调控水产饲料膨化加工单元的工艺过程

膨化机的能量输入
• 在加工水产饲料时，膨化机的产率通常比较高， 膨化机需要的能量较高，但是SME处于比较低的 水平，停留时间较短，螺杆速度比较高
原料中不同成分对膨化度的影响--经验
• 淀粉：形成产品颗粒骨架的最主要的成分，减小淀粉源颗粒的 粒径，增加淀粉量能够增加产品的膨化度
• 直链淀粉和支链淀粉的比例也直接影响产品颗粒的膨化度，增 加支链淀粉的含量有助于提高膨化度 • 油脂：加入会降低产品的膨化度 加入的油脂将形成一个保护淀粉颗粒的分散相，该分散相在螺 杆压缩和剪切物料时有润滑作用，从而使物料不能得到有效的 加工。 • 乳化剂：指脂肪酸，甘油单脂，加入会降低产品的膨化度 与支链淀粉形成络合物，在淀粉颗粒上形成保护层
膨化机膨化工艺确定
• 80%靠经验，15%靠感觉，5%靠运气
• 经验不易复制，在一种机械条件下可行，到另外一种 条件下不行 • 原料不断变化，配方不断修改，如，采用低淀粉产品 配方，用植物蛋白替代鱼粉配方等等 • 可行的方式：中试试验取得经验，再到工业设备上实 施 • 上述讨论仅涉及原料和工艺参数，设备结构调整也是 一种可行的方案，未涉及
膨化机颗粒膨化度模型
• 物理模型：容重与工艺过程参数的定量关系
w B K F T
F Td T 0


Pd FT N s


FT :总物料量, Fw ：水流量， Td 模头温度, T0 ：参考温度 25 C, Ns :螺杆转速， ：扭矩, Pd ：模头压力, B:容重, , , , K：试验参数， Ns/FT =SME
原料颗粒与水之间的相互作用
• 水自颗粒表面扩散到颗粒内部是由颗粒周围的温 度，颗粒的大小和颗粒的特征所决定的 • 颗粒直径与颗粒软化（复水）最小时间关系图：
颗粒软化水和时间，秒
颗粒直径，微米
原料颗粒与水之间的相互作用
• 由原料颗粒的平均粒径和最大粒径，可以在此 种图表上查出颗粒水和所需要的最小时间 • 在调质器内，颗粒的与水接触的情况与实验室 测定颗粒软化时间的条件完全不同，需要给出 停留时间为4-6倍的最小停留时间 • 原料在调质器的预糊化对颗粒的质量影响比较 大 • 目前的工艺设计多为：原料在调质器内与水的 作用时间长，在膨化机内短
利用模型比较单螺杆和双螺杆膨化机的操作特征
双螺杆机，鱼粉 双螺杆机，大豆蛋白
双螺杆机
单螺杆机
膨化机颗粒膨化度模型应用
• • • • 利用模型比较单螺杆和双螺杆膨化机的操作特征 在不同膨化机上，模头温度和SME变化趋势完全不同 水含量： 单螺杆机不同配方的影响类似 在单螺杆机上，鱼粉配方， SME对容重影响不大，模头温度影 响大 • 在单螺杆机上，大豆蛋白配方， SME对容重影响较大，模头温 度影响不大 • 加工此2种配方时用单螺杆膨化机可以添加比较少的水，可减少 后续烘干的能耗
调质器调质工艺
• 大多依靠经验方法来使用和调整工艺 • 需要考虑调质工艺的三个方面的特征： 热能量的需求和加入量 加热速率和软化复水时间 物料的停留时间分布 • 调质器内，蒸汽，水和原料颗粒应充分混合均匀
调质器内物料的停留时间分布
• 常用的计算公式包括（工业上常用时间2-10分钟之间）
• • • • •
调控膨化水产饲料加工单元的 工艺过程
程宏远 过程工程咨询公司，丹麦，Horsholm
hyc@thermoextrusion.com, www.thermoextrusion.com
特别鸣谢：中国水产频道
内容
• • • • • 原料的选择 原料的粉碎颗粒 调质器的调控 膨化机的参数确定 产品颗粒的质量分析
原料的粉碎
• 原料的颗粒大小： 国内：常用95%过80目筛，或部分直接用面粉 国外：95-99%，0.5-1.0毫米粒径 鱼粉中若有比较多的大鱼骨颗粒，需要另外处理 植物蛋白粉碎较细 • 原料颗粒直径太小：与水滴作用后容易“结团”，观 察在家庭厨房中“和面”过程，此“结团”颗粒在调 质器内不易打散，直接导入到了膨化机 • 原料颗粒需要在调质器内软化，润湿，预糊化，结团 的过小颗粒反而弱化了这些作用
