金花菌茶自動發(fā)酵室的初步設(shè)計

袁碧楓，賈磊，韓坤，林柳風(fēng)，付深振，王斌，李曉軍

（杭州藝福堂茶業(yè)有限公司，浙江杭州 310052）

金花菌茶自動發(fā)酵室的初步設(shè)計

袁碧楓，賈磊，韓坤，林柳風(fēng)，付深振，王斌*，李曉軍

（杭州藝福堂茶業(yè)有限公司，浙江杭州 310052）

文章介紹了金花菌茶自動發(fā)酵室的接種系統(tǒng)、控溫控濕系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)三大模塊以及金花菌茶的滅菌、接種、發(fā)酵和干燥時的各項參數(shù)、程序設(shè)計和布局設(shè)計。該發(fā)酵室生產(chǎn)效率高，冠突散囊菌能夠在無雜菌的環(huán)境下穩(wěn)定、連續(xù)化發(fā)酵，對各地建立金花菌茶發(fā)酵室具有指導(dǎo)意義。

接種系統(tǒng)；控溫控濕系統(tǒng)；通風(fēng)系統(tǒng)；PLC控制

我國茶葉資源豐富，且近年來茶葉種植面積不斷擴大，據(jù)統(tǒng)計，2015年我國茶葉種植面積達(dá)287.73萬公頃，干毛茶產(chǎn)量227.8萬噸，國內(nèi)茶葉市場處于供過于求的狀態(tài)，同時國外出口茶葉要求越來越嚴(yán)格，再加上當(dāng)前宏觀經(jīng)濟環(huán)境及消費市場的影響，每年有大量茶葉特別是大宗綠茶滯銷，長時間貯存后品質(zhì)劣變，造成大量資源浪費。因此對大宗綠茶進行綜合加工，提高其附加值，減少資源浪費成為關(guān)注熱點。

冠突散囊菌俗稱“金花菌”，它是茯磚茶上的獨特微生物，它的多寡是反映茯磚茶品質(zhì)的重要指標(biāo)。近年來，研究人員從細(xì)胞、動物和基因水平證明了金花菌發(fā)酵物提取物或其孢子粉有多種保健功效[1]。冠突散囊菌能提升茶葉附加值，杭州藝福堂茶葉有限公司在大宗綠茶中接種冠突散囊菌并發(fā)酵，得到品質(zhì)優(yōu)異的發(fā)酵茶。本設(shè)計針對茶葉接種金花菌發(fā)酵工藝要求，設(shè)計出適合批量生產(chǎn)的金花菌茶發(fā)酵室，以實現(xiàn)一定的市場價值[2-4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

考慮到金花菌茶加工的特殊工藝要求，根據(jù)發(fā)酵過程中需要滅菌、接種、發(fā)酵和干燥四個環(huán)節(jié)，將本發(fā)酵室設(shè)計分為接種系統(tǒng)、控溫控濕系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)三大模塊，它們的功能如圖1所示。根據(jù)三大模塊功能需要，對發(fā)酵室結(jié)構(gòu)進行設(shè)計[5]。

圖1 自動發(fā)酵室系統(tǒng)與功能對應(yīng)關(guān)系Fig.1 Corresponding relations between system and function of automatic fermenting cellar

1.1 接種系統(tǒng)

由于該工藝被接種的物料是茶葉，冠突散囊菌液需要均勻撒在茶葉的表面，并且能有一定的滲透性。針對該工藝的需求，本發(fā)酵室設(shè)計了可移動式的淋撒噴頭，保證接種的均勻性，使冠突散囊菌在茶葉表面均勻生長，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 控溫控濕系統(tǒng)

