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植物工厂系列谈（六）
——植物工厂主要设备与特征
■ 杨其长 张成波
机械化、自动化是植物工厂的重要特征之一，各类机械设备和配套装置在植物工厂内所占的比重较大，除了对象作物和营养液之外，绝大多数都属于机械与设备的范畴，包括营养液栽培系统、环境调控系统、计算机控制系统以及相关的配套设备等。这里主要针对育苗、定植、移栽、收获、包装、预冷贮藏等辅助设备加以介绍。 simota育苗设备
在植物工厂内依据其栽培作物的品种与栽培方式不同，所采取的育苗播种手段也不同，有些是采用工厂化穴盘育苗精量播种生产线来完成作业。
主要工艺过程包括：基质筛选→混拌→提升装料→穴盘装料→刷平→压穴→精量播种→刷平→喷水等。
工作时，操作人员把穴盘接连不断地送到机器的传送带上，播种机能自动填充基质材料、刷平，在穴盘的每个穴中央压出一个浅坑，同时把基质压实。播种器受光电控制，精确地在每个穴的浅坑中央点播一粒种子，接着再覆盖薄薄一层轻基质（如蛭石），以盖住种子并遮挡日光直射，最后把穴盘表面多余的基质刮平并喷水。
拼接墙育苗播种机
育苗播种机的类型多种多样。按照其工作原理，一般分为吸附式和磁性播种机两种。吸附式育苗播种机 吸附式育苗播种机（图１）又分为吸嘴式、板式和齿盘转动式三种形式，这里主要介绍前两种。
◇ 吸嘴式播种机 适用于营养钵育苗点播。该播种装置与制钵机配合使用，可实现边制钵边播种联合作业。已播种的营养钵块由输送带送出机外，并装入育苗盘最
后送到催芽室进行催芽。◇ 板式育苗播种机
板式育苗
播种机由带孔的吸种板、吸气装置、漏种板、输种管、育苗盘和输送机等组成。工作时，种子被快速地撒在吸种板上，使板上每个孔眼都吸附１粒种子，多余的种子流回板的下面。将吸种板转动到漏种板处，此时通过控制装置，去掉真空吸力，种子自吸种板孔落下并通过漏种板孔和下方的输种管，落入育苗盘对应的营养钵块上，然后覆土和灌水，将盘送入催芽室。这种类型的播种机可配置各种尺寸的吸种板，
以适应不同类型的种子和育苗方式的需要。
还有一种结构简单、操作方便的板式育苗播种机（图２），主要用于水培。播种器由两层漏种板交叉而成。先将种子撒在上层板上，一孔一粒，多余的仍流到板子边缘，将漏种板与育苗箱对齐。因为播种前育苗海绵块已灌满了水，所以不需要再灌水。播种结束后，一盘一盘地叠放到催芽室，最顶层
的一盘要加上盖子以遮光。
上述播种机，适用于营养钵和育苗穴盘的单粒播种，有利于机械化作业，生产效率高。但要求种子饱满、清洁和发芽率高，不能进行一穴多粒播种。
磁性播种机 该机是与纸钵育苗相配套的机具，一穴内可播数粒种子，有利于选取壮苗。它由播种设备和电气系统两部分组成。
亚克力水晶字制作其工作原理是，在种子上附着带磁性的粉末，用磁极吸引，然后再用消磁的方法使被吸上的种子播下。工作时，使用１００Ｖ的交流电，由整流器转成直流电，通过电闸盒通到线圈上，此时，磁极端部就被磁化，吸引住几粒附着磁性粉末的种子，当闭闸后电流消失，磁性也随即消失，被吸住的种子靠自重下落，播入纸钵内，播种结束。
播种机磁极具有与纸钵规格相同的数目和尺寸。用于装种用的盛种盘上盛种孔的配置也与播种机磁极的排列间隙和数目相一致。播种时选用发芽率高而且饱满的种子，把选
出的种子和磁性粉末装在一小筒里，并加以摇晃一两分钟即可，未黏附的粉末筛除。
每一个纸钵的播量为３￣４粒种子，待幼苗长出后从中选优。磁性播种机的播量（即每穴粒数）可以调节，其方法是根据输出功率来控制，输出功率越大，则磁极吸附的种子粒数越多。
收获设备
