濃香型白酒大曲自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計和應(yīng)用研究

何宏魁，李安軍，王 冕，李靜心，袁志強(qiáng)，李曉歡，劉洪濤，劉 鑰

（1.安徽古井貢酒股份有限公司，安徽亳州 236801；2.南京旗碩物聯(lián)科技有限公司，江蘇南京 210000）

大曲是傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵蒸餾大曲酒的重要物質(zhì)保障，俗話說“曲乃酒之骨”“有好酒必有好曲”，大曲的質(zhì)量與白酒風(fēng)味物質(zhì)產(chǎn)生、風(fēng)格的形成及質(zhì)量的變化有著密切的相關(guān)性。大曲中含有經(jīng)過一定富集、培養(yǎng)的自然篩選、馴化的微生物系，為大曲酒多菌種發(fā)酵生產(chǎn)帶來微生物種源，微生物的代謝作用使得大曲含有豐富的風(fēng)味物質(zhì)及其前體物質(zhì)，這些風(fēng)味化合物構(gòu)成了大曲自身的“曲香”，同時大曲還是復(fù)合酶制劑，含有淀粉酶、糖化酶、酒化酶、酯化酶、蛋白酶等多種酶系，為形成復(fù)雜的香氣成分提供催化劑。

傳統(tǒng)大曲的制曲工藝包括配料、制坯和培曲發(fā)酵等過程，其中，培曲過程是指曲塊在人工踩曲或者機(jī)制壓曲成型后，由制曲工人運(yùn)輸?shù)街付ㄇ繑[放在曲架上或者堆積在地面上自然接種發(fā)酵。大曲培菌過程中的溫度、濕度調(diào)節(jié)常通過人工翻曲、揭蓋草簾、開關(guān)門窗、加濕排潮等操作來實現(xiàn)，勞動強(qiáng)度大、勞動環(huán)境差、勞動效率低，很難達(dá)到成品曲塊質(zhì)量均一、曲塊破損率低的要求，制約了大曲產(chǎn)量和質(zhì)量的提高。近年來，在整個白酒行業(yè)都在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的趨勢下，人工翻曲工藝已成為制約白酒制曲生產(chǎn)機(jī)械化、自動化和智能化的一個瓶頸。許多白酒廠家為解決上述問題，也采用了一些技術(shù)，但基本仍停留在機(jī)械化階段，只是部分降低了工人在制曲過程中的勞動強(qiáng)度，勞動效率提升幅度有限，距離實現(xiàn)大曲生產(chǎn)自動化控制還有一段距離。

本研究設(shè)計了一種自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置，并進(jìn)行了應(yīng)用，以期為實現(xiàn)大曲自動化生產(chǎn)應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 設(shè)計所要解決的技術(shù)問題及有益效果

在白酒行業(yè)，大曲在培養(yǎng)過程中一般要翻若干次曲，不同香型的工藝要求不同，翻動次數(shù)不同。適當(dāng)翻曲可以促進(jìn)大曲發(fā)酵均勻,除此之外，通過翻曲的操作可以短暫降低培曲的溫度，增加培曲過程中的氧氣含量，有益于微生物的生長繁殖。翻動方式一般為人工翻曲，上翻下、下翻上，翻曲工反復(fù)重復(fù)這樣的動作，平均每人每天要翻7.5 噸的曲量。曲房內(nèi)工作環(huán)境惡劣，溫度最高可達(dá)50～60 ℃，濕度最高可達(dá)100 %，屬于高溫高濕環(huán)境。目前在白酒釀造行業(yè)中，絕大多數(shù)廠家仍采用人工翻曲，勞動強(qiáng)度大，環(huán)境惡劣，工作效率低，嚴(yán)重制約了大曲產(chǎn)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

