（食品科学专业论文）大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究.pdf

大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究 摘要 近年来，挤压膨化浸出技术在国内的推广应用迅速，然而，对膨化机结构参数、机 械性能以及大豆膨化浸出工艺的系统研究较少，膨化浸出工艺对后续的油脂制取工段以 及相关油脂产品的影响一直缺少可靠的实验资料和相关数据，已有资料往往来自于实验 样机，缺乏大规模的生产实践数据，膨化的效果多以经验加以判断。 本课题通过对膨化机结构参数的优化设计，研制出相关的新型油料膨化设备，并以 其为关键设备，对主要工作参数对膨化机性能的影响进行了研究，发现原料含水率、螺 杆转速、蒸汽压力等几个因素对膨化机的生产率影响比较大，其中，螺杆的转速对产量 的提升效果最明显。在此基础上，进一步对大豆生坯浸出和大豆生坯膨化浸出两种不同 工艺的生产实践进行研究，并通过对其中间产品、最终产品的质量指标的测定对比，分 析研究膨化浸出工艺对大豆油脂生产效果、产品和副产品质量以及产品得率的影响，为 大豆油脂生产工艺技术的选用和生产技术指标的考核提供可靠的依据。 研究表明，采用大豆挤压膨化浸出工艺能使浸出毛油的酸价降低、非水化磷脂含量 减少，色泽变浅，有效地改善了浸出毛油的品质；湿粕中溶剂的含量从3 0 左右下降到 2 0 ，浸出毛油脱溶的蒸汽消耗则从平均3 4 7k e , t 料下降到3 1 7k g t 料；挤压膨化工艺 还使尿素酶活性降低，优质豆粕的尿素酶活性指标被有效控制在0 0 5 o 2 5 范围内，提 高了饲用豆粕的安全性和营养价值。在后期油脂精炼工艺中，毛油水化脱胶后残磷量降 低，油脂的精炼损耗从5 下降到4 3 ，相关油脂制品的质量提高。 关键词：挤压膨化浸出精炼预处理螺杆 河南工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , e x p a n s i o n - e x t r a c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e da n dp u ti n t o p r a c t i c a lu s e h o w e v e r s y s t e m a t i cr e s e a r c h e so nt h ec o n s t r u c t i o n a lp a r a m e t e r sa n dt h e m e c h a n i c a lp o w e ro ft h ee x p a n d e r s ，t h es o y b e a ne x p a n s i o n e x t r a c t i o np r o c e s sa r ev e r y l i m i t e d i na d d i t i o n , t h e r ea r ef e wr e l i a b l ee x p e r i m e n tm a t e r i a l sa n dr e l e v a n td a t aa b o u t i n f l u e n c eo fe x p a n s i o np r o c e s so ne x t r a c ti o nt e c h n o l o g y , a n do nt h eq u a l i t yo fo i l t h e p r e v i o u sd a t aa r em o s t l yf r o ms a m p l e s ，b u tn o tf r o mt h el a r g e s i z ep r o d u c t i o n , s ot h e t r a d i t i o n a le x p a n s i o ne f f e c t sa r em o s t l y j u d g e db ye x p e r i e n c e w i t ht h eo p t i m u md e s i g no ft h ec o n s t r u c t i o n a lp a r a m e t e r so ft h ee x p a n d e r s ，t h i sp r o j e c t h a sd e v e l o p e dan e w t y p eo fo i l se x p a n d e r s 船t h ek e ye q u i p m e n t f u r t h e r m o r e r e s e a r c h e s h a v e b e e nc o n d u c t e da st ot h ei n f l u e n c eo f t h em a j o rp a r a m e t e r so nt h em e c h a n i c a lp o w e ro f t h ee x p a n d e r s i th a sb e e nf o u n dt h a ts u c hf a c t o r s 船t h ew e t n e s