雙螺桿膨化機的原理及在水產飼料中的應用

20世紀30年代,第一臺用於穀物加工的單螺桿擠壓機問世,它開始用於生產膨化玉米。二戰期間,日本人用於生產壓縮軍糧。20世紀60年代,續單螺桿擠出機後開始出現了雙螺桿擠壓機,並用於食品加工領域。50年代,美國將擠壓膨化技術應用於飼料工業,主要用於加工寵物食品,對動物飼料進行預處理以改進消化性和適口性,並生產反芻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、水產養殖飼料、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產企業除丹麥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。

我國從70年*始研究食品擠壓技術和擠壓加工機械。1980年,北京食品研究所仿製出第一臺自熱式PJ-1型穀物膨化擠壓機。1982年無錫輕工業大學從法國Clextral公司引進一臺BC-45型雙螺桿擠壓機,開始了對擠壓加工技術的研究(文東輝等. 1999)。與此同時,國內許多生產廠家也先後從世界各大公司引進了先進的擠壓設備。在引進國外設備的同時,一些飼料設備生產廠也先後生產了不同類型的擠壓膨化設備,國內代表性的膨化機生產企業有牧羊集團、正昌集團、北京現代洋工機械科技發展有限公司等。

隨着膨化機越來越多地應用於實際生產,必須在提高膨化機設計水平的同時,提高使用水平。本文僅對雙螺桿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.雙螺桿膨化機工作原理及優點

1.1雙螺桿膨化機結構
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桿泵送下,從一定形狀的模孔中瞬間擠出切割成粒。

 

1.主電機  2.调质器   3.泻料槽  4.膨化机构  5.切割装置  6.支撑
7.底座及機架  8.齿轮箱传动机构  9.电控系统
圖1.雙螺桿膨化機的組成

1.2雙螺桿膨化機膨化原理

圖2所示爲一典型雙螺桿擠壓膨化機的膨化機構,是靠一對相互平行齧合的螺桿推動物料向前推進,其螺桿分爲三段:輸料段、壓縮熔融段、均勻段。在輸料段,物料從料斗進入機筒內,隨着螺桿的轉動,沿着螺槽方向向前輸送,並被逐漸壓實。進入壓縮熔融段後,由於螺旋結構上的變化,壓力升高,又由於受到來自機筒的外部加熱以及物料在兩根螺桿之間及螺桿和機筒的強烈攪拌、混合、剪切下,物料溫度升高,開始熔融,直至全部熔融。由於螺槽空間進一步變小,物料進一步升溫升壓,得到蒸煮,使原料澱粉充分糊化,脂肪、蛋白質變性等一系列複雜的生化反應,組織進一步均化,到達均勻段,經分流板將從“ ”膨化腔出來的物料均勻分到模板上,此時壓力通常爲3~6Mpa(依膨化要求而定),溫度可達150~200℃,由於在密閉套筒中這樣高的壓力超過了擠壓溫度下的飽和蒸汽壓,所以水分不會快速蒸發,當物料從一定形狀的模孔中瞬間擠出時,壓力迅速釋放,遊離水分急劇蒸發,物料隨之膨脹,水分從物料中迅速散失,使產品很快冷卻至80℃左右,從而被固化定型,並保持其膨脹後的形狀。

 

1.料斗  2.螺杆  3.机筒  4.分流板  5.模板
图2 双螺杆膨化结构示意图

1.3雙螺桿膨化機的特點

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

 

2.雙螺桿膨化機在水產飼料中的應用

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、、高溫消毒及成型於一體,且可以加工粘稠、高脂肪、高水份的原料,這是一般生產工藝無法比擬的,因此被越來越多地應用在水產飼料、寵物飼料、特種養殖等高檔飼料及食品的生產中。

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

2.2膨化水產料優點
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產飼料顆粒能在水中穩定性很好,不管是沉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產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、蛋白質等物質所產生的變化提高了此類物質的可消化性,膨化水產飼料的澱粉糊化度一般在85以上,而普通硬顆粒水產料僅有40左右,僅澱粉的消化率就遠遠高於普通硬顆粒水產料;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,並且產生部分香味物質,增加了飼料的誘食性,刺激水產動物的食慾,增加了採食量。
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於含有過量的水分、油脂或纖維素而不易被加工成其他形式的水產料,而雙螺桿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產動物的採食習慣,同時還能使養殖者準確瞭解水產動物的採食情況,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。故膨化水產料比其它形式的水產飼料更安全,這一安全結果是通過物理方法獲得的,無不良副作用產生。大大減少了水產品的藥物殘留量,對人類的食品安全具有重要意義。

2.3水產飼料雙螺桿膨化機的選擇
在新建或改建水產飼料生產線時,首先要考慮雙螺桿膨化機的選型,根據生產能力及投資大小選擇匹配的膨化機;在改造生產線時還要考慮原有粉碎機、冷卻機、乾燥機的生產能力及生產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
所選膨化機生產的水產飼料膨化效果要滿足以下幾條:
A. 颗粒成形率≥99;
B. 颗粒漂浮率=100,下沉率≥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、沉性料在水中保持3h不爛、不散。
2.3.2擠壓膨化機的使用壽命
不同廠家的雙螺桿膨化機由於傳動機構、結構特徵、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,各部件製造工藝、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,故要考慮操作雙螺桿膨化機的勞動強度、操作是否方便、應急措施是否完善。如大型雙螺桿膨化機是否配有吊裝機構和螺旋拆卸工具以便輕鬆更換螺旋或機筒;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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