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白酒生产机械自动化技术应用进展

作者:admin 更新时间:2018年08月23日 10:11:04

  摘要:近年来,中国传统白酒在继承传统酿造工艺的同时,积极开拓新技术,该文在总结白酒生产机械自动化技术发展历程的基础上,概述制曲、酿酒、勾兑、包装等方面的技术原理和研究应用现状,并展望机械自动化技术在白酒行业的应用前景和发展方向。


  关键词:白酒生产;机械自动化;制曲;酿酒;勾兑;包装;


  作者简介:钱冲(1989-),男,硕士研究生,研究方向为食品生物技术。


  白酒是我国特有的传统酒种,据国家统计局公布的数据显示,截止2012年底,全国白酒累计产量1153.16万kL,同比增长12.4%,白酒行业完成产品销售收入达4466.3亿元,利润总额818.6亿元,分别同比增长26.8%和48.5%,在我国国民经济中占据重要组成部分。


  目前,我国约有白酒企业1.8万家[1],存在生产工艺机械自动化水平低,劳动强度大,能源消耗高,生产能力有限,产品受天气影响大,质量不稳定等问题。随着土地资源日益紧张,能源消耗愈加严重,原料和劳动力成本不断攀升,生产环境要求更加严格,传统生产模式已不能够满足白酒行业的发展需求,因此,改变传统生产工艺,加快提升机械自动化水平,已成为白酒行业研究和发展的重要方向[2-3]。本文分制曲、酿酒、勾兑和包装等不同工艺阶段,从技术原理、研究现状和应用进展3个方面对我国白酒生产机械自动化技术的发展状况进行论述,以期对降低劳动强度、提高生产效率、稳定产品质量、实现无污染生产、促进白酒企业经济效益和管理水平提高有积极意义。


  1白酒生产机械自动化技术发展概述


  我国白酒酿造历史悠久,新中国成立之前,白酒的生产模式主要是以家庭作坊的形式进行,规模很小,没有形成工业化体系,几乎没有任何机械化设备的应用,完全是人工操作,劳动强度大,工作环境恶劣,生产效率低下。建国后,国家在白酒家庭作坊生产模式的基础上,对其进行整合,建设了一批规模较大的白酒企业,并在原国家轻工业部多次组织开展白酒科研试点工作的推动下,白酒行业曾先后对传统生产工艺进行了大胆的改革与创新。


  1.1白酒生产机械自动化技术的初探


  20世纪五六十年代以来,面对白酒传统生产工艺繁重的体力劳动,人们开始尝试将机械设备运用到白酒生产中,如用电磨代替手工石磨粉碎原辅料;用锅炉管道蒸汽代替直火蒸馏;用打糟机代替人工翻糟等。这些机械设备的应用,使白酒生产的某些环节初步实现了机械化,在一定程度上替代了手工操作。七八十年代,白酒行业结合自身实际情况,汲取当时机械制造行业的主要特点,不断改进白酒生产设备,完善其性能,掀起了机械化的热潮。例如,借鉴建筑挖掘机用挖斗实现了酒醅出池的机械化;用行车代替推车实现了酒醅的出入池输送;用不锈钢活动甑桶、分体式高效冷却器代替古老的木制酒桶和天锅,提高了蒸馏取酒过程的机械化水平;除此之外,在制曲方面,还通过大曲成型机的广泛应用,推动了大曲的大规模生产,在很大程度上减轻了工人的劳动强度[4-5]。


  1.2白酒生产机械自动化技术的曲折发展


  白酒生产机械自动化技术的发展历程并非一帆风顺,如利用机械挖斗进行出入池操作时,由于挖斗质量、体积及惯性均较大,操作时难以精确控制,很容易损伤窖池;利用蒸馏机械翻转甑桶进行蒸馏操作时,虽大大加快上甑速度、减轻劳动强度,但是蒸馏酒的品质会大大降低,远不及人工上甑;拌料、摊晾和上甑等关键环节难以完全脱离传统人工操作工艺,使白酒机械化生产不能形成一个连续的整体。诸如此类问题的出现,导致白酒行业机械自动化的发展陷入了停滞不前的窘境,很多机械设备因此而被停止使用,即使有些经过适当改进而被保留下来,也只是局部环节实现了机械化操作,依旧无法连接成整体。进入新世纪后,在国内外工业机械自动化技术飞速发展的大背景下,中国酿酒工业协会联合组织多家白酒骨干企业和相关科研机构,实施了“中国白酒158计划”,该项目旨在提高传统白酒行业的装备水平和生产效率,以实现“自动化控制,机械化生产”为总体目标,在该项目的推动下,白酒行业的机械自动化水平总体上有了迅速提高[6-7]。


