中引入能够实现滤膜自我清洁的组件，需结合材料学等相关学科做进一步综合分析。

通过本文的分析可以考虑选择纳米材料滤膜与定时反冲相结合的方案。从理论上来讲，纳米材料可以延长滤膜阻塞的间隔，进而减少停机清洗的次数；定时的反冲可以在回流时带走截留在膜过滤器中的杂质，两者结合能够在保证过滤效果的同时提高过滤效率。

6 结束语

本文运用TRIZ方法分析中药混合提取液分离杂质的主要过程，受篇幅限制，本文仅介绍了6个典型工具获得的概念方案。TRIZ在多个领域应用并获得了较大的经济效益，例如2003年，三星电子在67个研究开发项目中使用了TRIZ，为公司节约经费1.5亿美元，并产生了52项专利技术[6]。TRIZ创新方法应用于中药开发中的成功案例比较少，本文运用TRIZ中的部分工具分析中药混合提取液过滤效率提升的环节，但因涉及跨领域知识，所以分析结果存在一定的局限和不足。希望通过创新方法的运用为中药提取、分离工艺的改进和设备的升级奠定基础，为日后相关工作的顺利进行提供借鉴。

参考文献：

［1］孙中辉.超滤法在中药制剂纯化工艺中的应用研究进展［J］.黑龙江科技信息，2016（08）：125.

［2］周苏.创新思维与科技创新［M］.北京：机械工业出版社，2016：77.

［3］创新方法研究会.创新方法教程：初级［M］.北京：高等教育出版社，2012：43.

［4］杨隽萍，王丹俊，彭学兵.基于TRIZ理论的创新过程和研究框架［J］.浙江理工大学学报（社会科学版），2015，34（2）：114-119.

［5］王勇，曹美霞，张言，等.运用TRIZ理论提高过滤器的性能［J］.科技创新与应用，2015（34）：21-22.

［6］周永清，臧铁钢，吴欣，等.TRIZ应用研究综述及展望［J］.江苏科技信息，2015（14）：66-69.