多茶類(lèi)茶葉初加工自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)

陳加友，江進(jìn)福，陳英勇，郭光侯

1.福建省安溪茶業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，362435；2.福建佳友茶葉機(jī)械智能科技股份有限公司，362400

茶葉的種類(lèi)不同，初制工藝存在一定差異，但萎凋和攤青、揉捻、干燥等工序設(shè)備可共用，而現(xiàn)有的茶葉初制自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)僅能實(shí)現(xiàn)1～2種茶類(lèi)的共線(xiàn)生產(chǎn)。為最大限度提高茶機(jī)設(shè)備的利用率，針對(duì)茶葉初加工工序多、作業(yè)量大的特點(diǎn)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外不同茶類(lèi)初加工工藝，本研究設(shè)計(jì)出適用于多種茶葉初加工的連續(xù)化、自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，用以紅茶、綠茶、烏龍茶、黑茶等茶葉的連續(xù)生產(chǎn)，為茶葉生產(chǎn)提供一定的裝備支持與理論依據(jù)。

一、主要結(jié)構(gòu)組成

該生產(chǎn)線(xiàn)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)茶葉自動(dòng)化、連續(xù)化、高效化加工的清潔生態(tài)型農(nóng)業(yè)裝備，是對(duì)現(xiàn)有茶葉生產(chǎn)加工方式集成創(chuàng)新的應(yīng)用產(chǎn)品，系統(tǒng)結(jié)合烏龍茶、紅茶、綠茶、黑茶等茶葉的傳統(tǒng)制作工藝，按照模塊化、可重構(gòu)的拼接設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用機(jī)械-電路-PLC控制的方式組成整個(gè)多茶類(lèi)茶葉初加工系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括自動(dòng)萎凋/攤青、搖青、殺青、冷卻回潮、揉捻、解塊篩末、發(fā)酵、渥堆、成型、炒干、烘干、輸送、傳感器、PLC控制等多個(gè)模塊。

二、主要工藝流程

在實(shí)際的茶葉初加工中，該生產(chǎn)線(xiàn)可根據(jù)不同茶葉工藝、茶葉生產(chǎn)規(guī)模等進(jìn)行匹配，主要工藝流程見(jiàn)圖1。

三、主要功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.全天候

利用自動(dòng)勻青裝置和溫控、速控裝置，結(jié)合風(fēng)能或者紅外線(xiàn)照射技術(shù)，能有效去除雨水青或鮮葉的表面水，無(wú)論晴天或者陰雨天，用該系統(tǒng)加工的茶葉品質(zhì)依據(jù)《烏龍茶 第2部分：鐵觀音》（GB/T 30357.2—2013）標(biāo)準(zhǔn)均達(dá)到一級(jí)水平以上（含一級(jí)），符合烏龍茶曬青萎凋工藝要求，是一項(xiàng)改變?yōu)觚埐琛翱刻熳霾琛鄙a(chǎn)局面的新技術(shù)。

2.自動(dòng)化

項(xiàng)目整套PLC自動(dòng)化控制技術(shù)和各種傳感器進(jìn)行加工條件的控制，可準(zhǔn)確控制制茶工藝的均衡流暢和溫度要求，具有自動(dòng)化程度高、操作維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 主要工藝流程圖

3.清潔化

系統(tǒng)通過(guò)微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行可視控制，實(shí)現(xiàn)茶葉加工全程不落地，有效解決茶葉加工生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的“二次污染”問(wèn)題。

4.模塊化，可重構(gòu)

采用“機(jī)械+電路+PLC控制”的可重構(gòu)模塊，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)，將整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行模塊化處理，整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)主要由計(jì)量模塊、控制模塊、輸送模塊、萎凋模塊、能源模塊、殺青模塊、揉捻模塊、烘干模塊、成型模塊、提香模塊和包裝模塊等構(gòu)成，能有效根據(jù)不同茶類(lèi)、不同生產(chǎn)規(guī)模、不同工藝等茶葉生產(chǎn)要求進(jìn)行匹配，使生產(chǎn)線(xiàn)更流暢，產(chǎn)量、成品率和制優(yōu)率均明顯提高。與傳統(tǒng)的單機(jī)生產(chǎn)相比具有生產(chǎn)效率高、能耗低、自動(dòng)化程度高、控制精度好、操作維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。