  2机械自动化制曲技术


  不同的白酒有不同的制曲工艺,但总体来讲,可分为曲坯成型和曲房培曲两个阶段。首先采用小麦、大麦和豌豆等为原料,经粉碎拌水后压制成块状的曲坯,然后经曲房培曲、贮存一段时间而成,其本质就是培养霉菌、酵母和细菌等微生物的过程。曲是酿酒的动力,富含淀粉、生物酶、微生物和香味物质,在白酒的酿造过程中,可起到投粮、糖化和增香等作用。千百年来,酿酒先辈们从实践中总结出了“曲乃酒之骨,好酒必有好曲”的精辟论断,可见大曲质量的好坏直接影响着白酒品质的高低,在白酒的生产过程中发挥着举足轻重的作用[8]。


  2.1机械自动化曲坯成型技术


  传统曲坯成型工艺是间歇式人工工艺过程,石磨粉碎原料、手工搅拌配料、人工踩制曲坯等都是通过繁重的体力劳动来实现的,生产效率低下;物料粉尘多,制曲环境恶劣。面对这些缺点,白酒行业不断尝试创新制曲工艺,将机械自动化技术应用到制曲过程中。如以8031单片机为核心的大曲原料间歇式称重系统的应用,具有数据采集、处理、运算控制和显示等功能,实现了大曲原料的投料、放料及搅拌定时等操作的自动控制,解决了人工配料无法保持一致的难题;机械冲压式压曲机的广泛应用,通过采用齿轮和链条联合转动,偏心机构与连杆上下运动,多次压制成型的工艺,无需配备专门的喂料机构,实现了喂料与压曲的同步操作,克服了液压、气动式压曲机喂料、压曲分步操作,一次压制成型而使曲坯具有表面紧凑、中心疏松、提浆不好等缺点[9-10];河北三井酒厂于2012年引进了一套制曲设备,具有储粮、润粮、粉碎、加水搅拌和压制等一系列功能,实现了从原料粉碎到曲坯成型过程的机械化自动控制。目前,机械自动化曲坯成型技术的广泛应用,大大提高了曲坯成型过程的生产效率,推动了大曲规模化生产的实现,而且,与传统人工制曲相比,该技术还具有曲坯成型好、松紧程度适中,糖化力、发酵力和蛋白分解力等性能都较好的优点[11]。


  2.2机械自动化曲房培曲技术


  培曲是微生物在曲坯上大量生长繁殖形成稳定群落体系的过程。传统培曲工艺,需根据曲坯发酵的实际情况,及时进入曲房进行曲坯翻动、堆烧和开启门窗等手工操作,以调节曲房内温度、湿度和CO2浓度等,大曲质量受生产人员经验和环境条件影响大,曲质不稳定。目前,虽然我国各大白酒企业,基本上都实现了从原料粉碎到曲坯成型阶段的机械化自动控制,但后续的曲房培曲过程,仍难以完全脱离传统的手工操作工艺[12]。


  20世纪九十年代出现的微机控制架式制曲技术,通过镍锘电阻丝、轴流降温机、鼓风机、喷水机构和对流搅拌风机等设备的使用,具有控温、控湿、供氧和对流等功能,并结合传统制曲工艺,通过人机配合技术,模拟传统的曲房培曲过程,创造出一个适合微生物生长繁殖的环境。该技术的应用,虽在很大程度上提升了曲房培曲过程的机械自动化水平,但因微生物指标难以确定,造成曲的品质不及人工制曲,且不够稳定,而未能广泛推广。茅台习酒厂和四特酒厂基于自身独特的传统制曲工艺,在原有的基础上,对微机控制架式制曲技术进行改进,很好地提升了大曲的品质[13-14]。江苏洋河酒厂通过引进圆盘制曲机,嫁接醋、黄酒和酱油的机械自动化生产模式来生产调味酒用曲,实现了入曲、翻曲、加温、加湿、降温、有空气过滤、高压清洗、灭菌和初步干燥等操作的自动控制[12]。古贝春、五粮液和古井贡酒等酒厂,通过曲房ZigBee无线测温技术的使用,能够及时掌控制曲过程中的温度变化,初步实现了曲房的智能调控[15]。现阶段,完全实现曲房培曲过程的机械自动化还很困难,在继承传统培曲工艺的同时,还需结合现代生物技术,深入认识培曲过程复杂的微生物混合发酵体系,改造传统制曲模式,推动制曲机械自动化的实现。


