食品加工機械與設備目錄第十二章其他機械與設備第一節(jié)生物反應器第二節(jié)擠壓成型機械與設備第三節(jié)焙烤裝備一、機械攪拌發(fā)酵罐1.發(fā)酵罐的基本條件

機械攪拌發(fā)酵罐在工廠被廣泛采用。它是利用機械攪拌器的作用,使空氣和發(fā)酵液充分混合,提高發(fā)酵液的溶解氧,供給微生物生長繁殖代謝過程所需的氧。發(fā)酵罐的基本條件如下:1)發(fā)酵罐應具有適宜的高徑比發(fā)酵罐的高度與直徑比約為2.5~4。2)發(fā)酵罐能承受一定壓力由于發(fā)酵罐在消毒及正常工作時,罐內有一定的壓力(氣壓與液壓)和溫度,因此罐體各部件要有一定的強度,能承受一定的壓力。罐加工制造后,必須進行水壓試驗,水壓試驗壓力為工作壓力的1.5倍。3)發(fā)酵罐的攪拌通風裝置要能使氣泡分散細碎,氣液充分混合,保證發(fā)酵液必須的溶解氧,提高氧的利用率。4)發(fā)酵罐應具有足夠的冷卻面積,微生物生長代謝過程放出大量的熱量,不同產(chǎn)品的發(fā)酵放出熱量也不同。為了控制發(fā)酵過程不同階段所需的溫度,應裝有足夠的冷卻面積。5)發(fā)酵罐內應拋光,盡量減少死角,避免藏垢積污,使滅菌徹底,避免染菌。6)攪拌器的軸封應嚴密,盡量減少泄漏。第一節(jié)生物反應器一、機械攪拌發(fā)酵罐2.發(fā)酵罐罐體的尺寸比例

罐體各部分的尺寸有一定比例,高徑比約為2.5~4。高位罐的高徑比達10以上,雖然空氣利用率較高,但壓縮空氣的壓力需要較高,頂料與底料不易混合均勻,廠房較高。發(fā)酵罐通常裝有兩組攪拌器,兩組攪拌器的間距S約為攪拌器直徑的3倍。對于大型發(fā)酵罐以及液體深度HL較高的,可安裝三組或三組以上的攪拌槳葉。最下面一組攪拌器與風管出口較接近為好,與罐底的距離C一般等于攪拌器直徑Di,不宜小于0.80Di,否則會影響液體的循環(huán)。常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸如圖12-1所示。第一節(jié)生物反應器一、機械攪拌發(fā)酵罐2.發(fā)酵罐罐體的尺寸比例第一節(jié)生物反應器圖12-1

通用發(fā)酵罐的比例尺寸Di=1/3D

H0=2D

B=0.1DS=3Di

ha=0.25D一、機械攪拌發(fā)酵罐3.發(fā)酵罐的結構

設備主要部件包括罐身、攪拌器、軸封、打泡器、聯(lián)軸器、中間軸承、空氣吹泡管(或空氣噴射器)、擋板、冷卻裝置、人孔以及視鏡等,如圖12-2和圖12-3所示。(1)罐體

罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成,材料為碳鋼或不銹鋼,對于大型發(fā)酵罐可用襯不銹鋼或復合不銹鋼制成,襯里用的不銹鋼板厚為2~3mm。為了滿足工藝要求,罐需承受一定壓力,通常滅菌的壓力為0.25MPa(絕對大氣壓)。生產(chǎn)用的發(fā)酵罐容積有20m3,30m3、50~60m3、75m3、150m3以至500m3。罐壁厚度決定于罐徑及罐壓的大小。

小型發(fā)酵罐罐頂和罐身用法蘭連接,為了便于清洗,小型發(fā)酵罐頂設有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝設有快開人孔。罐頂裝有視鏡及燈鏡、進料管、排氣管、接種管和壓力表接管,排氣管應盡可能靠近罐頂中心位置。在罐身上有冷卻水進出管、進空氣管、溫度計管和檢測儀表接口。取樣管可裝在罐側或罐頂,視操作方便而定。在罐體上的管路越少越好,進料口、補料口和接種口可合為一個接管口。放料可利用通風管壓出。第一節(jié)生物反應器一、機械攪拌發(fā)酵罐第一節(jié)生物反應器圖12-2小型發(fā)酵罐結構圖1—V帶轉軸2—軸承支柱3—聯(lián)軸器4—軸封5、26—窺鏡6—取樣口7—冷卻水出口8—夾套9—螺旋片10—溫度計11—軸12—攪拌器13—底軸承14—放料口15—冷水進口16—通風管17—熱電偶接口18—擋板19—接壓力表20—手孔21—電動機22—排氣口23—取樣口24—進料口25—壓力表接口27—手孔28—補料口一、機械攪拌發(fā)酵罐第一節(jié)生物反應器圖12-3大型發(fā)酵罐結構圖1—軸封2、20—人孔3—梯子4—聯(lián)軸器5—中間軸承6—熱電偶接口7—攪拌器8—通風管9—放料口10—底軸承11—溫度計12—冷卻管13—軸14—接種管15—軸承柱16—V帶傳動17—電動機18—壓力表19—取樣口21—進料口22—補料口23—排氣口24—回流口25—窺鏡一、機械攪拌發(fā)酵罐3.發(fā)酵罐的結構(2)攪拌器和擋板

攪拌器的主要作用是混合和傳質,即使通入的空氣分散成氣泡并與發(fā)酵液充分混合,使氣泡細碎以增大氣-液界面,以獲得所需要的溶氧速率,并使生物細胞懸浮分散于發(fā)酵體系中,以維持適當?shù)臍狻骸?細胞)三相的混合與質量傳遞,同時強化傳熱過程。為實現(xiàn)這些目的,攪拌器的設計應使發(fā)酵液有足夠的徑向流動和適當?shù)妮S向運動。

攪拌式葉輪大多采用蝸輪式,渦輪式攪拌器的葉片有平葉式、彎葉式、箭葉式三種,其作用主要是打碎氣泡,加速和提高溶氧。平葉式功率消耗較大,彎葉式較小,箭葉式又次之。為了拆裝方便、大型攪拌器可做成兩半型,用螺栓聯(lián)成整體。攪拌器宜用不銹鋼板制成。

擋板的作用是防止液面中央產(chǎn)生漩渦,促使液體激烈翻動,提高溶解氧。擋板寬度約為(0.1~0.12)D,裝設6~4塊擋板。

豎立的蛇管、列管和排管也可以起擋板作用,擋板的長度自液面起至罐底為止。擋板與罐壁之間的距離為(1/5~1/8)D。第一節(jié)生物反應器一、機械攪拌發(fā)酵罐3.發(fā)酵罐的結構(3)消泡器

發(fā)酵液中含有蛋白質等發(fā)泡物質,故在通氣攪拌條件下會產(chǎn)生泡沫,發(fā)泡嚴重時會使發(fā)酵液隨排氣而外溢,且增加雜菌感染機會。在通氣發(fā)酵生產(chǎn)中有兩種消泡方法,一是加入化學消泡劑,二是使用機械消泡裝置。常用的消泡器有鋸齒式、梳式、孔板式、旋槳梳式等種,孔板式的孔徑約10~20mm。消泡器的長度約為0.65D。(4)聯(lián)軸器及軸承

攪拌軸較長時,常分為二至三段,用聯(lián)軸器連接。聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。功率小的發(fā)酵罐攪拌軸可用法蘭連接,軸的連接應垂直,中心線對正。為了減少振動應裝有可調節(jié)的中間軸承,材料采用石棉酚醛塑料、聚四氟乙烯,軸瓦與軸之間的間隙取軸徑的0.4%~0.7%。在軸上增加軸套可防止軸頸被磨損。(5)變速裝置

試驗罐采用無級變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有V帶傳動,圓柱齒輪或弧齒錐齒輪減速裝置,其中以V帶變速傳動較為簡單,噪聲較小。第一節(jié)生物反應器一、機械攪拌發(fā)酵罐3.發(fā)酵罐的結構(6)空氣分布裝置

分布裝置有單管及環(huán)形管等。常用單管式,管口對正罐底中央,與罐底距離約40mm,這樣空氣分散效果較好,若距離過大,空氣分散效果就較差。要求氣泡上升時能被攪拌器打碎成小氣泡,與醪液充分混合,增加氣液傳質效果。環(huán)形管直徑為攪拌器直徑的0.8倍較好,噴孔直徑為?5~?8mm,噴孔向下,噴孔的總截面積約等于通風管的截面積,由于噴孔易堵,已很少采用。風管內空氣流速取20m/s,在罐底中央襯上不銹鋼圓板,防止空氣沖擊,以延長罐底壽命。(7)軸封

