工業(yè)化咖啡生產(chǎn)工藝

◎楊 茜

（江蘇艾瑞禾工程技術有限公司，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。處理雜質的過程繁雜，嚴重依賴人工，效率低下。

圖1 咖啡果實圖

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)展到結構復雜。但是依舊產(chǎn)量不大，且人工操作導致批次咖啡品質有差異。

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。雖然目前我國消費咖啡的量不大，但是我國咖啡消費量正在逐年上升，潛在的咖啡消費者為2 億～2.2 億人。近年來，我國也在發(fā)展自己獨特的咖啡文化和咖啡產(chǎn)業(yè)鏈，其中云南咖啡以優(yōu)良的品質和高性價比的價格，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、機械化的咖啡生產(chǎn)線應運而生，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

生豆通過輸送設備進入生豆倉儲存，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，使豆內的活性物質被分解從而形成熟咖啡豆的特殊風味[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，如圖14所示。氣力輸送工作原理是通過羅茨風機供氣，氣與物料充分混合，氣源以一定的速度帶動生豆運動。優(yōu)點是殘留量少、破損率低，缺點是能耗大[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。當生豆暴露在高溫條件下，生豆體內的化學物質發(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)生迷人香味的關鍵所在。咖啡烘焙過程中，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。可采用機械輸送配合旋轉分配器實現(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度的咖啡粉。為保證粉碎機入口處物料的穩(wěn)定，粉碎機上方設置一個緩沖倉。同時以防金屬零部件進入粉碎機高速運轉的內部，產(chǎn)生火花，需要在粉碎機入口處設置一個金檢裝置。

3.7 打包機

烘焙后的咖啡豆很容易被空氣中的氧氣氧化，體內的芳香類物質也容易揮發(fā)、體內的油質容易劣化。因此為了保持咖啡豆/咖啡粉的品質，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 硬件設計

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、壓力表。料位計檢測咖啡斗在倉內的物料多少、壓力表檢測羅茨風機運行壓力大小、電壓電流檢測儀表將設備電機運行的各類數(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 進行數(shù)字運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、電機控制設備的開關和運停，從而實現(xiàn)咖啡生產(chǎn)線設備的有序運轉。

4.2 軟件設計

軟件設計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現(xiàn)。

4.2.1 生豆清理啟動

當生豆倉內咖啡豆的高度低于倉底料位計的高度時，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

當生豆倉內咖啡豆的高度高于倉頂料位計的高度時，該料位計給出一個反饋信號，如圖23所示。此時意味著倉內的咖啡豆的量已經(jīng)達到了倉容量的極限，需要順序關停投料、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)最后關停除塵系統(tǒng)。

圖23 倉頂料位計圖

4.2.3 熟豆入倉啟動

當熟豆倉內咖啡豆的高度低于倉底料位計的高度時，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

當熟豆倉內咖啡豆的高度高于倉頂料位計的高度時，該料位計給出一個反饋信號，如圖25所示。此時意味著倉內的咖啡豆的量已經(jīng)達到了倉容量的極限，需要順序關停輸送、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，順序關停前面混合、輸送、拼配程序（圖27）。

4.2.7 打包啟動

當緩沖倉低料位（圖26）顯示倉內有料時，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

當打包機低料給出空倉信號時，順序關停打包、粉碎程序，如圖28所示。

5 結語

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