1，挤压膨化加工工艺过程及分类
挤压膨化加工定义为这样一种工艺过程, 即迫使饲料或食品原料在一种或几种工艺条件下( 如搅拌、加热、剪切) 流动通过压模, 使物料成形和喷发汽化 (Rossen 等 Miller, 1973) 。换句话说, 挤压膨化加工将几种作业合并一起进行, 包括搅拌、熟化、揉合、剪切、成形。而在当今饲料和食品工业中, 挤压膨化机是指一种带螺旋特点( 即一个带叶片的旋转螺杆, 十分严密地安装在一个圆筒内输送流体) 连续地加工一种产品的机器。挤压膨化机可以设计成包括各种作业, 如搅拌、均质、熟化、冷却、抽真空、成形、切割。随着挤压膨化技术的广泛应用和不断发展, 挤压膨化设备的类型日益增多, 其分类方法也有多种多样。可以按剪切力强弱程度分为高剪切力、中剪切力、低剪切力挤压膨化机; 按加热形式分为自热式和外加热式或称为干法和湿法挤压膨化机, 而最常用、最典型的分类是根据螺杆数目将湿法挤压膨化机分为单螺杆挤压膨化机和双螺杆挤压膨化机。
2 单螺杆挤压膨化机
单螺杆挤压膨化机结构简单, 通常采用皮带传动方式, 主轴转速恒定不可调, 其传动效率低、工艺操控难度大。单螺杆挤压膨化机的螺杆由一根轴把各种结构的螺杆单元连接组成。整个螺杆由三段组成: 喂料段、揉合段或熔融段和成形段。物料从喂料口进入机筒后, 在螺杆中经历固体输送、熔融过程, 使物料从松散状态转变成连续可塑的面团状。
单螺杆挤压膨化机的物料输送主要是靠拖曳流来完成的。由于单螺杆的结构特性决定了物料在机筒内向前推进时, 依靠机筒与物料之间相互摩擦力来完成, 摩擦力愈大, 则向前推进的效率愈高; 但物料与螺杆的摩擦力愈大, 则愈会对上述产生的流动起阻滞作用, 从而造成物料粘在螺杆上。若物料粘附在螺杆上, 则产生堵塞而不能向前输送, 当物料的水分、油分越高, 这种趋势就越明显, 这就限制了单螺杆挤压机对粘性原料尤其是高含油脂原料的加工。
单螺杆挤压膨化机在高压条件下输送能力较差, 相对于相同动力的双螺杆挤压膨化机, 其产量也较低。这主要是因为这种输送方式对于高压很敏感, 压力将产生回流, 而降低输送效率。由于输送量等于拖曳流减去压力流, 所以高压常会引起总产量的降低。单螺杆挤压膨化机的大部分能量来自于通过机筒传导的外加热和螺杆转动时由剪切力产生的机械能转化热, 其中机械能的大小是由螺杆转速和结构所决定的, 这是因为剪切率与螺杆转速成正比, 而对于一台确定的挤压膨化机, 螺杆结构一般是预先配置的, 修改的可能性很小。对于大型单螺杆挤压膨化机, 热交换及其输送产量和压力的增加都将变得更加困难, 因为挤压膨化机的尺寸越大, 物料的表面积与体积之比就越小。所以对于较大机型的单螺杆挤压膨化机, 由于螺杆和机筒的尺寸愈大, 其单位体积机筒传热面积就愈小, 导致物料输送、传热及压强的形成十分困难。
单螺杆挤压膨化机的物料在挤压膨化过程中混合均质效果差是其最大的缺陷, 其最难的地方就是混合性能的改善, 往往为了改善其混合均质效果必须对螺杆的螺旋及机筒的结构作一些特殊的设计。除了漏流, 单螺杆挤压膨化机的结构极大地限制了物料的混合, 有些挤压膨化机通过将专用的节流元件插入螺杆结构中用来改善其混合特性, 但这些元件也会引起一个较大的压力降, 效果是极其有限的, 且单螺杆挤压膨化机不良的泵送特性也限制了这些混合元件的插入。
3 双螺杆挤压膨化机
