豆芽集裝箱植物工廠的研發(fā)與應用.pdf

王志冉等 豆芽集裝箱植物工廠的研發(fā)與應用 61 農業(yè)工程 農業(yè)信息 湖南農業(yè)科學 HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES 引用格式 王志冉 張曉文 馬 鐵 等 豆芽集裝箱植物工廠的研發(fā)與應用 J 湖南農業(yè)科學 2021 1 61 65 DOI 10 16498 ki hnnykx 2021 001 016 2021 1 61 65 芽菜是利用植物種子通過遮光發(fā)芽培育出供直 接食用的蔬菜幼嫩芽苗 1 一般分為黃化芽菜和綠色 芽菜 黃化芽菜有黃豆芽 綠豆芽 綠色芽菜有豌豆 苗 苜蓿苗等 2 4 芽菜具有生長速度快 生產周期短 營養(yǎng)豐富等優(yōu)點 5 傳統(tǒng)的芽菜是在溫室或大棚內生 產 大型芽苗菜生產基地都是在搭建的廠房內生產的 6 生產過程一般都不會使用化肥 農藥等 屬于無 公害食品 7 9 與黃豆 綠豆相比 豆芽的營養(yǎng)成分較高 含有 維生素和胡蘿卜素等豆類通常不含的營養(yǎng)物質 因此 催芽是一種簡單便捷且廉價的提高谷類營養(yǎng)成分的栽 培技術 10 11 谷類萌發(fā)時激活了內源酶系統(tǒng) 催化發(fā) 生一系列的生理生化反應 大分子的蛋白質與糖類降 解為小分子的肽 氨基酸和單糖等易吸收的物質 植 酸分解 抗營養(yǎng)因子減少 12 14 且豆芽的口感清香脆 甜 是大眾餐桌上不可缺少的菜品 同時具有減肥 美容 抗衰老等功能 常見的豆芽生產類型主要是大 型的豆芽生產工廠 每天生產豆芽的產量約為 30 t 甚至有些工廠豆芽的日生產量多達上百噸 15 16 還有 規(guī)模稍小一些的家庭作坊 用于供應周邊居民的日常 消費 由于對生產環(huán)境 設備 原料 衛(wèi)生需求 質 量檢驗 生產工藝等缺乏統(tǒng)一的管理 豆芽質量與品 質均一化程度較低 市面上還有作為小家電形式存在 的豆芽機 主要用于以家庭為單位的生產消費 滿足 家庭所需 17 市場常見的芽菜主要有黃豆芽 綠豆芽 和黑豆芽等 豆類在萌發(fā)的過程中需要大量的水 尤其是在下 胚軸伸長的過程中需要大量的水分 此時就需要定時 定量的向萌發(fā)裝置中加水以補充豆芽生長所需 另外 不同的水溫 不同的噴淋時間對豆芽的產量和品質都 有重要的影響 18 19 因此在豆芽的生產過程中對生產 操作的各個環(huán)節(jié)都有十分嚴格的要求 為了提高豆芽的 工廠化生產水平 精準控制豆芽生長的溫度 濕度 氣體濃度等環(huán)境參數 北京市農業(yè)機械研究所設計了 一款豆芽工廠化生產裝置 豆芽集裝箱植物工廠 該裝置解決了豆芽工廠化生產中自動噴淋的問題 能夠 均勻 及時地進行噴淋工作 提高了豆芽的產量與品 豆芽集裝箱植物工廠的研發(fā)與應用 王志冉 1 2 張曉文 1 2 馬 鐵 1 2 姚 濤 1 2 周增產 1 2 陳立振 2 3 1 北京市農業(yè)機械研究所有限公司 北京 100096 2 北京市植物工廠工程技術研究中心 北京 100094 3 北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司 北京 100094 摘 要 北京市農業(yè)機械研究所設計生產的豆芽集裝箱植物工廠 是一種小型的豆芽工廠化生產裝置 由集裝箱改造而成 分 為生產區(qū)域與控制室 2 部分 該集裝箱植物工廠采用計算機自動控制系統(tǒng)進行環(huán)境管理 室內溫度和 CO 2 濃度相對均一穩(wěn)定 經過選種 浸種 培育 采收 消毒等生產環(huán)節(jié) 實現了豆芽生產流程化管理 可有效解決傳統(tǒng)芽菜生產車間空間利用率低 噴淋不均勻等問題 生產不依賴自然環(huán)境 培育周期短 外觀品質較高 關鍵詞 豆芽集裝箱植物工廠 系統(tǒng)構成 