工業大麻初加工技術及裝備研究進展*

向偉，馬蘭，劉佳杰，顏波，段益平，呂江南

(中國農業科學院麻類研究所，長沙市，410205)

0 引言

中國是工業大麻傳統種植國，在工業大麻研發、種植、加工等領域具有優勢地位，在工業大麻纖維用、食用和紡織材料的開發和應用等方面優勢明顯[1-2]。2020年，中國工業大麻種植面積超過120 khm2，種植面積占比超過全球種植面積的50%，中國成為全球工業大麻纖維的主要來源國[3-4]。中國工業大麻種植區域主要分布在西南的云南、廣西和貴州，東北的黑龍江、遼寧，西北的寧夏、陜西和中部的安徽、山東、山西等地區[5-6]。

中國工業大麻收獲與初加工的機械化水平較低，收獲初加工作業勞動強度大，人力用工成本逐年增加，農戶種植工業大麻的積極性下降，導致工業大麻種植面積和總產量減少；提高工業大麻收獲加工效率，降低勞動強度和成本的關鍵在于實現工業大麻的機械化收獲與初加工[7]。國內工業大麻機械化初加工研究較多的是纖維剝制，現有的剝麻裝備以中、小型裝置為主，僅有的幾款大型剝麻裝置也是在劍麻和亞麻剝麻機的基礎上改進研發，纖維剝制技術中的莖稈—纖維—機具相互作用機理等基礎研究仍然處于起步狀態[8]；工業大麻籽粒脫粒清選等初加工裝備，在紅麻等其他作物脫粒清選裝備基礎上進行改進研發；工業大麻花葉分離和花葉聯合收獲加工等技術的研究仍處于空白階段[9]。工業大麻收獲與初加工技術研究的滯后，導致工業大麻主產區的種植面積出現下降趨勢，提高工業大麻機械化初加工技術水平成為當前工業大麻產業發展的必然途徑[10-11]。

本文詳細梳理和總結了國內外工業大麻初加工技術及裝備的研究現狀和發展動態，綜述了工業大麻纖維剝制加工技術及裝備、花葉分離和秸稈炭化技術及裝備、聯合收獲加工技術及裝備的作業原理、作業特點和現有裝備，分析了中國工業大麻初加工技術面臨的問題與難點，提出了工業大麻初加工技術及裝備的發展建議，以期實現工業大麻初加工全程機械化，并向自動化和智能化方向發展提供參考。

1 工業大麻結構組成和初加工工藝

1.1 工業大麻結構組成和用途

工業大麻是大麻科大麻屬一年生草本植物，國際上又稱“漢麻”，指四氫大麻酚含量低于0.3%的大麻，不同地區的生態條件和不同品種特性，工業大麻植株差異很大，高度一般在1.5～5.0 m之間，莖粗在60～450 mm之間[12-13]。工業大麻植株自上而下分別為籽粒、莖稈、葉片和根系；工業大麻莖稈為不規則圓形桿狀結構，莖稈切斷面從外至內依次為脆皮層、韌皮纖維層、木質部和中心髓部如圖1所示[14-15]。

圖1 工業大麻莖稈

工業大麻籽?？芍瞥筛邫n食用油、大麻籽和大麻籽食品，可用于化妝品，亦可提煉生物柴油。工業大麻莖稈主要分為纖維用、麻骨用和整稈利用，工業大麻纖維屬天然纖維，具有透氣、散濕、耐熱等性能，是繩索制品、造紙和紡織等的原材料；麻骨可用于生產塑料、復合材料和食用菌基質等；整稈可用于造紙、制造活性炭和汽車內飾件等。工業大麻根系可生產各種生物燃料和用于土壤改良。工業大麻葉片和花穗可提取藥物，用于提取CBD，亦可用于生產動物飼料和肥料[16-18]。因此，工業大麻的“籽、稈、花、葉、皮、根”都可實現綜合利用，產業鏈條可延伸到紡織、建筑、食品和生物醫學等多個行業[19-20]。

