自動(dòng)化、信息化技術(shù)在白酒蒸餾環(huán)節(jié)的應(yīng)用現(xiàn)狀

鄧 彪，鄢治國(guó)，蘆 濤，譚強(qiáng)俊，朱 彤

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

白酒傳統(tǒng)釀造高度依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低下。在行業(yè)政策和市場(chǎng)需求的引領(lǐng)下，眾多酒企在秉承傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上，通過(guò)科技賦能，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化及智能化大發(fā)展，逐步由傳統(tǒng)釀造向智能釀造轉(zhuǎn)型升級(jí)。

白酒蒸餾是整個(gè)釀造過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)之一，其工藝歷經(jīng)幾千年的總結(jié)和傳承，形成了探汽上甑、蒸汽流量控制、冰缸循環(huán)水控制以及看花摘酒等操作經(jīng)驗(yàn)。蒸餾過(guò)程影響因素較多、變量間耦合性強(qiáng)、控制過(guò)程復(fù)雜且參數(shù)難以量化，蒸餾工藝高度依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)，但人工經(jīng)驗(yàn)和操作標(biāo)準(zhǔn)不一，導(dǎo)致基酒產(chǎn)量、品質(zhì)會(huì)因人差異而產(chǎn)生波動(dòng)。因此，近年來(lái)部分酒廠逐步采用智能化釀酒裝備、自動(dòng)化控制系統(tǒng)和數(shù)字化監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)(如上甑機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)蒸鍋、視覺(jué)摘酒、DCS 控制系統(tǒng)、工藝管理和數(shù)據(jù)分析平臺(tái))，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程在線監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)分析、智能決策和自動(dòng)化控制等功能，保證白酒產(chǎn)量、質(zhì)量的穩(wěn)定性和優(yōu)質(zhì)率。本文聚焦蒸餾環(huán)節(jié)，分析提香蒸餾機(jī)理，總結(jié)歷經(jīng)千年傳承的蒸餾工藝經(jīng)驗(yàn)，在秉承傳統(tǒng)蒸餾工藝的基礎(chǔ)上，介紹蒸餾環(huán)節(jié)上的智能釀酒裝備、自動(dòng)化控制系統(tǒng)和數(shù)字化監(jiān)管平臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)現(xiàn)狀提出分步實(shí)現(xiàn)智能釀造的構(gòu)想，為后續(xù)酒廠在蒸餾環(huán)節(jié)的改造和車(chē)間智能升級(jí)提供借鑒。

1 白酒行業(yè)智能釀造發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)家、行業(yè)政策推動(dòng)白酒行業(yè)向智能釀造轉(zhuǎn)型升級(jí)

20 世紀(jì)50 年代，白酒釀造基本上是手工操作。20 世紀(jì)60 年代，輕工部多次試點(diǎn)推動(dòng)白酒生產(chǎn)工藝和裝備的改革創(chuàng)新，但由于機(jī)械與工藝不配套，部分釀酒機(jī)械被淘汰。20 世紀(jì)80 年代至2010年，部分釀酒機(jī)械幾經(jīng)改進(jìn)，得以保留并在白酒企業(yè)中推廣應(yīng)用。目前，固態(tài)發(fā)酵白酒釀造局部實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，整體機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化水平依然較低。

