基于ARIZ理论的卤虫卵脱壳问题的研究

孙朦朦 苏长超

（天津海友佳音生物科技股份有限公司 天津 300350）

卤虫又称盐水丰年虫、丰年虾、卤虾，是一种世界性分布的小型甲壳类。20世纪30年代，Seale（1933）和Rollefen（1939）首先使用刚孵化的卤虫无节幼体作为稚鱼的饵料以来，卤虫在水产养殖上的应用范围日趋广泛［1］。

卤虫卵孵化后，无节幼体和卵壳及未孵化卤虫卵混在一起比较难分离，在投喂时，不可避免地有部分卵壳和未孵化虫卵连同无节幼体一起投喂到育苗池中，卵壳含有几丁质的结构，被养殖对象吞食后，会造成肠梗阻甚至死亡，卤虫卵脱壳后孵化则不会出现这个问题。Sorgeloos 等学者（1977）最早报道了卤虫卵的化学脱壳方法，由于虫卵个体很小，既要保证卤虫卵脱壳完全，又不能损害胚胎，所以，对卤虫卵的脱壳工艺要求很高［1］。

发明问题解决算法（Algorithm for Inventive Problem Solving，ARIZ）是由TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理论创始人Genrich Altshuller于1956年提出的解决复杂发明问题的方法［2］，ARIZ（发明问题解决算法）作为TRIZ中最强有力的工具，集成了TRIZ的大多数观点和工具，专门用于解决复杂、困难的发明问题［3-6］，因此，在很多领域中不断应用。例如，吉利［7］等利用ARIZ算法为正畸扳手进行创新设计，付敏［8］等利用ARIZ 算法对咬合式双层辊模生物质成型机的概念进行设计，韩宏伟［9］等基于ARIZ算法提升光伏板隐裂现场检测暗室遮光性能的分析，呙智强［10］等基于ARIZ的行李自助存取装置设计研究。ARIZ 理论在优化设计的过程中具有高效性和实用性，能够为解决问题提供新思路和新方法，适用于解决机械设计问题。

因此，本文基于ARIZ 理论，研究卤虫卵脱壳过程中存在的脱壳程度与脱壳质量之间的问题。利用创新工具，剖析卤虫脱壳程度与脱壳后孵化率的关系，并提供解决方案，解决脱壳过程中存在的技术矛盾问题。本研究中使用的ARIZ 为ARIZ-85C［11］版本，其流程如图1所示。

图1 AR IZ-85C 解决问题流程图

1 问题描述

1.1 卤虫卵脱壳的原理

目前使用的卤虫卵去壳方法是Sorgeloos等［12］报道的化学去壳方法。吸水充分的卤虫卵与脱壳液接触，利用氧化性较强的物质把卤虫卵的外壳氧化掉，在此过程中，卤虫卵的颜色由棕色变为灰白色，最后呈橘红色。脱壳完成后，将脱壳卵从脱壳液中分离，并用水与中和液洗掉残留在脱壳卵外的脱壳液。这个过程主要包括水合、脱壳、水洗、中和、水洗几个步骤，脱壳系统包括脱壳罐、卤虫卵、脱壳液、充气系统、灯光、清洗系统。

1.2 存在的问题

卤虫卵个体小，大小不均，外壳厚度不匀，脱壳程度不易掌握。

1.3 新系统的要求

卤虫卵经过脱壳后，大于95%的卤虫卵脱壳完全，脱壳后，卤虫卵的孵化率下降率小于3%，脱壳过程操作简便，成本低，设备损伤小。

2 基于ARIZ的问题分析及求解

2.1 问题分析与描述

2.1.1 系统功能分析

对卤虫卵脱壳系统建立功能模型［13］如图2 所示。卤虫卵由外壳、内胚层和胚胎组成。水合后，卤虫卵与脱壳液通过从罐底鼓入的空气混合，通过脱壳液与卤虫卵的接触氧化掉卤虫卵的外壳，同时，对已经脱掉外壳的脱壳卵胚胎造成损伤。水通过喷淋系统冲刷筒壁冲掉粘到筒壁上的卤虫卵，眼睛通过灯光反射到观察窗里的颜色看到卤虫卵的颜色，判断脱壳程度，达到颜色要求，将脱壳卵排入清洗桶。

