王麗娜，皇蓋林

（云南白藥天頤茶品有限公司，云南 昆明 650032）

中成藥多需要對(duì)藥材進(jìn)行提取、過(guò)濾、濃縮等，然后再進(jìn)行制劑和加工。中藥成分較復(fù)雜，尤其是經(jīng)過(guò)配伍的復(fù)方，有些藥材在加工時(shí)也會(huì)發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生不溶性成分。在過(guò)濾提取液時(shí)，需要除去藥渣以及提取過(guò)程中產(chǎn)生的不溶性雜質(zhì)。目前可選擇的過(guò)濾設(shè)備和介質(zhì)，比如板框過(guò)濾、借用助濾劑的硅藻土過(guò)濾、常見的袋式過(guò)濾、離心機(jī)、最近發(fā)展較快的超濾技術(shù)等。與傳統(tǒng)的分離方法相比，雖然超濾法有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但目前多數(shù)工作還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)還有相當(dāng)一段距離，究其原因是至今還存在著一些尚未有效解決的實(shí)際問(wèn)題，濾膜的污染和清洗問(wèn)題是阻礙超濾法推廣應(yīng)用的最大障礙[1]。超濾膜過(guò)濾中藥提取液通常與離心機(jī)聯(lián)用，但生產(chǎn)過(guò)程中超濾環(huán)節(jié)經(jīng)常發(fā)生阻塞，需定期清洗膜?，F(xiàn)階段，在生產(chǎn)實(shí)踐中，采用多臺(tái)超濾設(shè)備并聯(lián)使用，但并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。本文以超濾膜過(guò)濾為例，運(yùn)用創(chuàng)新方法進(jìn)行分析，以期獲得提高超濾效率的工藝方法。

1 TRIZ基本概述

TRIZ即發(fā)明問(wèn)題解決理論，是指導(dǎo)人們進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)新、解決工程問(wèn)題的系統(tǒng)化的方法學(xué)體系。相對(duì)于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，比如試錯(cuò)法、頭腦風(fēng)暴法等，作為一套成熟的理論和方法體系，TRIZ具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)[2]。它是蘇聯(lián)發(fā)明家根李齊·阿奇舒勒（G.S.Altshhuller）為首的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)250萬(wàn)件高水平發(fā)明專利進(jìn)行分析和提煉之后總結(jié)出來(lái)的。TRIZ形成體系并完善后在多個(gè)領(lǐng)域得以應(yīng)用，利用TRIZ解決問(wèn)題首先需將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為問(wèn)題模型，再有針對(duì)性地選擇不同的TRIZ工具，以此得到解決方案模型，最后將解決方案模型引用到具體的問(wèn)題中獲得實(shí)際方案。

2 中藥混合提取液超濾系統(tǒng)工作原理及問(wèn)題描述

為了將中藥混合提取液經(jīng)過(guò)超濾獲得澄清溶液，通常先將提取液經(jīng)離心機(jī)進(jìn)行粗濾，得到含細(xì)小雜質(zhì)的輕液和含較大顆粒的重液，重液通過(guò)設(shè)備底部的排渣口排出，輕液由加壓泵輸送進(jìn)入超濾環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)提取液的精密過(guò)濾。過(guò)濾一定量的提取液后，濾膜的濾孔逐漸被阻塞，超濾前的壓力升高，可通過(guò)增加回流量降低壓力，但是，這是過(guò)濾的效率就會(huì)降低，如圖1所示。所以，在該過(guò)濾系統(tǒng)中，濾膜阻塞后就必須停機(jī)清洗，從而導(dǎo)致連貫性不強(qiáng)，降低生產(chǎn)效率，而且定時(shí)的清洗也會(huì)耗費(fèi)更多的能源，造成資源和成本的浪費(fèi)。