自動化控制 生產流程 中圖分類號 S318 文獻標識碼 A 文章編號 1006 060X 2021 01 0061 05 Development and Application of Bean Sprout Container Plant Factory W ANG Zhi ran 1 2 ZHANG Xiao wen 1 2 MA Tie 1 2 YAO Tao 1 2 ZHOU Zeng chan 1 2 CHEN Li zhen 2 3 1 Beijing Agricultural Machinery Research Institute Co Ltd Beijing 100096 PRC 2 Beijing Plant Factory Engineering Technology Research Center Beijing 100094 PRC 3 Beijing Jingpeng Global Technology Co Ltd Beijing 100094 PRC Abstract Bean sprout container plant factory is designed and produced by Beijing Agricultural Machinery Research Institute It is a small device for bean sprout factory production transformed from a container and divided into two parts production area and control room The container plant factory adopts the computer automatic control system for environmental management and the indoor temperature and CO 2 concentration are relatively uniform and stable Through seed selection seed soaking cultivation harvesting disinfection and other production links the bean sprout production process management was realized which can effectively solve the problems of low space utilization and uneven spraying in the traditional sprout vegetable production workshop Furthermore the production does not rely on the natural environment the cultivation cycle is short and the appearance quality is high Key words bean sprout container plant factory system structure automatic control production process 收稿日期 2020 09 11 作者簡介 王志冉 1991 女 山東德州市人 工程師 主要 從事設施農業(yè)工程技術研究 湖南農業(yè)科學 HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES 2021 年 1 月 62 農業(yè)工程 農業(yè)信息 質 縮短了培育周期 提高了豆芽工廠化生產的水平 1 豆芽集裝箱植物工廠設計方案 豆芽集裝箱植物工廠是一種小型的豆芽工廠化 生產裝置 該裝置為 5 898 mm 2 352 mm 2 393 mm 