1，擠壓膨化加工工藝過程及分類
擠壓膨化加工定義為這樣一種工藝過程, 即迫使飼料或食品原料在一種或幾種工藝條件下( 如攪拌、加熱、剪切) 流動通過壓模, 使物料成形和噴發(fā)汽化 (Rossen 等 Miller, 1973) 。換句話說, 擠壓膨化加工將幾種作業(yè)合并一起進(jìn)行, 包括攪拌、熟化、揉合、剪切、成形。而在當(dāng)今飼料和食品工業(yè)中, 擠壓膨化機(jī)是指一種帶螺旋特點(diǎn)( 即一個帶葉片的旋轉(zhuǎn)螺桿, 十分嚴(yán)密地安裝在一個圓筒內(nèi)輸送流體) 連續(xù)地加工一種產(chǎn)品的機(jī)器。擠壓膨化機(jī)可以設(shè)計(jì)成包括各種作業(yè), 如攪拌、均質(zhì)、熟化、冷卻、抽真空、成形、切割。隨著擠壓膨化技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展, 擠壓膨化設(shè)備的類型日益增多, 其分類方法也有多種多樣?？梢园醇羟?/span>力強(qiáng)弱程度分為高剪切力、中剪切力、低剪切力擠壓膨化機(jī); 按加熱形式分為自熱式和外加熱式或稱為干法和濕法擠壓膨化機(jī), 而最常用、最典型的分類是根據(jù)螺桿數(shù)目將濕法擠壓膨化機(jī)分為單螺桿擠壓膨化機(jī)和雙螺桿擠壓膨化機(jī)。
2 單螺桿擠壓膨化機(jī)
單螺桿擠壓膨化機(jī)結(jié)構(gòu)簡單, 通常采用皮帶傳動方式, 主軸轉(zhuǎn)速恒定不可調(diào), 其傳動效率低、工藝操控難度大。單螺桿擠壓膨化機(jī)的螺桿由一根軸把各種結(jié)構(gòu)的螺桿單元連接組成。整個螺桿由三段組成: 喂料段、揉合段或熔融段和成形段。物料從喂料口進(jìn)入機(jī)筒后, 在螺桿中經(jīng)歷固體輸送、熔融過程, 使物料從松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變成連續(xù)可塑的面團(tuán)狀。
單螺桿擠壓膨化機(jī)的物料輸送主要是靠拖曳流來完成的。由于單螺桿的結(jié)構(gòu)特性決定了物料在機(jī)筒內(nèi)向前推進(jìn)時(shí), 依靠機(jī)筒與物料之間相互摩擦力來完成, 摩擦力愈大, 則向前推進(jìn)的效率愈高; 但物料與螺桿的摩擦力愈大, 則愈會對上述產(chǎn)生的流動起阻滯作用, 從而造成物料粘在螺桿上。若物料粘附在螺桿上, 則產(chǎn)生堵塞而不能向前輸送, 當(dāng)物料的水分、油分越高, 這種趨勢就越明顯, 這就限制了單螺桿擠壓機(jī)對粘性原料尤其是高含油脂原料的加工。
單螺桿擠壓膨化機(jī)在高壓條件下輸送能力較差, 相對于相同動力的雙螺桿擠壓膨化機(jī), 其產(chǎn)量也較低。這主要是因?yàn)檫@種輸送方式對于高壓很敏感, 壓力將產(chǎn)生回流, 而降低輸送效率。由于輸送量等于拖曳流減去壓力流, 所以高壓常會引起總產(chǎn)量的降低。單螺桿擠壓膨化機(jī)的大部分能量來自于通過機(jī)筒傳導(dǎo)的外加熱和螺桿轉(zhuǎn)動時(shí)由剪切力產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化熱, 其中機(jī)械能的大小是由螺桿轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)所決定的, 這是因?yàn)榧羟新逝c螺桿轉(zhuǎn)速成正比, 而對于一臺確定的擠壓膨化機(jī), 螺桿結(jié)構(gòu)一般是預(yù)先配置的, 修改的可能性很小。對于大型單螺桿擠壓膨化機(jī), 熱交換及其輸送產(chǎn)量和壓力的增加都將變得更加困難, 因?yàn)閿D壓膨化機(jī)的尺寸越大, 物料的表面積與體積之比就越小。所以對于較大機(jī)型的單螺桿擠壓膨化機(jī), 由于螺桿和機(jī)筒的尺寸愈大, 其單位體積機(jī)筒傳熱面積就愈小, 導(dǎo)致物料輸送、傳熱及壓強(qiáng)的形成十分困難。