該系統(tǒng)將應(yīng)用在每個環(huán)節(jié)上。在滅菌環(huán)節(jié)中采用水蒸氣高溫滅菌，滅菌對象包括發(fā)酵室內(nèi)部空間與被接種的茶葉，根據(jù)不同種類茶葉的滅菌溫濕度需要，進行定量控制；在接種環(huán)節(jié)，需要降低溫度，保持適度濕度；在發(fā)酵環(huán)節(jié)，將發(fā)酵室內(nèi)部氣體溫度保持在24~30℃，控制濕度在60%~ 70%。在干燥階段該系統(tǒng)主要通過降低濕度升高溫度至不同茶類的干燥標(biāo)準(zhǔn)值，提供冠突散囊菌適宜的繁殖環(huán)境。

1.3 通風(fēng)系統(tǒng)

發(fā)酵過程中要求在無菌條件下進行，由于冠突散囊菌是好氧型真菌，發(fā)酵室內(nèi)需要通入無菌空氣進行循環(huán)。要求發(fā)酵室內(nèi)部有進出氣管道并保持發(fā)酵室的氣壓穩(wěn)定[6]。以這三個系統(tǒng)的功能要求為前提，對冠突散囊菌茶發(fā)酵室進行合理的布局與設(shè)計。

2 參數(shù)計算

2.1 發(fā)酵室的內(nèi)部設(shè)計

本設(shè)計目標(biāo)批次產(chǎn)量在100 kg左右，以冠突散囊菌的實驗室發(fā)酵條件為參考，取干茶平攤每平方米約為650~750 g，可得所需攤茶面積大約在133~153 m2左右[7]。

為降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，對現(xiàn)有建筑進行改造。由于現(xiàn)有發(fā)酵室平面面積不超過63 m2，房屋高度約3 m，結(jié)合傳統(tǒng)紅茶發(fā)酵攤?cè)~層數(shù)為4~7層的文獻(xiàn)資料，在充分考慮人工操作的便捷性和接種系統(tǒng)的空間要求等綜合因素的基礎(chǔ)上，發(fā)酵室攤?cè)~層數(shù)設(shè)計為5層，單層攤?cè)~所需面積約為26.6~30.6 m2，合計總攤茶面積在150 m2左右。每層設(shè)計4個攤?cè)~槽，攤?cè)~槽寬度1 m左右，槽長7.5 m，可達(dá)到批次產(chǎn)量100 kg的要求。

2.2 滅菌參數(shù)計算

為了能迅速殺死發(fā)酵室內(nèi)的雜菌，滅菌采用水蒸氣高壓滅菌法。該方法一般是指在102.97~ 137.30 kPa時，溫度可達(dá)121~126℃，維持15~ 30 min可達(dá)到滅菌目的，根據(jù)查表所得該情況下最大水蒸氣密度約為0.8 kg/m3，而由發(fā)酵室基本尺寸可得其內(nèi)部容積約為189 m3，故選擇蒸汽發(fā)生量在150 kg/h以上產(chǎn)量的蒸發(fā)器較為合適。

為提高水蒸氣的利用率和縮短滅菌時間，在滅菌時先送入熱風(fēng)迅速上升空氣溫度，再通入混合的水蒸氣和熱風(fēng)。當(dāng)滅菌完成時，熱風(fēng)機關(guān)閉加熱功能，送入無菌冷風(fēng)進行排濕。

2.3 接種參數(shù)計算

為使干茶得到均勻的接種效果，發(fā)酵室采用可移動式的接種系統(tǒng)。根據(jù)實驗室所培養(yǎng)的金花菌液濃度（1×108~5×108個/mL），接菌液量為每公斤干茶所需150~300 mL較為適宜，因此需要菌液總量在15~30 L左右，每個茶槽需要量在0.75~ 1.5 L。為了降低整條茶槽架的高度，選用噴灑角度較大的扇形噴頭，最大角度在140°，噴頭嘴高度為0.18 m，故取層高為0.3 m。根據(jù)發(fā)酵室結(jié)構(gòu)，一共需要20個扇形噴頭，為了降低水泵壓力，選取噴流量為4 L/min，每個噴頭壓力值為4bar[9]。以接種菌液量1.5 L和槽長7.5 m為標(biāo)準(zhǔn)，計算得出接種所需最長時間為22.5 s，噴頭移動速度為0.33 m/s。接種噴頭在電機的牽引作用下做勻速直線運動，可選擇市面上現(xiàn)有的防潮耐高溫的100 W低轉(zhuǎn)速電動機。