四、主要工序模塊介紹

1.萎凋/攤青模塊

鮮葉萎凋/攤青的主要機(jī)理：一是隨著水分的蒸發(fā)，茶葉表面細(xì)胞張力變小，葉、梗變軟，芽葉韌性增加；二是水分的散失會(huì)引起茶梢內(nèi)含物質(zhì)的化學(xué)變化，便于茶葉色、香、味品質(zhì)的形成。該模塊主要用于紅茶、烏龍茶、白茶、綠茶等茶類(lèi)的制作。

萎凋/攤青模塊由鮮葉提升裝置、勻料裝置、自動(dòng)萎凋機(jī)、熱風(fēng)輔熱萎凋裝置、翻堆輸送機(jī)、出料輸送機(jī)、溫度傳感器及PLC控制系統(tǒng)等組成（圖2），技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）鮮葉采摘完畢后由提升機(jī)與勻料航車(chē)的均勻布料，可根據(jù)鮮葉攤放的厚薄、鮮葉表面濕度、環(huán)境溫度來(lái)設(shè)置單位面積內(nèi)的鮮葉攤放量，保證批次鮮葉萎凋的均勻性。

（2）翻堆輸送機(jī)可針對(duì)大葉種茶葉進(jìn)行鮮葉翻堆，加快萎凋速度。

（3）針對(duì)高寒地區(qū)或者春茶茶季氣溫較低而導(dǎo)致萎凋耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，進(jìn)行熱風(fēng)輔助萎凋。

（4）同時(shí)采用模塊式、可重構(gòu)的拼接設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同安裝場(chǎng)地，不同批次茶青的處理量進(jìn)行個(gè)性化適配定制。

圖2 萎凋攤青模塊

2.做青模塊

做青是烏龍茶加工中最關(guān)鍵的工藝。做青模塊由鮮葉提升機(jī)、連續(xù)做青機(jī)、熱風(fēng)管道、出料輸送機(jī)、溫度傳感器、PLC控制系統(tǒng)等組成（圖3），技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）萎凋葉或攤青葉經(jīng)提升機(jī)輸送至連續(xù)做青機(jī)內(nèi)，可根據(jù)做青強(qiáng)度設(shè)置做青桶轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)次數(shù)、做青間隔時(shí)間、熱風(fēng)溫度等。

（2）做青機(jī)采用拼接組合的設(shè)計(jì)方式，可根據(jù)鮮葉配置合適數(shù)量的做青桶，進(jìn)一步加大批次鮮葉的處理量。

圖3 做青模塊

3.殺青模塊

茶葉殺青過(guò)程中，高溫?zé)犸L(fēng)可破壞和鈍化鮮葉中的氧化酶活性，抑制鮮葉中的茶多酚等的酶促氧化反應(yīng)，散發(fā)水分，使茶葉變軟，便于揉捻成型，同時(shí)促進(jìn)香氣物質(zhì)的形成。主要用于綠茶、烏龍茶、黑茶等茶類(lèi)的制作。

殺青模塊由殺青提升機(jī)、滾筒式連續(xù)殺青機(jī)、殺青出料輸送機(jī)、溫度傳感器、PLC控制系統(tǒng)組成（圖4），技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）滾筒式連續(xù)殺青機(jī)采用“前進(jìn)后出”的連續(xù)殺青方式，筒徑越大的殺青機(jī)每小時(shí)殺青量越大。

（2）現(xiàn)有的殺青機(jī)使用生物質(zhì)顆粒、燃?xì)?、燃油等熱值較高的燃料，通過(guò)對(duì)殺青溫度的精準(zhǔn)控制，配合殺青筒的連續(xù)翻轉(zhuǎn)，達(dá)到均勻殺青的效果。

圖4 殺青模塊

4.冷卻回潮模塊

冷卻回潮是綠茶加工的重要工藝，茶葉經(jīng)過(guò)高溫殺青后梗、葉失水不一致，葉片較干，經(jīng)過(guò)下一道揉捻工序時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量碎茶，碎茶在后續(xù)干燥過(guò)程中因失水較快而燒焦，影響茶葉香氣和口感。因此，綠茶殺青后需經(jīng)過(guò)攤放冷卻，待茶葉回潮變軟后再投入下一道工序。