so ft h er a wm a t e r i a l t h e s p e e do f t h e s c r e wb o l t sa n dt h ev a p o rp r e s s u r eh a v eg r e a t e ri m p a c to nt h ep r o d u c t i v i t yo f t h e e x p a n d e r s a m o n ga l lt h e s ef a c t o r s t h es p e e do f t h es c r e wb 0 1 t sc a nh a v et h em o s to b v i o u s e f f e c to nt h er i s eo ft h eo u t p u t b a s e do nt h i s ，t h i sp r o j e c th a sc o m p a r e dt h et w op r o c e s s e s ( s o y b e a nd i r e c te x t r a c t i o np r o c e s sa n de x p a n s i o ne x t r a c t i o np r o c e s s ) t h r o u g ht e s t i n gt h e i n t e r m e d i a t ep r o d u c t sa n dt h ef i n i s h e dp r o d u c t s ，t h ep r o j e c th a sa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo f t h e e x p a n s i o n - e x t r a c t i o np r o c e s so nt h eo l i 呲t h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t sa n dt h eb y - p r o d u c t s ， a n dt h e r e f o r ep r o v i d e dr e l i a b l et e c h n i c a ld a t af o rc h o o s i n go p t i m i z e ds o y b e a np r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya n dc h e c k i n gt h ep r o d u c t i o nt e c h n i c a li n d i c e s r e s e a r c hh a sr e v e a l e ds o y b e a ne x p a n s i o n - e x t r a c t i o np r o c e s si m p r o v e so i lq u a l i t yb y r e d u c i n ga c i dv a l u e ，n o n - h y d r a t e dp h o s p h a t i d e sc o n t e n ta n dm a k i n gi t sc o l o rl i g h t e r s o l v e n t c o n t e n ti nw e tm e a lh a sr e d u c e df r o m3 0 t o2 0 ，s o l v e n tc o n s u m p t i o nf o rp e rt o no f f e e d s t o c kh a sr e d u c e df r o m3 4 7 k gt o3 1 7 k g s o y b e a ne x p a n s i o n - e x t r a c t i o np r o c e s sc a na l s o r e d u c ea c t i v i t yo fu t e a s e - f o rt o p - - q u a l i t ym e a lt h ea c t i v i t yo fi n e a s ei sc o n t r o l l e dw i t h i n r a n g eo f o 0 5 o 2 5 w h i c he n h a n c e st h es a f e t ya n dn u t r i t i o nv a l u e o i lr e f i n i n gl o s sh a s r e d u c e df r o m5 t o4 3 t h eo i lq u a l i t yh a si m p r o v e da c c o r d i n g l y k e y w o r d s ：e x t r u s i o ne x p a n s i o n , e x t r a c t i o n , r e f i n i n g , p r e - t r e a m a e n t ，s c r e wb o l t 2 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河 南工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 论文作者签名：_ 羔均型l 日期：二垃丑_ l j 止 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；本 人授权河南工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 日期：2 型) ! 