金花菌茶自动发酵室的初步设计

袁碧枫，贾磊，韩坤，林柳风，付深振，王斌，李晓军

（杭州艺福堂茶业有限公司，浙江杭州 310052）

金花菌茶自动发酵室的初步设计

袁碧枫，贾磊，韩坤，林柳风，付深振，王斌*，李晓军

（杭州艺福堂茶业有限公司，浙江杭州 310052）

文章介绍了金花菌茶自动发酵室的接种系统、控温控湿系统和通风系统三大模块以及金花菌茶的灭菌、接种、发酵和干燥时的各项参数、程序设计和布局设计。该发酵室生产效率高，冠突散囊菌能够在无杂菌的环境下稳定、连续化发酵，对各地建立金花菌茶发酵室具有指导意义。

接种系统；控温控湿系统；通风系统；PLC控制

我国茶叶资源丰富，且近年来茶叶种植面积不断扩大，据统计，2015年我国茶叶种植面积达287.73万公顷，干毛茶产量227.8万吨，国内茶叶市场处于供过于求的状态，同时国外出口茶叶要求越来越严格，再加上当前宏观经济环境及消费市场的影响，每年有大量茶叶特别是大宗绿茶滞销，长时间贮存后品质劣变，造成大量资源浪费。因此对大宗绿茶进行综合加工，提高其附加值，减少资源浪费成为关注热点。

冠突散囊菌俗称“金花菌”，它是茯砖茶上的独特微生物，它的多寡是反映茯砖茶品质的重要指标。近年来，研究人员从细胞、动物和基因水平证明了金花菌发酵物提取物或其孢子粉有多种保健功效[1]。冠突散囊菌能提升茶叶附加值，杭州艺福堂茶叶有限公司在大宗绿茶中接种冠突散囊菌并发酵，得到品质优异的发酵茶。本设计针对茶叶接种金花菌发酵工艺要求，设计出适合批量生产的金花菌茶发酵室，以实现一定的市场价值[2-4]。

1 系统总体设计方案

考虑到金花菌茶加工的特殊工艺要求，根据发酵过程中需要灭菌、接种、发酵和干燥四个环节，将本发酵室设计分为接种系统、控温控湿系统和通风系统三大模块，它们的功能如图1所示。根据三大模块功能需要，对发酵室结构进行设计[5]。

图1 自动发酵室系统与功能对应关系Fig.1 Corresponding relations between system and function of automatic fermenting cellar

1.1 接种系统

由于该工艺被接种的物料是茶叶，冠突散囊菌液需要均匀撒在茶叶的表面，并且能有一定的渗透性。针对该工艺的需求，本发酵室设计了可移动式的淋撒喷头，保证接种的均匀性，使冠突散囊菌在茶叶表面均匀生长，提高产品质量。

1.2 控温控湿系统

该系统将应用在每个环节上。在灭菌环节中采用水蒸气高温灭菌，灭菌对象包括发酵室内部空间与被接种的茶叶，根据不同种类茶叶的灭菌温湿度需要，进行定量控制；在接种环节，需要降低温度，保持适度湿度；在发酵环节，将发酵室内部气体温度保持在24~30℃，控制湿度在60%~ 70%。在干燥阶段该系统主要通过降低湿度升高温度至不同茶类的干燥标准值，提供冠突散囊菌适宜的繁殖环境。

1.3 通风系统

发酵过程中要求在无菌条件下进行，由于冠突散囊菌是好氧型真菌，发酵室内需要通入无菌空气进行循环。要求发酵室内部有进出气管道并保持发酵室的气压稳定[6]。以这三个系统的功能要求为前提，对冠突散囊菌茶发酵室进行合理的布局与设计。

2 参数计算

2.1 发酵室的内部设计

本设计目标批次产量在100 kg左右，以冠突散囊菌的实验室发酵条件为参考，取干茶平摊每平方米约为650~750 g，可得所需摊茶面积大约在133~153 m2左右[7]。

