食品挤压加工设备

食品挤压加工设备食品挤压加工设备第一节挤压熟化技术的基本概念第二节单螺杆挤压熟化机第三节双螺杆挤压机第四节挤压过程工艺变量的测控第一节挤压熟化技术的基本概念一、挤压熟化技术的概念二、挤压熟化技术的特点三、挤压熟化食品的特点四、挤压机类型及特点一、挤压熟化技术的概念食品挤压加工技术属于高温高压食品加工技术，特指利用螺杆挤压方式，通过压力、剪切力、摩擦力、加温等作用所形成的对于固体食品原料的破碎、捏和、混炼、熟化、杀菌、预干燥、成型等加工处理，完成高温高压的物理变化及生化反应，最后食品物料在机械作用下强制通过一个专门设计的孔口（模具），便制得一定形状和组织状态的产品。这种技术可以生产膨化、组织化或不膨化的产品。二、挤压熟化技术的特点1.连续化生产2.生产工艺简单3.物耗少、能耗低4.应用范围广5.投资少6.生产费用低三、挤压熟化食品的特点根据不同的生产目的和产品需要，利用挤压机可生产出膨化或不膨化的组织化的成品或半成品。所谓膨化食品是指原料（主要是谷物原料）进行高温高压处理后，被迅速释放到低压环境，体积大幅度膨胀而内部组织呈多孔海绵状态的食品。挤压熟化食品具有以下特点：1.不易产生“回生”现象2.营养成分损失少、食物易消化吸收3.产品口感细腻4.风味好、食用方便5.产品卫生水平高，保存性能好四、挤压机类型及特点1.按螺杆数量分类可将挤压机分为单螺杆挤压机、双螺杆挤压机和多螺杆挤压机。其中以单螺杆和双螺杆最为常见。（1）单螺杆挤压机：挤压机配置一根挤压螺杆。（2）双螺杆挤压机：挤压机配置有两根挤压螺杆，挤压作业由两者配合完成，是由单螺杆挤压机发展而来。根据两螺杆的相对位置又分为啮合型（包括全啮合型和部分啮合型）和非啮合型，根据两螺杆旋转方向分为同向旋转和异向旋转。主流机型为同向旋转、完全啮合、梯形螺槽。2.按挤压机功能分类（1）挤出成型机：螺杆结构具有较大的加压能力，利用夹层机筒和空心螺杆内通入冷却水抑制物料的过热，制取结构致密、均匀的未膨化成型产品，一般为中间产品，需要经后续加工或利用。（2）挤压熟化机：又称为挤压蒸煮机，主要利用挤压机的加热蒸煮功能制取未膨化糊化产品。（3）挤压膨化机：可在挤压过程中迅速把物料加热到175℃以上，使淀粉流态化，当物料被挤出模孔时极度膨胀成松脆质地的产品。用于生产膨化产品。3.按挤压过程的剪切力分类（1）高剪切力挤压机：挤压过程中能够产生较高剪切力的挤压机。设备往往具有较高的转速和较高的挤压温度，但由于剪切力较高，形状复杂的产品成型较困难，适合于简单形状的产品生产。（2）低剪切力挤压机：生产过程中产生的剪切力较低，它的主要作用在于混合、蒸煮、成型。4.按挤压机的受热方式分类（1）自热式挤压机：挤压过程所需的热量来自物料与螺杆之间、物料与机筒之间、物料与物料之间的摩擦。（2）外热式挤压机：依靠外部热源加热提高挤压机机筒和物料的温度。根据挤压过程各阶段对温度参数要求的不同，可设计成等温式挤压机和变温式挤压机。第二节单螺杆挤压熟化机该熟化机由喂料、预调质、传动、挤压、加热与冷却、成型、切割、控制等部分组成。1.喂料装置用于将贮存于料斗的原料定量、均匀、连续地喂入机器，确保挤压机稳定地操作。2.预调质装置用于将原料与水、蒸汽或其他液体连续混合，提高其含水量和温度及其均匀程度，然后输送到挤压装置的进口处。3.传动装置用于驱动挤压螺杆，保证其在工作过程中所需要的扭矩和转速。4.挤压装置由螺杆和机筒组成，是直接进行挤压加工的部件，为整个挤压熟化机的核心部分。5.