1.2 工業大麻機械化初加工工藝

工業大麻初加工技術是指對工業大麻進行纖維剝制、花葉分離、莖稈切碎打捆、籽粒清選和短纖維提取等不改變工業大麻內在成分的加工。根據生產應用需要，現有的工業大麻初加工技術主要分為：纖維剝制技術、花葉分離技術、秸稈炭化技術和聯合收獲加工技術等[10, 21]。

2 工業大麻纖維剝制技術

工業大麻纖維剝制技術是指通過剝麻裝置初步去除纖維上的脆皮層和膠質層后獲取韌皮纖維層的纖維，獲取的纖維以供生產應用。該技術主要包括鮮莖剝皮、干莖打麻和短纖維提取加工等技術。鮮莖剝皮技術是指從田間收獲后的工業大麻莖稈未經烘干、漚曬等處理直接用來剝制纖維，獲取的纖維含雜率較低、單纖維強度高且出麻率高，但纖維含膠率較高；干莖打麻技術是指工業大麻收獲期通過收割裝備將莖稈切割后整齊鋪放至田間，通過2～4個月的晾曬和漚麻，達到莖稈初步脫膠后再通過打麻技術獲取纖維，獲取的纖維含膠率較低，但纖維含雜率較高；短纖維提取技術是指從干莖打麻技術獲取纖維后的麻屑混合物中分別提取短纖維和麻屑、并實現短纖維及麻屑的加工和清潔[11]。

2.1 工業大麻鮮莖剝皮技術與裝備

21世紀初期，英國Hobson等研制出工業大麻鮮莖剝麻裝置，主要由碾壓光棍、剝麻輥、喂入托板和針狀輥等組成；該裝置第1對光棍碾壓和夾持工業大麻莖稈，后續3對轉速依次提高的剝麻輥完成莖稈的碾壓、折斷和皮骨初步分離，1對針狀滾筒實現纖維分離[22-23]。該機對脫膠和未脫膠工業大麻的試驗結果表明：兩者產出的纖維其產量、長度和強度相同；脫膠和未脫膠莖稈剝制的纖維含雜率分別為2%和4%，脫膠后莖稈剝制的纖維色澤好且真菌數量低，適合在紙漿產品和復合材料中應用。2010年，加拿大曼尼托巴大學研制出采用落錘沖擊法的撞擊篩分式工業大麻剝麻裝置，該裝置主要由沖擊錘、導向套、模子和篩分器等組成，模子橫截面是錘子的9倍，沖擊錘對模子內的工業大麻莖稈沖擊9次，可實現盡可能均勻的沖擊模具中的工業大麻莖稈，試驗結果表明，在篩分條件下，沖擊能量為1 525 J時，纖維得率為22%，纖維脫落指數達到90%[24]。

中國人民解放軍總后勤部軍需裝備研究所軍用漢麻材料研究中心聯合云南某公司研制出6BMF-28A1漢麻鮮莖皮稈分離機。該機主要由喂料斗、雙滾筒剝麻輥、動力裝置和機架等組成，實現工業大麻的人力反拉式鮮莖皮稈分離，該機作業含雜率低，出麻率高，但勞動強度大，作業工效較低。表1所示為國內典型工業大麻鮮莖剝皮裝備。

2.2 工業大麻干莖打麻技術與裝備

黑龍江某公司研制的6BY-870型亞麻打麻聯合機，進一步改進優化后，目前可用來加工經雨露脫膠后的工業大麻[28]。該機主要由鋪麻臺、喂入裝置、碎莖裝置、打麻裝置(4套)、換向裝置(2套)、纖維輸出裝置、除塵系統、麻屑輸送系統、傳動系統和電控系統等組成；工業大麻干莖稈通過該機的鋪麻臺、喂入裝置、稍部碎莖裝置、換向裝置、根部碎莖裝置、打麻裝置和纖維輸出裝置等工藝流程實現工業大麻纖維剝制，工業大麻干莖加工量1～1.5 t/h，長麻率可達10%～15%。

