多茶类茶叶初加工自动化生产线模块化设计

陈加友，江进福，陈英勇，郭光侯

1.福建省安溪茶业职业技术学校，362435；2.福建佳友茶叶机械智能科技股份有限公司，362400

茶叶的种类不同，初制工艺存在一定差异，但萎凋和摊青、揉捻、干燥等工序设备可共用，而现有的茶叶初制自动化生产线仅能实现1～2种茶类的共线生产。为最大限度提高茶机设备的利用率，针对茶叶初加工工序多、作业量大的特点，根据国内外不同茶类初加工工艺，本研究设计出适用于多种茶叶初加工的连续化、自动化生产线，用以红茶、绿茶、乌龙茶、黑茶等茶叶的连续生产，为茶叶生产提供一定的装备支持与理论依据。

一、主要结构组成

该生产线是一种能够实现茶叶自动化、连续化、高效化加工的清洁生态型农业装备，是对现有茶叶生产加工方式集成创新的应用产品，系统结合乌龙茶、红茶、绿茶、黑茶等茶叶的传统制作工艺，按照模块化、可重构的拼接设计思路，应用机械-电路-PLC控制的方式组成整个多茶类茶叶初加工系统，系统主要包括自动萎凋/摊青、摇青、杀青、冷却回潮、揉捻、解块筛末、发酵、渥堆、成型、炒干、烘干、输送、传感器、PLC控制等多个模块。

二、主要工艺流程

在实际的茶叶初加工中，该生产线可根据不同茶叶工艺、茶叶生产规模等进行匹配，主要工艺流程见图1。

三、主要功能及结构特点

1.全天候

利用自动匀青装置和温控、速控装置，结合风能或者红外线照射技术，能有效去除雨水青或鲜叶的表面水，无论晴天或者阴雨天，用该系统加工的茶叶品质依据《乌龙茶 第2部分：铁观音》（GB/T 30357.2—2013）标准均达到一级水平以上（含一级），符合乌龙茶晒青萎凋工艺要求，是一项改变乌龙茶“靠天做茶”生产局面的新技术。

2.自动化

项目整套PLC自动化控制技术和各种传感器进行加工条件的控制，可准确控制制茶工艺的均衡流畅和温度要求，具有自动化程度高、操作维护简便的优点。

图1 主要工艺流程图

3.清洁化

系统通过微机系统进行可视控制，实现茶叶加工全程不落地，有效解决茶叶加工生产过程产生的“二次污染”问题。

4.模块化，可重构

采用“机械+电路+PLC控制”的可重构模块，运用模块化设计技术、自动化控制技术，将整个生产线进行模块化处理，整个生产线主要由计量模块、控制模块、输送模块、萎凋模块、能源模块、杀青模块、揉捻模块、烘干模块、成型模块、提香模块和包装模块等构成，能有效根据不同茶类、不同生产规模、不同工艺等茶叶生产要求进行匹配，使生产线更流畅，产量、成品率和制优率均明显提高。与传统的单机生产相比具有生产效率高、能耗低、自动化程度高、控制精度好、操作维护简便的优点。

四、主要工序模块介绍

1.萎凋/摊青模块

鲜叶萎凋/摊青的主要机理：一是随着水分的蒸发，茶叶表面细胞张力变小，叶、梗变软，芽叶韧性增加；二是水分的散失会引起茶梢内含物质的化学变化，便于茶叶色、香、味品质的形成。该模块主要用于红茶、乌龙茶、白茶、绿茶等茶类的制作。

