浓香型白酒大曲自动化曲块翻转装置的设计和应用研究

何宏魁，李安军，王 冕，李静心，袁志强，李晓欢，刘洪涛，刘 钥

（1.安徽古井贡酒股份有限公司，安徽亳州 236801；2.南京旗硕物联科技有限公司，江苏南京 210000）

大曲是传统固态发酵蒸馏大曲酒的重要物质保障，俗话说“曲乃酒之骨”“有好酒必有好曲”，大曲的质量与白酒风味物质产生、风格的形成及质量的变化有着密切的相关性。大曲中含有经过一定富集、培养的自然筛选、驯化的微生物系，为大曲酒多菌种发酵生产带来微生物种源，微生物的代谢作用使得大曲含有丰富的风味物质及其前体物质，这些风味化合物构成了大曲自身的“曲香”，同时大曲还是复合酶制剂，含有淀粉酶、糖化酶、酒化酶、酯化酶、蛋白酶等多种酶系，为形成复杂的香气成分提供催化剂。

传统大曲的制曲工艺包括配料、制坯和培曲发酵等过程，其中，培曲过程是指曲块在人工踩曲或者机制压曲成型后，由制曲工人运输到指定曲房摆放在曲架上或者堆积在地面上自然接种发酵。大曲培菌过程中的温度、湿度调节常通过人工翻曲、揭盖草帘、开关门窗、加湿排潮等操作来实现，劳动强度大、劳动环境差、劳动效率低，很难达到成品曲块质量均一、曲块破损率低的要求，制约了大曲产量和质量的提高。近年来，在整个白酒行业都在进行产业转型升级的趋势下，人工翻曲工艺已成为制约白酒制曲生产机械化、自动化和智能化的一个瓶颈。许多白酒厂家为解决上述问题，也采用了一些技术，但基本仍停留在机械化阶段，只是部分降低了工人在制曲过程中的劳动强度，劳动效率提升幅度有限，距离实现大曲生产自动化控制还有一段距离。

本研究设计了一种自动化曲块翻转装置，并进行了应用，以期为实现大曲自动化生产应用提供参考依据。

1 设计所要解决的技术问题及有益效果

在白酒行业，大曲在培养过程中一般要翻若干次曲，不同香型的工艺要求不同，翻动次数不同。适当翻曲可以促进大曲发酵均匀,除此之外，通过翻曲的操作可以短暂降低培曲的温度，增加培曲过程中的氧气含量，有益于微生物的生长繁殖。翻动方式一般为人工翻曲，上翻下、下翻上，翻曲工反复重复这样的动作，平均每人每天要翻7.5 吨的曲量。曲房内工作环境恶劣，温度最高可达50～60 ℃，湿度最高可达100 %，属于高温高湿环境。目前在白酒酿造行业中，绝大多数厂家仍采用人工翻曲，劳动强度大，环境恶劣，工作效率低，严重制约了大曲产质量的进一步提高。

为了满足便于与传统制曲的翻曲操作相结合使用，适用于传统制曲车间厂房空间及布局，实现自动化翻曲、减轻劳动强度等要求，设计并研发了一种自动化曲块翻转装置，在不改变大曲生产工艺流程的基础上，能满足翻曲工艺要求，实现曲块位置上下移动，同时自身360°翻转，解决曲块在传统发酵过程中，高温高湿环境下人工翻曲效率低下、环境恶劣等问题，改善工人工作环境，提高工作效率，提升成品曲块的均一性。该装置具有如下优点：(1)工作效率高，传统制曲车间，每个曲房每次翻曲操作需要2～3 人大约4 h 完成，应用该装置完成相同的翻曲工作量只需要1 人约15 min，翻曲时间缩短了225 min，效率提高了31～47 倍；(2)该装置整体结构简单且易于操作，翻曲过程只需要1 人在控制器上开启和关闭翻曲操作即可完成，降低了工人的劳动强度，工作效率显著提升。