冷卻回潮模塊由提升機(jī)、冷卻回潮機(jī)、出料輸送機(jī)、PLC控制系統(tǒng)組成（圖5），技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）冷卻回潮機(jī)底部設(shè)有風(fēng)冷裝置，通過(guò)冷風(fēng)降低殺青葉溫度，同時(shí)采用食品級(jí)聚酯網(wǎng)帶輸送，透氣效果較好。

（2）整機(jī)采用多層網(wǎng)帶式結(jié)構(gòu)，通過(guò)PLC控制傳輸速率及風(fēng)機(jī)強(qiáng)度，茶葉由上層網(wǎng)帶掉落至下層網(wǎng)帶，保證殺青葉均勻冷卻。

圖5 冷卻回潮模塊

5.揉捻模塊

揉捻的作用，一是使茶葉初步成型，二是使茶葉中的細(xì)胞破碎，茶汁流出。茶葉揉捻得越重，茶葉越不耐泡。揉捻模塊主要適用于紅茶、綠茶等的制作。

揉捻模塊由揉捻提升機(jī)、分料輸送機(jī)、自動(dòng)揉捻機(jī)、振動(dòng)出料輸送機(jī)、PLC控制系統(tǒng)組成（圖6），技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）在制葉通過(guò)揉捻提升機(jī)及分料輸送機(jī)輸送至各個(gè)揉捻筒內(nèi)，通過(guò)PLC控制揉蓋下壓壓力及揉桶回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，按照“輕—重—輕”的揉捻工藝要求，達(dá)到茶葉條索緊結(jié)均勻、揉捻品質(zhì)一致的目的。

（2）揉捻完畢后，自動(dòng)打開(kāi)下料蓋，揉捻葉掉落至振動(dòng)出料輸送機(jī)，可對(duì)揉捻葉進(jìn)行初步解塊打散。

圖6 揉捻模塊

6.解塊模塊

茶葉經(jīng)揉捻擠壓后會(huì)結(jié)成團(tuán)狀，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生些許碎茶。團(tuán)狀揉捻葉及碎茶會(huì)導(dǎo)致后續(xù)發(fā)酵、烘干、炒干工序中在制葉發(fā)酵不均勻、毛茶香氣不純等，影響茶葉最終品質(zhì)。

解塊模塊由解塊提升機(jī)、解塊篩末機(jī)、PLC控制系統(tǒng)組成（圖7）。解塊篩末機(jī)滾筒采用不銹鋼沖孔網(wǎng)板構(gòu)成，通過(guò)滾筒的連續(xù)回轉(zhuǎn)，將碎末篩出機(jī)體外，同時(shí)機(jī)體底部設(shè)有茶末回收箱體，便于茶末統(tǒng)一回收。

7.發(fā)酵模塊

發(fā)酵過(guò)程以茶多酚酶促氧化反應(yīng)為主，鮮葉中的化學(xué)成分變化較大，大多數(shù)茶多酚降解，茶黃素、茶紅素等成分增加。發(fā)酵是形成紅茶色、香、味品質(zhì)特征的關(guān)鍵性工序。

圖7 解塊模塊

發(fā)酵模塊由發(fā)酵提升機(jī)、勻料航車(chē)、發(fā)酵房體、自動(dòng)發(fā)酵機(jī)、超聲波加濕系統(tǒng)、自動(dòng)換氧裝置、溫濕度傳感裝置、排濕風(fēng)機(jī)及PLC控制系統(tǒng)組成（圖8），技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）紅茶自動(dòng)發(fā)酵機(jī)具有連續(xù)自動(dòng)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)。有別于傳統(tǒng)工夫紅茶人工渥堆發(fā)酵及國(guó)外單機(jī)渥堆發(fā)酵，本紅茶自動(dòng)發(fā)酵機(jī)具有邊發(fā)酵邊出料的連續(xù)作業(yè)模式。通過(guò)PLC來(lái)控制傳動(dòng)裝置、蒸汽裝置、超聲波裝置、換氣裝置和溫濕度傳感器等裝置，精準(zhǔn)控制發(fā)酵室的溫濕度、循環(huán)換氣時(shí)間等。同時(shí)，網(wǎng)帶式的儲(chǔ)料平臺(tái)加大了在制葉與空氣接觸面積，穩(wěn)定保持紅茶發(fā)酵所需環(huán)境條件，有利于茶葉品質(zhì)的提升。

