白酒作为中国历史最为悠久的酒种类,也是世界六大蒸馏酒之一,以粮谷为主要原料发酵蒸馏而成。两千多年来,白酒的酿造工艺不断演变,在不同的地域环境、气候条件、原料种类和饮酒习俗下,形成了天然微生物接种、固态糖化发酵、固态蒸馏(除米香型和豉香型白酒外)等独特的工艺和特色鲜明的风格[1]。然而,传统的酿造工艺普遍存在劳动强度大、过程粗放、精细化程度低等现状,难以适应工业现代化的发展。以传统酱香型白酒为例,其以高粱、小麦为原料,经粉碎后以传统固态法经2次投料、9次蒸煮、8次发酵、7次取酒,最后经过一段时间的贮存、陈化和勾兑得到成品酒[2]。由于工艺相对复杂,且遵循“端午制曲、重阳下沙”等传统特点,季节性强,生产周期长,生产成本高,且当前的生产多依赖于老师傅的传统经验,劳动强度较大,劳动环境有待提升,在一定程度上限制其发展[3]。
中国酒业协会早在2010年就启动了“白酒158计划”,旨在提高传统白酒行业的机械化自动化水平,提高行业的整体生产效率[4]。近年来,随着行业内外自动化和智能化等先进生产技术的发展,众多国内知名白酒企业在坚守传统酿造工艺的前提下,积极探索酿造创新,推广和实施酿造工艺的自动化、数字化和智能化改造,打造出基于自身发展需求的自动化和数字化酿造工艺[5],见表1(以酱香型白酒为例)。
表1 酱香型白酒传统与自动化酿造对比
Table 1 Comparison between traditional and automated brewing of sauce-flavor Baijiu
酿造工艺 制曲 润粮 摊晾 上甑 摘酒传统images/BZ_13_449_2676_803_2936.pngimages/BZ_13_827_2676_1181_2936.pngimages/BZ_13_1205_2676_1559_2936.pngimages/BZ_13_1583_2676_1937_2936.pngimages/BZ_13_1961_2676_2315_2936.png
续表
酿造工艺 制曲 润粮 摊晾 上甑 摘酒自动化images/BZ_14_402_488_756_748.pngimages/BZ_14_780_488_1134_748.pngimages/BZ_14_1157_488_1512_748.pngimages/BZ_14_1535_488_1890_748.pngimages/BZ_14_1913_488_2268_748.png
表2 不同类型酒甑简介
Table 2 Brief description of different types of steaming bucket for liquor distillation
酒甑类型 结构特点 优点 局限 应用企业 参考文献固定酒甑[4]活动酒甑 结构简单、方便操作、成本低、无电能消耗贵州国台数智酒业、衡水老白干等[39]三连(多联)转动酒甑劳动强度大自动化程度低,需预留地坑安装甑底及人工吊运移动甑桶成本较高,需事先预埋职称结构,出甑需人工辅助开关门山东景芝酒业[37]旋转酒甑(多联酒甑)依靠人工上下甑包括甑盖、甑桶和甑底三部分。人工上甑;下甑借助行车等设备通过倾斜甑桶或甑底开门的方式出甑由甑桶、甑盖、圆盘驱动结构、整体支撑结构等组成,三个甑桶固定在一个转动轴上,可同时进行装甑、蒸酒和下甑操作由甑桶、甑盖、旋转动力部件、行走升降部件和机架等部件组成甑桶和甑底一体化,减少热量损失,蒸汽利用率高。实现不间断连续作业,节约生产时间,提高生产效率。自动化程度高,控制方便,生产效率高。甑桶和甑底一体化,减少热量损失,蒸汽利用率高。无需事先预埋职称结构成本较高小曲清香型[38]
本文主要聚焦白酒各个酿造工艺,分析酿造自动化和数字化发展的必要性,对白酒企业在酿造机械化、控制自动化和监管数字化方面的应用现状进行概述,以期对白酒企业的数智化转型提供借鉴。