單螺桿擠壓膨化機(jī)的物料在擠壓膨化過程中混合均質(zhì)效果差是其最大的缺陷, 其最難的地方就是混合性能的改善, 往往為了改善其混合均質(zhì)效果必須對螺桿的螺旋及機(jī)筒的結(jié)構(gòu)作一些特殊的設(shè)計(jì)。除了漏流, 單螺桿擠壓膨化機(jī)的結(jié)構(gòu)極大地限制了物料的混合, 有些擠壓膨化機(jī)通過將專用的節(jié)流元件插入螺桿結(jié)構(gòu)中用來改善其混合特性, 但這些元件也會引起一個較大的壓力降, 效果是極其有限的, 且單螺桿擠壓膨化機(jī)不良的泵送特性也限制了這些混合元件的插入。
3 雙螺桿擠壓膨化機(jī)
3.1 結(jié)構(gòu)及工作特性
雙螺桿擠壓膨化機(jī)是在單螺桿擠壓膨化機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的, 在雙螺桿擠壓膨化機(jī)的機(jī)筒中, 并排安放兩根螺桿, 根據(jù)螺桿的相對位置和按螺桿轉(zhuǎn)向分為非嚙合同向旋轉(zhuǎn)、非嚙合相向旋轉(zhuǎn)、嚙合同向旋轉(zhuǎn)、嚙合相向旋轉(zhuǎn)。完全嚙合的同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠壓膨化機(jī)大大改善了物料的輸送、泵出和混合特性。盡管雙螺桿擠壓膨化機(jī)也是一種拖曳流機(jī), 但由于其二根螺桿同向旋轉(zhuǎn)并完全嚙合而具有一種正壓泵的附加功能。這使得雙螺桿擠壓膨化機(jī)既可以用來輸送高粘性的物料, 又可以用來輸送低粘性的物料, 能夠適應(yīng)高粘性物料、低粘性物料或高水分、高油脂配方產(chǎn)品的加工。同時(shí)具有自清理功能, 因而在飼料加工過后, 機(jī)器就會自動將內(nèi)部剩余物料擠出機(jī)外, 無需逐一地卸下來清理, 節(jié)省了時(shí)間。
在同向雙螺桿擠壓膨化機(jī)中, 同向旋轉(zhuǎn)式雙螺桿壓力區(qū)性質(zhì)不同, 物料在機(jī)筒內(nèi)腔受螺桿的旋轉(zhuǎn)作用, 產(chǎn)生高壓區(qū)和低壓區(qū)。顯而易見, 物料將沿著兩個方向由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動, 一個是隨螺桿旋轉(zhuǎn)方向沿套筒內(nèi)壁形成左右兩個 C 形物料流, 這是物料的主流; 另一個是通過螺桿嚙合部分的間隙形成逆流。產(chǎn)生逆流的原因是左螺桿把物料拉入嚙合的間隙, 而右螺桿又把物料從間隙中拉出, 結(jié)果使物料呈“∞”字形前進(jìn)。螺桿既產(chǎn)生正向輸送, 又允許物料改變方向, 這不僅有助于物料的混合和均化, 提供了更好的混合和熱交換, 而且還使螺桿的齒槽間產(chǎn)生研磨(即剪切)與滾壓作用, 出現(xiàn)壓延效應(yīng), 這個效應(yīng)與反向螺桿壓延效應(yīng)相比要小得多。當(dāng)然, 壓延效應(yīng)小, 物料對螺桿的磨損也就減小, 物料就是這樣經(jīng)過輸送、剪切、混合和機(jī)筒外殼的加熱, 在高溫、高壓的作用下達(dá)到熟化, 最后被擠出筒外。
雙螺桿加工中物料所需要的熱量來源, 除了與單工藝設(shè)備汪沐: 單螺桿和雙螺桿擠壓膨化機(jī)的一般比較 6 螺桿相同的部分外, 大部分來自嚙合間隙。受嚙合螺紋的剪切、擠壓和混合而產(chǎn)生熱量并使熱量均勻化。間隙的大小對擠壓膨化質(zhì)量影響很大, 間隙小、剪切力大, 但通過的物料量減少; 間隙大, 通過的物料量增加了, 但剪切力減小。雙螺桿強(qiáng)制輸送和自潔的特性, 使物料在機(jī)筒中停留時(shí)間短而均勻。雙螺桿良好的混合性能使物料得到的熱量及時(shí)均勻化, 加快了物料的熟化程度, 減少了料溫的波動, 提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。