為了滿足便于與傳統(tǒng)制曲的翻曲操作相結(jié)合使用，適用于傳統(tǒng)制曲車間廠房空間及布局，實現(xiàn)自動化翻曲、減輕勞動強(qiáng)度等要求，設(shè)計并研發(fā)了一種自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置，在不改變大曲生產(chǎn)工藝流程的基礎(chǔ)上，能滿足翻曲工藝要求，實現(xiàn)曲塊位置上下移動，同時自身360°翻轉(zhuǎn)，解決曲塊在傳統(tǒng)發(fā)酵過程中，高溫高濕環(huán)境下人工翻曲效率低下、環(huán)境惡劣等問題，改善工人工作環(huán)境，提高工作效率，提升成品曲塊的均一性。該裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)工作效率高，傳統(tǒng)制曲車間，每個曲房每次翻曲操作需要2～3 人大約4 h 完成，應(yīng)用該裝置完成相同的翻曲工作量只需要1 人約15 min，翻曲時間縮短了225 min，效率提高了31～47 倍；(2)該裝置整體結(jié)構(gòu)簡單且易于操作，翻曲過程只需要1 人在控制器上開啟和關(guān)閉翻曲操作即可完成，降低了工人的勞動強(qiáng)度，工作效率顯著提升。

2 工作原理、結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)用

2.1 工作原理

如圖1—圖4 所示，自動化大曲翻轉(zhuǎn)裝置包括底部支座、支架、托盤、驅(qū)動裝置、銷軸加長鏈條、鏈輪、傳動機(jī)構(gòu)、連接軸、控制系統(tǒng)等。

圖1 為自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置，其運(yùn)行原理為：接近傳感器11 檢測曲塊盒7 的位置信息，并發(fā)送給控制器，控制器將位置信息信號傳送給上位機(jī)，上位機(jī)處理信號后，發(fā)送信號給控制器，控制器接收信號后控制動力機(jī)構(gòu)2 旋轉(zhuǎn)，動力機(jī)構(gòu)2 通過聯(lián)軸器16 帶動翻轉(zhuǎn)曲架兩端的驅(qū)動輪19 和主動輪4 轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪19 帶動傳動輪5 轉(zhuǎn)動，主動輪4 帶動從動輪6 轉(zhuǎn)動，傳動輪5 還可以帶動除與動力機(jī)構(gòu)連接的主動輪4 的其余主動輪轉(zhuǎn)動，曲塊15 在連接支架8 的帶動下翻轉(zhuǎn)，使曲塊15 移動位置，接近傳感器11 檢測曲塊15 的位置信息，繼續(xù)反饋給控制器，重復(fù)上述步驟完成曲塊15的翻轉(zhuǎn)。

圖1 自動化大曲翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)分析

圖2 為整組自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置示意圖，每組自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置的數(shù)量根據(jù)曲房的大小確定。由圖2 可知，第二傳動機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在相鄰兩個翻轉(zhuǎn)曲架的同側(cè)主動輪之間的曲架間傳動鏈/帶。相鄰兩個翻轉(zhuǎn)曲架通過傳動鏈/帶實現(xiàn)同步翻轉(zhuǎn)。這樣，由一個動力機(jī)構(gòu)2 就可以帶動整組曲架同步旋轉(zhuǎn)。

圖2 整組自動化大曲翻轉(zhuǎn)裝置示意圖

圖3 為曲塊裝載盒結(jié)構(gòu)示意圖。由圖3 可知，曲塊15 放置于曲塊盒7 中，盒體701 和盒蓋702 通過合頁703 樞轉(zhuǎn)連接，當(dāng)盒蓋702 閉合后，人工將鎖扣704 鎖緊，曲塊15 被限制在固定位置。曲塊盒7由不銹鋼網(wǎng)或者多孔不銹鋼板制成，既能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，又有利于曲塊15 的自然接種發(fā)酵。曲塊與曲塊之間的間隙較小，有利于曲塊保持品溫。具體曲塊盒的數(shù)量是根據(jù)曲房面積、門窗位置、通道大小來具體確定的，曲塊盒數(shù)量多有利于增加曲塊密度，提升單件曲房的產(chǎn)曲量。

