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雙螺杆膨化機的原理及在水産飼料中的應用

20世紀30年代,第一台用于谷物加工的單螺杆擠壓機問世,它開始用于生産膨化玉米。二戰期間,日本人用于生産壓縮軍糧。20世紀60年代,續單螺杆擠出機後開始出現了雙螺杆擠壓機,並用于食品加工領域。50年代,美國將擠壓膨化技術應用于飼料工業,主要用于加工寵物食品,對動物飼料進行預處理以改進消化性和適口性,並生産反刍動物蛋白補充料的尿素飼料(Loscicki,1982)。到了80年代,擠壓膨化技術已經成爲國外發展速度較快的飼料加工新技術,它在加工特種動物飼料、水産養殖飼料、早期斷奶仔豬料及飼料資源開發等方面具有傳統加工方法無可比擬的優點。國際上有代表性的膨化機生産企業除丹麥SPROUT-MATADOR公司外,還有美國Insta-pro 、Wenger和Anderson公司,德國的KARL公司,瑞士的Buhler公司等。

我国从70年*始研究食品挤压技术和挤压加工机械。1980年,北京食品研究所仿制出第一台自热式PJ-1型谷物膨化挤压机。1982年无锡轻工业大学从法国Clextral公司引进一台BC-45型双螺杆挤压机,开始了对挤压加工技术的研究(文东辉等. 1999)。与此同时,国内许多生产厂家也先后从世界各大公司引进了先进的挤压设备。在引进国外设备的同时,一些饲料设备生产厂也先后生产了不同类型的挤压膨化设备,国内代表性的膨化机生产企业有牧羊集团、正昌集团、北京现代洋工机械科技发展有限公司等。

隨著膨化機越來越多地應用于實際生産,必須在提高膨化機設計水平的同時,提高使用水平。本文僅對雙螺杆膨化機的結構原理特點等作一簡要說明。希望對膨化機的使用者有所幫助。

1.雙螺杆膨化機工作原理及優點

1.1雙螺杆膨化機結構
配合物料經輸送設備送至調質器,物料在調質器中經高溫蒸汽調質,由瀉料槽進入膨化機構,在一對相互平行齧合的螺杆泵送下,從一定形狀的模孔中瞬間擠出切割成粒。

 

1.主电机  2.调质器   3.泻料槽  4.膨化机构  5.切割装置  6.支撑
7.底座及机架  8.齿轮箱传动机构  9.电控系统
圖1.雙螺杆膨化機的組成

1.2雙螺杆膨化機膨化原理

图2所示为一典型双螺杆挤压膨化机的膨化机构,是靠一对相互平行啮合的螺杆推动物料向前推进,其螺杆分为三段:输料段、压缩熔融段、均匀段。在输料段,物料从料斗进入机筒内,随着螺杆的转动,沿着螺槽方向向前输送,并被逐渐压实。进入压缩熔融段后,由于螺旋结构上的变化,压力升高,又由于受到来自机筒的外部加热以及物料在两根螺杆之间及螺杆和机筒的强烈搅拌、混合、剪切下,物料温度升高,开始熔融,直至全部熔融。由于螺槽空间进一步变小,物料进一步升温升压,得到蒸煮,使原料淀粉充分糊化,脂肪、蛋白质变性等一系列复杂的生化反应,组织进一步均化,到达均匀段,经分流板将从“ ”膨化腔出来的物料均匀分到模板上,此时压力通常为3~6Mpa(依膨化要求而定),温度可达150~200℃,由于在密闭套筒中这样高的压力超过了挤压温度下的饱和蒸汽压,所以水分不会快速蒸发,当物料从一定形状的模孔中瞬间挤出时,压力迅速释放,游离水分急剧蒸发,物料随之膨胀,水分从物料中迅速散失,使产品很快冷却至80℃左右,从而被固化定型,并保持其膨胀后的形状。

 

1.料斗  2.螺杆  3.机筒  4.分流板  5.模板
圖2 雙螺杆膨化結構示意圖

1.3雙螺杆膨化機的特點

雙螺杆膨化機在國內發展相對較晚,由于其膨化的原料特性變化範圍較大,需要螺杆轉速在較大範圍內調整,其工作原理比單螺杆膨化機要複雜得多,在具體結構上有較大差異,特別是機筒、螺杆、推力軸承齒輪箱的布置比較複雜,造成設備成本的增加,如單螺杆采用皮帶一級傳動,而雙螺杆膨化機采用齒輪箱傳動,二者在制造與傳動效率方面都有很大差異。(雙螺杆與單螺杆膨化機的區別見表1)。