20世纪50年代前,传统白酒酿造主要依靠手工操作。20世纪50-60年代,轻工部多次试点推进白酒产业工艺和装备改革,白酒生产开始了机械化的初步尝试。如使用电动磨粮机代替人工石磨来研磨粮食和辅料,使用搅拌机代替人工混合,使用蒸汽锅炉代替明火蒸馏。这些机械化的生产实践,一定程度上取代了手工操作[6]。20世纪70-80年代,白酒行业在生产设备、制造技术和设备性能上进行了多项研究和开发:如改造大曲成型机投入制曲操作;仿照建筑挖掘机,使用挖斗代替人工进行糟醅的出入窖操作;使用行车代替推车进行糟醅的输送操作;使用不锈钢材质甑桶代替传统甑桶进行蒸馏操作[7]等,一定程度的减轻了体力劳动,提高了白酒酿造的机械化水平。
近年来,部分白酒企业通过调整生产工艺、改进酿造技术和创新酿造设备等多方面促进转型升级,以期提高市场竞争力。泸州老窖股份有限公司[8]通过生产环节的数字化改造显著促进了企业绩效的提升。山东景芝酒业股份有限公司[9]在前期实现白酒酿造机械化、自动化和智能化的基础上,共同研发了数字化酿造工艺管理系统,强化了工艺监管,实现了管理方式的数字化转型。
贵州国台数智酒业集团股份有限公司已将数字化和智能化融入全产业链,实现了润粮、上甑、摘酒、冷却、垂直提升、出入窖、摊晾、起堆、撒曲、中控、丢糟等关键工序的“机器换人”和连续高效生产,并且建立了全过程标准化数字化生产管理系统(见图1)。将传统白酒酿造的“12987”工艺,细化为30道工序、274个环节,并提炼出1 508项工艺指标标准,且根据重要程度细分为A、B、C三类,分别予以精细化控制,贯彻到生产全流程[10]。
图1 国台数字化智能化全流程生产体系
Fig.1 Digital intelligent full-process production system in Guotai
曲作为糖化发酵剂,是白酒酿造过程的重要动力,包含的微生物代谢产物和香味成分,直接或间接地构成了白酒的风味物质[11]。传统制曲工艺具有间歇性特点,包括曲坯成型和曲房培曲两个阶段,但同时存在依靠人工操作、劳动强度大、劳动环境差、成曲分级依赖经验的问题,导致成曲品质难以稳定,影响白酒品质[12]。近年来制曲自动化技术不断发展,行业内众多酒企在解析传统制曲工艺的基础上,实现机械化和自动化制曲设备的不断迭代,保证了曲块质量的稳定性。
传统工艺采用人工踩曲成型,劳动强度大且生产效率低,无法满足现代企业酿造生产需求。当前机械制曲设备主要为压曲机,分为液压式、气动式和机械冲压式3种类型。前两种压曲机采用一次成型法,产出的曲坯表面紧、中间松,导致发酵内外部温差大,曲块发酵力低,且液压及气动系统维护检修困难,影响生产效率[12]。机械冲压式压曲机改善了进料和压制的分步操作,经多次压制成型,提升了曲坯质量。中国贵州茅台酒厂(集团)有限责任公司[13](以下称“茅台集团”)研制的机械冲压式第三代制曲机,将人工踩制曲坯的各位置密度、含水量和总量精准量化,产出的曲坯在外形、松紧度等方面与人工制曲相对一致。卫进等[14]开发了直线型多点连续踩压成型制曲机、曲料踩压系统和模盒定位装置,通过三代产品开发,克服了负载对定位精度的影响,完善了制曲机的性能参数。门延会等[15]实现了酱香型大曲从原料碾压到曲胚成型的一体化、自动化控制,可满足每年48 000 t小麦投入量的制曲需求,且成品曲品质稳定,实现了制曲全流程的自动化控制。
曲房培曲是培育微生物生长,形成稳定群落系统的重要过程,需依靠人工通风和翻曲等操作,因此难以保障曲房温度和湿度的恒定,影响成曲品质。当前大多白酒企业在曲房培育阶段还未实现自动化。周剑丽等[16]通过改进麸曲通风池和曲房,实现了通风制曲和自动控温控湿,生产的白曲糖化力从500 mg/(g·h)增至700 mg/(g·h),酵母数量从107个/g曲增至109个/g曲,而细菌曲糖化力从120 mg/(g·h)增至200 mg/(g·h),液化力从1.7 g/(g·h)增加至4.5 g/(g·h),并降低了染杂菌的几率,同时降低了人力成本。左乾程等[17]通过分析发酵过程细菌群落结构,表明机械化制曲的质量稳定性得到提升,可以代替传统人工制曲,发现机械化制曲过程需控制温度酸度相对较高,有利于功能微生物的生长并抑制杂菌繁殖。