隨著工業大麻纖維在紡織、無紡布和造紙等領域的廣泛應用，纖維用工業大麻在全球的種植面積逐年擴大的同時也呈現農場化和規?；l展，因而對工業大麻干莖打麻裝備的需求日益迫切[29]，表2所示為國內外典型的工業大麻干莖打麻裝備。

表1 國內典型工業大麻鮮莖剝皮裝備Tab. 1 Examples of industrial hemp fresh stem stripping equipment

表2 國內外典型工業大麻干莖打麻裝備Tab. 2 Examples of industrial hemp dry stem decorticator

2.3 工業大麻短纖維提取加工技術與裝備

纖維和麻屑混合物占工業大麻物料質量的50%～60%，通過干莖打麻機剝制的纖維最多僅占30%。目前，收獲的大約50%大麻纖維碎屑的處理需要高效的碎片處理和清潔技術。清潔優質的麻屑不僅可以用作動物飼料，還可用作刨花板或復合材料生產原料[33]。

德國萊布尼茨農業工程研究所研制出短纖維提取清潔裝備，纖維麻屑的混合物通過旋轉葉輪等的綜合作用，僅需一個處理步驟，就能分離出清潔的麻屑、麻絨以及較好的短纖維，解決了傳統分級技術分離不干凈的問題[34]。國內，生產上還有一種用于工業大麻、亞麻和胡麻等下腳料和亂麻等一次性加工的機械，俗稱“二粗加工機械”[11]；該類機械能從中分離(提取)含雜為5%～25%的短纖維，在生產中應用較廣泛；整機重量2.4 t，配套功率11～15 kW，生產率可達1.5～2 t/h。

2009年，加拿大馬尼托巴大學生物工程系研究了工業大麻剝制后纖維的提煉問題[35]，設計出實驗室用行星式球磨機，用以加工處理剝制后的纖維。使用該機械，在不同磨削速度和研磨時間下，得到細度不同的精纖維，短纖維研磨后被處理成糠；磨削縮短了纖維長度，但顯著提高了纖維細度；結果表明，通過研磨方法，處理二粗纖維是可行的。

3 工業大麻花葉分離和秸稈炭化技術

3.1 工業大麻花葉分離技術與裝備

美國某公司研制出花頭分離機(Mother Bucker)[36]，主要由花頭脫離機箱、驅動電機、控制器、集料箱、機架和輪胎構成；其中花頭脫離機箱主要由脫葉面板和對輥式夾持滾筒構成，脫葉面板上設計多個不同直徑模具孔以匹配不同直徑的莖稈，模具孔周邊設計環形切刀用于剝離莖稈上的花葉，該機操作簡單而有效，單人作業工效可達68 kg/h。隨著生產和市場的需求，MUNCH Machine公司進一步研制出作業工效更高的雙花頭分離機和輸送帶式花頭分離機。

美國某公司研制出工業大麻花葉分離集成生產線[37]，可一次完成工業大麻莖稈夾持輸送、花葉剝離、花葉清選和花葉收儲等工序，該生產線可加工處理長度超過3 m的工業大麻莖稈，且花葉剝離率超過95%。生產線的主要作業過程：帶花葉莖稈的夾持輸送、莖稈上花葉剝離、主莖稈的輸送及收儲、花葉中夾雜的主莖稈分離、去除短莖稈、短莖稈上花葉剝離和花葉集中收儲。

3.2 工業大麻秸稈炭化技術與裝備

工業大麻和紅麻等作物的秸稈質量輕、可燃性好，是制作煙花爆竹碳粉的良好材料，市場價格較好，開發潛力大。肇東某公司自主研制的“不等徑連續回轉式碳化爐”為主體的秸稈自動化成套炭化設備[6, 11]；麻稈自動化炭化成套設備充分利用秸稈氣化爐的原理、連續式炭化原理、流化床原理、干餾式炭化原理自動裝置及多種新技術，可保證麻類等秸稈從喂料到炭粉連續化生產；設備具備節能、環保高效的優勢，無污染、零排放，該設備廢氣廢水的排放量符合國家有關標準；炭粉生產率6 t/d，消耗麻類等秸稈24 t/d，單機年處理秸稈超過200 kt。