為了保證無雜菌，尤其是霉菌的干擾，對發(fā)酵室進出管道線路要嚴(yán)格采取密封處理。在接種的過程中，20只噴頭總共所需泵壓約為80 bar，該值以現(xiàn)有的單體泵設(shè)備條件很少能達(dá)到壓強要求，同時會大幅增加設(shè)計成本，故采用多泵并聯(lián)，分四條管道同時輸入菌種液。

2.4 發(fā)酵參數(shù)計算

在長時間的發(fā)酵過程中，本設(shè)計方案主要通過送入熱風(fēng)給發(fā)酵室提供熱量。相對于其他供熱方法，該方式具有建設(shè)成本低，設(shè)備維護方便和控制靈活性好等優(yōu)點。金花菌茶發(fā)酵的合理溫度范圍在24~30℃，屬于常溫稍偏高的溫度范圍，茶葉發(fā)酵過程本身會產(chǎn)生一定熱量，為發(fā)酵室增溫，因此熱風(fēng)機風(fēng)量應(yīng)視溫濕度變化而調(diào)節(jié)。熱風(fēng)機的上限功率應(yīng)根據(jù)滅菌和干燥階段的要求而定。

2.5 干燥參數(shù)的設(shè)計

在干燥階段，依靠熱風(fēng)機送入熱量，此時能耗要求最高，烘干起始溫度要達(dá)到130℃左右保持10~15 min，并隨著時間的延長，溫度下降至80℃左右。溫度由高到低，風(fēng)速保持不變，發(fā)酵室內(nèi)部體積大約為180 m3，故選取功率在50 kW，最大送風(fēng)量可達(dá)40 m3/min的熱風(fēng)機[8]。

3 發(fā)酵室的程序設(shè)計

3.1 PLC模塊選擇

生產(chǎn)金花菌茶發(fā)酵室的工作流程為：滅菌20 min→接種2 min→發(fā)酵4~5 d→干燥2~3 h。根據(jù)工藝需要，如圖2所示，使發(fā)酵室程序連續(xù)化運行，本設(shè)計采用西門子S7-200 PLC處理單元，體積靈活小巧，處理速度0.8~1.2 ms，數(shù)字量248點；模擬量35路，并配以兩塊數(shù)字量輸入模塊，接收從控制面板上的手動調(diào)節(jié)信號和傳感器上輸送信號，再配另一塊數(shù)字量輸出模塊用來傳輸給顯示屏的上的指示燈信號。利用PLC的多I/O觸角模塊，輸出端的信號通過A/D轉(zhuǎn)化電路分別分配給水蒸氣發(fā)生器、熱風(fēng)機和電動機。S7-200的時鐘精度典型值是2 min/月 （25℃），最大誤差7 min/月（0~55℃）。為了提高運算效率，應(yīng)當(dāng)避免每個程序周期都讀取外置實時時鐘進行校準(zhǔn)，預(yù)設(shè)最低讀取間時鐘間隔為1 min，利用編程連接Set-RTC可以通過編程實現(xiàn)時鐘設(shè)置，結(jié)合事實時鐘，以從滅菌開始為相對基準(zhǔn)時間，根據(jù)工藝所需流程進行時鐘編程[10-11]。

圖2 自動發(fā)酵室控制調(diào)節(jié)流程Fig.2 The automatic fermenting cellar control and adjust process

