豆芽集装箱植物工厂的研发与应用.pdf

王志冉等 豆芽集装箱植物工厂的研发与应用 61 农业工程 农业信息 湖南农业科学 HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES 引用格式 王志冉 张晓文 马 铁 等 豆芽集装箱植物工厂的研发与应用 J 湖南农业科学 2021 1 61 65 DOI 10 16498 ki hnnykx 2021 001 016 2021 1 61 65 芽菜是利用植物种子通过遮光发芽培育出供直 接食用的蔬菜幼嫩芽苗 1 一般分为黄化芽菜和绿色 芽菜 黄化芽菜有黄豆芽 绿豆芽 绿色芽菜有豌豆 苗 苜蓿苗等 2 4 芽菜具有生长速度快 生产周期短 营养丰富等优点 5 传统的芽菜是在温室或大棚内生 产 大型芽苗菜生产基地都是在搭建的厂房内生产的 6 生产过程一般都不会使用化肥 农药等 属于无 公害食品 7 9 与黄豆 绿豆相比 豆芽的营养成分较高 含有 维生素和胡萝卜素等豆类通常不含的营养物质 因此 催芽是一种简单便捷且廉价的提高谷类营养成分的栽 培技术 10 11 谷类萌发时激活了内源酶系统 催化发 生一系列的生理生化反应 大分子的蛋白质与糖类降 解为小分子的肽 氨基酸和单糖等易吸收的物质 植 酸分解 抗营养因子减少 12 14 且豆芽的口感清香脆 甜 是大众餐桌上不可缺少的菜品 同时具有减肥 美容 抗衰老等功能 常见的豆芽生产类型主要是大 型的豆芽生产工厂 每天生产豆芽的产量约为 30 t 甚至有些工厂豆芽的日生产量多达上百吨 15 16 还有 规模稍小一些的家庭作坊 用于供应周边居民的日常 消费 由于对生产环境 设备 原料 卫生需求 质 量检验 生产工艺等缺乏统一的管理 豆芽质量与品 质均一化程度较低 市面上还有作为小家电形式存在 的豆芽机 主要用于以家庭为单位的生产消费 满足 家庭所需 17 市场常见的芽菜主要有黄豆芽 绿豆芽 和黑豆芽等 豆类在萌发的过程中需要大量的水 尤其是在下 胚轴伸长的过程中需要大量的水分 此时就需要定时 定量的向萌发装置中加水以补充豆芽生长所需 另外 不同的水温 不同的喷淋时间对豆芽的产量和品质都 有重要的影响 18 19 因此在豆芽的生产过程中对生产 操作的各个环节都有十分严格的要求 为了提高豆芽的 工厂化生产水平 精准控制豆芽生长的温度 湿度 气体浓度等环境参数 北京市农业机械研究所设计了 一款豆芽工厂化生产装置 豆芽集装箱植物工厂 该装置解决了豆芽工厂化生产中自动喷淋的问题 能够 均匀 及时地进行喷淋工作 提高了豆芽的产量与品 豆芽集装箱植物工厂的研发与应用 王志冉 1 2 张晓文 1 2 马 铁 1 2 姚 涛 1 2 周增产 1 2 陈立振 2 3 1 北京市农业机械研究所有限公司 北京 100096 2 北京市植物工厂工程技术研究中心 北京 100094 3 北京京鹏环球科技股份有限公司 北京 100094 摘 要 北京市农业机械研究所设计生产的豆芽集装箱植物工厂 是一种小型的豆芽工厂化生产装置 由集装箱改造而成 分 为生产区域与控制室 2 部分 该集装箱植物工厂采用计算机自动控制系统进行环境管理 室内温度和 CO 2 浓度相对均一稳定 经过选种 浸种 培育 采收 消毒等生产环节 实现了豆芽生产流程化管理 可有效解决传统芽菜生产车间空间利用率低 喷淋不均匀等问题 生产不依赖自然环境 培育周期短 外观品质较高 关键词 豆芽集装箱植物工厂 系统构成 自动化控制 生产流程 中图分类号 S318 文献标识码 A 文章编号 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 transed 