基于ARIZ理論的鹵蟲卵脫殼問題的研究

孫朦朦 蘇長超

（天津海友佳音生物科技股份有限公司 天津 300350）

鹵蟲又稱鹽水豐年蟲、豐年蝦、鹵蝦，是一種世界性分布的小型甲殼類。20世紀30年代，Seale（1933）和Rollefen（1939）首先使用剛孵化的鹵蟲無節幼體作為稚魚的餌料以來，鹵蟲在水產養殖上的應用范圍日趨廣泛［1］。

鹵蟲卵孵化后，無節幼體和卵殼及未孵化鹵蟲卵混在一起比較難分離，在投喂時，不可避免地有部分卵殼和未孵化蟲卵連同無節幼體一起投喂到育苗池中，卵殼含有幾丁質的結構，被養殖對象吞食后，會造成腸梗阻甚至死亡，鹵蟲卵脫殼后孵化則不會出現這個問題。Sorgeloos 等學者（1977）最早報道了鹵蟲卵的化學脫殼方法，由于蟲卵個體很小，既要保證鹵蟲卵脫殼完全，又不能損害胚胎，所以，對鹵蟲卵的脫殼工藝要求很高［1］。

發明問題解決算法（Algorithm for Inventive Problem Solving，ARIZ）是由TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論創始人Genrich Altshuller于1956年提出的解決復雜發明問題的方法［2］，ARIZ（發明問題解決算法）作為TRIZ中最強有力的工具，集成了TRIZ的大多數觀點和工具，專門用于解決復雜、困難的發明問題［3-6］，因此，在很多領域中不斷應用。例如，吉利［7］等利用ARIZ算法為正畸扳手進行創新設計，付敏［8］等利用ARIZ 算法對咬合式雙層輥模生物質成型機的概念進行設計，韓宏偉［9］等基于ARIZ算法提升光伏板隱裂現場檢測暗室遮光性能的分析，咼智強［10］等基于ARIZ的行李自助存取裝置設計研究。ARIZ 理論在優化設計的過程中具有高效性和實用性，能夠為解決問題提供新思路和新方法，適用于解決機械設計問題。

因此，本文基于ARIZ 理論，研究鹵蟲卵脫殼過程中存在的脫殼程度與脫殼質量之間的問題。利用創新工具，剖析鹵蟲脫殼程度與脫殼后孵化率的關系，并提供解決方案，解決脫殼過程中存在的技術矛盾問題。本研究中使用的ARIZ 為ARIZ-85C［11］版本，其流程如圖1所示。

圖1 AR IZ-85C 解決問題流程圖

1 問題描述

1.1 鹵蟲卵脫殼的原理

目前使用的鹵蟲卵去殼方法是Sorgeloos等［12］報道的化學去殼方法。吸水充分的鹵蟲卵與脫殼液接觸，利用氧化性較強的物質把鹵蟲卵的外殼氧化掉，在此過程中，鹵蟲卵的顏色由棕色變為灰白色，最后呈橘紅色。脫殼完成后，將脫殼卵從脫殼液中分離，并用水與中和液洗掉殘留在脫殼卵外的脫殼液。這個過程主要包括水合、脫殼、水洗、中和、水洗幾個步驟，脫殼系統包括脫殼罐、鹵蟲卵、脫殼液、充氣系統、燈光、清洗系統。

1.2 存在的問題

鹵蟲卵個體小，大小不均，外殼厚度不勻，脫殼程度不易掌握。

1.3 新系統的要求

鹵蟲卵經過脫殼后，大于95%的鹵蟲卵脫殼完全，脫殼后，鹵蟲卵的孵化率下降率小于3%，脫殼過程操作簡便，成本低，設備損傷小。

2 基于ARIZ的問題分析及求解

2.1 問題分析與描述

2.1.1 系統功能分析

對鹵蟲卵脫殼系統建立功能模型［13］如圖2 所示。鹵蟲卵由外殼、內胚層和胚胎組成。水合后，鹵蟲卵與脫殼液通過從罐底鼓入的空氣混合，通過脫殼液與鹵蟲卵的接觸氧化掉鹵蟲卵的外殼，同時，對已經脫掉外殼的脫殼卵胚胎造成損傷。水通過噴淋系統沖刷筒壁沖掉粘到筒壁上的鹵蟲卵，眼睛通過燈光反射到觀察窗里的顏色看到鹵蟲卵的顏色，判斷脫殼程度，達到顏色要求，將脫殼卵排入清洗桶。

