工业化咖啡生产工艺

◎杨 茜

（江苏艾瑞禾工程技术有限公司，江苏 无锡 214000）

1 咖啡的传统生产分析和工业化生产发展前景

咖啡主要分布在以赤道为中心，南纬25°至北纬25°的热带地区，约有70 个国家种植咖啡。在欧洲，咖啡是传统的日常饮品。成熟的咖啡果实是一种外表红色的果子（见图1），通过日晒法（见图2）或者水洗法（见图3）去除果皮得到生豆。在去除果皮的过程中，容易混入小石子、灰尘、未处理干净的果皮等杂质。处理杂质的过程繁杂，严重依赖人工，效率低下。

图1 咖啡果实图

图2 日晒法现场图

图3 水洗法现场图

烘焙咖啡用具分为家用型（见图4）、店面型（见图5）、工厂型（见图6），样式也从简单、量少发展到结构复杂。但是依旧产量不大，且人工操作导致批次咖啡品质有差异。

图4 家用型烘焙器具图

图5 店面用烘焙用具图

图6 工厂用烘焙机图

随着生活、工作节奏的加快，咖啡逐渐成为年轻一代的日常生活饮品。虽然目前我国消费咖啡的量不大，但是我国咖啡消费量正在逐年上升，潜在的咖啡消费者为2 亿～2.2 亿人。近年来，我国也在发展自己独特的咖啡文化和咖啡产业链，其中云南咖啡以优良的品质和高性价比的价格，积极推动着中国咖啡行业的蓬勃发展[1]。在这样的背景下，自动化、机械化的咖啡生产线应运而生，且数量和规模也在不断发展以满足不断增长的市场需求。

2 生豆处理工艺流程

咖啡生豆包含了咖啡生豆接收、除杂、色选、称重和入仓5 个环节，整体流程如图7所示[2]。

图7 咖啡生豆处理生产工艺流程图

2.1 生豆接收

生豆接收如图8所示。生豆包装分为吨袋和袋包装两种。针对吨袋来料，可以设置吨袋卸料装置，人工操作电动葫芦将吨袋提升移动到卸料区域。然后人工打开吨袋，生豆下坠入卸料斗；采用小包装的咖啡生豆时，可以人工搬运到人工投料斗附近，拆袋倒入人工投料斗。

图8 生豆接收流程图

2.2 生豆除杂

生豆除杂过程如图9所示。①利用石子与生豆比重不同，采用去石机剔除小石子。②利用灰尘与生豆粒径大小不同，采用振动筛配合吸风道去除灰尘等轻杂。

图9 生豆除杂流程图

2.3 生豆色选

生豆色选流程如图10所示。在水洗或者日晒过程中，有些咖啡果子产生霉变，可以通过颜色差异，采用色选机剔除发霉粒和不合格生豆。

图10 生豆色选流程图

2.4 生豆称重

经过前道工序之后，称重记录生豆净重，如图11所示。

图11 生豆称重流程图

2.5 生豆入仓

生豆通过输送设备进入生豆仓储存，如图12所示。

图12 生豆入仓流程图

3 熟豆处理工艺流程

咖啡生豆需要经过烘焙、粉碎研磨，使豆内的活性物质被分解从而形成熟咖啡豆的特殊风味[3]。熟豆处理工艺包含输送、烘焙、入仓、拼配、混合、粉碎和打包7 个过程，整体工艺流程如图13所示。

图13 熟豆处理工艺流程图

3.1 气力输送

采用气力输送方式将生豆输送到烘焙机，如图14所示。气力输送工作原理是通过罗茨风机供气，气与物料充分混合，气源以一定的速度带动生豆运动。优点是残留量少、破损率低，缺点是能耗大[4]。

图14 气力输送示意图

3.2 烘焙

咖啡生豆本身并没有咖啡香，反而有一种刺鼻的土腥味。当生豆暴露在高温条件下，生豆体内的化学物质发生变化，从而使咖啡豆产生了芳香类气味。烘焙才是让咖啡产生迷人香味的关键所在。咖啡烘焙过程中，咖啡豆发生的变化如图15所示。

