隨著雙螺桿擠壓膨化機應用領域的拓寬,雙螺桿擠壓膨化機也開始用于寵物、水產、特種經濟動物和幼畜哺乳期等飼料加工生產。然而, 我國現有的飼料加工仍以單螺桿擠壓膨化機為主, 主要是由于進口雙螺桿擠壓膨化機成本太高, 而國產雙螺桿擠壓膨化機技術性能和質量等方面尚有不足, 也缺乏針對飼料工業特點應用的大產量機型。盡管從單螺桿和雙螺桿的擠壓膨化原理及機體結構分析就可看出雙螺桿擠壓膨化機具有明顯的優勢并具有更好的性價比, 但相對于食品加工業的應用仍要遜色得多。近年來, 隨著國內企業引進、消化吸收國外先進技術, 國產雙螺桿擠壓膨化機生產技術水平不斷提高, 特別是針對水產飼料生產推出了雙螺桿擠壓膨化專用機型, 使得用投資單螺桿擠壓膨化機的資金同樣可以選用雙螺桿機型, 從而改變了人們以往因成本高而不使用雙螺桿機型的觀念。為了適應我國飼料工業發展的需要, 很有必要重視和推廣雙螺桿擠壓膨化技術在飼料加工中的應用, 發揮出雙螺桿擠壓膨化機的原料適應性更寬、產品適應性更廣、產品內在和外觀質量更好、同等動力下產量更高、熟化均質效果更好、工藝操作更簡便、易損件磨損更輕、生產成本更低等諸多優勢。本文將從單螺桿和雙螺桿擠壓膨化機在擠壓膨化原理、工作特性、機體結構、工藝操作、原料選擇、產品加工等方面進行比較, 供飼料加工企業在新建、擴建水產和寵物等特種飼料生產線的擬定設計方案、選用擠壓膨化設備和具體生產實踐中作為技術參考。
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, 使物料成形和噴發汽化 (Rossen 等 Miller, 1973) 。換句話說, 擠壓膨化加工將幾種作業合并一起進行, 包括攪拌、熟化、揉合、剪切、成形。而在當今飼料和食品工業中, 擠壓膨化機是指一種帶螺旋特點( 即一個帶葉片的旋轉螺桿, 十分嚴密地安裝在一個圓筒內輸送流體) 連續地加工一種產品的機器。擠壓膨化機可以設計成包括各種作業, 如攪拌、均質、熟化、冷卻、抽真空、成形、切割。隨著擠壓膨化技術的廣泛應用和不斷發展, 擠壓膨化設備的類型日益增多, 其分類方法也有多種多樣。可以按剪切力強弱程度分為高剪切力、中剪切力、低剪切力擠壓膨化機; 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, 而最常用、最典型的分類是根據螺桿數目將濕法擠壓膨化機分為單螺桿擠壓膨化機和雙螺桿擠壓膨化機。
2 單螺桿擠壓膨化機
單螺桿擠壓膨化機結構簡單, 通常采用皮帶傳動方式, 主軸轉速恒定不可調, 其傳動效率低、工藝操控難度大。單螺桿擠壓膨化機的螺桿由一根軸把各種結構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。物料從喂料口進入機筒后, 在螺桿中經歷固體輸送、熔融過程, 使物料從松散狀態轉變成連續可塑的面團狀。
單螺桿擠壓膨化機的物料輸送主要是靠拖曳流來完成的。由于單螺桿的結構特性決定了物料在機筒內向前推進時, 依靠機筒與物料之間相互摩擦力來完成, 摩擦力愈大, 則向前推進的效率愈高; 但物料與螺桿的摩擦力愈大, 則愈會對上述產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, 則產生堵塞而不能向前輸送, 當物料的水分、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, 其產量也較低。這主要是因為這種輸送方式對于高壓很敏感, 壓力將產生回流, 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量的降低。單螺桿擠壓膨化機的大部分能量來自于通過機筒傳導的外加熱和螺桿轉動時由剪切力產生的機械能轉化熱, 其中機械能的大小是由螺桿轉速和結構所決定的, 這是因為剪切率與螺桿轉速成正比, 而對于一臺確定的擠壓膨化機, 螺桿結構一般是預先配置的, 修改的可能性很小。對于大型單螺桿擠壓膨化機, 熱交換及其輸送產量和壓力的增加都將變得更加困難, 因為擠壓膨化機的尺寸越大, 物料的表面積與體積之比就越小。所以對于較大機型的單螺桿擠壓膨化機, 由于螺桿和機筒的尺寸愈大, 其單位體積機筒傳熱面積就愈小, 導致物料輸送、傳熱及壓強的形成十分困難。
單螺桿擠壓膨化機的物料在擠壓膨化過程中混合均質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效果必須對螺桿的螺旋及機筒的結構作一些特殊的設計。除了漏流, 單螺桿擠壓膨化機的結構極大地限制了物料的混合, 有些擠壓膨化機通過將專用的節流元件插入螺桿結構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
3.1 結構及工作特性