圖1 系統(tǒng)問(wèn)題圖示

3 討論利用TRIZ分析問(wèn)題

TRIZ解決問(wèn)題的一般流程是：①將1個(gè)待解決的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為問(wèn)題模型；②針對(duì)不同的問(wèn)題模型，應(yīng)用不同的工具，得到解決方案模型；③將這些解決方案模型應(yīng)用到具體的問(wèn)題之中，得到問(wèn)題的解決方案[3]。在此過(guò)程中，需要將存在問(wèn)題的部分及其所在技術(shù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為組件和功能關(guān)系，并分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，從而為選擇工具和尋找解決方案做好準(zhǔn)備。

3.1 過(guò)濾系統(tǒng)的組件和功能分析

將過(guò)濾系統(tǒng)中各部分及其作用對(duì)象分解為不同的組件，通過(guò)各部分之間功能作用關(guān)系將各部分連接起來(lái)，獲得組件分析模型。該技術(shù)系統(tǒng)的組件模型如圖2所示，離心機(jī)分離提取液獲得重液和輕液；超濾膜過(guò)濾器過(guò)濾輕液；加壓泵推動(dòng)輕液至膜過(guò)濾器；回流管導(dǎo)流不能通過(guò)超濾的輕液至離心機(jī)；不溶顆粒雜質(zhì)阻塞濾膜；輕液透過(guò)濾膜得到澄清提取液，濾膜降低通過(guò)率。提取液中不溶性顆粒會(huì)改變?yōu)V膜的通過(guò)性，使過(guò)濾效率降低。

技術(shù)系統(tǒng)的最終理想結(jié)果是，該過(guò)濾系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)提取液的過(guò)濾，在濾膜阻塞時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)清潔，在提高效率的同時(shí)保證澄清度達(dá)到工藝要求。

圖2 系統(tǒng)組件模型圖示

3.2 技術(shù)系統(tǒng)的因果分析

對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行組件分析并建立模型后，根據(jù)每個(gè)組件之間的功能作用關(guān)系，分別以過(guò)濾膜受阻和提取液不溶物含量過(guò)高為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行因果分析。從系統(tǒng)外部的整個(gè)超系統(tǒng)層面來(lái)看，藥材粉碎的粒度和潔凈度對(duì)提取液的雜質(zhì)含量有影響。從系統(tǒng)本身來(lái)看，由于離心機(jī)分離不溶性雜質(zhì)功能不足，超濾膜上的濾孔被顆粒雜質(zhì)阻塞后不能及時(shí)清除，導(dǎo)致超濾膜被阻塞，過(guò)濾效率降低。

4 應(yīng)用TRIZ理論中的工具解題并獲得方案

利用TRIZ解決問(wèn)題其實(shí)就是矛盾的產(chǎn)生、問(wèn)題的定義、工具的選擇、矛盾的解決等一個(gè)連續(xù)過(guò)程。TRIZ理論認(rèn)為，解決創(chuàng)新問(wèn)題的關(guān)鍵是要解決矛盾，并提供了包括矛盾矩陣和創(chuàng)新原理、物質(zhì)場(chǎng)分析模型和標(biāo)準(zhǔn)解、創(chuàng)新問(wèn)題解決算法、科學(xué)和技術(shù)知識(shí)效應(yīng)庫(kù)等在內(nèi)的解決方法[4]。TRIZ的問(wèn)題模型可分為4種形式，即技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場(chǎng)問(wèn)題、知識(shí)使能問(wèn)題。技術(shù)矛盾是指，為了改善系統(tǒng)的一個(gè)參數(shù)，導(dǎo)致另一個(gè)參數(shù)惡化。物理矛盾是針對(duì)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)，提出了2種不同的要求。在解決問(wèn)題時(shí)，最有效的解決方案就是解決技術(shù)難題中的矛盾。對(duì)于技術(shù)矛盾，阿奇舒勒給出了一個(gè)矛盾矩陣，矛盾矩陣是一個(gè)（40×40）的矩陣，其中第1列為39個(gè)可改善的工程參數(shù)，第1行為39個(gè)會(huì)導(dǎo)致惡化的工程參數(shù)，剩下的39行和39列形成一個(gè)矩陣，里面的數(shù)字對(duì)應(yīng)著解決矛盾的通用創(chuàng)新原理。對(duì)于物理矛盾，則采用空間分離、時(shí)間分離、條件分離和系統(tǒng)級(jí)別分離等方法，并利用通用的40個(gè)發(fā)明創(chuàng)新原理加以解決。此外，TRIZ理論還有物場(chǎng)模型和標(biāo)準(zhǔn)解、知識(shí)庫(kù)、效應(yīng)庫(kù)等解決工具[5]。

