擠壓膨化的新技術(shù)與應用

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　　擠壓膨化技術(shù)目前在食品行業(yè)以及飼料行業(yè)都已經(jīng)得到了更為廣泛的應用。近些年在擠壓膨化領(lǐng)域一些新技術(shù)不斷涌出，這些新技術(shù)的應用使得擠壓膨化設(shè)備在效率、能耗、可靠性，以及加工產(chǎn)品的品質(zhì)和加工范圍等各個方面都取得了長足發(fā)展。
　　1 高熟化強調(diào)質(zhì)技術(shù)
　　物料進入擠壓機前需要進行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)的目的使物料得到預糊化，糊化的好壞直接影響擠壓機的工作性能，直接影響擠壓產(chǎn)品的品質(zhì)。所以調(diào)質(zhì)技術(shù)是擠壓系統(tǒng)的一個重要關(guān)鍵技術(shù)。
　　普通的調(diào)質(zhì)技術(shù)就是簡單的讓物料與水、蒸汽進行混合：簡單的混合不能使水和熱量均勻的滲透到物料中;對于物料，尤其是部分油性物料在調(diào)質(zhì)過程中從微觀顆粒看，由于水的表面張力，水很難滲透到顆粒內(nèi)部，從而很難使顆粒內(nèi)部的糊化度提高。這勢必需要更多的蒸汽、更長的時間才能提高調(diào)質(zhì)效果。
　　高熟化強調(diào)質(zhì)技術(shù)不再是簡單的混合，強調(diào)質(zhì)是調(diào)質(zhì)過程中傳熱和傳質(zhì)的相對運動速度和滲透的速度。而傳熱和傳質(zhì)的滲透速度取決于蒸汽和粉狀顆粒物料內(nèi)部與界面層的溫度梯度、速度梯度、濕度梯度、物料性質(zhì)(密度、 顆粒大小、含水量)等因素。而高速調(diào)質(zhì),就提高了溫度梯度、速度梯度、濕度梯度、從而就提高調(diào)質(zhì)效果。
　　高熟化強調(diào)質(zhì)技術(shù)設(shè)置了分功能槳葉，讓物料與傳質(zhì)在機體中形成一定的相對運動速度，形成強接觸、強滲透，減少調(diào)質(zhì)時間，減少蒸汽量的使用。同時由于物料在調(diào)質(zhì)過程中沒有全部沉降殼體底部，而是有一部分物料懸浮在殼體內(nèi)部，這樣進一步提高了物料在調(diào)質(zhì)器殼體內(nèi)的充滿度，進而延長了調(diào)質(zhì)時間。
　　高熟化強調(diào)質(zhì)技術(shù)使調(diào)質(zhì)器的充滿度由原來的30～35%提高到55～60%，對于相同有效容積的調(diào)質(zhì)器在相同產(chǎn)量的前提下調(diào)質(zhì)時間能由原先的40～45秒提高到180～200秒、糊化度由原先的35～40%提高至50~55%，耗汽量降低20%左右。
　　由于物料經(jīng)過強調(diào)質(zhì)，充分預熟化，與普通調(diào)質(zhì)相比，新技術(shù)能使擠壓機產(chǎn)量提高10～15%，降低了擠壓機的能源消耗;同時物料預糊化度的提高使擠壓機運行平穩(wěn)，顯著減少對螺桿、膨化腔內(nèi)襯套的磨損，減少更換易損件的成本，從而實現(xiàn)在擠壓膨化技術(shù)中的節(jié)能高效的綠色調(diào)質(zhì)技術(shù)。
　　2 穩(wěn)態(tài)化剪切擠壓技術(shù)
　　2.1 擠壓過程的穩(wěn)流與穩(wěn)態(tài)化剪切技術(shù)
　　擠壓過程是擠壓膨化設(shè)備中最核心的工藝過程。從提升效率與降低能耗的角度出發(fā)，牧羊擠壓設(shè)備研發(fā)人員提出了擠壓腔中的物流穩(wěn)流有利于提高擠壓產(chǎn)品品質(zhì)的設(shè)想，同時提出穩(wěn)態(tài)化剪切的理論，進而通過試驗驗證了這一理論。該理論的應用能有效提高擠壓機產(chǎn)量，降低能耗，減少螺桿及腔體的磨損，提高擠壓產(chǎn)品的品質(zhì)。同時該技術(shù)的應用擴展了膨化產(chǎn)品的加工范圍，使單螺桿擠壓機加工1.0mm小顆粒，乃至加工更小顆粒能夠穩(wěn)定長時間生產(chǎn)。
