食用菌恒溫?zé)嵫h(huán)烘干設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用

黃光日

（南寧學(xué)院，廣西 南寧 530200）

0 引言

傳統(tǒng)人工烘干方式生產(chǎn)的干貨食用菌不僅品質(zhì)較差，還會浪費大量的人力物力，十分不利于食用菌產(chǎn)業(yè)的持續(xù)化發(fā)展。社會各界對現(xiàn)代化、智能化食用菌烘干設(shè)備的需求急劇增長，相關(guān)人員對食用菌烘干設(shè)備的研究、設(shè)計與開發(fā)力度逐漸增加。現(xiàn)就對一種食用菌恒溫?zé)嵫h(huán)烘干設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的探討[1]。

1 項目所在學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、水平和趨勢分析

1.1 產(chǎn)業(yè)背景

由于人工烘干食品存在的不足，越來越多的人開始思考以機(jī)器代替人工烘干食品。隨著時代的發(fā)展與變化，機(jī)器烘干食品已經(jīng)成為可能，并在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，我國農(nóng)產(chǎn)品的主要加工形式為簡單的烘干加工，我國的食品烘干產(chǎn)業(yè)較為薄弱，特別是食用菌的烘干加工，這不僅嚴(yán)重制約了我國食用菌消費市場的進(jìn)一步開拓，還限制了我國食用菌產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。“十二五”期間我國提出了“發(fā)展精加工、深加工，增加食用菌產(chǎn)品的附加值”。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，食用菌的烘干、加工技術(shù)得到了巨大的發(fā)展。我國現(xiàn)階段的食品干制加工方法主要有曬干、烘干、冰干等方式。相較于其他發(fā)達(dá)國家，我國食用加工企業(yè)的發(fā)展規(guī)模較小，經(jīng)營較為分散，品牌知名度較低，生產(chǎn)經(jīng)營成本較高，產(chǎn)品質(zhì)量時高時低，市場核心競爭力較弱，主要表現(xiàn)為生產(chǎn)加工設(shè)備自動化、智能化程度較低，食品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)不完善，烘干加工方式較為原始、老舊，烘干設(shè)備的數(shù)量、標(biāo)準(zhǔn)、水平、范圍無法滿足我國國內(nèi)與出口的需求。此外，我國食品烘干機(jī)的技術(shù)較為落后，對國外先進(jìn)技術(shù)的依靠程度較高。我國最早出現(xiàn)的食品烘干機(jī)大多都是進(jìn)口的，國產(chǎn)的食品烘干機(jī)也都大多采取國外技術(shù)。

1.2 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國的烘干設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)尚未形成規(guī)模，市場競爭較為激烈，自主開發(fā)、設(shè)計設(shè)備的企業(yè)較少，企業(yè)之間大多都是相互模仿以推出新產(chǎn)品。

市場現(xiàn)有的普通烘干設(shè)備，是基于電阻絲發(fā)熱的簡單烘干原理，把薄片狀或線狀的高熔點金屬做成舟箔或絲狀的蒸發(fā)源，（在坩堝上）裝上蒸鍍材料，以蒸發(fā)源加熱蒸鍍材料使其蒸發(fā)。普通的工業(yè)烘干形式不講究節(jié)能環(huán)保，發(fā)熱電阻加熱后的熱風(fēng)經(jīng)過烘干室內(nèi)后，直接排到空氣中，沒有循環(huán)再利用的重吸收能量系統(tǒng)，對電能資源造成了不必要的浪費。況且產(chǎn)業(yè)化的烘干設(shè)備為加快產(chǎn)能效率基本都是連續(xù)長時間運行的，如果在能耗方面減少，將會降低加工成本，加大商家的盈利區(qū)間[2]。