軸封的作用是防止泄漏和染菌。常用軸封有填料函和端面軸封兩種,填料函由填料箱體、底襯套,壓蓋和壓緊螺栓等零件構成,使旋轉軸達到密封的效果。

填料函軸封的優(yōu)點是結構簡單,缺點是:1)死角多,很難徹底滅菌,容易滲漏及染菌。2)軸的磨損情況嚴重。3)填料壓緊后摩擦功率消耗大。4)壽命短,維修工時多。第一節(jié)生物反應器一、機械攪拌發(fā)酵罐3.發(fā)酵罐的結構(7)軸封

端面軸封的作用是靠彈性元件(彈簧、波紋管等)的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合,并作相對轉動而達到密封,其優(yōu)點如下:1)清潔。2)密封可靠,使用時間較長,不會泄漏。3)無死角,可防止雜菌污染。4)壽命長,質量好的2~5年不需修理。5)摩擦功率耗損小,一般為填料密封的10%~50%。6)軸或軸套不受磨損。7)對軸的振動敏感性小。

端面軸封結構比較復雜,裝拆不便,對動環(huán)及靜環(huán)的表面粗糙度及平直度要求高。兩端面接觸的密封構件之一為硬質合金(也有用青銅或不銹鋼的,但較易磨損),如高硅鑄鐵、金屬碳化鎢等;另一種為軟質耐磨材料,如不透性石墨,用作靜環(huán)。兩接觸面的密封需要有一定的壓力,完全由彈簧來保證這種壓力的叫做不平衡型,利用罐內壓力來抵消本身壓力而僅由彈簧產(chǎn)生密封壓力的叫做平衡型。平衡型端面軸封使用的壓力比不平衡型大,因為發(fā)酵罐的操作壓力一般小于0.25MPa,所以一般采用不平衡型。第一節(jié)生物反應器一、機械攪拌發(fā)酵罐4.發(fā)酵罐的換熱裝置

發(fā)酵罐換熱裝置形式有如下幾種:1)夾套式換熱裝置:這種換熱裝置應用于小罐,夾套高度比靜止液面稍高。優(yōu)點為結構簡單,加工容易,罐內死角少,容易清洗滅菌。其缺點是傳熱壁較厚,冷卻水流速低,降溫效果差,傳熱系數(shù)約為174.417~290.694W/(m2·K)。2)豎式蛇管換熱裝置:這種裝置的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內,有四組、六組或八組不等。裝置的優(yōu)點是:冷卻水在管內的流速大,傳熱系數(shù)高,約為348.833~523.25W/(m2·K),若管壁較薄,流速較大時,傳熱系數(shù)可達930.222~1162.778W/(m2·K)。這種冷卻裝置所用的冷卻水溫應較低。若冷卻水溫較高,則降溫困難。此外,彎曲位置較容易被蝕穿。3)豎式列管(排管)換熱裝置:這種裝置是以列管形式分組對稱裝于發(fā)酵罐內的。其優(yōu)點是加工方便,適用于氣溫較高,水源充足的地區(qū),當流速較快時,降溫速度快。這種裝置的缺點是傳熱系數(shù)較蛇管式低,用水量較大。

為了提高傳熱系數(shù),可采用安裝在罐外的板式或螺旋板式熱交換器,采用無菌空氣使發(fā)酵液進行循環(huán)冷卻。第一節(jié)生物反應器一、機械攪拌發(fā)酵罐5.發(fā)酵罐的管路與死角的消除(1)盡量減少管路

與發(fā)酵罐連接的管路有空氣管、進料管、出料管、蒸汽管、水管、取樣管、排氣管等,其中有些管應盡可能合并后與發(fā)酵罐連接。有的工廠將空氣管、進料管、出料管合為一條管與發(fā)酵罐連接,有的工廠將接種管、尿素管、消泡油管、壓料空氣管合為一條管,做到一管多用。但有互相干擾的弊病,如將排氣管道串通,一個罐染菌往往會影響其他罐,所以排氣管單獨設置較為有利。減少罐內的管路,可以減少染菌機會。小型發(fā)酵罐多采用夾套冷卻,大型發(fā)酵罐多采用蛇管、排管冷卻;有的在發(fā)酵罐外用盤管、噴淋、薄板或螺旋板冷卻。(2)消滅死角

死角是微生物隱藏而蒸汽難于消毒的位置,死角最容易染菌,必須徹底消滅。常見的死角有管路死角有螺紋間隙死角、法蘭盤死角、種子罐放料管道死角等。如果采用螺紋聯(lián)接,則絞牙配合不嚴密、麻根填料無法消滅縫隙;如采用法蘭聯(lián)接時,橡膠墊圈比管徑過大或過小也會產(chǎn)生死角;焊縫有凹凸現(xiàn)象也會產(chǎn)生死角。采用焊接法將焊縫磨光的連接法較好,轉彎處應有一定的弧度,采用彎管法,可以減少污染,減少管路阻力,延長彎管處的壽命。第一節(jié)生物反應器一、機械攪拌發(fā)酵罐5.發(fā)酵罐的管路與死角的消除(3)消滅滲漏

滲漏是染菌主要的原因之一。滲漏現(xiàn)象有罐體穿孔滲漏,冷卻蛇管的滲漏,墊圈滲漏,軸封滲漏,絞牙填料滲漏,管路焊接滲漏,法蘭閥盤與閥座縫隙滲漏等。

冷卻蛇管如果選用無縫鋼管,則由于腐蝕而造成針孔,造成連續(xù)染菌,很難被檢出,應定期更換。最好選用不銹鋼管。

法蘭的墊圈必須上緊。軸封有填料軸封及端面軸封兩種,后者較好,但還會滲入空氣。為了避免微生物滲入,罐內應保持正壓,或在軸封處裝一個小型的蒸汽室,連續(xù)噴入蒸汽,以防止微生物滲入。

螺紋的填料容易滲漏,特別是經(jīng)常振動的管路更容易滲漏,故管路聯(lián)接用電焊法較好。

閥桿是經(jīng)常轉動的,填料容易被旋松而造成滲漏,所以應經(jīng)常檢查,更換填料。罐體與大氣相連的閥門,閥桿一側的閥腔不應與罐相通,閥對罐為順裝,可避免閥桿的滲漏與罐相通?；蜻x用不銹鋼閥、橡膠隔膜閥較好。第一節(jié)生物反應器二、氣升式發(fā)酵罐1.帶升式發(fā)酵罐

帶升式發(fā)酵罐的特點:結構簡單,冷卻面積較小;不需攪拌設備,節(jié)省動力約50%;裝料系數(shù)達80%~90%;維修、操作及清洗簡便,減少雜菌感染。但對于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。其工作機理是在罐外裝設上升管,上升管兩端與罐底及罐上部相連接,構成一個循環(huán)系統(tǒng)。在上升管的下部裝設空氣噴嘴,空氣以250~300m/s的高速度噴入上升管,使空氣分割細碎,與上升管的發(fā)酵液密切接觸。由于上升管內的發(fā)酵液密度較小,加上壓縮空氣的動能,使液體上升,罐內液體下降進入上升管,形成反復的循環(huán),有內循環(huán)及外循環(huán)兩種,如圖12-4所示。第一節(jié)生物反應器二、氣升式發(fā)酵罐1.帶升式發(fā)酵罐第一節(jié)生物反應器圖12-4帶升式發(fā)酵罐1—人孔2—視鏡3—空氣管4—上升管5—冷卻器6—單向閥門7—空氣噴嘴8—帶升管9—罐體二、氣升式發(fā)酵罐2.氣升及外循環(huán)發(fā)酵罐

如圖12-5所示,空氣從罐底內進入,利用氣體分布器3使空氣分散與液體充分混合上升,經(jīng)回流管8返回罐的底部,下部的發(fā)酵液經(jīng)循環(huán)泵10,熱交換器15送至罐頂?shù)膰娏芷?,噴淋液起消泡作用。

這種罐適用于石蠟為原料的發(fā)酵。罐的壓力可維持500kPa。氧的傳遞系數(shù)較高,可用于高濃度培養(yǎng),菌體的質量分數(shù)可達6%以上。第一節(jié)生物反應器二、氣升式發(fā)酵罐2.氣升及外循環(huán)發(fā)酵罐第一節(jié)生物反應器圖12-5氣升及外循環(huán)發(fā)酵罐1—發(fā)酵罐2—消泡室3—氣體分布器4—培養(yǎng)液5—泡沫層6—下降管7—噴淋器8—回流管9—氣液分離器10—循環(huán)泵11—供氣管12—培養(yǎng)液入口13—培養(yǎng)液出口14—廢氣出口15—熱交換器16—冷卻水入口17—冷卻水出口18—發(fā)酵液出口19—冷卻夾套二、氣升式發(fā)酵罐3.氣升環(huán)流發(fā)酵罐

氣升環(huán)流發(fā)酵罐的形式較多,常用的有高位、低位及壓力發(fā)酵罐幾種。

圖12-6是德國Hoechst公司的石蠟培養(yǎng)酵母用的發(fā)酵罐,罐的高度增大可以提高氧的傳遞能力,增加對液流的驅動力。驅動力的調節(jié)通過氣體流量控制。罐的結構簡單,易于放大。

