寧麗軍 雷胡龍

中圖分類號：S816.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號：1001-0769（2018）01-0058-04

8 蒸汽調(diào)質(zhì)：停留時間、混合均勻度和顆粒大小

要了解調(diào)質(zhì)，首先就要了解熱和能量在組分間的傳遞。在調(diào)質(zhì)器中，蒸汽、水和物料三者組成的三相系統(tǒng)是調(diào)質(zhì)器工作的媒介。蒸汽通過冷凝將能量傳遞到物料，提高料溫。而當(dāng)蒸汽冷凝到物料上面時，又會在顆粒表面形成一層由水組成的膜，這個水膜的水被吸收進(jìn)入顆粒后，增加物料水分。熱量傳遞與水分吸收速度取決于顆粒表面的水膜張力以及熱量與水分傳遞到顆粒內(nèi)核的時間。物料-水兩相相連越緊密，水膜表面張力就越小。

效果好的調(diào)質(zhì)器，能使物料與蒸汽結(jié)合更緊密，水膜張力更小，調(diào)質(zhì)速度也更快。物料是由對熱量與水分具有不同內(nèi)在抵抗力的原料組成。而熱量和水分突破內(nèi)在抵抗力傳遞到顆粒內(nèi)核的速度遵循傅里葉定律和菲克第二定律，即通過不同原料的擴散系數(shù)，便可以應(yīng)用物理學(xué)定律估算熱量和水分均勻分布到物料的時間（必須停留時間）。通常原料擴散系數(shù)越高，熱量和水分傳遞到它們的速度也越快。

大部分的飼料含有高比例的玉米、高梁、小麥以及它們的副產(chǎn)品等原料。這些原料的主要成分之一是淀粉。在環(huán)境溫度下，淀粉所擁有的熱擴散效率比水高100倍。簡言之，熱在淀粉顆粒的傳遞速度比水被淀粉吸收的速度要快得多。通常情況下，調(diào)質(zhì)可使物料升溫至目標(biāo)溫度，但目標(biāo)水分則較難以達(dá)到。這也是要強調(diào)在調(diào)質(zhì)器中停留足夠時間的原因——為使水分盡量滲透進(jìn)物料。水分和溫度作為關(guān)鍵因素，兩者配合起作用是產(chǎn)生好顆粒質(zhì)量的保證。

水膜張力和內(nèi)在阻力都將直接影響顆粒的水合速度。顆粒表面的水膜張力能夠通過無因次畢奧系數(shù)（Bi）表示。當(dāng)物料表面存在水膜張力時，調(diào)質(zhì)器的混合效應(yīng)差，畢奧系數(shù)?。?0.1）。 若調(diào)質(zhì)器混合效應(yīng)好，主要的抗力僅為水?dāng)U散到顆粒的阻力，那么畢奧系數(shù)就會非常大（>10）。基于這個數(shù)字，對目前大部分用于制粒的調(diào)質(zhì)器的混合效應(yīng)進(jìn)行評估，它們都將評定為中等水平，即畢奧系數(shù)大約是1。

物料粒徑大小對飼料調(diào)質(zhì)效果也有直接的影響。顆粒粒徑越小，所擁有的比表面積越大。Bouvier（1996）表明，大顆粒（>400 μm）所需要的水合時間是小顆粒（<200 μm）的2倍。當(dāng)了解了顆粒大小與水合速度及能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系后，就不難理解當(dāng)水分在調(diào)質(zhì)器中通過蒸汽帶入時，大顆粒比小顆粒需要更多的時間到達(dá)內(nèi)核。水合速度可以通過熱力學(xué)定律的數(shù)學(xué)公式來定義。

下面的公式能夠基于顆粒半徑計算顆粒充分水合所需要的時間。

Fo=Dt/[（R/3）2]

Fo是傅里葉指數(shù)，D是水的擴散系數(shù)，t是擴散時間，R是顆粒半徑。對t求解顯示，顆粒半徑越大，所需要的水合時間越長。

這里清晰地顯示出，粒徑足夠小的飼料不僅可消化性得到提高，而且能夠加快水合速度，以得到更好的顆粒質(zhì)量。假如顆粒大小均一性更好，那么對于大多數(shù)顆粒而言，水合速度會相近，水分在不同的顆粒也會有更一致的分布。這就是為什么要考慮通過粉碎系統(tǒng)以產(chǎn)生更均勻的粒徑?？紤]熟化度和顆粒耐久度，保持顆粒粉碎大小分布在一個相對窄的范圍也是產(chǎn)生好的顆粒質(zhì)量的保證。

9 停留時間分布

停留時間分布與停留時間應(yīng)該加以區(qū)分。以先進(jìn)先出的原則，使用一個標(biāo)志物，測定其通過調(diào)質(zhì)器的時間，即可以確定停留時間。考慮到停留時間與停留時間分布的區(qū)別，后者是指每個顆粒停留在調(diào)質(zhì)器的平均時間，通常更能代表物料經(jīng)過調(diào)質(zhì)器的時間。停留時間分布呈現(xiàn)一個鐘形特征曲線分布，分布時間越短，物料越均勻，調(diào)質(zhì)器在物料水合與加熱均一性上越有效。

目前很多調(diào)質(zhì)器在槳葉設(shè)計、轉(zhuǎn)軸速度、槳葉角度以及體積容量等構(gòu)造參數(shù)上存在差異。了解停留時間分布后將更有效地通過調(diào)整調(diào)質(zhì)器構(gòu)造改善水合時間。在調(diào)質(zhì)器中存在兩種類型的混合：一種是軸向混合，有助于增加物料與蒸汽或水在調(diào)質(zhì)器中的接觸；另一種是徑向混合，這種混合也能有效增加物料與蒸汽或水的連結(jié)性，但更多依賴于軸的轉(zhuǎn)數(shù)與槳葉的構(gòu)造。根據(jù)設(shè)計，調(diào)質(zhì)器能夠產(chǎn)生一個平推流（低效的混合）或混合流（高效軸向混合）。這些流動又依賴于槳葉構(gòu)造、軸速以及調(diào)質(zhì)腔內(nèi)填充度等。