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 uni 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 作者简介 王志冉 1991 女 山东德州市人 工程师 主要 从事设施农业工程技术研究 湖南农业科学 HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES 2021 年 1 月 62 农业工程 农业信息 质 缩短了培育周期 提高了豆芽工厂化生产的水平 1 豆芽集装箱植物工厂设计方案 豆芽集装箱植物工厂是一种小型的豆芽工厂化 生产装置 该装置为 5 898 mm 2 352 mm 2 393 mm 的标准集装箱经过加工改造而成 如图 1 所示 该豆 芽工厂化生产集装箱的生产区域与控制区域严格分 开 避免了因生产区湿度大造成的配电柜内线路短路 在生产区放置 2 个上宽下窄的豆芽桶和 1 个水箱 豆 芽桶的上方有自动喷淋装置 集装箱的两侧分别安装 通风风机与侧窗 设备间有补气系统的气瓶和配电箱 生产区与设备间均安装了空调 该设计充分利用了集 装箱内的空间 在固定生产体积内提高了豆芽的生产 量 同时保证了豆芽的品质 小型豆芽生产装置内安 装自动控制系统 对生产环境的可控度好 控制精度 较高 能够生产黄豆芽 绿豆芽 黑豆芽等各种豆类 芽菜 2 豆芽集装箱植物工厂配套系统构成 2 1 豆芽集装箱植物工厂壳体 豆芽集装箱壳体是由集装箱改造而成 壳体增加 进水 进电 通风口 集装箱后板增加防盗门作为前门 原有前门作为后门 在距离前门一定距离处增加由岩 棉净化板和镀锌钢板组成的隔断 将集装箱分为生产 区和设备区 集装箱内部通体覆盖 75 mm 厚度岩棉净 化板 生产区域底面设置倾斜角度 大约为 5 豆芽 桶一侧偏低 并在边缘开集水槽 方便豆芽桶底部流 出的水排出箱体 2 2 豆芽培育桶 集装箱的生产区有 2 个倒梯形棱台的豆芽培育 桶 培育桶是上底宽 1 500 mm 下底宽 1 200 mm 高 1 500 mm 的食品级 304 不锈钢棱台桶构成 选择 倒梯形棱台桶的原因是为了防止在豆芽生长过程中挤 爆培养桶 减小桶内的生长压力 豆芽培养桶的底部 有筛孔 铺上无纺布后 喷淋的水能够穿过豆子流出 保证生长桶内透水透气 避免桶内积水造成豆芽腐烂 2 3 自走式喷淋装置 如图 2 和图 3 所示 自走式喷淋装置是由 U 型 滑轮 电机 电机底座 结构骨架 进水管 喷淋管 和轨道构成 该装置的不锈钢骨架是由 2 根实心圆管 作为纵梁 4 根矩形方管作为横梁焊接而成 实心圆 管的 4 个端部中有 3 个直接固定 U 型轮 另一个 U 图 2 自走式喷淋装置结构 1 结构骨架 2 U 型滑轮 3 电机 4 电机底座 5 喷淋管 图 1 豆芽集装箱植物工厂平面图 1 后侧对开门 2 侧面通风风机 3 气体释放管道 4 豆芽生长桶 5 移动喷淋管 6 软管 7 集水槽 8 不锈钢水箱 9 瓦楞板外壳 10 岩棉净 化板保温层 11 进水口 12 空调 13 正面单开门 14 隔断单开门 15 进电口 16 配电箱 17 一拖二空调外机 18 侧窗 19 不锈钢地面 20 壁 挂风扇 21 行程限位开关 22 进水管 23 氮气气瓶 24 乙烯气瓶 25 二氧化碳气瓶 26 电磁阀固定板 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 豆芽集装箱植物工厂的研发与应用 63 农业工程 农业信息 型轮与电机底座焊接 该 U 型轮直接固定在电机上 带动其他 3 个滑轮一起转动 电机置于焊接在骨架的 电机底座上 