對于培養(yǎng)植物或動物細胞,要求沒有高度的切割力,防止對細胞的傷害。設備對培養(yǎng)基應能充分攪動均勻又能使氣體均勻分散。細胞培養(yǎng)多采用氣升環(huán)流式,如圖12-7所示。氣體從轉軸通入,由底部的環(huán)形吹泡管噴出,向上與培養(yǎng)液均勻接觸后由上部排出。氣流的氣泡與培養(yǎng)基充分混合,由旋轉的推進口排出,向下流動至下部,被旋轉的推進器吸入后排出,形成環(huán)流。設備對供氣、氧、氮、二氧化碳均能控制。設備的特點為低轉速高溶氧。第一節(jié)生物反應器二、氣升式發(fā)酵罐3.氣升環(huán)流發(fā)酵罐第一節(jié)生物反應器圖12-6

Hoechst公司氣升環(huán)流發(fā)酵罐二、氣升式發(fā)酵罐3.氣升環(huán)流發(fā)酵罐第一節(jié)生物反應器圖12-7細胞培養(yǎng)氣升環(huán)流反應器示意圖1—轉軸2—消泡室3、5—推進口4—吹泡管6—器體7—蓋二、氣升式發(fā)酵罐4.磁力攪拌反應罐

磁力攪拌反應罐一般用于實驗室的小型發(fā)酵,采取底部攪拌,是一種間接攪拌,結構如圖12-8所示。磁力攪拌以靜密封取代動密封,使發(fā)酵罐處于完全密封狀態(tài),徹底解決了發(fā)酵罐的機械密封無法避免的跑、冒、漏之問題,不易染菌。其傳動方式采取磁力偶合驅動,噪聲低,運行可靠,使用維修方便,可廣泛運用于食品、制藥、化工等行業(yè)。第一節(jié)生物反應器二、氣升式發(fā)酵罐4.磁力攪拌反應罐第一節(jié)生物反應器圖12-8磁力攪拌反應罐1—攪拌器2—軸3—擋板4—磁轉子5—電動機二、氣升式發(fā)酵罐5.固體發(fā)酵罐

固體發(fā)酵有悠久的歷史,早在2500年前,就有中藥神曲的固體發(fā)酵生產(chǎn)。我國是農(nóng)業(yè)大國,經(jīng)過多年的努力,已基本上解決了糧食與農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量問題,使人民能過著溫飽的生活。但從另一方面看,我國的糧食和農(nóng)副產(chǎn)品、禽畜產(chǎn)品,在品質上尚存在不少問題,特別是化肥、農(nóng)藥的大量使用,不僅污染環(huán)境,同時也污染了農(nóng)副產(chǎn)品。在飼料中大量添加抗生素、激素,雖然增加了禽畜產(chǎn)品的產(chǎn)量,但卻降低了質量,而且抗生素、激素的殘留量大大超過衛(wèi)生標準,直接影響人體。固態(tài)發(fā)酵具有培養(yǎng)料來源廣泛的優(yōu)點,利用農(nóng)作物廢棄物通過固體發(fā)酵生產(chǎn)生物飼料的研究已取得了突破。因此,固體發(fā)酵受到國內外人士的廣泛關注,將會成為發(fā)酵行業(yè)中廣泛應用的工藝類型之一。目前,國內外用于固體物料發(fā)酵的設備大致有淺盤、大池、轉盤、箱式、轉筒式幾種類型。但是這些發(fā)酵系統(tǒng)大都是將物料的滅菌、接種、裝盤、發(fā)酵等工藝過程分開,采用手工操作,勞動生產(chǎn)率低,用工量大,難以控制染菌污染,不能適應大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。而且它們都以靜態(tài)方式進行固體發(fā)酵,發(fā)酵過程中熱質傳遞受到一定的限制,會產(chǎn)生溫度梯度,且氣體分布不均勻,從而導致發(fā)酵產(chǎn)品不穩(wěn)定。第一節(jié)生物反應器二、氣升式發(fā)酵罐5.固體發(fā)酵罐目前國內進行固態(tài)發(fā)酵罐的研究一般都還處在試驗研究階段,進行規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)還需有待研究。因而,開發(fā)適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的固態(tài)物料發(fā)酵系統(tǒng)已成為我國農(nóng)業(yè)生物技術產(chǎn)業(yè)化迫切需要解決的問題。很多生物制品發(fā)酵的廠家進行固體發(fā)酵還處在落后的狀態(tài),即使已有采用固體發(fā)酵進行乙醇、酶制劑、大曲生產(chǎn)的研究,但是規(guī)模還是較小(僅為15~20L)。為了進一步實現(xiàn)固體發(fā)酵產(chǎn)品的工廠化生產(chǎn),今后人們必定會花費大量的精力去深入研究固體發(fā)酵系統(tǒng)。第一節(jié)生物反應器一、擠壓成形原理1.擠壓成形機在食品加工中的應用

早期的食品擠壓成形機是肉類和腸制品加工中使用的活塞式或柱塞式擠壓機。隨著食品工業(yè)的發(fā)展,塑料制品加工中的螺桿式擠壓機在食品加工中得以運用。螺桿式擠壓成形機是集混合、混煉、熟化、擠出成型于一體的加工設備。常見的擠壓蒸煮機、擠壓膨化機均屬于螺桿式擠壓成形機。第一臺單螺桿食品擠壓機的出現(xiàn)首先運用于谷物加工的蒸煮并取得成功。采用擠壓技術來加工谷物食品,只需將原料經(jīng)初步粉碎和混合后,即可用一臺擠壓機一步完成混煉、熟化、破碎、殺菌、預干燥、成形等工藝,制成膨化、組織化產(chǎn)品或制成不膨化的產(chǎn)品,這些產(chǎn)品再經(jīng)油炸(也可不經(jīng)油炸)、烘干、調味后即可上市銷售,只要簡單地更換擠壓模具,便可以很方便地改變產(chǎn)品的造型。與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比,極大地改善了谷物食品的加工工藝,縮短了工藝過程,降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)費用,減少了占地面積,大大降低了勞動強度。同時也改善了產(chǎn)品的組織狀態(tài)和口感,豐富了谷物食品的花色品種,提高了產(chǎn)品質量。隨著時間的推移,擠壓技術在食品工業(yè)中的應用領域迅速擴展,由單純谷物食品的加工,發(fā)展到植物組織蛋白、水產(chǎn)品、仿生制品、調味品、乳品、糖果制品、巧克力制品、方便面等食品的加工,甚至在動物飼料加工中也有廣泛的運用。擠壓設備也由單螺桿發(fā)展到雙螺桿擠壓機,擠壓設備的改進與發(fā)展,對于改善產(chǎn)品質量,拓寬擠壓技術的應用領域起到了推動作用。尤其是擠壓技術在某些需高溫高壓的生化反應過程中的應用,已引起科技工作者的關注。可以確信,擠壓技術會在今后的發(fā)展過程中出現(xiàn)一些嶄新的領域。第二節(jié)擠壓成型機械與設備一、擠壓成形原理2.擠壓成形原理

美國著名學者Webster對擠壓成形的定義是:“物料經(jīng)預處理(粉碎、調濕、預熱、混合)后,經(jīng)過機械作用強制通過一個專門設計的孔口(模具),以形成一定形狀和組織狀態(tài)的產(chǎn)品?！奔磾D壓成形是指塑性或軟性物料在機械力的作用下,定向地通過模板連續(xù)成形。食品擠壓成形機,除了上述的擠壓成形功能外,同時還具備加熱蒸煮等其他功能。大多數(shù)的食品擠壓成形機是將加熱蒸煮與擠壓成形兩種作用有機地結合起來,使原料經(jīng)過擠壓機之后,成為具有一定形狀和質構的熟化或半熟化的產(chǎn)品。

螺桿式擠壓成形機是由一個機筒和可在機筒內旋轉的螺桿等部件組成。當疏松的食品原料從加料斗進入機筒內時,隨著螺桿的轉動,物料沿著螺槽方向向前輸送,由于螺桿與套筒構成的空腔體積逐漸變小,加之模板的阻力作用,顆粒狀物料逐漸受到擠壓,同時物料受到螺桿與機筒的強烈攪拌、混合、剪切等作用,造成物料摩擦生熱或來自機筒的外部加熱,使物料溫度迅速上升。物料受到高溫高壓的作用,固體顆粒熔融呈流態(tài)化,熔融態(tài)的物料分子相互交聯(lián)、重組,在成形模頭前物料熔融體進一步混合均勻,最后定量、定壓地被擠出?？?物料由高溫高壓瞬間進入常壓,水分急劇汽化而形成多孔的膨化組織結構。不需要過大膨化率的產(chǎn)品,使用冷卻的方法控制受擠壓物料的溫度在模板附近不至于過熱(一般不超過100°C),以達到擠壓產(chǎn)品不膨化或少膨化的目的。第二節(jié)擠壓成型機械與設備一、擠壓成形原理3.擠壓加工的特點(1)生產(chǎn)工藝簡單

