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雙螺桿擠壓機(jī)在食品工業(yè)中的應(yīng)用
閱讀：2166 發(fā)布時間：2010-8-27擠壓技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)的加工方法近年來在食品以及飼料行業(yè)中越來越廣泛的得到應(yīng)用。而雙螺桿擠壓機(jī)相對于單螺桿擠壓機(jī)有著不可比擬的優(yōu)勢，其加工范圍廣、高熟化、自清潔能力強(qiáng)、操作控制穩(wěn)定等優(yōu)勢逐漸被大家認(rèn)可。對于要求比較高的食品行業(yè)來說雙螺桿擠壓機(jī)的這些優(yōu)勢可以得到更好的發(fā)揮，目前在早餐谷物、組織蛋白、膨化米粉、休閑食品等膨化產(chǎn)品的加工中，眾多廠家都逐漸傾向于使用雙螺桿擠壓機(jī)。
目前市場上的各種類型的雙螺桿擠壓機(jī)很多，但其性能卻相差比較大。作為食品行業(yè)的生產(chǎn)廠家如何選擇一臺適合于自身的雙螺桿擠壓機(jī)？一臺高標(biāo)準(zhǔn)的、性能*的、能給使用廠家?guī)?的雙螺桿擠壓機(jī)具有哪些特征？本文主要從雙螺桿擠壓設(shè)備各方面的特征與相應(yīng)的應(yīng)用來探討該問題，同時給食品行業(yè)中廠家對雙螺桿擠壓機(jī)的選擇作出參考。
1. 調(diào)質(zhì)設(shè)備是高性能雙螺桿擠壓機(jī)系統(tǒng)中*的配置
1.1 調(diào)質(zhì)設(shè)備使擠壓機(jī)的生產(chǎn)能力得到提高
從20世紀(jì)30年代*臺擠壓機(jī)用于膨化玉米以來，伴隨著擠壓技術(shù)的發(fā)展，擠壓機(jī)的產(chǎn)量有了很大幅度的提升，擠壓機(jī)的一個重要的性能指標(biāo)——噸料電耗量與zui初的擠壓機(jī)相比已有成倍的下降。究其原因，這固然和擠壓技術(shù)的提升有關(guān)，但另外一個重要的因素是使用了調(diào)質(zhì)設(shè)備，以及調(diào)質(zhì)技術(shù)在在這些年的發(fā)展中也得到了快速的提升。
研究膨化產(chǎn)品在先調(diào)質(zhì)后擠壓zui后烘干的這樣的一個工藝流程中各種能量對膨化產(chǎn)品的作用比例時，我們可以以下為例。經(jīng)過粉碎一定細(xì)度（98%過80目）的淀粉含量在20%以上的物料在調(diào)質(zhì)器中首*行預(yù)調(diào)質(zhì)3~3.5分鐘，調(diào)質(zhì)溫度達(dá)到95℃，經(jīng)調(diào)質(zhì)后物料水分達(dá)到26%，保證物料達(dá)到*的水合程度；調(diào)質(zhì)后使用雙螺桿擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓膨化，物料在擠壓機(jī)中停留時間25秒，模板前的物料壓力為39bar，同時保持135℃的溫度；物料進(jìn)入烘干設(shè)備烘干后水分為9%。在這一個過程中產(chǎn)品在各個工段中得到的能量作用大致如圖1?？梢钥闯鑫锪显谡{(diào)質(zhì)器中得到的能量達(dá)到占總能量的50%。
沒有調(diào)質(zhì)器的發(fā)展，今日難以造出大產(chǎn)量的擠壓機(jī)。調(diào)質(zhì)通過蒸汽提高物料溫度，軟化物料，降低物料摩擦阻力，由此降低擠壓能耗，提高產(chǎn)量，提升擠壓機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，也延長擠壓機(jī)各部件的使用壽命。
1.2 調(diào)質(zhì)設(shè)備使擠壓機(jī)加工產(chǎn)品品質(zhì)得到提升
由上可知物料的熟化主要在調(diào)質(zhì)設(shè)備和擠壓機(jī)中完成，調(diào)質(zhì)設(shè)備中的熟化主要與水分、溫度和時間有關(guān)，而對于擠壓機(jī)，物料的熟化程度主要依賴于在擠壓腔內(nèi)部的剪切程度。在調(diào)質(zhì)與擠壓中，這四種因素相互影響，共同促進(jìn)物料的熟化。