为降低生产成本，提高经济效益，对现有建筑进行改造。由于现有发酵室平面面积不超过63 m2，房屋高度约3 m，结合传统红茶发酵摊叶层数为4~7层的文献资料，在充分考虑人工操作的便捷性和接种系统的空间要求等综合因素的基础上，发酵室摊叶层数设计为5层，单层摊叶所需面积约为26.6~30.6 m2，合计总摊茶面积在150 m2左右。每层设计4个摊叶槽，摊叶槽宽度1 m左右，槽长7.5 m，可达到批次产量100 kg的要求。

2.2 灭菌参数计算

为了能迅速杀死发酵室内的杂菌，灭菌采用水蒸气高压灭菌法。该方法一般是指在102.97~ 137.30 kPa时，温度可达121~126℃，维持15~ 30 min可达到灭菌目的，根据查表所得该情况下最大水蒸气密度约为0.8 kg/m3，而由发酵室基本尺寸可得其内部容积约为189 m3，故选择蒸汽发生量在150 kg/h以上产量的蒸发器较为合适。

为提高水蒸气的利用率和缩短灭菌时间，在灭菌时先送入热风迅速上升空气温度，再通入混合的水蒸气和热风。当灭菌完成时，热风机关闭加热功能，送入无菌冷风进行排湿。

2.3 接种参数计算

为使干茶得到均匀的接种效果，发酵室采用可移动式的接种系统。根据实验室所培养的金花菌液浓度（1×108~5×108个/mL），接菌液量为每公斤干茶所需150~300 mL较为适宜，因此需要菌液总量在15~30 L左右，每个茶槽需要量在0.75~ 1.5 L。为了降低整条茶槽架的高度，选用喷洒角度较大的扇形喷头，最大角度在140°，喷头嘴高度为0.18 m，故取层高为0.3 m。根据发酵室结构，一共需要20个扇形喷头，为了降低水泵压力，选取喷流量为4 L/min，每个喷头压力值为4bar[9]。以接种菌液量1.5 L和槽长7.5 m为标准，计算得出接种所需最长时间为22.5 s，喷头移动速度为0.33 m/s。接种喷头在电机的牵引作用下做匀速直线运动，可选择市面上现有的防潮耐高温的100 W低转速电动机。

为了保证无杂菌，尤其是霉菌的干扰，对发酵室进出管道线路要严格采取密封处理。在接种的过程中，20只喷头总共所需泵压约为80 bar，该值以现有的单体泵设备条件很少能达到压强要求，同时会大幅增加设计成本，故采用多泵并联，分四条管道同时输入菌种液。

2.4 发酵参数计算

在长时间的发酵过程中，本设计方案主要通过送入热风给发酵室提供热量。相对于其他供热方法，该方式具有建设成本低，设备维护方便和控制灵活性好等优点。金花菌茶发酵的合理温度范围在24~30℃，属于常温稍偏高的温度范围，茶叶发酵过程本身会产生一定热量，为发酵室增温，因此热风机风量应视温湿度变化而调节。热风机的上限功率应根据灭菌和干燥阶段的要求而定。

2.5 干燥参数的设计

在干燥阶段，依靠热风机送入热量，此时能耗要求最高，烘干起始温度要达到130℃左右保持10~15 min，并随着时间的延长，温度下降至80℃左右。温度由高到低，风速保持不变，发酵室内部体积大约为180 m3，故选取功率在50 kW，最大送风量可达40 m3/min的热风机[8]。

3 发酵室的程序设计

3.1 PLC模块选择

生产金花菌茶发酵室的工作流程为：灭菌20 min→接种2 min→发酵4~5 d→干燥2~3 h。根据工艺需要，如图2所示，使发酵室程序连续化运行，本设计采用西门子S7-200 PLC处理单元，体积灵活小巧，处理速度0.8~1.2 ms，数字量248点；模拟量35路，并配以两块数字量输入模块，接收从控制面板上的手动调节信号和传感器上输送信号，再配另一块数字量输出模块用来传输给显示屏的上的指示灯信号。利用PLC的多I/O触角模块，输出端的信号通过A/D转化电路分别分配给水蒸气发生器、热风机和电动机。S7-200的时钟精度典型值是2 min/月 （25℃），最大误差7 min/月（0~55℃）。为了提高运算效率，应当避免每个程序周期都读取外置实时时钟进行校准，预设最低读取间时钟间隔为1 min，利用编程连接Set-RTC可以通过编程实现时钟设置，结合事实时钟，以从灭菌开始为相对基准时间，根据工艺所需流程进行时钟编程[10-11]。

