自動化、信息化技術在白酒蒸餾環節的應用現狀

鄧 彪，鄢治國，蘆 濤，譚強俊，朱 彤

(1.東方電氣自動化控制工程有限公司，四川成都 610036；2.同濟大學，上海 200092)

白酒傳統釀造高度依賴人工經驗、生產勞動強度大且效率低下。在行業政策和市場需求的引領下，眾多酒企在秉承傳統工藝基礎上，通過科技賦能，實現機械化、自動化及智能化大發展，逐步由傳統釀造向智能釀造轉型升級。

白酒蒸餾是整個釀造過程中最為重要的環節之一，其工藝歷經幾千年的總結和傳承，形成了探汽上甑、蒸汽流量控制、冰缸循環水控制以及看花摘酒等操作經驗。蒸餾過程影響因素較多、變量間耦合性強、控制過程復雜且參數難以量化，蒸餾工藝高度依賴人工經驗，但人工經驗和操作標準不一，導致基酒產量、品質會因人差異而產生波動。因此，近年來部分酒廠逐步采用智能化釀酒裝備、自動化控制系統和數字化監測管理平臺(如上甑機器人、旋轉蒸鍋、視覺摘酒、DCS 控制系統、工藝管理和數據分析平臺)，實現生產過程在線監測、大數據分析、智能決策和自動化控制等功能，保證白酒產量、質量的穩定性和優質率。本文聚焦蒸餾環節，分析提香蒸餾機理，總結歷經千年傳承的蒸餾工藝經驗，在秉承傳統蒸餾工藝的基礎上，介紹蒸餾環節上的智能釀酒裝備、自動化控制系統和數字化監管平臺的應用現狀，針對現狀提出分步實現智能釀造的構想，為后續酒廠在蒸餾環節的改造和車間智能升級提供借鑒。

1 白酒行業智能釀造發展現狀

1.1 國家、行業政策推動白酒行業向智能釀造轉型升級

20 世紀50 年代，白酒釀造基本上是手工操作。20 世紀60 年代，輕工部多次試點推動白酒生產工藝和裝備的改革創新，但由于機械與工藝不配套，部分釀酒機械被淘汰。20 世紀80 年代至2010年，部分釀酒機械幾經改進，得以保留并在白酒企業中推廣應用。目前，固態發酵白酒釀造局部實現了機械化，整體機械化、自動化和智能化水平依然較低。

酒業協會和政府相關部門相繼出臺一系列政策推動白酒行業向自動化、信息化、數字化、智能化方向發展。中國酒業協會先后推出了169 計劃、158計劃，計劃的核心在于對釀造行業，尤其是白酒行業的機械化、自動化、信息化方面進行積極探索。2019年國家發展改革委發布《產業結構調整指導目錄(2019 年本)》，將“白酒生產線”從限制類中刪除，這使得白酒生產企業能夠新建生產線擴充產能，資本進入白酒行業也會更加容易，有望帶動智能化釀造設備市場進一步擴大。2021 年商務部發布《關于“十四五”時期促進酒類流通健康發展的指導意見》，提出順應商業變革和消費升級趨勢，鼓勵酒類流通企業運用大數據、云計算、移動互聯網等現代信息技術，形成更多流通新平臺、新業態、新模式。2021 年中國酒業協會發布的《中國酒業“十四五”發展指導意見》鼓勵白酒產業的創新發展，鼓勵培育中國頂級白酒品牌，打造“世界級酒文化IP”。2022年工信部發布《關于加快現代輕工產業體系建設的指導意見（征求意見稿）》，提出發展釀酒領域智能化裝備以及完善酒業生態、營銷、生產大數據全產業的服務平臺，加快酒類流通行業供應鏈數字化智能化升級[30]。相關政策均鼓勵企業通過科技創新，從傳統釀造向智能釀造轉型升級。

1.2 智能釀造車間、數字化管理平臺先后落地

跟隨市場環境的變化和行業的政策鼓勵，白酒企業(如五糧液、瀘州老窖、茅臺、洋河、勁牌、古井、今世緣以及眾多傳統白酒釀造品牌)正積極轉變自身的發展理念，紛紛啟動自動化產線升級改造、智能制造等項目，利用工業機器人、傳感與控制設備以及大數據、云計算、人工智能等先進裝備與技術的集成應用，全面提升生產、管理、銷售的精細化和智能化水平，實現各環節資源的高效配置，為白酒行業轉型升級探索出新路子，表1 為近幾年部分酒廠智能釀造項目。

表1 相關酒企智能釀造項目

2 白酒蒸餾工藝總結及分析

2.1 白酒提香蒸餾原理

白酒甑桶蒸餾實質是以飽和水蒸氣為動力，在醅層之間形成足夠的溫度梯度和濃度梯度，進而引起醅層內一系列的傳熱傳質行為[1-2]。該行為可分為高濃度酒精對風味物質的溶解過程和對富含了大量風味物質酒精蒸汽的提取過程，即正向質量擴散和反向質量擴散：正向質量擴散通過糧粒外面的高濃度和內面的低濃度兩者所形成的濃度差把酒精分子‘擠’入糧粒內，提高糧粒內的酒精濃度，最終完成酒精和風味物質的互溶；反向質量擴散是將水蒸氣的熱能轉化為分子內能，通過分子締合和糧粒內外酒精濃度差，將富含酯、酸、醇類物質的酒精蒸汽提取出來[3]，如圖1所示。