。上c 丝 导师签名： 田屋明日期：丛盟扛4 有关知识产权的保证 本人所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。本人在校期间的研究成果及发表的论文，知识产权归河南 工业大学所有。本人毕业后发表的、以本人在校期间研究成果为基础完 成的论文、研究报告及其它科研成果，将署名河南工业大学为作者单位。 论文作者签名：塞绛翌日期：趟2 。姜。z g 导师签名：区 厦鲳日期：出坦乙j 毕 大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究 1 1 油脂工业与油脂 第一章前言 油脂工业是粮油食品工业的重要组成部分，其主要任务是：& 从植物油料中提取 油脂( 毛油) 并进行精炼，去除其中的非油物质，得到可食用的精制油脂产品；b 在 提取油脂的过程中保持并改善饼粕的质量，得到高品质的饲用饼粕或食用饼粕；c 油料 的深加工和综合利用，在油料和油脂生产的副产品中提取高附加值的产品“】。因此，油 腊工业不仅是农业生产的后续产业，同时又是饲料工业、食品工业、化学工业以及轻工 业的上游产业。 油脂工业的原料是来自于农业生产的植物油料，如大豆、棉籽、葵花籽、油菜籽、 蓖麻籽等。我国植物油料的产量在农业生产中居第三位，仅次于粮食和棉花，在国民经 济中占有重要地位。植物油料中含有脂肪、蛋白质、糖类、磷脂、维生素等多种营养物 质，从油料中提取的植物油脂不仅为人体提供热量、必需脂肪酸和脂溶性维生素，还是 食品加工重要的热媒介，用来改善食品的口感和风味。植物油料中的蛋白含量丰富，是 重要的蛋白资源，例如豆类的油料蛋白占世界蛋白质资源的1 3 ，大豆粕的8 0 9 6 用于养 殖业，是动物全价配合饲料中蛋白质的主要原料。随着食品工业的迅猛发展，特别是肉 制品工业对大豆蛋白产品需求持续旺盛，蛋白工业发展迅速，已经成长为一个颇具潜力 的行业。大豆油料中含有的许多营养物质及微量生物活性成分对人体具有一定的保健治 疗作用。例如，大豆磷脂对动脉硬化、高血脂、肝功能障碍有一定的治疗和保健效果。 大豆异黄酮的主要成份染料木素和大豆黄素具有很强的抗氧化作用，能清除过氧化产 物，阻止肿瘤细胞内新生血管的生成，防止动脉粥样硬化形成，预防心、血管疾病的发 生。大豆皂甙可以降低血浆胆固醇，并对预防结肠癌有一定作用等。 油脂还是重要的工业原料，可直接用来生产肥皂、油漆、润滑油等。由油脂制取的 油脂化学品可用作表面活性剂、乳化剂、增塑剂、化妆品基料、石油添加剂、润滑剂等。 例如，大豆磷脂是一种天然离子型表面活性剂，具有乳化、软化、增湿、渗透等功能特 点，广泛应用于化妆品、食品、医疗保健、饲料等行业嵋町。环氧化的油脂作为增塑剂使 用，能很好地与常用树脂混融，可用来生产无毒的乙烯基塑料“”。改良后的植物油脂肪 河南工业大学硕士学位论文 酸己成为生产各种化学原料所需的石油原料的重要替代品。再如时下方兴未艾的“生物 柴油”技术o 。2 ”，采用植物油与甲醇或乙醇在酸或碱性催化剂和2 3 0 。c 2 5 0 。c 下进行 酯化反应，生成相应的脂肪酸甲醣或乙酯生物柴油。与普通石化柴油相比，生物柴油是 一种高清洁的燃料，能减少温室气体的排放，更重要的是，它是可再生资源。在印刷行 业，面对石油危机的巨大影响，美国报业印刷者协会a n p a ( a m e r i c a nn e w s p a p e r p u b l i s h e r s a s s o c i a t i o n ) 开始重视非石油基印刷油墨的研发。经过多达2 0 0 0 多种植 物油配方的试验之后，大豆油墨应运而生。1 9 8 7 年，美国爱荷华州 t h eg a z e t t e 报首 次应用大豆油墨，发展到现在，美国约三分之一的报社均已使用大豆油墨，其用量也由最 初的4 5 吨增至2 0 0 0 年的4 1 ，0 0 0 吨”。 1 2 油脂制取工艺现状和发展情况 油脂制取的历史可以回溯到久远的年代。远古时期的中国人、埃及人、腓尼基人采 用各种原始的机械方法提取油脂，但直到2 0 世纪初，英国人发明了螺旋榨油机才使油 脂的制取开始进入机械化连续生产的新纪元。1 8 4 3 年法国人迪斯( d i s s ) 利用二硫化 碳作溶剂浸出橄榄油，开创了油脂的溶剂浸出方法。1 8 5 6 年单罐浸出器正式把溶剂浸 出应用于工业生产，1 8 7 0 年出现了间歇操作的罐组式浸出器。1 9 1 9 年德国人波尔曼 ( b o l l m a n ) 设计的直立篮斗式浸出器是第一台连续浸出操作。随后经过不断的改进和 发展，出现了多种多样的浸出设备，如履带式浸出器、框式浸出器、平转浸出器、固定 栅板浸出器、双层浸出器、环型浸出器等，油脂制取的工艺性能和技术性能均有了巨大 进步。 