　　2.1.1　擠壓過程中的物流穩(wěn)流技術(shù)
　　在擠壓過程中由于壓力差的存在，物料在螺桿中有多種流動形式，如圖一所示，其中物料的滲漏、錯流的存在對物料品質(zhì)的影響最大。在擠壓腔中滲漏和錯流的物流與順流的物流在擠壓腔內(nèi)的停留時間存在很大的差異，這直接引起飼料或食品在擠出后的膨脹系數(shù)存在差異，最終影響到擠壓產(chǎn)品品質(zhì)，如顆粒不均勻、糊化度不一致等。
　　在新技術(shù)中通過螺桿的配置，同時設(shè)計了螺桿與擠壓膨化腔"零"間隙，一方面盡力減少物料的滲漏，同時使用細分混合結(jié)構(gòu)使?jié)B漏的物流與其它物流充分混合，做到擠出的物料熟化均一，擠壓切割后的顆粒均勻美觀，有效地節(jié)約了由于滲漏物料在擠壓腔內(nèi)停留時間過長而造成的能源浪費。
　　2.1.2 擠壓過程中的穩(wěn)態(tài)化剪切技術(shù)
　　飼料與食品的擠壓技術(shù)中，物料熟化一般要求提高擠壓腔體內(nèi)的剪切程度。目前的技術(shù)中物料從擠壓主機進料口進料到模板出料是一種急速剪切的過程，急速剪切伴隨著高壓、高能耗、高磨損，同時帶來物流的不穩(wěn)定，所以這樣的方式對擠壓機的出料模具的技術(shù)要求很高。只有好的出料模具才能緩解物流的不穩(wěn)定，才能讓物流變成顆粒均一的膨化顆粒。
　　而穩(wěn)態(tài)化剪切強調(diào)的是一個剪切過程，是一種平穩(wěn)剪切的過程。在這過程中，剪切的峰值比急速剪切小，但是通過螺桿配置的合理設(shè)置，讓經(jīng)過穩(wěn)態(tài)化剪切的物料的糊化度和急速剪切保持一致，甚至可以進一步提高糊化度。
　　由于在剪切過程中剪切峰值比急速剪切小很多，螺桿及腔體的磨損隨之減少。一方面提高了易損件的使用壽命，更重要的是提高了擠壓膨化食品的安全可靠性。由于穩(wěn)態(tài)化剪切是一種前后落差變化不是很大的過程，所以在這整個過程中物料的滲漏相對減少，擠壓腔中的物性均一，設(shè)備運行更穩(wěn)定，最終擠出的膨化產(chǎn)品的顆粒均勻度、美觀性更好。實踐證明穩(wěn)態(tài)化剪切也是一種節(jié)省能耗的剪切，應用穩(wěn)態(tài)化剪切的擠壓機能提高產(chǎn)量15%左右，擠壓機系統(tǒng)的噸料電耗可以降低12%左右。穩(wěn)態(tài)化剪切是一種經(jīng)濟的、穩(wěn)定的、最節(jié)省能耗的方式。
　　2.2　出料過程的穩(wěn)流技術(shù)
　　出料模具技術(shù)是食品和飼料擠壓領(lǐng)域核心技術(shù)之一。這直接關(guān)系到膨化產(chǎn)品的應用范圍，而且影響到膨化產(chǎn)品的品質(zhì)。
　　在螺桿擠壓末端，物料是以一定速度旋轉(zhuǎn)且不穩(wěn)定，這樣的物流直接進入模具成型，不利于成型，不利于膨化顆粒的均一性。穩(wěn)流技術(shù)就是解決這樣一種不穩(wěn)定物流的一種技術(shù)。
　　通過在擠壓腔末端與出料模具之間增設(shè)具有導向型的穩(wěn)流裝置，首先讓旋轉(zhuǎn)的物流停止旋轉(zhuǎn)，接著讓物流形成一種環(huán)形擠壓區(qū)域，這個區(qū)域的環(huán)面與模具的區(qū)域一致，之后物流的約束力緩慢放大、流速減慢，最終物流平穩(wěn)的均勻分布至模具的開孔區(qū)域的正前方。這樣的物流確保了物料能夠均勻地進入出料模具中，保證了物料成型的均勻性。同時，由于物流從螺桿中擠壓出來首先進入環(huán)形擠壓區(qū)域，使物流對模具的沖擊力大大降低，減少對模具的沖擊力，最大限度降低模具的損壞程度，提高模具的使用壽命。
　　3 模塊化柔性化螺桿組合及加工工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)
　　3.1　螺桿組合的模塊化及柔性化
