挤压膨化饲料加工技术分析及应用.pdf

2008.0223新工艺1 挤压膨化加工工艺技术膨化工艺是一种集混合、揉合、剪切、加热、冷却等多种作业于一体的加工过程，其工艺过程比较复杂，影响产品质量的工艺参数多，控制技术要求高。本文主要从密度控制、自动控制和节能降耗等方面具体分析。1.1 密度控制技术在挤压膨化过程中，影响饲料密度的因素很多，如加工工艺、设备、加工参数、过程控制、饲料原料、配方等。通过改变原料或配方来控制产品密度在一定程度上可行，但应用价值不大；通过改变螺杆的配置可以实现膨化饲料产品密度的控制，但是操作不方便。通过调整操作参数的方式也可实现密度的控制。俞微微、刘俊荣、王勇等的研究表明，螺杆转速与进水速率的交互项、进料速率及其二次项和进水速率对膨化度有极显著影响，而从理论上来说膨化度与密度有负相关的关系1。Botting、Case 和张裕中等得到了同样的结论2 3 4。另外，在水产饲料的加工过程中，为满足水生动物的采食要求，应控制水产饲料的沉浮性，而饲料的沉浮性又与密度有着密切关系，因而在水产膨化饲料的生产上应用密度控制技术显得尤为重要。目前，控制挤压膨化产品的密度主要是通过控制压力和温度来实现。主要方法有以下几种：1.1.1 在膨化腔体上开泄压孔 在膨化腔体上开泄压孔，生产浮性饲料时将泄压孔堵住，使之满足加工浮性饲料高温、高压的需要；生产沉性饲料时打开泄压孔，使物料到达泄压孔时套筒内压力得到部分释放，同时，一些水蒸气也从泄压孔排出。这些物料被挤压至膨化腔体末端后被压实，可获得容重高的沉性饲料。也可以利用此泄压孔进行抽真空，使物料在被强制运动的过程中散失一部分水蒸气。这种方法通过控制膨化腔内的压力实现对膨化产品密度的控制，因不需减少喂料量，产量不会受到影响。Wenger 公司采取了这种方式控制膨化产品密度，目前国内也有一些企业采取此方法。国内公司还申请了膨化机的膨化腔专利在腔体上设泄压孔。需要泄压时，在泄压口上加一个泄压盖；不需要时，可以在泄压口上加一个密封盖5。1.1.2 机内增设调压装置（模前加压）挤压机调压是在挤压腔和出料模板之间安装截流阀，调节挤压腔内与挤压腔外的压力差。1.1.3 加压切割技术（模后加压）Sprout-Matador 公司针对水产饲料开发了一种新型的密度控制系统。这种密度控制系统采用了加压切割技术，使切割室维持一定的正压。当物料从膨化腔进入切割室后，由于水分的沸点随压力增加，因此可降低闪蒸从而控制物料的膨胀度，且淀粉分子在切割室内瞬间被固化，从切割室进入常压后物料不再发生膨胀。切割室的正压可以用气泵输入压缩空气实现，出料时可以使用关风机。这种方法避免了控制其它影响膨胀度的因子，从而降低了人工操作的需求，同时可控性又强于其它方法。目前国内还没有应用此项新技术，但这项技术无论是从膨化产品密度控制方面，还是从操作使用方面，都优于排气方式，是目前膨化技术发展的新方向6。1.1.4 控制模板的开孔率 通过改变出料模板的开孔率，可以改变模板前后的压力差，从而达到控制产品密度的目的，根据需要计算出开孔面积，用小钢珠将多余的开孔堵住。一般说来，生产沉性饲料时，模板开孔面积为550mm2/（t h）600mm2/（t h），即 每 小 时 加 工 1t沉性饲料的开孔面积为 550mm2 600mm2；生产浮性饲料时，开孔面积为 200mm2/（t h）250mm2/（t h）7。1.1.5 MDCS 密度控制系统 MDCS 密度控制系统是一种挤压膨化饲料加工技术分析及应用中国农业大学工学院/宋立霞 王红英 韦尔特摘 要 该文从密度控制技术、自动控制技术和加工过程中的节能降耗技术方面对挤压膨化饲料加工技术进行分析，并在此基础上阐述与技术相配的挤压膨化机械的研究进展。关键词 膨化饲料；技术；密度控制；设备2008.02 24挤压式控制装置，与普通膨化设备结合使用，通过控制物料的温度实现膨化度可控。这种控制系统通过膨化设备螺旋挤压末端的可调节开口的挤压孔将膨化设备分为两段，前段保证熟化度，后段控制膨化度。