挤压膨化技术及设备介绍

挤压膨化技术的进展历史一、行业进展自从1856年美国沃德申请了第一份有关膨化的专利以来，很多兴旺国家对挤压膨化相关的设备和工艺相继作了广泛争论，挤压膨化技术在工业中的应用越来越受到青睐。挤压膨化技术应用于饲料工业起始于五十年月的美国，主要用于加工宠物饲料，对动物饲料进展预处理以改进消化性和适口性及生产反刍动物蛋白补充料的尿素饲料。到了八十年月，挤压技术已经成为国外进展速度最快的饲料加工技术，它在加工特种动物饲料、水产饲料、早期断奶仔猪料及饲料资源开发等方面具有传统加工方法无可比较的优点。膨化技术在我国的应用最早使用于正大集团所属的饲料加工企业，经过近十几年的宣传推广，膨化料的优越性已被宽阔的养殖企业所承受，膨化机生产技术也逐步走向成熟。假设依据产业的进展阶段〔导入3－5年将进入顶峰期。二、膨化机〔一〕、膨化机的根本组成膨化机主要由动力传动装置、喂料装置、预调质器、挤压部件及出料切割装置等组成。挤压部件是核由于双螺杆挤压机的投资大，除生产某些特种饲料外较少使用。目前，在饲料行业应用最广泛的是单螺杆挤压机，具有投资少、操作简洁的优点。依据在膨化过程中是否向物料中加蒸汽，挤压机又可分为干法膨化机和湿法膨化机。干法膨化机依靠机械摩擦和挤压对物料进展加压加温处理，这种方法适用于含水和油脂较多的原料的加工，如全脂大豆的膨化。对于其他含水和油脂较少的物料，在挤压膨化过程中需参加蒸气或水，常承受湿法膨化机。挤压机膛一般是组装成的，便于所需要配置件的更换及保养。机膛节段有直沟型和螺旋沟型。直沟型有剪切、搅拌作用，一般位于挤压机膛中段；螺旋沟型有助于推动物料，通常位螺根渐渐加粗，固定螺距的螺片渐渐变浅，使机内物料容量渐渐削减。同时在螺杆中间安装一些直径不等的剪切锁以减缓物料流量而加强熟化。双螺杆挤压机的双螺杆相互平行，有4种形式：非啮合同向旋转、非啮合相对旋转、啮合同向旋转和啮合相对旋转。其中非啮合双螺杆挤压机可用作两个分别的并列螺杆使用，各有不同的布满度和出料。双螺杆挤压机在质量掌握及加工敏捷性上有其优势，可以加工粘稠的、多油的或格外湿的原料以及在单螺杆挤压机中会打滑的原料。〔二〕、膨化机各组成局部的功能、喂料器喂料器上方一般接缓冲仓，以储存肯定量的物料，仓内物料在喂料器的推送下，连续均匀的进入调制器。膨化机一般承受螺旋喂料器，进料段常承受变径或变距螺旋，以保证缓冲仓出口均匀卸料。螺旋的直径和螺距，应与膨化机的生产率相适应，以避开供料波动。一般喂料器的转速要高于100RPM，尽量削减低速引起的供料波动现象。喂料器的转速应可调，调速开关应当设置在膨化机的操作现场，操作员可依据膨化机主机电流和工作状况随时调整喂料量。、调质器调质器是一种将蒸汽和液体等添加剂与原料充分混合的机械装置。调质器可改善物料的膨化性，提高产量，降低能耗，提高膨化机螺旋、气塞、膨化腔的寿命。通过调质，物料得以软化，更具可塑性，避免了在膨化过程中大量的机械能转变为热能，同时减缓了螺旋、气塞、膨化腔的磨损。调质器品种繁多，有单轴桨叶式调质器、蒸汽夹套调质器、双轴异径差速浆叶式调质器等。目前市场上的膨化机三种形式的调质器均有。一般膨化机承受单轴桨叶式调质器或蒸汽夹套调质器，水产膨化机承受双轴异径差速浆叶式调质器。调质器主要有外腔和浆叶式转子组成。为了维持调质器内有适量的物料，从而供给足够的时间使蒸汽150r/min，100r/min双轴异径差速浆叶式调质器单独通过对其浆叶角度的调整可以使调质时间在几十秒至240秒内变动1/3以后的浆叶开头，如需增加调质时间，可增加大径低速正浆叶片与桨叶轴的夹角。双轴异径差速浆叶式调质器虽然粘壁滞留现象有所改善，但是有的物料粘壁滞留现象还是比较严峻，此时可以适当减小小径高速反浆叶片与搅动轴的的夹角，以此来加剧反浆叶片对粉料的逆向搓动，削减残留量。