的標準集裝箱經過加工改造而成 如圖 1 所示 該豆 芽工廠化生產集裝箱的生產區(qū)域與控制區(qū)域嚴格分 開 避免了因生產區(qū)濕度大造成的配電柜內線路短路 在生產區(qū)放置 2 個上寬下窄的豆芽桶和 1 個水箱 豆 芽桶的上方有自動噴淋裝置 集裝箱的兩側分別安裝 通風風機與側窗 設備間有補氣系統(tǒng)的氣瓶和配電箱 生產區(qū)與設備間均安裝了空調 該設計充分利用了集 裝箱內的空間 在固定生產體積內提高了豆芽的生產 量 同時保證了豆芽的品質 小型豆芽生產裝置內安 裝自動控制系統(tǒng) 對生產環(huán)境的可控度好 控制精度 較高 能夠生產黃豆芽 綠豆芽 黑豆芽等各種豆類 芽菜 2 豆芽集裝箱植物工廠配套系統(tǒng)構成 2 1 豆芽集裝箱植物工廠殼體 豆芽集裝箱殼體是由集裝箱改造而成 殼體增加 進水 進電 通風口 集裝箱后板增加防盜門作為前門 原有前門作為后門 在距離前門一定距離處增加由巖 棉凈化板和鍍鋅鋼板組成的隔斷 將集裝箱分為生產 區(qū)和設備區(qū) 集裝箱內部通體覆蓋 75 mm 厚度巖棉凈 化板 生產區(qū)域底面設置傾斜角度 大約為 5 豆芽 桶一側偏低 并在邊緣開集水槽 方便豆芽桶底部流 出的水排出箱體 2 2 豆芽培育桶 集裝箱的生產區(qū)有 2 個倒梯形棱臺的豆芽培育 桶 培育桶是上底寬 1 500 mm 下底寬 1 200 mm 高 1 500 mm 的食品級 304 不銹鋼棱臺桶構成 選擇 倒梯形棱臺桶的原因是為了防止在豆芽生長過程中擠 爆培養(yǎng)桶 減小桶內的生長壓力 豆芽培養(yǎng)桶的底部 有篩孔 鋪上無紡布后 噴淋的水能夠穿過豆子流出 保證生長桶內透水透氣 避免桶內積水造成豆芽腐爛 2 3 自走式噴淋裝置 如圖 2 和圖 3 所示 自走式噴淋裝置是由 U 型 滑輪 電機 電機底座 結構骨架 進水管 噴淋管 和軌道構成 該裝置的不銹鋼骨架是由 2 根實心圓管 作為縱梁 4 根矩形方管作為橫梁焊接而成 實心圓 管的 4 個端部中有 3 個直接固定 U 型輪 另一個 U 圖 2 自走式噴淋裝置結構 1 結構骨架 2 U 型滑輪 3 電機 4 電機底座 5 噴淋管 圖 1 豆芽集裝箱植物工廠平面圖 1 后側對開門 2 側面通風風機 3 氣體釋放管道 4 豆芽生長桶 5 移動噴淋管 6 軟管 7 集水槽 8 不銹鋼水箱 9 瓦楞板外殼 10 巖棉凈 化板保溫層 11 進水口 12 空調 13 正面單開門 14 隔斷單開門 15 進電口 16 配電箱 17 一拖二空調外機 18 側窗 19 不銹鋼地面 20 壁 掛風扇 21 行程限位開關 22 進水管 23 氮氣氣瓶 24 乙烯氣瓶 25 二氧化碳氣瓶 26 電磁閥固定板 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 12 20 21 22 23 24 25 王志冉等 豆芽集裝箱植物工廠的研發(fā)與應用 63 農業(yè)工程 農業(yè)信息 型輪與電機底座焊接 該 U 型輪直接固定在電機上 帶動其他 3 個滑輪一起轉動 電機置于焊接在骨架的 電機底座上 噴淋管是由 PVC 管和三通構成 通過 U 型螺栓固定在橫梁上 三通中間口接噴淋頭 該裝置用于豆芽工廠化生產中的噴淋補水環(huán)節(jié) 外界水源的水經進水管到達噴淋管 由電機提供動力 可通過控制系統(tǒng)發(fā)出的指令 在豆芽生產箱體的上方 往復運動 均勻噴水 水量與運動速度均可調節(jié) 實 現豆芽生產的智能化控制 節(jié)省人力物力 實現高效 節(jié)能節(jié)水生產 當傳感器感知水箱缺水時 進水水路 電磁閥打開 在自來水水壓下 水可流入水箱 水箱 內的水在非灌溉時間可加熱至符合豆芽生長的溫度 環(huán)境中的各種氣體檢測傳感器和溫度傳感器可感知室 內空氣成分的變化和溫濕度變化 進而控制氣瓶電磁 閥的開關 空調的開關及通風系統(tǒng)的開關 