2 工作原理、结构分析和应用

2.1 工作原理

如图1—图4 所示，自动化大曲翻转装置包括底部支座、支架、托盘、驱动装置、销轴加长链条、链轮、传动机构、连接轴、控制系统等。

图1 为自动化曲块翻转装置，其运行原理为：接近传感器11 检测曲块盒7 的位置信息，并发送给控制器，控制器将位置信息信号传送给上位机，上位机处理信号后，发送信号给控制器，控制器接收信号后控制动力机构2 旋转，动力机构2 通过联轴器16 带动翻转曲架两端的驱动轮19 和主动轮4 转动，驱动轮19 带动传动轮5 转动，主动轮4 带动从动轮6 转动，传动轮5 还可以带动除与动力机构连接的主动轮4 的其余主动轮转动，曲块15 在连接支架8 的带动下翻转，使曲块15 移动位置，接近传感器11 检测曲块15 的位置信息，继续反馈给控制器，重复上述步骤完成曲块15的翻转。

图1 自动化大曲翻转装置结构示意图

2.2 结构分析

图2 为整组自动化曲块翻转装置示意图，每组自动化曲块翻转装置的数量根据曲房的大小确定。由图2 可知，第二传动机构包括设置在相邻两个翻转曲架的同侧主动轮之间的曲架间传动链/带。相邻两个翻转曲架通过传动链/带实现同步翻转。这样，由一个动力机构2 就可以带动整组曲架同步旋转。

图2 整组自动化大曲翻转装置示意图

图3 为曲块装载盒结构示意图。由图3 可知，曲块15 放置于曲块盒7 中，盒体701 和盒盖702 通过合页703 枢转连接，当盒盖702 闭合后，人工将锁扣704 锁紧，曲块15 被限制在固定位置。曲块盒7由不锈钢网或者多孔不锈钢板制成，既能够满足结构强度要求，又有利于曲块15 的自然接种发酵。曲块与曲块之间的间隙较小，有利于曲块保持品温。具体曲块盒的数量是根据曲房面积、门窗位置、通道大小来具体确定的，曲块盒数量多有利于增加曲块密度，提升单件曲房的产曲量。

图3 曲块装载盒结构示意图

图4 为自动化曲块翻转装置控制系统流程图。控制系统包括控制器和安装于翻转曲架上的接近传感器11，接近传感器11 将曲块15 的位置反馈给控制器，控制器向动力机构2 发送指令使其按照指定方向对曲块15 进行翻转。控制器包括多个上述控制器及上位机，上位机对多个控制器进行统一管理。具体翻曲的频次由制曲管理人员根据人工经验、环境天气等条件进行设置，并由上位机按照人工指令或者预设流程进行控制。控制系统可与智能环境控制系统和制曲大数据分析系统软件一起配合使用，实现数字化、自动化、智能化制曲管理，减轻劳动强度，提高工作效率，最终达到实现白酒产业升级的目的。

图4 自动化曲块翻转装置控制系统流程图

2.3 应用分析

将自动化曲块翻转装置应用于制曲生产，采取的工艺流程和传统大曲相同。将自动化曲块翻转装置应用的1104 曲房作为试验组，传统制曲生产的2615 曲房作为对照组。两者于同一天采用同批次的曲胚入房，具体工艺操作除翻曲方式不同外均相同。

2.3.1 两种不同培曲方式生产大曲的对比

表1 为两种不同培曲方式发酵过程中各时期的感官评价对比，由表1 可知，从各时期的感官评价上看，传统大曲生产工艺和自动化曲块翻转工艺的生产效果较为接近，但自动化翻曲工艺生产的曲块均一性优于传统制曲生产。参照大曲评分规则对两房成品大曲进行感官评分，结果表明两房成品大曲的感官评分较为接近，自动化曲块翻转工艺的感官评分略高于传统制曲工艺。

表1 两种不同培曲方式生产发酵过程对比

图5 为成品大曲的感官对比图片，由图5 可知，1104#试验房成品大曲整体感官较好，曲心较为一致，火圈清晰均匀，曲皮较对照房薄，曲心呈亮白色，菌丝丰满，曲块之间的均一性较好；2615对照房成品大曲整体感官一般，火圈清晰度较试验房差，个别曲块火圈欠规则，曲皮较试验房厚，曲心稍暗，菌丝欠丰满。

