TRIZ分析方法在中藥混合提取液過濾技術中的應用＊

王麗娜，皇蓋林

（云南白藥天頤茶品有限公司，云南 昆明 650032）

中成藥多需要對藥材進行提取、過濾、濃縮等，然后再進行制劑和加工。中藥成分較復雜，尤其是經過配伍的復方，有些藥材在加工時也會發生反應后產生不溶性成分。在過濾提取液時，需要除去藥渣以及提取過程中產生的不溶性雜質。目前可選擇的過濾設備和介質，比如板框過濾、借用助濾劑的硅藻土過濾、常見的袋式過濾、離心機、最近發展較快的超濾技術等。與傳統的分離方法相比，雖然超濾法有許多獨特的優勢，但目前多數工作還處于實驗室研究階段，距產業化生產還有相當一段距離，究其原因是至今還存在著一些尚未有效解決的實際問題，濾膜的污染和清洗問題是阻礙超濾法推廣應用的最大障礙[1]。超濾膜過濾中藥提取液通常與離心機聯用，但生產過程中超濾環節經常發生阻塞，需定期清洗膜。現階段，在生產實踐中，采用多臺超濾設備并聯使用，但并沒有從根本上解決問題。本文以超濾膜過濾為例，運用創新方法進行分析，以期獲得提高超濾效率的工藝方法。

1 TRIZ基本概述

TRIZ即發明問題解決理論，是指導人們進行發明創新、解決工程問題的系統化的方法學體系。相對于傳統的創新方法，比如試錯法、頭腦風暴法等，作為一套成熟的理論和方法體系，TRIZ具有鮮明的特點和優勢[2]。它是蘇聯發明家根李齊·阿奇舒勒（G.S.Altshhuller）為首的研究團隊通過對250萬件高水平發明專利進行分析和提煉之后總結出來的。TRIZ形成體系并完善后在多個領域得以應用，利用TRIZ解決問題首先需將實際問題轉化為問題模型，再有針對性地選擇不同的TRIZ工具，以此得到解決方案模型，最后將解決方案模型引用到具體的問題中獲得實際方案。

2 中藥混合提取液超濾系統工作原理及問題描述

為了將中藥混合提取液經過超濾獲得澄清溶液，通常先將提取液經離心機進行粗濾，得到含細小雜質的輕液和含較大顆粒的重液，重液通過設備底部的排渣口排出，輕液由加壓泵輸送進入超濾環節，實現對提取液的精密過濾。過濾一定量的提取液后，濾膜的濾孔逐漸被阻塞，超濾前的壓力升高，可通過增加回流量降低壓力，但是，這是過濾的效率就會降低，如圖1所示。所以，在該過濾系統中，濾膜阻塞后就必須停機清洗，從而導致連貫性不強，降低生產效率，而且定時的清洗也會耗費更多的能源，造成資源和成本的浪費。

圖1 系統問題圖示

3 討論利用TRIZ分析問題

TRIZ解決問題的一般流程是：①將1個待解決的實際問題轉化為問題模型；②針對不同的問題模型，應用不同的工具，得到解決方案模型；③將這些解決方案模型應用到具體的問題之中，得到問題的解決方案[3]。在此過程中，需要將存在問題的部分及其所在技術系統轉化為組件和功能關系，并分析問題產生的原因，從而為選擇工具和尋找解決方案做好準備。

3.1 過濾系統的組件和功能分析

將過濾系統中各部分及其作用對象分解為不同的組件，通過各部分之間功能作用關系將各部分連接起來，獲得組件分析模型。該技術系統的組件模型如圖2所示，離心機分離提取液獲得重液和輕液；超濾膜過濾器過濾輕液；加壓泵推動輕液至膜過濾器；回流管導流不能通過超濾的輕液至離心機；不溶顆粒雜質阻塞濾膜；輕液透過濾膜得到澄清提取液，濾膜降低通過率。提取液中不溶性顆粒會改變濾膜的通過性，使過濾效率降低。

技術系統的最終理想結果是，該過濾系統能夠實現對提取液的過濾，在濾膜阻塞時能夠實現自動清潔，在提高效率的同時保證澄清度達到工藝要求。

圖2 系統組件模型圖示

3.2 技術系統的因果分析

對過濾系統進行組件分析并建立模型后，根據每個組件之間的功能作用關系，分別以過濾膜受阻和提取液不溶物含量過高為出發點進行因果分析。從系統外部的整個超系統層面來看，藥材粉碎的粒度和潔凈度對提取液的雜質含量有影響。從系統本身來看，由于離心機分離不溶性雜質功能不足，超濾膜上的濾孔被顆粒雜質阻塞后不能及時清除，導致超濾膜被阻塞，過濾效率降低。