擠壓機能夠集原料的粉碎、混合、加熱、熟化、成形于一體,原料經(jīng)預處理后,即可連續(xù)地通過擠壓設備,生產(chǎn)出成品或半成品,發(fā)揮了一機多能的作用,方便了生產(chǎn)管理和產(chǎn)品質量管理,降低了勞動強度,減少了占地面積和生產(chǎn)人員。(2)生產(chǎn)效率高

使用擠壓機進行生產(chǎn),操作簡單,生產(chǎn)能力可在較大范圍內調整。小型擠壓機的生產(chǎn)能力可達20~50kg/h,大型設備的生產(chǎn)能力可達5~10t/h。使用擠壓機進行生產(chǎn),由于避免了多臺單功能機種的聯(lián)用,極大地提高了能源的使用效率。一般情況下,能耗僅是傳統(tǒng)生產(chǎn)方法的60%~80%。(3)應用范圍廣

食品擠壓加工適用于小吃食品,即谷物食品、方便食品、乳制品、肉類制品、水產(chǎn)制品、調味品、糖制品、巧克力制品等許多食品生產(chǎn)領域,并且經(jīng)過簡單地更換模具,即可改變產(chǎn)品形狀,生產(chǎn)出不同外形和花樣的產(chǎn)品,因而產(chǎn)品范圍廣、種類多、花色齊,可形成系列化產(chǎn)品。第二節(jié)擠壓成型機械與設備一、擠壓成形原理3.擠壓加工的特點(4)經(jīng)濟效益高

擠壓加工技術與傳統(tǒng)生產(chǎn)加工方法相比,其生產(chǎn)流程短,減少了許多單機的使用,投資少、投資回收期短。同時生產(chǎn)費用低,有資料報道,用擠壓設備進行生產(chǎn),其生產(chǎn)費用僅為傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的40%左右。這在很大程度上降低了產(chǎn)品成本。(5)產(chǎn)品品質好

擠壓膨化屬于高溫瞬時的加工技術,幾乎不破壞食品中的營養(yǎng)成分。擠壓膨化后食品的質構呈多孔狀,分子之間出現(xiàn)間隙有利于人體消化酶的進入,利于人體的消化吸收。

含有較多的纖維素的食物口感較差,經(jīng)擠壓膨化后,在擠壓機中受到高溫、高壓和剪切、摩擦作用和在擠壓機擠出?？椎乃查g膨化作用,使得這些成分徹底地微粒化,并且產(chǎn)生了部分分子的降解和結構變化,使水溶性增強,改善了口感。在擠壓過程中的瞬間高溫能夠鈍化酶類,破壞有害物質,提高食品的食用安全性。

含淀粉類食品經(jīng)擠壓加工后,淀粉糊化充分,組織結構化,α-淀粉分子不易重排產(chǎn)生回生現(xiàn)象,產(chǎn)品含水量低,不利于微生物的生產(chǎn)繁殖,保藏性能好。第二節(jié)擠壓成型機械與設備二、擠壓機分類1.根據(jù)擠壓機的受熱方式不同分類

根據(jù)擠壓機的受熱方式不同可分為內熱式擠壓機和外熱式擠壓機。(1)內熱式擠壓機

它在擠壓過程中所需的工作溫度全部來自于物料與螺桿、機筒之間的摩擦產(chǎn)生的熱量。擠壓溫度受生產(chǎn)能力、水分含量、物料粘度、環(huán)境溫度、螺桿轉速等多方面因素的影響,不易進行人為的溫度控制。該設備一般轉速較高,產(chǎn)生較大的剪切力,但產(chǎn)品質量穩(wěn)定性差,操作控制不靈活。內熱式擠壓機一般用于膨化食品的生產(chǎn)。(2)外熱式擠壓機

它在擠壓過程中所需的工作溫度主要來源于外部加熱器,通過加熱器提高擠壓機機筒和物料的溫度。加熱方式有采用蒸汽加熱、電磁加熱、電熱絲加熱、油加熱等。根據(jù)擠壓過程各階段對溫度參數(shù)要求的不同,可設計成等溫式擠壓機和變溫式擠壓機。等溫式擠壓機的筒體溫度全部一致,變溫式擠壓機的筒體分為幾段,分別進行加熱或冷卻,分別進行溫度控制。

內熱式擠壓機一般是高剪切力擠壓機,外熱式擠壓機可以是高剪切力的,也可以是低剪切力的。外熱式擠壓機生產(chǎn)適應性強、設備靈活性大,操作控制簡單方便,產(chǎn)品質量穩(wěn)定。內熱式擠壓機和外熱式擠壓機的主要區(qū)別見表12-1。第二節(jié)擠壓成型機械與設備二、擠壓機分類1.根據(jù)擠壓機的受熱方式不同分類

第二節(jié)擠壓成型機械與設備表12-1內熱式擠壓機和外熱式擠壓機的主要區(qū)別二、擠壓機分類2.根據(jù)擠壓過程的剪切力的大小進行分類

根據(jù)擠壓機在擠壓過程中產(chǎn)生的剪切力的大小不同,擠壓機可分為高剪切力擠壓機和低剪切力擠壓機。(1)高剪切力擠壓機

它是指在擠壓過程中能夠產(chǎn)生較高剪切力的擠壓機。這類設備在結構上采取一定的措施來提高擠壓過程中的壓力和剪切力。高剪切力擠壓機的壓縮比較大,長徑比較小,一般多為內熱式擠壓機。這類設備具有較高的轉速和較高的擠壓溫度。比較適合于生產(chǎn)簡單形狀的產(chǎn)品,復雜形狀的產(chǎn)品成形較困難,大多為膨化產(chǎn)品。(2)低剪切力擠壓機

它是指在擠壓過程中能夠產(chǎn)生剪切力較小的擠壓機。在生產(chǎn)過程中它的主要作用在于混合、蒸煮、成形。低剪切力擠壓機的壓縮比較小,長徑比較大,一般多為外熱式擠壓機。低剪切力擠壓機加工的物料的水分含量一般較高,擠壓過程物料粘度較低,故操作中,引起的機械能粘滯耗散較少。該類設備較適合于濕軟的動物、魚類飼料或高水分食品的生產(chǎn)。該設備產(chǎn)品成形率較高,生產(chǎn)形狀復雜的產(chǎn)品較為理想。

高剪切力擠壓機和低剪切力擠壓機的主要區(qū)別見表12-2。第二節(jié)擠壓成型機械與設備二、擠壓機分類2.根據(jù)擠壓過程的剪切力的大小進行分類第二節(jié)擠壓成型機械與設備表12-2高剪切力擠壓機和低剪切力擠壓機的主要區(qū)別二、擠壓機分類3.根據(jù)螺桿的數(shù)目不同進行分類

根據(jù)擠壓機的螺桿數(shù)目不同,擠壓機可分為單螺桿擠壓機、雙螺桿擠壓機。(1)單螺桿擠壓機

它在套筒內只有一根螺桿,它是靠螺桿和機筒對物料的摩擦來輸送物料和形成一定壓力的。一般情況下物料與機筒之間的摩擦因數(shù)大于物料與螺桿之間的摩擦因數(shù)。否則,物料將包裹在螺桿上一起轉動而起不到向前推進的作用。單螺桿擠壓機結構簡單,制造方便,但輸送效率差,混合剪切不均勻。(2)雙螺桿擠壓機

它在套筒中并排安放兩根螺桿,套筒橫截面是∞形,雙螺桿擠壓機的工作原理與單螺桿擠壓機有所不同,雙螺桿擠壓機按兩根螺桿的相對位置,可以分為嚙合型與非嚙合型。非嚙合型的雙螺桿擠壓機,其工作原理基本與單螺桿擠壓機相似,實際使用少。嚙合型雙螺

桿擠壓機的兩根螺桿有不同程度的嚙合,在螺桿嚙合處,螺桿的連續(xù)的螺槽被分成相互間隔的C形小室如圖12-9所示。螺桿旋轉時,隨著嚙合部位的軸向移動,C形小室同時作軸向移動。螺桿每轉一圈,C形小室向前移動一個導程的距離。C形小室中的物料,由于嚙合螺紋的推力作用而向前移動。雙螺桿擠壓機輸送效率高,混合均勻,剪切力大,具有自清潔能力,但結構較復雜,價格較昂貴,配合精度要求高。雙螺桿機與單螺桿機的主要區(qū)別見表12-3。第二節(jié)擠壓成型機械與設備二、擠壓機分類3.根據(jù)螺桿的數(shù)目不同進行分類第二節(jié)擠壓成型機械與設備圖12-9

C形小室二、擠壓機分類3.根據(jù)螺桿的數(shù)目不同進行分類第二節(jié)擠壓成型機械與設備表12-3雙螺桿機與單螺桿機的主要區(qū)別三、擠壓機的主要工作構件1.套筒

