顆粒料制作和粉料調質問題的探討(大豆協會)

qingniao830 · 發表于 2007-12-15 15:49:56

Keith C. Behnke教授美國堪薩斯州立大學谷物科學和谷物工業系秦崇德譯

二十五年前我們中間很多打算進入飼料業的人都被告知制作顆粒料是一條死路，這是由于當時籠罩著西方世界的能源危機當時只是認為未來的能源價格會過于昂貴因而制作顆粒料簡直是浪費。如今我們每年的顆粒料產量比以往任何時候都高，顆粒料在飼料總產量中所占的比例也比以往任何時候都高這在一定程度上是由于能源的相對價格下降了，但主要還是因為畜禽飼養者認識到了飼喂顆粒日糧對畜禽的性能有很多好處。隨著畜禽飼養業綜合經營程度的提高飼養業都必然地轉為使用顆粒料。他們認為顆粒料制作是一種有活力的加工方法可用以提高飼料的營養價值，但是在許多情況下顆粒料都制作得非常差，不過這一加工方法仍然在普遍采用。
據文獻報道最近許多研究都證明了飼料的性能可隨顆粒料質量的改善而得到提高。此外我們中間很多與飼料加工商合作的人都感到顆粒料的質量是非常重要的問題，飼料公司也愿意花費時間和資金來解決這一問題。然而關于影響顆粒料質量的各種因素有著什么樣的重要性在人們中間卻存在著大量的誤解：影響顆粒料質量的最重要的因素是:飼料配方(40%)粉碎(20%)調質(20%)壓模選用(15%)以及冷卻和干燥(5%);寫在前述每一個因素后的百分數代表了該因素在顆粒料總體質量中所起作用的相對大小。重要的是要看到配方加上粉碎可在粉料到達制粒機之前就已經決定了顆粒料質量的60%。因此,許多顆粒料質量問題不可能通過改進調質方法和選用適當的壓模而得到解決，這決不會阻止我們進行改進質量的努力，也決不會使顆粒料加工系統和操作人員不因出廠顆粒料質量太差而受到責難。

qingniao830 · 發表于 2007-12-15 15:59:34

本文的目的不是對每一個影響顆粒料質量的因素進行詳述而只是集中討論一個問題那就是調質雖然調質遠比壓?；驂狠伇砻娴倪x用更為重要，但這一過程常常受到忽視。業內多數人士對其的理解都很差，無論是設備供應商還是飼料加工者都一樣。
   近年來發生的大量變化影響著我們對于調質問題的感覺，比如當前的許多日糧與前幾年相比,其中谷物的用量都比較少,而是用了較多的副產品比如動物蛋白質粉、玉米面筋粉、面包房下腳等等甚至劣質全棉籽都已被用到了當前的日糧之中調質對許多這類原料所起的作用都沒有對谷物粉和大豆粕的作用那么有效,因此我們常常見到機器負擔過重生產率下降以及/或者顆粒料質量太差。
   此外營養師經常在日糧中添加高水平(>1.5%)的油脂,但卻幾乎毫不了解這會對顆粒料的質量產生什么樣的影響。許多飼料廠都被迫使顆粒料的生產量增加到大大超過加工設施的額定設計能力,以滿足銷售量增長的需要以及動物飼喂的要求(對大型綜合性企業而言)在有些情況下,粉料中的油脂量常會超過動物的營養需要量卻只不過是為了增大顆粒料生產系統的生產量這種做法對顆粒料質量的危害是顯而易見的，但卻不得不就用這樣的顆粒料去喂豬和喂雞。
   調質的定義
   調質至少從我們的角度來看包括對離開了攪拌機而到達制粒機壓模室之前的粉料所施加任何加工措施或所施用任何添加成分。因此調質就包括了添加水和/或蒸汽膨化壓榨預制粒熟化等等對前述的每一種措施,都將在后文中加以討論,但我們應該知道,在調質期間所做的任何事情都應該是為了對粉料進行準備使其適宜于接受最終的加工(制粒)所采用的無論是哪一種調質措施都必須以最優的方式執行以便能以最合理的生產率生產出質量最優的顆粒料而不顯著破壞日糧中已有的養分。從以上的討論中可以看出這是一項困難的任務。盡管有了各種各樣調質方法我們還應該認識到這些方法中每一種都有其優點同時每一種也都有其應加以注意的缺點或負面影響
   下文將對每一種調質法進行討論討論其優點和缺點并就如何適當地對這些方法加以利用以便生產出質量最佳的顆粒料而提出我們的建議