圖3 曲塊裝載盒結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 為自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)流程圖?？刂葡到y(tǒng)包括控制器和安裝于翻轉(zhuǎn)曲架上的接近傳感器11，接近傳感器11 將曲塊15 的位置反饋給控制器，控制器向動力機(jī)構(gòu)2 發(fā)送指令使其按照指定方向?qū)η鷫K15 進(jìn)行翻轉(zhuǎn)?？刂破靼ǘ鄠€上述控制器及上位機(jī)，上位機(jī)對多個控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理。具體翻曲的頻次由制曲管理人員根據(jù)人工經(jīng)驗、環(huán)境天氣等條件進(jìn)行設(shè)置，并由上位機(jī)按照人工指令或者預(yù)設(shè)流程進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)可與智能環(huán)境控制系統(tǒng)和制曲大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件一起配合使用，實現(xiàn)數(shù)字化、自動化、智能化制曲管理，減輕勞動強(qiáng)度，提高工作效率，最終達(dá)到實現(xiàn)白酒產(chǎn)業(yè)升級的目的。

圖4 自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)流程圖

2.3 應(yīng)用分析

將自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置應(yīng)用于制曲生產(chǎn)，采取的工藝流程和傳統(tǒng)大曲相同。將自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置應(yīng)用的1104 曲房作為試驗組，傳統(tǒng)制曲生產(chǎn)的2615 曲房作為對照組。兩者于同一天采用同批次的曲胚入房，具體工藝操作除翻曲方式不同外均相同。

2.3.1 兩種不同培曲方式生產(chǎn)大曲的對比

表1 為兩種不同培曲方式發(fā)酵過程中各時期的感官評價對比，由表1 可知，從各時期的感官評價上看，傳統(tǒng)大曲生產(chǎn)工藝和自動化曲塊翻轉(zhuǎn)工藝的生產(chǎn)效果較為接近，但自動化翻曲工藝生產(chǎn)的曲塊均一性優(yōu)于傳統(tǒng)制曲生產(chǎn)。參照大曲評分規(guī)則對兩房成品大曲進(jìn)行感官評分，結(jié)果表明兩房成品大曲的感官評分較為接近，自動化曲塊翻轉(zhuǎn)工藝的感官評分略高于傳統(tǒng)制曲工藝。

表1 兩種不同培曲方式生產(chǎn)發(fā)酵過程對比

圖5 為成品大曲的感官對比圖片，由圖5 可知，1104#試驗房成品大曲整體感官較好，曲心較為一致，火圈清晰均勻，曲皮較對照房薄，曲心呈亮白色，菌絲豐滿，曲塊之間的均一性較好；2615對照房成品大曲整體感官一般，火圈清晰度較試驗房差，個別曲塊火圈欠規(guī)則，曲皮較試驗房厚，曲心稍暗，菌絲欠豐滿。

圖5 成品大曲的感官對比

表2 為兩種不同培曲方式成品大曲理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)的對比結(jié)果，其中水分、酸度、淀粉、糖化力和發(fā)酵力的檢測方法參照中國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 4257—2011，菌落總數(shù)的檢測方法參照食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4789.2—2016，霉菌和酵母菌計數(shù)方法參照食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4789.15—2016。由表2 可知，自動化曲塊翻轉(zhuǎn)工藝成品大曲在水分酸度等5 個方面的理化指標(biāo)與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝成品大曲基本一致，除淀粉外其余指標(biāo)略高于傳統(tǒng)成品大曲；自動化曲塊翻轉(zhuǎn)工藝成品大曲在菌落總數(shù)和酵母菌數(shù)指標(biāo)上優(yōu)于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝成品大曲，兩種工藝的霉菌數(shù)無差異。通過5 個方面的理化指標(biāo)和3 個方面的微生物指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析可知，自動化曲塊翻轉(zhuǎn)工藝所制成的成品大曲優(yōu)于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝成品大曲。