4 工業大麻聯合收獲加工技術

自21世紀初期開始，國內外對以工業大麻等纖維為原料的天然纖維增強復合材料的需求越來越多，促進了工業大麻聯合收獲加工技術的高速發展；工業大麻聯合收獲加工技術主要包括纖維收剝一體化技術、莖稈撿拾纖維分離技術和纖維集成生產技術等[38-41]。

4.1 工業大麻纖維收剝一體化技術與裝備

纖維用工業大麻的收獲加工工藝流程一般為：割曬、雨露脫膠、翻麻、撿拾、運輸、切斷、打麻和清選，撿拾后的大麻莖稈從種植地運送到固定地點，進行集中剝制打麻，增加了運輸成本和場地成本；為此，國內外的科研院所和企業探索研究工業大麻纖維收獲剝制一體化作業技術[10]。

中國人民解放軍總后勤軍需裝備研究所軍用漢麻材料研究中心研制出自走式工業大麻收割及纖維剝制一體機，該機主要由廂式割臺、割刀、縱向輸送裝置、剝麻裝置、排渣裝置、纖維集儲裝置、動力底盤和駕駛室等組成，該機一次作業可完成工業大麻的莖稈收割、輸送、纖維剝制和麻骨麻葉等成條鋪放等作業工序，實現剝制后纖維的一機集儲，麻骨、麻葉等廢屑成條鋪放至機器后方。

澳大利亞某公司研制出HD-3型工業大麻收剝作業一體機，主要由收割平臺、輸送裝置、剝麻裝置、集料裝置和動力系統等組成；該機收割平臺完成工業大麻莖稈的切割和撿拾，輸送裝置將莖稈輸送至剝麻裝置完成纖維的剝制，2套集料裝置分別收集纖維和麻骨。剝麻裝置安裝在收割平臺上，收割平臺被拖拉機以偏置方式拖拽，整機的動力需95 kW以上，作業工效可達1 hm2/h。

4.2 工業大麻莖稈撿拾纖維分離技術

21世紀初期，加拿大曼尼托巴大學研制出牽引式工業大麻纖維分離機，主要由撿拾裝置、切割剝制裝置、喂入裝置、分離裝置、纖維集料箱、麻屑集料箱和動力機構等組成，其切割剝制裝置中設計有圓柱形分離刀盤，3套原始刀和9套傾斜安裝在刀盤上的打麻刀，通過對工業大麻的切斷、打擊、梳理等作業以實現纖維剝制[42]；該機掛接在拖拉機上行進大麻莖稈撿拾，并對莖稈進行剝制分離、清潔，可直接在田間加工處理大麻莖稈，降低了莖稈運送和場地存放的成本。

4.3 工業大麻纖維集成生產技術

德國萊布尼斯農業工程研究所設計出一套工業大麻纖維生產線，可一次完成工業大麻莖稈捆的預處理(包括撿拾、切斷和莖稈中雜質去除等工序)、纖維剝制、纖維的清潔、纖維和麻骨碎屑分別收集等工序，可生產加工直徑達1.8 m的圓捆和各種尺寸的方捆[43]。該生產線的主要工藝流程：切開莖稈捆并預切斷莖稈，去除籽、葉、沙石和金屬等其他雜質，測定并計量莖稈體積量，剝制纖維，清潔莖稈，梳理和疏松纖維，短纖維和麻屑的分離，去除短纖維和除塵設備清理廢氣和粉塵等。

工業大麻現代錘磨式生產線需要11道工序，生產線較長且分散產生的麻屑等混合物不利于收集。德國萊布尼斯農業工程研究所研究纖維和麻屑分離的新技術，不斷優化完善工業大麻纖維生產線，2008年研制出新一代工業大麻纖維生產線[44]；新一代加工生產線，增加莖稈預處理工序的同時減少了纖維剝制工序，整個生產線僅需7道作業工序，極大程度縮短加工線并提高加工效率。