3.1 结构及工作特性
双螺杆挤压膨化机是在单螺杆挤压膨化机的基础上发展起来的, 在双螺杆挤压膨化机的机筒中, 并排安放两根螺杆, 根据螺杆的相对位置和按螺杆转向分为非啮合同向旋转、非啮合相向旋转、啮合同向旋转、啮合相向旋转。完全啮合的同向旋转双螺杆挤压膨化机大大改善了物料的输送、泵出和混合特性。尽管双螺杆挤压膨化机也是一种拖曳流机, 但由于其二根螺杆同向旋转并完全啮合而具有一种正压泵的附加功能。这使得双螺杆挤压膨化机既可以用来输送高粘性的物料, 又可以用来输送低粘性的物料, 能够适应高粘性物料、低粘性物料或高水分、高油脂配方产品的加工。同时具有自清理功能, 因而在饲料加工过后, 机器就会自动将内部剩余物料挤出机外, 无需逐一地卸下来清理, 节省了时间。
在同向双螺杆挤压膨化机中, 同向旋转式双螺杆压力区性质不同, 物料在机筒内腔受螺杆的旋转作用, 产生高压区和低压区。显而易见, 物料将沿着两个方向由高压区向低压区流动, 一个是随螺杆旋转方向沿套筒内壁形成左右两个 C 形物料流, 这是物料的主流; 另一个是通过螺杆啮合部分的间隙形成逆流。产生逆流的原因是左螺杆把物料拉入啮合的间隙, 而右螺杆又把物料从间隙中拉出, 结果使物料呈“∞”字形前进。螺杆既产生正向输送, 又允许物料改变方向, 这不仅有助于物料的混合和均化, 提供了更好的混合和热交换, 而且还使螺杆的齿槽间产生研磨(即剪切)与滚压作用, 出现压延效应, 这个效应与反向螺杆压延效应相比要小得多。当然, 压延效应小, 物料对螺杆的磨损也就减小, 物料就是这样经过输送、剪切、混合和机筒外壳的加热, 在高温、高压的作用下达到熟化, 最后被挤出筒外。
双螺杆加工中物料所需要的热量来源, 除了与单工艺设备汪沐: 单螺杆和双螺杆挤压膨化机的一般比较 6 螺杆相同的部分外, 大部分来自啮合间隙。受啮合螺纹的剪切、挤压和混合而产生热量并使热量均匀化。间隙的大小对挤压膨化质量影响很大, 间隙小、剪切力大, 但通过的物料量减少; 间隙大, 通过的物料量增加了, 但剪切力减小。双螺杆强制输送和自洁的特性, 使物料在机筒中停留时间短而均匀。双螺杆良好的混合性能使物料得到的热量及时均匀化, 加快了物料的熟化程度, 减少了料温的波动, 提高了产品的产量和质量。
组合式的螺杆与分段式的机筒结构可满足各种特殊的加工要求, 组合成各种结构形式的双螺杆挤压膨化机。组成螺杆的每一个元件可设计成具有专门的输送、揉捏、混合、剪切和提高压力的功能。这些元件沿螺杆长度方向的合理组合可对加工条件进行精确控制, 为该系统提供各种不同的优势。剪力环( 剪力锁片) 是组成螺杆构件最重要的混合元件, 它用来将所增加的机械能输入到产品中。不同的混合元件将影响物料的扩散和混合分布程度。采用何种形式的剪力环将视最终产品的要求而定。窄的剪力环用于使单位长度的流动分隔数最大的方式; 而宽的盘式剪力环则用于高剪切和扩散式混合。
双螺杆互相揉捏和摩擦, 使能耗比单螺杆低。这样可使物料揉合和熟化更充分, 其整体的熟化度能够达到 95%以上, 产品在水中的稳定性能保持在 24 h 以上, 同时颗粒的表面光洁度和颗粒均匀度也更好。挤压膨化饲料充分熟化了以后, 动物吃起来不但口感好, 而且消化率高, 易于营养吸收。所以在购买挤压膨化机时, 一定要考虑到物料的熟化程度能否达到 90%以上。
3.2 双螺杆挤压机的特点及应用
