工業化咖啡生產工藝

◎楊 茜

（江蘇艾瑞禾工程技術有限公司，江蘇 無錫 214000）

1 咖啡的傳統生產分析和工業化生產發展前景

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，約有70 個國家種植咖啡。在歐洲，咖啡是傳統的日常飲品。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 日曬法現場圖

圖3 水洗法現場圖

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、量少發展到結構復雜。但是依舊產量不大，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，我國也在發展自己獨特的咖啡文化和咖啡產業鏈，其中云南咖啡以優良的品質和高性價比的價格，積極推動著中國咖啡行業的蓬勃發展[1]。在這樣的背景下，自動化、機械化的咖啡生產線應運而生，且數量和規模也在不斷發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 個環節，整體流程如圖7所示[2]。

圖7 咖啡生豆處理生產工藝流程圖

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，有些咖啡果子產生霉變，可以通過顏色差異，采用色選機剔除發霉粒和不合格生豆。

圖10 生豆色選流程圖

2.4 生豆稱重

經過前道工序之后，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生變化，從而使咖啡豆產生了芳香類氣味。烘焙才是讓咖啡產生迷人香味的關鍵所在。咖啡烘焙過程中，咖啡豆發生的變化如圖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

美國精品咖啡協會SCAA 建議可采用焦糖化數值來界定烘焙度，如圖18所示。

圖18 焦糖化數值與烘焙程度對應圖

3.3 入熟豆倉

工廠生產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、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據。

4.1.2 控制器

檢測器傳輸數據匯入控制器PLC，PLC 進行數字運算或者人工面板操作發送指令。

4.1.3 執行器

接收PLC 指令，通過電磁閥、電機控制設備的開關和運停，從而實現咖啡生產線設備的有序運轉。

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。

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線的連續生產，需要啟動前面投料、清理、色選、秤量、入倉程序。因除塵系統是貫穿整個生產周期的，控制系統首先啟動除塵系統，如圖22所示。

圖21 低料位圖

圖22 除塵系統圖

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（圖22）是貫穿整個生產周期的，控制系統最后關停除塵系統。

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生產，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展前景可觀，工業化、自動化生產是趨勢。