、挤压部件挤压部件是膨化机的主要工作部件，包括：膨化腔、螺杆、气塞和揉切块等机械部件。在单螺杆挤压腔中物料根本上严密围绕在螺杆的四周，呈螺旋形的连续带状，螺杆转动时物料沿着螺旋就像螺母一样向前移动,但当物料与螺杆的摩擦力大于物料与机筒的摩擦力时,物料将与螺杆产生共转,这就不能实现对物料的向前挤压和输送作用了。当物料的水分、油分越高，这种趋势就越明显。为避开这些问题，现在大多数的单螺杆挤压膨化机承受分段式，单、双螺旋，压力环与捏合环穿插排列的组合螺杆和内壁开槽机筒，以适应机腔内物料的变化状况。、膨化腔：为便于所需要配置件的更换及保养，膨化腔一般是组装成的。膨化腔为圆筒状，为增大与物料的摩擦剪切力，与螺杆仅有少量的间隙。膨化腔内壁有直沟型和螺旋沟型。直沟型有剪切、搅拌作用，一般位于挤压机膛中段；螺旋沟型有助于推动物料，通常位于进料口部位，靠近模板的节段也设计成螺旋沟，使模板压力和出料保持均匀。膨化腔也可做成夹套型，便于通入蒸汽或冷却水。为便于操作，一般在膨化腔上安装压力传感器和温度表。、螺杆：螺杆是膨化机的最主要配件之一，螺杆的质量是衡量膨化机质量的主要指标。目前市场上的螺杆材质主要有：40铬钼铝、高铬铸铁、不锈钢及合金钢渗碳、渗氮、渗碳化钨处理。不同的材质，耐磨性不同，价格差距很大。表示螺杆构造的参数主要有：直径、螺距、根径、螺旋角和叶片断面构造。螺杆分单头螺杆和多头螺杆。、汽塞：汽塞没有传输力量，对物料的流淌起阻挡作用，当物料从一个螺旋传送到另一个螺旋时，汽塞可使物料内外翻转，伴随着流淌和混合。汽塞可以产生凹凸不同的剪切区域，有很强的剪切和揉搓效果，对通过的物料有猛烈的摩擦作用，升温效果显著。通常通过转变汽塞的使用数量和直径来得到不同膨化度的产品。、出料装置膨化机的出料装置是产品通过膨化机的最终关卡，对产品的外形、质地、密度及外观特征及其膨化机的生产量有很大影响。膨化机的出料通常有单孔出料、环隙出料及模孔出料三种形式。出料模的特性：饲料用膨化机的出料模常承受经处理的钢模；饲料用膨化机的工作压力一般在21－175kgf/cm；模孔对物料应有适当的掌握，以保证足够长度的膨化腔被布满。、切割装置膨化机常用的切割装置有三种;同步切刀：装在膨化机主轴上的切刀；异步切刀：由单独动力驱动的切刀；截断切刀：用于切段较长或慢速挤压的场合。通常在操作之前就调整好切刀与压模的间隙，刀片位置可以个别调整；对成型要求较高的场合，一般承受弹簧刀片，刀片与模面保持接触。、蒸汽系统蒸汽是调质时水分和热量的来源，因此其质量的好坏直接影响调质的效果，浆叶式调质器在安装时必须合理的设计蒸汽管路，使用稳定牢靠的蒸汽减压阀和疏水阀，保证进入调质器的是压力稳定的干饱和蒸汽；蒸汽应从切线进入调质器，沿轴向喷出访之与粉料混合更猛烈；蒸汽方向不行垂直对着调质器轴，那样不仅达不到好的混和效果，反而使蒸汽对调制质器轴产生“汽蚀”而割断调质器轴。调质时依据原料和配方以及气候的变化选用适宜的蒸汽压力和添加量，湿度大的季节、原料水分含量高时应适当提高蒸汽压力，削减蒸汽添加量；枯燥季节、原料水分含量低时应降低蒸汽压力、增加蒸汽添加量；夏天室温较削减蒸汽管道中的冷凝水，有助于粉料的熟化。蒸汽压力不低于5－7kgf/cm；一般蒸汽供给量为干物料处理量的10％。、电控装置由于膨化原料的特性不同，膨化机的产量差距很大，喂料器和切刀的转速应可调。掌握柜应安装在现场，便于操作员随时调整。〔三〕、膨化机的工作参数、喂料量通常状况下，喂料量要小到使膨化机处于“欠喂入”状态，即保持喂料段的螺旋叶片间隙不完全被物料布满，随着过渡段螺旋根径的增大以及膨化腔尺寸的减小，当物料进入均质段时，螺旋叶片间隙被完全布满。