双螺杆挤压机最大的特点就是它能够对各种原料进行混合而不考虑其构成。因此, 像谷物、豆粉、动物粉、鲜肉、脂肪、营养素、蛋白质、维生素、淀粉以及湿鱼渣等如此多样化的组分都能很容易地进行加工。双螺杆挤压膨化机加工饲料的种类多, 能够适应高粘性物料、低粘性物料或高水分、高油脂配方产品的加工。在水产饲料方面, 像鱼、虾饲料, 还有河鳗、高档观赏鱼饲料等均需用双螺杆挤压膨化机, 特别是颗粒水产饲料( 直径为 0.5～1.5 mm) 、高脂肪水产饲料及生产量小但配方常变的饲料, 必须采用双螺杆挤压膨化机进行生产。在宠物饲料加工中, 宠物饲料的主要成分一般都是由谷物粉(如小麦粉)和较高蛋白含量的动物粉、鲜肉和脂肪等组成的。在干宠物饲料加工过程中, 当鲜肉含量高达 20%～30%时, 挤压时就需要强烈地混合和揉捏, 这只有双螺杆挤压膨化机才能完成。因为双螺杆的相互揉搓、挤压, 即使在原料高油脂的情况下也不会粘在一起而影响机器的运转, 与单螺杆挤压膨化机相比, 在双螺杆挤压膨化机中可以添加几乎两倍含量的脂肪到宠物饲料配方中, 所以配方含油脂可达到 20%以上。这样不仅提高了配方的质量, 也减缓了零件的磨损和阻力, 降低了生产成本。而单螺杆挤压膨化机就做不到这一点, 在单螺杆挤压膨化机中, 脂肪含量受到限制, 因为如果脂肪含量太高, 将引起挤压膨化机剧烈地波动, 并因此导致产品质量的不稳定。一旦物料中油脂含量过高, 就会造成物料黏着, 机器无法运行。此外, 双螺杆挤压膨化机在 30 s 内即可完成原料的改变, 这就可用于色彩的识别和允许多色混合物的产品直接在挤压膨化机中加工。
双螺杆挤压膨化机采用直联变频电机传动方式, 主轴转速可根据加工产品需求进行调节, 在不停机状态下, 不改变螺杆参数设置即可更换产品品种或生产浮性、沉性水产饲料, 其操作特别方便并得到完全令人满意的效果。
从以上单螺杆和双螺杆挤压膨化的特性分析可以看出, 双螺杆挤压膨化机具有以下优势。
①原料适应性更广, 可以适应高粘性、低粘性、高油脂含量、高水分或粘稠、多油的、非常湿的原料及其它一些在单螺杆( SSE) 中会打滑的原料加工。
②对原料的粒度限制更少, 可以适应从微粉料到粗粉料颗粒的原料和单螺杆加工特定范围以外粒度的原料加工。
③物料流在机筒内更均匀, 可以添加蒸汽、水等, 使产品达到需求的效果。
④产品内在和外观质量更好, 可以达到非常好的均质状态并使得物料分子结构排布均匀、在挤压出模过程中表面光滑, 产品颗粒整齐度高、均匀性好。
⑤熟化均质效果更好, 通常淀粉熟化度可达 95%以上, 使得所加工的水产饲料能够在水中保持稳定和产品营养成分不流失, 并易于消化吸收。
⑥同等动力下产量更高。良好的混合性能使物料得到的热量及时均匀化, 加快了物料的熟化程度, 减少了料温的波动, 提高了挤压膨化产品的产量。
⑦产品多样性和适应性更宽, 可以加工微粒水产饲料及高油配方、高水分、高粘结性产品和多色彩、夹心类、特殊形状的产品。
⑧工艺操作更简便, 可以根据加工产品需求调节主轴转速, 由于自清特点, 清理很方便, 每次加工后无需拆装设备。
⑨易损件磨损更轻。通常一种错误观念认为单螺杆的磨损少, 实际上在双螺杆挤压过程中由于稳定的物料输送和物料流的特性, 决定了物料对螺杆和机筒内套的磨损要比单螺杆小, 尽管螺杆数量多出一套, 但其配件成本仍比单螺杆低。