萎凋/摊青模块由鲜叶提升装置、匀料装置、自动萎凋机、热风辅热萎凋装置、翻堆输送机、出料输送机、温度传感器及PLC控制系统等组成（图2），技术特点如下。

（1）鲜叶采摘完毕后由提升机与匀料航车的均匀布料，可根据鲜叶摊放的厚薄、鲜叶表面湿度、环境温度来设置单位面积内的鲜叶摊放量，保证批次鲜叶萎凋的均匀性。

（2）翻堆输送机可针对大叶种茶叶进行鲜叶翻堆，加快萎凋速度。

（3）针对高寒地区或者春茶茶季气温较低而导致萎凋耗时较长的问题，进行热风辅助萎凋。

（4）同时采用模块式、可重构的拼接设计结构，可根据不同安装场地，不同批次茶青的处理量进行个性化适配定制。

图2 萎凋摊青模块

2.做青模块

做青是乌龙茶加工中最关键的工艺。做青模块由鲜叶提升机、连续做青机、热风管道、出料输送机、温度传感器、PLC控制系统等组成（图3），技术特点如下。

（1）萎凋叶或摊青叶经提升机输送至连续做青机内，可根据做青强度设置做青桶转速、回转次数、做青间隔时间、热风温度等。

（2）做青机采用拼接组合的设计方式，可根据鲜叶配置合适数量的做青桶，进一步加大批次鲜叶的处理量。

图3 做青模块

3.杀青模块

茶叶杀青过程中，高温热风可破坏和钝化鲜叶中的氧化酶活性，抑制鲜叶中的茶多酚等的酶促氧化反应，散发水分，使茶叶变软，便于揉捻成型，同时促进香气物质的形成。主要用于绿茶、乌龙茶、黑茶等茶类的制作。

杀青模块由杀青提升机、滚筒式连续杀青机、杀青出料输送机、温度传感器、PLC控制系统组成（图4），技术特点如下。

（1）滚筒式连续杀青机采用“前进后出”的连续杀青方式，筒径越大的杀青机每小时杀青量越大。

（2）现有的杀青机使用生物质颗粒、燃气、燃油等热值较高的燃料，通过对杀青温度的精准控制，配合杀青筒的连续翻转，达到均匀杀青的效果。

图4 杀青模块

4.冷却回潮模块

冷却回潮是绿茶加工的重要工艺，茶叶经过高温杀青后梗、叶失水不一致，叶片较干，经过下一道揉捻工序时会产生大量碎茶，碎茶在后续干燥过程中因失水较快而烧焦，影响茶叶香气和口感。因此，绿茶杀青后需经过摊放冷却，待茶叶回潮变软后再投入下一道工序。

冷却回潮模块由提升机、冷却回潮机、出料输送机、PLC控制系统组成（图5），技术特点如下。

（1）冷却回潮机底部设有风冷装置，通过冷风降低杀青叶温度，同时采用食品级聚酯网带输送，透气效果较好。

（2）整机采用多层网带式结构，通过PLC控制传输速率及风机强度，茶叶由上层网带掉落至下层网带，保证杀青叶均匀冷却。

图5 冷却回潮模块

5.揉捻模块

揉捻的作用，一是使茶叶初步成型，二是使茶叶中的细胞破碎，茶汁流出。茶叶揉捻得越重，茶叶越不耐泡。揉捻模块主要适用于红茶、绿茶等的制作。

揉捻模块由揉捻提升机、分料输送机、自动揉捻机、振动出料输送机、PLC控制系统组成（图6），技术特点如下。

（1）在制叶通过揉捻提升机及分料输送机输送至各个揉捻筒内，通过PLC控制揉盖下压压力及揉桶回转转速，按照“轻—重—轻”的揉捻工艺要求，达到茶叶条索紧结均匀、揉捻品质一致的目的。

（2）揉捻完毕后，自动打开下料盖，揉捻叶掉落至振动出料输送机，可对揉捻叶进行初步解块打散。

图6 揉捻模块

6.解块模块

茶叶经揉捻挤压后会结成团状，同时会产生些许碎茶。团状揉捻叶及碎茶会导致后续发酵、烘干、炒干工序中在制叶发酵不均匀、毛茶香气不纯等，影响茶叶最终品质。

解块模块由解块提升机、解块筛末机、PLC控制系统组成（图7）。解块筛末机滚筒采用不锈钢冲孔网板构成，通过滚筒的连续回转，将碎末筛出机体外，同时机体底部设有茶末回收箱体，便于茶末统一回收。