图5 成品大曲的感官对比

表2 为两种不同培曲方式成品大曲理化指标和微生物指标的对比结果，其中水分、酸度、淀粉、糖化力和发酵力的检测方法参照中国轻工行业标准QB/T 4257—2011，菌落总数的检测方法参照食品安全国家标准GB 4789.2—2016，霉菌和酵母菌计数方法参照食品安全国家标准GB 4789.15—2016。由表2 可知，自动化曲块翻转工艺成品大曲在水分酸度等5 个方面的理化指标与传统生产工艺成品大曲基本一致，除淀粉外其余指标略高于传统成品大曲；自动化曲块翻转工艺成品大曲在菌落总数和酵母菌数指标上优于传统生产工艺成品大曲，两种工艺的霉菌数无差异。通过5 个方面的理化指标和3 个方面的微生物指标的数据分析可知，自动化曲块翻转工艺所制成的成品大曲优于传统生产工艺成品大曲。

表2 两种不同培曲方式成品大曲理化指标和微生物指标对比

2.3.2 自动化曲块翻转工艺成品大曲均一性对比

在传统制曲生产中，曲架上层和下层之间的温度、氧气等条件存在一定的差异，会造成上下层的大曲发酵程度不一致，最终的成品大曲在感官和理化指标上也存在一定的差异。自动化曲块翻转装置由于翻曲时间短、工作效率高、操作简便等优点，发酵过程中每天均可进行翻曲，减少了曲架上下层培养条件的差异，有利于曲块发酵的稳定，最终的成品大曲质量较为一致。

为了对以上现象进行验证，1104#试验房出房时，随机选取一个曲架，对其中6 层曲架的曲块进行取样，每层取4 块大曲。图6 为同一曲架不同层大曲的感官对比，结果表明，曲架上下层的均一性较好，火圈和曲心的感官较为一致。

图6 同一曲架不同层大曲感官对比

表3 为同一曲架不同层大曲的理化指标和微生物指标的对比结果，其中水分、酸度、淀粉、糖化力和发酵力的检测方法参照中国轻工行业标准QB/T 4257—2011，菌落总数的检测方法参照食品安全国家标准GB 4789.2—2016，霉菌和酵母菌计数方法参照食品安全国家标准GB 4789.15—2016。结果表明，曲架不同层的成品大曲除发酵力外各项理化指标和微生物指标较为一致，在一定程度上说明了自动化曲块翻转装置成品大曲质量较为一致。

表3 不同层大曲理化指标和微生物指标对比

3 讨论与总结

本研究设计了一种自动化曲块翻转装置，该装置在不改变大曲生产工艺流程的基础上，实现了曲块位置的自动化翻转，减轻了工人的劳动强度，缩短了工人工作时间，改善了工人的工作环境，工作效率得到了显著的提升，为企业节约了大量的人力成本。将该装置应用于生产实践中，与传统工艺相比，应用该装置制成的成品大曲各项理化指标与传统工艺的成品大曲基本一致，糖化力和发酵力略高于传统成品大曲。对二者的微生物含量进行了分析，结果发现二者在霉菌计数上差异不大，但自动化曲块翻转装置成品大曲的菌落总数和酵母菌数要明显的高于传统成品大曲，对试验房成品大曲淀粉含量较传统工艺低的原因进行了解释。此外，应用该装置还可以解决制曲生产过程中上下层曲块发酵状态不一致的问题，使用自动化曲块翻转装置制成的大曲，上下层曲块发酵状态一致，除发酵力外各项理化指标和微生物指标差异较小。

“曲为酒之骨”，酿酒生产中大曲的质量能够较大的影响原酒品质，因此大曲的生产是每个酿酒企业最为重视的问题。在制曲生产过程中，曲房内温度高，湿度大，机械化程度低等因素对大曲的生产效率影响较大，大多数企业还是采取传统的人工操作方式进行制曲生产。本研究设计了一种浓香型大曲自动化曲块翻转装置，利用该装置实现了曲块的自动化翻转，降低了工人的劳动强度，改善了工人工作环境，能够较好的解决制曲生产效率低下的问题，但对曲房内温度、湿度等环境因素的精细化控制还需要加强。