、螺旋转速螺旋转速直接影响膨化腔的布满度、物料在膨化腔不同区域的滞留时间、热传导率、膨化机的机械能输入以及施予物料的力。通常螺杆转速在100－700转/分的范围内。、比机械能所谓的比机械能是指单位产量所消耗的电能。比机械能与螺旋转速和主轴扭矩成正比，与喂料量成反比。膨化不同的物料所要求的比机械能差距很大。、膨化腔温度膨化机工作时大多需要掌握温度，工作时，由于传导对流，热能逐步由膨化腔的物料布满区向非布满区集中。具体的热交换方式，不但取决于物料的物理特性〔如比热、相变温度、湿度、比重、粒径〕和流变学特性，而且也受制于膨化机的构造配置和电机功率。12－18180度。为防止物料被膨化腔内外表烧焦而过分褐变或限制蛋白变性程度，也可以在膨化腔隔层内加注冷水。增加水分或油的含量，或通过降低螺杆转速或转变螺旋配置来降低剪切程度可以降低物料的温度。膨化机温度的稳定性，直接影响其出料的连续性和产品质量。影响膨化机温度的因素：膨化腔内部结诟；易损件磨损程度；原料；掌握参数设置；热能输入变化；环境温度波动。5、膨化腔压力膨化腔压力与物料特性有关，一般粘度越大，膨化腔压力越大；一般膨化腔温度越高，膨化腔压力越大；一般膨化腔压力越大，功耗越大；膨化腔压力越大，磨损越严峻。6、压模压力25—40巴；压模压力越大，膨化越猛烈，闪蒸越严峻，水分损失越大；压模压力越大，功耗越大；压模压力越大，压模损失越严峻。三、挤压过程中饲料养分成分的变化。〔一〕、挤压过程中碳水化合物的变化60%～70%，因此是影响挤压饲料特性的主要因素。碳水化合物依据其分子量大小、构造及理化性质差异可分为淀粉、纤维、亲水胶体及糖四类，它们在挤压过程中的变化及作用各不一样。1、淀粉挤压作用能促使淀粉分子内1-4糖苷键断裂而生成葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖及麦芽糊精等低分子量产物，致使挤压后产物淀粉含量下降。但挤压对淀粉的主要作用是促使其分子间氢键断裂而糊化。淀粉的有效糊化使挤压处理不仅改善了饲料的养分，而且有利于饲料成粒，从而提高饲料加工品质。模头外形等因素影响。一般规律是高水分、低温挤压使淀粉局部糊化，低水分、高温挤压有利于提高淀粉的糊化度，且使淀粉局部裂解为糊精。一般，谷物类淀粉在50－60℃开头膨胀，豆类淀粉在55－75℃开头膨胀。原料的变性温度因水分而异，对含水20％的纯小麦淀粉糊化温度为120℃。淀粉有直链淀粉与支链淀粉之分，它们在挤压过程中表现出不同的特性。就膨化度而言，总的趋势是50%直链淀粉与50%支链淀粉混合挤压可得到最正确的膨化效果。另外，来源不同的淀粉其挤压效果也存在差异，小麦、玉米和大米中的谷物淀粉具有较好的膨化效果，块茎淀粉不仅具有很好的膨化性能而且又具有格外好的黏结力量。通过膨化加工不仅可以将淀粉颗粒以及中间的介于半晶体状体和晶体状体区域的外表积显著扩大，而且可将其组织构造极大地瓦解。使淀粉颗粒遭到极大地破坏后融为一体，形成象塑料一样的平缓区域。正是由于这种变化，虽然乳猪小肠内的淀粉酶的活性极低，也可改善对淀粉的消化率。2、纤维纤维包括纤维素、半纤维素和木质素，它们在饲料中通常充当填充剂。由于用于挤压的纤维原料及Fornal等对荞麦与WangBjorck〔1984、Ostergard〔1989〕Silijestron〔1986〕及Schweizer〔1986〕争论则认为全麦粉在挤压过程中其总纤维含量不发生变化。但对挤压过程中纤维质量变化的争论结果较为全都，均说明纤维经挤压后其可溶性膳食纤维的量相对增加，一般增加量在3%左右，表1是Wang等在不同条件下分别对整粒小麦与小麦麸皮挤压后纤维变化的争论结果。