淺談機(jī)械自動(dòng)化在白酒釀造行業(yè)中的應(yīng)用

張曉敏

（太原酒廠有限責(zé)任公司，山西 太原 030001）

引言

作為我國(guó)傳統(tǒng)酒種的白酒，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值中扮演了重要角色，截至2021 年底，我國(guó)白酒行業(yè)共完成利潤(rùn)總額818.6 億元。然而，隨著勞動(dòng)力成本逐年攀升，傳統(tǒng)釀酒工藝已無法滿足行業(yè)發(fā)展需求，改進(jìn)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式迫在眉睫。在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力下，各大酒企必須加大科技創(chuàng)新力度，通過對(duì)生產(chǎn)過程中的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造來實(shí)現(xiàn)品質(zhì)升級(jí)，從而提升產(chǎn)品市場(chǎng)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

1 傳統(tǒng)白酒釀造生產(chǎn)工藝

白酒生產(chǎn)釀造過程大致可分為原糧粉碎、潤(rùn)糝蒸糝、加曲發(fā)酵、蒸餾取酒、勾調(diào)過濾、灌裝出廠等，釀造工序流程如圖1 所示。

圖1 白酒生產(chǎn)釀造工序流程

受傳統(tǒng)白酒釀造工藝的限制，我國(guó)白酒生產(chǎn)環(huán)節(jié)如蒸煮、發(fā)酵等重要生產(chǎn)過程中機(jī)械化設(shè)備參與程度較低，或僅能實(shí)現(xiàn)“人工+設(shè)備”的半機(jī)械化程度，在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中所涉及的自動(dòng)機(jī)械設(shè)備主要集中在物料運(yùn)輸、勾調(diào)灌裝等首末環(huán)節(jié)中。

2 生產(chǎn)釀造設(shè)備的局部升級(jí)

2.1 原料粉碎環(huán)節(jié)

2.1.1 工藝現(xiàn)狀

原料粉碎粒度與后期發(fā)酵息息相關(guān)，同時(shí)，還要根據(jù)氣候變化來調(diào)節(jié)粉碎粒度，如夏季稍粗，冬季稍細(xì)，更有利于發(fā)酵升溫。傳統(tǒng)企業(yè)通常使用對(duì)輥式粉碎機(jī)來進(jìn)行原糧粉碎，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，但其調(diào)節(jié)精度不高，且長(zhǎng)期使用，對(duì)輥磨損嚴(yán)重，輥間間隙變大，影響粉碎粒度。鑒于以上原因，推薦使用錘片式粉碎機(jī)。

2.1.2 設(shè)備升級(jí)

1）結(jié)構(gòu)原理（結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示）。錘片式粉碎機(jī)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)與粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子安裝于同一底座，采用柱銷聯(lián)軸器直聯(lián)傳動(dòng)；轉(zhuǎn)子經(jīng)動(dòng)平衡校驗(yàn)，可正反轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)易損件的使用壽命，進(jìn)料口上方設(shè)有磁選器，可防止混入物料的鐵質(zhì)損壞錘片及篩網(wǎng)，進(jìn)料口下方設(shè)置進(jìn)料導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)向的進(jìn)料需求[1]。物料由進(jìn)料口送入機(jī)內(nèi)，經(jīng)導(dǎo)向板從左或從右進(jìn)入粉碎室，在高速旋轉(zhuǎn)的錘片擊打和篩板摩擦作用下，物料逐漸被粉碎，并在離心力和氣流作用下，穿過篩孔從底座出料口排出。

圖2 錘片式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2）技術(shù)參數(shù)：主要參數(shù)見表1。

表1 錘片式粉碎機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3）設(shè)備優(yōu)勢(shì)：安裝便捷，振動(dòng)?。豢烧崔D(zhuǎn)，使用壽命長(zhǎng)；可根據(jù)需要調(diào)節(jié)粉碎粒度；篩板、錘片等易損件便于更換。

2.2 原料蒸煮環(huán)節(jié)

2.2.1 工藝現(xiàn)狀

蒸糧環(huán)節(jié)中，要求甑桶能完成初蒸、復(fù)蒸等工序，這樣才能在較大程度上保證產(chǎn)品口感的相對(duì)穩(wěn)定性。目前多數(shù)酒企使用的傳統(tǒng)常壓蒸煮技術(shù)需要人工鋪料、起料，勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工依賴度高，蒸煮時(shí)間過長(zhǎng)，易出現(xiàn)物料受熱不均等現(xiàn)象，且傳統(tǒng)甑桶上粗下窄，上下口直徑之比約1.14∶1，在蒸煮過程中四周蒸汽鉆邊現(xiàn)象較為嚴(yán)重。相比之下，新型旋轉(zhuǎn)蒸鍋實(shí)用性更強(qiáng)。

2.2.2 設(shè)備升級(jí)