移動噴淋 系統(tǒng)可按照系統(tǒng)設定的灌溉時間定時噴淋 每次噴淋 的時長可根據豆芽生產的不同階段進行自定義設置 圖 3 自走式噴淋裝置 2 4 強制通風系統(tǒng) 強制通風系統(tǒng)是由通風機與側窗構成 分別位于 豆芽集裝箱的兩側 成對角線分布 通風量為 1 000 m h 能夠在 1 8 min 內完成整個集裝箱的氣體交換 側窗內安裝初效過濾器 能夠有效過濾空氣中的大顆 粒物 蟲卵和部分致病微生物等 2 5 空調系統(tǒng) 豆芽集裝箱植物工廠的生產區(qū)與設備間均安裝空 調 用于調節(jié)生產區(qū)與控制區(qū)的溫度 生產區(qū)配置 3 匹掛式空調機 制冷量為 9 000 w 制熱量為 8 300 w 控制區(qū)配置 2 匹空調主機 制冷量為 3 050 w 制熱 量為 3 750 w 2 6 補氣系統(tǒng) 豆芽集裝箱植物工廠的補氣系統(tǒng)包含氮氣 CO 2 和乙烯 3 種氣瓶 電磁閥和相應的管道 圖 4 電磁 閥控制 3 種氣瓶定時定量釋放氣體 生產區(qū)域側墻安 裝有壁掛風扇 氣體釋放后 風扇可將氣體吹散彌漫 至整個空間 圖 4 豆芽集裝箱植物工廠補氣系統(tǒng) 2 7 自動控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由西門子 S7 200 smart 系列 PLC 模塊 繼電器 觸摸屏 行程限位開關 電機調速裝置及其 他電路元件及電線組成 自動控制系統(tǒng)主要包括控制 器 傳感器 包括溫度 濕度 氣體濃度 和觸摸屏 圖 5 通過 PLC 控制系統(tǒng)自動控制噴淋工作 能夠 自動控制該生產裝置內的溫度 濕度 氣體濃度等環(huán) 境條件因子 為豆芽的萌發(fā) 生長提供適宜的環(huán)境 3 豆芽的工廠化生產流程 豆芽集裝箱植物工廠具有占地面積小 移動靈 活 耗能低 操作簡 維修方便等優(yōu)點 豆芽集裝箱 植物工廠的產量主要是由 2 個豆芽培育桶的容積決定 的 一般 1 個豆芽培育桶內放 35 kg 黃豆或 45 kg 綠 豆 經過 7 d 時間的培育生長 豆芽長滿整個培育桶 重量達 550 kg 在集裝箱植物工廠內生產的豆芽鮮嫩 粗壯 通體潔白 直立整齊 幾乎都是伸長的下胚軸 湖南農業(yè)科學 HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES 2021 年 1 月 64 農業(yè)工程 農業(yè)信息 無根系的豆芽 3 1 選 種 選用市場上銷售的發(fā)芽率與發(fā)芽勢相對較高的綠 豆和黃豆為生產材料 發(fā)芽率在 95 以上 純凈度 高于 98 外形上選擇色澤光鮮亮麗 種子圓潤飽滿 的豆子 原則上超過 2 a 的種子就不適用了 一定要 選擇新種 這樣發(fā)芽指數才能符合要求 3 2 浸 種 浸種是讓種子吸飽水 使其恢復萌發(fā)與生長能力 的過程 首先將綠豆或黃豆種子反復清洗 在清洗的 過程中 除掉泥沙 霉變 蟲蛀等壞種子和雜質 經 過漂洗和去除雜質后再用 0 1 的高錳酸鉀或 1 的 福爾馬林消毒 3 5 min 黃豆用常溫水浸泡 6 h 左右即 可 綠豆需使用 60 的溫水浸種 30 min 期間不停的 攪拌 然后常溫下浸泡 6 h 浸泡豆子的用水量是豆 子本身重量的 3 5 倍 浸泡結束后需再次清洗種子 洗去萌發(fā)過程中產生的粘液和腐爛的豆粒等 在豆芽 培養(yǎng)桶的底部鋪一層無紡布 將浸泡好的種子移入豆 芽培養(yǎng)桶內 浸種的時間過短 一些酶的活性未被激 活 會影響發(fā)芽的整齊度 浸種時間過長 種子因長 期進行無氧呼吸會發(fā)臭腐爛 因此種子的吸水量應適 宜 浸種時間應嚴格控制 3 3 培 育 豆芽萌發(fā)過程要保持完全黑暗的狀態(tài) 集裝箱 內的溫度 濕度 氣體濃度 噴淋水溫等環(huán)境參數都 由計算機進行自動控制 