酒業(yè)協(xié)會(huì)和政府相關(guān)部門(mén)相繼出臺(tái)一系列政策推動(dòng)白酒行業(yè)向自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。中國(guó)酒業(yè)協(xié)會(huì)先后推出了169 計(jì)劃、158計(jì)劃，計(jì)劃的核心在于對(duì)釀造行業(yè)，尤其是白酒行業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化方面進(jìn)行積極探索。2019年國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019 年本)》，將“白酒生產(chǎn)線”從限制類(lèi)中刪除，這使得白酒生產(chǎn)企業(yè)能夠新建生產(chǎn)線擴(kuò)充產(chǎn)能，資本進(jìn)入白酒行業(yè)也會(huì)更加容易，有望帶動(dòng)智能化釀造設(shè)備市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大。2021 年商務(wù)部發(fā)布《關(guān)于“十四五”時(shí)期促進(jìn)酒類(lèi)流通健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出順應(yīng)商業(yè)變革和消費(fèi)升級(jí)趨勢(shì)，鼓勵(lì)酒類(lèi)流通企業(yè)運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，形成更多流通新平臺(tái)、新業(yè)態(tài)、新模式。2021 年中國(guó)酒業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)酒業(yè)“十四五”發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》鼓勵(lì)白酒產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，鼓勵(lì)培育中國(guó)頂級(jí)白酒品牌，打造“世界級(jí)酒文化IP”。2022年工信部發(fā)布《關(guān)于加快現(xiàn)代輕工產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》，提出發(fā)展釀酒領(lǐng)域智能化裝備以及完善酒業(yè)生態(tài)、營(yíng)銷(xiāo)、生產(chǎn)大數(shù)據(jù)全產(chǎn)業(yè)的服務(wù)平臺(tái)，加快酒類(lèi)流通行業(yè)供應(yīng)鏈數(shù)字化智能化升級(jí)[30]。相關(guān)政策均鼓勵(lì)企業(yè)通過(guò)科技創(chuàng)新，從傳統(tǒng)釀造向智能釀造轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1.2 智能釀造車(chē)間、數(shù)字化管理平臺(tái)先后落地

跟隨市場(chǎng)環(huán)境的變化和行業(yè)的政策鼓勵(lì)，白酒企業(yè)(如五糧液、瀘州老窖、茅臺(tái)、洋河、勁牌、古井、今世緣以及眾多傳統(tǒng)白酒釀造品牌)正積極轉(zhuǎn)變自身的發(fā)展理念，紛紛啟動(dòng)自動(dòng)化產(chǎn)線升級(jí)改造、智能制造等項(xiàng)目，利用工業(yè)機(jī)器人、傳感與控制設(shè)備以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等先進(jìn)裝備與技術(shù)的集成應(yīng)用，全面提升生產(chǎn)、管理、銷(xiāo)售的精細(xì)化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)資源的高效配置，為白酒行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)探索出新路子，表1 為近幾年部分酒廠智能釀造項(xiàng)目。

表1 相關(guān)酒企智能釀造項(xiàng)目

2 白酒蒸餾工藝總結(jié)及分析

2.1 白酒提香蒸餾原理

白酒甑桶蒸餾實(shí)質(zhì)是以飽和水蒸氣為動(dòng)力，在醅層之間形成足夠的溫度梯度和濃度梯度，進(jìn)而引起醅層內(nèi)一系列的傳熱傳質(zhì)行為[1-2]。該行為可分為高濃度酒精對(duì)風(fēng)味物質(zhì)的溶解過(guò)程和對(duì)富含了大量風(fēng)味物質(zhì)酒精蒸汽的提取過(guò)程，即正向質(zhì)量擴(kuò)散和反向質(zhì)量擴(kuò)散：正向質(zhì)量擴(kuò)散通過(guò)糧粒外面的高濃度和內(nèi)面的低濃度兩者所形成的濃度差把酒精分子‘?dāng)D’入糧粒內(nèi)，提高糧粒內(nèi)的酒精濃度，最終完成酒精和風(fēng)味物質(zhì)的互溶；反向質(zhì)量擴(kuò)散是將水蒸氣的熱能轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)能，通過(guò)分子締合和糧粒內(nèi)外酒精濃度差，將富含酯、酸、醇類(lèi)物質(zhì)的酒精蒸汽提取出來(lái)[3]，如圖1所示。

圖1 蒸餾示意圖

具體傳質(zhì)過(guò)程可用如下菲克擴(kuò)散方程表示[12]：

式(1)中：JAB.T為物質(zhì)從空間A 向空間B 因熱擴(kuò)散引起的質(zhì)量擴(kuò)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(fā)的擴(kuò)散系數(shù)；T 是空隙間的絕對(duì)溫度(K)；為從空間向酒醅內(nèi)部方向Z上的溫度梯度。