擠壓機的套筒與螺桿及模板共同組成了擠壓機的擠壓系統(tǒng),完成對物料的輸送、加壓、剪切、混合等功能。是擠壓系統(tǒng)的最重要部件之一。擠壓機的套筒是與旋轉著的擠壓螺桿緊密配合的圓筒形構件。套筒的結構形式關系到熱量傳遞的特性和穩(wěn)定性,影響到物料的輸送效率、壓力的形成和壓力的穩(wěn)定性。套筒是擠壓機中最易磨損的構件,因此套筒應選擇機械強度高、加工性能好、耐腐蝕與耐磨蝕性能好的材料。由于套筒不易加工和更換,要求套筒比螺桿有較高的硬度。一般情況下,螺桿的表面硬度為60~65HRC,套筒內表面硬度大于65HRC。螺桿與套筒的配合間隙十分重要。在制造時達到較高的機械制造精度得到可靠保證的前提之下,選用較小的間隙值,有利于提高擠壓機的工作性能。根據(jù)設備的性能和生產(chǎn)能力的不同,不同的擠壓設備具有不同的套筒內徑(D)和長徑比(L/D)。食品擠壓機的套筒內徑一般在45~300mm,長徑比一般為1∶1~20∶1。

根據(jù)套筒的結構形式不同,套筒分成整體式套筒、分段式套筒、雙金屬套筒、開槽套筒帶及排氣孔的套筒等。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件1.套筒(1)整體式套筒

整體式套筒的結構如圖12-10所示。其特點是裝配簡單;加工精度和裝配精度高;螺桿與套筒易達到較高的同心度,在一定程度上會減少螺桿與螺桿之間、螺桿與套筒之間的摩擦。另外,在套筒上設置外熱器不易受到限制,套筒受熱容易均勻。但是,套筒的加工設備要求較高,加工技術和精度要求也較高,套筒內表面一旦出現(xiàn)磨損,整個套筒必須更換。第二節(jié)擠壓成型機械與設備圖12-10整體式套筒三、擠壓機的主要工作構件1.套筒(2)分段式套筒

分段式套筒的結構如圖12-11所示。該套筒是將整個套筒分成幾段加工,然后用一定的聯(lián)接方式將各段連接起來,形成一個完整套筒。這種形式的套筒比整體式套筒容易加工,在實際生產(chǎn)時,可根據(jù)生產(chǎn)的不同需要,拆換幾段套筒和幾段螺桿,從而比較方便地改善機器的長徑比。因此,實驗室用擠壓機多采用分段式套筒。但是,這種形式的套筒在聯(lián)接時較難保證各段有較高的同心度。一旦各段套筒的同心度有偏差,螺桿與套筒之間產(chǎn)生摩擦造成較大磨損。套筒加熱的均勻性較差。第二節(jié)擠壓成型機械與設備圖12-11分段式套筒三、擠壓機的主要工作構件1.套筒(3)雙金屬套筒

雙金屬套筒是由兩種不同的金屬所組成。套筒工作表面層采用耐腐蝕、硬度高、耐磨損的優(yōu)質金屬。它主要有兩種結構形式:一種是襯套式,一種是澆鑄式。1)襯套式套筒:其內表面是可更換的合金鋼襯套,外表面是一般的碳素鋼或鑄鋼材料。它可以做成分段式,也可以是整體式。這種結構形式的套筒在滿足抗磨損、抗腐蝕的要求下,節(jié)省了貴重金屬材料,襯套磨損后可更換,提高了整個套筒的使用壽命,但其制造較復雜。2)澆鑄式套筒:其內表面經(jīng)離心澆鑄法澆鑄了一層大約2mm厚的合金層,然后將此層研磨到所需要的套筒內徑尺寸和表面粗糙度。這種套筒的特點是合金層與套筒基體的結合較好,沿套筒軸向上的結合較均勻,既沒有剝落的傾向,也不會開裂,還有極好的滑動性能。由于合金層耐磨性好,該套筒的使用壽命較長。

以上幾種形式的套筒,其內表面都是光滑的圓筒面,容易制造,目前絕大多數(shù)的套筒都采用此種形式。但擠壓機理論與實踐表明,此形式套筒的輸送效率較低,一般只有20%~40%。為了進一步提高生產(chǎn)能力和壓力,經(jīng)常使用一些結構有所變化的套筒。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件1.套筒(4)開槽套筒

開槽套筒是在套筒的內表面上開有小凹槽,以防止物料在套筒內壁上滑動。小凹槽一般開在套筒的進料段位置。該套筒有利于提高物料輸送效率,使物料在套筒內較早地形成穩(wěn)定壓力,縮短輸送段的距離,以利產(chǎn)品質量的穩(wěn)定和提高。(5)帶排氣孔的套筒

帶排氣孔的套筒是在套筒的某一位置開設了泄氣的閥門或孔口。普通擠壓機在高溫高壓物料擠出模板的瞬間,壓力突然變化,物料所含水分急劇汽化釋放,完成擠壓膨化的全過程。此類擠壓機在高剪切、高壓、高溫的條件,難以控制產(chǎn)品的膨化度和糊化度,復雜形狀的產(chǎn)品的成形率較低。帶排氣孔的套筒與特殊設計的螺桿相配合,套筒排氣孔處的螺桿特征與輸送段螺桿基本相同。此時,螺桿對物料不再起加壓作用,只起輸送作用,防止了物料從排氣孔排出,同時讓汽化的水分和空氣從排氣孔排掉,達到預先排除部分氣體的目的。帶排氣孔的套筒的擠壓機在高剪切、高壓、高溫的條件,能夠控制產(chǎn)品的膨化度和糊化度,提高復雜形狀的產(chǎn)品的成形率。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件2.螺桿

螺桿是食品擠壓機的中心構件,由螺紋和齒根組成。螺紋是指繞在螺桿周圍的螺旋卷金屬帶,螺紋的外部形狀,通常為矩形或梯形。梯形螺紋使通道的上部寬度大于齒根部寬度,可以減少物料滯留在螺紋和齒根間的轉角處。齒根是指螺桿除去螺紋后,余下的連續(xù)的中心軸,它可以是圓柱形或圓錐形,螺桿齒根處的直徑稱齒根直徑。螺桿名義直徑是指螺桿在其中轉動的套筒的內徑,用D表示。螺桿的進料段通道的展開容積與排料段螺桿的最后一周螺紋的展開容積之比稱為壓縮比,一般為1∶1~5∶1。螺桿的螺紋齒高與螺桿直徑之比稱為高徑比(通常根據(jù)計量段來計算)。

食品擠壓機的螺桿的作用是輸送原料,施加擠壓、剪切和混合作用于物料,然后把融熔狀的物料從?？字袛D出。按其功能的不同沿螺桿長度可以分為進料段、壓縮段、計量段,如圖12-12所示。

進料段也稱喂料段或輸送段。螺桿在進料口喉道處接收原料的部分統(tǒng)稱進料段;它一般占螺桿總長度的10%~25%。進料段一般采用深螺紋,以便物料能較易落入螺槽,并很快被輸送到壓縮段。它的作用是保證充足的物料沿著螺桿向前均勻而穩(wěn)定地移動和輸送,使后面的螺桿完全充滿。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件2.螺桿第二節(jié)擠壓成型機械與設備圖12-12螺桿的功能分段圖三、擠壓機的主要工作構件2.螺桿

壓縮段也稱擠壓段。一般占螺桿總長度的50%左右。擠壓是螺桿的核心功能。在壓縮段,物料被壓縮并受到摩擦和剪切的作用。其壓縮的過程可用螺桿的壓縮比表示。使物料受壓縮的方式一般有改變螺紋深度、改變螺紋螺距,改變套筒結構或在螺桿上加阻流環(huán)等方式。物料在壓縮段被擠壓成連續(xù)的面團狀物質,即從原來顆粒或粉末狀態(tài)變?yōu)橐环N無定形的塑性面團。