培育過程定時對豆芽進行噴 淋 水溫進行嚴格控制 綠豆噴淋水溫 30 黃豆 噴淋水溫 20 一般 3 h 噴淋一次 每次噴淋 5 min 噴淋的作用不僅是為了給正在萌發(fā)生長的種子提供水 分 同時 水通過萌發(fā)種子層可帶走種子萌發(fā)釋放的 熱量和 CO 2 起到了降低 CO 2 含量與溫度的作用 豆 芽在萌發(fā)過程中最低溫度不能低于 10 最高溫度不 能高于 32 集裝箱內的溫度參數采用自動控制 冬 季 24 25 夏季 23 24 培養(yǎng)約 7 d 就可以生產出 直立潔白的無根豆芽 豆芽的下胚軸長至 6 10 cm 時 可采收 在此期間 培育人員只需每天檢查噴淋管是 否正常出水 及時剔除腐爛或霉變的豆芽即可 3 4 采 收 采收過早可能會影響產量 采收過晚會影響產品 的質量 因此應選擇在生物量達到最大 品質最好時 采收 根據操作者的栽培經驗和感官判斷以及對豆芽 抽樣測量結果 一般培養(yǎng) 6 7 d 即可采收一茬豆芽 3 5 培養(yǎng)前消毒工作 采收完一茬豆芽后需要對生產車間和培育桶進行 嚴格的消毒 首先是生產車間的消毒 使用 3 0 的 石灰水或 0 2 的漂白粉水溶液先對地面和墻壁進行 消毒 用清水反復沖洗干凈 再用紫外線臭氧消毒燈 進行殺菌消毒 生產過程中保證地面清潔 培養(yǎng)桶的 消毒 每次使用前用 3 0 的石灰水或 0 2 的漂白粉 水溶液噴灑消毒 用高壓水槍反復沖洗 然后采取高 溫或紫外線臭氧消毒燈進行殺菌消毒 4 集裝箱內豆芽栽培環(huán)境測定 4 1 豆芽集裝箱植物工廠內溫度測試 測試在北京市通州區(qū)北京市農業(yè)機械研究所試驗 基地進行 使用精創(chuàng)公司 RC 4HA C 型號儀器記錄溫 度 在溫室內前端 中間和后部以及集裝箱內上中下 3 層設置 9 個溫度采集點 測試時記錄 3 次取平均值 如圖6 所示 集裝箱內的溫度差異相差不 太 最大溫度與最小溫度相差約 0 8 最低溫度 出現在集裝箱的前部下層 最高溫度出現在集裝 箱的后端上層 集裝箱內部的溫度相對均一穩(wěn)定 22 4 22 6 22 8 23 0 23 2 23 4 23 6 23 8 24 0 前中后 溫 度 溫室內部位置 上 層 中 層 下 層 圖 6 豆芽集裝箱植物工廠內溫度變化 圖 5 配電箱與自動控制系統(tǒng) 王志冉等 豆芽集裝箱植物工廠的研發(fā)與應用 65 農業(yè)工程 農業(yè)信息 4 2 豆芽集裝箱植物工廠內 CO 2 濃度測試 種子在萌發(fā)過程中需要消耗氧氣 同時釋放 CO 2 測定集裝箱內 CO 2 的濃度可以檢測新風系統(tǒng)的 換氣能力 判斷空氣中的 O 2 是否能夠滿足種子萌發(fā) 利用紅外線二氧化碳氣體分析儀進行 CO 2 濃度測定 在溫室內前端 中間和后部以及集裝箱內上中下 3 層 共設置 9 個測定點 測試時記錄 3 次取平均值 如圖 7 所示 豆芽集裝箱植物工廠內的 CO 2 的 濃度高于室外 且在集裝箱的前端 CO 2 濃度相對較低 在集裝箱的后端 CO 2 濃度相對較高 但整體來看 整 個集裝箱內 CO 2 的濃度在 760 880 mol mol 整個集 裝箱內的 CO 2 濃度相對均一穩(wěn)定 集裝箱內的通風系 統(tǒng)與側窗能夠控制箱內的氣體濃度 避免 CO 2 過度積 累 造成缺氧現象 680 720 760 800 840 880 920 前 中 后 CO 2 濃度 mol mol 溫室內部位置 上 層 中 層 下 層 圖 7 豆芽集裝箱植物工廠內 CO 2 濃度變化 5 結 論 相較傳統(tǒng)生產模式 集裝箱植物工廠生產豆芽具 有以下優(yōu)點 首先 集裝箱內附 75 mm 厚的保溫凈化 板 具有保溫隔熱的功能 第二 采用智能控制系統(tǒng) 對環(huán)境因子精準控制 箱內的溫度 濕度相對均一 縮短了豆芽的生產周期 傳統(tǒng)培育 20 30 