2.2 白酒傳統(tǒng)蒸餾工藝經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

蒸餾工藝歷經(jīng)幾千年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和傳承，在實(shí)際生產(chǎn)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(shí)間、改善酒甑結(jié)構(gòu)等方面的經(jīng)驗(yàn)，具體內(nèi)容如下：

（1）上甑過(guò)程中保證汽頭呈緩慢上升的趨勢(shì)，在醅層停留營(yíng)造出濃度優(yōu)勢(shì)。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(guò)盡可能大的甑區(qū)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(shí)控制好糟醅的水分和空穴率，讓氣態(tài)分子有自由活動(dòng)的場(chǎng)所，減少上升氣流的阻力[4]；上料過(guò)程做到輕、松、勻、薄、平、緩，糟醅反復(fù)經(jīng)歷升溫-氣化-冷凝的過(guò)程，故鋪撒糟醅越薄、料層間溫差越大，獲得濃縮的機(jī)會(huì)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(xiàn)跑酒現(xiàn)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(yīng)；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(shí)采用較小的蒸汽，中間過(guò)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(zhǎng)酒精在醅層停留的時(shí)間，盡可能的提取香味物質(zhì)，使白酒口味更加醇厚。徐鴻飛[6，8]所做實(shí)驗(yàn)表明流酒飽和蒸汽流量對(duì)醬香型白酒的基酒產(chǎn)量具有顯著的影響，飽和蒸汽流量過(guò)大或者過(guò)小都無(wú)法保證在蒸餾階段為酒精與風(fēng)味物質(zhì)的侵溶提供足夠的濃度、梯度環(huán)境和侵溶時(shí)間，實(shí)驗(yàn)得出了流酒階段最優(yōu)的飽和蒸汽流量范圍，提高了基酒的出酒率。曹建全[9]，匡勝?lài)?yán)[10]表明將流酒速度和循環(huán)水流量控制在合理的范圍內(nèi)可以提高基酒產(chǎn)量和品質(zhì)。

（3）白酒甑桶醅層高度及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)蒸餾效率及酒質(zhì)的影響。單位質(zhì)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(shí)，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(shí)有利于強(qiáng)化蒸餾，符合增己降乳的原則，可有效提高蒸餾效率與酒質(zhì)[11]。

2.3 智能釀酒裝備在蒸餾環(huán)節(jié)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在秉承傳統(tǒng)蒸餾工藝的基礎(chǔ)上，智能化釀酒設(shè)備已經(jīng)取得了突破性的發(fā)展與進(jìn)步，蒸餾環(huán)節(jié)主要應(yīng)用有上甑機(jī)器人、自動(dòng)化甑鍋和自動(dòng)摘酒裝置等。

（1）機(jī)器人上甑是白酒生產(chǎn)中自動(dòng)化發(fā)展難度較大的環(huán)節(jié)，抖動(dòng)式和旋轉(zhuǎn)式機(jī)器人是當(dāng)前兩類(lèi)主流上甑機(jī)器人[12-13]。抖動(dòng)式上甑機(jī)器人采用通用六自由度的工業(yè)機(jī)器人，在其機(jī)械臂末端加裝料斗，通過(guò)料斗的抖動(dòng)實(shí)現(xiàn)分區(qū)上甑鋪料（圖2a 所示），每完成一個(gè)區(qū)域的鋪料，料斗需移動(dòng)至物料傳輸裝置處接料，再移至下一個(gè)區(qū)域鋪料（圖2b所示）。

