干冰膨胀工艺参数对膨胀烟丝整丝率的影响

康金岭 范燕玲

（广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂，广西 柳州 545005）

在干冰膨胀烟丝的生产过程中，目前普遍存在着烟丝耐加工性较差，造碎偏多等问题［1］，膨胀烟丝整丝率普遍偏低，从而影响了膨胀烟丝的有效利用率。目前行业在干冰膨胀线各工艺参数对叶丝结构如何优化方面的研究较多［2－6］，但大多是通过单因素试验或正交试验法对试验进行论证，在对影响指标的最佳值判定方面的论述还未见报道。本试验以膨胀烟丝整丝率为研究对象，在前期试验基础上，针对浸渍含水量、升华温度、升华工艺风速3个关键参数，利用响应曲面法对上述参数进行了最佳参数组合试验，为膨胀烟丝整丝率的最佳工艺参数的设定提供了理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

烤烟片烟：膨胀烟丝（A1）配方，广西中烟工业有限责任公司；

干冰膨胀烟丝生产线：1 140kg／h型，秦皇岛烟草机械有限责任公司；

烟丝振动分选筛：YQ－2型，中国烟草总公司郑州烟草研究院；

电子天平：PL203－IC型，梅特勒－托利多仪器（上海）有限公司；

1.2 试验方法

1.2.1 取样方法 取样在同批次内进行，过程控制稳定后每组参数对应在柔性风选出口振槽处取样。其它各工艺参数不变，避免其它干扰因素对测试结果的影响。

1.2.2 样品的制备 每次取样1 000g，每参数取样4次，四分法混合后为1个测试样品，样品自然冷却至常温称重记录为G1。

1.2.3 样品的评价方法及计算公式 以膨胀烟丝整丝率（Y）为评价指标。将样品放置于振筛分选筛的皮带上，启动振筛，收集3.35mm网孔和2.50mm网孔上的膨胀烟丝称重记录为G2。计算公式如下：

1.2.4 工艺参数的单因素试验

（1）在工艺流量1 140kg／h、升华温度320℃，升华工艺风速32m／s条件下，分别观察不同浸渍含水率（19.0%，20.0%，21.0%，22.0%，23.0%）对膨胀烟丝整丝率的影响。

（2）在工艺流量1 140kg／h、浸渍含水率21.0%，升华工艺风速32m／s条件下，分别观察不同升华温度（300，310，320，330，340℃）对膨胀烟丝整丝率的影响。

（3）在工艺流量1 140kg／h、浸渍含水率21.0%，升华温度320℃条件下，分别观察不同升华工艺风速（32，33，34，35，36m／s）对膨胀烟丝整丝率的影响。

2 结果与分析

2.1 膨胀烟丝整丝率的单因素试验

2.1.1 浸渍含水率对膨胀烟丝整丝率的影响 由图1可知，膨胀烟丝整丝率随着浸渍含水率增加而增加，在浸渍含水率不超过21.0%时，膨胀烟丝整丝率增幅较大，当浸渍含水率超过21.0%以后，随着浸渍含水率的增加，膨胀烟丝整丝率又开始呈现下降趋势，可能随着浸渍含水率的增加，影响了膨胀烟丝对液态二氧化碳的吸收，影响了膨胀烟丝的膨胀效果，因此选择浸渍含水率工艺参数为21.0%。

图1 浸渍含水率对膨胀烟丝整丝率的影响折线图Figure 1 The effects of dipping moisture content on the long strands of expanded cut tobacco influence line graph

2.1.2 升华温度对膨胀烟丝整丝率的影响 由图2可知，膨胀烟丝整丝率随着升华温度的增加先增加后降低。膨胀烟丝整丝率在升华温度320℃时有最大值。当升华温度超过320℃时，膨胀烟丝整丝率开始呈现下降趋势，故本试验选择升华温度工艺参数为320℃。

图2 升华温度对膨胀烟丝整丝率的影响折线图Figure 2 The effects of air temperature on the long strands of expanded cut tobacco influence line graph

2.1.3 升华工艺风速对膨胀烟丝整丝率的影响 由图3可知，膨胀烟丝整丝率随着管道风速的增加呈现下降趋势，根据生产实际综合考虑（当管道工艺风速低于32m／s时，风送管道有堵料现象），故选择升华工艺风速为32m／s。

图3 升华工艺风速对膨胀烟丝整丝率的影响折线图Figure 3 The effects of pipeline wind speed on the long strands of expanded cut tobacco influence line graph

2.2 曲面响应法优化膨胀烟丝整丝率

在单因素试验基础上，运用DOE设计，对影响膨胀烟丝整丝率的浸渍含水量、升华温度、升华工艺风速三参数，采用Minitab－16设计软件编制了Box－Behnken曲面响应法三因素设计试验，试验因素水平的设计编码和计算分析结果，见表1～3。