在挤压孔后增设热交换温度控制机构和整流装置，使物料实现均匀降温后汇总到出料模板前，这时的物料温度和压力有所下降，从而形成了比较致密的产品。在这个过程中，物料的整体温度均匀下降，且物料的降温是在密闭的管路中进行的，所以其水分并没有减少。江苏牧羊集团有限公司申请的一种挤压式膨化装置的专利也是利用这种原理8。1.2 挤压膨化过程的自动控制挤压膨化过程的自动控制是指通过对挤压膨化设备配备计算机辅助控制系统以达到对工艺过程参数快速、精确控制的目的。在膨化过程中应用自控技术，不仅能提高工作效率，还能够提高产品质量稳定性。国内外在自动控制的模型方面均有研究。国外对模糊逻辑在挤压熟化的模型建立和控制方面的应用已有所研究，并应用带输出反馈和时间推延的神经网络，对一台双螺杆挤压机生产小面包干过程进行控制，取得了很好的效果。王玉德等以玉米和小麦的混合物为原料，进行了螺杆转速、进料速度、供水速度、机筒温度对膨化效果影响的研究，建立了 BP 神经网络模型，实现对过程参数控制和目标输出的预测9。我国膨化加工过程的自动化控制技术已有很大的进展，已研发出膨化过程可视化控制系统10。基于 FIX 工业组态软件的膨化系统实现了膨化工艺的可视化控制，利用传感器可对膨化机操作参数进行现场检测和反馈，自动调整膨化机的相关工作参数，实现了操作员预先设定的各种工作参数，具有配方储存、报表打印、报警、工作参数动态显示和记录功能。国外电脑自动控制技术早已应用在饲料加工领域，在整个饲料加工过程中，已由电脑单机单控制发展为高级的自控系统，在中央控制室内能显示彩色图像，计算机程序控制和机器运行的通讯网络，可在无人操作情况下，完成全部的生产程序。在美国，食品膨化过程的自动控制与产品的膨化效果紧密结合。膨化系统由膨化机、原料进料装置、干燥器和控制设备组成，在恰当的位置安装分析仪，分析仪与控制设备相连，控制设备又与膨化机、原料进料设备和干燥器相连。分析仪用来测量原料进口和最终膨化产品的重要参数，并产生分析信号（超声波、NIR（近红外光谱）、微波等），然后将其传入控制设备，控制设备接收信号后控制膨化机使其工作参数调整到符合要求，通过反馈提供实时的系统操作控制。总体来说，国外在饲料加工方面的膨化自动控制已向着与产品质量结合的方向发展，而我国计算机的引入主要还是解决生产自动化问题，仅注重于生产过程设备运行的监控和单机设备的控制，对于改善产品质量等方面还没有发挥应有的作用。通信网络在国外已应用到膨化过程控制，实现系统信息资源共享。将来我国膨化饲料生产的自动控制，应该向着将通信网络应用于生产过程，注重与品控结合的方向发展。1.3 挤压膨化过程中的节能降耗节能降耗问题是膨化过程中的研究重点。目前主要是通过对低能耗加工工艺的研究和研究主要的工艺参数对能耗的影响，并建立相应的数学模型，以达到节能降耗的目的。国内一些饲料生产企业为降低膨化过程中的能耗，主要还是从工艺上采取措施，如在乳猪料生产过程中，其玉米原料采用的不是全膨化料，而是部分膨化料加部分常规料；在后期的制粒工序中采用膨胀加低温制粒等工艺，以保证降低单位产品能耗。我国从膨化工艺的参数上来实现降低能耗的研究还较少，国外在这方面所做的研究工作较多。T.U.NWABUEZE 和 M.O.IWE 用 全 脂 非 洲 面 包果、玉米和低脂大豆混合物为原料研究了单螺杆膨化过程中的能量消耗。研究认为物料成分与扭矩和比能耗（SME）呈显著的二次方关系，螺杆转速和物料湿度与比能耗（SME）呈明显的线性关系11。郭树国、付广艳等以豆粕为原料进行的相关参数对单螺杆挤压机耗电量影响的研究表明螺杆转速是影响试验指标的主要因素，其次依次是模头长径比、物料含水率和机筒温度12。杨巧绒对单螺杆挤压机操作参数和几何参数对比能耗、生产率和物料温度的影响进行了分析，认为水分含量是影响比能耗的主要因素，其次是温度，转速的影响不大13。李秀辰、张国琛运用扭矩测功法实现了对功的较为精确的测量，又通过设计单因素和三因素实验的方法对自热式小型饲料膨化机的能耗问题进行了研究，认为螺杆转速和物料湿度对设备吨电耗的影响较大14。