加热与冷却装置用于控制挤压室内物料的温度。6.成型装置又称挤压成型模头，模头上设有一些使物料从挤压机挤出时成型的模孔。7.切割装置挤压熟化机中常用的切割装置为盘刀式切割器，刀具刃口旋转平面与模板端面平行。8.控制装置主要由微电脑、电器、传感器、显示器、仪表和执行机构等组成。二、单螺杆挤压原理机筒及机筒中旋转的螺杆构成挤压室。在单螺杆挤压室内，物料的移动依靠物料与机筒、物料与螺杆及物料自身间的摩擦力完成。螺杆上螺旋的作用是推动可塑性物料向前运动，由于螺杆或机筒结构的变化以及由于出料模孔截面比机筒和螺杆之间空隙横截面小得多，物料在出口模具的背后受阻形成压力，加上螺杆的旋转和摩擦生热及外部加热，使物料在机筒内受到了高温高压和剪切力的作用，最后通过模孔挤出，并在切割刀具的作用下，形成一定形状的产品。三、单螺杆挤压机主要工作构件1.螺杆2.机筒3.模具4.加热与冷却装置1.螺杆螺杆是挤压机的核心部件，是挤压机性能的决定性部件，按总体结构分为普通螺杆和特种螺杆。（1）普通螺杆：普通螺杆的整个长度布满螺纹，因螺纹旋向、螺距、螺槽深度等又具体分为等距变深螺杆、等深变距螺杆、变深变距螺杆、带反向螺纹的螺杆（压缩熔融段或计量均化段加设反向螺纹，使物料产生倒流趋势，进一步提高挤压及剪切强度，提高混合效果。）（2）特种螺杆：分离型螺杆、屏障型螺杆、分流型螺杆、波状螺杆2.机筒机筒和螺杆共同组成了挤压机的加压系统，完成对物料的固体输送、熔融和定压定量输送。常见的机筒有整体式和分段式两种结构形式。3.模具模具是物料从挤压室排出的通道，通道的横截面积远小于螺杆与机筒间空隙的横截面积。物料经模孔时便由原来的螺旋运动变为直线运动，有利于物料的组织化作用。常见的模孔内部结构有锥形模孔、突变模孔、侧向模孔、长管模孔、共挤模头。4.加热与冷却装置（1）电阻加热器（2）电感应加热器（3）机筒冷却（4）螺杆冷却（1）电阻加热器由于电阻加热器是采用电阻丝加热机筒外表面后再以传导的方式将热量传递到物料，而机筒本身很厚，会沿机筒径向形成较大的温度梯度，因而所需加热时间较长。（2）电感应加热器电感应加热是通过电磁感应在机筒内产生涡流电而直接使机筒发热的一种加热方法。（3）机筒冷却水冷却速度较快，但易造成急冷，因一般未经软化处理的水，使水管易出现结垢和锈蚀现象而降低冷却效果或造成水管被堵塞、损坏等。（4）螺杆冷却螺杆冷却的目的是改善加料输送段物料的输送，防止物料过热，利于物料中所含的气体从加料输送段的冷混料中返回并从料斗中排出。5.螺杆的支撑形式挤压机工作时物料对于挤压室构件作用有巨大的轴向力和径向力。为了使工作稳定进行，必须对螺杆进行可靠的支撑，一般在螺杆尾部设置两个向心轴承和一个推力轴承。按推力轴承所处位置，分四种形式，如图所示。四、单螺杆挤压熟化机的操作食品挤压熟化设备是一种连续、高速处理物料的装置，不同型号的挤压熟化机有不同的操作特点，需要操作人员了解和掌握操作规程。1.开机前的准备工作2.启动操作与稳定运行操作3.停机操作1.开机前的准备工作开机前，检查挤压机，螺杆、机筒和其他零部件之间不得有摩擦或卡死现象。在启动前切割装置需安装到位。启动前要对喂料器和调节装置进行检查以确定其是否正常。2.启动操作与稳定运行操作挤压机的传动功率、模板温度、模板处的挤出压力等关键参数以及被挤压物料状态，这些参数可作为操作人员在启动期间进行操作的依据。3.停机操作挤压机停机时首先应将通入预调质器和机筒的蒸汽关闭，向原料中加入过量水分，直到出料温度降低到100℃以下后终止喂料，挤压机则需继续运转到模孔出现湿冷物料为止。