喷淋管是由 PVC 管和三通构成 通过 U 型螺栓固定在横梁上 三通中间口接喷淋头 该装置用于豆芽工厂化生产中的喷淋补水环节 外界水源的水经进水管到达喷淋管 由电机提供动力 可通过控制系统发出的指令 在豆芽生产箱体的上方 往复运动 均匀喷水 水量与运动速度均可调节 实 现豆芽生产的智能化控制 节省人力物力 实现高效 节能节水生产 当传感器感知水箱缺水时 进水水路 电磁阀打开 在自来水水压下 水可流入水箱 水箱 内的水在非灌溉时间可加热至符合豆芽生长的温度 环境中的各种气体检测传感器和温度传感器可感知室 内空气成分的变化和温湿度变化 进而控制气瓶电磁 阀的开关 空调的开关及通风系统的开关 移动喷淋 系统可按照系统设定的灌溉时间定时喷淋 每次喷淋 的时长可根据豆芽生产的不同阶段进行自定义设置 图 3 自走式喷淋装置 2 4 强制通风系统 强制通风系统是由通风机与侧窗构成 分别位于 豆芽集装箱的两侧 成对角线分布 通风量为 1 000 m h 能够在 1 8 min 内完成整个集装箱的气体交换 侧窗内安装初效过滤器 能够有效过滤空气中的大颗 粒物 虫卵和部分致病微生物等 2 5 空调系统 豆芽集装箱植物工厂的生产区与设备间均安装空 调 用于调节生产区与控制区的温度 生产区配置 3 匹挂式空调机 制冷量为 9 000 w 制热量为 8 300 w 控制区配置 2 匹空调主机 制冷量为 3 050 w 制热 量为 3 750 w 2 6 补气系统 豆芽集装箱植物工厂的补气系统包含氮气 CO 2 和乙烯 3 种气瓶 电磁阀和相应的管道 图 4 电磁 阀控制 3 种气瓶定时定量释放气体 生产区域侧墙安 装有壁挂风扇 气体释放后 风扇可将气体吹散弥漫 至整个空间 图 4 豆芽集装箱植物工厂补气系统 2 7 自动控制系统 控制系统由西门子 S7 200 smart 系列 PLC 模块 继电器 触摸屏 行程限位开关 电机调速装置及其 他电路元件及电线组成 自动控制系统主要包括控制 器 传感器 包括温度 湿度 气体浓度 和触摸屏 图 5 通过 PLC 控制系统自动控制喷淋工作 能够 自动控制该生产装置内的温度 湿度 气体浓度等环 境条件因子 为豆芽的萌发 生长提供适宜的环境 3 豆芽的工厂化生产流程 豆芽集装箱植物工厂具有占地面积小 移动灵 活 耗能低 操作简 维修方便等优点 豆芽集装箱 植物工厂的产量主要是由 2 个豆芽培育桶的容积决定 的 一般 1 个豆芽培育桶内放 35 kg 黄豆或 45 kg 绿 豆 经过 7 d 时间的培育生长 豆芽长满整个培育桶 重量达 550 kg 在集装箱植物工厂内生产的豆芽鲜嫩 粗壮 通体洁白 直立整齐 几乎都是伸长的下胚轴 湖南农业科学 HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES 2021 年 1 月 64 农业工程 农业信息 无根系的豆芽 3 1 选 种 选用市场上销售的发芽率与发芽势相对较高的绿 豆和黄豆为生产材料 发芽率在 95 以上 纯净度 高于 98 外形上选择色泽光鲜亮丽 种子圆润饱满 的豆子 原则上超过 2 a 的种子就不适用了 一定要 选择新种 这样发芽指数才能符合要求 3 2 浸 种 浸种是让种子吸饱水 使其恢复萌发与生长能力 的过程 首先将绿豆或黄豆种子反复清洗 在清洗的 过程中 除掉泥沙 霉变 虫蛀等坏种子和杂质 经 过漂洗和去除杂质后再用 0 1 的高锰酸钾或 1 的 福尔马林消毒 3 5 min 黄豆用常温水浸泡 6 h 左右即 可 绿豆需使用 60 的温水浸种 30 min 期间不停的 搅拌 然后常温下浸泡 6 h 浸泡豆子的用水量是豆 子本身重量的 3 5 倍 