  3机械自动化酿酒技术


  近年来,在“中国白酒158计划”的推动下,白酒行业不断开拓新技术,创新酿酒工艺,努力突破诸如机械化发酵、自动化上甑和连续蒸馏[16]等关键环节,以适应白酒生产机械自动化的发展趋势。湖北劲牌酒厂投资10亿元分批建设的枫林酒厂机械自动化酿造工业园区,通过斗提机、刮板输送机、皮带输送机、高压蒸粮锅、摊晾机、加曲机、恒温发酵间、发酵温度和CO2自动检测系统、蒸馏智能蒸汽调节系统的使用,实现了7.5万t/年规模白酒酿造各环节的自动控制,不仅产品质量得到有效控制,而且能源消耗大大降低[17-18]。河北衡水老白干酒厂通过使用出缸机、晾床料槽、多功能搅拌料槽、加曲机、自动测温装置来代替挖缸、凉床、润料、配料、堆料、翻曲等人工操作,大大减轻了工作强度,提高了机械自动化水平[19]。内蒙古河套酒厂、湖北三麦酒厂和浙江致中和酒厂,不断探索、借鉴台湾和日本地区机械自动化酿酒经验,通过酿酒原料自动输送系统,高压蒸煮及翻转倒料系统,摊晾加曲系统,不锈钢槽车地面恒温发酵系统,机械化上料及蒸酒系统的使用,将传统酿酒工艺的混合作业方式改进为分工序、分流程作业,确保了各环节工艺的稳定性,除人工上甑外,其他环节均实现了的机械自动化操作[20-23]。鄂尔多斯酒业有限公司作为传统白酒生产企业,在新建工业园区时,采用全厂综合机械化自动控制技术,通过WebFieldGCS自动控制系统的使用,可对酿酒过程的工艺参数进行设定和自动控制,有利于提高粮食利用率和白酒品质,降低了生产成本,实现了无污染生产,提高了企业管理水平[24-25]。


  经过多年的发展,白酒行业的机械自动化水平有了很大提高,我国白酒各大骨干企业通过粉碎机、皮带输送机和行车等机械设备的应用,基本上实现了原辅料加工、入窖和出糟等环节的机械自动化,但在地席摊晾、铁锹拌料、窖池发酵、人工上甑和间歇蒸馏等关键环节至今还保留着传统的人工操作工艺,真正意义上的机械自动化酿酒仍是一个难题。今后还需加大研究力度,努力实现诸如上甑等关键环节的突破,推动机械自动化酿酒工艺的早日实现。


  4机械自动化勾兑技术


  由于生产原料、酿造工艺、生产环境和气候变化等因素的不同,导致了不同香型和品质白酒的生成,在实际生产中,即使是同一车间酿造出来的白酒,也会因操作工人、生产批次、窖池以及陈酿时间的不同而有所差异,因此需对原酒进行勾兑。勾兑是按照特定的酒体设计标准,严格定量控制各类风味物质的种类、含量及量比关系,对同一类型、不同特征的白酒进行相互掺兑调配,使酒体的固有风格更加突出,保证白酒品质的稳定[26-28]。


  传统勾兑主要是凭借勾兑师敏锐的感官品尝技能和丰富的勾兑经验来进行的,劳动强度大,勾兑效率低,难以精确控制,很难保证白酒风味的完全一致和品质的稳定性。机械自动化勾兑是按照生产工艺的要求,通过计算机精确控制各类酒体之间的比例;通过勾兑前后管路的自动充气顶酒和在线流量监测实现的自动化连续勾兑,很大程度地避免了操作人员的个体差异,不仅能提高勾兑效率、降低劳动强度、确保白酒风格和品质的一致性,而且由于其可调性强,易于开发新产品,还能给白酒企业带来可观的经济效益[24,29]。茅台酒厂通过采用自动化大容器勾兑系统,首次将脉冲气动调和与片式过滤系统综合应用于白酒勾兑工艺中,实现了勾兑过程监控、数据储存及信息传递的突破,提高了计量的精确性,克服了传统搅拌技术的高耗能与不均匀性,更好地保证了批次酒的稳定性和产品的原有风味,有利于企业进行大规模生产,大大提高了生产效益[30]。泸州老窖酒厂和青岛琅琊台酒厂通过采用微机勾兑技术,将色谱分析技术、计算机技术与传统手工工艺结合起来,解决了人工难以解决的问题,克服了传统勾兑工艺的不稳定性,使各项指标更加量化、优化,不仅便于基础数据的储存与比较,并且还能从诸多配方中筛选出成本最低、效果最好的一种进行勾兑,从而在达到保证白酒品质的同时,降低生产成本[26,31]。邯郸丛台酒厂通过气相色谱分析、计算机分析和感官评定等技术的应用,系统科学地总结了勾兑师的经验,建立了勾兑过程的数学模型,并通过计算机仿真勾兑过程,优化勾兑组合和方案,使传统勾兑工艺与现代信息技术相结合,适用于各种香型白酒的勾兑[32]。湖北白云边酒厂、稻香村酒厂和劲牌酒厂采取分散处理、就地控制、集中调度管理的思路,通过过程控制中的链接与嵌入技术(objectlinkingandembeddingforprocesscontrol,OPC)、现场总线(profibus)技术和JX-300X集散控制系统(distributedcontrolsystem,DCS)等技术的应用,在对不同勾兑环节的数据进行共享的同时,可设定勾兑过程的工艺参数,实现白酒生产过程和管理的自动控制[33-35]。