第三节双螺杆挤压机双螺杆挤压机由料斗、机筒、两根螺杆、预热器、模板、传动装置等构成。图9-18是挤压组件透视图。一、双螺杆挤压机分类及特性根据两螺杆间的配合关系又可将双螺杆挤压机分为全啮合型、部分啮合型和非啮合型；根据螺杆转动方向，双螺杆挤压机可分为同向旋转型和异向旋转型两大类。1.非啮合型与啮合型双螺杆挤压机2.开放型与封闭型双螺杆挤压机1.非啮合型与啮合型双螺杆挤压机（1）非啮合型双螺杆挤压机又称为外径接触式或相切式双螺杆挤压机，两螺杆轴距至少等于两螺杆外半径之和。在一定程度上可视为相互影响的两台单螺杆挤压机，其工作原理与单螺杆挤压机基本相同。（2）啮合型双螺杆挤压机两根螺杆的轴距小于两螺杆外半径之和，一根螺杆的螺棱伸入另一根螺杆的螺槽。根据啮合程度不同，又分为全啮合型和部分啮合型。全啮合型是指在一根螺杆的螺棱顶部与另一根螺杆的螺槽根部不设计任何间隙。部分啮合型是指在一根螺杆的螺棱顶部与另一根螺杆的螺槽根部设计留有间隙，作为物料的流动通道。对于啮合型，根据啮合区螺槽是否设计留有沿着螺槽或横过螺槽的可能通道，划分为纵向开放或封闭，横向开放或封闭。2.开放型与封闭型双螺杆挤压机（1）纵向开放或封闭：如果物料可由一根螺杆的螺槽流到另一根螺杆的螺槽，则称之为纵向开放；反之称为纵向封闭。（2）横向开放或封闭：在两根螺杆的啮合区，若物料可通过螺棱进入同一根螺杆的相邻螺槽，或一根螺杆螺槽中的物料可以流进另一根螺杆的相邻两螺槽，则称之为横向开放。横向开放必然也纵向开放。3.同向旋转与异向旋转双螺杆挤压机（1）同向旋转：两根螺杆旋转方向相同。（2）异向旋转：两根螺杆的旋转方向相反，包括向内旋转和向外旋转两种情况。二、双螺杆挤压机挤压过程与单螺杆挤压机相比，双螺杆挤压机强制输送、强烈混合。1.同向旋转型双螺杆挤压过程2.异向旋转型双螺杆挤压过程3.双螺杆挤压过程的停留时间分布1.同向旋转型双螺杆挤压过程当物料进入螺杆的输送段后，在两根螺杆的啮合区所形成的压力分布如图9-21所示。在挤压过程中，螺杆和机筒共同将物料分割成若干个C形扭曲单元。双螺杆螺槽内物料的流动见图9-23。为了加强对物料的剪切作用，在压缩段的螺杆上通常安装有1~3段反向螺杆和混捏元件。混捏元件一般为薄片状椭圆或三角形捏和块，可对物料进行混合和搅动。2.异向旋转型双螺杆挤压过程在半封闭设计中，螺槽间存在很小的漏流，而在螺杆啮合处的螺棱顶部与螺槽根部之间形成较高的压力。这种压力迫使螺杆压向机筒壁而产生摩擦，摩擦将随着螺杆转速增加而增大。反向旋转双螺杆一般仅适于低速作业，产量相对较低，螺槽内的物料不能受到完全相同的剪切作用和实现较好的扩散。3.双螺杆挤压过程的停留时间分布停留时间分布是指物料在挤压室内通过时间的分布状况，可表明挤压机挤压工艺条件的优劣。为了保证完全混合，在挤压实践中，一方面是在进入挤压螺杆之前，将原料的各种成分进行预混合；另一方面就是提高物料在螺杆内部的混合作用，通常是在螺杆的熔融段和挤出段之间增设揉捏盘或切口螺旋等予以改善。第四节挤压过程工艺变量的测控挤压工艺变量是影响挤压产品质量和挤压机效果的主要因素。工艺变量分两类，即自变量和因变量。挤压过程中测量和控制的工艺自变量有螺杆转速、喂料速率、蒸汽条件、料筒温度和切割速度等。由可控制的工艺变量和设计变量所影响的系统变量称为因变量，包括温度分布、模口压力、输入扭矩和螺杆充填系数。挤压机效果一般根据产量、能耗、流动形态和停留时间分布来评价。