4 應用TRIZ理論中的工具解題并獲得方案

利用TRIZ解決問題其實就是矛盾的產生、問題的定義、工具的選擇、矛盾的解決等一個連續過程。TRIZ理論認為，解決創新問題的關鍵是要解決矛盾，并提供了包括矛盾矩陣和創新原理、物質場分析模型和標準解、創新問題解決算法、科學和技術知識效應庫等在內的解決方法[4]。TRIZ的問題模型可分為4種形式，即技術矛盾、物理矛盾、物場問題、知識使能問題。技術矛盾是指，為了改善系統的一個參數，導致另一個參數惡化。物理矛盾是針對系統的某個參數，提出了2種不同的要求。在解決問題時，最有效的解決方案就是解決技術難題中的矛盾。對于技術矛盾，阿奇舒勒給出了一個矛盾矩陣，矛盾矩陣是一個（40×40）的矩陣，其中第1列為39個可改善的工程參數，第1行為39個會導致惡化的工程參數，剩下的39行和39列形成一個矩陣，里面的數字對應著解決矛盾的通用創新原理。對于物理矛盾，則采用空間分離、時間分離、條件分離和系統級別分離等方法，并利用通用的40個發明創新原理加以解決。此外，TRIZ理論還有物場模型和標準解、知識庫、效應庫等解決工具[5]。

4.1 三軸分析的應用

以當前的技術系統為中心，分別在因果軸、操作軸和系統軸上分析問題。在因果分析中，發現問題產生的根本原因和薄弱點；在操作軸和系統軸上，分析解題資源、降低解決問題的成本。在對技術系統的資源進行列舉和功能分析的基礎上，尋找可用資源，在系統改動最小的前提下提高預期效果。利用過濾后的提取液進行定時反沖，使濾膜上的雜質得以清除，反沖液經過回流管返回到離心機中再次離心沉降。

4.2 技術矛盾的應用

TRIZ中的物理矛盾是當對一個系統的某個參數提出具有相反的要求時而出現的。矛盾分析是在系統問題中尋找出2個關聯的指標參數，改善其中之一可以惡化另外一個參數，確定矛盾對后根據TRIZ中的40個發明原理獲得方案。從主要問題點入手進行技術矛盾分析，該過濾系統由于離心機分離效率低，導致超濾環節進料濁度大，效率降低。分析初步解決方案，可考慮改用多級過濾或離心系數更高的管式離心機，以提高超濾環節進料的澄清度，保證超濾生產效率。由此確立技術矛盾，改善的參數為作用于物體的有害因素，惡化的參數為生產率。

在矛盾矩陣中查找創新原理，分別為22變害為利原理，35物理或化學參數改變原理，13反向作用原理，24借助中介物原理。在這些創新原理中獲得對應的技術啟示，參照借助中介物原理中的暫時結合原理，將提取液中的不溶性顆粒雜質與其他容易去除的物體暫時結合，將離心機替換為使用助濾劑的過濾澄清設備，比如硅藻土過濾器。因為硅藻土本身粒徑比較大，易于濾除，所以，借用硅藻土微觀結構中的孔徑增加過濾面積，使飲料調配液透過，不溶性顆粒被硅藻土上的縫隙吸附，利用硅藻土形成的截留層濾除調配液中的大顆粒雜質。

4.3 物理矛盾的應用

從技術系統的因果軸分析來看，壓力泵使加壓飲料調配液經進料管進入膜過濾器，濾膜被雜質阻塞，系統壓力增加，通過加大回流緩解壓力過大，但是過濾效率降低。為了提高調配液的過濾效率，加壓泵要不斷加壓，使調配液能夠加速通過濾膜上的濾孔，但濾膜容易損傷，影響過濾效果。以系統壓力為物理矛盾點進行分析，尋找適用的創新原理。根據機械系統替代原理中超聲波脫除毛發的技術啟示建立解決方案。超聲波清洗是基于空化作用，即在清洗液中無數氣泡快速形成并迅速內爆，由此產生的沖擊將浸沒在清洗液中的工件內外表面的污物剝落下來。超聲波發出后對孔隙中的雜質顆粒產生持續振動，及時清潔被阻塞的濾孔。這是利用超聲波發生器在濾膜表面產生作用釋放被阻塞的濾孔。超濾設備套連超聲波裝置，在過濾過程中定時啟動，超聲波在濾膜表面形成氣態的微型空穴，以實現濾膜在工作中自清潔。

4.4 物場模型的應用

分析整個技術系統各環節中存在的問題，在該系統中，由于離心機分離效果不足，導致大量雜質進入膜過濾環節，從而阻塞濾膜。根據加強型物場模型標準解，分析系統相關資源，系統內料液先通過離心除去較大的顆粒雜質；離心機通過離心碟片攪動料液，大顆粒雜質在離心力的作用下被甩出；系統內能量資源為離心機的離心力；超系統資源為飲料濃縮液和原料提取液。利用提高物質的動態性能標準解，在原有離心機中添加過濾網，借助離心力提高對飲料調配液的離心過濾效果，減少在下一個環節中的不溶物濃度，將碟片式離心機更換為過濾式離心機，提高原離心機的除雜性能。