圖2 抖動(dòng)式機(jī)器人

旋轉(zhuǎn)式機(jī)器人是為酒醅上甑專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，通過(guò)進(jìn)料口和機(jī)械臂內(nèi)嵌物料傳送裝置，將酒醅連續(xù)送至甑桶中，再根據(jù)醅層位置調(diào)整升降裝置進(jìn)而改變出料口高度。在鋪料過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)出料口繞甑桶內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，擺臂調(diào)整旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)半徑（圖3所示），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)甑桶內(nèi)部全區(qū)域覆蓋。

圖3 旋轉(zhuǎn)式上甑機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

（2）自動(dòng)化酒甑。釀酒企業(yè)根據(jù)自身需求可選擇固定酒甑、活動(dòng)酒甑、三聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)甑或旋轉(zhuǎn)酒甑等不同的類(lèi)型酒甑。目前能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作的是旋轉(zhuǎn)酒甑，旋轉(zhuǎn)酒甑在酒醅上甑結(jié)束后，通過(guò)特定的液壓系統(tǒng)和裝置，在不同階段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上蓋、揭蓋、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、物料傾倒、復(fù)位等操作[15-16]。

上甑機(jī)器人配備旋轉(zhuǎn)酒甑作為當(dāng)前機(jī)械化、自動(dòng)化應(yīng)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(jī)器人尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探氣和精細(xì)化鋪料操作，尤其是對(duì)于物料黏度更大的濃香型白酒更為嚴(yán)重，因此這些企業(yè)在上甑過(guò)程中通常還輔以人工上料操作。隨著人工智能技術(shù)在工程上的應(yīng)用，精準(zhǔn)探汽已成為可能，郝世林[14]采用LSTM 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合勁酒公司上甑過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)酒醅溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為上甑機(jī)器人精準(zhǔn)探汽提供依據(jù)。

（3）自動(dòng)摘酒裝置。白酒自動(dòng)化摘酒可按照檢測(cè)原理的不同分為三類(lèi)：基于過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)化摘酒、基于分析儀器的自動(dòng)化摘酒以及基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的自動(dòng)化摘酒。基于過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)化摘酒是通過(guò)檢測(cè)出酒壓力、溫度、流量和酒精濃度等參數(shù)，與預(yù)設(shè)值對(duì)比來(lái)判斷白酒分段[19-21]，自動(dòng)化釀造生產(chǎn)線中，大多酒廠是以出酒的酒精濃度作為自動(dòng)摘酒分段指標(biāo)?；诜治鰞x器的自動(dòng)化摘酒使用光譜儀、色譜儀、質(zhì)譜儀等分析儀器分析酒液化學(xué)成分，將化學(xué)成分作為白酒分段的依據(jù)[22-23]?；谟?jì)算機(jī)視覺(jué)的自動(dòng)化摘酒通過(guò)采集酒花圖像，用計(jì)算機(jī)模擬人工“看花摘酒”過(guò)程，自動(dòng)對(duì)酒花圖像進(jìn)行分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)白酒分段的判別[18]。

2.4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)在白酒蒸餾環(huán)節(jié)的應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)蒸餾工藝中，進(jìn)入酒甑的蒸汽流量是以管道中的進(jìn)汽壓力為操作對(duì)象，人工調(diào)節(jié)蒸汽閥門(mén)開(kāi)度來(lái)改變進(jìn)入底鍋的過(guò)熱蒸汽流量，通過(guò)換熱的方式在底鍋內(nèi)形成飽和蒸汽進(jìn)入酒甑；出酒溫度是通過(guò)人工調(diào)節(jié)冷凝水閥門(mén)開(kāi)度來(lái)改變冷凝水流量的大小。這兩個(gè)人工調(diào)節(jié)過(guò)程不可視、調(diào)節(jié)頻繁，容易造成進(jìn)汽流量和出酒溫度的波動(dòng)，進(jìn)而影響基酒產(chǎn)量和品質(zhì)。隨著機(jī)械化、自動(dòng)化設(shè)備等硬件設(shè)備在酒廠的應(yīng)用，部分酒廠開(kāi)始采用圖4 的自動(dòng)化方案[24-25]。圖4 中在進(jìn)汽管道、酒甑內(nèi)部、出酒管道等地方分別安裝對(duì)應(yīng)溫度、壓力、流量和酒精度傳感器，將采集的數(shù)據(jù)送至現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行邏輯處理，并依據(jù)出酒溫度、出酒流量或其他出酒特征的測(cè)量實(shí)時(shí)調(diào)控冷凝水流量、蒸汽流量，進(jìn)而控制飽和蒸汽流量和出酒溫度，以保證基酒產(chǎn)量、品質(zhì)，相關(guān)技術(shù)已在豐谷、瀘州老窖等知名酒企應(yīng)用。