動物飼料制粒過程的一個常見問題是顆粒外觀顏色不均一。在大多數(shù)情況下，這是由于調(diào)質(zhì)器中物料水分分布不均所致，通過對停留時間分布的把握，這個問題便更容易被解決。在特定狀況下，停留時間分布范圍很寬，一些顆粒在調(diào)質(zhì)器中停留時間較短，獲得水分不足，而其他一些則停留時間較長，能夠充分地進(jìn)行水合。這些問題不僅由槳葉構(gòu)造、軸速及填充度不當(dāng)造成，而且與顆粒粒徑的不均勻也有關(guān)系。即便調(diào)質(zhì)器已經(jīng)正確優(yōu)化，若物料停留時間分布范圍太廣，水分在這些顆粒中分布也可能不均勻。大的顆粒將結(jié)合更少的水分，而小的顆粒則結(jié)合更多的水分。因此，物料的顆粒大小應(yīng)該盡可能一致，而停留時間分布范圍應(yīng)該盡可能窄。

物料填充比表示物料占調(diào)質(zhì)器總?cè)莘e的比值，可通過暫停調(diào)質(zhì)器測得?，F(xiàn)在，許多正使用的調(diào)質(zhì)器通常只有一個較低的填充比例（約30%）。小的填充比例意味著調(diào)質(zhì)器內(nèi)有較多的空余空間。蒸汽作為氣體，往往會逃逸于這些空余空間。這種情況下，給物料加熱與水合所需的蒸汽便減少了。因此，提高調(diào)質(zhì)器物料填充比例顯得尤為重要，這不僅能增加停留時間，而且可改善調(diào)質(zhì)溫度及水合效果均一程度。

正如前面所說，恰當(dāng)?shù)母淖儤~構(gòu)造能提高物料填充度，如槳葉設(shè)置為0或90°能夠通過提高軸向混合而提高物料填充度。大部分的調(diào)質(zhì)器均配備有可調(diào)節(jié)的槳葉，一個好的槳葉構(gòu)造應(yīng)當(dāng)具有反向、正向以及平向的構(gòu)造。一些調(diào)質(zhì)器（圖10）配備保溫圓盤以在裝置末端產(chǎn)生一個阻力，從而增加填充度和停留時間。

近年來，一些新型的調(diào)質(zhì)器進(jìn)入市場，而一些老的調(diào)質(zhì)器也得以改進(jìn)。有些新型調(diào)質(zhì)器是基于軸向、徑向和延長保溫時間相結(jié)合的原則。這種新型的調(diào)質(zhì)器構(gòu)造見示例（圖11）。

這種新型調(diào)質(zhì)器在一個小的腔室內(nèi)形成一個大部分物料都能夠水合與加熱的高速混合區(qū)（圖12）。另外，以法國的Stolz為例，他研制了一款傾向于提高保溫時間和填充度的調(diào)質(zhì)器（圖13）。且由Stolz的數(shù)據(jù)顯示該調(diào)質(zhì)器保溫時間能夠高達(dá)6 min。很明顯，延長保溫時間能夠提高物料水分吸收與熟化度，因為后兩者均對時間和溫度具有依賴性。

一些調(diào)質(zhì)器，則被設(shè)計成加壓工作的腔室，以利用其在更高壓力下可將能量更高效傳遞到物料的特性。這些調(diào)質(zhì)器已經(jīng)在市場上有一段時間了，特別是Sprout-Waldron的加壓調(diào)質(zhì)器，已經(jīng)在過去的膨化料生產(chǎn)過程中使用。而由國際制粒概念公司（圖14）生產(chǎn)的加壓調(diào)質(zhì)器，也已經(jīng)在一些顆粒飼料廠成功地推廣應(yīng)用。

毫無疑問，加壓調(diào)質(zhì)器的一大優(yōu)點是基于蒸汽熱動力學(xué)：更高的壓力蒸汽能夠轉(zhuǎn)化更多的能量到飼料。

蒸汽表（斯派莎克）顯示，在海平面或絕對壓力在1.01×105 Pa，每千克蒸汽的能值是638.3 kcal。而在1.15×105 Pa時，每千克能值是640.7 kcal。2.4 kcal/kg的能值差意味著相當(dāng)于大約3.6 ℃的溫度差，當(dāng)為獲得好的顆粒質(zhì)量而要求一個高的糊化度時，這是一大優(yōu)點。此外，在高壓下，水分和熱量能快速滲透到淀粉顆粒內(nèi)部產(chǎn)生糊化，縮短物料在調(diào)質(zhì)器中的保溫時間。有一些調(diào)質(zhì)器設(shè)計成喂料式，通過使用制粒機喂料器出口端的計量螺桿來調(diào)節(jié)調(diào)質(zhì)器出料速度（圖15）。這種類型的調(diào)質(zhì)器能夠達(dá)到更高的填充度和保溫時間。調(diào)質(zhì)器生產(chǎn)商仍在努力改善物料存留時間以獲得更好的糊化度和顆粒質(zhì)量。

原題名：Importance of feed structure （particle size） and feed form （mash vs. pellets） in pig nutrition – A review（英文）

原作者：?uro Vukmirovi?、Radmilo ?olovi?和Sla?ana Rakita等（諾維薩德大學(xué)食品技術(shù)研究所食品技術(shù)和動物產(chǎn)品研究中心）