近来，以环型浸出器和平转浸出器为代表的浸出设备向大型化发展。例如，皇冠 公司的环型浸出器已达6 0 0 0 吨日，平转浸出器已有9 0 0 0 吨日的规模。这些大型连续 化的制油设备和浸出设备在油脂制取生产中的应用，标志着世界油脂工业已进入现代化 的生产阶段。大型油脂工厂的建设，不仅促进了先进工艺技术的研发和应用，同时促进 了油脂工厂的生产管理经验不断丰富，综合经济效益日益提高。 国内油脂工业受历史条件的限制，2 0 世纪8 0 年代前发展极其缓慢。1 9 4 9 年全国植 物油产量只有9 万多吨，植物油厂的动力螺旋榨油机仅三十多台，仅有大连一家浸出油 大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究 厂，采用落后的以苯为浸出溶剂的罐组式浸出设备，其余大多采用以人力为主的土榨法 和水压机榨法等。1 9 5 6 年我国自行设计并建造的第一个3 0t d 的油脂浸出厂在吉林 投产，1 9 5 7 年西安油脂化学厂引进比利时迪斯梅公司的1 5 0t d 履带式油脂浸出设 备。1 9 7 2 年召开的全国油脂浸出会议提出要大力推广浸出制油，但仍然发展缓慢。2 0 世纪8 0 9 0 年代，随着改革开放、市场活跃，国内油料的生产浸出制油技术得到了快 速发展，油脂工业进入一个快速成长阶段，油脂工厂从数百家迅速发展到上千家。进入 2 1 世纪后，随着国内经济形势的发展和大量外资的涌入，国内油脂工厂的建设进入了 又一个迅猛发展的新时期，油脂工厂的建设规模愈来愈大，新建了数十条生产能力1 5 0 0 吨4 0 0 0 吨的大豆浸出生产线。据不完全统计，到2 0 0 4 年，我国全年加工大豆的能力 已超过70 0 0 万吨，加上花生、油菜籽、棉籽、葵花籽等油料的加工能力，我国的油料 加工总能力已超过亿吨嘲。新技术和新设备在油脂生产中得到广泛应用，许多油脂生产 企业改变了观念，不再单纯为节省投资而忽视设备质量，油厂的自动化、现代化程度越 来越高，油脂工业正逐渐向现代化的生产装备水平方向迈进。 与油厂建设形势相适应，油脂生产的理论和工艺技术不断发展和完善。例如，为了 降低粕中的残油率、溶剂损耗，减少能量的消耗，以及提高浸出毛油的品质，混合油负 压蒸发工艺、湿粕脱溶工艺、溶剂蒸汽冷凝回收工艺、尾气溶剂的矿物油吸附回收工艺、 乏汽的余热利用等新工艺和新技术得到了深入细致的研究。以武汉友谊公司、西安油脂 研究所、郑州四维粮油工程技术有限公司为代表的油脂工程公司，成功地将以上技术应 用于生产中并且取得了显著的效果嘲。油脂精炼更加重视得到更好的精炼得率和产品质 量，同时力求降低辅料的消耗。除了传统的油脂生产技术之外，油脂超临界c q 萃取、超 滤和反渗透等技术均有进展。以酶工程、微生物工程、蛋白质工程为代表的生物工程技 术，在油脂生产及功能性油脂产品的开发中已获得初步的成功嘲。在这些发展中，油脂 新工艺应用的一个最为突出的特点是，油脂生产的每一个阶段，不再单纯重视本阶段的 指标，人们更加关心前一道工序对后续工序，乃至最终产品的影响，以往独立研究的工 序，现在被越来越多地综合性考虑对油脂制品的整体影响。比如，油料的预处理过程， 过去常关注料坯结构性能对萃取效果的影响，而新近运用的油料脱皮技术、膨化技术、 湿热处理技术等工艺，则更加重视预处理过程对油料中各种成分的影响，以及进一步的 对浸出毛油品质、精炼得率和最终产品质量的影响。 河南工业大学硕士学位论文 1 3 大豆挤压膨化浸出技术 1 3 1 大豆在植物油料中的地位 大豆是最主要的油料作物，其产量约占世界油料总产量的5 0 ，在种植、供应、价 格和投资方面对世界油料产业的影响最大。世界上的大豆主产国是美国、巴西、阿根廷 和中国。我国的大豆种植以东北各省及黄淮平原各省较为集中，其中东北三省大豆的种 植面积约占全国大豆总面积的4 0 ，黄淮流域约占3 8 ，长江流域及南方地区占1 7 ， 其余占5 “3 。 根据国家统计局资料，我国的大豆产量一直稳居植物油料的产量首位，约占全部植 物油料的2 8 3 0 ，尽管大豆的年产量呈稳步上升趋势( 表1 - 1 ) ，国产大豆仍无法满 足国内大豆油生产的需要。1 9 9 8 年我国进口大豆3 1 9 3 万吨，而到了2 0 0 4 年，我国 进口大豆达到2 0 2 3 万吨“。与此对应，油脂的消费水平逐年增加( 表i - 2 ) ，其中大豆 油约占全部油脂消费的2 7 ，仅次于油菜籽油的消费列第二位( 图卜1 ) 。与世界人均消 费1 5 k g 的水平来看，国内的油脂消费水平与世界水平仍有一定的差距，市场发展前景 乐观。 表卜11 9 8 5 2 0 0 4 年中国主要油料生产情况n 1 1( 单位：万吨) 注：其它油料指芝麻、油荼籽争亚麻籽，不包括米糠、玉米胚芽及特种油料资源 大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究 大豆浸出后的豆粕是最主要的油粕，占世界油粕产量的7 0 ，其原因一方面是大豆 粕所含植物蛋白品质优良，而价格却相对低廉，另外一方面是动物饲养安全和食品安全 的需要，特别是近年来疯牛病的影响，使得饲养业迫切需要用优质大豆粕部分或完全取 代动物蛋白在畜禽、水产饲料中的添加，因而造成对大豆粕数量及质量的需求不断提 高。 