闫希军[18]研制开发的成套自动化机械化制曲设备,以粮食进仓转运系统、自动上料润粮系统、机械制曲系统、自动化磨曲系统协同作业实现了酱香型高温大曲生产的机械化生产,在降低生产劳动强度的同时,缩小成品曲质量差异,提升制曲过程的标准化程度。陈枫等[19]研制开发了包含曲饼制备和曲饼粉碎工序的自动化机械制曲生产线,采用机电一体化技术和集散控制模式(distributed control system,DCS),从原料处理到成品曲粉碎形成有机整体,实现全程数字化控制和在线检测。
圆盘制曲机是集进料、控温、控湿、新风、排风、培养、翻曲、出料、圆盘清洗、圆盘杀菌和干燥功能为一体的全封闭式制曲设备[20]。其采用智能化控制系统,可实现工艺参数、设备的集中监测和生产过程控制,实现无人化管理,目前已广泛应用于麸曲和根霉曲的生产。刘建波等[21-22]使用圆盘制曲机实现芝麻香麸曲自动化生产,使制曲效率提升了5倍,白曲酶活力提升20%以上,酵母数量提升1倍,并实现了清洁生产。王喆等[23]采用圆盘制曲机生产根霉曲,实现了生产过程控制的机械化、智能化,保证产品稳定性,从根本上解决了经验影响品质和感染杂菌的问题。谭莹等[24]使用圆盘制曲机制作的根霉曲理化指标达到验收标准,且根霉数量比传统酒饼高一个数量级,但酵母菌数量因成熟时间较短比传统酒饼一个数量级。许锡飚等[25]采用圆盘制曲机生产黄酒纯种麦曲,提高了成品曲的糖化力,保证成品曲质量稳定,减轻了劳动强度,使生产效率得到提升。曹敬华等[26]利用圆盘制曲机的机械化出入料、自控控温控湿的特点,将其作为堆积发酵的场地,发现圆盘堆积的全年出酒率和酒质均与传统堆积方式基本一致,且缩短了各轮次堆积时间,显著提高了生产效率。
传统白酒分为多种香型,生产工艺复杂且不尽相同,当前自动控制过程可覆盖一些生产环节,如原料运输、润粮、蒸煮、糖化发酵和蒸馏等[27]。自动化和数字化制酒不是简单取代人工操作,而是在用科学手段探索酱香型白酒生产的基础上用更加稳定和高效的方式继承传统酿造。近年来,行业内众多企业在推进酿造设备自动化的同时不断推进酿造体系数字化,完善酿造过程标准化数字化生产管理系统,从而实现效率、产能和品质的提升。
蒸馏是白酒生产的关键工艺环节,包含的机械化设备主要是上甑设备和蒸馏设备。上甑是将糟醅装入甑桶的过程,传统上甑工艺是在底锅水沸腾上汽后,由工人用撮箕将糟醅均匀扬洒在酒甑中冒气部位,要求达到“轻、松、准、匀、薄、平”的效果。传统上甑工艺依靠肉眼观察和经验判断,馏酒产质量因人而异[28]。理想的上甑方式可使酒精在甑内最大限度浓缩,溶解更多酯类物质,提升基酒的口感和酒质[29]。如何实现机械化上甑是机械化酿造的核心部分。
目前,国内大多酒厂采用人工控制方向的传送带,将糟醅喷洒在甑桶里,无法实现机械自动化生产。四川省宜宾五粮液集团有限公司[30]在2012年研发的“一种用于酒醅料上甑的布料器”包含输料装置、撒料斗和筛网,通过筛网的振动实现糟醅的均匀铺洒,但易堵料、上甑速度低。常州铭塞机器人有限公司在2013年研发的装甑机器人,其装甑执行机构包括料仓、输送装置、搅拌装置和链条,采用皮带和筋板输送糟醅,避免粘结、控制灵活、响应速度快,可精准高效实现全面层层铺料[31]。丁鹏飞等[32]指出,应以自动化和传统工艺为基础,以甑锅内体积中心为坐标系中心,以甑锅内体积、甑锅边沿、上甑装料的最大高度等参数建立三维空间坐标系,结合机械臂、滚轮皮带传动等装置,实现上甑料斗的三维空间位移,结合温湿度传感器和摄像头等,实现自动化探汽上甑。探汽上甑的核心是依据糟醅表面情况预测蒸汽的逸出位置,通过增大酒精的质量扩散通量来提高馏酒率和基酒品质。武晨光[33]指出,一台上甑机器人可完成3名上甑工的工作量,减少了工人的劳动时间和劳动强度,提高了生产效率。
