工业大麻初加工技术及装备研究进展*

向伟，马兰，刘佳杰，颜波，段益平，吕江南

(中国农业科学院麻类研究所，长沙市，410205)

0 引言

中国是工业大麻传统种植国，在工业大麻研发、种植、加工等领域具有优势地位，在工业大麻纤维用、食用和纺织材料的开发和应用等方面优势明显[1-2]。2020年，中国工业大麻种植面积超过120 khm2，种植面积占比超过全球种植面积的50%，中国成为全球工业大麻纤维的主要来源国[3-4]。中国工业大麻种植区域主要分布在西南的云南、广西和贵州，东北的黑龙江、辽宁，西北的宁夏、陕西和中部的安徽、山东、山西等地区[5-6]。

中国工业大麻收获与初加工的机械化水平较低，收获初加工作业劳动强度大，人力用工成本逐年增加，农户种植工业大麻的积极性下降，导致工业大麻种植面积和总产量减少；提高工业大麻收获加工效率，降低劳动强度和成本的关键在于实现工业大麻的机械化收获与初加工[7]。国内工业大麻机械化初加工研究较多的是纤维剥制，现有的剥麻装备以中、小型装置为主，仅有的几款大型剥麻装置也是在剑麻和亚麻剥麻机的基础上改进研发，纤维剥制技术中的茎秆—纤维—机具相互作用机理等基础研究仍然处于起步状态[8]；工业大麻籽粒脱粒清选等初加工装备，在红麻等其他作物脱粒清选装备基础上进行改进研发；工业大麻花叶分离和花叶联合收获加工等技术的研究仍处于空白阶段[9]。工业大麻收获与初加工技术研究的滞后，导致工业大麻主产区的种植面积出现下降趋势，提高工业大麻机械化初加工技术水平成为当前工业大麻产业发展的必然途径[10-11]。

本文详细梳理和总结了国内外工业大麻初加工技术及装备的研究现状和发展动态，综述了工业大麻纤维剥制加工技术及装备、花叶分离和秸秆炭化技术及装备、联合收获加工技术及装备的作业原理、作业特点和现有装备，分析了中国工业大麻初加工技术面临的问题与难点，提出了工业大麻初加工技术及装备的发展建议，以期实现工业大麻初加工全程机械化，并向自动化和智能化方向发展提供参考。

1 工业大麻结构组成和初加工工艺

1.1 工业大麻结构组成和用途

工业大麻是大麻科大麻属一年生草本植物，国际上又称“汉麻”，指四氢大麻酚含量低于0.3%的大麻，不同地区的生态条件和不同品种特性，工业大麻植株差异很大，高度一般在1.5～5.0 m之间，茎粗在60～450 mm之间[12-13]。工业大麻植株自上而下分别为籽粒、茎秆、叶片和根系；工业大麻茎秆为不规则圆形杆状结构，茎秆切断面从外至内依次为脆皮层、韧皮纤维层、木质部和中心髓部如图1所示[14-15]。

图1 工业大麻茎秆

工业大麻籽粒可制成高档食用油、大麻籽和大麻籽食品，可用于化妆品，亦可提炼生物柴油。工业大麻茎秆主要分为纤维用、麻骨用和整秆利用，工业大麻纤维属天然纤维，具有透气、散湿、耐热等性能，是绳索制品、造纸和纺织等的原材料；麻骨可用于生产塑料、复合材料和食用菌基质等；整秆可用于造纸、制造活性炭和汽车内饰件等。工业大麻根系可生产各种生物燃料和用于土壤改良。工业大麻叶片和花穗可提取药物，用于提取CBD，亦可用于生产动物饲料和肥料[16-18]。因此，工业大麻的“籽、秆、花、叶、皮、根”都可实现综合利用，产业链条可延伸到纺织、建筑、食品和生物医学等多个行业[19-20]。

1.2 工业大麻机械化初加工工艺

工业大麻初加工技术是指对工业大麻进行纤维剥制、花叶分离、茎秆切碎打捆、籽粒清选和短纤维提取等不改变工业大麻内在成分的加工。根据生产应用需要，现有的工业大麻初加工技术主要分为：纤维剥制技术、花叶分离技术、秸秆炭化技术和联合收获加工技术等[10, 21]。