qingniao830 · 發表于 2007-12-15 16:07:45

各種調質方法的介紹
   大氣調質器
      本文將制粒系統常用的典型調質器稱為大氣調質器(atmospheric conditioner)如其名稱所顯示的那樣這類調質器是在大氣壓力下工作的,并且通常就處在環境條件之下一般來說大氣調質器基本上是單缸的, 其上安裝了一個攪動軸缸體尺寸隨設計的不同而異,總的來說其直徑為15-30英寸長度為5-15英尺攪動軸上通常有鉆孔,以便安裝若干可調節或可更換的槳葉調質器的功能是為蒸汽和原料粉料的密切接觸提供條件前一篇文章已經討論了有關蒸汽的質量以及如何管理好蒸汽系統的問題,此處不再對此作進一步的討論
      然而對于蒸汽與原料粉料之間如何相互作用的問題有所理解對于理解和管理制粒系統的問題是極為重要的蒸汽調質在制粒加工過程中應用蒸汽主要是因為蒸汽具有通過冷凝而攜帶和傳送熱量的獨特能力如果僅僅為了添加水分那么采用一根澆花用的水管接上水龍頭就比應用蒸汽更為經濟同樣如果僅僅為了獲取熱量那么采用直接燃氣爐就比采用鍋爐更為價廉然而我們在調質過程中需要的大量的熱和水分目標是一個非常的精細的場所──原料粉料中每一個粒子的表面因而蒸汽是唯一能擔此重任的實用方法使相對較涼的粉料粒子與蒸汽密切接觸蒸汽中的熱量就會傳遞給粉料粒子使這些粒子的溫度升高蒸汽每傳遞970英熱單位(BTU)的熱量給粉料粒子就會有1磅水凝結于粉料粒子的表面這一現象就象潮濕空氣中的水蒸汽凝結于冰冷的飲料罐上的現象如果讀者能夠充分理解這一概念那么他對大氣調質過程的充分理解也就唾手可得了這是調質過程中發生的最基本的過程
      原料粉料粒子表面一旦發生了液體冷凝熱量和水分就都開始進入粒子內部因為粒子表面和內部之間存在溫度差和濕度差理解了這一點就可以理解陳化擴散原理(age-old principle of diffusion)按照這一原理,物質(這里就是熱量和水分)會從濃度高的區域移向濃度低的區域蒸汽冷凝時釋放出的熱量就為驅動這一移動提供了能量谷物蛋白質餅粕和其它常用原料,通常都具有良好的絕熱特性(熱傳導系數很低), 所以熱量和水分在其中的移動都比較緩慢這樣就發生了大氣調質最佳化的問題這主要牽涉到原料粉粒子的大小和原料的滯留時間這兩個問題
   原料粉的粒子大小
如果以上所述熱量和水分的移動都很緩慢的看法是確實的那么順理成章的就是粒子愈小則在一定時間以內熱量和水分就能愈徹底地穿入到粒子的核心部位相反粒子若比較大那么熱量和水分就不能充分穿入具有比較堅硬和干燥的核心的粒子內部這樣的粒子就不會有足夠的彈性以形成良好的顆粒料眾所周知粉料粒子的總表面積會隨粒子大小的減小而增大這一概念是極為重要的因為蒸汽就是冷凝在這一表面上的并且由此可見總表面積愈大則相對于每單位粉料重量的冷凝水量也就愈大顆粒料的質量常因原料磨得較細而得到提高主要的原因就在于細磨粉的粒子較小(熱量和水分向粒子內部移動得較快)而粒子的總表面積較大( 蒸汽冷凝的水較多)若要使大氣調質達到最佳那么我們就應該盡量將原料磨細滯留時間如前所述我們所用的大多數原料都有著很高的絕熱值因此熱量和水分都要經過一定的時間才會穿入到每一個粒子的核心所能利用的時間僅限于一個粒子穿過調質室所用的時間這一時間就被稱為滯留時間滯留時間的測定并不容易也不容易測定得精確。因而滯留時間實際上代表的是所有粒子在調質室內的平均滯留時間可以關上進料斗同時啟動秒表從而粗略地測定滯留時間制粒內的物料量開始減少時立即觀察秒表讀數采用這種方法就可對物料在調質室內的滯留時間得到一定的印象其它測定法包括向料斗頸注入染料,然后每2秒鐘一次由調質室內采集樣品可以見到隨著時間的推移樣品內的色澤深度先是加深然后減弱將見到最深顏色時的時間作為平均滯留時間采用鐵粒子追蹤劑也可得到類似的結果測定滯留時間的目的在于若要獲得最佳的調質效果滯留時間也必須最佳才行因而我們就必須知道從何處著手來解決這一問題。[未完待續。。]