計量段也稱限流段、排料段或控溫段。它是最靠近擠壓機出料口的螺桿部分,它的特征在于具有很淺螺槽或很小螺距的螺紋。它的作用是使物料再進一步受到高剪切的作用,使溫度急劇上升。在該段,剪切速率達到最高值。機械能的大量耗散和外部的加熱作用使物料溫度上升很快。由于高剪切的作用,加劇了物料的內部混合,使物料溫度趨于均勻。在該段,物料基本上呈熔融狀態(tài)。有時為了增大剪切力和壓力,還在該段加設反向螺桿,也可采用柱銷或切口螺紋,以利提高混合效果和加強機械能耗散。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件2.螺桿(1)螺桿的結構形式1)等距變徑螺桿:等距變徑螺桿從進料段的第一個螺槽開始至計量段的最后一個螺槽,其螺距恒定不變,而螺紋齒根直徑逐漸增大,即螺槽深度逐漸變淺。該種螺桿由于進料段螺槽較深,有利于進料,計量段螺槽較淺,有利于加強物料的剪切混合。但是,由于進料段齒根直徑較小,因而在同等條件下,與等徑變距螺桿相比,螺桿能承受的轉矩較小,不能用于壓縮比大的小直徑螺桿結構上,否則螺桿的強度受到影響。等距變徑螺桿相對于其他形式的螺桿來說,加工容易,制造成本低。2)等徑變距螺桿:等徑變距螺桿的螺紋齒根直徑恒定不變,而螺距則從螺桿的第一個螺槽開始至計量段末端為止逐漸變小。該種螺桿由于螺槽深度不變,進料段的齒根直徑與計量段齒根直徑相同,有利于提高轉矩和螺桿轉速。由于螺距變化,有利于設計大壓縮比的設備。但由于計量段的螺槽深度也較大,在同等壓縮比的條件下,熔料的倒流量較大。計量段螺槽深,對物料進一步的剪切、混合、均化作用較差。等徑變距螺桿加工較困難,需要采用數(shù)控機床加工,因此較少采用。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件2.螺桿(1)螺桿的結構形式3)變徑變距螺桿:變徑變距螺桿從加料段至計量段,其螺紋齒根直徑逐漸變大而螺距逐漸變小。這種螺桿具有上述兩種螺桿共有的優(yōu)點,可以得到較大的壓縮比。與等徑變距螺桿相比,對物料的混合與剪切作用也有所改善,但其機械加工更加復雜。

以上三種形式的螺桿結構是擠壓機最常見的螺桿形式。在實際使用過程中這類螺桿存在輸送效率不穩(wěn)定,擠壓機內壓力的形成不均勻且易波動,難以完全滿足固體顆粒熔融和物料均勻混合的要求,進而影響產(chǎn)品質量。目前出現(xiàn)了一些結構特別的螺桿,這些螺桿為了提高擠壓機的混合效果,穩(wěn)定擠壓過程,以便生產(chǎn)出質地勻均、組織化程度高、質量好的產(chǎn)品,有的以剪切作用為主,混合作用為輔;有的以混合作用為主,剪切作用為輔。這些螺桿形式有帶反向螺紋的螺桿、分離型螺桿、屏障型螺桿等。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件2.螺桿(1)螺桿的結構形式4)帶反向螺紋的螺桿:它是在壓縮段或計量段加設了反向螺紋,使物料產(chǎn)生倒流的趨勢,這樣可進一步提高壓力和剪切力,提高混合效果。

分離型螺桿的基本結構是進料段與普通螺桿的結構相似,在進料段末端設置一條起屏障作用的附加螺紋,螺紋的外徑小于主螺紋,其始端與主螺紋相交,但其導程與主螺紋不同。該種螺紋有利于加強物料進入壓縮段后的剪切作用,因副螺紋與套筒間隙只允許熔融料通過,便于物料進入壓縮段后熔融成為可塑性面團,并且提高熔融的均勻性,從而可以改善擠出物質地的均勻性,提高生產(chǎn)能力,降低單耗。

屏障型螺桿在普通螺桿的某一位置上設置屏障段,以達到提高剪力和摩擦力,使物料經(jīng)壓縮段后,尚存的固體物料徹底地熔融和均化。在大多數(shù)情況下,屏障段都設置在螺桿的頭部,因此也稱為屏障頭。使物料在進出屏障段中呈渦狀環(huán)流運動的狀態(tài),這樣有利于物料進一步的混合和均勻化。

分流型螺桿是在普通型螺桿上設置分流機構的一種新型螺桿,它與分離型和屏障型螺桿的工作原理有所不同。它是利用設置在螺桿上的銷釘或利用螺桿上所開的通孔將含有固體顆粒的熔融物料流分成許多小流股,然后又混合在一起,經(jīng)過如此反復的過程,提高剪應力的作用。在擠壓剪切作用下,使大的未熔顆料變小,最后達到徹底熔融和均質,從而得到質地均一的擠出物。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件2.螺桿(2)雙螺桿擠壓機的螺桿

雙螺桿擠壓機的螺桿結構與單螺桿擠壓機基本相似,雙螺桿擠壓機的螺桿是分段設置螺紋并在適當?shù)奈恢蒙显鲈O捏合盤,增加剪切混合作用。雙螺桿擠壓機按兩根螺桿的相對位置,可以分為嚙合型與非嚙合型(圖12-13),非嚙合型的雙螺桿擠壓機,其工作原理基本與單螺桿擠壓機相似,實際使用少,按兩根螺桿的旋轉方向,可分為同向旋轉與反向旋轉兩大類(圖12-14),反向旋轉又有向內反向旋轉和向外反向旋轉兩種形式(圖12-13)。第二節(jié)擠壓成型機械與設備圖12-13螺桿的嚙合a)嚙合型b)非嚙合型三、擠壓機的主要工作構件2.螺桿(2)雙螺桿擠壓機的螺桿第二節(jié)擠壓成型機械與設備圖12-14螺桿的旋轉a)同向旋轉b)反向旋轉三、擠壓機的主要工作構件2.螺桿(2)雙螺桿擠壓機的螺桿1)同向旋轉:同向旋轉式雙螺桿嚙合部的壓力區(qū)性質不同,各螺桿進入嚙合區(qū)為加壓,脫離嚙合區(qū)為減壓。當兩根螺桿均以順時針方向旋轉時,螺桿1進入嚙合區(qū)與螺桿2脫離嚙合區(qū)相鄰。反之,螺桿2進入?yún)^(qū)和螺桿1脫離區(qū)相鄰。在這種壓力分布情況下,螺桿1推送的C形物料將在螺桿1和螺桿2嚙合形成的壓力差下,由螺桿1向螺桿2螺槽轉移,在螺桿2的C形空間內形成新的物料段,接著又在螺桿2推動下,于螺桿2和螺桿1嚙合區(qū)向螺桿1轉移。由于同向旋轉雙螺桿在嚙合處的速度方向相反,一根螺桿把物料拉入嚙合間隙,另一根螺桿把物料從間隙中推出,結果使物料從一根螺桿移動到另一根螺桿中,成∞形前進,有助于物料的混合和均化,這種物流在出料端沿圓周橫截面上的流量不均勻。同時在擠壓過程中產(chǎn)生的蒸汽會從物料的螺旋槽地方回流。在同向旋轉雙螺桿中,嚙合處的速度方向相反,相對速度大,其清除粘附在螺桿上的物料能力較大。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件2.螺桿(2)雙螺桿擠壓機的螺桿

2)反向旋轉:反向旋轉式雙螺桿擠壓機一般采用兩根尺寸完全相同,但螺紋方向相反的螺桿。根據(jù)推送物料的方向又有向內反向旋轉和向外反向旋轉兩種形式,向內反向旋轉和向外反向旋轉兩種形式的主要區(qū)別在于壓力區(qū)位置的不同。向內反向旋轉式雙螺桿在上部進入嚙合,建立高壓區(qū),在下部雙螺桿脫離嚙合,產(chǎn)生低壓區(qū)。物料在通過雙螺桿時,受到類似于碾輪產(chǎn)生的擠壓作用。但螺桿嚙合緊密,勢必形成極高的入口壓力,造成進料困難。因此,目前這種向內反向旋轉式很少采用,僅用于非嚙合雙螺桿擠壓機上。向外反向旋轉建立的高壓區(qū)在下部,低壓區(qū)在上部,這種旋轉方式有利于喂入物料。擠壓中,物料受到類似碾輪產(chǎn)生的擠壓嚙合作用。和同向旋轉不同,物料在螺桿內形成的C形小室,由于兩根螺桿旋向相反,不可能從一根螺桿移向另一根螺桿,而只能在一根螺桿內向排料口作軸向平移,直至從排料口擠出。牽引產(chǎn)生的正流和反壓產(chǎn)生的逆流只能在C形小室內進行,被阻擋在嚙合區(qū)的物料經(jīng)受一根螺桿螺紋頂面和另一根螺桿螺紋根部及嚙合螺紋側面的碾壓和捏合。顯而易見,反向旋轉式雙螺桿擠壓機其物料產(chǎn)生的混合程度比同向旋轉所產(chǎn)生的混合程度要小。在反向旋轉式雙螺桿中,齒頂與另一根螺旋的齒根存在著速度差,在轉動過程中能相互清除粘附在螺桿上的物料,這個速度差較小,自清潔性能相對較小。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件3.模板

擠壓機的模板是物料從擠壓機擠出之前最后經(jīng)過的通道。該通道的橫截面積遠遠小于擠壓機套筒中螺桿與套筒之間孔隙的橫截面積,使物料在套筒中產(chǎn)生一定背壓。物料經(jīng)過模具時便由原來在擠壓腔中的螺旋運動變?yōu)橹本€運動,有利于物料的組織化作用。同時,在模板中物料經(jīng)受擠壓過程的最后一道剪切作用,進一步提高了物料的混合和混煉效果。模板的模口具有一定的形狀,使產(chǎn)品達到了造型的目的。