4.1 三軸分析的應(yīng)用

以當(dāng)前的技術(shù)系統(tǒng)為中心，分別在因果軸、操作軸和系統(tǒng)軸上分析問(wèn)題。在因果分析中，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因和薄弱點(diǎn)；在操作軸和系統(tǒng)軸上，分析解題資源、降低解決問(wèn)題的成本。在對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的資源進(jìn)行列舉和功能分析的基礎(chǔ)上，尋找可用資源，在系統(tǒng)改動(dòng)最小的前提下提高預(yù)期效果。利用過(guò)濾后的提取液進(jìn)行定時(shí)反沖，使濾膜上的雜質(zhì)得以清除，反沖液經(jīng)過(guò)回流管返回到離心機(jī)中再次離心沉降。

4.2 技術(shù)矛盾的應(yīng)用

TRIZ中的物理矛盾是當(dāng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)提出具有相反的要求時(shí)而出現(xiàn)的。矛盾分析是在系統(tǒng)問(wèn)題中尋找出2個(gè)關(guān)聯(lián)的指標(biāo)參數(shù)，改善其中之一可以惡化另外一個(gè)參數(shù)，確定矛盾對(duì)后根據(jù)TRIZ中的40個(gè)發(fā)明原理獲得方案。從主要問(wèn)題點(diǎn)入手進(jìn)行技術(shù)矛盾分析，該過(guò)濾系統(tǒng)由于離心機(jī)分離效率低，導(dǎo)致超濾環(huán)節(jié)進(jìn)料濁度大，效率降低。分析初步解決方案，可考慮改用多級(jí)過(guò)濾或離心系數(shù)更高的管式離心機(jī)，以提高超濾環(huán)節(jié)進(jìn)料的澄清度，保證超濾生產(chǎn)效率。由此確立技術(shù)矛盾，改善的參數(shù)為作用于物體的有害因素，惡化的參數(shù)為生產(chǎn)率。

在矛盾矩陣中查找創(chuàng)新原理，分別為22變害為利原理，35物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)恚?3反向作用原理，24借助中介物原理。在這些創(chuàng)新原理中獲得對(duì)應(yīng)的技術(shù)啟示，參照借助中介物原理中的暫時(shí)結(jié)合原理，將提取液中的不溶性顆粒雜質(zhì)與其他容易去除的物體暫時(shí)結(jié)合，將離心機(jī)替換為使用助濾劑的過(guò)濾澄清設(shè)備，比如硅藻土過(guò)濾器。因?yàn)楣柙逋帘旧砹奖容^大，易于濾除，所以，借用硅藻土微觀結(jié)構(gòu)中的孔徑增加過(guò)濾面積，使飲料調(diào)配液透過(guò)，不溶性顆粒被硅藻土上的縫隙吸附，利用硅藻土形成的截留層濾除調(diào)配液中的大顆粒雜質(zhì)。