• 膨化机的运行特征：在一定的螺杆转速范围内，从齿轮箱输出的扭矩 是恒定的 • 国内外使用膨化机的主要差异：比扭矩， NM/cm^3 国内：比扭矩=2-2.5，国外：比扭矩=4-5 • 比扭矩=单个轴的输出功率/（2个轴的中心距，a）^3
膨化机膨化工艺--机械特征
• 在相同的螺杆转速下，比扭矩高的膨化机可以提供更 多的机械能 • 比扭矩大小：影响螺杆的剪切力，螺杆内原料的充满 度，加工原料和产品的温度 • 大功率马达 较高比扭矩，其它因素也影响比扭矩 • 比扭矩高，可加工的原料粒径范围宽 • 膨化机的螺杆配置：无数种组合，每种设备都会不一 样
可以选择的原料及其功能
• 不同原料及其功能
原料成分 各种谷物粉 土豆粉 蛋白原料粉 水 麸皮 颗粒骨架形成 X X X X X X X 改变流变性 影响膨化度 改善质量 X X X
植物、动物油脂
X
X
X
• 常用淀粉源：小麦，玉米，薯类，等等 • 常用蛋白源：鱼粉，面筋，大豆，其它豆类
原料的选择
• 评价原料的质量—能否将水产动物营养成分粘连 在一起（仅从膨化颗粒成型角度看） • 原料的物理特征：粒径，硬度，流动性 • 原料的成分特征：面筋，淀粉，脂肪，水，麸皮
膨化机的能量输入
• 能量输入来自：马达的机械能SME，蒸汽冷凝释放的能量 和膨化机机筒散热或通过机筒加入的热能 • 机械能密度：SME=Td*N/Q Td=螺杆的扭矩，Nm, N=螺杆转速，1/s，Q=总物料流量， kg/hr • 分析机械能密度的变化是调整膨化机的依据 • SME与3个主要因素相关：熔融物料的平均粘度，平均剪 切速率的平方，物料在膨化机内的平均停留时间
原料的选择
• 调整产品颗粒容重的原料成分： 水，淀粉和油脂是控制产品容重的关键因素 蛋白质，麸皮和盐分对产品的容重进行局部调 整 蛋白质颗粒在剪切力的作用下可以改变形式和 大小，发生凝聚，油脂会阻止该凝聚 麸皮在较强的剪切力下可改变其性质 • 同一种原料成分往往具有多种功能，原料成分 比例的选择是一个非常复杂的过程
膨化机产品颗粒的质量分析
• 产品颗粒的质量是指产品颗粒的外形，组织结构，和营养 价值 • 产品颗粒的外形应该是外表圆润没有尖角，毛边的圆柱体。 最理想的颗粒应该是球状的，但是生产难度太大 • 原因：颗粒在运输，传送过程中颗粒上大部分的毛边和尖 角将会在与机械或其他颗粒的碰撞中磨损掉。这些磨损的 残渣将不能用于有效的饲喂 • 产品颗粒外形的控制是比较难的，一般认为，原料颗粒的 粉碎颗粒大小，特别是鱼骨颗粒的大小，原料在模头前的 粘度直接与外形的控制相关，控制模头温度是关键因素之 一
膨化机膨化工艺
• 膨化工艺的确定和调整：80%靠经验，15%靠感觉，5%靠 运气，行业里的关键技术
膨化机常用加工参数范围
SME W.h/kg
60或以下
L/D
水含量% 湿基
22-26
螺杆转速 rpm
500-800
停留时间 秒
8-12
熔融温度 C
100-140
典型产品
20-28
水产饲料，半湿宠物 料
膨化机膨化工艺—机械特征
膨化机颗粒膨化度模型应用
• 利用模型确定容重与操作参数的变化关系
双螺杆机，鱼粉
双螺杆机，大豆蛋白
膨化机颗粒膨化度模型应用
• 比较前面的2张图，可以看到，加工鱼粉配方时产品的容 重变化对水含量比较敏感，而大豆蛋白配方产品对原料中 水分变化不敏感 • 鱼粉配方：模头温度和SME变化对容重影响平缓 • 大豆蛋白配方：模头温度和SME变化对容重影响较大
膨化机操作参数对产品的影响
• 水含量，机筒温度，螺杆转速，产率，螺杆配置，模 头温度 • 颗粒膨化度的容重模型：程宏远和Friis开发，已经在 多种中试和工业化单、双螺杆膨化机上得到验证 • 确定了水含量，螺杆转速，模头温度与颗粒容重之间 的定量关系 • 在原料配方，螺杆配置和产率确定后指导膨化机操作 参数的调节方案及方向
原料中不同成分对膨化度的影响--经验