擠壓機的模板通常分成單純板式模板和復合式模板以及生產(chǎn)夾心產(chǎn)品的共擠出模板(圖12-15)。

單純板式模板用于生產(chǎn)形狀簡單、多為實心的產(chǎn)品;復合式模板具有成形模芯,常用于生產(chǎn)形狀復雜,多為空心的產(chǎn)品:共擠出模板用于生產(chǎn)夾有餡心的產(chǎn)品。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件3.模板第二節(jié)擠壓成型機械與設備圖12-15模板a)單純板式模板b)復合式模板c)共擠出模板三、擠壓機的主要工作構件4.切割器

切割器的作用是將產(chǎn)品切割成一定的長度,它與模具相配合,給予產(chǎn)品以一定的外形。

切割器直接安裝在機頭對擠出物料進行切割成形。通常采用旋轉刀片完成切割操作,刀片旋轉平面與模板端面平行,切割長度通過調節(jié)刀片的旋轉速度和物料的擠出線速度進行控制。切割器由電動機和刀片組成。切割刀片形狀如圖12-16所示,切割刀片應較鋒利,在保證強度的前提下盡可能薄一些,以減少切割阻力,提高產(chǎn)品成形率。

切割器有中心切割器、飛速切割器和剪切式切割器等。中心切割器是指切割器的旋轉軸線與模板的中心軸線重合,該切割器的刀片長度較短。飛速切割器是指切割器的旋轉軸線在模板的中心軸線外側,該切割器的刀片長度較長旋轉速度快。剪切式切割器是指切割器的刀片類似與剪刀運動將擠出物切斷,調節(jié)切割器刀片的擺動速度控制產(chǎn)品長度。第二節(jié)擠壓成型機械與設備三、擠壓機的主要工作構件4.切割器第二節(jié)擠壓成型機械與設備圖12-16切割刀片形狀四、擠壓機的操作1.開機前的準備

開機前,必須安裝好擠壓機及其相應的輔助設備。尤其是螺桿和套筒裝配要準確,用手轉動以確保擠壓機螺桿和機筒之間不得有任何摩擦或卡死現(xiàn)象?？梢杂媒饘侔粢欢丝吭谔淄采?一端貼近耳朵進行探聽。若配合不準確,除了轉動時產(chǎn)生受阻現(xiàn)象外,還會聽到因摩擦產(chǎn)生的異常聲音。除了以上的裝配和檢查工作外,還要檢查設備的潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),以及潤滑劑是否需要更換和添加等。都檢查完畢,即開啟加熱系統(tǒng),所有的蒸汽管道的閥門都要打開,放掉冷凝水,排除所有雜物。將設備預熱至所需溫度。

開機前,檢查加料器和調節(jié)裝置,確定其能否正常工作,有時加料器還需要校準到正常運行的標準狀態(tài)。在原料加料器上應裝有磁選器以除去金屬物,防止飛流金屬進入機內。最后,所有報警器和安全設施也應處于完好等待狀態(tài)。第二節(jié)擠壓成型機械與設備四、擠壓機的操作2.開機

開機的過程由于擠壓機尚未進入穩(wěn)定運轉狀態(tài),最易產(chǎn)生堵機、堵模現(xiàn)象。開機后盡可能快地使擠壓機達到運行條件和正常狀態(tài),如果起動過程持續(xù)很長,則起動過程中所需的原料費用就增加,所以完善食品擠壓機正常操作細節(jié)很重要,這有利于盡快進入正常運行,最大限度地減少生產(chǎn)時間的損失、廢品的數(shù)量和避免設備損壞。

預調質器和擠壓機電動機起動后,物料才直接進入擠壓機。

擠壓機的最初作用是喂料作用,螺桿把物料推向前進,直到物料完全充滿擠壓室的空腔。操作者要監(jiān)視電動機的動力負荷和擠出物的情況,一旦出現(xiàn)螺桿充滿物料情況(?？字杏袧駭D壓物出現(xiàn)),喂料量就以每隔1~2min的間隙少量、緩慢地增加,同時相應調節(jié)好進料水分,逐步使產(chǎn)品達到最終所需的含水量。

擠壓機的傳動功率、模板溫度、模板處的擠出壓力以及被擠壓產(chǎn)品的狀態(tài)都是關鍵參數(shù),這些參數(shù)可作為操作人員在設備起動期間進行操作的依據(jù)。所有這些參數(shù)將由操作人員依據(jù)正常運行時參數(shù)變化要求,迅速朝著平衡狀態(tài)進行調節(jié)。通常一個熟練的操作人員,可在物料入機后用10~20min時間,就能使較大型的擠壓機投入正常運行,生產(chǎn)出令人滿意的產(chǎn)品。第二節(jié)擠壓成型機械與設備四、擠壓機的操作3.正常運轉

擠壓機處于穩(wěn)定運轉狀態(tài)后,應保證進料系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性,確保維持操作過程主要參數(shù)的恒定。操作人員密切觀察擠壓機的運轉狀態(tài),根據(jù)擠壓機的傳動功率、模板溫度、模板處的擠出壓力以及被擠壓產(chǎn)品的狀態(tài)等關鍵參數(shù)的變化,及時調整擠壓機的進料量、螺桿轉速等。除此之外,進料人員和配料人員的工作應細心認真,要嚴格防止石塊、鐵釘、螺釘?shù)入s物混入原料中,否則會磨損螺桿、套筒,損壞設備。運轉中避免突然停電,防止機內物料焦化、炭化,造成堵機。4.停機

停機的過程與開機的過程正好相反。停機時,首先將擠壓機套筒的加熱系統(tǒng)關閉,并對套筒進行冷卻。同時,緩慢降低螺桿轉速和進料量,增大進水量,直到溫度下降到100℃以下,方可停止進料。有時為了清洗方便,在溫度低于100℃以下停止進料時,一直保持大量進水,直到將套筒中的殘余物料基本上全部推送而出。這樣可以減少后期的清洗工作量。溫度降至100℃以下時,基本上可以停止運轉。

停機后常常需要對擠壓機的構件進行清理。首先拆下模板,拆模板時需要仔細,因為擠壓機內殘存壓力突然釋放會對操作者有潛在的危險,模板拆下后,接著開動螺桿把機內剩余物料旋轉出來。最后將螺桿、套筒、模具、切割器完全拆卸,進行認真的清洗,以免在這些部件上粘附有殘余物料。這些殘余物料在下次開機預熱時會產(chǎn)生焦化,影響下一次的正常生產(chǎn)。第二節(jié)擠壓成型機械與設備四、擠壓機的操作5.故障排除

由于入料成分的變化、擠壓機的磨損以及其他難以說明的變化會引起擠壓產(chǎn)品性能的變化。一般這些變化常常表現(xiàn)在產(chǎn)品的外觀狀態(tài)、組織及密度等方面。為了改善所期望產(chǎn)品口感和產(chǎn)品膨脹性,可用增加擠壓溫度或降低擠壓物的水分來實現(xiàn)。

擠壓機的操作不穩(wěn)定經(jīng)常與動力和模頭壓力的急劇升降相關,許多波動是高溫擠壓操作過程中所形成的蒸汽通過螺桿向進料斗逸出,由于蒸汽流動干擾了螺旋槽內被壓縮的物料,因此造成短時出料減少。這種狀況有時稱之為“蒸汽反流”。通常在喂料斗發(fā)現(xiàn)有蒸汽就可以確認發(fā)生了“蒸汽反流”。有時這種波動可以通過冷卻喂料段、瞬時冷卻擠壓機出料端或增加喂料量等方法來解決。此時需要物料能很好地再充滿螺桿而恢復正常運行狀態(tài)。

有時擠壓機的加工條件發(fā)生了急劇變化,為了避免機械損壞和造成難以清理的局面,要求采取果斷而強烈的措施。由于減小喂料量會引起許多混亂,最有效的方法是加水或加大蒸汽量,因為物料太干燥會引起擠壓機阻塞或電動機過載。因此,在這種情況下,操作者必須迅速變換物料或恢復加水。生產(chǎn)實踐中是寧可加水也不讓擠壓機產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象。第二節(jié)擠壓成型機械與設備一、焙烤食品簡介1.按發(fā)酵和膨化程度的分類(1)用培養(yǎng)酵母或野生酵母使之膨化的食品