可以簡單的把物料的熟化過程分為兩種：一為弱調(diào)制、高剪切；二為強(qiáng)調(diào)制、低剪切。G.J.Rokey曾對這兩種不同加工工藝的膨化產(chǎn)品作出比較，其使用的原料為玉米片。結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者使物料過度的剪切、產(chǎn)品焦味與苦味特征扁高，而后者屬于一種溫和的加工方式，其產(chǎn)品基質(zhì)較佳，從感官評估和物理結(jié)構(gòu)分析都優(yōu)于前者。因此配置性能*的調(diào)質(zhì)設(shè)備能提升產(chǎn)品的品質(zhì)。
1.3 性能*的調(diào)質(zhì)設(shè)備具備的特征
對擠壓機(jī)來說物料在調(diào)質(zhì)器中進(jìn)行調(diào)質(zhì)就是對物料進(jìn)行預(yù)熟化，而熟化的程度是衡量一臺調(diào)質(zhì)器性能的重要的指標(biāo)，在熟化的過程中同時要考慮到物料熟化程度的均一性。
在調(diào)質(zhì)器中物料可以簡單看作一個蒸煮過程，蒸煮的程度主要指標(biāo)是淀粉的糊化程度，及淀粉的糊化度，淀粉的糊化度主要通過時間、溫度及水分來保證。在調(diào)質(zhì)過程中溫度和水分可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，而調(diào)質(zhì)時間是一個固有因素，調(diào)質(zhì)時間的長短也是衡量一臺調(diào)質(zhì)設(shè)備重要的指標(biāo)。
調(diào)質(zhì)設(shè)備在物料調(diào)質(zhì)過程中與水和蒸汽的水合能力是衡量一臺調(diào)質(zhì)器性能的另外一項重要指標(biāo)。即物料在調(diào)質(zhì)過程中能和水及蒸汽進(jìn)行充分的吸收及滲透，在一些有著特別要求的場合，如需要在調(diào)質(zhì)其中添加其它液體或粉體，側(cè)需要調(diào)質(zhì)設(shè)備具有使物料與被添加物混合均勻的能力。
一臺性能優(yōu)良的調(diào)質(zhì)器還應(yīng)該具備*先出的特點(diǎn)，通過*先出可以保證物料在調(diào)質(zhì)過程中均一性。當(dāng)然一臺性能優(yōu)良的調(diào)質(zhì)器也應(yīng)該具備便于操作、便于清理、殘留量小和電耗低等特征。
1.4 雙軸差速調(diào)質(zhì)器
雙軸差速調(diào)質(zhì)器的設(shè)計首先得符合物料在達(dá)到一定的濕度后再進(jìn)行蒸汽調(diào)質(zhì)的這個基本的要求，即先加水后加蒸汽。同時要求蒸汽使用盡量遠(yuǎn)離出料口，延長物料被蒸汽作用的時間。如圖2所示，一般添加水被霧化后從殼體上方添加，蒸汽從下方添加。物料在調(diào)質(zhì)機(jī)體內(nèi)部呈堆積狀，在堆積位置處需要足夠的混合攪拌強(qiáng)度來保證物料與水及蒸汽的滲透程度，同時需要合適的漿葉配置保證物料的*先出。如圖2中機(jī)體內(nèi)部的深色區(qū)域表示調(diào)質(zhì)器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)后物料在機(jī)體內(nèi)部堆積的程度，該堆積的程度即為物料的充滿度。
在實(shí)際應(yīng)用中物料的充滿度可以在40～60%之間進(jìn)行調(diào)整。使用該調(diào)質(zhì)器進(jìn)行調(diào)質(zhì)時，當(dāng)調(diào)質(zhì)后水分達(dá)到16%以上、調(diào)質(zhì)時間為180秒時，物料中淀粉的糊化度可以達(dá)到45%~50%。圖3表示雙軸差速調(diào)質(zhì)器調(diào)質(zhì)時間與淀粉糊化度的關(guān)系。