杨一帆[34]通过帧差法处理图像,提取蒸汽的颜色、纹理和形状规则特征,利用反向传播(back propagation,BP)神经网络确定蒸汽区域,识别率达到87%,能够满足白酒生产现场的要求,但该算法在见汽后铺料,尚不能做到“探汽上甑”。泸州智通自动化设备有限公司在2017年研发的自动探气装置,通过测温伸缩探针和高度传感器,精准探测糟醅上汽位置,自动化程度高,可满足不同酒类探汽上甑需求[35]。田万春等[36]提出,基于支持向量机的探汽方法,使用红外热成像仪采集甑桶中糟醅表层的红外灰度图像进行处理和提取特征,通过支持向量机训练得到探汽上甑模型,预测准确率高达96%,满足了生产需求,加快促进白酒上甑工艺实现数字自动化。贵州国台数智酒业集团股份有限公司自主研发了热源探测识别系统和工作面形态监测系统等数字化技术,在上甑环节实现了对“见汽压醅”的数据化模拟和对酒醅铺撒均匀度的有效监测,保证了酒醅松散、均匀。通过传统工艺与数字化技术的协同作用,国台酒业成功地破解了传统酿造技艺之谜,实现了从传统产业向新型工业化企业的转型,为白酒行业的高质量发展树立了榜样。
目前白酒企业使用的甑锅一般分为四种类型:固定酒甑、活动酒甑、三连转动酒甑和旋转酒甑。固定酒甑完全依靠人工上甑、下甑,劳动强度大;活动酒甑一般采用人工上料,在下甑时借助行车等设备通过倾斜甑桶或甑底开门出甑,易于操作,成本低[4];三连转动酒甑将三个甑桶固定在一个转动轴上,可同时进行装甑、蒸酒和下甑操作,实现连续作业,节约生产时间,提高生产效率[37];旋转酒甑在物料装满后自动关闭甑盖,待蒸馏完成后自动开盖移动并旋转倒出物料后复位[38]。
白酒蒸馏过程的冷却对出酒率和酒质十分重要,根据各企业不同的自然气候和水资源条件,可采用水冷式或风冷式冷却器[40]。水冷式冷却装置以温度传感器控制温度和用水量,结构紧凑、馏酒速度快、出酒率高。风冷式冷却装置通过翅片管实现冷却气与酒蒸汽[3]之间的热量交换,传导效率高,通过温度传感器控制温度和冷却空气量,节水且便于操作,已在茅台习水酒厂、劲牌酒厂等多家酒厂应用[39]。
摘酒一般分为分段摘酒、量质摘酒和看花摘酒。看花摘酒依赖工人的摘酒经验及能力,同时受生产环境和个人状态影响,存在基酒质量不稳定的风险。随着在线检测分析技术的发展,自动摘酒技术已逐步应用于酱香型白酒的生产,可有效提升白酒生产的摘酒速度和摘酒精准度。如周海龙等[41]设计了一款基于超声波酒精摘酒检测的自动化摘酒系统,该系统采用可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)控制核心,通过传感器实时检测酒体温度和酒精度,控制气动球阀的开闭,实现分段摘酒。该系统同时具备故障监控、实时酒精度曲线等功能。张贵宇[42]根据近红外(near infrared,NIR)光谱响应含氢基团和反映被测物质综合特征的特点,通过研究NIR光谱非线性噪声和基线的预处理方法,实现了定性分析中NIR光谱的特征提取,构建了复杂性更低、稳定性更高的量质摘酒模型,为提升基酒质量和白酒酿造数字化转型提供了一个新的技术方法。
目前的智能化摘酒可实现分段接酒,但难以实现实时酒体质量分类和基于风味物质的等级判别,同时一些异杂风味也难以判别分类。推测未来智能摘酒应集自动分段摘酒、自动等级判别和异杂味基酒的剔除于一体,通过多种实时监测系统、构建基酒数据库和智能接酒模型实现摘酒的标准化和智能化。