2 工业大麻纤维剥制技术

工业大麻纤维剥制技术是指通过剥麻装置初步去除纤维上的脆皮层和胶质层后获取韧皮纤维层的纤维，获取的纤维以供生产应用。该技术主要包括鲜茎剥皮、干茎打麻和短纤维提取加工等技术。鲜茎剥皮技术是指从田间收获后的工业大麻茎秆未经烘干、沤晒等处理直接用来剥制纤维，获取的纤维含杂率较低、单纤维强度高且出麻率高，但纤维含胶率较高；干茎打麻技术是指工业大麻收获期通过收割装备将茎秆切割后整齐铺放至田间，通过2～4个月的晾晒和沤麻，达到茎秆初步脱胶后再通过打麻技术获取纤维，获取的纤维含胶率较低，但纤维含杂率较高；短纤维提取技术是指从干茎打麻技术获取纤维后的麻屑混合物中分别提取短纤维和麻屑、并实现短纤维及麻屑的加工和清洁[11]。

2.1 工业大麻鲜茎剥皮技术与装备

21世纪初期，英国Hobson等研制出工业大麻鲜茎剥麻装置，主要由碾压光棍、剥麻辊、喂入托板和针状辊等组成；该装置第1对光棍碾压和夹持工业大麻茎秆，后续3对转速依次提高的剥麻辊完成茎秆的碾压、折断和皮骨初步分离，1对针状滚筒实现纤维分离[22-23]。该机对脱胶和未脱胶工业大麻的试验结果表明：两者产出的纤维其产量、长度和强度相同；脱胶和未脱胶茎秆剥制的纤维含杂率分别为2%和4%，脱胶后茎秆剥制的纤维色泽好且真菌数量低，适合在纸浆产品和复合材料中应用。2010年，加拿大曼尼托巴大学研制出采用落锤冲击法的撞击筛分式工业大麻剥麻装置，该装置主要由冲击锤、导向套、模子和筛分器等组成，模子横截面是锤子的9倍，冲击锤对模子内的工业大麻茎秆冲击9次，可实现尽可能均匀的冲击模具中的工业大麻茎秆，试验结果表明，在筛分条件下，冲击能量为1 525 J时，纤维得率为22%，纤维脱落指数达到90%[24]。

中国人民解放军总后勤部军需装备研究所军用汉麻材料研究中心联合云南某公司研制出6BMF-28A1汉麻鲜茎皮秆分离机。该机主要由喂料斗、双滚筒剥麻辊、动力装置和机架等组成，实现工业大麻的人力反拉式鲜茎皮秆分离，该机作业含杂率低，出麻率高，但劳动强度大，作业工效较低。表1所示为国内典型工业大麻鲜茎剥皮装备。

2.2 工业大麻干茎打麻技术与装备

黑龙江某公司研制的6BY-870型亚麻打麻联合机，进一步改进优化后，目前可用来加工经雨露脱胶后的工业大麻[28]。该机主要由铺麻台、喂入装置、碎茎装置、打麻装置(4套)、换向装置(2套)、纤维输出装置、除尘系统、麻屑输送系统、传动系统和电控系统等组成；工业大麻干茎秆通过该机的铺麻台、喂入装置、稍部碎茎装置、换向装置、根部碎茎装置、打麻装置和纤维输出装置等工艺流程实现工业大麻纤维剥制，工业大麻干茎加工量1～1.5 t/h，长麻率可达10%～15%。

随着工业大麻纤维在纺织、无纺布和造纸等领域的广泛应用，纤维用工业大麻在全球的种植面积逐年扩大的同时也呈现农场化和规模化发展，因而对工业大麻干茎打麻装备的需求日益迫切[29]，表2所示为国内外典型的工业大麻干茎打麻装备。

表1 国内典型工业大麻鲜茎剥皮装备Tab. 1 Examples of industrial hemp fresh stem stripping equipment

表2 国内外典型工业大麻干茎打麻装备Tab. 2 Examples of industrial hemp dry stem decorticator

2.3 工业大麻短纤维提取加工技术与装备

纤维和麻屑混合物占工业大麻物料质量的50%～60%，通过干茎打麻机剥制的纤维最多仅占30%。目前，收获的大约50%大麻纤维碎屑的处理需要高效的碎片处理和清洁技术。清洁优质的麻屑不仅可以用作动物饲料，还可用作刨花板或复合材料生产原料[33]。

德国莱布尼茨农业工程研究所研制出短纤维提取清洁装备，纤维麻屑的混合物通过旋转叶轮等的综合作用，仅需一个处理步骤，就能分离出清洁的麻屑、麻绒以及较好的短纤维，解决了传统分级技术分离不干净的问题[34]。国内，生产上还有一种用于工业大麻、亚麻和胡麻等下脚料和乱麻等一次性加工的机械，俗称“二粗加工机械”[11]；该类机械能从中分离(提取)含杂为5%～25%的短纤维，在生产中应用较广泛；整机重量2.4 t，配套功率11～15 kW，生产率可达1.5～2 t/h。

