挤压膨化技术及设备介绍

挤压膨化技术的发展历史一、行业发展自从 1856 年美国沃德申请了第一份有关膨化的专利以来，许多发达国家对挤压膨化相关的设备和工艺相继作了广泛研究，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代的美国，主要用于加工宠物饲料，对动物饲料进行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。

到了八十年代，挤压技术已经成为国外发展速度最快的饲料加工新技术，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拟的优点。

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广大的养殖企业所接受，膨化机生产技术也逐步走向成熟。

如果按照产业的发展阶段（导入期、发展期、高峰期、衰落期）分析，我国膨化机的生产及膨化机的应用目前处于发展期，预计 3 － 5 年将进入高峰期。

二、膨化机（一）、膨化机的基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。

挤压部件是核心部件，由螺杆、外筒及模头组成。

一般按外筒内螺杆的数量将挤压机分为单螺杆挤压机和双螺杆挤压机。

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、操作简单的优点。

根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行加压加温处理，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加入蒸气或水，常采用湿法膨化机。

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；螺旋沟型有助于推进物料，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。

单螺杆从喂料端到出料端，螺根逐渐加粗，固定螺距的螺片逐渐变浅，使机内物料容量逐渐减少。

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互相平行，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离的并列螺杆使用，各有不同的充满度和出料。

双螺杆挤压机在质量控制及加工灵活性上有其优势，可以加工粘稠的、多油的或非常湿的原料以及在单螺杆挤压机中会打滑的原料。

（二）、膨化机各组成部分的功能1 、喂料器喂料器上方一般接缓冲仓，以储存一定量的物料，仓内物料在喂料器的推送下，连续均匀的进入调制器。

膨化机一般采用螺旋喂料器，进料段常采用变径或变距螺旋，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，以避免供料波动。

一般喂料器的转速要高于 100RPM ，尽量减少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，操作员可根据膨化机主机电流和工作状况随时调整喂料量。

2 、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。

一般膨化机采用单轴桨叶式调质器或蒸汽夹套调质器，水产膨化机采用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，从而提供足够的时间使蒸汽与物料充分混合，进而被物料吸收，浆叶的角度应可调，一般单轴浆叶式调质器转速不应低于 150r/min ，最低不低于 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节可以使调质时间在几十秒至 240 秒内变动，所以一般工作中不需要改变桨叶轴的转速，浆叶角度的调节可以从入料口处调质器长度方向上 1/3 以后的浆叶开始，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重，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，减少残留量。

3 、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基本上紧密围绕在螺杆的周围，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。

为避免这些问题，现在大多数的单螺杆挤压膨化机采用分段式，单、双螺旋，压力环与捏合环交错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情况。

（1）、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；螺旋沟型有助于推进物料，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。

（2）、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。

表示螺杆结构的参数主要有：直径、螺距、根径、螺旋角和叶片断面结构。

螺杆分单头螺杆和多头螺杆。

（3）、汽塞：汽塞没有传输能力，对物料的流动起阻挡作用，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，伴随着流动和混合。

汽塞可以产生高低不同的剪切区域，有很强的剪切和揉搓效果，对通过的物料有强烈的摩擦作用，升温效果显著。

通常通过改变汽塞的使用数量和直径来得到不同膨化度的产品。

（4）、出料装置膨化机的出料装置是产品通过膨化机的最后关卡，对产品的形状、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采用经处理的钢模；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控制，以保证足够长度的膨化腔被充满。

（5）、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，一般采用弹簧刀片，刀片与模面保持接触。

（6）、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，使用稳定可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，沿轴向喷出使之与粉料混合更强烈；蒸汽方向不可垂直对着调质器轴，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。

调质时根据原料和配方以及气候的变化选用合适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，减少蒸汽添加量；干燥季节、原料水分含量低时应降低蒸汽压力、增加蒸汽添加量；夏天室温较高可降低蒸汽压力，因为低压蒸汽释放热量和水分更为迅速；冬季气温低可提高蒸汽压力，增强调质温度，减少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 ；一般蒸汽供应量为干物料处理量的 10 ％。

（7）、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。

控制柜应安装在现场，便于操作员随时调整。

（三）、膨化机的工作参数1 、喂料量通常情况下，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充满，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充满。

2 、螺旋转速螺旋转速直接影响膨化腔的充满度、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。

3 、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。

4 、膨化腔温度膨化机工作时大多需要控制温度，工作时，由于传导对流，热能逐步由膨化腔的物料充满区向非充满区扩散。

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结构配置和电机功率。

直接膨化谷物原料，随糖份和脂肪含量的变化，腔内水分通常在 12 － 18 ％之间，物料温度可达 180 度。

为防止物料被膨化腔内表面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改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；控制参数设置；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，磨损越严重。

6 、压模压力压模压力越大，成型状况越差；压模开空面积越大，压模压力越小；膨化机模孔内侧压力一般约为 25 － 40 巴；压模压力越大，膨化越强烈，闪蒸越严重，水分损失越大；压模压力越大，功耗越大；压模压力越大，压模损失越严重。

三、挤压过程中饲料营养成分的变化。

（一）、挤压过程中碳水化合物的变化碳水化合物是饲料中的主要组成成分，通常在饲料中占到 60% ～ 70% ，因此是影响挤压饲料特性的主要因素。

碳水化合物根据其分子量大小、结构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相同。

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。