雙螺桿擠壓膨化機是在單螺桿擠壓膨化機的基礎上發展起來的, 在雙螺桿擠壓膨化機的機筒中, 并排安放兩根螺桿, 根據螺桿的相對位置和按螺桿轉向分為非嚙合同向旋轉、非嚙合相向旋轉、嚙合同向旋轉、嚙合相向旋轉。完全嚙合的同向旋轉雙螺桿擠壓膨化機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也是一種拖曳流機, 但由于其二根螺桿同向旋轉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, 能夠適應高粘性物料、低粘性物料或高水分、高油脂配方產品的加工。同時具有自清理功能, 因而在飼料加工過后, 機器就會自動將內部剩余物料擠出機外, 無需逐一地卸下來清理, 節省了時間。
在同向雙螺桿擠壓膨化機中, 同向旋轉式雙螺桿壓力區性質不同, 物料在機筒內腔受螺桿的旋轉作用, 產生高壓區和低壓區。顯而易見, 物料將沿著兩個方向由高壓區向低壓區流動, 一個是隨螺桿旋轉方向沿套筒內壁形成左右兩個 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, 結果使物料呈“∞”字形前進。螺桿既產生正向輸送, 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生研磨(即剪切)與滾壓作用, 出現壓延效應, 這個效應與反向螺桿壓延效應相比要小得多。當然, 壓延效應小, 物料對螺桿的磨損也就減小, 物料就是這樣經過輸送、剪切、混合和機筒外殼的加熱, 在高溫、高壓的作用下達到熟化, 最后被擠出筒外。
雙螺桿加工中物料所需要的熱量來源, 除了與單工藝設備汪沐: 單螺桿和雙螺桿擠壓膨化機的一般比較 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、擠壓和混合而產生熱量并使熱量均勻化。間隙的大小對擠壓膨化質量影響很大, 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。雙螺桿強制輸送和自潔的特性, 使物料在機筒中停留時間短而均勻。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, 提高了產品的產量和質量。
組合式的螺桿與分段式的機筒結構可滿足各種特殊的加工要求, 組合成各種結構形式的雙螺桿擠壓膨化機。組成螺桿的每一個元件可設計成具有專門的輸送、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行精確控制, 為該系統提供各種不同的優勢。剪力環( 剪力鎖片) 是組成螺桿構件最重要的混合元件, 它用來將所增加的機械能輸入到產品中。不同的混合元件將影響物料的擴散和混合分布程度。采用何種形式的剪力環將視最終產品的要求而定。窄的剪力環用于使單位長度的流動分隔數最大的方式; 而寬的盤式剪力環則用于高剪切和擴散式混合。
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到 95%以上, 產品在水中的穩定性能保持在 24 h 以上, 同時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, 易于營養吸收。所以在購買擠壓膨化機時, 一定要考慮到物料的熟化程度能否達到 90%以上。
3.2 雙螺桿擠壓機的特點及應用
雙螺桿擠壓機最大的特點就是它能夠對各種原料進行混合而不考慮其構成。因此, 像谷物、豆粉、動物粉、鮮肉、脂肪、營養素、蛋白質、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行加工。雙螺桿擠壓膨化機加工飼料的種類多, 能夠適應高粘性物料、低粘性物料或高水分、高油脂配方產品的加工。在水產飼料方面, 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, 特別是顆粒水產飼料( 直徑為 0.5～1.5 mm) 、高脂肪水產飼料及生產量小但配方常變的飼料, 必須采用雙螺桿擠壓膨化機進行生產。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, 當鮮肉含量高達 20%～30%時, 擠壓時就需要強烈地混合和揉捏, 這只有雙螺桿擠壓膨化機才能完成。因為雙螺桿的相互揉搓、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器的運轉, 與單螺桿擠壓膨化機相比, 在雙螺桿擠壓膨化機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到 20%以上。這樣不僅提高了配方的質量, 也減緩了零件的磨損和阻力, 降低了生產成本。而單螺桿擠壓膨化機就做不到這一點, 在單螺桿擠壓膨化機中, 脂肪含量受到限制, 因為如果脂肪含量太高, 將引起擠壓膨化機劇烈地波動, 并因此導致產品質量的不穩定。一旦物料中油脂含量過高, 就會造成物料黏著, 機器無法運行。此外, 雙螺桿擠壓膨化機在 30 s 內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品直接在擠壓膨化機中加工。