2009年，加拿大马尼托巴大学生物工程系研究了工业大麻剥制后纤维的提炼问题[35]，设计出实验室用行星式球磨机，用以加工处理剥制后的纤维。使用该机械，在不同磨削速度和研磨时间下，得到细度不同的精纤维，短纤维研磨后被处理成糠；磨削缩短了纤维长度，但显著提高了纤维细度；结果表明，通过研磨方法，处理二粗纤维是可行的。

3 工业大麻花叶分离和秸秆炭化技术

3.1 工业大麻花叶分离技术与装备

美国某公司研制出花头分离机(Mother Bucker)[36]，主要由花头脱离机箱、驱动电机、控制器、集料箱、机架和轮胎构成；其中花头脱离机箱主要由脱叶面板和对辊式夹持滚筒构成，脱叶面板上设计多个不同直径模具孔以匹配不同直径的茎秆，模具孔周边设计环形切刀用于剥离茎秆上的花叶，该机操作简单而有效，单人作业工效可达68 kg/h。随着生产和市场的需求，MUNCH Machine公司进一步研制出作业工效更高的双花头分离机和输送带式花头分离机。

美国某公司研制出工业大麻花叶分离集成生产线[37]，可一次完成工业大麻茎秆夹持输送、花叶剥离、花叶清选和花叶收储等工序，该生产线可加工处理长度超过3 m的工业大麻茎秆，且花叶剥离率超过95%。生产线的主要作业过程：带花叶茎秆的夹持输送、茎秆上花叶剥离、主茎秆的输送及收储、花叶中夹杂的主茎秆分离、去除短茎秆、短茎秆上花叶剥离和花叶集中收储。

3.2 工业大麻秸秆炭化技术与装备

工业大麻和红麻等作物的秸秆质量轻、可燃性好，是制作烟花爆竹碳粉的良好材料，市场价格较好，开发潜力大。肇东某公司自主研制的“不等径连续回转式碳化炉”为主体的秸秆自动化成套炭化设备[6, 11]；麻秆自动化炭化成套设备充分利用秸秆气化炉的原理、连续式炭化原理、流化床原理、干馏式炭化原理自动装置及多种新技术，可保证麻类等秸秆从喂料到炭粉连续化生产；设备具备节能、环保高效的优势，无污染、零排放，该设备废气废水的排放量符合国家有关标准；炭粉生产率6 t/d，消耗麻类等秸秆24 t/d，单机年处理秸秆超过200 kt。

4 工业大麻联合收获加工技术

自21世纪初期开始，国内外对以工业大麻等纤维为原料的天然纤维增强复合材料的需求越来越多，促进了工业大麻联合收获加工技术的高速发展；工业大麻联合收获加工技术主要包括纤维收剥一体化技术、茎秆捡拾纤维分离技术和纤维集成生产技术等[38-41]。

4.1 工业大麻纤维收剥一体化技术与装备

纤维用工业大麻的收获加工工艺流程一般为：割晒、雨露脱胶、翻麻、捡拾、运输、切断、打麻和清选，捡拾后的大麻茎秆从种植地运送到固定地点，进行集中剥制打麻，增加了运输成本和场地成本；为此，国内外的科研院所和企业探索研究工业大麻纤维收获剥制一体化作业技术[10]。

中国人民解放军总后勤军需装备研究所军用汉麻材料研究中心研制出自走式工业大麻收割及纤维剥制一体机，该机主要由厢式割台、割刀、纵向输送装置、剥麻装置、排渣装置、纤维集储装置、动力底盘和驾驶室等组成，该机一次作业可完成工业大麻的茎秆收割、输送、纤维剥制和麻骨麻叶等成条铺放等作业工序，实现剥制后纤维的一机集储，麻骨、麻叶等废屑成条铺放至机器后方。

澳大利亚某公司研制出HD-3型工业大麻收剥作业一体机，主要由收割平台、输送装置、剥麻装置、集料装置和动力系统等组成；该机收割平台完成工业大麻茎秆的切割和捡拾，输送装置将茎秆输送至剥麻装置完成纤维的剥制，2套集料装置分别收集纤维和麻骨。剥麻装置安装在收割平台上，收割平台被拖拉机以偏置方式拖拽，整机的动力需95 kW以上，作业工效可达1 hm2/h。