　　螺桿組合是擠壓設(shè)備另一核心技術(shù)。對于不同原料和不同擠壓膨化要求的場合應根據(jù)物料的物性配置不同形式的螺桿配置，同時這不同形式的螺桿配置必需和擠壓機的加工工藝參數(shù)結(jié)合起來，共同作用才能生產(chǎn)出高品質(zhì)的膨化產(chǎn)品。
　　為了適應不同原料的物性以及適應各種膨化產(chǎn)品的不同膨脹要求，螺桿元件設(shè)計成標準的可自由組合模塊化的形式。這樣在生產(chǎn)中通過調(diào)整螺桿配置，再配以不同的加工工藝參數(shù)，能讓同一臺擠壓機適應食品、飼料行業(yè)中的不同場合不同產(chǎn)品要求的膨化。
　　模塊化柔性化的螺桿組合能極大的節(jié)省資源，使一條生產(chǎn)線能加工多種形式的膨化產(chǎn)品，避免了重復投資。
　　3.2　加工工藝參數(shù)控制與優(yōu)化技術(shù)
　　合適的螺桿配置僅僅是加工高品質(zhì)膨化產(chǎn)品的重要的必要條件之一，合適的加工工藝是另外一個重要的必要條件。
　　擠壓機的應用范圍廣，以及膨化產(chǎn)品要求的技術(shù)參數(shù)不一樣決定了擠壓機需要使用不同的加工工藝參數(shù);在各個廠家，無論食品行業(yè)還是飼料行業(yè)，加工膨化產(chǎn)品的配方一直是根據(jù)市場的要求在不斷調(diào)整，這直接影響到需要及時調(diào)整擠壓機的加工工藝參數(shù);甚至有時不同產(chǎn)地的原料也會對膨化產(chǎn)品有一定影響，所以這一切就決定了擠壓機加工工藝參數(shù)的千差萬別。
　　目前擠壓機的加工工藝參數(shù)的控制一般還依賴于有經(jīng)驗的操作人員，操作人員水平的高低直接影響到膨化產(chǎn)品的品質(zhì)，這也是目前很多擠壓機應用廠家使用同一擠壓機制造商的同一種型號的擠壓機設(shè)備，但是各個廠家的使用效果不一樣的根本原因。
　　加工工藝參數(shù)控制與優(yōu)化技術(shù)首先為這千差萬別的工藝參數(shù)提供了一種標準紀錄的方法，這種標準數(shù)據(jù)能夠讓擠壓機的控制系統(tǒng)能夠讀取，在擠壓機操作人員的執(zhí)行下能夠指導擠壓機進行標準化生產(chǎn)。
　　加工工藝參數(shù)控制與優(yōu)化技術(shù)包含一個數(shù)據(jù)化庫。該數(shù)據(jù)化庫中數(shù)據(jù)首先來源于試驗過程中經(jīng)過不斷調(diào)整、不斷摸索得到的一個在加工某一配方、膨化產(chǎn)品的技術(shù)要求一定的前提下得到的一個最佳數(shù)據(jù)。
　　其次來源于對這最佳數(shù)據(jù)的配方成分分析和膨化產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)的分析。配方成分分析，如配方中淀粉含量、油脂含量、蛋白含量，其中蛋白中植物蛋白與動物蛋白各占多少等等;膨化產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)的分析，如膨脹系數(shù)、糊化度、出料溫度、出料水分等等，把這些數(shù)據(jù)與加工工藝參數(shù)鏈接形成“組數(shù)據(jù)”，通過試驗的積累形成不同物性的配方對應有不同“組數(shù)據(jù)”，這樣形成一個完整的加工工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。
　　在應用過程中，當遇到一新配方時，首先通過成分的化驗與分析，找出數(shù)據(jù)庫中相近的配方，通過數(shù)據(jù)優(yōu)化技術(shù)得到一個合適的加工工藝參數(shù)，在工藝參數(shù)的控制下指導擠壓機進行生產(chǎn)，完全避免操作人員的非主觀因素的影響，能夠做到膨化產(chǎn)品品質(zhì)長期穩(wěn)定一致。
　　4 結(jié)束語
　　擠壓膨化的應用越廣泛勢必使擠壓膨化技術(shù)提升越迅速。相信在今后的應用中，擠壓膨化技術(shù)會得到更迅猛的發(fā)展。

donghaijun2009

是以后發(fā)展的趨向。

王昌會

剛剛接觸膨化機，學習了。