包括面包、蘇打餅干、燒餅等。(2)用化學方法膨松的制品

包括各種蛋糕、炸面包圈、油條、餅干等?？傊抢没瘜W疏松劑小蘇打、碳酸氫銨等生產(chǎn)的二氧化碳使制品膨化。(3)利用空氣進行膨化的制品

天使蛋糕、海綿蛋糕等不用化學疏松劑的食品。(4)利用水分汽化進行膨化的制品

主要指一些類似膨化食品的小吃,它不用發(fā)酵也不用化學疏松劑。第三節(jié)焙烤裝備一、焙烤食品簡介2.按照生產(chǎn)工藝特點分類(1)面包類

包括聽形面包、硬式面包、軟式面包、主食面包、果子面包等。(2)松餅類

包括牛角可松、丹麥式松餅、派類及我國的千層油餅等。(3)蛋糕類。(4)餅干類。(5)點心類。第三節(jié)焙烤裝備二、食品在焙烤中的變化1.水分的變化

餅干在焙烤過程中水分的變化大致有:坯料進爐的最初階段表面出現(xiàn)冷凝水少量蒸發(fā)過程;中間的快速脫水過程;后階段的恒速脫水過程。進烤爐開始階段,爐膛內的溫度與餅坯表面存在溫度差,含水分較高的熱空氣有部分水分在餅坯表面凝聚,造成餅坯表面的水分相對增加,這樣有助于餅坯表面的淀粉吸水和附著水。隨著焙烤的繼續(xù)進行,溫度逐漸上升,當餅干表面溫度超過100℃時,脫水過程從排除游離水和附著水逐漸轉為排除結合水,這個階段排除的水分最多,占焙烤總失水量的50%左右,焙烤時間也最長。進入焙烤最后階段時,大部分的結合水被排除,水分蒸發(fā)速度顯著減慢,餅干內部的水處于恒速蒸發(fā)階段,失水量為整個焙烤過程失水量的1/3左右。出爐時,餅干的含水量在10%左右;經(jīng)冷卻后,餅干中的含水量一般在4%左右。第三節(jié)焙烤裝備二、食品在焙烤中的變化2.體積的變化

在膨松劑和水蒸氣的作用下,餅干的厚度和表面積在焙烤過程中都會有一定程度的增長。目前使用的膨松劑主要是碳酸氫銨或碳酸氫鈉。當餅干內部溫度上升到35℃時,碳酸氫銨首先分解,產(chǎn)生二氧化碳和氨氣,其疏松作用較迅速,主要趨向于使餅干的厚度增加;當溫度升到65℃時,碳酸氫鈉開始分解,產(chǎn)生二氧化碳和碳酸鈉,其疏松作用較溫和,主要使餅坯的橫向尺寸擴大,增加餅干的表面積;當餅干溫度達到100℃時,其內部的水分受熱變成水蒸氣,體積膨脹,壓力上升,使餅坯產(chǎn)生一定的膨脹力,達到脹發(fā)效果。烘烤前餅坯的厚度為2.5~3mm,烘烤后餅干成品厚度達5~6mm。3.溫度的變化

餅坯進入烤爐時,其表面溫度約為30℃;進入烤爐后,其表面溫度在0.5min內即可以達到100℃左右,很快表面溫度達到130℃,烘烤后期餅干的表面溫度達140~180℃左右。全過程一般為4~5min。第三節(jié)焙烤裝備二、食品在焙烤中的變化4.有機物的變化

在烘烤開始時,面粉中的淀粉酶由于溫度上升而變得活潑起來,當餅坯溫度達到50~60℃時,淀粉酶的作用加大,產(chǎn)生部分糊精和麥芽糖,蛋白酶的作用亦由于溫度升高而比面團發(fā)酵時劇烈得多。餅坯中心溫度在45~65℃時,蛋白酶水解,蛋白質生成氨基酸,當餅坯溫度升到80℃時,蛋白質凝固,失去其膠體的特性,面筋網(wǎng)絡發(fā)生變性凝固,彈性消失,形成骨架,使餅坯達到定型要求。當餅坯中心溫度升高到80℃時,各種酶的活動因蛋白質變性而停止,酵母死亡。餅坯中的蛋白質在烘烤中,由于溫度逐漸上升而脫水,使面團調制時吸收的水分釋放出來,被急劇膨脹的淀粉粒吸收。淀粉吸收餅坯中心一部分重新分配的水分后,糊化形成粘稠的膠體,充滿在面筋網(wǎng)絡中,待冷卻后,形成結實的凝膠體。蘇打餅干因酵母的發(fā)酵作用而產(chǎn)生的有機酸和酒精在烘烤過程中受熱揮發(fā),但乳酸揮發(fā)量極小。由于餅坯中的碳酸氫鈉受熱分解生成碳酸鈉,故烘烤后餅干的pH值略有升高。第三節(jié)焙烤裝備二、食品在焙烤中的變化5.組織結構的變化

在烤爐中,由于高溫的作用,使具有含水膠體的生餅坯變成良好的具有穩(wěn)定的多孔性海綿狀態(tài)結構的成品。同時烘烤使餅坯失去水分,達到干燥要求,從而使柔軟且有可塑性的餅坯變成有穩(wěn)定形態(tài)的餅干,使之能耐較長時間的保存并具有攜帶方便的特點。6.色澤的變化

餅坯進入烤爐的后期當表面溫度升到140℃時,餅坯表面的顏色逐漸轉為淺黃色,這就是餅干的上色階段。餅干的顏色主要是由以下兩種作用形成的。(1)焦糖化作用

糖的焦化僅包括最初水解的單糖和在熱的影響下聚合后的多糖。這些糖在熱的影響下,會變成一種有色的物質,當加熱溫度超過糖的熔點時,糖即焦化成為帶黑褐色焦糖素等復雜物質的混合物并分布在餅坯表面,因此餅坯表面層溫度最高可以達到180℃左右。餅坯表面焦糖化作用的程度,除溫度外,還和餅坯的含糖量、pH值等多種因素有關。餅干中含糖量越多,越有利于上色;pH越高,越有利于上色,所以餅干中要添加堿性化學膨松劑。第三節(jié)焙烤裝備二、食品在焙烤中的變化6.色澤的變化(2)美拉德反應

餅干含有大量的糖和蛋白質,其中的還原糖與蛋白質進行銨反應形成類黑色素。當溫度達到150℃時,反應速度最快。在餅坯烘烤后期表面溫度可達140~180℃,有利于美拉德反應的進行。同時餅坯的水分下降到13%~15%,也是美拉德反應的最佳水分條件。另外,膨松劑使餅干偏堿性,也能加快美拉德反應的速率。7.風味的變化

餅干在烘烤后期,能產(chǎn)生一種特有的香味。這種香味主要是由氨基酸和糖之間發(fā)生反應時所形成的,餅干在發(fā)酵后期產(chǎn)生的醛、酸等物質,在烘烤中可生成酯等芳香物質。另外,乳制品、油脂分解物、蛋制品等在烘烤中也能生成不同類型的各種風味物質,這些風味形成了餅干的香、脆、酥、松的特點。第三節(jié)焙烤裝備三、焙烤中的熱傳遞1.熱傳導

熱傳導是指物質較熱部分的分子,因受熱振動,而與相鄰的分子相互碰撞,將其動能的一部分傳給鄰近的分子,從而使熱量從物體的一部分傳給另一部分,這種傳熱過程總是在物體每個微元不改變空間位置時進行的,即物體是在靜止狀態(tài)中相互進行熱交換的。

在食品焙烤過程中,存在熱傳導,例如面坯部與盛裝食品的載體間的熱傳遞過程,又如面坯表面所接受的輻射和對流換熱向面坯內部的熱傳遞過程,都屬于熱傳導。2.熱對流

熱對流是流體與跟它相接觸的固體表面之間的傳熱,即物體通過相對運動進行相互傳熱的。在食品焙烤過程中,對流傳熱主要依靠烤爐內的熱空氣、水蒸氣等在爐膛內循環(huán)流動傳遞熱量。

對流傳熱可以分為自然對流傳熱和強制對流傳熱兩種。

自然對流傳熱是指當物體與其周圍流體間有溫度差異而使流體流動時,流體與物體之間的熱交換為自然對流傳熱。

強制對流傳熱是指當流體由外來的原因而沿物體表面流動時,流體與物體之間的熱交換為強制對流換熱,即流體的流動是靠外力強制實現(xiàn)的。第三節(jié)焙烤裝備三、焙烤中的熱傳遞3.熱輻射

熱輻射是指不同物體間通過載能電磁波的傳熱過程。這種傳熱方式不需要物體的接觸,也不需要任何媒介,即使在高度真空、相距很遠的物體之間也能進行。

輻射是一切物體的固有特性。一般認為,溫度高于熱力學零度的物體都能向外輻射電磁波。物體的溫度越高,輻射出去的能量也就越多。吸收輻射也是一切物體所有的屬性,物體之間任一方的輻射均能被另一方所吸收。輻射能量交換的最終結果,總是溫度高的物體把熱量傳給溫度低的物體。即使兩個溫度相同的物體,每個物體也都在不斷地吸收和輻射能量。

不同波長的電磁波所運載的輻射能量差別很大,絕大部分輻射能在波長λ=0.1~1000μm范圍內,這一范圍的電磁波被物體吸收時,可顯著地轉變?yōu)闊崮?因此也稱高范圍內的電磁波為熱射線。紅外線是熱射線中的一種。目前面