⑩生产成本更低, 由于双螺杆机型具有良好的操作稳定性, 在饲料加工过程中开机费料少、水气浪费少、工时费少、传热效率高、成品率高、度电产量指标高, 加上配件成本也低, 其最终生产成本相对于单螺杆仍要低得多。
4 单螺杆和双螺杆挤压膨化机比较( 见表 1)
到目前为止, 美国 70%水产饲料生产、韩国 100% 水产饲料生产采用挤压膨化加工技术。在我国, 越来越多的饲料加工企业逐步用挤压膨化机替代传统的制粒机生产水产饲料和其它特种饲料。在目前中国水产饲料市场, 由于大部分水产饲料生产企业受到资金的限制, 通常选用价格较低的国产单螺杆挤压膨化机, 但因其结构简单和技术水平、制造水平不够高, 只能在水产饲料加工中用于生产较低档的淡水鱼浮性料, 难于生产沉性料和其它高档水产饲料产品。有些进口单螺杆机型虽能满足生产高档沉性饲料产品, 但其价格太高, 已没有很好的性价比。我们选择挤压膨化设备不应只看到双螺杆挤压膨化机比单螺杆挤压膨化机的价格高, 而更应考虑综合性价比和产品生产成本。国产优质的双螺杆挤压膨化机技术性能已达到一定的先进水平, 虽然价格要高于国产单螺杆挤压膨化机, 但要远远低于进口单螺杆机型的价格, 其生产性能已超过进口单螺杆机型并可以完全替代进口双螺杆机型, 不仅能满足养殖业中高档水产饲料的需求, 而且能达到很高的性价比, 应该是目前水产饲料加工业的最好选择。随着大规格、大产量和专用型双螺杆机型的出现, 使用双螺杆挤压膨化机可获得更大的效益, 能更充分发挥出挤压膨化加工技术所具有原料使用范围广, 淀粉的糊化程度高, 水中稳定性远远高于普通颗粒饲料, 产品密度可调, 可加工浮性、慢沉、快沉料和高水分、高油脂饲料, 颗粒的结构比较疏松有利于采用后喷涂技术, 避免热敏性原料的损失, 防止污染环境和防病、抗病, 提高饲料营养价值, 降低生产成本等独特的优势。
5 双螺杆挤压膨化机的开发与展望
目前, 第三代新型 GCISSP 系列双螺杆挤压膨化机已经面市, 其动力配置从 22 kW 到 315 kW, 加工水产饲料产量从 150 kg/h 到 12 t/h, 共有 10 个规格的产品, 完全能够满足当前国内水产饲料加工( 浮性料、慢沉料、快沉料和高油含量料、湿性料等) 、各类宠物饲料和食品工业中植物组织蛋白、休闲食品、营养食品等的生产需求, 主机采用变频主电机, 传动系统强劲、平稳、可靠, 机筒加热和冷却层为一体式锻造结构, 机筒内套和螺杆元件采用高耐磨合金钢材质, 模板采用新型材质和科学布孔工艺, 调质系统采用加长不锈钢双轴差速调质器, 设备结构合理、外形美观, 其产品技术性能已接近或基本达到国际知名品牌如美国 Wenger、瑞士 Buhler 等进口双螺杆挤压膨化机水平, 但其价格仅为进口产品价格的三分之一, 为国内饲料和食品加工企业提供了低价格、性能完善的高性价比双螺杆挤压膨化设备。尤其是针对目前国内水产饲料加工以浮性料为主导产品的实际状况, 某公司又开发出既能充分发挥双螺杆挤压膨化机的优势, 又能尽量降低投资成本加工水产浮性饲料的 GCISSPF 系列双螺杆挤压膨化机专用机型, 其价格远远低于进口单螺杆挤压膨化机, 而且仅与国产单螺杆挤压膨化机的价格相当, 可以说用单螺杆的投资就能选用双螺杆挤压膨化机,能够生产出整齐度好和更多样化的产品, 大产量、专业化的双螺杆挤压膨化机将会产生更大的经济效益。