 

2.雙螺杆膨化機在水産飼料中的應用

擠壓膨化加工是將原料經過高溫、高壓、瞬間熟化的加工工藝,集輸送、粉碎、擠壓、混合、剪切、、高溫消毒及成型于一體,且可以加工粘稠、高脂肪、高水份的原料,這是一般生産工藝無法比擬的,因此被越來越多地應用在水産飼料、寵物飼料、特種養殖等高檔飼料及食品的生産中。

2.1加工工藝流程
原料微粉碎→配料、混合→膨化→切粒→幹燥→噴塗→冷卻→計量打包。

2.2膨化水産料優點
2.2.1良好的耐水性
膨化過程中形成的網絡結構使膨化水産飼料顆粒能在水中穩定性很好,不管是沈性飼料還是浮性飼料在水中浸泡12小時都能保持不潰散,可保持養殖水質,不僅大幅度減少飼料的浪費,而且能夠很好地爲水産動物的健康生長提供了優良的環境。
2.2.2更高的消化性
膨化料加工過程中的高溫、高壓、強剪切作用對澱粉、蛋白質等物質所産生的變化提高了此類物質的可消化性,膨化水産飼料的澱粉糊化度一般在85以上,而普通硬顆粒水産料僅有40左右,僅澱粉的消化率就遠遠高于普通硬顆粒水産料;強擠壓作用可以使部分結構緊湊的纖維素、角質蛋白等降解,使其包裹的不可消化的營養物質得以釋放,使消化率大幅度提高。
2.2.3優良的適口性
膨化過程中適宜的溫度和壓強作用使飼料顆粒成品具有多孔及質構均勻的特性,並且産生部分香味物質,增加了飼料的誘食性,刺激水産動物的食欲,增加了采食量。
2.2.4拓寬了原料利用範圍
食品業、釀造業、農業等行業的下腳料由于含有過量的水分、油脂或纖維素而不易被加工成其他形式的水産料,而雙螺杆膨化機能將它們做到物盡其用,豐富了飼料資源。
2.2.5方便養殖管理
膨化飼料不僅能夠很好地適應水産動物的采食習慣,同時還能使養殖者准確了解水産動物的采食情況,及時調整投放量。膨化飼料的使用能降低養殖水質營養化的危害,可降低換水頻率,減少換水量及增氧量。
2.2.6提高了飼料安全性
擠壓膨化過程能有效地去除了原料中致病菌及鈍化部分原料中的抗營養因子,可減少飼料中的藥物添加量。故膨化水産料比其它形式的水産飼料更安全,這一安全結果是通過物理方法獲得的,無不良副作用産生。大大減少了水辣椒视频的藥物殘留量,對人類的食品安全具有重要意義。

2.3水産飼料雙螺杆膨化機的選擇
在新建或改建水産飼料生産線時,首先要考慮雙螺杆膨化機的選型,根據生産能力及投資大小選擇匹配的膨化機;在改造生産線時還要考慮原有粉碎機、冷卻機、幹燥機的生産能力及生産效果能否滿足所選膨化機,要充分考慮能否利用現有設備以便降低投資。
2.3.1膨化機的膨化效果
所選膨化機生産的水産飼料膨化效果要滿足以下幾條:
A. 顆粒成形率≥99;
B. 顆粒漂浮率=100,下沈率≥99;
C. 顆粒大小均勻、色澤一致,具有很好的耐水性;
D. 浮性料在水中保持10h、沈性料在水中保持3h不爛、不散。
2.3.2擠壓膨化機的使用壽命
不同廠家的雙螺杆膨化機由于傳動機構、結構特征、使用材料、加工工藝等不盡相同,使用壽命差異很大。在選用膨化機時,首先應注意總體結構設計是否合理,各部件制造工藝、選材是否精良,易損件的耐磨性如何等;其次應注意動力傳動機構設計是否合理,能否有效降低傳動過程中的能耗。
2.3.3可操作性
膨化加工一般是人工或半自動操作,故要考慮操作雙螺杆膨化機的勞動強度、操作是否方便、應急措施是否完善。如大型雙螺杆膨化機是否配有吊裝機構和螺旋拆卸工具以便輕松更換螺旋或機筒;是否具有瀉料裝置以便在堵機時排除調質器中的物料不讓其進入膨化機構;膨化外加熱措施是否完全安全可靠;夾套是否經試壓檢測等。


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