仿生設計與TRIZ理論在白酒機械釀造中的應用研究

郭輝祥

（四川沱牌舍得酒業股份有限公司，四川射洪629209）

近年來，傳統白酒釀造大環境發生了劇烈變化，突出表現在：勞動力成本不斷攀升、從事體力勞動的人員日益老齡化、食品安全要求更加嚴格、節能降耗的重要性日益凸顯。如何減輕勞動強度，提高勞動生產效率，降低生產成本，已然迫在眉睫。

伴隨科技不斷進步和人們思維觀念日益變化，機械釀造已經深入觸及固態白酒的釀造領域。二十年來，勇于吃螃蟹的釀酒師們，在白酒機械釀造上，普遍經歷了“嘗試→改進→擱置→再嘗試”的艱難歷程，而遲遲未決的“發酵糟出窖”“拌曲均勻度”“糟醅結構損傷”“機器沿甑摘酒”等問題，導致大量名優酒企，仍鐘情于傳統的人工操作，而對機械釀造保持一種喜憂參半、謹慎觀望的態度。

實踐表明，在固態白酒釀造過程中，運用仿生設計和TRIZ（萃智）理論，機器也可實現匠心釀造。首先，仿生設計可解決白酒機械釀造過程中對糟醅結構損傷的行業難題，而TRIZ理論的引入，可弱化專利保護形成的壁壘，可用它山之石攻玉，有效融合釀酒、設備及其他跨行業的專業知識與技能。仿生設計和TRIZ理論聯合應用，可助力白酒機械釀造系統快速進入實戰化，且逐漸由機械化、自動化轉向智能化，最終實現簡約化，促進白酒機械釀造系統日益完善。

1 仿生設計和TRIZ理論

1.1 仿生設計

在1960年，美國J.E.Steele第一次提出“仿生”概念。仿生設計[1]，是以自然界萬事萬物的“形、色、音、功能、結構”等為研究對象，有選擇地在設計過程中應用這些特征原理進行設計，從而研制新的機械裝置、新技術，解決機械技術難題。

釀酒機器的仿生設計，需側重在動作和功能模仿，通過模擬釀酒過程中人的動作，使機器在轉糟—拌料—沿甑—摘酒—加水—降溫—拌曲—入窖等系列操作中，達到人工操作的效果。

1.2 TRIZ理論

TRIZ理論自1946年創始，誕生于俄國。TRIZ是俄文Teoriya Reshen IyvaIzobretatel’skikh Zadatch縮寫，意思是“發明性解決問題的理論”。

TRIZ是一種科學的創新方法，更注重問題的分析與借用。它利用功能分析、因果鏈分析、剪裁、特性傳遞等分析工具，發現創新障礙中的根源，然后從前人的解決方案以及其他領域的類似問題中，去尋找答案，以便找到一種切實可行的、可被快速、有效運用的且低風險的實施方案。

2 機械釀造的仿生設計

目前，清香型白酒的機械釀造技術已相對成熟，但濃香型白酒機械釀造中，沿甑系統和拌料系統則是需要進行技術攻關的重點和難點。

2.1 糟醅沿甑仿生設計

按工藝要求，人工沿甑時，布料需輕撒勻鋪，甑內糟面平整度落差不超過5 cm，冷糟層厚度不超過15 cm。實際沿甑時，操作人員需彎腰、曲臂，盡量縮短端撮距甑內糟面距離，讓糟醅以自由落體狀均勻、緩慢撒落。為實現“3端撮鋪滿甑面”，需控制好糟醅在甑面的布料軌跡，常用軌跡見圖1。

當糟醅水分較重，或者糟醅不疏松透氣時，對沿甑布料的力度要求較高，此時，蒸餾員布料常常采用“一端撮撒多次”的“穿花”式沿甑，軌跡見圖2。

沱牌舍得企業在設計機器仿生沿甑時，模擬人工操作時彎腰、曲臂的動作形態，滿足低撒勻鋪的工藝參數要求，有效控制甑內糟面平整度，其六軸聯動仿生機器的形態如圖3，甑內布料軌跡見圖4。

圖1 白酒蒸餾人工沿甑常用的布料軌跡

圖2 糟醅水重/不疏松時“穿花式”布料軌跡

圖3 六軸聯動仿生機器模擬人工沿甑

圖4 六軸聯動仿生機器的布料軌跡

六軸聯動仿生機器，模擬人工沿甑的效果較好，除“探汽沿甑”不能智能化處理外，其余的撒料角度和力度、甑內平整性等，均接近人工操作。缺陷在于機器價格昂貴，且一甑配一機，成本太高。