4.2 工业大麻茎秆捡拾纤维分离技术

21世纪初期，加拿大曼尼托巴大学研制出牵引式工业大麻纤维分离机，主要由捡拾装置、切割剥制装置、喂入装置、分离装置、纤维集料箱、麻屑集料箱和动力机构等组成，其切割剥制装置中设计有圆柱形分离刀盘，3套原始刀和9套倾斜安装在刀盘上的打麻刀，通过对工业大麻的切断、打击、梳理等作业以实现纤维剥制[42]；该机挂接在拖拉机上行进大麻茎秆捡拾，并对茎秆进行剥制分离、清洁，可直接在田间加工处理大麻茎秆，降低了茎秆运送和场地存放的成本。

4.3 工业大麻纤维集成生产技术

德国莱布尼斯农业工程研究所设计出一套工业大麻纤维生产线，可一次完成工业大麻茎秆捆的预处理(包括捡拾、切断和茎秆中杂质去除等工序)、纤维剥制、纤维的清洁、纤维和麻骨碎屑分别收集等工序，可生产加工直径达1.8 m的圆捆和各种尺寸的方捆[43]。该生产线的主要工艺流程：切开茎秆捆并预切断茎秆，去除籽、叶、沙石和金属等其他杂质，测定并计量茎秆体积量，剥制纤维，清洁茎秆，梳理和疏松纤维，短纤维和麻屑的分离，去除短纤维和除尘设备清理废气和粉尘等。

工业大麻现代锤磨式生产线需要11道工序，生产线较长且分散产生的麻屑等混合物不利于收集。德国莱布尼斯农业工程研究所研究纤维和麻屑分离的新技术，不断优化完善工业大麻纤维生产线，2008年研制出新一代工业大麻纤维生产线[44]；新一代加工生产线，增加茎秆预处理工序的同时减少了纤维剥制工序，整个生产线仅需7道作业工序，极大程度缩短加工线并提高加工效率。

新一代工业大麻纤维生产线的核心技术为茎秆包切断装置和锤式剥麻装置。研制出2款方捆茎秆包切断装置和圆捆茎秆包切断装置；锤式剥麻装置是基于上一代生产线中的摆锤式粉碎机原理研制，主要由顶部挡板、剪切板、指板、搅拌器和分离筛等组成，该装置能实现工业大麻茎秆纤维的剥制，长、短纤维和麻屑的初步分离，其良好的纤维剥制和筛分效果可有效保障下道工序中纤维清洁更简单高效，通常情况下，该装置作业后仅需一个清洁阶段即可实现纤维中含杂率低于2%。

5 存在问题与发展趋势

5.1 工业大麻初加工技术面临的问题

中国是世界上工业大麻种植面积和产量最大的国家之一，中国工业大麻生产技术体系正处于振兴发展阶段，但与国外发达国家相比，尤其是与工业大麻政策开放度较高的国家相比，中国工业大麻初加工技术存在一定的差距，存在的具体问题如下。

1) 工业大麻产业化程度低，制约着工业大麻机械化初加工技术发展速度。中国黑龙江、云南、广西、山东、辽宁和山西6省市工业大麻种植面积占全国90%以上，初步形成一批集中连片的工业大麻种植基地。但中国的工业大麻产业化程度仍然较低，为数不多的从事工业大麻生产的企业基本上是中、小型企业，生产主体多以个体经营者为主，种植环境较为复杂，经营规模较小，多样的生产规模和种植管理模式，严重制约着工业大麻机械化初加工技术的发展；此外，工业大麻初加工技术存在着研发集成不够、推广力度小等问题，也严重制约着工业大麻机械化初加工技术的发展速度。

2) 基础性研究落后，工业大麻生产工艺与机械化生产技术联动性差。中国工业大麻初加工机械虽然经过了多年发展，但是针对工业大麻初加工技术的基础研究、植物—机械相互作用系统理论和共性技术研究还比较缺乏，尚未形成企业创新机制，对国外技术和装备的依赖性重。虽然大部分初加工环节有机型覆盖，但多为单一机型，可供用户选择的范围较窄，甚至出现“无机可用”，工业大麻生产工艺与机械化初加工联动性差，严重降低了生产效率。

3) 工业大麻机械化初加工装备适用性与可靠性低。中国工业大麻种植生产环节复杂，并且从现有的种植和生产规模分析，适合中国工业大麻初加工生产的中、小型机械装备需求量较大；从技术角度和企业经营来说，中、小型机械研发难度大、生产成本高且收益少，此外中国从事工业大麻机械研制的企业规模小，技术和经济力量薄弱，很难开展高端、大型和集成化的机械装备研发，从而导致企业所生产的机械装备无法适用各地区的生产要求；且在材料属性和关键部件选用方面落后发达国家，所应用的工业大麻初加工机械的适用性和可靠性都相对较低。