1）結(jié)構(gòu)原理（結(jié)構(gòu)示意圖見圖3）。物料進(jìn)入鍋體后，蒸汽由進(jìn)氣管上的氣孔排出，對(duì)物料進(jìn)行加熱。減速機(jī)啟動(dòng)后，物料在鍋內(nèi)翻轉(zhuǎn)，蒸汽可對(duì)其進(jìn)行充分蒸煮。當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到設(shè)定值后，由排氣管排出，減速機(jī)啟動(dòng)，鍋體轉(zhuǎn)到排水位，鍋內(nèi)水分由排水管排出。鍋體旋轉(zhuǎn)可使物料自動(dòng)混勻，保證其受熱均勻。

圖3 旋轉(zhuǎn)蒸鍋結(jié)構(gòu)示意圖

2）設(shè)備參數(shù)：主要參數(shù)見表2。

表2 旋轉(zhuǎn)蒸鍋主要技術(shù)參數(shù)

3）設(shè)備優(yōu)勢(shì)：鍋體采用食品級(jí)304 不銹鋼材質(zhì)，耐酸耐熱；雙層結(jié)構(gòu)，配有壓力表和安全閥，安全可靠；采用蒸汽熱源，鍋體受熱面積大，熱效率高，加熱均勻，蒸煮時(shí)間短，加熱溫度自由可控；鍋體內(nèi)設(shè)置有過濾網(wǎng)，避免出現(xiàn)粘鍋現(xiàn)象；采用齒輪減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，可正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)，可以在任意位置停留；可自動(dòng)起料，提升生產(chǎn)效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.3 發(fā)酵環(huán)節(jié)

2.3.1 工藝現(xiàn)狀

傳統(tǒng)發(fā)酵容器為窖池、地缸，相應(yīng)操作均由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。

2.3.2 設(shè)備升級(jí)

1）工序流程。目前，清香型白酒可采用不銹鋼發(fā)酵槽車來代替地缸發(fā)酵。將酒醅裝入槽車，用叉車將槽車轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)酵倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行恒溫發(fā)酵，發(fā)酵完成后再用叉車將槽車送入蒸餾工序完成酒醅上甑。

2）設(shè)備概述。不銹鋼發(fā)酵槽車裝置主要包括發(fā)酵槽車、微型振蕩器、卡槽和泡沫填充物，其中，所述的發(fā)酵槽車的側(cè)壁采用雙層中空結(jié)構(gòu)，由泡沫填充物填充，發(fā)酵槽車的底部為橢圓型，與側(cè)壁之間夾角為15°～25°，并在底部的上表面鑲有金屬網(wǎng)格體，表面均勻涂覆有特弗龍涂層；微型振蕩器安裝在發(fā)酵槽車的外側(cè)底部，發(fā)酵槽車上部側(cè)壁上設(shè)置有放置溫度感應(yīng)器的卡槽[2]。

3）設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)。發(fā)酵槽車初步實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化操作，極大降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，恒溫發(fā)酵，增強(qiáng)保溫性，提高發(fā)酵率；但設(shè)備需安裝中央空調(diào)，保證發(fā)酵環(huán)境恒定溫度，前期成本較高。

2.4 上甑蒸餾環(huán)節(jié)

2.4.1 工藝現(xiàn)狀

上甑，就是將酒醅裝入甑桶的過程。在傳統(tǒng)工藝中，釀酒師借助撮箕將酒醅逐層鋪入甑桶，即“見汽撒料，均撒勻鋪”。由于依賴人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，最終成酒品質(zhì)和產(chǎn)酒率因人而異，具有較高不穩(wěn)定性。

2.4.2 設(shè)備升級(jí)

近年來，一些酒企開始嘗試使用上甑機(jī)器人來完成該環(huán)節(jié)。常見的上甑機(jī)器人主要包括兩種：抖動(dòng)式和旋轉(zhuǎn)式。前者在機(jī)械臂末端加裝料斗，借助料斗的抖動(dòng)來完成上甑鋪料，后者借助升降及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)操縱出料口旋轉(zhuǎn)鋪料。兩者結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖4、下頁(yè)圖5[3]所示。

圖4 抖動(dòng)式上甑機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 旋轉(zhuǎn)式上甑機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

無論哪種機(jī)器人均采用紅外熱成像儀探汽。不過，由于蒸汽上升高度與酒醅表面溫度之間的關(guān)系尚未確定（需通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模方能實(shí)現(xiàn)），此外，甑桶壁采用不銹鋼材質(zhì)焊制，與酒醅相比，其導(dǎo)熱系數(shù)要高出很多，極易引起上甑機(jī)器人誤操作。因此，通過紅外測(cè)溫儀來確定蒸汽上升高度進(jìn)而控制機(jī)械臂鋪料的方案仍需進(jìn)一步研究論證。所以，目前多數(shù)酒企在上甑環(huán)節(jié)仍以人工上料為主。

