台南區農業專訊第32期:2~5頁(2000年6月)

菱角清洗選別機的研發

文/圖 鄭榮瑞、施清田、鍾瑞永 

前言

菱角又稱龍角,屬柳葉菜科一年生水生作物,原產於中國大陸南方及長江流域一帶。台灣菱角栽培始於日據時代自大陸引入,目前年栽培面積約有800公頃,年產量達9,000餘公噸,主要栽培區域有嘉義縣民雄鄉、新港鄉;台南縣官田鄉、柳營鄉、下營鄉;高雄縣仁武鄉、大寮鄉及屏東縣林邊鄉等地,而以台南縣官田鄉栽培面積最大。早期一般栽培品種以果實具兩個角刺的晚生種大角及大肚菱為主,近年來,具有4個角刺的早生品種鬼菱因可趕在五月中旬上市,栽培面積漸有增加。菱角由於含有蛋白質、脂肪、碳水化合物、粗纖維、灰分、礦物質及維生素等養分又具特殊風味,產品除可充當糧食,也加鹽可蒸煮熟後,直接剝殼充當休閒食品,或選取新鮮菱角剝殼後供炒食、煮湯,進一步加工則可製作菱角酒、菱角醬等,使菱角的用途趨於多元化。菱角已成為地方特產,除有共同運銷至都會區外,更結合觀光舉辦活動;如臺南縣官田鄉在菱角盛產期推出菱角節系列活動及菱角大餐等吸引遊客參與活動,皆使菱角產業的發展益受重視,相對地生產技術提昇的要求益為殷切。

菱角採收後處理現況

由於菱角適栽區以沼澤地、池塘或水田田埂加高儲水種植,全期皆生長於水中,因此菱角採收後不論帶殼煮或新鮮剝殼,兩者都必須經過清洗、分級及包裝後再送市場銷售。傳統菱角清洗分級處理方式是將採收後之菱角置於7分滿大水桶或方型水池中,並在其下方置一有孔棧板,用以過濾沉澱清洗後雜質,作業時以人手持木根搓弄翻洗,使比重較輕之菱角幼果往上浮,再利用器具撈起,如此往復動作直到沒有上浮菱角為止。一般沉入下層者屬比重較大的結實果體為特級品;中層為優級品,上層為良級品,經分別撈起分開堆放,陰乾後以每袋30公斤分別裝入PE袋中送往市場出售。根據調查,菱角人工清洗、分級每人工每小時工作量約75公斤,以每日工資1,000元計算則每公斤清洗、分級成本約為1.67元。由於菱角每公頃產量可達到約12,000公斤,據以估算每公頃菱角的清洗、分級費用須達20,000元。由於菱角生產期長達二個月之久,通常於開始採收期後約每隔兩週採收一次,全期循環採收約6∼7次,每批採收後皆需經處理,因此以人工作業方式既浪費工時且辛苦,其處理也易因人為疏忽或處理環境衛生條件差異而影響產品品質及衛生。

菱角清洗選別機的發展

為有效降低生產成本,提高產業競爭優勢,機械化以達到省時、省力及省工的效益勢在必行。在主要產區官田鄉等農會皆期望能有機械取代人工清洗、選別及剝殼作業,以促進菱角採收後處理的全面機械化,本場在中正農業科技社會公益基金會的經費補助下,積極進行菱角清洗、分級機及剝殼機的研製開發,期使得菱角的清洗、分級及剝殼作業所需的勞力降到最低,以紓解農村勞力的不足及有效降低生產成本,增加農民收入;也可促成銷售價格的降低、確保品質及衛生,嘉惠消費者。第一階段已完成菱角清洗分級機的研發。

菱角清洗選別機構造及功能

菱角清洗分級機的開發主要是希望以機械代替人工作業。機械設計目標以能達到作業能量大、清潔效率高、機械損傷率低、適當的選別分級能力及省力、省工一貫化作業。因此規劃的菱角清洗選別機分為清洗及分級兩大部份,其各部分作業機構及功能簡述如下:

一、清洗機

主要目的是將菱角表面之污物加以清洗去除,由於菱角形狀奇特且表面略有凹凸不平,因此,設計上採用刷滾輪對向轉動達到翻動、搓洗效果並配合螺旋設計達到輸送移動功能,主要由進料口、螺旋輸送清洗軸、旋轉清洗圓筒、儲水槽、排料口、機架及動力系統等裝置所構成。

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滾筒刷式菱角清洗機

  1. 進料口:為一上寬下窄∪型斜導板,裝置於旋轉清洗圓筒入口前方,其作用是承受待清洗之菱角,將其依序導入清洗裝置中,進行清洗作業。
  2. 旋轉清洗圓筒:以不袗網板輾軋成圓筒型,圓筒外徑590mm,長度1,230mm,網板孔徑8mm,讓清洗的水流入筒內及將清洗後之雜質排出,在其外緣焊有環齒輪及支持導環,作業時藉由馬達的驅動以反時針方向旋轉,筒內以螺旋狀裝置有尼龍清洗刷,用以翻動及刷洗菱角,在圓筒未端則配合排料出口於圓筒未端200mm內緣安裝有軸向隔板以利排出清洗後之菱角。
  3. 螺旋輸送清洗軸:裝置於旋轉清洗圓筒的中心,為一不袗材質的螺旋軸,螺旋外徑225mm,底徑115mm,螺距270mm,在螺旋間並加裝清洗用尼龍刷,作業時以順時針方向旋轉,配合上述反向轉動之旋轉清洗圓筒的作用,達到菱角清洗及輸送目的。
  4. 儲水槽:裝置於旋轉清洗圓筒的下方,為一半圓弧形長槽,用以盛裝清洗用水,作業時其水量維持在螺旋輸送清洗軸的中心線,在槽下端設置有排水口,可將清洗後之污水排出。
  5. 排料口:為一上窄下寬∪型斜導板,裝置於旋轉清洗圓筒後方,以承接清洗後菱角,並將排入後接之選別機水槽中。