  白酒酿造工艺由制曲、酿酒和勾兑3大技术构成。目前,比较制曲和酿酒技术,白酒勾兑环节的机械自动化程度最高,已初步实现了勾兑过程的机械化自动控制。但是,由于机械自动化勾兑技术的设计、开发和应用成本较高,需要大量资金的投入,导致现阶段该技术在白酒行业中的应用,还仅局限于那些规模较大的企业,而在中小型企业中的应用还不是很多。因此,在不断完善该技术的同时,还要注重成本的降低,使中小型企业也能在经济条件允许的情况下使用该技术,全面推动其在白酒行业中的普及与应用。


  5机械自动化包装技术


  传统白酒灌装主要是依靠手工操作,除坛罐、陶瓶和玻璃器皿外,外包装主要使用报纸、牛皮纸和卡纸等简单材料,生产效率极其低下。随着白酒产品销量的不断增长,白酒行业包装能力不足的矛盾日益突出,为了突破这一发展瓶颈,各大白酒企业积极努力地提升自身产品的包装能力[36-37]。江苏洋河酒厂根据自身发展需要,于2009年建立了白酒行业第一个现代化、自动化包装物流中心,实现了原辅材料供应、包装生产、物流配送一体化,全面满足了市场销售的需求[12]。青州国发包装机械有限公司自主设计了一套白酒机械自动化包装方案,通过冲瓶机、罐装机、封口机、烘干机、贴标机、喷码机、封箱机等设备的应用,推动了白酒机械自动化包装的实现。近年来,白酒行业在包装技术方面发展迅速,机械自动化程度不断提高,有的企业甚至还达到了医药、无菌饮料等行业的罐装水平[5,38],但由于白酒种类繁多,瓶形迥异,一条生产线上难以解决多瓶形问题,所以仍还不能完全脱离手工操作[4]。目前,我国关于白酒包装技术的研究,主要偏向于品牌文化、艺术表现力、产品信息传递和消费心理等方面,而真正涉及机械自动化包装方面的研究却不太多。白酒行业近年来虽在机械自动化包装方面取得了巨大进步,但主要还是通过引进医药、饮料和啤酒等行业的包装技术来实现的[39],而属于自身的自主创新技术却很少。为了改变这一现状,今后,白酒行业在借鉴其他行业先进包装技术的同时,还需注重自主创新能力的提升,努力研究开发出一种具有本行业自身特色的机械自动化包装工艺。


  6总结与展望


  经过几十年的发展,我国在白酒机械自动化生产方面,实现了“从无到有”的飞跃,取得了巨大进步。近年来,在“中国白酒158计划”的推动下,白酒行业再次掀起了机械自动化生产的热潮,各大白酒企业在不断引入先进设备和技术的同时,改进、完善和创新原有的生产工艺。为了争取早日实现白酒生产机械自动化这一宏伟目标,在将来的研究工作中,还需注重现代生物技术的应用,使其与白酒生产工艺紧密结合起来,在充分认识白酒酿造机理的基础上,加大曲房培曲过程的研究力度,实现酿酒关键环节的突破;同时,还要不断降低机械自动化勾兑技术的应用成本,加强白酒行业在包装领域的自主创新能力,将制曲、酿酒、勾兑和包装等环节连接成一个有机整体,从本质上完全实现白酒生产的全线机械自动化,推动我国白酒产业的工业化和现代化发展。