• 膳食纤维：小麦常常是必须添加的原料成分，加入的小麦同时 也带入了小麦麸糠（纤维）。在纤维中又分为可溶性纤维和不 可溶性纤维，小麦颗粒表皮产生的纤维是不可溶性纤维。
• 在膨化机加工中，纤维的增加会导致熔融原料的粘度增加，也 会导致膨化度的降低，容重升高，产品颗粒变硬。 有一种理论认为，这是由于纤维中的不可溶性纤维导致的结果， 可溶性纤维是对膨化度有利的。
上述内容以讨论基本原理为主，未涉及具体 产品生产
原料的选择—控制膨化颗粒质量
• 设计一个满足水产动物营养需求的优秀配方是水 产饲料的核心 • 大批量生产此水产饲料配方是工业化的关键，考 虑原料价格，品质，有效性，等等 • 膨化颗粒生产是用淀粉和面筋等将不同营养成分 粘合成型的过程
• 淀粉和面筋二者共同形成膨化颗粒的骨架结构， 其它成分填充到此三维骨架结构中，从而形成了 一个整体的组织结构—膨化颗粒
• 但是，也观察到在膨化机内的剪切力的作用下，不可溶性纤维 的溶解度也可以得到改善、改性，得到改性的不可溶性纤维对 膨化度有利
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原料中不同成分对膨化度的影响--经验
• 盐的作用：氯化钠，小苏打，柠檬酸钠 • 盐分的加入对颗粒的膨化都有明显的影响 • 在原料中加入氯化钠将使截面膨化度降低，但是增加长度 膨化度 • 加入小苏打和柠檬酸钠的效果与氯化钠相似，即截面膨化 度降低，长度膨化度增加
调质器调质工艺
• 最早应用在单螺杆膨化机加工宠物和水产料，克服单螺杆膨化 机较低的混合效率和缺少灵活性的缺陷。目前，单螺杆和双螺 杆膨化机都用调质工艺 • 调质器的主要功能包括： ***加入蒸汽和水来预热，软化，初步熟化原料中的谷物颗粒 ***降低螺杆熔融区的剪切强度，以减少由强剪切引起大分子降解 和营养流失，同时，也可改善产品质量 ***增加膨化机螺杆输送体积或质量，从而提高膨化机产量 ***软化原料颗粒，颗粒变软以减少磨损，延长螺杆和机筒的寿命
t=平均停留时间 Vp=调制器体积 Fr=调制器填充比例，通常在40-55% f=原料混合物容重 Qp=向调制器加入的原料混合物的质量流量（包括调制器中原料吸收 的水分） • SCP=调制器产率
调质器内加热软化原料颗粒
• 水蒸汽和水加入到调质器内后，蒸汽冷凝释放出的热量加 热水和原料颗粒。冷凝的水和加入的水在颗粒周围形成一 层水膜。颗粒周围的温度和水含量此时很高，这些热量和 水需要时间扩散到原料颗粒中去。 • 有2个因素主导和控制这种扩散：一个是膜阻力，另一个 是热量和水的传递速率
• 形成产品颗粒骨架结构的原料成分：淀粉和蛋白 质，淀粉在高于玻璃转换温度后变成橡胶状的粘 性熔融物，蛋白质在剪切力的作用下改变形式， 产生粘性 • 调整原料流变学特征的原料成分：水，脂肪
原料的选择
• 调整原料流变学特征的原料成分：水，脂肪 水：最关键的成分，在膨化过程中有多重作用 水含量高，物料较软，消耗的机械能比较少 水含量低，螺杆与原料之间的摩擦力比较大，较多机 械能会转移到物料中去，物料的温度上升很快 脂肪的影响：产品颗粒膨化度降低 油脂会影响螺杆与原料之间的相互作用程度，即剪切 强度油脂含量高，原料颗粒间，原料颗粒与螺杆间润 滑作用强，螺杆对原料施加的剪切作用力降低，原料 中的淀粉降解程度下降，蛋白质和纤维分子未能有效 的改变其形态
• 膜阻力的降低通过提高混合效率来改善，要改善混合桨叶 的设计来提高混合效率 • 热量通常传递是很快的，这里传递最慢的是水
调质器的控制
• 调整蒸汽加入量，控制调质器原料出口温度 • 出口温度达到95-98C后，加入过量的蒸汽不能向原料 中加入更多的能量 • 通过改变桨叶转速，产量和桨叶配置，调质器可以提 供不同的加工时间和混合程度 • 增加轴向混合，如加快转速，要找到平衡点 正面效果：将使原料颗粒混合更加均匀，改善调质器 出口原料颗粒的均匀性 负面效果：使颗粒的停留时间分布更加分散，不同的 颗粒的停留时间会有比较大的差异。因此，也可以导 致调质的不均匀，颗粒软化不均匀