工業(yè)化咖啡生產(chǎn)工藝

◎楊 茜

（江蘇艾瑞禾工程技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214000）

1 咖啡的傳統(tǒng)生產(chǎn)分析和工業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展前景

咖啡主要分布在以赤道為中心，南緯25°至北緯25°的熱帶地區(qū)，約有70 個國家種植咖啡。在歐洲，咖啡是傳統(tǒng)的日常飲品。成熟的咖啡果實(shí)是一種外表紅色的果子（見圖1），通過日曬法（見圖2）或者水洗法（見圖3）去除果皮得到生豆。在去除果皮的過程中，容易混入小石子、灰塵、未處理干凈的果皮等雜質(zhì)。處理雜質(zhì)的過程繁雜，嚴(yán)重依賴人工，效率低下。

圖1 咖啡果實(shí)圖

圖2 日曬法現(xiàn)場圖

圖3 水洗法現(xiàn)場圖

烘焙咖啡用具分為家用型（見圖4）、店面型（見圖5）、工廠型（見圖6），樣式也從簡單、量少發(fā)展到結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但是依舊產(chǎn)量不大，且人工操作導(dǎo)致批次咖啡品質(zhì)有差異。

圖4 家用型烘焙器具圖

圖5 店面用烘焙用具圖

圖6 工廠用烘焙機(jī)圖

隨著生活、工作節(jié)奏的加快，咖啡逐漸成為年輕一代的日常生活飲品。雖然目前我國消費(fèi)咖啡的量不大，但是我國咖啡消費(fèi)量正在逐年上升，潛在的咖啡消費(fèi)者為2 億～2.2 億人。近年來，我國也在發(fā)展自己獨(dú)特的咖啡文化和咖啡產(chǎn)業(yè)鏈，其中云南咖啡以優(yōu)良的品質(zhì)和高性價(jià)比的價(jià)格，積極推動著中國咖啡行業(yè)的蓬勃發(fā)展[1]。在這樣的背景下，自動化、機(jī)械化的咖啡生產(chǎn)線應(yīng)運(yùn)而生，且數(shù)量和規(guī)模也在不斷發(fā)展以滿足不斷增長的市場需求。

2 生豆處理工藝流程

咖啡生豆包含了咖啡生豆接收、除雜、色選、稱重和入倉5 個環(huán)節(jié)，整體流程如圖7所示[2]。

圖7 咖啡生豆處理生產(chǎn)工藝流程圖

2.1 生豆接收

生豆接收如圖8所示。生豆包裝分為噸袋和袋包裝兩種。針對噸袋來料，可以設(shè)置噸袋卸料裝置，人工操作電動葫蘆將噸袋提升移動到卸料區(qū)域。然后人工打開噸袋，生豆下墜入卸料斗；采用小包裝的咖啡生豆時，可以人工搬運(yùn)到人工投料斗附近，拆袋倒入人工投料斗。

圖8 生豆接收流程圖

2.2 生豆除雜

生豆除雜過程如圖9所示。①利用石子與生豆比重不同，采用去石機(jī)剔除小石子。②利用灰塵與生豆粒徑大小不同，采用振動篩配合吸風(fēng)道去除灰塵等輕雜。

圖9 生豆除雜流程圖

2.3 生豆色選

生豆色選流程如圖10所示。在水洗或者日曬過程中，有些咖啡果子產(chǎn)生霉變，可以通過顏色差異，采用色選機(jī)剔除發(fā)霉粒和不合格生豆。

圖10 生豆色選流程圖

2.4 生豆稱重

經(jīng)過前道工序之后，稱重記錄生豆凈重，如圖11所示。

圖11 生豆稱重流程圖

2.5 生豆入倉

生豆通過輸送設(shè)備進(jìn)入生豆倉儲存，如圖12所示。

圖12 生豆入倉流程圖

3 熟豆處理工藝流程

咖啡生豆需要經(jīng)過烘焙、粉碎研磨，使豆內(nèi)的活性物質(zhì)被分解從而形成熟咖啡豆的特殊風(fēng)味[3]。熟豆處理工藝包含輸送、烘焙、入倉、拼配、混合、粉碎和打包7 個過程，整體工藝流程如圖13所示。

圖13 熟豆處理工藝流程圖

3.1 氣力輸送

采用氣力輸送方式將生豆輸送到烘焙機(jī)，如圖14所示。氣力輸送工作原理是通過羅茨風(fēng)機(jī)供氣，氣與物料充分混合，氣源以一定的速度帶動生豆運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)是殘留量少、破損率低，缺點(diǎn)是能耗大[4]。

圖14 氣力輸送示意圖

3.2 烘焙

咖啡生豆本身并沒有咖啡香，反而有一種刺鼻的土腥味。當(dāng)生豆暴露在高溫條件下，生豆體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生變化，從而使咖啡豆產(chǎn)生了芳香類氣味。烘焙才是讓咖啡產(chǎn)生迷人香味的關(guān)鍵所在?？Х群姹哼^程中，咖啡豆發(fā)生的變化如圖15所示。