組合式的螺桿與分段式的機(jī)筒結(jié)構(gòu)可滿足各種特殊的加工要求, 組合成各種結(jié)構(gòu)形式的雙螺桿擠壓膨化機(jī)。組成螺桿的每一個元件可設(shè)計(jì)成具有專門的輸送、揉捏、混合、剪切和提高壓力的功能。這些元件沿螺桿長度方向的合理組合可對加工條件進(jìn)行精確控制, 為該系統(tǒng)提供各種不同的優(yōu)勢。剪力環(huán)( 剪力鎖片) 是組成螺桿構(gòu)件最重要的混合元件, 它用來將所增加的機(jī)械能輸入到產(chǎn)品中。不同的混合元件將影響物料的擴(kuò)散和混合分布程度。采用何種形式的剪力環(huán)將視最終產(chǎn)品的要求而定。窄的剪力環(huán)用于使單位長度的流動分隔數(shù)最大的方式; 而寬的盤式剪力環(huán)則用于高剪切和擴(kuò)散式混合。
雙螺桿互相揉捏和摩擦, 使能耗比單螺桿低。這樣可使物料揉合和熟化更充分, 其整體的熟化度能夠達(dá)到 95%以上, 產(chǎn)品在水中的穩(wěn)定性能保持在 24 h 以上, 同時(shí)顆粒的表面光潔度和顆粒均勻度也更好。擠壓膨化飼料充分熟化了以后, 動物吃起來不但口感好, 而且消化率高, 易于營養(yǎng)吸收。所以在購買擠壓膨化機(jī)時(shí), 一定要考慮到物料的熟化程度能否達(dá)到 90%以上。
3.2 雙螺桿擠壓機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用
雙螺桿擠壓機(jī)最大的特點(diǎn)就是它能夠?qū)Ω鞣N原料進(jìn)行混合而不考慮其構(gòu)成。因此, 像谷物、豆粉、動物粉、鮮肉、脂肪、營養(yǎng)素、蛋白質(zhì)、維生素、淀粉以及濕魚渣等如此多樣化的組分都能很容易地進(jìn)行加工。雙螺桿擠壓膨化機(jī)加工飼料的種類多, 能夠適應(yīng)高粘性物料、低粘性物料或高水分、高油脂配方產(chǎn)品的加工。在水產(chǎn)飼料方面, 像魚、蝦飼料, 還有河鰻、高檔觀賞魚飼料等均需用雙螺桿擠壓膨化機(jī), 特別是顆粒水產(chǎn)飼料( 直徑為 0.5～1.5 mm) 、高脂肪水產(chǎn)飼料及生產(chǎn)量小但配方常變的飼料, 必須采用雙螺桿擠壓膨化機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。在寵物飼料加工中, 寵物飼料的主要成分一般都是由谷物粉(如小麥粉)和較高蛋白含量的動物粉、鮮肉和脂肪等組成的。在干寵物飼料加工過程中, 當(dāng)鮮肉含量高達(dá) 20%～30%時(shí), 擠壓時(shí)就需要強(qiáng)烈地混合和揉捏, 這只有雙螺桿擠壓膨化機(jī)才能完成。因?yàn)殡p螺桿的相互揉搓、擠壓, 即使在原料高油脂的情況下也不會粘在一起而影響機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn), 與單螺桿擠壓膨化機(jī)相比, 在雙螺桿擠壓膨化機(jī)中可以添加幾乎兩倍含量的脂肪到寵物飼料配方中, 所以配方含油脂可達(dá)到 20%以上。這樣不僅提高了配方的質(zhì)量, 也減緩了零件的磨損和阻力, 降低了生產(chǎn)成本。而單螺桿擠壓膨化機(jī)就做不到這一點(diǎn), 在單螺桿擠壓膨化機(jī)中, 脂肪含量受到限制, 因?yàn)槿绻竞?/span>量太高, 將引起擠壓膨化機(jī)劇烈地波動, 并因此導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定。一旦物料中油脂含量過高, 就會造成物料黏著, 機(jī)器無法運(yùn)行。此外, 雙螺桿擠壓膨化機(jī)在 30 s 內(nèi)即可完成原料的改變, 這就可用于色彩的識別和允許多色混合物的產(chǎn)品直接在擠壓膨化機(jī)中加工。