二、選別機

由於菱角採收期長達兩個月左右,約每隔兩週採收一次,因此採收之菱角成熟度不一,其品質差異極大,成熟果硬度較高適於蒸煮後食用,口感佳;而未熟果由於果仁硬度較軟,通常只適合剝殼後充當蔬菜用,兩者之售價有明顯差別,因此菱角採收清洗後必需進一步分級。根據調查,菱角果仁的比重、硬度具有隨果實的成熟度而增加的特性,即老熟果比重大,硬度亦高,幼果的比重小,其硬度亦較軟,一般成熟果比重可達到1.2,但以比重在1.0∼1.08間不論其硬度及風味皆較易被接受,比重低於1.0果仁硬度太軟,不適於蒸煮;而比重高於1.08則其果仁的穿刺硬度可達到2.5kg以上,影響食用的方便性。因此,本機設計時即根據上述特性採用比重水選法作為分級方式,成熟果因比重較大而下沉,幼果比重較輕而上浮,再配合不同輸送機構將分級後之菱角分別輸出。本機主要由選別水槽、下層輸送帶、上層輸送帶、集料括送板、分級排料口、機架及動力系統等裝置所構成。

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比重式菱角選別機

  1. 選別水槽:為不袗水槽,其長度2,130mm,寬度610mm,高度760mm,有效儲水量850公升。其上方裝有1吋進水口,底部則設有1.5吋排水口。
  2. 下層輸送帶:為一塑鋼材質間隔板型輸送帶,隔板間距160mm,高度50mm,裝置於選別水槽的底層,其前半段與水槽底層平行,中段則安裝成一傾斜角,後段又恢復為水平,用以承接選別後比重較重而下沉之菱角並將其輸送至第一出料口。
  3. 上層輸送帶:為一塑鋼材質間隔板型輸送帶,設置於下層輸送帶的上方,其前段傾斜伸入選別水槽的半高位置,後段為平行,用以承接選別後比重較輕而上浮之菱角並將其輸送至第二出料口。
  4. 集料括送板:為改善上浮菱角會在選別水槽上任意漂浮影響及上層輸送帶的輸送效果而設計,由兩條無端點鏈條及括板組成,裝置於清洗排料口與上層輸送帶間,可將上浮之菱角集中括送餵入上層輸送帶中。
菱角清洗選別機之作業性能

菱角清洗選別機於設計製造完成後經基本性能試驗,驗證其性能之後即配合菱角採收期間,選定台南縣官田鄉農會輔導的產銷班進行作業性能測試,試驗時以晚生大肚菱品種為試驗材料,以清水為選別液(即比重1.0),根據初步試驗結果顯示,菱角清洗之作業能力為1,000 kg/hr以上、選別分級作業能力為600kg/hr以上,清洗後之洗淨率可達95%以上,機械清洗造成的損傷率1.5%以下;而兩級比重大於1.0者約佔92.5%,比重小於1.0者約佔7.5%,兩者選別分級精度平均可達80%以上,選別分級所致的損傷率低於1.0%。

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菱角清洗選別分級一貫化作業情形

經濟效益分析

1.機械作業成本評估

機械作業成本之估計包括固定成本與變動成本,其考慮因子有機械年作業清洗選別分級量、機械購入價格、耗電量常數、機械折舊殘存比、操作人員工資率、作業人員數、機械總修理係數、作業能力、總作業時數及使用馬力數等。機械作業成本估算以年作業量288,000公斤(估計清洗分級期間60天x8小時x600公斤/小時)、年利率5.5%、農機價格550,000元(農機廠商之定價)、耗電量常數1.56元/度(基本農業用電)、折舊殘存比為農機售價10%、總修理係數以農機總價的50%,2人共同作業,每日工資1200元,每小時作業能力600公斤,機械總作業時數2400小時及機械總馬力3.25馬力,計算結果可得每公斤作業成本為1.1元,折算每公頃處理成本為13,200元。

2.機械與人工作業效益分析

根據上述作業性能試驗結果,採用本機進行清洗選別分級一貫化作業每小時作業能量為600公斤,以2人共同作業,若以每公頃產量12,000公斤計算則約需5人日,據以計算機械作業成本每公斤為1.1元,每公頃為13,200元。另根據前述人工清洗、選別分級作業調查結果,人工清洗、分級每人工每小時工作量約75公斤,則每公頃需20人日,據以計算每公斤清洗、分級成本約為1.67元,折算每公頃費用約為20,000元。因此,採用機械化作業與人工作業方式比較,在作業效率上可提高4倍,在處理作業成本上可降低34%。

結語

為因應加入世界貿易組織,具地方生產特性的作物已普受重視,在政府一鄉一特產政策的推動下,菱角已成官田等地區重要地方特產,緣於菱角栽培時生長環境特殊,自育苗到收穫處理幾乎完全人工作業,菱農對於各項作業機械化需求甚殷。台南場乃積極進行菱角採收後調製處理技術的建立,目前已完成菱角的清洗、選別分級機試驗機的研發,其作業性能與作業精度在不斷的試驗改良後已可為農友接受及肯定,未來將進一步技術轉移給農機生產廠商,以擴大示範推廣與使用,同時也正積極進行菱角剝殼機的研發,並結合冷藏保鮮技術發展,以促進菱角採收後處理清洗、分級、剝殼、包裝及冷藏保鮮全面機械化,確保產業的永續發展。

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