4) 工业大麻机械化初加工生产环节发展不均衡，存在技术短板。中国工业大麻初加工机械已经发展多年，已基本覆盖到鲜茎剥皮、干茎打麻、短纤维提取、花叶分离和秸秆炭化等工艺流程的各个环节，但工业大麻机械化初加工的各个环节发展并不均衡。在工业大麻纤维剥制方面(鲜茎剥皮和干茎打麻)和短纤维提取方面，相关的机械化技术水平发展相对成熟，但存在着工业大麻花叶分离、籽粒脱粒清选和秸秆炭化等薄弱环节，工业大麻机械化初加工过程存在短板，高效低损的专用工业大麻机械化初加工生产装备仍然缺乏。

5.2 工业大麻机械化初加工技术发展趋势

为提升中国工业大麻机械化初加工技术水平，进而提高工业大麻产业竞争力，结合中国工业大麻生产的实际情况，提出中国工业大麻机械化初加工技术及装备的发展趋势。

1) 轻便型与大型工业大麻机械并存发展。中国工业大麻种植区域包括平原和丘陵山地等，其中以黑龙江和山东等为代表的辽阔地域和以云南和广西等为代表的丘陵山地，不同区域的种植和生产规模完全不同；应依据不同种植区域的生产环境和生产规模，结合不同区域生产条件和现状，实现山地高效轻便型和大型工业大麻初加工机械并存发展，发展适宜的工业大麻机械化初加工技术体系。

2) 创新研发高效纤维剥制加工装备。以研发低损高效的工业大麻机械化纤维剥制加工装备为前提，开展茎秆—纤维—机具及关键部件的相互作用机理研究，提高机具及关键部件的可靠性和适应性，同时加强工业大麻纤维剥制加工工艺与生产机械的联动性，创新研发工业大麻高效纤维剥制加工技术及装备，提高机器生产质量和作业效率，促进现有研究成果满足生产的需求，开展大面积的推广应用。

3) 研发籽用工业大麻收获加工装备，填补工业大麻初加工机械空白。开展工业大麻籽粒联合收获加工技术的研发，重点突破工业大麻籽粒高效低损脱粒清选、籽粒脱壳等核心技术的创新研究，力争短期内形成自主研发的工业大麻籽粒脱粒清选装备、脱壳机和联合收获加工装备，填补中国工业大麻籽粒初加工装备的研发空白，打破工业大麻籽粒初加工生产“无机可用”的局面。

4) 自主研发工业大麻花叶分离技术，满足市场需求。目前欧美发达国家针对工业大麻花叶分离技术已实现中小型自动花叶分离装备和全自动花叶分离生产线的成熟运用。针对中国云南、广西等地药用工业大麻发展需求，加强国外先进技术的消化与吸收，开展创新研发，重点突破工业大麻全自动花叶分离技术及装备的研发，以满足产业日益发展壮大对工业大麻全自动花叶分离装备的需求。

5) 实现工业大麻初加工机械自动化、智能化发展。国外发达国家的高端工业大麻初加工机械已经广泛采用了智能检测与控制技术，其机、电、液和气力驱动控制技术也普遍应用于相关机械装备中，这些技术的综合应用，一方面提高了工业大麻初加工机械的工作效率和作业进度，另一方面实现了良好的人机交互环境，减轻了用工数量和劳动强度。国内的工业大麻机械化初加工也将逐步面向自动化和智能化方向发展。

6 结论

随着工业的发展和科技的进步，中国工业大麻初加工机械已从最初的被动仿制进入到产品创新研发和基础理论研究并举发展，在工业大麻纤维剥制领域的鲜茎剥皮技术、干茎打麻技术和短纤维提取技术等研究已形成较成熟的技术体系，适应不同作业模式的大、中、小型工业大麻纤维剥制机械正逐步形成规模。

通过系统综述国内外工业大麻初加工技术及装备，详细阐述了工业大麻纤维剥制加工、花叶分离、秸秆炭化和联合加工等4个初加工核心技术的研究现状和发展动态；指出了中国工业大麻产业化程度低，生产工艺与机械化生产环节发展不均衡，存在技术短板；工业大麻初加工技术存在着基础性研究落后，生产技术联动性差、工业大麻初加工装备适用性与可靠性低等问题。

因此，中国需要创新研发高效低损纤维剥制加工装备，突破籽用工业大麻收获加工技术与装备，自主研发花叶分离装备，轻便型与大型工业大麻初加工机械并存发展，实现工业大麻初加工机械自动化、智能化发展，降低机械装备采购成本，促进工业大麻初加工机械的高速发展，为提高农民的经济利益提供助力。