由于可溶性膳食纤维对人体安康具有特别的生理作用〔Gordon，R.Huber，1991；Cummings，J.H，1978〕，因此承受挤压手段开发膳食纤维无疑是一个很好的方法。饲料工业中的纤维原料主要来源于玉米、饼粕和糠麸。在挤压过程中，其规律一般是膨化度随纤维添加量增加而降低，但不同来源的纤维或纤维纯度不同对膨化度的影响有明显差异，其中以豌豆和大豆纤维的膨化力量为好，它们在以淀粉为主原料的饲料中添加量到达30%对最终产品的膨化度也无显著影响，而象燕麦麸及米糠，由于它们含有较高的蛋白质及脂肪，其膨化力量就很差。3、亲水胶体胶体主要用于水产饲料的生产，通常有阿拉伯胶、果胶、琼脂、卡拉胶和海藻酸钠等亲水胶体，它们经挤压后其成胶力量将普遍下降。在挤压过程中其亲水特性还将影响常规的挤压条件，降低挤压产品的水分蒸发速率及冷冻速率，提高产品的质构性能。对于一个特定的产品，在选择亲水胶体时胶体的粘稠性、成胶性、乳化性、水化速率、分散性、口感、操作条件、粒径大小及原料来源等因素均得慎重考虑。4、糖糖具有亲水性，在挤压过程中将调控物料的水分活度，从而影响淀粉糊化。挤压的高温、高剪切作用使糖分解产生羰基化合物，从而同物料中的蛋白质、游离氨基酸或肽发生美拉德反响，影响挤压饲料的颜色。另外，在挤压过程中添加肯定量的糖能有效地降低物料的粘度，从而提高物料在模口出口时的膨化效果，这一点对掌握水产饲料的沉浮性有肯定的帮助。因此，在挤压饲料中糖除了起供给能量作用外，主要是作为一种风味剂、甜味剂、质构调整剂、水分活度与产品颜色调控剂而被应用，通常使用的糖有蔗糖、糊精、果糖、玉米糖浆、糖蜜、木糖和糖醇。〔二〕、挤压过程中蛋白质的变化蛋白质受挤压机腔内高温、高压及强机械剪切力作用，导致蛋白质最终变性。这种变性使蛋白酶更易进入蛋白质内部，从而提高消化率。挤压膨化对蛋白质的影响主要表现在：变性作用：当蛋白质受热或受到其他物理或化学作用时，其特有的构造会发生变化，使其性质也随之变化，如溶解度降低，对酶水解的敏感度提高，失去生理活性等，这种现象称为变性作用。变性不是蛋白质发生分解，而仅仅是蛋白质的二三级构造发生变化。适度破坏蛋白的构造可以改善蛋白质的消化性。热致变性：蛋清在加热时凝固，瘦肉在烹调时收缩变硬等都是蛋白的热致变性作用引起的。蛋白质受热变性后对酶水解的敏感度提高，所以我们不吃生肉而吃熟肉，消化率高。热力杀菌也是利用了蛋白质的变性。有些蛋白的要素抑制了他的消化吸取。如，大豆中的尿酶是一种不受欢送的酶，它很简洁在膨化中失去活性。米糠中的脂肪酶也是有害的，它可以加速米糠的腐败变质。通过膨化可以使脂肪酶变性。在淀粉含量很低的状况下，膨化会降低蛋白质在水中的蛋白分散指数〔PDI)。但是由于物料中淀粉的存在，糊化淀粉将其他养分物质包裹在淀粉基质。因此，蛋白质被物理性地结合在糊化淀粉内，被淀粉到目前为止，没有任何争论说明膨化会损害蛋白质或降低氨基酸的利用率。膨化对氨基酸的变化膨胀对某些氨基酸稳定性和可利用性的影响120120℃130℃赖氨酸％0.840.830.78可利用氨基酸％0.800.790.74可利用率％959695苏氨酸％0.610.590.57甲硫氨酸％0.550.560.54

未处理

膨胀加工从上表可看出：在120℃和130℃状况下，氨基酸和可应用氨基酸都无变化。膨胀对合成氨基酸的影响膨胀对合成氨基酸的影响氨基酸赖氨酸％甲硫氨酸％

处理前0.48＋0.350.23＋0.22