图1 - 11 9 9 6 - 2 0 0 0 年中国各类油脂的消费量， 资料来源：w w w f a o o r g 此外，肉制品工业对大豆蛋白产品的需求保持旺盛的增长，为油料蛋白工业提供了 良好的发展机遇，到2 0 0 3 年，我国的油料蛋白生产线已经有1 0 0 多条，大豆蛋白年生产 能力3 0 万吨，年实际生产量约2 0 万吨嘲。同时，大豆异黄酮、天然维生素e 、大豆 低聚糖、皂甙、植物甾醇、膳食纤维、大豆磷脂及蛋白肽等深加工产品的开发和应用已 逐步走向成熟，部分项目已实现工业化生产。 综上所述，大豆作为最为重要的植物油料之一，对油脂工业乃至农业、食品工业、 饲料工业、轻工业的影响将不断增强，其对国民经济的作用不可忽视。 1 3 2 大豆挤压膨化浸出工艺 挤压技术最早发端于塑料工业。1 8 5 6 年，美国人澳德开始将挤压技术应用到食品 工业，并申请了食品挤压技术的专利。在油脂行业，从美国安德森国际公司的创始人 a n d e r s o n 在1 9 0 0 年发明螺旋榨油机开始“”，安德森公司一直在挤压、膨化技术领域中 充当领跑者的角色，1 9 5 1 安德森改进了高含油料的预处理技术并注册了专利 p a t e n tu s 河南工业大学硕士学位论文 2 ，5 5 1 ，2 5 4 ( m a y1 。1 9 5 1 ) i s j o1 9 5 4 年安德森公司在螺旋榨油机的基础上研制了世界 上第一台膨化一蒸煮一挤压机( e e c ) ，应用于谷物膨化和米糠膨化；1 9 6 5 年，安德森公 司开发了油脂的膨化技术，运用于米糠、棉籽的膨化浸出，并于次年申请了专利 p a t e n t u s3 ，2 5 5 ，2 2 0 ( j u n e7 ，1 9 6 6 ) “”，随后，安德森公司研发的s o l v e x 膨化机开始应用 于大豆、油菜籽、麻籽予榨饼等物料的膨化浸出。同时，巴西的s a m r i g 公司利用美国 的挤压机进行实验，对米糠、大豆和玉米胚芽等油料进行了膨化浸出的工艺研究。2 0 世纪7 0 8 0 年代，在w i l l i a mb h e n d r i e k 、b i l lh e n d r i c k 、l e sw a t k i n s 等人的努 力下，油脂挤压膨化浸出技术逐步推广并走向成熟“”。 挤压膨化技术分干式膨化和湿式膨化两大类，应用于油脂浸出的主要为湿式膨化， 即需在膨化过程中加注直接蒸汽，干式膨化主要应用于食品工业和饲料工业。挤压膨化 技术问世后，世界上许多公司纷纷投入大量资金和人力进行研究，比较著名的有美国的 安德森( a n d e r s o n ) 公司、瑞士的b u h l e r 公司、美国的w e n g e r 公司、瑞典的m a t a d o u r 公司、巴西的泰可农( t e c n a l ) 公司、意大利的p a v a n - - m a p i m p i a n t i s 公司等，其中安 德森( a n d e r s o n ) 公司和泰可农( t e e n a l ) 公司在油脂浸出领域的技术最为先进和成熟， 其它公司的膨化机主要应用于食品和饲料行业，而且多为结构复杂、价格昂贵的双螺杆 挤压膨化机。 我国油脂行业对膨化技术的研究与认识始于上世纪7 0 年代中期。由于进口膨化机 价格昂贵，因此在引进国外设备的同时，一些科研机构和厂家开始研制国产油料挤压膨 化机。1 9 8 8 年，杨铭铎对谷物的膨化机理做了初步研究，得出了膨化技术在食品以及 发酵工业中应用的理论依据，验证了膨化能够提高原料的利用率和消化吸收率，同时改 善生产效率璐幻。1 9 9 0 年，刘大川、倪培德等人对挤压膨化预处理工艺在我国油脂行业 中的应用前景和可行性进行了分析和讨论帆”。与此同时，国内一些油脂设备生产厂家 在消化吸收基础上，对部分进口膨化机进行了仿制和改进。但与当时的经济形势相对应， 由于科研的投入不够、重视不足，国内机加工水平落后，国产挤压膨化设备的性能远低 于国外进口设备，单机处理量最大仅有1 0 0 2 0 0 t d ，影响了产品的进一步开发和推广。 另外一个重要原因是当时油脂生产企业尚未普遍认识到膨化浸出工艺的优越性，豆粕最 大的消费者一一饲料行业一一对膨化豆粕的质量和应用同样认识不足，因此油料挤压膨 化技术在国内油脂工业的应用和推广长时间停滞不前。到2 0 世纪9 0 年代，特别是进入 中期以后，油脂行业发展迅猛，外资企业涉足中国油脂加工业的步伐加快，先进技术的 大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究 引进及对外技术合作交流的机会增多，进一步促进了油料膨化技术和设备的研究开发。 油脂和饲料行业逐渐认识到油料膨化技术以及相关产品的优越性，油料膨化技术的应用 推广具备了良好的市场环境。因此，挤压膨化浸出工艺与相关设备的研究，日益受到油 脂业界的重视。1 9 9 5 年，郑竟成、叶风娟等进行了菜籽膨化浸出试验研究，并于1 9 9 6 年研制成功y g p h1 7 5 型高含油料挤压膨化机，用于菜籽、棉籽等高含油油料挤压膨化 预处理啪1 。2 0 0 0 年，刘大川等研制成功p h j l 0 0 型高油份油料膨化机，并率先在国内建 成了油菜籽皮挤压膨化和浸出制油生产线。