新一代工業大麻纖維生產線的核心技術為莖稈包切斷裝置和錘式剝麻裝置。研制出2款方捆莖稈包切斷裝置和圓捆莖稈包切斷裝置；錘式剝麻裝置是基于上一代生產線中的擺錘式粉碎機原理研制，主要由頂部擋板、剪切板、指板、攪拌器和分離篩等組成，該裝置能實現工業大麻莖稈纖維的剝制，長、短纖維和麻屑的初步分離，其良好的纖維剝制和篩分效果可有效保障下道工序中纖維清潔更簡單高效，通常情況下，該裝置作業后僅需一個清潔階段即可實現纖維中含雜率低于2%。

5 存在問題與發展趨勢

5.1 工業大麻初加工技術面臨的問題

中國是世界上工業大麻種植面積和產量最大的國家之一，中國工業大麻生產技術體系正處于振興發展階段，但與國外發達國家相比，尤其是與工業大麻政策開放度較高的國家相比，中國工業大麻初加工技術存在一定的差距，存在的具體問題如下。

1) 工業大麻產業化程度低，制約著工業大麻機械化初加工技術發展速度。中國黑龍江、云南、廣西、山東、遼寧和山西6省市工業大麻種植面積占全國90%以上，初步形成一批集中連片的工業大麻種植基地。但中國的工業大麻產業化程度仍然較低，為數不多的從事工業大麻生產的企業基本上是中、小型企業，生產主體多以個體經營者為主，種植環境較為復雜，經營規模較小，多樣的生產規模和種植管理模式，嚴重制約著工業大麻機械化初加工技術的發展；此外，工業大麻初加工技術存在著研發集成不夠、推廣力度小等問題，也嚴重制約著工業大麻機械化初加工技術的發展速度。

2) 基礎性研究落后，工業大麻生產工藝與機械化生產技術聯動性差。中國工業大麻初加工機械雖然經過了多年發展，但是針對工業大麻初加工技術的基礎研究、植物—機械相互作用系統理論和共性技術研究還比較缺乏，尚未形成企業創新機制，對國外技術和裝備的依賴性重。雖然大部分初加工環節有機型覆蓋，但多為單一機型，可供用戶選擇的范圍較窄，甚至出現“無機可用”，工業大麻生產工藝與機械化初加工聯動性差，嚴重降低了生產效率。

3) 工業大麻機械化初加工裝備適用性與可靠性低。中國工業大麻種植生產環節復雜，并且從現有的種植和生產規模分析，適合中國工業大麻初加工生產的中、小型機械裝備需求量較大；從技術角度和企業經營來說，中、小型機械研發難度大、生產成本高且收益少，此外中國從事工業大麻機械研制的企業規模小，技術和經濟力量薄弱，很難開展高端、大型和集成化的機械裝備研發，從而導致企業所生產的機械裝備無法適用各地區的生產要求；且在材料屬性和關鍵部件選用方面落后發達國家，所應用的工業大麻初加工機械的適用性和可靠性都相對較低。

4) 工業大麻機械化初加工生產環節發展不均衡，存在技術短板。中國工業大麻初加工機械已經發展多年，已基本覆蓋到鮮莖剝皮、干莖打麻、短纖維提取、花葉分離和秸稈炭化等工藝流程的各個環節，但工業大麻機械化初加工的各個環節發展并不均衡。在工業大麻纖維剝制方面(鮮莖剝皮和干莖打麻)和短纖維提取方面，相關的機械化技術水平發展相對成熟，但存在著工業大麻花葉分離、籽粒脫粒清選和秸稈炭化等薄弱環節，工業大麻機械化初加工過程存在短板，高效低損的專用工業大麻機械化初加工生產裝備仍然缺乏。