1.3 發(fā)展趨勢

“十二五”期間，我國提出了“高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保”和“大型干燥裝備國產(chǎn)化”，以國家的宏觀調(diào)控與市場的自主調(diào)節(jié)來完善烘干設(shè)備行業(yè)的生產(chǎn)評價機(jī)制，全面、有效整合烘干機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，提升烘干機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的市場競爭力，促進(jìn)其有序、穩(wěn)定發(fā)展與行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。相關(guān)學(xué)者認(rèn)為我國烘干機(jī)的未來發(fā)展方向為：第一，規(guī)模化發(fā)展，即產(chǎn)品向大中型發(fā)展、行業(yè)向集成化發(fā)展；第二，行業(yè)細(xì)分，即根據(jù)烘干食品、經(jīng)濟(jì)作物、花卉、中藥材等不同需求將設(shè)備分為不同類型，提升設(shè)備的專業(yè)化與特色化程度；第三，重點關(guān)注固定式和移動式烘干設(shè)備的發(fā)展。預(yù)計將用于食用菌烘干的5t/h以下的小型烘干設(shè)備的需求量為上萬臺，用于化工烘干的設(shè)備需求量達(dá)到5000臺，用于中藥材烘干的設(shè)備需求量達(dá)到6000臺，用于農(nóng)林土特產(chǎn)烘干的設(shè)備需求量達(dá)到8000臺，用于輕工烘干的設(shè)備需求量達(dá)到6000臺。越來越多的行業(yè)人員與專家學(xué)者對其的關(guān)注程度逐漸提升以獲取最大化的經(jīng)濟(jì)效益。在野生珍貴食用菌產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，這種專用烘干技術(shù)及其設(shè)備在我國基本處于空白狀態(tài)，落后于國外技術(shù)水平。

2 項目研究方案

2.1 研究目標(biāo)、研究內(nèi)容

2.1.1 研究目標(biāo)

詳細(xì)研究恒溫?zé)嵫h(huán)設(shè)備的恒溫、熱循環(huán)、節(jié)能系統(tǒng)，可干燥食用菌的種類及該系統(tǒng)的設(shè)計、工作模式與烘干工藝。

2.1.2 研究內(nèi)容

本項目借助理論與實驗相結(jié)合的研究方法，詳細(xì)研究了新型恒溫?zé)嵫h(huán)烘干房的設(shè)計模式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作模式、烘干工藝等。

具體內(nèi)容如下：

（1）針對不同食用菌種類的溫度濕度設(shè)定了其相對應(yīng)的工作模式，并對恒溫?zé)嵫h(huán)烘干機(jī)中的主要設(shè)備器材的選型進(jìn)行推薦。

（2）采用LabVIEW中的PID、模糊和模糊PID控制分別對溫度的恒定進(jìn)行相應(yīng)的控制編程，在Fuzzy-PID的系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)中，最大限度地控制與減少輸出溫度的誤差，得出溫度曲線特性。

（3）建立數(shù)據(jù)模型。借助CFD軟件模擬計算烘房內(nèi)的氣流，同時借助實驗科學(xué)合理地布置設(shè)備內(nèi)的氣流組織，確保設(shè)備內(nèi)食用菌受熱均勻，切實提升設(shè)備的烘干成效。

（4）不同食用菌的品質(zhì)是不同的，這就要求在進(jìn)行實驗時要根據(jù)不同的食用菌的種類及其品質(zhì)要求選擇不同的烘干參數(shù)，探究參數(shù)對食用菌烘干品質(zhì)的影響，優(yōu)化烘干機(jī)的烘干工藝，實時控制、調(diào)節(jié)各個烘干階段的溫度、濕度，進(jìn)而有效確保和提升食用菌烘干的品質(zhì)。

2.2 研究方法、實驗方案

2.2.1 擬采取的研究方法

（1）信息采集。走訪用戶，一線調(diào)查農(nóng)戶的需求。采集基本參數(shù)數(shù)據(jù)最初樣本。結(jié)合食用菌烘干市場發(fā)展，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過市場調(diào)查，使產(chǎn)品滿足市場需求。借助校園圖書館與互聯(lián)網(wǎng)瀏覽國內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)資料（學(xué)術(shù)期刊、碩博論文、網(wǎng)絡(luò)圖文等），并對其進(jìn)行全面、系統(tǒng)的整理、分析與總結(jié)，根據(jù)課題的研究內(nèi)容與研究要求，全面正確地構(gòu)建課題的框架結(jié)構(gòu)。

（2）模式模擬。熱泵型烘干房主要由四個子系統(tǒng)組成，各個子系統(tǒng)之間的有效配合為不同工作模式的達(dá)成與烘干房的穩(wěn)定可靠運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。一般而言，烘干房的主要工作模式為：基本循環(huán)工作模式；恒溫能量調(diào)控模式；熱風(fēng)循環(huán)調(diào)節(jié)模式；除濕模式；電子輔助熱能量調(diào)節(jié)。

（3）實驗調(diào)試。本課題中溫度傳感器信號采集電路，加熱系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)電路控制等模塊的程序編寫，需進(jìn)行多次實驗測試，以制作出運行穩(wěn)定可靠的控制模塊。