处理后0.880.41备注：加工条件：温度140℃，压力50bar，水分含量18％但就蛋白质品质而言，不同的挤压条件对其影响不一，这主要取决于挤压过程中有效赖氨酸的损失。总的趋势是在原料水分低于15%，挤压温度高于180℃的条件下，挤压时水分愈低，温度愈高，赖氨酸〔MacleanW.C.1983NoguchiA.1982Bjorck，I.1983〕。适当转变挤压工艺条件，如降低饲料中葡萄糖、乳糖等复原糖含量，提高原料水分含量〔Tossavainen，O.S.，1986〕K.Dahlin〔1993〕等通过不同条件下对玉米、小麦、黑麦和高粱等8种谷物的处理结果说明：在原料水分为15%，挤压温度为150℃，转速为100rpm的条件下挤压，产品蛋白质的生物学效价与未处理原料相比得到显著提高〔Dahlin，K.，1993〕。〔三〕、挤压过程中脂肪的变化挤压作用会使甘油三脂局部水解，产生单甘油脂和游离脂肪酸，因此从单纯处理来看，挤压过程将降这主要归结于挤压使饲料中的脂肪水解酶、脂肪氧化酶等促进脂肪水解的因子失活。脂肪及其水解产物在挤压过程中能同糊化的淀粉形成络合物，从而使脂肪不能被石油醚萃取。这种络合物的形成使脂肪不易从产品中渗出而给产品一个很好的外观。这种络合物在酸性的消化道中能解离，因此也不影响脂肪的消化率。脂肪对饲料的质构、成型和适口性等作用较大，但从总体看脂肪的存在不仅影响最终挤压产品的质量(主要是膨化度)，甚至可能影响整个挤压过程的顺当进展。例如对脱脂大豆粉的挤压，其脂肪的含量不应超过1%0%～12%时，对挤压效果无影响，当添加量在12%～17%范围时，添加量每增加1%产品的容重就增加16g/L则效果更差，当超过22%时则产品就失去了一般挤压的特性。因此挤压应以含油量低的原料为好。〔四〕、挤压过程中维生素、矿物质及风味物质的变化VB1、叶酸、VC、VAVH、VB12比较稳定。从生产便利性看，挤压之前添加维生素优于挤压后添加，但必需超量添加以抑制挤压过程维生素局部损失对动物营养的影响。有资料报道，在挤压之前添加维生素，不仅挤压过程中会对维生素产生破坏，而且挤压之后，产品在贮存过程中维生素的损失会加快。所以挤压物料的维生素可能在挤压之后添加更为经济。挤压过程中，矿物质一般不会被破坏，但是具有凝固特性的聚合物的形成可能会降低某些矿物质的Zn、Mn等络合，形成不为动物消化的化合物。由于挤压时的高温、高水分将分解风味物质，且具有挥发性的风味物质在模头口将随水蒸汽一起蒸发而大局部散失。因此，加工过程中风味剂的添加都承受挤压后添加。四、膨化的综合影响分析、膨化加工转变了饲料原料中各成分的物理构造和化学特性，尤其是其中的淀粉和蛋白成分。、糊化淀粉具有很强的吸水性和粘接功能。由于它的高度吸水性，使得我们可向产品中添加更多的液体成分〔油脂、糖蜜等〕，同时，由于它具有比一般淀粉强的多的粘接功能，膨化过程淀粉的添加量可大大的削减。这为其他O原料的选择供给了更多的余地，生产商可选择更多的廉价原料替代那些昂贵的料，可以降低本钱而不会影响产品品质。、由于淀粉基质与蛋白质结合在一起，因此饲喂时不易流失，只有当动物体内消化酶分解淀粉时才将蛋白质释放出来，提高了蛋白质的效价。、膨化过程使蛋白质发生变性，钝化了很多抗养分因子，同时转变了蛋白质的三级构造，缩短了蛋白质在肠道中的水解时间。、膨化处理将原料分子中囊化油脂释放出来，提高了脂肪的热能值。、膨化将脂肪、淀粉、蛋白一起形成复合产物脂蛋白或脂多糖，降低了游离脂肪酸含量，钝化了脂酶，抑制了油脂的降解，削减了产品储存与运输过程中油脂成分的酸败。、膨化处理削减了原料中细菌、霉菌和真菌含量，提高了饲料的卫生品质，改善了适口性。膨化饲料经过比制粒更高的温度，压力处理后，饲料中的致病微生物被杀灭〔大肠杆菌、沙门氏菌、原虫菌、残留农药等〕，能有效防止猪白痢、黄痢和水肿，提高幼崽成活率，有益畜禽安康。、膨化饲料具有独特的香味和蓬松感等优点，适口性好，糊化度高，具有很好的诱食效果。膨化饲料对油脂、水分含量要求放宽，能生产高能量饲料，