鑒于近年來AI 技術(shù)的深入發(fā)展，或許通過視覺傳感器、深度傳感器等智能設(shè)備的運(yùn)用，可以讓上甑機(jī)器人像人眼一樣去探測(cè)蒸汽的分布，并提前探知上汽位置，從而控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)均勻鋪料。

2.5 原酒儲(chǔ)存勾調(diào)環(huán)節(jié)

2.5.1 工藝現(xiàn)狀

新產(chǎn)原酒需勾調(diào)進(jìn)行降度處理，在調(diào)制過程中常采用電子汽車衡（俗稱地磅）進(jìn)行稱重。由于儲(chǔ)酒罐均按噸計(jì)量，體積龐大，所需地磅自然也要占據(jù)更多室內(nèi)面積，導(dǎo)致車間空間利用率降低；再者，長(zhǎng)期使用過程中，一些雜物容易進(jìn)入地磅間隙，影響稱重精度，容易引起稱重誤差。近些年，一些企業(yè)采用體積小巧的電磁流量計(jì)來代替地磅進(jìn)行流量計(jì)量，取得不錯(cuò)的實(shí)踐效果。

2.5.2 設(shè)備升級(jí)

1）設(shè)備概述：電磁流量計(jì)由傳感器和變送器兩部分組成（結(jié)構(gòu)示意圖見圖6）。流量計(jì)與介質(zhì)接觸的內(nèi)腔部位為一個(gè)圓筒形直管，一對(duì)測(cè)量電極鑲嵌在中部，呈對(duì)稱分布，電極與介質(zhì)間的部位為一對(duì)直徑為6～10 mm 的圓餅狀薄金屬，其伸出部分厚度僅2～4 mm，幾乎不影響流態(tài)的變化。該種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，猶如一根普通圓筒形管道，不會(huì)產(chǎn)生任何壓損，也不會(huì)被某些介質(zhì)中的懸浮物及固態(tài)雜質(zhì)所阻塞。

圖6 電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2）技術(shù)參數(shù)：主要參數(shù)見表3。

表3 電磁流量計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

3）設(shè)備優(yōu)勢(shì)：測(cè)量精準(zhǔn)度高；采用抗干擾技術(shù)電源設(shè)計(jì)，有效過濾外界電源噪聲；良好適應(yīng)性，可同時(shí)測(cè)量流體溫度、密度、體積流量等參數(shù)；體積小巧，安裝靈活，可選擇一體式或分體式安裝。

2.6 白酒灌裝燈檢環(huán)節(jié)

2.6.1 工藝現(xiàn)狀

灌裝線中的燈檢環(huán)節(jié)，是保證成品合格率的重要一環(huán)。目前多數(shù)酒企均采用熒光燈檢機(jī)，由質(zhì)檢員肉眼監(jiān)測(cè)來判斷產(chǎn)品是否合格，模式簡(jiǎn)單，人工出錯(cuò)率高。近年來，一些企業(yè)開始使用全自動(dòng)燈檢機(jī)來代替人工燈檢。

2.6.2 設(shè)備升級(jí)

1）設(shè)備概述：全自動(dòng)燈檢機(jī)集光源發(fā)生系統(tǒng)、視覺識(shí)別系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、計(jì)算分析系統(tǒng)、高精密機(jī)械制造于一體，采用機(jī)器視覺技術(shù)，模擬人眼對(duì)產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)，拍攝生產(chǎn)線上的產(chǎn)品，采集圖像，然后對(duì)其進(jìn)行分析檢驗(yàn)，最終對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量做出判斷。

2）技術(shù)參數(shù)：主要參數(shù)見表4。

表4 全自動(dòng)燈檢機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3）設(shè)備優(yōu)勢(shì)：可對(duì)產(chǎn)品多方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如外形、液位、液體雜質(zhì)等；自動(dòng)化程度高，可靠性及檢測(cè)精度高，節(jié)約人力成本。

3 結(jié)語

本文針對(duì)白酒傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵釀造工藝的各個(gè)工序，逐一進(jìn)行局部設(shè)備升級(jí)論證。粉糧環(huán)節(jié)用錘片式粉碎機(jī)代替對(duì)輥式粉碎機(jī)；原料蒸煮中，采用旋轉(zhuǎn)蒸糧鍋來取代常壓蒸煮；上甑環(huán)節(jié)嘗試使用上甑機(jī)器人來代替人工鋪料；發(fā)酵環(huán)節(jié)則使用發(fā)酵槽車來代替地缸發(fā)酵；稱重計(jì)量環(huán)節(jié)，用電磁流量計(jì)取代龐大笨重的電子汽車衡；最后在白酒灌裝燈檢環(huán)節(jié)，采用全自動(dòng)燈檢機(jī)來代替人工燈檢，提高產(chǎn)品合格率。各環(huán)節(jié)中升級(jí)設(shè)備既可單獨(dú)現(xiàn)場(chǎng)操作，也可通過自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)銜接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)性、機(jī)械化生產(chǎn)，自動(dòng)化控制，節(jié)省大量人力，極大提高生產(chǎn)效率。