茬 a 集裝 箱植物工廠可增至 40 50 茬 a 提高了復種指數 采 用桶栽模式 成倍的增加了單位面積的產量 第三 豆芽集裝箱植物工廠適宜生產的區(qū)域廣泛 在農業(yè)園 區(qū) 城市 邊防哨所 高寒干旱 沙漠甚至鹽堿重地 等都能正常生產 第四 生產安全無污染 生產過程 中使用的容器 噴淋用水 豆類等都達到了潔凈的標 準 生產環(huán)境也做到了與外界隔離 采用半封閉的栽 培管理模式 有利于阻隔病菌進入生產環(huán)境 更容易 生產出無公害甚至是綠色食品蔬菜 采用集裝箱植物工廠進行半封閉式豆芽工廠化生 產 通過計算機自動控制系統(tǒng)對溫度 濕度 通風 氣體濃度 噴淋水溫等環(huán)境參數進行精準控制 可調 節(jié)性強且不受外界自然環(huán)境的影響 大大縮短了豆芽 培育周期 可以根據上市時間 需求量等進行合理生 產 按時供貨 周年供應 與傳統(tǒng)方式生產的豆芽相比 集裝箱植物工廠生產的豆芽下胚軸較長且無根 口感 清香脆嫩 外觀品質較高 更受消費者青睞 參考文獻 1 鄭立軍 七種豆催芽過程營養(yǎng)素與活性成分變化規(guī)律研究及豆芽 脆片的制作 D 長春 吉林大學 2020 2 張學玲 無公害豆芽工廠化生產技術探討 J 現代園藝 2018 21 72 73 3 于雪娜 王榮艷 張學康 等 不同萌發(fā)期黃豆芽活性物質檢測 及營養(yǎng)價值分析 J 綠色科技 2019 1 14 15 4 云無心 豆芽營養(yǎng)多 生吃需謹慎 J 農產品市場周刊 2017 23 53 5 陸素君 陳振生 鄧永勝 等 不同營養(yǎng)液 培養(yǎng)基及環(huán)境對綠 豆芽苗菜生產的影響 J 農業(yè)科技通訊 2017 8 163 165 6 申為民 秦學軍 日光溫室綠色豆芽無公害栽培技術 J 現代農業(yè) 科技 2011 23 182 183 7 袁星星 陳 新 陳華濤 等 豆類芽苗菜生產技術研究現狀及 發(fā)展方向 J 江蘇農業(yè)科學 2014 42 5 136 139 8 王旭強 無公害孵制綠豆芽技術 J 蔬菜 2013 2 14 15 9 錢亞芳 無公害豆芽生產技術規(guī)程 J 上海蔬菜 2011 2 28 10 鄭淑波 小粒大豆豆芽生產性能比較及遺傳多樣性分析 D 長春 吉林農業(yè)大學 2013 11 趙 霞 曹改萍 王 敏 等 不同類型大豆萌發(fā)期維生素 E 組 分及含量的比較 J 中國糧油學報 2020 35 8 48 55 83 12 趙天瑤 王麗云 姜宏偉 等 豆類種子及其芽苗菜的營養(yǎng)品質 功能性成分及抗氧化性研究 J 食品與發(fā)酵工業(yè) 2020 46 5 83 90 13 王春蓮 鞠方成 大豆種子萌發(fā)過程中貯藏物質的變化 J 中國種 業(yè) 2018 12 51 53 14 唐 麗 LED 光質在植物組織培養(yǎng)和芽苗菜栽培中的調控作用及 機理 D 南京 南京農業(yè)大學 2013 15 沈傳世 陳 玨 陳 飛 黑豆豆芽工廠化生產關鍵技術研究 J 長江蔬菜 2015 20 62 64 16 李恩彪 工廠化生產綠豆芽方法 N 吉林農村報 2013 01 25 3 17 KUO Y H ROZAN P LAMBEIN F et al Effects of different germination conditions on the contents of free protein and non protein amino acids of commercial legumes J Food Chemistry 2004 86 4 537 545 18 環(huán)球時報 吃豆芽能長壽 J 健康生活 2005 8 32 19 馬偉芳 陳國偉 韓東梅 等 臭氧活性炭 超濾工藝用于豆芽噴 淋水回用工程 J 中國給水排水 2011 27 2 71 73 76 責任編輯 肖彥資