3.2 發(fā)酵階段恒溫恒濕調(diào)節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)精度要求溫度≤2℃，濕度小于≤3%。恒溫恒濕系統(tǒng)按照功能要求分為主程序以及5個子程序，主程序包括初始化、運行啟動、運行停機、預(yù)設(shè)運轉(zhuǎn)時數(shù)運行。子程序包括溫度和濕度的采樣及模擬量計算、熱風(fēng)機的控制、水蒸氣發(fā)生器的控制、定時控制、溫度控制、故障報警處理[12-14]。

在PLC編程時，為了防止調(diào)節(jié)系統(tǒng)里鼓風(fēng)機和水蒸氣發(fā)生裝置的頻繁啟動與停止，延長使用壽命，同時對風(fēng)機電路設(shè)置延時開關(guān)的保護程序，必須先打開風(fēng)機，才能啟動蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器關(guān)閉后才能停止風(fēng)機的運行；對溫度和濕度向進行檢測器的模糊范圍值設(shè)定，發(fā)酵溫度設(shè)置在27±5℃，濕度在70±10%范圍內(nèi)啟動和停止運行，其控制邏輯如圖3所示。

圖3 控溫控濕系統(tǒng)控制邏輯Fig.3 Temperature and wet system control logic

4 發(fā)酵室整體布局設(shè)計

如圖4所示，發(fā)酵室上方為熱風(fēng)與水蒸氣管道入口，水蒸氣管道從熱風(fēng)管道的中間進入，防止水蒸氣倒吸損壞熱風(fēng)機。菌液管道分四路分別從發(fā)酵室頂部通入，在發(fā)酵室內(nèi)部分通過金屬軟管與接種架上菌液管相連通。接種架底部裝有滾輪，在起始位置有靜態(tài)防移動塊，避免在接種開始前接種架在菌液管道重力牽引下移動，駛離起始位置。接種架移動速度需要實體進行調(diào)試，根據(jù)調(diào)整電動機輸入電壓值的變化而改變牽引速度，得到最適合的工作電壓[15]。

為了得到較為精準(zhǔn)的溫濕度數(shù)據(jù)，選取各具代表性的點位安裝溫濕度一體檢測器，并對數(shù)據(jù)進行平均處理，得到相對科學(xué)的檢測數(shù)據(jù)。在不同的高度下發(fā)酵室溫濕度差距最明顯，同時根據(jù)置物架的離地高度（40~180 cm之間），將檢測器分布設(shè)在放置茶葉的物料區(qū)域范圍內(nèi)。在橫向空間上，根據(jù)對進口和出口造成的溫濕度梯度差異，分別在前后各設(shè)安裝點位?？紤]到實際操作中線路鋪設(shè)與安裝的需要，檢測器通常安裝在墻面上，防止線路受高溫的影響而迅速老化。為了體現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的更加準(zhǔn)確，發(fā)酵室采用耐高溫線，將檢測器分點安裝在置物架上，線路沿著架體鋪向地面，與電動機線路混合連接到發(fā)酵室外部，具體位置如圖4所示。

從發(fā)酵室外通入的管道均設(shè)有固定和密封處理，氣密性建設(shè)達(dá)到無菌發(fā)酵的要求。發(fā)酵室門上設(shè)有觀察窗，方便工作人員觀察發(fā)酵情況。發(fā)酵室風(fēng)機進氣端連有空氣過濾器。發(fā)酵室底部設(shè)有出氣管道，管道尾部也與空氣過濾器相連。

5 總結(jié)

相比較傳統(tǒng)的冠突散囊菌的發(fā)酵室，冠突散囊菌自動發(fā)酵室集合了滅菌、接種、發(fā)酵和干燥四項功能，對現(xiàn)有小型廠房進行改造，63平方米的廠房月生產(chǎn)能力可達(dá)500 kg以上，對提高產(chǎn)量有很大的促進作用。本項設(shè)計降低了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。