haojie266 · 發表于 2007-12-15 16:39:32

不太明白啊:xuehu: :haoa:

qingniao830 · 發表于 2007-12-16 09:30:29

這就提出了一個問題最佳滯留時間實際上應該是多長呢?這個問題從未得到過充分研究,但多數研究的結果都表明調質時間在30-90 秒之間時顆粒料的質量和產量都會得到改善。所以如果進行適當的調整就都會有確實的機會使顆粒料的質量得到提高你必須了解調整之前的狀況以便確定作出的改變所起的作用是有利的還是不利的。
         增加滯留時間的幾種選擇：粉料通過調質室的速度受到兩個因素的影響1)槳葉的角度2)攪動軸的轉速可以通過對這兩者的調整而實現最佳滯留時間槳葉的角度一般來說OEM調質器的槳葉在制造廠內就已設置成了前傾30-45度角，[鑒于制粒過程中，一般不對漿葉進行調整，因此不再贅述]。
         攪動軸轉速第二個可加以優化的因素就是攪動軸的轉速。在談論改變攪動軸轉速之前,應該先說明兩種普遍采用的做法有些工程師主張采用一種稱為抖床(stirred bed)調質的做法，而另一些工程師則采用液床(fluidized bed)調質法攪動軸高速轉動(液床法)會使粉料在通過調質室的過程中被掀起來目的是迫使粉料粒子進入調質室的頂部從而得以接觸該處的游離或過量的蒸汽這樣就會有較多的蒸汽冷凝在粉料粒子上蒸汽也可因此而得到比較充分的利用。

         攪動軸慢速轉動會讓粉料沉積在調質室底部而被輕柔地推過調質室這顯然會延長粉料的滯留時間但會使調質室上部的蒸汽得以自由流動而得不到利用。

qingniao830 · 發表于 2007-12-16 09:54:56

許多設備供應商在10-15年前放棄了30年前常用的慢速法而采用了快速法,而如今多數又都回頭采用了慢速法調質器設計的要點是要使引進的蒸汽得以密切地與較涼的粉料相接觸從而立即發生冷凝這就需要在調質器外殼上有多個進氣口或者有一個較長的縫隙供蒸汽進入無論采用什么樣的進氣口這些進氣口都應保持通暢以便使蒸汽以較低的速度進入從而不會過快地穿過粉料在調節攪動軸的轉速方面沒有什么特別的法則可循只是轉速不應過慢以便粉料能夠得到較好的攪動并且通過調質室的速度不致過低應避免使轉速低于每分鐘80轉以免粉料攪動不良以及通過的速度過慢
      可通過更換傳動皮帶和皮帶輪或在驅動馬達上安裝變頻控制器(VF controller)來改變攪動軸的轉速。由于幾乎不可能只試一次就得到所需的轉速，所以在有可能時采用變頻驅動是最佳的選擇。另有一種可能是不同的飼料需要不同的轉速，原料的季節性變化也可能要求不同的轉速。若廠內有不止一臺制粒機那么可僅在一臺上安裝變頻控制器待測出最佳轉速后就可將其它機器上攪動軸的轉速也固定在這一轉速。
      無論在什么情況下都應該認識到這兩個影響因素──槳葉的角度和攪動軸的轉速──是相互關聯而非相互獨立的進行精心的研究并保持詳細的生產記錄就可獲得最令人滿意的結果調質期間的加水現已充分認識到水是顆粒料形成過程中起粘合作用的一種重要成分如前所述在典型的制粒過程中唯一加入的水分是以蒸汽的形式加入的筆者感到,在美國多數地區每年至少有6-8個月的時間在制粒過程中水分量均顯不足在玉米為主要谷物的地區,每年新玉米開始到來時其中總是存在過量的水分然而,隨著時間的推移儲存的谷物逐漸到達市場這時收到的谷物就比較干燥。
      根據飼料配方的不同調質最佳的粉料中濕度約為16.0-17.5%。其中4-5%來自調質過程有時候若不達到濕度上限水平就不能達到目標溫度，還有些時候谷物比較干燥，其溫度也比較高這時若不超過目標溫度就不能使足量的蒸汽進入粉料在谷物收獲年度的晚些時候在調質過程中增加1-2%的水分有利于提高顆粒料的質量和生產率關于加入多少水分何時加入以及如何加入的問題還沒有得到充分的研究然而我們應該考慮到在谷物收獲年度的晚些時候生產出的顆粒料其質量是否會較差關于何時加入的問題我們可有若干個選擇比如加入攪拌機或是加入調質室究竟何時加入為好應在當地通過試驗來確定。