圖2 脫殼系統功能模型

通過系統功能分析，得出導致鹵蟲卵脫殼后孵化率下降問題的功能因素，并選擇目標問題如圖3所示。

圖3 目標問題圖

2.1.2 因果分析

應用因果分析法［13］對鹵蟲卵脫殼后孵化率下降的根本原因進行剖析，如圖4所示。確定3個關鍵問題點：（1）脫殼液過量、不均勻；（2）脫殼液與脫殼卵分離速度慢；（3）脫殼卵胚胎無保護。

圖4 脫殼系統因果分析

2.1.3 “縮小問題”

鹵蟲卵脫殼技術系統的主要功能是脫殼液氧化掉鹵蟲卵外殼，系統包括鹵蟲卵、脫殼液、空氣、空氣提供的混合力、觀察窗、水。

技術矛盾（TC-1）：如果脫殼液多，那么脫殼完全，但是孵化率下降。

技術矛盾（TC-2）：如果脫殼液少，那么孵化率不下降，但是脫殼不完全。

形成小問題：很有必要對系統進行最小改變，以實現脫殼完全和孵化率不下降。

2.2 分析問題模型

2.2.1 分析技術矛盾，建立矛盾圖

沖突解決理論是TRIZ的工具之一［14］，定義沖突元素。脫殼液有多和少兩種狀態。對象1鹵蟲卵脫殼的程度有完全和不完全兩種狀態，對象2 鹵蟲卵的孵化率下降和不下降兩種狀態構建技術矛盾圖，形成兩個技術沖突。

狀態1：脫殼液多。有用作用鹵蟲卵脫殼完全。惡化參數：可靠性。有害作用孵化率下降。改進參數：制造精度。

狀態2：脫殼液少。有用作用孵化率不下降。惡化參數：可靠性。有害作用鹵蟲卵脫殼不完全。需改進參數制造精度，

狀態1到狀態2的工具是脫殼液，工具的參數是脫殼液的量。

根據上述表述，如圖5所示，由于鹵蟲卵脫殼必須完全，因此，選擇TC1為主要矛盾。

圖5 “縮小問題”技術矛盾圖

2.2.2 應用技術沖突解決問題

對TC1中改善的參數和惡化的參數用矛盾矩陣得到3 條發明原理［13］No.1、No.11、No.32。根據發明原理1，得到方案1：根據鹵蟲卵在不同鹽度水中的沉浮性不同，將鹵蟲卵分割，脫殼液與分割后的鹵蟲卵作用，能減少因鹵蟲卵大小不均造成的接觸不均的問題。

在TC1的基礎上激化矛盾，脫殼液的量極多，考慮引入X元素，在保證脫殼完全的情況下，又能徹底消除脫殼液對鹵蟲卵的極大損害。應用標準解求解，由于脫殼液對鹵蟲卵的胚胎造成損害，構成有害物場模型，可應用第1、2 級標準解［13］，對應為No.10、No.11、No.15，具體方案如下。

方案2：修改脫殼液的溫度參數，降低脫殼液對鹵蟲卵的損害。

方案3：在脫殼液與鹵蟲卵作用完成后，引入一種物質或場能與脫殼液作用，或能分解脫殼液，或能降低脫殼液的氧化作用，從而降低脫殼液的損害。

方案4：脫殼液作用于鹵蟲卵時，僅用空氣攪拌脫殼液與鹵蟲卵，接觸不均，增加第二個場（超聲波），改善接觸作用。

2.3 定義最終理想解和物理矛盾

2.3.1 操作時間，操作空間，物場資源

（1）操作區域。操作區域是脫殼液與鹵蟲卵外殼作用的地方，大于20μm的厚度，如圖6所示，可考慮將已經完成脫殼的脫殼卵從脫殼系統中分離出。

圖6 脫殼液與鹵蟲卵作用圖

方案5：在脫殼液作用于鹵蟲卵的過程中，利用脫殼卵比鹵蟲卵輕的現象，利用重力不同，先分離出一部分已經脫殼完全的脫殼卵。

（2）操作時間。圖7 表示出了脫殼液與鹵蟲卵作用的時間，操作時間是脫殼液主要作用于鹵蟲卵外殼的時間，OS1是脫殼液引入脫殼罐中的時間，OS2是脫殼液與鹵蟲卵外殼反應后分離的時間。