在此基礎上，公司繼續研發了雙關節仿生沿甑機器，仍然模擬人工沿甑的操作效果，采用“錯位螺旋”布料法，實施立體沿甑，其軌跡見圖5，沿甑布料實際效果見圖6。

圖5“錯位螺旋”立體布料的運行軌跡

圖6 雙關節機器“錯位螺旋”立體布料

沱牌舍得企業設計的雙關節仿生機器沿甑，糟醅進甑全部采用短距離的自由落體式，下口設錐型布料器，撒糟力度輕，不塌汽，甑面均勻，糟面各點位高度落差小于5 cm；伴隨甑內糟面高度的上升，甑面布料半徑同步緩慢放大，故不受甑桶底窄口寬的“倒棱臺型”制約，不存在設備油污影響糟醅的隱患。從成本上講，單機可在雙甑同時布料，而且不要求新建廠房。該設計幾乎集中了人工沿甑的各項優點，值得借鑒。

2.2 拌料系統仿生設計

糟醅在從出窖到進窖的整個循環過程中，先后涉及到與糧、糠、水、曲等物料的拌和。若僅僅要求拌料均勻度，則容易解決，但白酒釀造的特殊性，要求翻拌過程中不能損傷糟醅結構，母糟不能發膩。

據測定，人工拌料時也會對母糟形成一定損傷，但因不同環節的操作要求不同（見圖7），加之物料性狀不同，各工序對糟醅結構損傷的輕重程度存在明顯區別，見圖8。

圖7 糟粒在各工序經歷的翻拌次數

圖8 糟醅在各工序段發膩的相對機率

鑒于此，各酒企為最大限度地適應釀酒要求，在設計生料環節和熟料環節的拌料設備時，側重點明顯不同：生料環節母糟發膩機率小，側重于拌和的“均勻度”（見圖9）；熟料環節則注重輕拌少翻而盡量“不傷糟醅”，避免糟粒破碎或發膩（見圖10）。

熟料環節的梳齒狀拌料結構，雖然降低了對糟醅的物理擠壓強度，但曲粉拌和的均勻程度明顯不理想。截至目前，“熟料能有效翻拌均勻而不損傷糧糟結構”，仍然是各個酒企在設計白酒釀造機器時急需解決的一個難題。

圖9 生料環節的拌糧設備（強力攪拌）

圖10 熟料環節的拌曲設備（梳齒狀）

公司研制仿生拌料機器時，針對不同物料特性，在生料的潤糧、拌糠工序模仿“人工翻锨”動作，見圖11；在熟料拌曲工序則模仿水泥窯爐的“自由落體翻料”結構，見圖12。

圖11 仿鐵锨翻拌的潤糧設備

熟糟在翻拌過程中發膩，主要是因為受到摩擦和擠壓，導致糟粒（糧粒）發生明顯形變。模擬水泥窯爐結構后，糟粒在自身重力下不斷翻轉和緩慢前移（見圖13），弱化了外力的剛性擠壓。通過調節料筒長度、轉速和傾角，可有效降低糟粒變形機率，達到拌曲均勻、不傷糟醅的效果（見圖14）。

3 TRIZ理論的應用

3.1 TRIZ對降溫技術的趨勢分析

圖12 水泥窯爐翻料結構

圖13 仿窯爐轉筒內糟粒運動軌跡

圖14 仿窯爐轉筒的熟料拌曲設計

TRIZ闡述了技術系統進化趨勢：系統/產品是按照一定規律在進行動態化發展的。在理論上可解決常見的創新困惑：如何正確預測一種產品的未來？

由圖15可知，糧糟降溫的“攤晾床”，目前已進化至柔性鏈接、流體態階段，至于后續的“**場”，還只是一種未來發展的理論趨勢預測。同樣，白酒釀造“蒸餾設備”的技術進化趨勢，見圖16。

白酒蒸餾從最初的“天鍋”一體式，進化到活動甑分體式，再到甑體旋轉式，如今，沈陽博雅已研制出“糟醅連續進甑摘酒”的流體型蒸餾模式，雖然目前不易令人接受，但難保不會是一種趨勢？

圖15 白酒釀造“攤晾床”的技術進化趨勢分析

圖16 白酒蒸餾設備的技術進化趨勢分析

圖17 TRIZ的產品創新路線圖

3.2 TRIZ與產品創新

TRIZ理論，在進行產品創新過程中，通常會引導人們做到三點：怎樣克服思維惰性？怎樣找到正確問題？以及如何正確地解決問題？一般來說，其具有統一的產品創新路線圖，見圖17。

雖然，TRIZ理論并不能直接解決原始的工程問題，但它有助于我們尋找問題的根源和解決措施：通過功能分析→因果鏈分析→技術進化分析→合理剪裁或特性傳遞→制作問題模型，再通過合適的工具（比如40個發明原理、76種標準解、功能導向搜索等），作試驗設計，從而尋得切實有效的解決辦法。