qingniao830 · 發表于 2007-12-16 10:04:59

其它類型的調質器

      二通調質器或三通調質器為了延長和控制滯留時間有時候可以使用二通調質器或三通調質器尤其在生產水產動物飼料時更常采用此法基本上在制粒機上方疊加2-3個標準調質器就可達到目的變速驅動多重蒸汽注入口以及蒸汽加熱套都是可供選擇的各種設計
   二通或三通調質器相對于單一的大容量調質器來說其獨特的優點是同樣可保持先進-先出的順序與比較新穎的調質法相比,這種方法還有成本比較低廉的優點制粒機上方要留有足夠的凈空以便于進行安裝
      壓力調質
      這是制粒中的一種新概念，目前正在對其進行現場試驗其基本概念是, 提高調質室內的工作壓力調質室內的壓力提高了就可獲得212華氏度以上的調質溫度這一概念的原理是熱平衡定律簡單點說就是高壓可迫使水分和熱量比在大氣壓下更快和更徹底地進入產品使粉料進入和離開高壓調質室的難度是顯而易見的離開的問題可通過使壓模室和壓輥也成為高壓區的一部分而加以解決進口處則用裝有彈簧的壓力板蓋住以保持壓力進料時則由飼料將其頂開
新穎的調質器
      當前市場上正在銷售的一些比較新穎的調質器──壓實器(compactor) 和膨化器(expander)──引起了人們的濃厚的興趣這兩種機器都使用機械能來增加最終制粒之前進入粉料中的熱量。采用這種方法就可不引入過多的水分從而就可既無高水分帶來的壓輥打滑以及顆粒料過于潮濕的問題又可獲得高溫帶來的好處即提高淀粉的糊化率。
      以下的討論可望能幫助讀者理解每一種相關調質器的基本概念以及各自的優缺點：壓實器這是產生于北美的一種比較新的調質概念, 但已對歐洲的飼料加工商產生了顯著的影響壓實器的基本結構是一個標準調質室外加一個壓實室壓實器的調質部分比傳統的設計更為堅固耐用。因為轉動壓實室壓輥組件的動力需由調質器軸傳遞而來除此之外其余部分均適用于前述對大氣調質器的討論

qingniao830 · 發表于 2007-12-16 10:10:10

這一新穎調質器的奧秘在于經調質的粉料在壓輥的壓力下被迫通過一個狹窄的具有V形槽的環時發生的壓實和剪切。這一概念很難用詞語進行描述,但最近一本貿易雜志(Feed Management, Dec. 1996)的一篇文章中有一幅圖很好地顯示了這一系統的各個部分：壓實室中有一個轉動的壓輥組件，該組件安裝在調質器主軸上緊挨壓輥組件之前有一個很大的支承系統,從而可確保壓輥組件的準直和穩固壓輥和V形槽環之間縫隙的調節方法與任何制粒機中的傳統壓輥調節法相同。壓輥周圍圍繞著兩個很大的環一個環是固定的另一個環則是可動的并且由三個液壓缸控制兩環之間的嚙合面被機械加工成V形V形的內側面的寬度與壓輥表面的寬度大致相同，而向外側面的寬度則逐漸變窄到幾乎為零運轉過程中可通過控制兩個環之間的縫隙以增大或減小粉料在壓輥的壓迫下通過縫隙時受到的壓力通常這一縫隙的大小可調節范圍很廣，從零到1.25英寸左右。縫隙大小的控制極為重要，必須用一個專門的控制器加以控制。用手工將其調節至最佳狀況幾乎是不可能的。
壓實器具有優于標準調質的若干優點，這可能使人們對其感興趣制粒機上方僅需要極小的凈空。打開縫隙這一系統就可以傳統的方式運行。這一系統對電力的需要量較大，但比膨化機的耗電量略小成本也較高，但仍比相當的膨化機略低。
本文作者對于壓實器的經驗很有限，但本人已觀察到加拿大的一家飼料廠采用了壓實器后顆粒料的質量和產量都有顯著提高。環和壓輥的磨損是個問題，但看來保養的成本是比較低的，一個有趣的發現是,每一批飼料加工后的清洗極為容易,最多也用不了10-15分鐘。