物料預(yù)熟化能力達(dá)到45%以上的調(diào)質(zhì)設(shè)備配套雙螺桿擠壓機(jī)，對于食品行業(yè)不管是早餐谷物、組織蛋白、米粉、休閑食品等絕大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)能滿足其要求。
1.5 調(diào)質(zhì)器
調(diào)質(zhì)器是另外一種符合食品行業(yè)配套雙螺桿擠壓機(jī)要求的調(diào)質(zhì)設(shè)備，如牧羊生產(chǎn)的SLTZ型調(diào)質(zhì)器。該調(diào)質(zhì)器經(jīng)過大量試驗，物料經(jīng)調(diào)質(zhì)后糊化度能達(dá)到50%以上。
調(diào)質(zhì)器使高速調(diào)質(zhì)與保溫均質(zhì)分開，二者功能分工明確,效果明顯。上筒是高速調(diào)質(zhì)，使添加蒸汽、水能夠充分與物料混合、滲透，提高調(diào)質(zhì)效果。下筒是保溫均質(zhì)，使物料調(diào)質(zhì)更均勻，利用其大容積、底速輸送的特征保證足夠的調(diào)質(zhì)時間。
2. 高性能雙螺桿擠壓機(jī)主機(jī)的特征
衡量一臺雙螺桿擠壓機(jī)性能的主要指標(biāo)是能否穩(wěn)定的加工出品質(zhì)均一的合格的膨化產(chǎn)品，以及其產(chǎn)量、單位產(chǎn)量電耗量等指標(biāo)是否*。對于食品行業(yè)，品質(zhì)均一的主要指標(biāo)是要求膨化產(chǎn)品的容重控制在±5克/升以內(nèi)，膨化顆粒大小色澤一致，以及膨化顆粒內(nèi)部的氣孔大小一致并分布均勻。擠壓主機(jī)的特征和膨化產(chǎn)品的品質(zhì)有直接關(guān)系。
如圖4所示，典型雙螺桿主機(jī)主要由主電機(jī)、傳動箱、控制系統(tǒng)、底座、擠壓腔、出料模板和切割等組成。
2.1 主電機(jī)為擠壓提供機(jī)械能
為了提高擠壓機(jī)的可控性以及增加產(chǎn)品的加工范圍，一般雙螺桿擠壓機(jī)的主電機(jī)都配置可調(diào)速的變頻電機(jī)。物料在擠壓腔內(nèi)所進(jìn)行的剪切與摩擦是由擠壓機(jī)的機(jī)械能提供，機(jī)械能的大小由主電機(jī)的功率決定。
對于雙螺桿擠壓機(jī)，配置的主電機(jī)的功率越大，其受到很多方面的限制，如傳動箱的限制、主軸強(qiáng)度的限制。
主要的原因是當(dāng)雙螺桿擠壓機(jī)螺桿直徑確定后，兩根主軸之間的中心距會得到限制。對于傳動箱來說，當(dāng)兩個輸出軸的的中心距限制后，軸承的選擇、輸出軸直徑的大小會得到一個比較苛刻的約束；對于膨化腔內(nèi)的主軸來說同樣如此，中心距限制了主軸的zui大直徑，即限制了主軸zui大轉(zhuǎn)矩的提高。
對于大直徑螺桿配置小功率的擠壓機(jī)，會產(chǎn)生“大馬拉小車”的現(xiàn)象，物料的膨化效果得不到保證，同時對于產(chǎn)量的提升會受到限制。所以目前國內(nèi)外的雙螺桿擠壓機(jī)都在從擠壓機(jī)的設(shè)計、材料的選擇和加工工藝等方面尋求突破空間的限制，盡可能配置大功率的電機(jī)。目前*雙螺桿擠壓機(jī)不同螺桿直徑配置主機(jī)功率情況如表1。
2.2 擠壓腔是擠壓機(jī)的核心部分
膨化產(chǎn)品的品質(zhì)主要由擠壓腔決定，擠壓腔主要由擠壓筒體和擠壓轉(zhuǎn)子組成。
2.2.1 擠壓筒體
擠壓筒體有整體式和分段式兩種。目前雙螺桿擠壓機(jī)一般都是采用分段式擠壓筒體。分段式擠壓筒體就是把整個筒體縱向分為多段，每段筒體使用螺栓或抱箍緊固。
分段式筒體的優(yōu)勢是可以通過蒸汽加熱的方式對特定區(qū)域被擠壓的物料帶來足夠的能量，或通過水冷卻的方式對特定區(qū)域被擠壓的物料帶走多余的能量。這正符合擠壓機(jī)加工工藝的要求，分別可以控制不同位置筒體的溫度，而控制不同擠壓區(qū)域物料