表2 兩種不同培曲方式成品大曲理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)對比

2.3.2 自動化曲塊翻轉(zhuǎn)工藝成品大曲均一性對比

在傳統(tǒng)制曲生產(chǎn)中，曲架上層和下層之間的溫度、氧氣等條件存在一定的差異，會造成上下層的大曲發(fā)酵程度不一致，最終的成品大曲在感官和理化指標(biāo)上也存在一定的差異。自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置由于翻曲時間短、工作效率高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)酵過程中每天均可進(jìn)行翻曲，減少了曲架上下層培養(yǎng)條件的差異，有利于曲塊發(fā)酵的穩(wěn)定，最終的成品大曲質(zhì)量較為一致。

為了對以上現(xiàn)象進(jìn)行驗證，1104#試驗房出房時，隨機(jī)選取一個曲架，對其中6 層曲架的曲塊進(jìn)行取樣，每層取4 塊大曲。圖6 為同一曲架不同層大曲的感官對比，結(jié)果表明，曲架上下層的均一性較好，火圈和曲心的感官較為一致。

圖6 同一曲架不同層大曲感官對比

表3 為同一曲架不同層大曲的理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)的對比結(jié)果，其中水分、酸度、淀粉、糖化力和發(fā)酵力的檢測方法參照中國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 4257—2011，菌落總數(shù)的檢測方法參照食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4789.2—2016，霉菌和酵母菌計數(shù)方法參照食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4789.15—2016。結(jié)果表明，曲架不同層的成品大曲除發(fā)酵力外各項理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)較為一致，在一定程度上說明了自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置成品大曲質(zhì)量較為一致。

表3 不同層大曲理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)對比

3 討論與總結(jié)

本研究設(shè)計了一種自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置，該裝置在不改變大曲生產(chǎn)工藝流程的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了曲塊位置的自動化翻轉(zhuǎn)，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，縮短了工人工作時間，改善了工人的工作環(huán)境，工作效率得到了顯著的提升，為企業(yè)節(jié)約了大量的人力成本。將該裝置應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，與傳統(tǒng)工藝相比，應(yīng)用該裝置制成的成品大曲各項理化指標(biāo)與傳統(tǒng)工藝的成品大曲基本一致，糖化力和發(fā)酵力略高于傳統(tǒng)成品大曲。對二者的微生物含量進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者在霉菌計數(shù)上差異不大，但自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置成品大曲的菌落總數(shù)和酵母菌數(shù)要明顯的高于傳統(tǒng)成品大曲，對試驗房成品大曲淀粉含量較傳統(tǒng)工藝低的原因進(jìn)行了解釋。此外，應(yīng)用該裝置還可以解決制曲生產(chǎn)過程中上下層曲塊發(fā)酵狀態(tài)不一致的問題，使用自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置制成的大曲，上下層曲塊發(fā)酵狀態(tài)一致，除發(fā)酵力外各項理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)差異較小。

“曲為酒之骨”，釀酒生產(chǎn)中大曲的質(zhì)量能夠較大的影響原酒品質(zhì)，因此大曲的生產(chǎn)是每個釀酒企業(yè)最為重視的問題。在制曲生產(chǎn)過程中，曲房內(nèi)溫度高，濕度大，機(jī)械化程度低等因素對大曲的生產(chǎn)效率影響較大，大多數(shù)企業(yè)還是采取傳統(tǒng)的人工操作方式進(jìn)行制曲生產(chǎn)。本研究設(shè)計了一種濃香型大曲自動化曲塊翻轉(zhuǎn)裝置，利用該裝置實現(xiàn)了曲塊的自動化翻轉(zhuǎn)，降低了工人的勞動強(qiáng)度，改善了工人工作環(huán)境，能夠較好的解決制曲生產(chǎn)效率低下的問題，但對曲房內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境因素的精細(xì)化控制還需要加強(qiáng)。