表1 试验设计的因素水平及编码表Table 1 Design experiment vairables levels and coding table

2.2.1 各因素对膨胀烟丝整丝率的影响分析 为了分析各因素对膨胀烟丝整丝率的影响，以膨胀烟丝整丝率为评价标准（Y），对Minitab分析软件的ANOVA表进行分析，从分析结果得到上述3个因素与膨胀烟丝整丝率的回归方程：

对回归模型进行方差分析，结果见表3。

由表3可知，模型中 X1、X2、X3、X21、X22、X1X3、X2X3高度显著，X23、X1X2显著，说明浸渍含水量、升华温度、升华工艺风速对膨胀烟丝整丝率都存在显著影响。模型显著性极高，误差项不显著，从拟合的总效果看，模型没有失拟现象，证明总体模型有效，模型可以代替真实的试验进行数据分析［7］。

表2 Box－Behnken的试验设计和结果Table 2 Box－Behnken design experiments and results

表3 响应值的方差分析表†Table 3 Variance analysis of response value

2.2.2 各因素及交互作用对膨胀烟丝整丝率的影响 各试验因素及相互间交互作用对膨胀烟丝整丝率影响见图4～6。

图4 浸渍含水率与升华温度对膨胀烟丝整丝率的响应曲面与等值线图Figure 4 Response surface and contour line of the MC and AT for the POLS

从以上各因素间的响应曲面图可以看出：图4中浸渍含水率曲面更陡，说明浸渍含水率对膨胀烟丝整丝率的影响比升华温度显著；图5表明浸渍含水率同样对膨胀烟丝整丝率的影响比工艺风速更加显著；图6显示工艺风速比升华温度对膨胀烟丝整丝率的影响更显著［8］；从综合方差分析表可以看出，工艺风速对膨胀烟丝整丝率的影响最大，浸渍含水率影响次之，升华温度影响最小。

2.2.3 最佳工艺条件的优化及验证 通过 Minitab－16软件对试验进行最优运算，得出Y的最大值为最优解，最大值点（X1，X2，X3）的原始代码值分别为（0.53，1.00，－1.00），对应的实际值分别为浸渍含水率20.47%、升华温度340℃，升华工艺风速30m／s，理论上膨胀烟丝整丝率最大值为71.47%，在本参数条件下进行的3次验证实验显示膨胀烟丝整丝率平均值为71.56%，与理论计算值一致，证明试验方程有效可靠。

3 结论

浸渍含水量、升华温度、升华工艺风速对膨胀烟丝整丝率均有显著的影响，且参数之间有显著的交互作用。其中工艺风速对膨胀烟丝整丝率的影响最大，浸渍含水率对膨胀烟丝整丝率影响次之，升华温度对膨胀烟丝整丝率影响最小。

通过Minitab－16设计软件进行的响应面试验验证，膨胀烟丝整丝率最佳工艺参数值为浸渍含水率20.5%、升华温度340℃，升华工艺风速30m／s，该条件下膨胀烟丝整丝率最大值为71.50%。

图5 浸渍含水率与工艺风速对膨胀烟丝整丝率的响应曲面与等值线图Figure 5 Response surface and contour line of the MC and PWS for the POLS

图6 升华温度与工艺风速对膨胀烟丝整丝率的响应曲面与等值线图Figure 6 Response surface and contour line of the AT and PWS for the POLS

1 资文华，王慧，番绍军，等.干冰膨胀烟丝加工过程参数优化研究［J］.烟草科技，2008（1）：8～18.

2 杨文超.提高膨胀烟丝耐加工性的探索［C］／／中国烟草学会工业专业委员会工艺学组2010年学术研讨会论文集.青岛：中国烟草协会出版社，2010：178～181.

3 李永祥，杨文超.干冰法制膨丝降低CO2单耗的改进方法［C］／／中国烟草学会第五届理事会第三次会议暨学术年会.广州：中国烟草协会出版社，2007：126～132.

4 许龙.提高CO2膨胀烟丝的整丝率研究［J］.工业设计，2011（1）：13～15.

5 邱其芳.二氧化碳膨胀工艺特性研究［J］.韶关学院学报，2008，29（9）：52～54.

6 林天勤，吴永生.干冰膨胀烟丝流量控制的改进［J］.烟草科技，2006（10）：31～32.

7 康金岭，黄贤飞，刘远涛，等.预处理工艺对烟梗回透率的影响［J］.食品与机械，2012，28（6）：205～240.

8 韦小玲，康金岭.管板式烘丝机工艺参数对卷烟香气的影响［J］.食品与机械，2012，28（6）：193～196.