这些都反映出油料膨化浸出技术得到了重视 和发展。 1 4 本研究的目的和意义 近几年来挤压膨化浸出技术的推广应用比较快速，国产膨化机较高的性价比逐渐得 到了国内诸多油厂的认可。但是不可否认，国产膨化机在制造工艺、机械性能、使用寿 命等方面均和国际先进水平存在较大差距；挤压膨化浸出对于国内油脂行业毕竟是一门 年轻的技术，膨化浸出工艺的系统研究较少，膨化的效果多以经验加以判断，一直缺少 膨化浸出工艺对后续的油脂制取工序以及相关油脂产品影响的可靠实验资料和相关数 据，少量已有的实验资料基本来自于实验样机，缺乏大规模的生产实践数据。国外厂家 虽然拥有技术上的优势，但是出于自身利益考虑，在技术上对国内厂家和科研单位非常 注意保密，能获得的有价值的资料很少。 本研究课题拟对大豆挤压膨化机( 单螺杆) 的结构参数进行优化和改进设计，研究 主要结构参数对膨化机性能的影响，从而对设计和制造膨化机提供可靠的理论依据；此 外，在1 5 0 0 t p d 大豆生产线上分别采用大豆生坯浸出和挤压膨化浸出两种工艺所得中 间产品、产品的质量指标的测定对比，分析研究膨化浸出工艺对大豆油脂生产效果、能 量消耗、产品和副产品质量以及产品得率的影响，以期为大豆油脂生产工艺技术的选用 和生产技术指标的考核提供依据。 拟定实验研究技术方案如下： ( 1 ) 根据大豆膨化浸出的特点对挤压膨化机的主体结构进行改进和优化设计； ( 2 ) 通过试验确定主要结构参数对膨化机的性能影响，据此确定膨化机的最佳工 河南工业大学硕士学位论文 作参数； ( 3 ) 进行大豆生坯浸出和挤压膨化浸出生产对比试验，分别获取生产实践数据， 选取实验所需的测定样品； ( 4 ) 在实验基础上，分析大豆生坯浸出和挤压膨化浸出对残溶、残油、生产能力 的影响； ( 5 ) 对实验样品进行测定，分析生坯浸出和挤压膨化浸出对油脂产品、副产品质 量以及产品得率的影响。 大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究 第二章膨化机结构的确定和优化设计 2 1 膨化机的工作原理 大豆坯片由进料口送入膨化机，机膛内的主轴在皮带传动装置驱动下以一定速度旋 转，在挤压螺旋的作用下将物料向出料口挤压、输送，同时通过汽阀向机膛内通入直接 蒸汽，在此期间，物料受到强烈的搅拌、摩擦、混合、剪切的作用，温度、湿度和压力 不断升高，当物料被挤出机膛时，由于压力突然释放，物料发生膨爆现象，物料中的水 蒸汽随之蒸发，从而使物料形成不规则的颗粒状膨化料。膨化料应具备颗粒状、油籽细 胞破裂、透气性好等三个特征。 膨化的必要条件是物料中应含有一定数量的淀粉、蛋白或纤维。膨化的蒸煮作用必 须将淀粉或蛋白转化为粘性状态，否则释放出来的物料没有足够的弹性来支撑内部的多 孔结构。 2 2 膨化机的主要结构 膨化机是挤压膨化浸出工艺中最关键的设备，图2 - 1 所示为模板式膨化机外形示意 图，这种形式的膨化机在高含油料挤压膨化机中较为常见。 图2 - 1 膨化机外形图 本研究对膨化机的结构进行了改进，其主体结构如图2 2 所示，主要由传动装置、 圆筒体机膛、挤压螺旋、进料装置、出料装置、机座、液压系统等组成。 河南工业大学硕士学位论文 带轮轴承包迸并日 l 蔓并量出辩日隹量毫藏压装置 图2 - 2 本研究膨化机的主要结构 无论国内还是国外膨化机产品，其结构模式大同小异，主要的区别在于膨化机挤压 螺旋的螺距分配( 决定压缩比) 、螺杆转速( 决定物料停留时间) 以及操作时蒸汽压力 有所不同，这是在实践中对膨化机进行控制的主要几个参数，也是影响膨化机性能和工 作效率最直接的几个参数。 2 3 膨化机结构参数的确定 膨化机最主要的部件是螺杆。根据a 1 1 d e r s o n 等公司公开的资料阱切，良好的膨化 效果不仅与螺杆的直径和旋转速度有关，而且与螺杆的压缩比、机头压力、蒸汽压力以 及螺杆其它结构参数均有密切关系。由于客观条件的限制，国内缺乏相关技术的资料和 文献，因此必须对此进行深入研究，通过试验和生产实践，确定合理的膨化机结构参数。 2 3 1 膨化机生产能力的计算 膨化机的生产能力q 是考核膨化机性能的重要指标，也是影响膨化机结构参数设计 最主要的基础数据之一，因此有必要先对其计算方法进行深入探讨。 生产能力q 和螺杆的轴向输送流量q 1 的转换关系如下： q - q i p 湍_ 3 6 q 1 p 式中： q ：生产能力，k g m q l ：输送流量，删一，s p ：物料密度，p j m m 3 大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究 输送流量q l 主要跟螺杆的转速n 、螺旋的结构和尺寸、机头压力等因素相关。根据 挤压三段理论1 6 3 ，大豆挤压膨化机的螺杆大致可以分成三部分：输送段、压缩段和均化 段，其中均化段对限流的作用最为关键，因此以其作为流量计算的研究对象。为简化计 算过程，根据相对运动原理假设螺杆静止而机膛旋转，并将螺旋通道展开( 图2 3 ) ，得 到： 螺杆 图2 - 3 螺旋通道展开图 机膛的平面运动速度： v = 丌x d s n 其分量： v i - - - - v x s i n ( 0 ) = 丌x d s x n x s i n ( 0 ) v 2 = v c o s ( e 产x d s x n x c o s ( 0 ) 在均化段，物料已经充分混合、压缩，并达到了相对稳定的温度，因此可按不可压 缩牛顿型流体计算流量；另外，螺旋槽壁和物料的摩擦可以产生回流，但是现在的加工 和装配工艺已经可以保证螺旋外顶面和机膛之间的间隙6 降低到很小的范围 ( o 5 - 1 5 m m ) ，因此实际的回流量非常少，可以忽略不计。