仿生设计与TRIZ理论在白酒机械酿造中的应用研究

2018-04-26郭辉祥

酿酒科技 2018年4期

郭辉祥

（四川沱牌舍得酒业股份有限公司，四川射洪629209）

近年来，传统白酒酿造大环境发生了剧烈变化，突出表现在：劳动力成本不断攀升、从事体力劳动的人员日益老龄化、食品安全要求更加严格、节能降耗的重要性日益凸显。如何减轻劳动强度，提高劳动生产效率，降低生产成本，已然迫在眉睫。

伴随科技不断进步和人们思维观念日益变化，机械酿造已经深入触及固态白酒的酿造领域。二十年来，勇于吃螃蟹的酿酒师们，在白酒机械酿造上，普遍经历了“尝试→改进→搁置→再尝试”的艰难历程，而迟迟未决的“发酵糟出窖”“拌曲均匀度”“糟醅结构损伤”“机器沿甑摘酒”等问题，导致大量名优酒企，仍钟情于传统的人工操作，而对机械酿造保持一种喜忧参半、谨慎观望的态度。

实践表明，在固态白酒酿造过程中，运用仿生设计和TRIZ（萃智）理论，机器也可实现匠心酿造。首先，仿生设计可解决白酒机械酿造过程中对糟醅结构损伤的行业难题，而TRIZ理论的引入，可弱化专利保护形成的壁垒，可用它山之石攻玉，有效融合酿酒、设备及其他跨行业的专业知识与技能。仿生设计和TRIZ理论联合应用，可助力白酒机械酿造系统快速进入实战化，且逐渐由机械化、自动化转向智能化，最终实现简约化，促进白酒机械酿造系统日益完善。

1 仿生设计和TRIZ理论

1.1 仿生设计

在1960年，美国J.E.Steele第一次提出“仿生”概念。仿生设计[1]，是以自然界万事万物的“形、色、音、功能、结构”等为研究对象，有选择地在设计过程中应用这些特征原理进行设计，从而研制新的机械装置、新技术，解决机械技术难题。

酿酒机器的仿生设计，需侧重在动作和功能模仿，通过模拟酿酒过程中人的动作，使机器在转糟—拌料—沿甑—摘酒—加水—降温—拌曲—入窖等系列操作中，达到人工操作的效果。

1.2 TRIZ理论

TRIZ理论自1946年创始，诞生于俄国。TRIZ是俄文Teoriya Reshen IyvaIzobretatel’skikh Zadatch缩写，意思是“发明性解决问题的理论”。

TRIZ是一种科学的创新方法，更注重问题的分析与借用。它利用功能分析、因果链分析、剪裁、特性传递等分析工具，发现创新障碍中的根源，然后从前人的解决方案以及其他领域的类似问题中，去寻找答案，以便找到一种切实可行的、可被快速、有效运用的且低风险的实施方案。

2 机械酿造的仿生设计

目前，清香型白酒的机械酿造技术已相对成熟，但浓香型白酒机械酿造中，沿甑系统和拌料系统则是需要进行技术攻关的重点和难点。

2.1 糟醅沿甑仿生设计

按工艺要求，人工沿甑时，布料需轻撒匀铺，甑内糟面平整度落差不超过5 cm，冷糟层厚度不超过15 cm。实际沿甑时，操作人员需弯腰、曲臂，尽量缩短端撮距甑内糟面距离，让糟醅以自由落体状均匀、缓慢撒落。为实现“3端撮铺满甑面”，需控制好糟醅在甑面的布料轨迹，常用轨迹见图1。

当糟醅水分较重，或者糟醅不疏松透气时，对沿甑布料的力度要求较高，此时，蒸馏员布料常常采用“一端撮撒多次”的“穿花”式沿甑，轨迹见图2。

沱牌舍得企业在设计机器仿生沿甑时，模拟人工操作时弯腰、曲臂的动作形态，满足低撒匀铺的工艺参数要求，有效控制甑内糟面平整度，其六轴联动仿生机器的形态如图3，甑内布料轨迹见图4。