咖啡豆烘焙前后物理特性變化如表 1所示。

表1 咖啡豆烘焙前后物理特性表

咖啡豆顏色變化隨著烘焙溫度升高、烘焙時間延長變化如圖16所示，對應(yīng)烘焙曲線如圖17所示。

圖16 咖啡豆顏色變化圖

圖17 咖啡豆烘焙曲線圖

美國精品咖啡協(xié)會SCAA 建議可采用焦糖化數(shù)值來界定烘焙度，如圖18所示。

圖18 焦糖化數(shù)值與烘焙程度對應(yīng)圖

3.3 入熟豆倉

工廠生產(chǎn)咖啡時往往需要用到多品種的咖啡豆。可采用機(jī)械輸送配合旋轉(zhuǎn)分配器實(shí)現(xiàn)入多個熟豆倉。

3.4 拼配稱量

熟豆倉的熟豆出倉后按配比拼配（如圖19所示）后再輸送到后道工序。

圖19 咖啡豆拼配圖

3.5 混合

拼配后的批次熟豆，經(jīng)過混合機(jī)可提高熟豆的混合均勻度。

3.6 粉碎

粉碎的目的是將顆粒的咖啡豆粉碎成一定細(xì)度的咖啡粉。為保證粉碎機(jī)入口處物料的穩(wěn)定，粉碎機(jī)上方設(shè)置一個緩沖倉。同時以防金屬零部件進(jìn)入粉碎機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)部，產(chǎn)生火花，需要在粉碎機(jī)入口處設(shè)置一個金檢裝置。

3.7 打包機(jī)

烘焙后的咖啡豆很容易被空氣中的氧氣氧化，體內(nèi)的芳香類物質(zhì)也容易揮發(fā)、體內(nèi)的油質(zhì)容易劣化。因此為了保持咖啡豆/咖啡粉的品質(zhì)，需要適時的將咖啡豆和咖啡粉打包。

4 工藝流程的自動化控制

4.1 硬件設(shè)計(jì)

PLC 控制系統(tǒng)主要包括輸入和輸出電路兩個部分[5]，其原理如圖20所示。

圖20 自動化控制過程原理簡圖

4.1.1 檢測器

本工藝包含了多種檢測器，常用的有料位計(jì)、壓力表。料位計(jì)檢測咖啡斗在倉內(nèi)的物料多少、壓力表檢測羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)行壓力大小、電壓電流檢測儀表將設(shè)備電機(jī)運(yùn)行的各類數(shù)據(jù)。

4.1.2 控制器

檢測器傳輸數(shù)據(jù)匯入控制器PLC，PLC 進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算或者人工面板操作發(fā)送指令。

4.1.3 執(zhí)行器

接收PLC 指令，通過電磁閥、電機(jī)控制設(shè)備的開關(guān)和運(yùn)停，從而實(shí)現(xiàn)咖啡生產(chǎn)線設(shè)備的有序運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)需要將工藝流程充分納入考慮范圍，編寫程序，促使軟件功能得到實(shí)現(xiàn)。

4.2.1 生豆清理啟動

當(dāng)生豆倉內(nèi)咖啡豆的高度低于倉底料位計(jì)的高度時，生豆倉低料位給出一個反饋信號，如圖21所示。此時，意味著倉內(nèi)的咖啡豆的量不足以保證后面熟豆處理生產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)，需要啟動前面投料、清理、色選、秤量、入倉程序。因除塵系統(tǒng)是貫穿整個生產(chǎn)周期的，控制系統(tǒng)首先啟動除塵系統(tǒng)，如圖22所示。

圖21 低料位圖

圖22 除塵系統(tǒng)圖

4.2.2 生豆清理停止

當(dāng)生豆倉內(nèi)咖啡豆的高度高于倉頂料位計(jì)的高度時，該料位計(jì)給出一個反饋信號，如圖23所示。此時意味著倉內(nèi)的咖啡豆的量已經(jīng)達(dá)到了倉容量的極限，需要順序關(guān)停投料、清理、色選、秤量、入倉程序。因除塵系統(tǒng)（圖22）是貫穿整個生產(chǎn)周期的，控制系統(tǒng)最后關(guān)停除塵系統(tǒng)。

圖23 倉頂料位計(jì)圖

4.2.3 熟豆入倉啟動

當(dāng)熟豆倉內(nèi)咖啡豆的高度低于倉底料位計(jì)的高度時，熟豆倉低料位給出一個反饋信號，如圖24所示。此時意味著倉內(nèi)的熟咖啡豆的量不足以保證后面打包的連續(xù)生產(chǎn)，需要啟動前面輸送、烘焙、入倉程序。

圖24 熟豆倉低料位圖

4.2.4 熟豆入倉停止

當(dāng)熟豆倉內(nèi)咖啡豆的高度高于倉頂料位計(jì)的高度時，該料位計(jì)給出一個反饋信號，如圖25所示。此時意味著倉內(nèi)的咖啡豆的量已經(jīng)達(dá)到了倉容量的極限，需要順序關(guān)停輸送、烘焙、入倉程序。

圖25 熟豆倉高料位圖

4.2.5 熟豆出倉啟動

當(dāng)緩沖倉低料位（圖26） 給出空倉信號，啟動前面混合、輸送、拼配程序，如圖27所示。

圖26 緩沖倉高低料位圖

圖27 拼配、輸送圖

4.2.6 熟豆出倉停止

緩沖倉高料位（圖26）給出滿倉信號時，順序關(guān)停前面混合、輸送、拼配程序（圖27）。

4.2.7 打包啟動

當(dāng)緩沖倉低料位（圖26）顯示倉內(nèi)有料時，可啟動打包、粉碎程序，如圖28所示。

圖28 打包、粉碎圖

4.2.8 打包停止

當(dāng)打包機(jī)低料給出空倉信號時，順序關(guān)停打包、粉碎程序，如圖28所示。

5 結(jié)語

咖啡在中國國內(nèi)的發(fā)展前景可觀，工業(yè)化、自動化生產(chǎn)是趨勢。