2.2.2 實驗方案

2019.07-2019.12 恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計與制作。

2019.07-2019.12 熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計與制作。

2019.07-2019.12 控制系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)設(shè)計與制作。

2020.01-2020.10 食用菌熱循環(huán)恒溫烘干裝置總裝與調(diào)試。

2.3 可行性分析

（1）校園圖書館為開展課題研究要進(jìn)行的調(diào)研和資料收集提供了充分的資源，為課題負(fù)責(zé)人順利完成本課題研究提供了支持。

（2）我校機(jī)電實驗室提供了硬件設(shè)備。制作傳感器模塊、編寫控制模塊程序、系統(tǒng)調(diào)試等均在校內(nèi)完成。

（3）課題負(fù)責(zé)人的科研及組織能力較強，電氣、電子控制設(shè)計制作的經(jīng)驗較為豐富，主要成員都具備較強的科研能力和工程應(yīng)用能力；部分人員還曾組織過多項科研項目。綜上所述，課題負(fù)責(zé)人和主要成員有能力完成本課題的研究，課題負(fù)責(zé)人和主要成員所在部門對課題的完成提供了充分的硬件資源和軟件支持，課題的完成有保證[3]。

2.4 預(yù)期的研究成果及成果形式

2.4.1 預(yù)期的研究成果

預(yù)期將發(fā)表食用菌烘干設(shè)備研究論文1篇，專利1項。

2.4.2 社會效益和影響

裝置的開發(fā)將為中小型產(chǎn)量的農(nóng)戶提供最優(yōu)食用菌烘干模式，增加農(nóng)戶種植食用菌的信心和種植規(guī)模。

隨著食用菌發(fā)展支撐體系的不斷完善與其產(chǎn)業(yè)支持效用的發(fā)揮，我國的食用菌產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展，規(guī)模、產(chǎn)量、效益、品質(zhì)等方面的進(jìn)步較為顯著，其所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益巨大。我國是食用菌第一生產(chǎn)大國，其在2014年的產(chǎn)值就已經(jīng)是僅次于糧、菜、果、油的第五大類作物了，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。現(xiàn)階段，我國食用菌產(chǎn)品（香菇、平菇、金針菇、花菇等）產(chǎn)量位于世界第一。我國食用菌產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的比重從5.7%發(fā)展至90%多。而這其中干菇的生產(chǎn)、銷售是重要內(nèi)容之一，越來越多的專家學(xué)者開始思考如何改進(jìn)烘干設(shè)備提升食用菌生產(chǎn)效益，烘干設(shè)備的研究、開發(fā)與設(shè)計對食用菌產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化、持續(xù)化發(fā)展具有十分重要的作用。

3 結(jié)語

本設(shè)備用于食用菌的干制處理烘干加工方面，通過烘干，促進(jìn)食用菌的銷售。作為生鮮農(nóng)產(chǎn)品的食用菌，當(dāng)其市場價格較高時可以直接銷售，當(dāng)市場價格較低時往往都是對其進(jìn)行烘干加工，待價格較高時再進(jìn)行錯季銷售。以紅菇的鮮菇與干菇的銷售為例，9斤新鮮的紅菇可以烘干為1斤干菇，鮮菇25元一斤、干菇400元一斤，每生產(chǎn)一斤干菇就可實現(xiàn)175元左右的增收，這有效增加了產(chǎn)品的附加值與經(jīng)濟(jì)效益。目前，食用菌農(nóng)戶及其合作社不僅借助農(nóng)貿(mào)市場等傳統(tǒng)銷售平臺與阿里巴巴等線上銷售平臺來銷售干品，還走出國門遠(yuǎn)銷海外。本設(shè)備不僅可應(yīng)用在食用菌的烘干方面，因設(shè)備的溫度精準(zhǔn)、恒定、可控，還可以應(yīng)用在茶葉的烘干及其提香工藝上。中小型作坊以及個體農(nóng)戶也能使用。其既能決定茶葉的品質(zhì)與價格，也能增加茶農(nóng)的收入。對于中藥材的烘干，本設(shè)備精準(zhǔn)、恒定的溫度控制以及恒定的風(fēng)速環(huán)境，可滿足不同的中藥材所需要的恒溫加工。此外，本設(shè)備還可用于果蔬制品的烘干，相比于傳統(tǒng)的果蔬烘干設(shè)備，本設(shè)備有著更高效、能耗更低的優(yōu)勢。綜上所述，本設(shè)備具有較高的推廣與應(yīng)用價值。