由此得到流量计算式为： q l = nxri v v , d x d y ( m m 3 m i n ) ( 2 - 2 ) 式中： n ：螺旋的线数 h ：均化段螺旋通道的高度，m i l l w ：均化段螺旋通道的宽度，m m v z ：z 向任一点的速度分量，m n s 河南工业大学硕士学位论文 根据n a v i e r - s t o c k s 方程： ：型一( h - 2 y ) ( 竺) y h“az ：一v 2 y 一( h - 2 y ) ( 竺) y h“dz 竺d z 即z 向的压力变化： r i p ：p e - p s d z上 式中： p s 、p e ：均化段初始压力和终端压力，p a l ：均化段的长度，n l n l 由于x 向的流动对z 向基本没有影响( 只形成环流) ，式( 2 2 ) 进一步简化为： q l = w x n f 屹砂( m m 3 s ) ( 2 - 2 ) 其中，螺旋通道的宽度w 由下式计算得到： w一txdsxsin(0)n e( m m ) 式中：e ：螺棱的宽度，n l n l 。 将v z 代入式( 2 2 ) ，求得： q 1 - nl 砚w 2 一n 堕p e - p s 21 2 u工 = t a 2 d s 2 h n 旷丽e n 】s i n ( o ) c o s ( e 卜等旷丽e n 】 s i n 2 ( o ) p e _ - p s ( r a m 3 s ) ( 2 3 ) 考虑到计算模型可能存在的误差，引入修正系数f 1 、f 2 和两个记号g l 、g 2 ，式( 2 3 ) 可简化为如下结果： q l = g l n f 广鱼f 2 _ ( p e - p s ) ( m m 3 s ) ( 2 - 4 ) 修正系数f 1 、f 2 的值可参考文献【6 4 】。 式( 2 - 4 ) 较全面地反应了体积流量和转速n 、螺旋角0 、物料粘度u 、螺杆外径d s 、 膨化压力等参数的相关性，特别是当其它因素不变时，流量随螺杆直径d s 、转速n 的 增大而增大。 大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究 2 3 2 螺杆直径的确定 螺杆直径d s 是螺杆的主要参数，生产能力q 确定后，可以下式进行初步的计算： 西= 瘙 ( 2 5 ) 式中：d s 一螺杆外直径，m i l l q 一生产能力，k g m n 一螺杆转速，r r a i n b 一修正系数，b = o 0 0 2 0 0 0 3 从式( 2 5 ) 同样可知，螺杆直径和转速直接影响到膨化机的处理量，因此，若仅仅 为了提高产量，只需加大螺杆直径，提高螺杆转速即可。但是产量的提升并不能保证膨 化的效果，因此还需进行深入研究。 2 。3 3 螺杆压缩比的选取 压缩比是指进料口螺杆通道的展开容积与出料口前后一周螺纹的展开容积之比值。 压缩比范围一般为l 5 ，用于大豆膨化浸出的膨化机压缩比一般为1 2 i 5 6 4 ) ，压缩比 越高，机膛承受的压力越大，同时物料膨爆的程度越高，但过高的压缩比会造成膨化料 过度膨化，在后续浸出时使得混合油中的粉末度增加，同时对机膛的使用寿命有很大的 影响，因此需合理选择压缩比。根据文献【6 4 】的研究成果，本研究中试验机的压缩比取 1 3 ，亦即相关研究基于该压缩比进行。 2 3 4 挤压螺旋的有限元分析 挤压螺旋是膨化机最主要的工作元件，螺旋参数影响到膨化机的使用寿命、膨化效 果、设备产量和制作成本，直接决定膨化机的性能和品质。本节通过对挤压螺旋进行有 限元分析，了解应力的大小及分布情况，从而确定合理的螺旋结构参数，为合理设计挤 压螺旋提供理论依据。 在膨化机整个榨膛中，各段挤压螺旋的受压情况各不相同，沿物料前进方向逐渐 增大，均化段末端的出料螺旋受力状况最为恶劣，因此本研究以该段螺旋作为主要的研 究对象进行初步的有限元分析。 河南工业大学硕士学位论文 2 3 4 1 挤压螺旋的几何模型 本研究中，膨化机挤压螺旋采用阿基米德正螺旋面( 图2 3 ) ，其参数方程为： x = a c o s ( u ) + v s i n ( o ) s i n ( u )1 i y = a s i n ( u ) - v s i n ( 0 ) s i n ( u ) - z = b u - v c o s ( 0 ) j 式中： a ：母线与轴线间最短距离，即图中o a ： b ：螺旋参数； o ：母线和轴线的夹角； u ：母线绕z 轴的回转角； v ：母线上m 点对a 点位移。 图2 4 螺旋面的形成 研究采用的螺旋主要参数如下： 螺旋外径d s = 1 4 9m m ，螺旋内径d r - = l o o m m ，螺距s = 5 8 m m ，螺旋轴内孔直径 d r i = 6 6 m m ，螺纹头数1 ，螺旋长度l l o m m ，螺杆总长度2 8 5 0 m m ，模型材料设置为钢 板( 磨光) 。 