摊晾是白酒生产阶段至关重要的一环,通过酒醅降温后拌曲和堆积发酵实现微生物的富集。传统摊晾环节将蒸酒结束的糟醅均匀摊开在晾堂上,通过自然通风、人工翻拌和机械通风方式实现降温,为糖化发酵剂的加入提供适宜的温度条件。传统人工摊晾存在人本成本高和劳动强度大的不足,当前各大企业采用的摊晾设备包含板链输送、量水添加、鼓风降温、机械翻拌等部分,可通过温度传感器等自动调整摊晾参数,利于工艺的精准实施。新型白酒机械化尝试还包括了摊晾、加曲一体机等[2]。
摊晾设备需克服酒醅打散的均一性和风冷方式在夏季高温天气难以将糟醅温度降至拌去温度的问题。贵州国台数智酒业集团股份有限公司迭代改造的新一代立体加曲摊晾设备,使用多层设计,减少占地面积、增加空间利用率;且每层加装红外温度传感器,精准测量和控制酒糟温度,利用中间板层的换热,把酒糟的热量带走,精确达到预定温度,减少表面水分的蒸发。摊晾工艺的智能化发展需持续聚焦设备运行稳定性、设备清洗便捷性、温度控制的时效性和加曲均一性等方面。
堆积发酵是酱香型白酒生产工艺中的重要环节,糟醅通过蒸煮糊化、摊晾冷却、撒曲后,在场地上堆积成型,自然发酵,充分接触空气,网罗筛选环境中有益微生物并使酵母菌大量繁殖,积累香味或香味前体物质,为窖内发酵创造了条件,因此堆积发酵过程也被称为“二次制曲”[43-44]。在堆积发酵生产过程中,现有的摊平起堆自动化装置根据工作方式可分为固定床式、圆盆式和流动床式等[45],无法完全实现机械自动化。张健等[46]机械化堆积实验结果表明,入窖糟醅的水分、酸度、还原糖和淀粉含量与人工堆积糟醅数据相比均无明显差异,机械化起堆的发酵温度、出酒率、优质品率均低于传统工艺班组,但满足了生产要求与公司基酒质量标准。需进一步开展实验,改进完善机械化设备,调节适应传统工艺,达到提质增量的效果。
出入窖环节,清香型白酒生产可使用发酵槽车等立体发酵设备,如劲酒小曲清香车间通过自动入槽装置将糟醅装入槽车,转运至发酵平仓库内发酵,完成后通过叉车运送至蒸馏工序进行上甑操作。酱香型和浓香型等大曲酒的发酵过程依赖窖池,目前的机械自动化进展大多在研制发展出入窖设备上[47]。常用的出入窖设备是人工操作行车配合抓斗或吊斗,减轻出入窖阶段的劳动强度,提高了生产效率[48]。但抓斗易对黏度较大的糟醅造成破坏,且该方式的行车需连接晾堂、发酵区与蒸馏区,导致车间层高设计过高,造成空间资源浪费。采用板链运送糟醅的螺旋输送机,可极大降低车间的建筑高度,降低成本。程伟等[49]研发的固态发酵机械化起窖装置,包括横纵向导轨、主次机架和出醅装置,出醅装置为动力驱动的挖料刮板槽,设置有升降机构,结构简单,可实现在浓香型窖池中分层挖取糟醅,完成出入窖操作,极大减轻劳动强度,提高工作效率。
白酒的贮存、陈化和勾调过程对提高酒质有着重要影响,但陈化时期较长,多采用陶坛进行贮存,导致资金占用较多,且勾调过程主要依靠人工经验和嗅觉,易影响产品品质稳定性。近年来自动化数字化技术在贮存与勾调过程中应用增多,如利用计算机精准控制各项酒体比例、改善勾调混合方式、在线流量监测、动态包装监督系统等,推动行业向智能化、现代化方向发展,为行业的高质量发展提供技术支撑。
传统白酒酿造出的基酒通常带有新酒气,入口辛辣刺激,口感欠佳,须经过一段时间的贮存,祛除部分异杂味,使口感变得醇厚柔和,这一贮存过程被称为陈化(陈酿或老熟)[50]。不同类型、等级白酒的陈化期限有所不同,酱香型白酒陈化期一般为3~5年,清香型和浓香型白酒陈化期较短,通常在1年以上[51]。目前关于白酒自然陈化机理的研究主要包括“缔合说”、“挥发说”、“酯化说”、“氧化说”等几种学说,前两者基于陈化过程中发生的化合物缔合和挥发等物理变化,后两者基于陈化过程中发生的化合物氧化、还原、酯化、缩合等化学反应[52]。陈化过程是一个动态平衡过程,单一学说无法全面反映新酒陈酿过程的老熟行为[53]。