雙螺桿擠壓膨化機采用直聯變頻電機傳動方式, 主軸轉速可根據加工產品需求進行調節, 在不停機狀態下, 不改變螺桿參數設置即可更換產品品種或生產浮性、沉性水產飼料, 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, 雙螺桿擠壓膨化機具有以下優勢。
①原料適應性更廣, 可以適應高粘性、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物料流在機筒內更均勻, 可以添加蒸汽、水等, 使產品達到需求的效果。
④產品內在和外觀質量更好, 可以達到非常好的均質狀態并使得物料分子結構排布均勻、在擠壓出模過程中表面光滑, 產品顆粒整齊度高、均勻性好。
⑤熟化均質效果更好, 通常淀粉熟化度可達 95%以上, 使得所加工的水產飼料能夠在水中保持穩定和產品營養成分不流失, 并易于消化吸收。
⑥同等動力下產量更高。良好的混合性能使物料得到的熱量及時均勻化, 加快了物料的熟化程度, 減少了料溫的波動, 提高了擠壓膨化產品的產量。
⑦產品多樣性和適應性更寬, 可以加工微粒水產飼料及高油配方、高水分、高粘結性產品和多色彩、夾心類、特殊形狀的產品。
⑧工藝操作更簡便, 可以根據加工產品需求調節主軸轉速, 由于自清特點, 清理很方便, 每次加工后無需拆裝設備。
⑨易損件磨損更輕。通常一種錯誤觀念認為單螺桿的磨損少, 實際上在雙螺桿擠壓過程中由于穩定的物料輸送和物料流的特性, 決定了物料對螺桿和機筒內套的磨損要比單螺桿小, 盡管螺桿數量多出一套, 但其配件成本仍比單螺桿低。
⑩生產成本更低, 由于雙螺桿機型具有良好的操作穩定性, 在飼料加工過程中開機費料少、水氣浪費少、工時費少、傳熱效率高、成品率高、度電產量指標高, 加上配件成本也低, 其最終生產成本相對于單螺桿仍要低得多。
到目前為止, 美國 70%水產飼料生產、韓國 100% 水產飼料生產采用擠壓膨化加工技術。在我國, 越來越多的飼料加工企業逐步用擠壓膨化機替代傳統的制粒機生產水產飼料和其它特種飼料。在目前中國水產飼料市場, 由于大部分水產飼料生產企業受到資金的限制, 通常選用價格較低的國產單螺桿擠壓膨化機, 但因其結構簡單和技術水平、制造水平不夠高, 只能在水產飼料加工中用于生產較低檔的淡水魚浮性料, 難于生產沉性料和其它高檔水產飼料產品。有些進口單螺桿機型雖能滿足生產高檔沉性飼料產品, 但其價格太高, 已沒有很好的性價比。我們選擇擠壓膨化設備不應只看到雙螺桿擠壓膨化機比單螺桿擠壓膨化機的價格高, 而更應考慮綜合性價比和產品生產成本。國產優質的雙螺桿擠壓膨化機技術性能已達到一定的先進水平, 雖然價格要高于國產單螺桿擠壓膨化機, 但要遠遠低于進口單螺桿機型的價格, 其生產性能已超過進口單螺桿機型并可以完全替代進口雙螺桿機型, 不僅能滿足養殖業中高檔水產飼料的需求, 而且能達到很高的性價比, 應該是目前水產飼料加工業的最好選擇。隨著大規格、大產量和專用型雙螺桿機型的出現, 使用雙螺桿擠壓膨化機可獲得更大的效益, 能更充分發揮出擠壓膨化加工技術所具有原料使用范圍廣, 淀粉的糊化程度高, 水中穩定性遠遠高于普通顆粒飼料, 產品密度可調, 可加工浮性、慢沉、快沉料和高水分、高油脂飼料, 顆粒的結構比較疏松有利于采用后噴涂技術, 避免熱敏性原料的損失, 防止污染環境和防病、抗病, 提高飼料營養價值, 降低生產成本等獨特的優勢。
5 雙螺桿擠壓膨化機的開發與展望
目前, 第三代新型 GCISSP 系列雙螺桿擠壓膨化機已經面市, 其動力配置從 22 kW 到 315 kW, 加工水產飼料產量從 150 kg/h 到 12 t/h, 共有 10 個規格的產品, 完全能夠滿足當前國內水產飼料加工( 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中植物組織蛋白、休閑食品、營養食品等的生產需求, 主機采用變頻主電機, 傳動系統強勁、平穩、可靠, 機筒加熱和冷卻層為一體式鍛造結構, 機筒內套和螺桿元件采用高耐磨合金鋼材質, 模板采用新型材質和科學布孔工藝, 調質系統采用加長不銹鋼雙軸差速調質器, 設備結構合理、外形美觀, 其產品技術性能已接近或基本達到國際知名品牌如美國 Wenger、瑞士 Buhler 等進口雙螺桿擠壓膨化機水平, 但其價格僅為進口產品價格的三分之一, 為國內飼料和食品加工企業提供了低價格、性能完善的高性價比雙螺桿擠壓膨化設備。尤其是針對目前國內水產飼料加工以浮性料為主導產品的實際狀況, 某公司又開發出既能充分發揮雙螺桿擠壓膨化機的優勢, 又能盡量降低投資成本加工水產浮性飼料的 GCISSPF 系列雙螺桿擠壓膨化機專用機型, 其價格遠遠低于進口單螺桿擠壓膨化機, 而且僅與國產單螺桿擠壓膨化機的價格相當, 可以說用單螺桿的投資就能選用雙螺桿擠壓膨化機,能夠生產出整齊度好和更多樣化的產品, 大產量、專業化的雙螺桿擠壓膨化機將會產生更大的經濟效益。
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