5.2 工業大麻機械化初加工技術發展趨勢

為提升中國工業大麻機械化初加工技術水平，進而提高工業大麻產業競爭力，結合中國工業大麻生產的實際情況，提出中國工業大麻機械化初加工技術及裝備的發展趨勢。

1) 輕便型與大型工業大麻機械并存發展。中國工業大麻種植區域包括平原和丘陵山地等，其中以黑龍江和山東等為代表的遼闊地域和以云南和廣西等為代表的丘陵山地，不同區域的種植和生產規模完全不同；應依據不同種植區域的生產環境和生產規模，結合不同區域生產條件和現狀，實現山地高效輕便型和大型工業大麻初加工機械并存發展，發展適宜的工業大麻機械化初加工技術體系。

2) 創新研發高效纖維剝制加工裝備。以研發低損高效的工業大麻機械化纖維剝制加工裝備為前提，開展莖稈—纖維—機具及關鍵部件的相互作用機理研究，提高機具及關鍵部件的可靠性和適應性，同時加強工業大麻纖維剝制加工工藝與生產機械的聯動性，創新研發工業大麻高效纖維剝制加工技術及裝備，提高機器生產質量和作業效率，促進現有研究成果滿足生產的需求，開展大面積的推廣應用。

3) 研發籽用工業大麻收獲加工裝備，填補工業大麻初加工機械空白。開展工業大麻籽粒聯合收獲加工技術的研發，重點突破工業大麻籽粒高效低損脫粒清選、籽粒脫殼等核心技術的創新研究，力爭短期內形成自主研發的工業大麻籽粒脫粒清選裝備、脫殼機和聯合收獲加工裝備，填補中國工業大麻籽粒初加工裝備的研發空白，打破工業大麻籽粒初加工生產“無機可用”的局面。

4) 自主研發工業大麻花葉分離技術，滿足市場需求。目前歐美發達國家針對工業大麻花葉分離技術已實現中小型自動花葉分離裝備和全自動花葉分離生產線的成熟運用。針對中國云南、廣西等地藥用工業大麻發展需求，加強國外先進技術的消化與吸收，開展創新研發，重點突破工業大麻全自動花葉分離技術及裝備的研發，以滿足產業日益發展壯大對工業大麻全自動花葉分離裝備的需求。

5) 實現工業大麻初加工機械自動化、智能化發展。國外發達國家的高端工業大麻初加工機械已經廣泛采用了智能檢測與控制技術，其機、電、液和氣力驅動控制技術也普遍應用于相關機械裝備中，這些技術的綜合應用，一方面提高了工業大麻初加工機械的工作效率和作業進度，另一方面實現了良好的人機交互環境，減輕了用工數量和勞動強度。國內的工業大麻機械化初加工也將逐步面向自動化和智能化方向發展。

6 結論

隨著工業的發展和科技的進步，中國工業大麻初加工機械已從最初的被動仿制進入到產品創新研發和基礎理論研究并舉發展，在工業大麻纖維剝制領域的鮮莖剝皮技術、干莖打麻技術和短纖維提取技術等研究已形成較成熟的技術體系，適應不同作業模式的大、中、小型工業大麻纖維剝制機械正逐步形成規模。

通過系統綜述國內外工業大麻初加工技術及裝備，詳細闡述了工業大麻纖維剝制加工、花葉分離、秸稈炭化和聯合加工等4個初加工核心技術的研究現狀和發展動態；指出了中國工業大麻產業化程度低，生產工藝與機械化生產環節發展不均衡，存在技術短板；工業大麻初加工技術存在著基礎性研究落后，生產技術聯動性差、工業大麻初加工裝備適用性與可靠性低等問題。

因此，中國需要創新研發高效低損纖維剝制加工裝備，突破籽用工業大麻收獲加工技術與裝備，自主研發花葉分離裝備，輕便型與大型工業大麻初加工機械并存發展，實現工業大麻初加工機械自動化、智能化發展，降低機械裝備采購成本，促進工業大麻初加工機械的高速發展，為提高農民的經濟利益提供助力。