4.3 物理矛盾的應(yīng)用

從技術(shù)系統(tǒng)的因果軸分析來(lái)看，壓力泵使加壓飲料調(diào)配液經(jīng)進(jìn)料管進(jìn)入膜過(guò)濾器，濾膜被雜質(zhì)阻塞，系統(tǒng)壓力增加，通過(guò)加大回流緩解壓力過(guò)大，但是過(guò)濾效率降低。為了提高調(diào)配液的過(guò)濾效率，加壓泵要不斷加壓，使調(diào)配液能夠加速通過(guò)濾膜上的濾孔，但濾膜容易損傷，影響過(guò)濾效果。以系統(tǒng)壓力為物理矛盾點(diǎn)進(jìn)行分析，尋找適用的創(chuàng)新原理。根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)替代原理中超聲波脫除毛發(fā)的技術(shù)啟示建立解決方案。超聲波清洗是基于空化作用，即在清洗液中無(wú)數(shù)氣泡快速形成并迅速內(nèi)爆，由此產(chǎn)生的沖擊將浸沒(méi)在清洗液中的工件內(nèi)外表面的污物剝落下來(lái)。超聲波發(fā)出后對(duì)孔隙中的雜質(zhì)顆粒產(chǎn)生持續(xù)振動(dòng)，及時(shí)清潔被阻塞的濾孔。這是利用超聲波發(fā)生器在濾膜表面產(chǎn)生作用釋放被阻塞的濾孔。超濾設(shè)備套連超聲波裝置，在過(guò)濾過(guò)程中定時(shí)啟動(dòng)，超聲波在濾膜表面形成氣態(tài)的微型空穴，以實(shí)現(xiàn)濾膜在工作中自清潔。

4.4 物場(chǎng)模型的應(yīng)用

分析整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題，在該系統(tǒng)中，由于離心機(jī)分離效果不足，導(dǎo)致大量雜質(zhì)進(jìn)入膜過(guò)濾環(huán)節(jié)，從而阻塞濾膜。根據(jù)加強(qiáng)型物場(chǎng)模型標(biāo)準(zhǔn)解，分析系統(tǒng)相關(guān)資源，系統(tǒng)內(nèi)料液先通過(guò)離心除去較大的顆粒雜質(zhì)；離心機(jī)通過(guò)離心碟片攪動(dòng)料液，大顆粒雜質(zhì)在離心力的作用下被甩出；系統(tǒng)內(nèi)能量資源為離心機(jī)的離心力；超系統(tǒng)資源為飲料濃縮液和原料提取液。利用提高物質(zhì)的動(dòng)態(tài)性能標(biāo)準(zhǔn)解，在原有離心機(jī)中添加過(guò)濾網(wǎng)，借助離心力提高對(duì)飲料調(diào)配液的離心過(guò)濾效果，減少在下一個(gè)環(huán)節(jié)中的不溶物濃度，將碟片式離心機(jī)更換為過(guò)濾式離心機(jī)，提高原離心機(jī)的除雜性能。

4.5 標(biāo)準(zhǔn)解的應(yīng)用

系統(tǒng)的理想化最終結(jié)果是在濾膜被阻塞的區(qū)域內(nèi)，并且在發(fā)生阻塞時(shí)能夠不讓雜質(zhì)附著，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)過(guò)濾。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解1.2.1在系統(tǒng)的2個(gè)物質(zhì)之間引入外部現(xiàn)成的物質(zhì)。圍繞著理想化結(jié)果所要達(dá)到的狀態(tài)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)解案例庫(kù)中的技術(shù)啟示獲得方案，納米材料在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。根據(jù)材料特性將其與現(xiàn)有濾膜材料結(jié)合，濾膜表面足夠光滑，使顆粒物在濾膜表面的附著力減小，間接實(shí)現(xiàn)濾膜的自清潔，實(shí)現(xiàn)調(diào)配液的持續(xù)過(guò)濾。

4.6 進(jìn)化法則的應(yīng)用

判斷該技術(shù)系統(tǒng)所處的S曲線位置，并結(jié)合進(jìn)化法則進(jìn)行分析。從采用表面屬性進(jìn)化法則來(lái)看，根據(jù)系統(tǒng)的進(jìn)化趨勢(shì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)化發(fā)展分割組件，使得系統(tǒng)更加協(xié)調(diào)。根據(jù)該法則所給出的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，按照理想化的設(shè)計(jì)，濾膜應(yīng)該具有自清潔功能，將清潔功能從濾膜分割出來(lái)，設(shè)計(jì)表面具有刷毛的球形顆粒，在調(diào)配液的推動(dòng)下，球形刷不斷沖刷濾膜清理雜質(zhì)，使濾膜能夠保持恒定的有效過(guò)濾面積。