总之，在对单螺杆膨化机的能耗分析中，普遍认为物料湿度对能耗有明显影响，而除杨巧绒13的研究外均认为螺杆转速对膨化过程的能耗有明显影响。在双螺杆膨化机能耗问题的研究中，Hulya Akdogan以高水分大米淀粉为原料，研究了双螺杆膨化机的操作参数（物料水分含量、机筒内温度、螺杆转速、物料流速）对电动机扭矩、沿机筒的压力降和比能耗（SME）的影响，研究认为增加水分含量、模内温度和物料流速会导致比能耗（SME）的下降，增加螺杆转速会增加比能耗（SME），机筒温度影响是比能耗（SME）的最明显的参数15；杨绮2008.022新工艺云、李德溥、徐克非采用可旋转的中心组合设计方法设计实验建立统计模型，并采用响应面分析法进行了分析，研究了双螺杆挤压机的功耗，认为螺杆转速对单电耗的影响较为复杂，物料湿度减小，单电耗增大16。综上分析可知，在膨化加工过程中的工艺参数研究如何具体体现在降低能耗上，并能在实际生产中得以实现仍是一个瓶颈问题。2 国内外挤压膨化设备用于饲料工业的挤压膨化机主要是螺杆式挤压机，根据螺杆数量可分为单螺杆和双螺杆两种类型，单螺杆挤压膨化机具有投资小、加工成本低等优点，但不能加工高脂肪、高水分的物料，而双螺杆挤压膨化机克服了这些缺点，但是投资较大，加工费用较高；根据有无蒸汽调质可以分为干法和湿法 2 种类型，目前的挤压膨化机多为干湿两用型。在密度控制上，国外膨化机应用加压切割技术的较多，如丹麦的 Sprout-Matador 公司，而国内膨化机目前还没有应用此技术。但国内最新的研究成果膨化饲料密度控制系统应用于挤压膨化机控制产品的密度，取得良好效果。其它有一些公司采取对膨化腔开泄压孔的措施控制产品密度，而大部分的企业仍是依靠调整膨化机工作参数的方式控制产品的密度。目前，国外挤压膨化机的自动控制水平比国内高，但国内在膨化过程的控制上已有进一步的发展。国内公司研发出双螺杆挤压机控制系统，实现了对膨化全过程的自控控制。自动控制系统的应用，对膨化过程中的节能降耗也起到了一定的作用。保证产品质量的稳定性和一致性是饲料生产企业尤其重视的。膨化机出料口压力不均会导致膨化产品质量不一致。针对这个问题，国内公司研究了膨化机出料口压力分配调节机构17。在膨化机出料段机膛的出口端面与膨化机模孔板之间固定连接压力分配装置。压力分配装置由压力过渡环、压力分配环和锥形柱销组成。这样的结构对物料到模板孔处的压力进行了均匀再分配，锥形柱销的前后移动可改变物料阻力，从而改变其熟化程度以及膨化度。另外，对挤压膨化设备的研究的新技术还有：挤压螺杆/套筒的快速装配系统。国际上知名膨化机生产商针对膨化机螺杆更换困难的问题，采用液压或其它装置实现了套筒的机械开合，方便了螺杆的更换；通用可改变速箱装置；新型螺旋角的设计。新型螺旋角的设计可减少螺杆磨损，使物料与螺杆接触更均匀，提高设备产量。从总体来看，挤压膨化新技术在我国的膨化设备上的应用还比较少，如密度控制、自动控制技术方面，我们应该加大新技术在膨化设备上的应用，且重视提高膨化机的生产能力和生产性能。参考文献：1 俞微微,刘俊荣,王勇,路红波,谢智芬.双螺杆挤压机操作参数对膨化水产饲料物性的影响 J.水产学报,2007,31(3):379 3842 Botting C.Extrusion technology in aquaculture feed processing M/Proceedings of the Aquaculture Feeds Processing and Nutrition Workshop,September 19 25,Thailand and Indonesia.Akiyama D M,Tan R K H,eds.American Soybean Association,Singapore,1991:129 1373 Case S E,Hamann D 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