浸泡结束后需再次清洗种子 洗去萌发过程中产生的粘液和腐烂的豆粒等 在豆芽 培养桶的底部铺一层无纺布 将浸泡好的种子移入豆 芽培养桶内 浸种的时间过短 一些酶的活性未被激 活 会影响发芽的整齐度 浸种时间过长 种子因长 期进行无氧呼吸会发臭腐烂 因此种子的吸水量应适 宜 浸种时间应严格控制 3 3 培 育 豆芽萌发过程要保持完全黑暗的状态 集装箱 内的温度 湿度 气体浓度 喷淋水温等环境参数都 由计算机进行自动控制 培育过程定时对豆芽进行喷 淋 水温进行严格控制 绿豆喷淋水温 30 黄豆 喷淋水温 20 一般 3 h 喷淋一次 每次喷淋 5 min 喷淋的作用不仅是为了给正在萌发生长的种子提供水 分 同时 水通过萌发种子层可带走种子萌发释放的 热量和 CO 2 起到了降低 CO 2 含量与温度的作用 豆 芽在萌发过程中最低温度不能低于 10 最高温度不 能高于 32 集装箱内的温度参数采用自动控制 冬 季 24 25 夏季 23 24 培养约 7 d 就可以生产出 直立洁白的无根豆芽 豆芽的下胚轴长至 6 10 cm 时 可采收 在此期间 培育人员只需每天检查喷淋管是 否正常出水 及时剔除腐烂或霉变的豆芽即可 3 4 采 收 采收过早可能会影响产量 采收过晚会影响产品 的质量 因此应选择在生物量达到最大 品质最好时 采收 根据操作者的栽培经验和感官判断以及对豆芽 抽样测量结果 一般培养 6 7 d 即可采收一茬豆芽 3 5 培养前消毒工作 采收完一茬豆芽后需要对生产车间和培育桶进行 严格的消毒 首先是生产车间的消毒 使用 3 0 的 石灰水或 0 2 的漂白粉水溶液先对地面和墙壁进行 消毒 用清水反复冲洗干净 再用紫外线臭氧消毒灯 进行杀菌消毒 生产过程中保证地面清洁 培养桶的 消毒 每次使用前用 3 0 的石灰水或 0 2 的漂白粉 水溶液喷洒消毒 用高压水枪反复冲洗 然后采取高 温或紫外线臭氧消毒灯进行杀菌消毒 4 集装箱内豆芽栽培环境测定 4 1 豆芽集装箱植物工厂内温度测试 测试在北京市通州区北京市农业机械研究所试验 基地进行 使用精创公司 RC 4HA C 型号仪器记录温 度 在温室内前端 中间和后部以及集装箱内上中下 3 层设置 9 个温度采集点 测试时记录 3 次取平均值 如图6 所示 集装箱内的温度差异相差不 太 最大温度与最小温度相差约 0 8 最低温度 出现在集装箱的前部下层 最高温度出现在集装 箱的后端上层 集装箱内部的温度相对均一稳定 22 4 22 6 22 8 23 0 23 2 23 4 23 6 23 8 24 0 前中后 温 度 温室内部位置 上 层 中 层 下 层 图 6 豆芽集装箱植物工厂内温度变化 图 5 配电箱与自动控制系统 王志冉等 豆芽集装箱植物工厂的研发与应用 65 农业工程 农业信息 4 2 豆芽集装箱植物工厂内 CO 2 浓度测试 种子在萌发过程中需要消耗氧气 同时释放 CO 2 测定集装箱内 CO 2 的浓度可以检测新风系统的 换气能力 判断空气中的 O 2 是否能够满足种子萌发 利用红外线二氧化碳气体分析仪进行 CO 2 浓度测定 在温室内前端 中间和后部以及集装箱内上中下 3 层 共设置 9 个测定点 测试时记录 3 次取平均值 如图 7 所示 豆芽集装箱植物工厂内的 CO 2 的 浓度高于室外 且在集装箱的前端 CO 2 浓度相对较低 在集装箱的后端 CO 2 浓度相对较高 但整体来看 整 个集装箱内 CO 2 的浓度在 760 880 mol mol 整个集 装箱内的 CO 2 浓度相对均一稳定 集装箱内的通风系 统与侧窗能够控制箱内的气体浓度 避免 CO 2 过度积 累 造成缺氧现象 680 720 760 800 840 880 