图2 自动发酵室控制调节流程Fig.2 The automatic fermenting cellar control and adjust process

3.2 发酵阶段恒温恒湿调节的系统设计

控制系统精度要求温度≤2℃，湿度小于≤3%。恒温恒湿系统按照功能要求分为主程序以及5个子程序，主程序包括初始化、运行启动、运行停机、预设运转时数运行。子程序包括温度和湿度的采样及模拟量计算、热风机的控制、水蒸气发生器的控制、定时控制、温度控制、故障报警处理[12-14]。

在PLC编程时，为了防止调节系统里鼓风机和水蒸气发生装置的频繁启动与停止，延长使用寿命，同时对风机电路设置延时开关的保护程序，必须先打开风机，才能启动蒸发器，在蒸发器关闭后才能停止风机的运行；对温度和湿度向进行检测器的模糊范围值设定，发酵温度设置在27±5℃，湿度在70±10%范围内启动和停止运行，其控制逻辑如图3所示。

图3 控温控湿系统控制逻辑Fig.3 Temperature and wet system control logic

4 发酵室整体布局设计

如图4所示，发酵室上方为热风与水蒸气管道入口，水蒸气管道从热风管道的中间进入，防止水蒸气倒吸损坏热风机。菌液管道分四路分别从发酵室顶部通入，在发酵室内部分通过金属软管与接种架上菌液管相连通。接种架底部装有滚轮，在起始位置有静态防移动块，避免在接种开始前接种架在菌液管道重力牵引下移动，驶离起始位置。接种架移动速度需要实体进行调试，根据调整电动机输入电压值的变化而改变牵引速度，得到最适合的工作电压[15]。

为了得到较为精准的温湿度数据，选取各具代表性的点位安装温湿度一体检测器，并对数据进行平均处理，得到相对科学的检测数据。在不同的高度下发酵室温湿度差距最明显，同时根据置物架的离地高度（40~180 cm之间），将检测器分布设在放置茶叶的物料区域范围内。在横向空间上，根据对进口和出口造成的温湿度梯度差异，分别在前后各设安装点位。考虑到实际操作中线路铺设与安装的需要，检测器通常安装在墙面上，防止线路受高温的影响而迅速老化。为了体现检测数据的更加准确，发酵室采用耐高温线，将检测器分点安装在置物架上，线路沿着架体铺向地面，与电动机线路混合连接到发酵室外部，具体位置如图4所示。

从发酵室外通入的管道均设有固定和密封处理，气密性建设达到无菌发酵的要求。发酵室门上设有观察窗，方便工作人员观察发酵情况。发酵室风机进气端连有空气过滤器。发酵室底部设有出气管道，管道尾部也与空气过滤器相连。

5 总结

相比较传统的冠突散囊菌的发酵室，冠突散囊菌自动发酵室集合了灭菌、接种、发酵和干燥四项功能，对现有小型厂房进行改造，63平方米的厂房月生产能力可达500 kg以上，对提高产量有很大的促进作用。本项设计降低了生产成本和生产周期。

图4 金花菌茶自动发酵室俯视图和侧视图Fig.4 Vertical view and side view of the the automatic fermenting cellar

本发酵室目前仅为初步试验阶段，在实际的设计过程中，往往要根据现有建筑进行量身改造发酵室。发酵环节通过风机关闭加热功能开启常温送风来满足菌体基本的呼吸需要，茶叶发酵的呼吸速率与含氧量的相关性研究、最适宜含氧量、最佳工艺控制点的研究都有待于进一步试验。

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

YUAN Bi-feng，JIA Lei，HAN kun，LIN Liu-feng，FU 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

中国茶叶加工 2016（6）:32-36

2016-04-27

农业科研攻关专项（20140432B36）

袁碧枫（1989-），男，浙江诸暨人，硕士研究生，主要从事茶叶品质控制等相关工作。

*通讯作者：wangb@efuton.com