图2 脱壳系统功能模型

通过系统功能分析，得出导致卤虫卵脱壳后孵化率下降问题的功能因素，并选择目标问题如图3所示。

图3 目标问题图

2.1.2 因果分析

应用因果分析法［13］对卤虫卵脱壳后孵化率下降的根本原因进行剖析，如图4所示。确定3个关键问题点：（1）脱壳液过量、不均匀；（2）脱壳液与脱壳卵分离速度慢；（3）脱壳卵胚胎无保护。

图4 脱壳系统因果分析

2.1.3 “缩小问题”

卤虫卵脱壳技术系统的主要功能是脱壳液氧化掉卤虫卵外壳，系统包括卤虫卵、脱壳液、空气、空气提供的混合力、观察窗、水。

技术矛盾（TC-1）：如果脱壳液多，那么脱壳完全，但是孵化率下降。

技术矛盾（TC-2）：如果脱壳液少，那么孵化率不下降，但是脱壳不完全。

形成小问题：很有必要对系统进行最小改变，以实现脱壳完全和孵化率不下降。

2.2 分析问题模型

2.2.1 分析技术矛盾，建立矛盾图

冲突解决理论是TRIZ的工具之一［14］，定义冲突元素。脱壳液有多和少两种状态。对象1卤虫卵脱壳的程度有完全和不完全两种状态，对象2 卤虫卵的孵化率下降和不下降两种状态构建技术矛盾图，形成两个技术冲突。

状态1：脱壳液多。有用作用卤虫卵脱壳完全。恶化参数：可靠性。有害作用孵化率下降。改进参数：制造精度。

状态2：脱壳液少。有用作用孵化率不下降。恶化参数：可靠性。有害作用卤虫卵脱壳不完全。需改进参数制造精度，

状态1到状态2的工具是脱壳液，工具的参数是脱壳液的量。

根据上述表述，如图5所示，由于卤虫卵脱壳必须完全，因此，选择TC1为主要矛盾。

图5 “缩小问题”技术矛盾图

2.2.2 应用技术冲突解决问题

对TC1中改善的参数和恶化的参数用矛盾矩阵得到3 条发明原理［13］No.1、No.11、No.32。根据发明原理1，得到方案1：根据卤虫卵在不同盐度水中的沉浮性不同，将卤虫卵分割，脱壳液与分割后的卤虫卵作用，能减少因卤虫卵大小不均造成的接触不均的问题。

在TC1的基础上激化矛盾，脱壳液的量极多，考虑引入X元素，在保证脱壳完全的情况下，又能彻底消除脱壳液对卤虫卵的极大损害。应用标准解求解，由于脱壳液对卤虫卵的胚胎造成损害，构成有害物场模型，可应用第1、2 级标准解［13］，对应为No.10、No.11、No.15，具体方案如下。

方案2：修改脱壳液的温度参数，降低脱壳液对卤虫卵的损害。

方案3：在脱壳液与卤虫卵作用完成后，引入一种物质或场能与脱壳液作用，或能分解脱壳液，或能降低脱壳液的氧化作用，从而降低脱壳液的损害。

方案4：脱壳液作用于卤虫卵时，仅用空气搅拌脱壳液与卤虫卵，接触不均，增加第二个场（超声波），改善接触作用。

2.3 定义最终理想解和物理矛盾

2.3.1 操作时间，操作空间，物场资源

（1）操作区域。操作区域是脱壳液与卤虫卵外壳作用的地方，大于20μm的厚度，如图6所示，可考虑将已经完成脱壳的脱壳卵从脱壳系统中分离出。

图6 脱壳液与卤虫卵作用图

方案5：在脱壳液作用于卤虫卵的过程中，利用脱壳卵比卤虫卵轻的现象，利用重力不同，先分离出一部分已经脱壳完全的脱壳卵。

（2）操作时间。图7 表示出了脱壳液与卤虫卵作用的时间，操作时间是脱壳液主要作用于卤虫卵外壳的时间，OS1是脱壳液引入脱壳罐中的时间，OS2是脱壳液与卤虫卵外壳反应后分离的时间。