920 前 中 后 CO 2 浓度 mol mol 温室内部位置 上 层 中 层 下 层 图 7 豆芽集装箱植物工厂内 CO 2 浓度变化 5 结 论 相较传统生产模式 集装箱植物工厂生产豆芽具 有以下优点 首先 集装箱内附 75 mm 厚的保温净化 板 具有保温隔热的功能 第二 采用智能控制系统 对环境因子精准控制 箱内的温度 湿度相对均一 缩短了豆芽的生产周期 传统培育 20 30 茬 a 集装 箱植物工厂可增至 40 50 茬 a 提高了复种指数 采 用桶栽模式 成倍的增加了单位面积的产量 第三 豆芽集装箱植物工厂适宜生产的区域广泛 在农业园 区 城市 边防哨所 高寒干旱 沙漠甚至盐碱重地 等都能正常生产 第四 生产安全无污染 生产过程 中使用的容器 喷淋用水 豆类等都达到了洁净的标 准 生产环境也做到了与外界隔离 采用半封闭的栽 培管理模式 有利于阻隔病菌进入生产环境 更容易 生产出无公害甚至是绿色食品蔬菜 采用集装箱植物工厂进行半封闭式豆芽工厂化生 产 通过计算机自动控制系统对温度 湿度 通风 气体浓度 喷淋水温等环境参数进行精准控制 可调 节性强且不受外界自然环境的影响 大大缩短了豆芽 培育周期 可以根据上市时间 需求量等进行合理生 产 按时供货 周年供应 与传统方式生产的豆芽相比 集装箱植物工厂生产的豆芽下胚轴较长且无根 口感 清香脆嫩 外观品质较高 更受消费者青睐 参考文献 1 郑立军 七种豆催芽过程营养素与活性成分变化规律研究及豆芽 脆片的制作 D 长春 吉林大学 2020 2 张学玲 无公害豆芽工厂化生产技术探讨 J 现代园艺 2018 21 72 73 3 于雪娜 王荣艳 张学康 等 不同萌发期黄豆芽活性物质检测 及营养价值分析 J 绿色科技 2019 1 14 15 4 云无心 豆芽营养多 生吃需谨慎 J 农产品市场周刊 2017 23 53 5 陆素君 陈振生 邓永胜 等 不同营养液 培养基及环境对绿 豆芽苗菜生产的影响 J 农业科技通讯 2017 8 163 165 6 申为民 秦学军 日光温室绿色豆芽无公害栽培技术 J 现代农业 科技 2011 23 182 183 7 袁星星 陈 新 陈华涛 等 豆类芽苗菜生产技术研究现状及 发展方向 J 江苏农业科学 2014 42 5 136 139 8 王旭强 无公害孵制绿豆芽技术 J 蔬菜 2013 2 14 15 9 钱亚芳 无公害豆芽生产技术规程 J 上海蔬菜 2011 2 28 10 郑淑波 小粒大豆豆芽生产性能比较及遗传多样性分析 D 长春 吉林农业大学 2013 11 赵 霞 曹改萍 王 敏 等 不同类型大豆萌发期维生素 E 组 分及含量的比较 J 中国粮油学报 2020 35 8 48 55 83 12 赵天瑶 王丽云 姜宏伟 等 豆类种子及其芽苗菜的营养品质 功能性成分及抗氧化性研究 J 食品与发酵工业 2020 46 5 83 90 13 王春莲 鞠方成 大豆种子萌发过程中贮藏物质的变化 J 中国种 业 2018 12 51 53 14 唐 丽 LED 光质在植物组织培养和芽苗菜栽培中的调控作用及 机理 D 南京 南京农业大学 2013 15 沈传世 陈 珏 陈 飞 黑豆豆芽工厂化生产关键技术研究 J 长江蔬菜 2015 20 62 64 16 李恩彪 工厂化生产绿豆芽方法 N 吉林农村报 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 环球时报 吃豆芽能长寿 J 健康生活 2005 8 32 19 马伟芳 陈国伟 韩东梅 等 臭氧活性炭 超滤工艺用于豆芽喷 淋水回用工程 J 中国给水排水 2011 27 2 71 73 76 责任编辑 肖彦资