荧光纤维在传统农业方式中，收获往往是很费工费时的作业，而且常常会由于作业者操作不慎造成产品受伤，影响商品率的提高。植物工厂属于省力型农业，在生产流程的各个环节，都尽可能地采用自动化或半自动化作业方式，其收获过程也经常通过机械装置来完成。
目前，植物工厂里广泛应用的收获设
备的特征是机体较庞大、载重量高、移动速度
快、准确
网络球性强，属于收获、移栽兼用的自动化装置。图３是日本神内植物工厂正在使用的收获机器人，其长度与单栋车间的跨度相等，它架设在车间两端的支柱上，形同于“行吊”在车间内行走。行走的方式是整个机身依靠在轨道上前后行走，主机则可以左右行走。由一台计算机来控制它的作业方式，操作者只
要事先将自己的作业意图依次输入到计算机内，机器人就可以按照计算机的指令进行工作。比如将收获作业的顺序设定为从左边第一行第一块栽培板开始，待程序设定完并确认之后，机器人就会快速行走到该栽培板上方，停住机身，机器手下垂、展开、伸到栽培板两侧底部，将该板吊起，再自动回到操作者站立的收获整理工作台前，等待下一个工作指令。移栽的操作原理完全一样，只是顺序相反。即先用人工将栽好作物的栽培板放到机器人的托盘上，由机器手吊起送到指定的栽培床上的规定位置，依次排好，再回到工作台，如此反复
图１ 吸附式育苗播种机
图２水培板式播种机
图３ 收获与移栽设备
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操作。此外，该机器人有一套安全控制系统，包括视觉传感系统。当机器人在运行中遇到前方障碍物时，它就会通过视觉传感器传递给计算机，由计算机判断处理。机器人就会按照指令放慢速度直至停下来。
包装设备
随着农作物品种的不断增加和市场需求的扩大，产品采后加工包装商品化技术发展迅速，如蔬菜果品清洗机、叶菜捆扎机、果菜类包装机等都已开发出来。下面介绍几种包装机械。
摄像考勤机热收缩包装机
一般由包装机和加热通
道两部分
组成。主要包括输送带、薄膜卷筒、横（纵）封器、风机、加热原件、热电偶调温装置等（图４）。
根据被包装物的大小形态的差异可分为小、中、大三种类型：
◇ 小型自动收缩包装机 小件物料的包装一般采用卧式袋装机，把包装材料换成热收缩薄膜，包装形
态有枕形三面封口或对折三面封口，也有四面封口，包装后再进行热收缩。◇ 中型四面封口式包装机 适于尺寸在２００￣５００ｍｍ、长２５０￣１５００ｍｍ物料的包装。◇ 大型收缩膜包装机 主要用于多个包装物或包装箱的集合收缩膜包装，也可以连同托盘一起包装，最大包装宽度可达２ｍ。
加热方法有热缩通道加热和热风手工加热等。对于批量小，不适于建造专用的加热通道的收缩包装，多采用热风手工加热。
真空包装机与真空充气包装机
真空包装指抽去包装物中的空气，除去空气中的氧，以阻断细菌繁衍，防止蔬菜腐烂变质。真空充气包装则是在抽真空后再充入其他惰性气体，如ＣＯ２和氮气等。真空包装和真空充气包装使用的包装材料有阻气性强的金属铝箔和非金属（如塑料薄膜）的瓶和袋等容器。在蔬菜包装中以塑料容器真空包装应用最为广泛。
机械挤压式真空包装机 方法是在塑料袋装料后留一个口，然后用海绵类物品挤压塑料袋，以排除袋内空气，随即进行热封。对于要求不高的真空包装可采用这种包装方法。
腔室式真空包装机 它是目前应用最为广泛的一种真空包装设备。根据其结构形式不同，主要包括合式真空包装机和真空收缩包装机。
合式真空包装机的工作过程为：将人工装好物料的塑料袋放在台面上的承受盘腔室内，关闭真空槽盖后由限位开关使继电器自动完成真空包装各工序的操作。其真空回路的转换阀有由电磁阀单体组成的转换阀和复合转换阀两种类型。阀座应耐腐蚀。加工包装体的封口宽度一般为３￣１０ｍｍ，长度可达７００ｍｍ，生产效率为１２￣３０袋／ｍｉｎ。
真空收缩包装机，用于需要排除空气、