圖1 蒸餾示意圖

具體傳質過程可用如下菲克擴散方程表示[12]：

式(1)中：JAB.T為物質從空間A 向空間B 因熱擴散引起的質量擴散通量(kg/m2·s)；DAB.T為由A 組分向B 組分因溫度梯度而引發的擴散系數；T 是空隙間的絕對溫度(K)；為從空間向酒醅內部方向Z上的溫度梯度。

2.2 白酒傳統蒸餾工藝經驗總結

蒸餾工藝歷經幾千年來的經驗總結和傳承，在實際生產操作中主要形成了提高醅層中酒精濃度、增加酒精在醅層的停留時間、改善酒甑結構等方面的經驗，具體內容如下：

（1）上甑過程中保證汽頭呈緩慢上升的趨勢，在醅層停留營造出濃度優勢。底鍋中加入適量尾酒，使在低甑位上就能聚集高的酒精濃度值，以便讓高濃酒汽掃描過盡可能大的甑區范圍，收索帶出更多的有益酯和其他醇溶性組分[6-7]；上料時控制好糟醅的水分和空穴率，讓氣態分子有自由活動的場所，減少上升氣流的阻力[4]；上料過程做到輕、松、勻、薄、平、緩，糟醅反復經歷升溫-氣化-冷凝的過程，故鋪撒糟醅越薄、料層間溫差越大，獲得濃縮的機會就越多；甑桶壁和混合糟醅之間的間隙大、傳熱快，邊緣容易出現跑酒現象[5]，可在酒甑邊緣采用壓邊操作或在酒甑邊緣添加濕度較大的糟醅，減少甑邊效應；蒸汽流量控制遵循“兩小一大”的原則，即在上甑初始和收口時采用較小的蒸汽，中間過程可適量的增大蒸汽流量。

（2）吊酒、流酒和蒸糧階段采用緩火蒸餾、大汽追尾的操作，延長酒精在醅層停留的時間，盡可能的提取香味物質，使白酒口味更加醇厚。徐鴻飛[6，8]所做實驗表明流酒飽和蒸汽流量對醬香型白酒的基酒產量具有顯著的影響，飽和蒸汽流量過大或者過小都無法保證在蒸餾階段為酒精與風味物質的侵溶提供足夠的濃度、梯度環境和侵溶時間，實驗得出了流酒階段最優的飽和蒸汽流量范圍，提高了基酒的出酒率。曹建全[9]，匡勝嚴[10]表明將流酒速度和循環水流量控制在合理的范圍內可以提高基酒產量和品質。

（3）白酒甑桶醅層高度及結構的設計對蒸餾效率及酒質的影響。單位質量糟醅的蒸餾效率隨醅層高度的增加逐漸升高。醅層高度相同時，小直徑的甑桶蒸餾效率高于大直徑甑桶；甑桶的高徑比較大時有利于強化蒸餾，符合增己降乳的原則，可有效提高蒸餾效率與酒質[11]。

2.3 智能釀酒裝備在蒸餾環節的應用現狀

在秉承傳統蒸餾工藝的基礎上，智能化釀酒設備已經取得了突破性的發展與進步，蒸餾環節主要應用有上甑機器人、自動化甑鍋和自動摘酒裝置等。

（1）機器人上甑是白酒生產中自動化發展難度較大的環節，抖動式和旋轉式機器人是當前兩類主流上甑機器人[12-13]。抖動式上甑機器人采用通用六自由度的工業機器人，在其機械臂末端加裝料斗，通過料斗的抖動實現分區上甑鋪料（圖2a 所示），每完成一個區域的鋪料，料斗需移動至物料傳輸裝置處接料，再移至下一個區域鋪料（圖2b所示）。

圖2 抖動式機器人

旋轉式機器人是為酒醅上甑專門設計的，通過進料口和機械臂內嵌物料傳送裝置，將酒醅連續送至甑桶中，再根據醅層位置調整升降裝置進而改變出料口高度。在鋪料過程中，旋轉機構實現出料口繞甑桶內部旋轉，擺臂調整旋轉機構的旋轉半徑（圖3所示），進而實現甑桶內部全區域覆蓋。

圖3 旋轉式上甑機器人結構示意圖

（2）自動化酒甑。釀酒企業根據自身需求可選擇固定酒甑、活動酒甑、三聯轉動甑或旋轉酒甑等不同的類型酒甑。目前能實現全自動化操作的是旋轉酒甑，旋轉酒甑在酒醅上甑結束后，通過特定的液壓系統和裝置，在不同階段實現自動上蓋、揭蓋、移動、旋轉、物料傾倒、復位等操作[15-16]。