图1 白酒蒸馏人工沿甑常用的布料轨迹

图2 糟醅水重/不疏松时“穿花式”布料轨迹

图3 六轴联动仿生机器模拟人工沿甑

图4 六轴联动仿生机器的布料轨迹

六轴联动仿生机器，模拟人工沿甑的效果较好，除“探汽沿甑”不能智能化处理外，其余的撒料角度和力度、甑内平整性等，均接近人工操作。缺陷在于机器价格昂贵，且一甑配一机，成本太高。

在此基础上，公司继续研发了双关节仿生沿甑机器，仍然模拟人工沿甑的操作效果，采用“错位螺旋”布料法，实施立体沿甑，其轨迹见图5，沿甑布料实际效果见图6。

图5“错位螺旋”立体布料的运行轨迹

图6 双关节机器“错位螺旋”立体布料

沱牌舍得企业设计的双关节仿生机器沿甑，糟醅进甑全部采用短距离的自由落体式，下口设锥型布料器，撒糟力度轻，不塌汽，甑面均匀，糟面各点位高度落差小于5 cm；伴随甑内糟面高度的上升，甑面布料半径同步缓慢放大，故不受甑桶底窄口宽的“倒棱台型”制约，不存在设备油污影响糟醅的隐患。从成本上讲，单机可在双甑同时布料，而且不要求新建厂房。该设计几乎集中了人工沿甑的各项优点，值得借鉴。

2.2 拌料系统仿生设计

糟醅在从出窖到进窖的整个循环过程中，先后涉及到与粮、糠、水、曲等物料的拌和。若仅仅要求拌料均匀度，则容易解决，但白酒酿造的特殊性，要求翻拌过程中不能损伤糟醅结构，母糟不能发腻。

据测定，人工拌料时也会对母糟形成一定损伤，但因不同环节的操作要求不同（见图7），加之物料性状不同，各工序对糟醅结构损伤的轻重程度存在明显区别，见图8。

图7 糟粒在各工序经历的翻拌次数

图8 糟醅在各工序段发腻的相对机率

鉴于此，各酒企为最大限度地适应酿酒要求，在设计生料环节和熟料环节的拌料设备时，侧重点明显不同：生料环节母糟发腻机率小，侧重于拌和的“均匀度”（见图9）；熟料环节则注重轻拌少翻而尽量“不伤糟醅”，避免糟粒破碎或发腻（见图10）。

熟料环节的梳齿状拌料结构，虽然降低了对糟醅的物理挤压强度，但曲粉拌和的均匀程度明显不理想。截至目前，“熟料能有效翻拌均匀而不损伤粮糟结构”，仍然是各个酒企在设计白酒酿造机器时急需解决的一个难题。

图9 生料环节的拌粮设备（强力搅拌）

图10 熟料环节的拌曲设备（梳齿状）

公司研制仿生拌料机器时，针对不同物料特性，在生料的润粮、拌糠工序模仿“人工翻锨”动作，见图11；在熟料拌曲工序则模仿水泥窑炉的“自由落体翻料”结构，见图12。

图11 仿铁锨翻拌的润粮设备

熟糟在翻拌过程中发腻，主要是因为受到摩擦和挤压，导致糟粒（粮粒）发生明显形变。模拟水泥窑炉结构后，糟粒在自身重力下不断翻转和缓慢前移（见图13），弱化了外力的刚性挤压。通过调节料筒长度、转速和倾角，可有效降低糟粒变形机率，达到拌曲均匀、不伤糟醅的效果（见图14）。

3 TRIZ理论的应用

3.1 TRIZ对降温技术的趋势分析

图12 水泥窑炉翻料结构

图13 仿窑炉转筒内糟粒运动轨迹

图14 仿窑炉转筒的熟料拌曲设计

TRIZ阐述了技术系统进化趋势：系统/产品是按照一定规律在进行动态化发展的。在理论上可解决常见的创新困惑：如何正确预测一种产品的未来？

由图15可知，粮糟降温的“摊晾床”，目前已进化至柔性链接、流体态阶段，至于后续的“**场”，还只是一种未来发展的理论趋势预测。同样，白酒酿造“蒸馏设备”的技术进化趋势，见图16。

白酒蒸馏从最初的“天锅”一体式，进化到活动甑分体式，再到甑体旋转式，如今，沈阳博雅已研制出“糟醅连续进甑摘酒”的流体型蒸馏模式，虽然目前不易令人接受，但难保不会是一种趋势？