咖啡豆烘焙前后物理特性变化如表 1所示。

表1 咖啡豆烘焙前后物理特性表

咖啡豆颜色变化随着烘焙温度升高、烘焙时间延长变化如图16所示，对应烘焙曲线如图17所示。

图16 咖啡豆颜色变化图

图17 咖啡豆烘焙曲线图

美国精品咖啡协会SCAA 建议可采用焦糖化数值来界定烘焙度，如图18所示。

图18 焦糖化数值与烘焙程度对应图

3.3 入熟豆仓

工厂生产咖啡时往往需要用到多品种的咖啡豆。可采用机械输送配合旋转分配器实现入多个熟豆仓。

3.4 拼配称量

熟豆仓的熟豆出仓后按配比拼配（如图19所示）后再输送到后道工序。

图19 咖啡豆拼配图

3.5 混合

拼配后的批次熟豆，经过混合机可提高熟豆的混合均匀度。

3.6 粉碎

粉碎的目的是将颗粒的咖啡豆粉碎成一定细度的咖啡粉。为保证粉碎机入口处物料的稳定，粉碎机上方设置一个缓冲仓。同时以防金属零部件进入粉碎机高速运转的内部，产生火花，需要在粉碎机入口处设置一个金检装置。

3.7 打包机

烘焙后的咖啡豆很容易被空气中的氧气氧化，体内的芳香类物质也容易挥发、体内的油质容易劣化。因此为了保持咖啡豆/咖啡粉的品质，需要适时的将咖啡豆和咖啡粉打包。

4 工艺流程的自动化控制

4.1 硬件设计

PLC 控制系统主要包括输入和输出电路两个部分[5]，其原理如图20所示。

图20 自动化控制过程原理简图

4.1.1 检测器

本工艺包含了多种检测器，常用的有料位计、压力表。料位计检测咖啡斗在仓内的物料多少、压力表检测罗茨风机运行压力大小、电压电流检测仪表将设备电机运行的各类数据。

4.1.2 控制器

检测器传输数据汇入控制器PLC，PLC 进行数字运算或者人工面板操作发送指令。

4.1.3 执行器

接收PLC 指令，通过电磁阀、电机控制设备的开关和运停，从而实现咖啡生产线设备的有序运转。

4.2 软件设计

软件设计需要将工艺流程充分纳入考虑范围，编写程序，促使软件功能得到实现。

4.2.1 生豆清理启动

当生豆仓内咖啡豆的高度低于仓底料位计的高度时，生豆仓低料位给出一个反馈信号，如图21所示。此时，意味着仓内的咖啡豆的量不足以保证后面熟豆处理生产线的连续生产，需要启动前面投料、清理、色选、秤量、入仓程序。因除尘系统是贯穿整个生产周期的，控制系统首先启动除尘系统，如图22所示。

图21 低料位图

图22 除尘系统图

4.2.2 生豆清理停止

当生豆仓内咖啡豆的高度高于仓顶料位计的高度时，该料位计给出一个反馈信号，如图23所示。此时意味着仓内的咖啡豆的量已经达到了仓容量的极限，需要顺序关停投料、清理、色选、秤量、入仓程序。因除尘系统（图22）是贯穿整个生产周期的，控制系统最后关停除尘系统。

图23 仓顶料位计图

4.2.3 熟豆入仓启动

当熟豆仓内咖啡豆的高度低于仓底料位计的高度时，熟豆仓低料位给出一个反馈信号，如图24所示。此时意味着仓内的熟咖啡豆的量不足以保证后面打包的连续生产，需要启动前面输送、烘焙、入仓程序。

图24 熟豆仓低料位图

4.2.4 熟豆入仓停止

当熟豆仓内咖啡豆的高度高于仓顶料位计的高度时，该料位计给出一个反馈信号，如图25所示。此时意味着仓内的咖啡豆的量已经达到了仓容量的极限，需要顺序关停输送、烘焙、入仓程序。

图25 熟豆仓高料位图

4.2.5 熟豆出仓启动

当缓冲仓低料位（图26） 给出空仓信号，启动前面混合、输送、拼配程序，如图27所示。

图26 缓冲仓高低料位图

图27 拼配、输送图

4.2.6 熟豆出仓停止

缓冲仓高料位（图26）给出满仓信号时，顺序关停前面混合、输送、拼配程序（图27）。

4.2.7 打包启动

当缓冲仓低料位（图26）显示仓内有料时，可启动打包、粉碎程序，如图28所示。

图28 打包、粉碎图

4.2.8 打包停止

当打包机低料给出空仓信号时，顺序关停打包、粉碎程序，如图28所示。

5 结语

咖啡在中国国内的发展前景可观，工业化、自动化生产是趋势。