7.发酵模块

发酵过程以茶多酚酶促氧化反应为主，鲜叶中的化学成分变化较大，大多数茶多酚降解，茶黄素、茶红素等成分增加。发酵是形成红茶色、香、味品质特征的关键性工序。

图7 解块模块

发酵模块由发酵提升机、匀料航车、发酵房体、自动发酵机、超声波加湿系统、自动换氧装置、温湿度传感装置、排湿风机及PLC控制系统组成（图8），技术特点如下。

（1）红茶自动发酵机具有连续自动发酵的优点。有别于传统工夫红茶人工渥堆发酵及国外单机渥堆发酵，本红茶自动发酵机具有边发酵边出料的连续作业模式。通过PLC来控制传动装置、蒸汽装置、超声波装置、换气装置和温湿度传感器等装置，精准控制发酵室的温湿度、循环换气时间等。同时，网带式的储料平台加大了在制叶与空气接触面积，稳定保持红茶发酵所需环境条件，有利于茶叶品质的提升。

（2）可将发酵过程中产生的富集水分排出机体之外。创新链条轨道具有排水作用，可将发酵完毕后产生的富集水分排出机体，防止机体受潮。同时排湿风机可排干整个发酵机体内的水分，防止非茶季时发酵机体内受潮产生霉菌，污染发酵叶。

图8 发酵模块

8.渥堆模块

渥堆是在湿热环境下，通过酶促氧化与微生物作用，促进茶叶内含物质的形成，减少苦涩味，使滋味变醇，消除青臭气，发展特殊香气。

渥堆模块由渥堆提升机、分料输送机、自动渥堆槽、PLC控制系统组成（图9），技术特点如下。

（1）揉捻叶通过渥堆提升机及分料输送机均匀布料至渥堆槽内，可通过控制分料输送机的接料速率及匀料行程控制茶叶渥堆高度，保证批次茶叶发酵均匀。

（2）PLC控制系统通过变频控制自动渥堆机的渥堆时间，渥堆完毕后自动出料。

图9 渥堆模块

9.烘干模块

茶叶烘干是利用高温在蒸发水分的同时，进一步促进茶叶色、香、味的形成。烘干过程分初烘及复烘两部分，是茶叶制作过程中必不可少的工序。

烘干模块由烘干提升机、自动链板式烘干机、烘干出料输送机、温度传感器、PLC控制系统组成（图10），技术特点如下。

（1）将茶叶均匀平铺于链板带上，由链轮传动装置拖动茶叶在烘干机内往返移动，同时热风进行射流冲击作用，水蒸气从排湿孔中排出，去除水分，达到干燥。该模块可以控制进出气体量、加热温度、物料干燥时间及加料速度以取得相对优化的干燥效果。

图10 烘干模块

（2）设备配置灵活，可使大部分空气循环利用，高度节省能源；独特的分风装置，使热风分布更加均匀，确保产品品质的一致性。适用于红茶、绿茶、乌龙茶的烘干作业。

10.炒干模块

炒干使茶叶蒸发水分，茶条紧缩，同时使毛茶充分干燥，防止非酶促氧化，利于保持品质，是条形茶制作过程中十分重要的工序。

炒干模块由炒干提升机、滚筒式连续炒干机、炒干出料输送机、PLC控制系统等组成（图11），技术特点如下。

（1）在制叶经提升机输送至滚筒内，滚筒内设有3条20 cm高螺旋式导叶板，滚筒正转带动茶叶连续反转，滚炒成条形，同时辅以滚筒高温，茶叶水分进一步蒸发，使茶叶条形更紧结。

（2）炒干完毕后，滚筒反转带动茶叶快速出料，减少滚筒内茶叶滞留。

图11 炒干模块

五、发展前景

该多茶类茶叶初加工自动化生产线极大地提升了乌龙茶、红茶、绿茶以及其他各类茶叶的自动化生产水平，提高茶叶品质；推动茶产业向信息化、数字化、智能化等高科技领域的延伸，向“高、精、尖”发展，实现茶业的提质增效，激发从事茶行业的积极性，实现了茶叶加工机械的进口替代与出口创汇，产生了良好的经济社会效益，发展前景十分良好。