3.3 TRIZ在糟醅降溫系統的應用

出甑并添加量水后的糧糟，溫度90～100℃，需將其快速降溫。如何既保證降溫力度，又確保各點糟醅溫度均勻一致，同時避免損傷糧糟結構，是直接決定機械釀造系統是否適用和推廣的關鍵一環。以公司研發的第一臺仿生釀造機器模型為例，經安裝調試發現：在規定時間范圍內，降溫工藝參數不達標。為此，將TRIZ理論及時引入仿生機器設計流程，予以全面系統分析。

3.3.1 功能分析

圖18 仿生機器糧糟降溫系統的功能模型

首先把完成一個特定功能的單元或系統定義為組件，然后在組件分析的基礎上，分析技術系統組件相互之間的聯系和作用，再分析技術系統中各組件間存在的功能，包括有用功能（分正常、不足、過量3種）和有害功能。將糧糟降溫系統各組件的功能模型以圖示化形式表現，見圖18。

3.3.2 因果鏈分析（圖19）

圖19 糧糟降溫效果差的因果鏈分析

機器降溫性能不達標，在整個過程中，究竟有些什么樣的原因會導致此結果呢？采用TRIZ理論的因果鏈分析，以求尋到解決問題的突破口。

濃香白酒釀造屬于開放式操作，為防止雜菌感染，糧糟在生產現場的裸露時間不能太長，以熱天為例，降溫時間不宜超過25 min；同時，工藝要求降溫后糧糟的整體溫度，必須達到“熱平地溫冷13℃”，且各點溫度大致均衡，波動不宜超過±1℃。

因而，糧糟降溫效果差，主要體現在三個方面：降溫時間長、糧糟各點溫差大、團糟溫度距工藝規定的溫度偏離較遠。現僅以“降溫時間太長”為例進行分析，其流程見圖20。

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由圖20可看出，僅仿生系統糧糟降溫時間太長，涉及的具體因素就很多。經統計，在對“糧糟降溫效果差”采用TRIZ的因果鏈分析時，發現的問題因素累計達40個次，對其分類統計，見圖21和圖22。

根據因果鏈分析，對原設計的各種組件進行全面重新評估和剪裁：自然因素屬于不可更改項，工藝因素可以據工藝酌情調控而消彌，但設備上所涉及的10項因素，各項均應存在改進空間。

最終，對該機器降溫系統作如下改進：調整供風模式、提高板孔密度、增加板鏈寬度、更改風機型號、改進導風管、增加風機數量、改善布料器、降低鏈板速率等。在控制糟醅水分適度的情形下，改進后的機器降溫效果與人工操作對比，其效果如圖23。

從總體上看，機器降溫和人工降溫，兩者在熱季高溫階段的降溫效果存在一定區別，表現在：

（1）仿生機器降溫單甑耗時比人工降溫時間要短2～3 min。

圖20 糧糟降溫時間太長的因果鏈分析

圖21“降溫效果差”因果鏈分析中各因素權重比較

圖22 因果鏈分析各因素的權重

（2）單粒糧糟降溫耗時最多4.5 min，僅是人工操作耗用時間的20%。

（3）每“鏈板”糧糟的降溫趨勢呈明顯而穩定的可復制性，具備了推廣應用的必要條件。

由上可知，仿生機器降溫與人工降溫的最終團糟溫度完全一致，均比室溫低2～3℃，完全符合釀造工藝中對降溫參數需達到“熱平地溫”的工藝要求。

4 結語

固態白酒的機械釀造，主旨仍在釀酒工藝，機械化只是配套手段，仿生設計和TRIZ原理應用，只是使釀酒機械化著地的一種途徑：采用仿生設計，機器系統可比肩人工操作,實現匠心釀造，從而保障基酒品質；TRIZ理論，對于產量已規模化、廠房布局已經定型的酒企，可因地制宜，降低成本。

一直以來，釀酒師們被白酒釀造的發展模式所困擾。實際上，機械釀造的大膽嘗試創新，與傳統精髓的傳承堅守并不矛盾。但如何將兩者有機地統一與融合？仿生設計和TRIZ理論的聯合應用，提供了一個有益思路，值得釀酒設計師們琢磨借鑒和深入探究。

圖23 單甑糧糟經機器、人工降溫趨勢及時間耗用差異比較

參考文獻：

[1]張婉琳.工業設計中仿生設計的應用[J].科技資訊,2013(6)：106.

[2]孫永偉.發明方法（TRIZ）研修班培訓資料[R].北京：中國發明協會,2014：31-32.