图15 白酒酿造“摊晾床”的技术进化趋势分析

图16 白酒蒸馏设备的技术进化趋势分析

图17 TRIZ的产品创新路线图

3.2 TRIZ与产品创新

TRIZ理论，在进行产品创新过程中，通常会引导人们做到三点：怎样克服思维惰性？怎样找到正确问题？以及如何正确地解决问题？一般来说，其具有统一的产品创新路线图，见图17。

虽然，TRIZ理论并不能直接解决原始的工程问题，但它有助于我们寻找问题的根源和解决措施：通过功能分析→因果链分析→技术进化分析→合理剪裁或特性传递→制作问题模型，再通过合适的工具（比如40个发明原理、76种标准解、功能导向搜索等），作试验设计，从而寻得切实有效的解决办法。

3.3 TRIZ在糟醅降温系统的应用

出甑并添加量水后的粮糟，温度90～100℃，需将其快速降温。如何既保证降温力度，又确保各点糟醅温度均匀一致，同时避免损伤粮糟结构，是直接决定机械酿造系统是否适用和推广的关键一环。以公司研发的第一台仿生酿造机器模型为例，经安装调试发现：在规定时间范围内，降温工艺参数不达标。为此，将TRIZ理论及时引入仿生机器设计流程，予以全面系统分析。

3.3.1 功能分析

图18 仿生机器粮糟降温系统的功能模型

首先把完成一个特定功能的单元或系统定义为组件，然后在组件分析的基础上，分析技术系统组件相互之间的联系和作用，再分析技术系统中各组件间存在的功能，包括有用功能（分正常、不足、过量3种）和有害功能。将粮糟降温系统各组件的功能模型以图示化形式表现，见图18。

3.3.2 因果链分析（图19）

图19 粮糟降温效果差的因果链分析

机器降温性能不达标，在整个过程中，究竟有些什么样的原因会导致此结果呢？采用TRIZ理论的因果链分析，以求寻到解决问题的突破口。

浓香白酒酿造属于开放式操作，为防止杂菌感染，粮糟在生产现场的裸露时间不能太长，以热天为例，降温时间不宜超过25 min；同时，工艺要求降温后粮糟的整体温度，必须达到“热平地温冷13℃”，且各点温度大致均衡，波动不宜超过±1℃。

因而，粮糟降温效果差，主要体现在三个方面：降温时间长、粮糟各点温差大、团糟温度距工艺规定的温度偏离较远。现仅以“降温时间太长”为例进行分析，其流程见图20。

“慕课”是借助互联网技术和物联网技术的一种授课形式，将传统的校园打造成数字化、智能化校园，打破原有的传统的教学模式，通过运用计算机技术将校园生活智慧化，提高教师的教科研及教学管理效率。使学生不再受到来自时间、地点的条件限制，可以随时随地地学习，将学生的学习潜力开发到极大。做到校园网络无处不在，只要有网络的地方，学生便可以进行学习。拓宽了学生的学习渠道，丰富了教学资源内容，更加突出了学生在学习中的主体地位。例如佳木斯大学、佳木斯职教集团的公选课选用了网络平台上的一些“慕课”，不仅丰富了教学，同时激发了学生对兴趣课程的学习热情。

由图20可看出，仅仿生系统粮糟降温时间太长，涉及的具体因素就很多。经统计，在对“粮糟降温效果差”采用TRIZ的因果链分析时，发现的问题因素累计达40个次，对其分类统计，见图21和图22。

根据因果链分析，对原设计的各种组件进行全面重新评估和剪裁：自然因素属于不可更改项，工艺因素可以据工艺酌情调控而消弥，但设备上所涉及的10项因素，各项均应存在改进空间。

最终，对该机器降温系统作如下改进：调整供风模式、提高板孔密度、增加板链宽度、更改风机型号、改进导风管、增加风机数量、改善布料器、降低链板速率等。在控制糟醅水分适度的情形下，改进后的机器降温效果与人工操作对比，其效果如图23。

从总体上看，机器降温和人工降温，两者在热季高温阶段的降温效果存在一定区别，表现在：

（1）仿生机器降温单甑耗时比人工降温时间要短2～3 min。