圖7 脫殼液與鹵蟲卵的作用時間

方案6：縮短脫殼液注入的時間，縮短OS2時間，降低脫殼液與鹵蟲卵不均勻接觸的時間。

方案7：在脫殼液與鹵蟲卵作用后，往脫殼罐中快速注入大量冰水，稀釋脫殼液濃度，降低腐蝕力。

（3）可用物質—場資源。定義所分析系統的物場資源、外部資源及其產品，羅列可利用的內部和外部資源。

2.3.2 利用最終理想解求解

資源中存在一個X 元素，使得可在的操作空間和操作時間內消除有害作用，同時，系統有用作用也能有效保持。利用X 對最終理想解進行描述，見表1，本系統中引入X 元素，在OZ1、OZ2、OS1 和OS2 中，消除脫殼液對脫殼卵的氧化性，同時，保持脫殼液對帶殼卵外殼的氧化性，并且不增加系統復雜程度，也不產生任何其他有害作用。

表1 利用X 元素的IF R-1 描述表

加強最終理想解，X元素存在可用資源中，不用加以改變，不能引入新的物質和場，在現有資源中，脫殼液的狀態可作為X元素的資源。

方案8：脫殼液為液體，如果將脫殼液汽化，與脫殼卵接觸不會使系統復雜化，也不會造成有害的副作用，汽化后的脫殼液與鹵蟲卵接觸就能完成腐蝕外殼的作用，同時不會有過多的脫殼液對鹵蟲卵造成損害。

2.3.3 物理矛盾求解

（1）宏觀定義物理矛盾。根據因果分析可知，脫殼卵孵化率的降低與過量的脫殼液接觸脫殼卵有關。宏觀層面上，在操作時間的操作區內，一方面要增加脫殼液的量以保證脫殼完全，另一方面需要減少脫殼液的量以降低脫殼液對脫殼卵的損傷。針對這一物理矛盾，可采用系統內部資源。

方案9：增加脫殼罐的不對稱性，加快脫殼液與脫殼卵的排出速度，縮短脫殼液與脫殼卵作用時間。

（2）微觀定義物理矛盾。從微觀上看，在操作時間的操作區域內，一方面為保證脫殼完全，需要加大脫殼液的量；另一方面為保證對脫殼卵的損害小，需要減少脫殼液的量。針對此矛盾，可通過增加脫殼液與鹵蟲卵的接觸的均勻性以解決沖突。

方案10：將充氣方式由底部充氣改為罐體整體充氣，增加充氣的均勻性，將脫殼液盡可能地與鹵蟲卵混合均勻。

2.4 運用擴展物質—場資源

小人法建模。假設5mm 小人為脫殼液分子，5mm小人的數量和距離代表脫殼液分子的濃度；2mm 小人為鹵蟲卵的外殼，2mm 小人的數量和距離代表外殼的厚度和分布。在球形鹵蟲卵外殼與脫殼液作用的區域內，脫殼的過程就是5mm 小人吃掉2mm 小人的過程。鹵蟲卵外殼厚度不均，代表2mm小人的數量和排布不均，為了脫殼完全，一般5mm 小人的數量多于2mm 小人的數量，造成5mm 小人接觸鹵蟲卵內胚胎。而且5mm小人與2mm小人的排列方式沒有規律，造成5mm小人吃掉2mm 小人的速率不同，被快速吃掉的區域5mm 小人持續接觸內胚層，問題模型如圖8 所示。如果問題解決，5mm 小人的數量和排列方式應該對應2mm 小人的數量和排列方式，如圖9 所示。對2mm 小人的特性進行深度開發，2mm小人含有鐵元素，可以考慮給5mm小人加磁，或者考慮給鹵蟲卵外殼和脫殼液帶電荷。