图7 脱壳液与卤虫卵的作用时间

方案6：缩短脱壳液注入的时间，缩短OS2时间，降低脱壳液与卤虫卵不均匀接触的时间。

方案7：在脱壳液与卤虫卵作用后，往脱壳罐中快速注入大量冰水，稀释脱壳液浓度，降低腐蚀力。

（3）可用物质—场资源。定义所分析系统的物场资源、外部资源及其产品，罗列可利用的内部和外部资源。

2.3.2 利用最终理想解求解

资源中存在一个X 元素，使得可在的操作空间和操作时间内消除有害作用，同时，系统有用作用也能有效保持。利用X 对最终理想解进行描述，见表1，本系统中引入X 元素，在OZ1、OZ2、OS1 和OS2 中，消除脱壳液对脱壳卵的氧化性，同时，保持脱壳液对带壳卵外壳的氧化性，并且不增加系统复杂程度，也不产生任何其他有害作用。

表1 利用X 元素的IF R-1 描述表

加强最终理想解，X元素存在可用资源中，不用加以改变，不能引入新的物质和场，在现有资源中，脱壳液的状态可作为X元素的资源。

方案8：脱壳液为液体，如果将脱壳液汽化，与脱壳卵接触不会使系统复杂化，也不会造成有害的副作用，汽化后的脱壳液与卤虫卵接触就能完成腐蚀外壳的作用，同时不会有过多的脱壳液对卤虫卵造成损害。

2.3.3 物理矛盾求解

（1）宏观定义物理矛盾。根据因果分析可知，脱壳卵孵化率的降低与过量的脱壳液接触脱壳卵有关。宏观层面上，在操作时间的操作区内，一方面要增加脱壳液的量以保证脱壳完全，另一方面需要减少脱壳液的量以降低脱壳液对脱壳卵的损伤。针对这一物理矛盾，可采用系统内部资源。

方案9：增加脱壳罐的不对称性，加快脱壳液与脱壳卵的排出速度，缩短脱壳液与脱壳卵作用时间。

（2）微观定义物理矛盾。从微观上看，在操作时间的操作区域内，一方面为保证脱壳完全，需要加大脱壳液的量；另一方面为保证对脱壳卵的损害小，需要减少脱壳液的量。针对此矛盾，可通过增加脱壳液与卤虫卵的接触的均匀性以解决冲突。

方案10：将充气方式由底部充气改为罐体整体充气，增加充气的均匀性，将脱壳液尽可能地与卤虫卵混合均匀。

2.4 运用扩展物质—场资源

小人法建模。假设5mm 小人为脱壳液分子，5mm小人的数量和距离代表脱壳液分子的浓度；2mm 小人为卤虫卵的外壳，2mm 小人的数量和距离代表外壳的厚度和分布。在球形卤虫卵外壳与脱壳液作用的区域内，脱壳的过程就是5mm 小人吃掉2mm 小人的过程。卤虫卵外壳厚度不均，代表2mm小人的数量和排布不均，为了脱壳完全，一般5mm 小人的数量多于2mm 小人的数量，造成5mm 小人接触卤虫卵内胚胎。而且5mm小人与2mm小人的排列方式没有规律，造成5mm小人吃掉2mm 小人的速率不同，被快速吃掉的区域5mm 小人持续接触内胚层，问题模型如图8 所示。如果问题解决，5mm 小人的数量和排列方式应该对应2mm 小人的数量和排列方式，如图9 所示。对2mm 小人的特性进行深度开发，2mm小人含有铁元素，可以考虑给5mm小人加磁，或者考虑给卤虫卵外壳和脱壳液带电荷。