缩小物料体积的收缩包装。它有一个容积为１３００ｍｍ×８５０ｍｍ×４１０ｍｍ的真空室，先把蓬松的物料装入塑料袋，然后放入真空室抽气并加热封口。
预冷、贮藏设备
预冷
新鲜果菜采收后仍在进行着呼吸和蒸发，释放出呼吸热，致使果菜周围的环境温度迅速升高，成熟衰老加快，其鲜度和品质也随之明显下降。所以，必须在果菜采收后的最短时间内，在原料产地，将其冷却到规定的温度，使果菜维持低生命水平，延缓衰老，这一冷却过程称之为预冷。目前，在一些发达国家，已把预冷作为果菜采收后加工的第一道工序。
预冷的方法有空气预冷、冷水预冷、冰预冷、湿冷预冷和真空预冷五种。空气预冷方法简易，成本低，
是早期普通的冷却方法，但冷却速度慢，１次需１２￣２４ｈ，易造成果菜表面干缩。冷水预冷设备简单，操作方便，冷却速度快，无干耗，成本低，缺点是果菜易受冷却水中细菌的污染，同时还会造成水溶性营养成分的流失。冰预冷冷却速度快，食品无干耗，但制冰设备占地面积大，初期投资高，一般只用于水产加工或冷藏运输。
植物工厂采用较多的是湿冷预冷和真空预冷。湿冷预冷是采用机械制冷蓄积冷量的方法得到０．５℃的冷水，然后通过换热器使库内空气与冷水进行直接接触的热、质交换，获得接近冰点温度的高湿空气，再经强制通风，用这些高湿空气来冷却，冷却速度比常规空气冷却方法快１倍以上，保鲜效果好，能同时提供高湿、低温条件，果蔬可以有效地抑制生物体的呼吸作用和微生物的繁殖，防止在冷藏期间失水萎蔫，有利于保持
果菜的新鲜程度，适用于多数果菜的预冷和储藏保鲜。湿冷系统采用间接冷却方法，具有蓄冷作用，可降低制冷机组装机容量，电能消耗低。湿冷保鲜库造价低，产品可随进随出，使用方便。湿冷系统目前已广泛用于果菜的预冷和短期保鲜贮藏（１～２周）。
真空预冷是２０世纪９０年代以来推广的新型保鲜技术，真空预冷保鲜设备是专门为防止鲜菜、鲜果、鲜花等农产品在采后贮运过程中鲜度和品质的下降而设计的。基本原理是将果菜放置在真空处理槽内，在低压下水分从果蔬的表面蒸发出来，利用水分从果蔬表面获得蒸发潜热的方法达到冷却的效果。
真空预冷对于表面积较大的叶菜、鲜花类及细胞组织疏松的草莓、芹菜等冷却效果极佳；但对于表面积较小，表皮厚、组织较致密的果菜，如黄瓜、番茄、马铃薯等，冷
却速度慢，加工成本高。
贮藏
气调冷藏 气调冷藏是在冷藏的基础上对果菜贮藏环境的气体成分进行人工控制，从而取得最佳效果的冷藏方法，是目前世界上先进的果蔬保鲜贮藏方法之一。与普通冷藏方法相比，其贮存期延长１倍，果蔬出库后摆架期可延长至２１～２８ｄ，是普通冷藏的３～４倍，同时果蔬的脆性、营养成份、硬度、泽、重量等鲜度指标与新采摘状态相差无几，贮存效果明显。
气调库贮存的产品需采用整进整出的进出库方式，对大批量、长时间贮存的果蔬（如反季节销售产品）用专用气调冷藏库贮存，易于对贮存环境进行气体成分检测和调控。但由于气调库房比普通冷库构造复杂，需增加气调成套设备。因此，造价高、运行成本大。减压贮藏 减压贮藏保鲜也叫低压贮藏保鲜，是气调贮藏技术的进一步发展。果菜及其他鲜活食品置于密闭库房内，在降温的过程中将贮藏库内的空气抽出，进行减压降氧，随着压力的不断降低，一些对贮物有害的气体（如乙稀）也随之减少或基本消失，为果菜的长期贮藏保鲜创造了有利的条件。与气调贮藏不同的是，减压贮藏只改变贮藏环境中空气的总含量和密度，不改变空气成分和组合比例。减压库在正常运行中可同时和连续完
成真空预冷、减压冷藏过程，减少了贮藏工艺环节，贮藏保鲜期比普通冷藏延长１～２倍。
■ 中国农科院农业环境与可持续发展研究所 １０００８１
图４ 包装机
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