圖4 蒸餾自動(dòng)化控制方案

2.5 數(shù)字化管控系統(tǒng)在蒸餾環(huán)節(jié)的應(yīng)用

借助大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，對(duì)蒸餾過(guò)程生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集、展示、監(jiān)測(cè)和分析，實(shí)現(xiàn)釀造全過(guò)程的集中化管控和精細(xì)化管理，使得管理者從“看數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮軘?shù)據(jù)”，最終到“用數(shù)據(jù)”，目前酒企紛紛從工藝管理、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)方面入手，整體框架如圖5 所示。圖5 中工藝管理系統(tǒng)對(duì)上甑、流酒及冷凝過(guò)程的生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、工藝指標(biāo)及蒸餾過(guò)程變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)提取執(zhí)行數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，跟蹤線索對(duì)工藝執(zhí)行情況、工藝超標(biāo)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[26-27]。大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)分析、產(chǎn)量預(yù)測(cè)和工藝參數(shù)優(yōu)化等功能，其主要實(shí)現(xiàn)路徑是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)建立大數(shù)據(jù)模型，結(jié)合相關(guān)算法和數(shù)據(jù)計(jì)算釀酒工藝各環(huán)節(jié)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果和指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度分析，再對(duì)對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)進(jìn)行變量控制[28-29]。數(shù)字化管控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程的監(jiān)控和調(diào)度，保證現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控更加科學(xué)合理。

圖5 釀造過(guò)程數(shù)字化、智能化整體框架

3 展望

（1）白酒智能釀造是必然趨勢(shì)。釀造工藝環(huán)節(jié)較多，工藝環(huán)節(jié)之間相互影響，影響產(chǎn)量、質(zhì)量的工藝參數(shù)眾多，且相互之間具有復(fù)雜的耦合關(guān)系，僅僅依靠人工經(jīng)驗(yàn)是不準(zhǔn)確的。必須依靠自動(dòng)生產(chǎn)、信息支撐、數(shù)字集成、智能分析，把生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化，在產(chǎn)能提升的同時(shí)，質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)也更有保障。

（2）白酒智能釀造可分步實(shí)施，蒸餾環(huán)節(jié)自動(dòng)化、智能化隨科技的進(jìn)步逐步替代。白酒蒸餾過(guò)程的控制和蒸餾工藝經(jīng)驗(yàn)，影響白酒產(chǎn)量、品質(zhì)的穩(wěn)定性和優(yōu)質(zhì)率，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化現(xiàn)階段存在較大爭(zhēng)議。因此，全過(guò)程的自動(dòng)化、智能化發(fā)展可以分階段實(shí)施，在相對(duì)影響面較小的、勞動(dòng)強(qiáng)度大的環(huán)節(jié)(如攤晾、制曲、拌曲、潤(rùn)糧、起入窖環(huán)節(jié))優(yōu)先考慮機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化的發(fā)展；在罐裝、燈檢、包裝、物流、銷(xiāo)售等方面優(yōu)先實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化管控；蒸餾環(huán)節(jié)自動(dòng)化、智能化可隨著科技的發(fā)展和進(jìn)一步生產(chǎn)的驗(yàn)證逐步替代人工操作和經(jīng)驗(yàn)，逐步完善蒸餾環(huán)節(jié)的定量化技術(shù)。