图8 问题模型

图9 预期的模型

方案11：给脱壳液加磁，使脱壳液尽可能地吸附在卤虫卵外壳上。

方案12：给卤虫卵外壳和脱壳液带相反电荷，脱壳后的内胚层带相同电荷，通过电荷之间的吸引和排斥，规范脱壳液的分布。

3 创新解的评估

结合实际情况，从成本、效益及技术易得性等因素对得到的12个方案进行评价。

方案1：根据卤虫卵在不同盐度水中的沉浮性不同，将卤虫卵分割，脱壳液与分割后的卤虫卵作用，能减少因卤虫卵大小不均造成的接触不均的问题。本方案工序简单，可以作为备选方案。

方案2：修改脱壳液的温度参数，降低脱壳液对卤虫卵的损害。本方案只需调整工艺参数，生产线无需改变，属于系统较小改动。

方案3：在脱壳液与卤虫卵作用完成后，引入一种物质或场能与脱壳液作用，或能分解脱壳液，或能降低脱壳液的氧化作用，从而降低脱壳液的损害。本方案需要增加新的物质或者场，物质的种类和场的条件需要试验确定，目前不符合使用条件，可作为以后的技术备选方案。

方案4：脱壳液作用于卤虫卵时，仅用空气搅拌脱壳液与卤虫卵，接触不均，增加第二个场（超声波），改善接触作用。由于增加第二个场会增加成本，暂不考虑。

方案5：在脱壳液作用于卤虫卵的过程中，利用脱壳卵比卤虫卵轻的现象，利用重力不同，先分离出一部分已经脱壳完全的脱壳卵。本方案的可操作性强，系统几乎没有改变，生产线也没有改变，没有额外增加成本。

方案6：缩短脱壳液注入的时间，缩短OS2时间，降低脱壳液与卤虫卵不均匀接触的时间。本方案工序方面没有改变，改变了脱壳液的注入方式，会增加一次性设备投入，如果可以使系统的可控性增强，可以考虑。

方案7：在脱壳液与卤虫卵作用后，往脱壳罐中快速注入大量冰水，稀释脱壳液浓度，降低腐蚀力。本方案工序简单，增加了快速增加冰水的工序，会增加成本，如果冰水是一种易得便宜的资源，可以考虑。

方案8：脱壳液为液体，汽化后的脱壳液与卤虫卵接触就能完成腐蚀外壳的作用，同时，不会有过多的脱壳液对卤虫卵造成损害。将脱壳液汽化与脱壳卵接触不会使系统复杂化，也不会造成有害的副作用，可作为技术储备方案。

方案9：增加脱壳罐的不对称性，加快脱壳液与脱壳卵的排出速度，缩短脱壳液与脱壳卵作用时间。本方案对设备进行改进，需要增加一次性设备投入，如果节省的时间可以使系统的可控性增强，可以考虑。

方案10：将充气方式由底部充气改为罐体整体充气，增加充气的均匀性，将脱壳液尽可能地与卤虫卵混合均匀。本方案对设备进行改进，需要增加一次性设备投入，如果节省的时间可以使系统的可控性增强，可以考虑。

方案11：给脱壳液加磁，使脱壳液尽可能地吸附在卤虫卵外壳上。本方案处于概念阶段，需提前验证加磁的可行性，可作为储备方案。

方案12：给卤虫卵外壳和脱壳液带相反电荷，脱壳后的内胚层带相同电荷，通过电荷之间的吸引和排斥，规范脱壳液的分布。本方案处于概念阶段，需提前验证加电荷的可行性，可作为储备方案。

4 结语

对于卤虫卵脱壳问题，应用ARIZ进行了问题描述和功能模型建立。通过最终理想解和物理矛盾、扩展物场资源等方法求解，得到12个解决方案。对方案从成本、效益及技术可行性等方面进行评估，最终决定创新方案为将温度为-5℃的脱壳液倒入脱壳罐中。脱壳罐罐体有双层结构，内层为100目网层，具有极小凸起的半球型，外层仍是光滑透明型；内外层中空，空气由此进入罐体。在脱壳过程中反复进行停气，将下沉的脱壳卵排入清洗罐，开气，直到没有上浮的卤虫卵，一般操作2 次即可。该方案既满足系统改善的目标，又符合实际需求，验证了ARIZ在解决复杂问题上的有效性，为技术研发人员开拓了新思路。