雙螺桿擠壓膨化機(jī)采用直聯(lián)變頻電機(jī)傳動方式, 主軸轉(zhuǎn)速可根據(jù)加工產(chǎn)品需求進(jìn)行調(diào)節(jié), 在不停機(jī)狀態(tài)下, 不改變螺桿參數(shù)設(shè)置即可更換產(chǎn)品品種或生產(chǎn)浮性、沉性水產(chǎn)飼料, 其操作特別方便并得到完全令人滿意的效果。
從以上單螺桿和雙螺桿擠壓膨化的特性分析可以看出, 雙螺桿擠壓膨化機(jī)具有以下優(yōu)勢。
①原料適應(yīng)性更廣, 可以適應(yīng)高粘性、低粘性、高油脂含量、高水分或粘稠、多油的、非常濕的原料及其它一些在單螺桿( SSE) 中會打滑的原料加工。
②對原料的粒度限制更少, 可以適應(yīng)從微粉料到粗粉料顆粒的原料和單螺桿加工特定范圍以外粒度的原料加工。
③物料流在機(jī)筒內(nèi)更均勻, 可以添加蒸汽、水等, 使產(chǎn)品達(dá)到需求的效果。
④產(chǎn)品內(nèi)在和外觀質(zhì)量更好, 可以達(dá)到非常好的均質(zhì)狀態(tài)并使得物料分子結(jié)構(gòu)排布均勻、在擠壓出模過程中表面光滑, 產(chǎn)品顆粒整齊度高、均勻性好。
⑤熟化均質(zhì)效果更好, 通常淀粉熟化度可達(dá) 95%以上, 使得所加工的水產(chǎn)飼料能夠在水中保持穩(wěn)定和產(chǎn)品營養(yǎng)成分不流失, 并易于消化吸收。
⑥同等動力下產(chǎn)量更高。良好的混合性能使物料得到的熱量及時(shí)均勻化, 加快了物料的熟化程度, 減少了料溫的波動, 提高了擠壓膨化產(chǎn)品的產(chǎn)量。
⑦產(chǎn)品多樣性和適應(yīng)性更寬, 可以加工微粒水產(chǎn)飼料及高油配方、高水分、高粘結(jié)性產(chǎn)品和多色彩、夾心類、特殊形狀的產(chǎn)品。
⑧工藝操作更簡便, 可以根據(jù)加工產(chǎn)品需求調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速, 由于自清特點(diǎn), 清理很方便, 每次加工后無需拆裝設(shè)備。
⑨易損件磨損更輕。通常一種錯誤觀念認(rèn)為單螺桿的磨損少, 實(shí)際上在雙螺桿擠壓過程中由于穩(wěn)定的物料輸送和物料流的特性, 決定了物料對螺桿和機(jī)筒內(nèi)套的磨損要比單螺桿小, 盡管螺桿數(shù)量多出一套, 但其配件成本仍比單螺桿低。
⑩生產(chǎn)成本更低, 由于雙螺桿機(jī)型具有良好的操作穩(wěn)定性, 在飼料加工過程中開機(jī)費(fèi)料少、水氣浪費(fèi)少、工時(shí)費(fèi)少、傳熱效率高、成品率高、度電產(chǎn)量指標(biāo)高, 加上配件成本也低, 其最終生產(chǎn)成本相對于單螺桿仍要低得多。
4 單螺桿和雙螺桿擠壓膨化機(jī)比較( 見表 1)
到目前為止, 美國 70%水產(chǎn)飼料生產(chǎn)、韓國 100% 水產(chǎn)飼料生產(chǎn)采用擠壓膨化加工技術(shù)。在我國, 越來越多的飼料加工企業(yè)逐步用擠壓膨化機(jī)替代傳統(tǒng)的制粒機(jī)生產(chǎn)水產(chǎn)飼料和其它特種飼料。在目前中國水產(chǎn)飼料市場, 由于大部分水產(chǎn)飼料生產(chǎn)企業(yè)受到資金的限制, 通常選用價(jià)格較低的國產(chǎn)單螺桿擠壓膨化機(jī), 但因其結(jié)構(gòu)簡單和技術(shù)水平、制造水平不夠高, 只能在水產(chǎn)飼料加工中用于生產(chǎn)較低檔的淡水魚浮性料, 難于生產(chǎn)沉性料和其它高檔水產(chǎn)飼料產(chǎn)品。有些進(jìn)口單螺桿機(jī)型雖能滿足生產(chǎn)高檔沉性飼料產(chǎn)品, 但其價(jià)格太高, 已沒有很好的性價(jià)比。我們選擇擠壓膨化設(shè)備不應(yīng)只看到雙螺桿擠壓膨化機(jī)比單螺桿擠壓膨化機(jī)的價(jià)格高, 而更應(yīng)考慮綜合性價(jià)比和產(chǎn)品生產(chǎn)成本。