4.5 標準解的應用

系統的理想化最終結果是在濾膜被阻塞的區域內，并且在發生阻塞時能夠不讓雜質附著，以實現持續過濾。根據標準解1.2.1在系統的2個物質之間引入外部現成的物質。圍繞著理想化結果所要達到的狀態，通過標準解案例庫中的技術啟示獲得方案，納米材料在很多領域都得到了應用。根據材料特性將其與現有濾膜材料結合，濾膜表面足夠光滑，使顆粒物在濾膜表面的附著力減小，間接實現濾膜的自清潔，實現調配液的持續過濾。

4.6 進化法則的應用

判斷該技術系統所處的S曲線位置，并結合進化法則進行分析。從采用表面屬性進化法則來看，根據系統的進化趨勢和內部結構進化發展分割組件，使得系統更加協調。根據該法則所給出的技術發展趨勢，按照理想化的設計，濾膜應該具有自清潔功能，將清潔功能從濾膜分割出來，設計表面具有刷毛的球形顆粒，在調配液的推動下，球形刷不斷沖刷濾膜清理雜質，使濾膜能夠保持恒定的有效過濾面積。

5 TRIZ最終解決方案選擇與總結

根據創新原理和技術矛盾分析等工具獲得技術方案，再利用Pro/Evolver軟件（北京億維訊同創科技有限公司開發的一款基于創新方法的應用軟件）的方案評價功能，從過濾效率、成本、能源消耗、質量水平4個維度對上述方案進行綜合評價。通過對方案價值的分析，對方案價值評價較高的方案進行技術分析，具體包括以下幾點：①利用系統內資源實現反向壓力泵輸送濾液，清潔濾孔，這需要增加設備才能實現。同時，利用濾液進行反沖，在一定程度上降低了工作效率。②技術矛盾分析方案增加硅藻土作為過濾介質。根據目前的過濾技術，硅藻土過濾設備已相對比較成熟，如果能夠使用硅藻土過濾器來替代，則無需使用膜過濾器，同時，硅藻土具有一定的吸附作用，需要考慮中藥提取液中有效成分損失等問題。③物理矛盾分析得到的方案是引入超聲波設備，但該方案還需考慮超聲波對濾膜材料和連接部件密封性的影響。④物場模型分析方案通過增強離心效果來實現，需通過方案應用進行對比，評價具體的過濾效率等內容。⑤標準解方案是在濾膜表面增加納米材料，減小膜材料對雜質的附著力。在濾膜表面增加一層納米材料層需要經過材料學實驗的驗證，而且還應考慮是否會增加耗材的成本以及過濾效率的提高幅度。⑥在進化路徑方案中引入能夠實現濾膜自我清潔的組件，需結合材料學等相關學科做進一步綜合分析。

通過本文的分析可以考慮選擇納米材料濾膜與定時反沖相結合的方案。從理論上來講，納米材料可以延長濾膜阻塞的間隔，進而減少停機清洗的次數；定時的反沖可以在回流時帶走截留在膜過濾器中的雜質，兩者結合能夠在保證過濾效果的同時提高過濾效率。

6 結束語

本文運用TRIZ方法分析中藥混合提取液分離雜質的主要過程，受篇幅限制，本文僅介紹了6個典型工具獲得的概念方案。TRIZ在多個領域應用并獲得了較大的經濟效益，例如2003年，三星電子在67個研究開發項目中使用了TRIZ，為公司節約經費1.5億美元，并產生了52項專利技術[6]。TRIZ創新方法應用于中藥開發中的成功案例比較少，本文運用TRIZ中的部分工具分析中藥混合提取液過濾效率提升的環節，但因涉及跨領域知識，所以分析結果存在一定的局限和不足。希望通過創新方法的運用為中藥提取、分離工藝的改進和設備的升級奠定基礎，為日后相關工作的順利進行提供借鑒。

參考文獻：

［1］孫中輝.超濾法在中藥制劑純化工藝中的應用研究進展［J］.黑龍江科技信息，2016（08）：125.

［2］周蘇.創新思維與科技創新［M］.北京：機械工業出版社，2016：77.

［3］創新方法研究會.創新方法教程：初級［M］.北京：高等教育出版社，2012：43.

［4］楊雋萍，王丹俊，彭學兵.基于TRIZ理論的創新過程和研究框架［J］.浙江理工大學學報（社會科學版），2015，34（2）：114-119.

［5］王勇，曹美霞，張言，等.運用TRIZ理論提高過濾器的性能［J］.科技創新與應用，2015（34）：21-22.

［6］周永清，臧鐵鋼，吳欣，等.TRIZ應用研究綜述及展望［J］.江蘇科技信息，2015（14）：66-69.