（2）可將發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的富集水分排出機(jī)體之外。創(chuàng)新鏈條軌道具有排水作用，可將發(fā)酵完畢后產(chǎn)生的富集水分排出機(jī)體，防止機(jī)體受潮。同時(shí)排濕風(fēng)機(jī)可排干整個(gè)發(fā)酵機(jī)體內(nèi)的水分，防止非茶季時(shí)發(fā)酵機(jī)體內(nèi)受潮產(chǎn)生霉菌，污染發(fā)酵葉。

圖8 發(fā)酵模塊

8.渥堆模塊

渥堆是在濕熱環(huán)境下，通過(guò)酶促氧化與微生物作用，促進(jìn)茶葉內(nèi)含物質(zhì)的形成，減少苦澀味，使滋味變醇，消除青臭氣，發(fā)展特殊香氣。

渥堆模塊由渥堆提升機(jī)、分料輸送機(jī)、自動(dòng)渥堆槽、PLC控制系統(tǒng)組成（圖9），技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）揉捻葉通過(guò)渥堆提升機(jī)及分料輸送機(jī)均勻布料至渥堆槽內(nèi)，可通過(guò)控制分料輸送機(jī)的接料速率及勻料行程控制茶葉渥堆高度，保證批次茶葉發(fā)酵均勻。

（2）PLC控制系統(tǒng)通過(guò)變頻控制自動(dòng)渥堆機(jī)的渥堆時(shí)間，渥堆完畢后自動(dòng)出料。

圖9 渥堆模塊

9.烘干模塊

茶葉烘干是利用高溫在蒸發(fā)水分的同時(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)茶葉色、香、味的形成。烘干過(guò)程分初烘及復(fù)烘兩部分，是茶葉制作過(guò)程中必不可少的工序。

烘干模塊由烘干提升機(jī)、自動(dòng)鏈板式烘干機(jī)、烘干出料輸送機(jī)、溫度傳感器、PLC控制系統(tǒng)組成（圖10），技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）將茶葉均勻平鋪于鏈板帶上，由鏈輪傳動(dòng)裝置拖動(dòng)茶葉在烘干機(jī)內(nèi)往返移動(dòng)，同時(shí)熱風(fēng)進(jìn)行射流沖擊作用，水蒸氣從排濕孔中排出，去除水分，達(dá)到干燥。該模塊可以控制進(jìn)出氣體量、加熱溫度、物料干燥時(shí)間及加料速度以取得相對(duì)優(yōu)化的干燥效果。

圖10 烘干模塊

（2）設(shè)備配置靈活，可使大部分空氣循環(huán)利用，高度節(jié)省能源；獨(dú)特的分風(fēng)裝置，使熱風(fēng)分布更加均勻，確保產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。適用于紅茶、綠茶、烏龍茶的烘干作業(yè)。

10.炒干模塊

炒干使茶葉蒸發(fā)水分，茶條緊縮，同時(shí)使毛茶充分干燥，防止非酶促氧化，利于保持品質(zhì)，是條形茶制作過(guò)程中十分重要的工序。

炒干模塊由炒干提升機(jī)、滾筒式連續(xù)炒干機(jī)、炒干出料輸送機(jī)、PLC控制系統(tǒng)等組成（圖11），技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）在制葉經(jīng)提升機(jī)輸送至滾筒內(nèi)，滾筒內(nèi)設(shè)有3條20 cm高螺旋式導(dǎo)葉板，滾筒正轉(zhuǎn)帶動(dòng)茶葉連續(xù)反轉(zhuǎn)，滾炒成條形，同時(shí)輔以滾筒高溫，茶葉水分進(jìn)一步蒸發(fā)，使茶葉條形更緊結(jié)。

（2）炒干完畢后，滾筒反轉(zhuǎn)帶動(dòng)茶葉快速出料，減少滾筒內(nèi)茶葉滯留。

圖11 炒干模塊

五、發(fā)展前景

該多茶類(lèi)茶葉初加工自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)極大地提升了烏龍茶、紅茶、綠茶以及其他各類(lèi)茶葉的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，提高茶葉品質(zhì)；推動(dòng)茶產(chǎn)業(yè)向信息化、數(shù)字化、智能化等高科技領(lǐng)域的延伸，向“高、精、尖”發(fā)展，實(shí)現(xiàn)茶業(yè)的提質(zhì)增效，激發(fā)從事茶行業(yè)的積極性，實(shí)現(xiàn)了茶葉加工機(jī)械的進(jìn)口替代與出口創(chuàng)匯，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，發(fā)展前景十分良好。