白酒的贮存方式和环境条件会对白酒的品质产生很大的影响[54]。常见的白酒贮存容器有陶坛、金属酒罐、酒海、木质酒箱、酒池等。然而,白酒自然老熟耗费时间长,传统陈化工艺存在诸多缺陷,如长期使用陶坛进行酒液储存常导致渗漏现象及酒精度数的下降,从而引发一系列经济损失[55]。此外,陶坛对空间的需求较大,这直接增加了仓储设施的建设成本,并降低了整体生产效率[56]。因此,面对高昂的时间成本与资金投入压力,众多酿酒企业正迫切寻求有效的人工加速老化技术,旨在保持最终产品品质的同时,显著减少陈酿周期和生产成本。常用的白酒人工催陈方法包括物理催陈法、化学催陈法、生物催陈法等,不同白酒人工催陈技术简介见表3。
表3 不同白酒人工催陈技术简介
Table 3 Brief introduction of different types of artificial aging techniques for Baijiu
催陈方法 催陈原理 优点 缺点 参考文献超高压催陈不适用于高品质酒体[57]电场催陈[58]物理催陈法微波催陈[59]超声波处理处理后酒体香气减弱,有“返生”现象增加酒体温度,会造成挥发损失酒体稳定性差[60-61]磁场催陈利用超高的压力使酒体从贮存罐体中喷出,加快酒体分子间碰撞几率,从而加速酒体的氧化、酯化和还原等反应的发生;同时压力释放瞬间低沸点的异杂味和刺激性物质会加速挥发酒体在电场的作用下,极性分子会定向排列,增强乙醇和水分子的缔合作用微波催熟白酒是微波场释放的能量被物质吸收后产生的热效应和化学效应共同作用的结果增强酒中分子的活化能进而提高分子间碰撞,促进化学反应磁场加速分子定向排列进而加速酒体微量物质化学反应工艺简单,成本较低,不会引入外源物质,对环境友好提高分子间缔合作用,提升酒体醇和度处理时间短,提高酯化反应操作简便,生产成品低操作简便,条件温和,不直接接触酒体能耗高,酒体稳定性差[62]
续表
催陈方法 催陈原理 优点 缺点 参考文献氧化催陈[63]化学催陈法金属离子催化利用氧气、臭氧和KMnO4等强氧化物的氧化性,使酒体中醇、醛类物质快速氧化金属离子起到催化作用,促进酒分子的重新排列,增强乙醇分子和水分子的缔合能力成本低,酒体氧化效果较好通过陶坛贮存及可析出金属离子,起到催化作用通氧有安全风险,有些方式易引入外源物质催陈效果较慢,储存容器占地面积大,酒损高[64]
传统白酒酿造有“生香靠发酵、提香靠蒸馏、成型靠勾调”的说法。勾调是白酒生产过程中重要的环节,分为勾兑和调味两步。勾调过程需富有经验的勾调师通过各种基础酒的风味特征,分析基酒数据,再结合自身经验及本厂以往的勾调记录,进行酒体设计,按不同比例进行小样组合—以酒调酒,品评及检测达标后再扩大勾兑,调配不同时间、香气、风味、风格、质量的基酒成为基础酒。调味针对基础酒存在的缺陷,加入少量的调味酒进行平衡、补充和烘托,达到完善酒体、提高质量、突出风格的效果[65-66]。勾调过程能够使含有不同微量风味物质的基酒达到成品酒所固有的、适宜的香成分及比例,确保出厂产品质量稳定均一[67]。酱香型白酒的勾调过程是把具有酱香、醇甜、窖底香、曲香等不同风味的基酒相互混合,并搅拌均匀的过程[16]。但酱香型白酒存在基酒轮次多、香型等级多、酒体特征复杂的特点,勾调过程所用基酒种类较多,且其采用的大罐勾调,主要使用机械、泵送循环、空气鼓泡和射流喷射等搅拌方式,在生产规模、节能降耗、生产安全等方面无法满足生产需要,成为阻碍生产发展的瓶颈[68]。
目前白酒勾调的自动化或机械化仍处于发展阶段,随分析检测技术和计算机深度学习技术的不断发展,白酒从人工传统勾调或自动化勾调转向基于数据大模型的智能勾调将成为可能。基于基酒等级、香型、酒龄和感官评价等基础信息,配合理化和色谱检测数据,加上人工勾调的数据,辅以机器学习算法,形成智能勾调训练模型。模型经过反复训练学习及人工验证,通过可视化的界面展示生成完整的智能勾调系统流程如下:
黄余等[69]提出了一种在白酒的勾调过程通过提取白酒的微观参数,基于神经网络学习算法标准化获取原酒和和调味酒优化配方的过程算法,用于达到最佳的口感,并最大限度降低成本。王贤等[70]建成了白酒生产管理自动控制系统,对自动化勾调控制系统与传统人工操作进行对比分析,结果表明,自动化勾调系统更迅速,相比传统人工勾调的效率要提高275%左右,且批次间质量更加稳定、香味和口感更佳、酒体更为协调。李志民[71]应用计算机程序来模拟人工神经网络模型并应用于白酒的实际生产过程,基于白酒指纹图谱和理化信息管理系统,采用BP网络进行训练,通过勾调规则约束实现白酒的智能勾兑。杨洋[72]基于基酒微量成分数据建立勾调配方模型,设计出白酒辅助勾兑系统,实现单目标线性规划、模糊规划法、目标规划法、自适应遗传算法等多种算法应用于不同类型酒体的勾调。
智能勾调是白酒行业发展的趋势,该技术的应用能够解决产品批次不稳定、生产效率低等问题,人工智能和大模型技术为勾调过程的自动化和智能化提供依据[67]。值得注意的是,感官评价是评价白酒产品的至关重要的维度,为确保产品质量,智能勾调在前期发展过程中仍需要人工进行评判和验证。
人工灌装与包装过程,存在误差较大、形式单一、效率低下和卫生质量问题[73],目前国内各大酒企大多将自动化技术应用其中,汪大金等[74]以“信息化、数字化、智能化”为思路,设计的包装中心控制系统的主要定位:智能化包装、物流供应链智能化调度。其主要功能包括:生产调度管理平台、全自动化包装产线、仓库控制系统(warehouse control system,WCS)、智能仓库管理系统(warehouse management system,WMS)系统、动力设备控制系统、能源计量监控系统、楼宇设备自控系统(building aotumation system,BA)等。胡应坤等[75]设计一种包装生产线智能灌装控制系统,通过小脑神经网络比例-积分-微分控制(proportional-integralderivative control,PIC)和卡尔曼滤波提高灌装精度,大幅度提高灌装精度,系统运行可靠、稳定,能满足高速、高精度等要求。
白酒作为传统产业面临数字化和智能化(数智化)转型的机遇和挑战。一方面,白酒行业仍处在机械化阶段,智能化设备需要摸索和调试,期间会存在不稳定性,基酒质量可能会受到一些影响;另一方面,传统生产车间条件难以符合数智化改造的条件,额外新建厂房和智能化设备成本较高。数智化是支撑酒企优化生产的关键技术,也是连接市场,以消费者为中心,更好服务消费者的重要方式。首先,通过智能制造技术推动白酒行业产业升级,由传统生产迈向智能酿造;其次,通过大数据技术和网络平台,更好的了解消费者需求,生产消费者喜好的产品;最后,搭建产品的智能服务体系,通过生产环节的检测、生产数据的数据收集和分析,进而优化生产流程,提高酒企的品牌度和产品的附加值。
在未来数智化转型过程,提出以下几点建议:①评估转型的可行性:收集酒企目前的生产流程、设备设施、生产管理体系,评估转型的可能性和转型的重点领域。②制定数智转型战略:根据评估结果,制定酒企转型计划,包括最终目标、资源投入、完成节点和风险评估。③数智化建设:建设数智化所需基础设施,包括酿造技术的升级、信息和数据中心的建设、管理流程的优化。④解决技术瓶颈问题,先进技术的引进和完善:引进行业内外先进的生产管理系统、人工智能和大数据技术,推动酿造技术和生产效率的提升。⑤坚持守正创新:用科学手段探索传统白酒生产未知领域,用数字化解秘传统酿造技艺,使整个流程生产清晰化、标准化、数字化。
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Research progress of automation and digitalization in brewing process of Baijiu