上甑機器人配備旋轉酒甑作為當前機械化、自動化應用最好的一種蒸餾方式，被許多知名酒企使用，由于目前的上甑機器人尚無法實現精準探氣和精細化鋪料操作，尤其是對于物料黏度更大的濃香型白酒更為嚴重，因此這些企業在上甑過程中通常還輔以人工上料操作。隨著人工智能技術在工程上的應用，精準探汽已成為可能，郝世林[14]采用LSTM 深度神經網絡，結合勁酒公司上甑過程的歷史數據，對酒醅溫度進行預測，為上甑機器人精準探汽提供依據。

（3）自動摘酒裝置。白酒自動化摘酒可按照檢測原理的不同分為三類：基于過程參數的自動化摘酒、基于分析儀器的自動化摘酒以及基于計算機視覺的自動化摘酒。基于過程參數的自動化摘酒是通過檢測出酒壓力、溫度、流量和酒精濃度等參數，與預設值對比來判斷白酒分段[19-21]，自動化釀造生產線中，大多酒廠是以出酒的酒精濃度作為自動摘酒分段指標。基于分析儀器的自動化摘酒使用光譜儀、色譜儀、質譜儀等分析儀器分析酒液化學成分，將化學成分作為白酒分段的依據[22-23]。基于計算機視覺的自動化摘酒通過采集酒花圖像，用計算機模擬人工“看花摘酒”過程，自動對酒花圖像進行分類，實現白酒分段的判別[18]。

2.4 自動化控制系統在白酒蒸餾環節的應用現狀

傳統蒸餾工藝中，進入酒甑的蒸汽流量是以管道中的進汽壓力為操作對象，人工調節蒸汽閥門開度來改變進入底鍋的過熱蒸汽流量，通過換熱的方式在底鍋內形成飽和蒸汽進入酒甑；出酒溫度是通過人工調節冷凝水閥門開度來改變冷凝水流量的大小。這兩個人工調節過程不可視、調節頻繁，容易造成進汽流量和出酒溫度的波動，進而影響基酒產量和品質。隨著機械化、自動化設備等硬件設備在酒廠的應用，部分酒廠開始采用圖4 的自動化方案[24-25]。圖4 中在進汽管道、酒甑內部、出酒管道等地方分別安裝對應溫度、壓力、流量和酒精度傳感器，將采集的數據送至現場控制器進行邏輯處理，并依據出酒溫度、出酒流量或其他出酒特征的測量實時調控冷凝水流量、蒸汽流量，進而控制飽和蒸汽流量和出酒溫度，以保證基酒產量、品質，相關技術已在豐谷、瀘州老窖等知名酒企應用。

圖4 蒸餾自動化控制方案

2.5 數字化管控系統在蒸餾環節的應用

借助大數據和人工智能等技術，對蒸餾過程生產數據進行集中采集、展示、監測和分析，實現釀造全過程的集中化管控和精細化管理，使得管理者從“看數據”轉變為“管數據”，最終到“用數據”，目前酒企紛紛從工藝管理、大數據分析系統方面入手，整體框架如圖5 所示。圖5 中工藝管理系統對上甑、流酒及冷凝過程的生產設備狀態、工藝指標及蒸餾過程變化進行實時監控和報警，系統自動提取執行數據，形成統計分析報表，跟蹤線索對工藝執行情況、工藝超標情況進行統計分析[26-27]。大數據分析系統主要實現指標間的關聯分析、產量預測和工藝參數優化等功能，其主要實現路徑是根據歷史數據通過機器學習、深度學習等技術建立大數據模型，結合相關算法和數據計算釀酒工藝各環節的參數優化結果和指標間的關聯度分析，再對對應環節進行變量控制[28-29]。數字化管控平臺可實現生產全過程的監控和調度，保證現場調控更加科學合理。

圖5 釀造過程數字化、智能化整體框架

3 展望

（1）白酒智能釀造是必然趨勢。釀造工藝環節較多，工藝環節之間相互影響，影響產量、質量的工藝參數眾多，且相互之間具有復雜的耦合關系，僅僅依靠人工經驗是不準確的。必須依靠自動生產、信息支撐、數字集成、智能分析，把生產自動化、數字化和智能化，在產能提升的同時，質量、標準也更有保障。

（2）白酒智能釀造可分步實施，蒸餾環節自動化、智能化隨科技的進步逐步替代。白酒蒸餾過程的控制和蒸餾工藝經驗，影響白酒產量、品質的穩定性和優質率，實現機械化、自動化、智能化現階段存在較大爭議。因此，全過程的自動化、智能化發展可以分階段實施，在相對影響面較小的、勞動強度大的環節(如攤晾、制曲、拌曲、潤糧、起入窖環節)優先考慮機械化、自動化和智能化的發展；在罐裝、燈檢、包裝、物流、銷售等方面優先實現自動化和數字化管控；蒸餾環節自動化、智能化可隨著科技的發展和進一步生產的驗證逐步替代人工操作和經驗，逐步完善蒸餾環節的定量化技術。