为了进一步研究螺旋参数对对螺旋受力变形情况的影响，选取三种不同螺旋升角的 的螺旋a 、b 、c 进行对比分析，其螺旋升角分别为1 8 o o 。、1 9 2 9 。、2 0 5 6 。( 图2 5 ) ， 上、下螺棱宽度不同，螺旋的高度相同，截面的面积比为1 2 7 ：1 1 3 ：l ，其它参数相 同。 主要的材料特性参见表2 1 。 大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究 表2 - 1 模型材料特性 钢，高强度低合金 杨氏模量 2 e + 0 0 5m p a 泊松比0 2 8 7 质量密度 7 8 4 e - 0 0 6k g m m 3 屈服拉伸强度 2 7 5 8m p a 极限拉伸强度4 4 8 m p a 巷巷逮 ( a ) 螺旋a( b ) 螺旋b( c ) 螺旋c 图2 - 5 挤压螺旋的几何模型和剖视图 图2 6 为a i p 软件制作的挤压螺旋模型。 图2 - 6 挤压螺旋的几何模型和剖视图 2 3 4 2 嘲格的划分 模型制作完成后，进入“应力分析设置”，由a l p 自动划分网格，设置网格相关度， 参见图2 5 ，其中( a ) 为5 0 0 , 4 的网格相关性，( b ) 为1 0 0 的网格相关性。从图中可 知，相关性越低，网格数量就越少，显然对分析的准确度不利。因此，选取1 0 0 网格 河南工业大学硕士学位论文 相关性作为分析基础，并使用“结果收敛”模式对网格进行优化。 ( a ) 图2 7 模型的网格划分 2 3 4 3 载荷分析和加载 物料在机膛内沿螺旋槽不断被挤压，和螺旋槽、机膛壁发生摩擦，其整体受力情况 较为复杂，尚未见成熟数学模型可供分析利用。在螺杆全长范围内，功率的消耗不是均 匀的，在输送段物料仅被输送尚未被压缩，因此消耗的功率最小；在均化段物料已被压 缩到极至，同时已充分混合，在这段功率消耗最高，由于定量的测定或通过理论计算消 耗功率存在较大困难，这里取均化段末端螺旋为研究对象，假定物料呈均相稳定连续流 动，忽略由于螺旋顶面和机膛内壁之间存在间隙而引起的回流，并假定该段消耗的功率 为输送段的3 倍，因此螺旋承受的载荷可以轴向传递扭矩t 换算得到，计算方法如下： t ：9 5 5 5 x ! x 旦x k ( n m ) 以l 式中： p ：传递功率，k w ，取试验机电机功率5 5k w ； 1 3 ：转速，r m i n ，取试验机最高转速2 6 4r m i r a h ：螺旋段长度，h = 1 1 0 m m ： l ：螺旋总长，l = 2 8 5 0 m m ； k ：本段螺旋载荷系数，k = 3 。 由此得：t = 2 2 9 8 n m ，模型即以此载荷加载。同时添加轴向和切向约束，为方便 起见，将螺旋限定为只能作回转运动。 大豆挤压膨化浸出工艺和设各的研究 2 3 4 4 应力分析 设置好以上参数后，对三种螺旋分别进行应力分析，图2 - 8 1 0 为应力分析变形图， 结果见表2 - 2 。 图2 - 8 螺旋 的应力、变形分析图 图2 - 9 螺旋b 的应力、变形分析图 图2 - 1 0 螺旋c 的应力、变形分析围 - 1 7 - 河南工业大学硕士学位论文 鬟2 3 鲁2 1 1 9 1 7 + 变形量1 0 1 m 1 71 81 92 02 1升角+ ( a ) 升角和最大变形的关系 鉴l o 袭。 8 7 - , - e - - 最丈应力l i p s 1 71 81 92 02 1升角。 ( b ) 升角和最大应力的关系 图2 - 1 1 升角和最大变形、最大应力的关系图 2 3 4 5 分析结果讨论 从应力分析图2 8 l o 可以看出，螺旋在螺棱处的应力最小，越靠近螺旋根部，应 力越大，在螺槽底部和螺旋根部的结合位置达到最大值。螺旋升角的变化对这个分析结 果没有影响。因此可以得出结论，螺槽底部和螺旋根部的结合处是承受力矩最主要的位 置，同时也是结构突变引起应力集中的位置，在设计时应对该处进行特别注意，采用加 宽螺旋根部厚度、增加圆角过渡等方法能有效改善螺旋的受力情况，延长螺旋使用寿命， 但增加根部厚度会使得螺槽容积减小，因此会降低膨化机的产量。 再看变形情况，内孔面变形最小，沿径向变形逐渐增大，到螺旋顶面达到最大值， 这个结果和生产实践反馈的情况相吻合( 顶部磨损最快) 。同时，由于螺旋在套轴圆柱 面上分布未形成全包络形态，因此套轴圆柱面上变形不是均匀分布的。从分析结果可以 知道，增大螺旋面顶部宽度有助于改善螺旋受力情况，其弊端则在于螺旋面顶部加宽后 会减小螺旋槽的截面积，从而使得生产率下降。 从表2 - 2 和图2 1 1 可知，螺旋升角的增大意味着螺旋槽截面积的减小，但是螺旋的 应力和变形随之增加，因此，采用较小的升角固然能增大螺槽截面积，从而提高设备的 大豆挤压膨化浸出工艺和设备的研究 处理量，但其付出的代价是螺旋的受力和变形趋于不利，亦即螺旋的使用寿命会因此降 低。 综合以上分析可知，在具体设计膨化机的挤压螺旋时，要综合考虑各种因素，合理 选择和确定螺旋参数，在产品使用寿命和加工处理量之间取得平衡，以期获得最佳的效 益。 2 3 5 出料装置的改进设计 早期膨化机的出料装置为模板式( 图2 - 1 2 ) ，这种形式常用于高含油料膨化机中， 在正常