國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的雙螺桿擠壓膨化機(jī)技術(shù)性能已達(dá)到一定的先進(jìn)水平, 雖然價(jià)格要高于國產(chǎn)單螺桿擠壓膨化機(jī), 但要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口單螺桿機(jī)型的價(jià)格, 其生產(chǎn)性能已超過進(jìn)口單螺桿機(jī)型并可以完全替代進(jìn)口雙螺桿機(jī)型, 不僅能滿足養(yǎng)殖業(yè)中高檔水產(chǎn)飼料的需求, 而且能達(dá)到很高的性價(jià)比, 應(yīng)該是目前水產(chǎn)飼料加工業(yè)的最好選擇。隨著大規(guī)格、大產(chǎn)量和專用型雙螺桿機(jī)型的出現(xiàn), 使用雙螺桿擠壓膨化機(jī)可獲得更大的效益, 能更充分發(fā)揮出擠壓膨化加工技術(shù)所具有原料使用范圍廣, 淀粉的糊化程度高, 水中穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通顆粒飼料, 產(chǎn)品密度可調(diào), 可加工浮性、慢沉、快沉料和高水分、高油脂飼料, 顆粒的結(jié)構(gòu)比較疏松有利于采用后噴涂技術(shù), 避免熱敏性原料的損失, 防止污染環(huán)境和防病、抗病, 提高飼料營養(yǎng)價(jià)值, 降低生產(chǎn)成本等獨(dú)特的優(yōu)勢。
5 雙螺桿擠壓膨化機(jī)的開發(fā)與展望
目前, 第三代新型 GCISSP 系列雙螺桿擠壓膨化機(jī)已經(jīng)面市, 其動力配置從 22 kW 到 315 kW, 加工水產(chǎn)飼料產(chǎn)量從 150 kg/h 到 12 t/h, 共有 10 個規(guī)格的產(chǎn)品, 完全能夠滿足當(dāng)前國內(nèi)水產(chǎn)飼料加工( 浮性料、慢沉料、快沉料和高油含量料、濕性料等) 、各類寵物飼料和食品工業(yè)中植物組織蛋白、休閑食品、營養(yǎng)食品等的生產(chǎn)需求, 主機(jī)采用變頻主電機(jī), 傳動系統(tǒng)強(qiáng)勁、平穩(wěn)、可靠, 機(jī)筒加熱和冷卻層為一體式鍛造結(jié)構(gòu), 機(jī)筒內(nèi)套和螺桿元件采用高耐磨合金鋼材質(zhì), 模板采用新型材質(zhì)和科學(xué)布孔工藝, 調(diào)質(zhì)系統(tǒng)采用加長不銹鋼雙軸差速調(diào)質(zhì)器, 設(shè)備結(jié)構(gòu)合理、外形美觀, 其產(chǎn)品技術(shù)性能已接近或基本達(dá)到國際知名品牌如美國 Wenger、瑞士 Buhler 等進(jìn)口雙螺桿擠壓膨化機(jī)水平, 但其價(jià)格僅為進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格的三分之一, 為國內(nèi)飼料和食品加工企業(yè)提供了低價(jià)格、性能完善的高性價(jià)比雙螺桿擠壓膨化設(shè)備。尤其是針對目前國內(nèi)水產(chǎn)飼料加工以浮性料為主導(dǎo)產(chǎn)品的實(shí)際狀況, 某公司又開發(fā)出既能充分發(fā)揮雙螺桿擠壓膨化機(jī)的優(yōu)勢, 又能盡量降低投資成本加工水產(chǎn)浮性飼料的 GCISSPF 系列雙螺桿擠壓膨化機(jī)專用機(jī)型, 其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口單螺桿擠壓膨化機(jī), 而且僅與國產(chǎn)單螺桿擠壓膨化機(jī)的價(jià)格相當(dāng), 可以說用單螺桿的投資就能選用雙螺桿擠壓膨化機(jī),能夠生產(chǎn)出整齊度好和更多樣化的產(chǎn)品, 大產(chǎn)量、專業(yè)化的雙螺桿擠壓膨化機(jī)將會產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。