qingniao830 · 發表于 2007-12-16 10:12:28

膨化器
現在已有許多來源的大量資料介紹了膨化技術在調質過程中的應用，如壓實器那樣并且事實上也如制粒機本身那樣，膨化器中的熱量是由機械能轉化為磨擦而產生的。大部分磨擦來自粉料粒子相互之間的磨擦，但也有相當大的部分來自粉料粒子與螺桿和缸體表面之間的磨擦。
膨化器就其主要部分來說是改良的擠壓機主要的不同在于機上壓模的間隙是可變的精心控制施加于壓模錐體部分的壓力就可控制能量的多少因而也就可控制擴散入粉料中的熱量工作狀況可由非常輕柔到相當強烈通常都可顯著提高顆粒料的質量和產量在多種因素(比如,調質溫度水分的量日糧配方和飼料粒子的細度)的作用下,粉料中淀粉的糊化程度和蛋白質的可溶度都可得到提高最終這些因素都可影響粉料粒子相互間的粘合從而影響顆粒料的質量由于減小縫隙而造成流動受限膨化器可產生每平方英寸500磅以上的壓力以及120-130的溫度在這些條件下的滯留時間為3-5秒所以粉料物理變化的發生是非常快的。
采用這種方法除了有許多優點(提高顆粒料的質量和產量,并且在多數情況還可提高動物的性能)之外也還有一些必須加以考慮的缺點,比如維生素效價降低飼料添加劑(藥物)活性喪失以及某些蛋白質的利用率降低這些問題都還沒有得到解決現在正在對其進行積極的研究

qingniao830 · 發表于 2007-12-16 10:16:02

其它新技術
使人耳目一新的是,制粒加工技術50-60年來一直沒有什么變化。但如今新思想和新概念正在開始形成強大的挑戰。前述制粒系統的壓力即為一例。美國的一家主要的擠壓機設備制造公司引進了一個經高度改進的系統。該系統利用了擠壓加工的多數長處同時控制了或排除了其大多數短處，比如高投資、高保養成本以及低生產能力。這一系統基本上是高度復雜的大氣調質器和一臺短滯留時間的改進型擠壓機的結合。在運行過程中，調質器提供滯留和接觸時間以優化顆粒料質量而改進的。擠壓機部分則提供必要的壓力以迫使粉料通過具有適當大小孔洞的壓模從而使其形成顆粒料
與相當的傳統制粒-膨化組合機型相比,這一概念具有一些非常獨特的優點而顆粒料的質量仍有同樣程度的提高UP/C(Wenger制造)如所周知與無膨化器典型制粒機具有相同的大小所以其多數型號均無阻塞的問題可以達到很高水平(>70%)的淀粉糊化因而可產生質量優良的顆粒料并且還可能提高顆粒料的耐久力即使在粉料中加入高水平(>10%)的脂肪所產顆粒料的質量仍然是可接受的也許對商品飼料加工商最有吸引力的特點是其速度以及壓模更換的簡易性在多數情況下若要改變顆粒料的大小只要花10-15分鐘的時間所以,只要利用清理冷卻器的時間就可完成更換壓模的事這實際上等于不需要花時間就可改變顆粒料的大小這是一種嶄新的技術盡管顯然還需要對其加以深入地思考和研究以便進一步提高其實用性但這是一個很好的例子它說明了飼料業目前正變得愈來愈具有動態的特點。