圖8 問題模型

圖9 預期的模型

方案11：給脫殼液加磁，使脫殼液盡可能地吸附在鹵蟲卵外殼上。

方案12：給鹵蟲卵外殼和脫殼液帶相反電荷，脫殼后的內胚層帶相同電荷，通過電荷之間的吸引和排斥，規范脫殼液的分布。

3 創新解的評估

結合實際情況，從成本、效益及技術易得性等因素對得到的12個方案進行評價。

方案1：根據鹵蟲卵在不同鹽度水中的沉浮性不同，將鹵蟲卵分割，脫殼液與分割后的鹵蟲卵作用，能減少因鹵蟲卵大小不均造成的接觸不均的問題。本方案工序簡單，可以作為備選方案。

方案2：修改脫殼液的溫度參數，降低脫殼液對鹵蟲卵的損害。本方案只需調整工藝參數，生產線無需改變，屬于系統較小改動。

方案3：在脫殼液與鹵蟲卵作用完成后，引入一種物質或場能與脫殼液作用，或能分解脫殼液，或能降低脫殼液的氧化作用，從而降低脫殼液的損害。本方案需要增加新的物質或者場，物質的種類和場的條件需要試驗確定，目前不符合使用條件，可作為以后的技術備選方案。

方案4：脫殼液作用于鹵蟲卵時，僅用空氣攪拌脫殼液與鹵蟲卵，接觸不均，增加第二個場（超聲波），改善接觸作用。由于增加第二個場會增加成本，暫不考慮。

方案5：在脫殼液作用于鹵蟲卵的過程中，利用脫殼卵比鹵蟲卵輕的現象，利用重力不同，先分離出一部分已經脫殼完全的脫殼卵。本方案的可操作性強，系統幾乎沒有改變，生產線也沒有改變，沒有額外增加成本。

方案6：縮短脫殼液注入的時間，縮短OS2時間，降低脫殼液與鹵蟲卵不均勻接觸的時間。本方案工序方面沒有改變，改變了脫殼液的注入方式，會增加一次性設備投入，如果可以使系統的可控性增強，可以考慮。

方案7：在脫殼液與鹵蟲卵作用后，往脫殼罐中快速注入大量冰水，稀釋脫殼液濃度，降低腐蝕力。本方案工序簡單，增加了快速增加冰水的工序，會增加成本，如果冰水是一種易得便宜的資源，可以考慮。

方案8：脫殼液為液體，汽化后的脫殼液與鹵蟲卵接觸就能完成腐蝕外殼的作用，同時，不會有過多的脫殼液對鹵蟲卵造成損害。將脫殼液汽化與脫殼卵接觸不會使系統復雜化，也不會造成有害的副作用，可作為技術儲備方案。

方案9：增加脫殼罐的不對稱性，加快脫殼液與脫殼卵的排出速度，縮短脫殼液與脫殼卵作用時間。本方案對設備進行改進，需要增加一次性設備投入，如果節省的時間可以使系統的可控性增強，可以考慮。

方案10：將充氣方式由底部充氣改為罐體整體充氣，增加充氣的均勻性，將脫殼液盡可能地與鹵蟲卵混合均勻。本方案對設備進行改進，需要增加一次性設備投入，如果節省的時間可以使系統的可控性增強，可以考慮。

方案11：給脫殼液加磁，使脫殼液盡可能地吸附在鹵蟲卵外殼上。本方案處于概念階段，需提前驗證加磁的可行性，可作為儲備方案。

方案12：給鹵蟲卵外殼和脫殼液帶相反電荷，脫殼后的內胚層帶相同電荷，通過電荷之間的吸引和排斥，規范脫殼液的分布。本方案處于概念階段，需提前驗證加電荷的可行性，可作為儲備方案。

4 結語

對于鹵蟲卵脫殼問題，應用ARIZ進行了問題描述和功能模型建立。通過最終理想解和物理矛盾、擴展物場資源等方法求解，得到12個解決方案。對方案從成本、效益及技術可行性等方面進行評估，最終決定創新方案為將溫度為-5℃的脫殼液倒入脫殼罐中。脫殼罐罐體有雙層結構，內層為100目網層，具有極小凸起的半球型，外層仍是光滑透明型；內外層中空，空氣由此進入罐體。在脫殼過程中反復進行停氣，將下沉的脫殼卵排入清洗罐，開氣，直到沒有上浮的鹵蟲卵，一般操作2 次即可。該方案既滿足系統改善的目標，又符合實際需求，驗證了ARIZ在解決復雜問題上的有效性，為技術研發人員開拓了新思路。