圖4 金花菌茶自動發(fā)酵室俯視圖和側(cè)視圖Fig.4 Vertical view and side view of the the automatic fermenting cellar

本發(fā)酵室目前僅為初步試驗階段，在實際的設(shè)計過程中，往往要根據(jù)現(xiàn)有建筑進行量身改造發(fā)酵室。發(fā)酵環(huán)節(jié)通過風(fēng)機關(guān)閉加熱功能開啟常溫送風(fēng)來滿足菌體基本的呼吸需要，茶葉發(fā)酵的呼吸速率與含氧量的相關(guān)性研究、最適宜含氧量、最佳工藝控制點的研究都有待于進一步試驗。

[1] 陳云蘭.茯磚茶“金花菌”的分類鑒定及其對茯磚茶品質(zhì)的影[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[2] 楊撫林.冠突散囊菌液體發(fā)酵工藝及其發(fā)酵液對消化酶活性影響的研究[D].長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[3] 李適.冠突散囊菌對茶葉品質(zhì)成分的影響研究[J].菌物學(xué)報，2014（3）:713-178.

[4] 蘇鳳.冠突散囊菌接種發(fā)酵茯磚茶的初步研究[J].中國食物與營養(yǎng)，2011（7）:30-33.

[5] 王濤.30M2植酸酶發(fā)酵罐設(shè)計 [J].食品科學(xué)，2014（1）:60-63.

[6] 黃云戰(zhàn).普洱茶發(fā)酵罐研制及應(yīng)用研究[J].包裝與機械，2012（1）:115-118.

[7] 劉晗.數(shù)字化普洱茶發(fā)酵系統(tǒng)研究[D].吉林:長春理工大學(xué)，2013.

[8] 吳晶.基于ARM的新型生物發(fā)酵罐的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2010，32（7）:114-116.

[9] 劉安琴.GBR-03型自控低壓發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].輕工機械，2009，27（1）:98-101.

[10]劉雍.PLC在組合式恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. PLC&FA，2012（7）:45-47.

[11]馬振剛.基于PLC在普洱發(fā)酵車間的應(yīng)用于分析研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（19）:10276-10278.

[12]何梅珍.六堡茶自動渥堆發(fā)酵自動控制技術(shù)的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（24）:10136-10138.

[13]徐偉恒.普洱茶渥堆發(fā)酵多通道溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（3）:119-122.

[14]李麗敏.恒溫烘箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報，2007（5）:616-617.

[15]王炳剛.基于fluent的隧道滅菌烘箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].化工與醫(yī)藥工程，2014，35（1）:34-37.

The Design of the Eurotium Cristatum Tea's Automatic Fermenting Cellar

YUAN Bi-feng，JIA Lei，HAN kun，LIN Liu-feng，F(xiàn)U Shen-zhen，WANG Bin*，LI Xiao-jun
（Hangzhou Efuton Tea Co.Ltd.，Hangzhou 310052，China）

This paper introduced the design of automatic fermentation room for Eurotium Cristatum Tea，including the vaccination system，temperature control and humidity control system and ventilation system.At the same time，the parameters of sterilization，inoculation fermentation and drying of Eurotium Cristatum Tea，program design and layout of fermentation room were introduced.In the fermentation room with high production efficiency，Eurotium strains could be fermented stably and continuously in microbial-free environment，which could be a guide to the building of such Eurotium Cristatum Tea's Automatic Fermenting Cellar.

Inoculation system;Temperature control and humidity control system;Ventilation system;PLC control

TS272.3；TP273；Q815

A

2095-0306（2016）06-0032-05

中國茶葉加工 2016（6）:32-36

2016-04-27

農(nóng)業(yè)科研攻關(guān)專項（20140432B36）

袁碧楓（1989-），男，浙江諸暨人，碩士研究生，主要從事茶葉品質(zhì)控制等相關(guān)工作。

*通訊作者：wangb@efuton.com