5 TRIZ最終解決方案選擇與總結(jié)

根據(jù)創(chuàng)新原理和技術(shù)矛盾分析等工具獲得技術(shù)方案，再利用Pro/Evolver軟件（北京億維訊同創(chuàng)科技有限公司開發(fā)的一款基于創(chuàng)新方法的應(yīng)用軟件）的方案評(píng)價(jià)功能，從過(guò)濾效率、成本、能源消耗、質(zhì)量水平4個(gè)維度對(duì)上述方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)方案價(jià)值的分析，對(duì)方案價(jià)值評(píng)價(jià)較高的方案進(jìn)行技術(shù)分析，具體包括以下幾點(diǎn)：①利用系統(tǒng)內(nèi)資源實(shí)現(xiàn)反向壓力泵輸送濾液，清潔濾孔，這需要增加設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，利用濾液進(jìn)行反沖，在一定程度上降低了工作效率。②技術(shù)矛盾分析方案增加硅藻土作為過(guò)濾介質(zhì)。根據(jù)目前的過(guò)濾技術(shù)，硅藻土過(guò)濾設(shè)備已相對(duì)比較成熟，如果能夠使用硅藻土過(guò)濾器來(lái)替代，則無(wú)需使用膜過(guò)濾器，同時(shí)，硅藻土具有一定的吸附作用，需要考慮中藥提取液中有效成分損失等問(wèn)題。③物理矛盾分析得到的方案是引入超聲波設(shè)備，但該方案還需考慮超聲波對(duì)濾膜材料和連接部件密封性的影響。④物場(chǎng)模型分析方案通過(guò)增強(qiáng)離心效果來(lái)實(shí)現(xiàn)，需通過(guò)方案應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)具體的過(guò)濾效率等內(nèi)容。⑤標(biāo)準(zhǔn)解方案是在濾膜表面增加納米材料，減小膜材料對(duì)雜質(zhì)的附著力。在濾膜表面增加一層納米材料層需要經(jīng)過(guò)材料學(xué)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，而且還應(yīng)考慮是否會(huì)增加耗材的成本以及過(guò)濾效率的提高幅度。⑥在進(jìn)化路徑方案中引入能夠?qū)崿F(xiàn)濾膜自我清潔的組件，需結(jié)合材料學(xué)等相關(guān)學(xué)科做進(jìn)一步綜合分析。

通過(guò)本文的分析可以考慮選擇納米材料濾膜與定時(shí)反沖相結(jié)合的方案。從理論上來(lái)講，納米材料可以延長(zhǎng)濾膜阻塞的間隔，進(jìn)而減少停機(jī)清洗的次數(shù)；定時(shí)的反沖可以在回流時(shí)帶走截留在膜過(guò)濾器中的雜質(zhì)，兩者結(jié)合能夠在保證過(guò)濾效果的同時(shí)提高過(guò)濾效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用TRIZ方法分析中藥混合提取液分離雜質(zhì)的主要過(guò)程，受篇幅限制，本文僅介紹了6個(gè)典型工具獲得的概念方案。TRIZ在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用并獲得了較大的經(jīng)濟(jì)效益，例如2003年，三星電子在67個(gè)研究開發(fā)項(xiàng)目中使用了TRIZ，為公司節(jié)約經(jīng)費(fèi)1.5億美元，并產(chǎn)生了52項(xiàng)專利技術(shù)[6]。TRIZ創(chuàng)新方法應(yīng)用于中藥開發(fā)中的成功案例比較少，本文運(yùn)用TRIZ中的部分工具分析中藥混合提取液過(guò)濾效率提升的環(huán)節(jié)，但因涉及跨領(lǐng)域知識(shí)，所以分析結(jié)果存在一定的局限和不足。希望通過(guò)創(chuàng)新方法的運(yùn)用為中藥提取、分離工藝的改進(jìn)和設(shè)備的升級(jí)奠定基礎(chǔ)，為日后相關(guān)工作的順利進(jìn)行提供借鑒。

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