动态图像颗粒分析法在豆粕粉碎粒度及粒度分布测定中的应用

■张燕鸣杨秀娟曹志勇高映红白迪文曹胜雄吕朝金贺德永陶琳丽

（1.云南农业大学动物科学技术学院云南省动物营养与饲料重点实验室，云南昆明650201；2.云南农业大学基础与信息工程学院，云南昆明650201；3.昆明云岭广大种禽饲料有限公司，云南昆明650000；4.云南省普洱市墨江县龙潭乡畜牧兽医工作站，云南墨江664811）



动态图像颗粒分析法在豆粕粉碎粒度及粒度分布测定中的应用

■张燕鸣1杨秀娟1曹志勇2高映红3白迪文4曹胜雄1吕朝金1贺德永1陶琳丽1

（1.云南农业大学动物科学技术学院云南省动物营养与饲料重点实验室，云南昆明650201；
2.云南农业大学基础与信息工程学院，云南昆明650201；3.昆明云岭广大种禽饲料有限公司，云南昆明650000；4.云南省普洱市墨江县龙潭乡畜牧兽医工作站，云南墨江664811）

摘要：文章将动态图像法引入到豆粕粉碎粒度的评价中，旨在为饲料粉碎粒度的研究提供了一种新的评价方法。用SFSP56×40锤片粉碎机，在4.50、6.00 mm和8.00 mm 3种筛片规格条件下，粉碎水分含量为12%的豆粕，应用BT-2900干法图像粒度粒形分析系统测定其粒度大小、粒度分布和颗粒形态。结果表明，通过这3种筛孔直径粉碎的豆粕最大粒径分别为2 875、3 432、3 652 μm，与筛片孔径4 500、6 000 μm和8 000 μm偏差分别为1 625、2 568 μm和4 348 μm，且3种豆粕粒度基本都在3 000 μm以内，分别占100%、99.57%和99.54%，重量几何平均直径分别为668.00、676.86 μm和689.78 μm。3种筛孔条件下的豆粕颗粒形态基本一致。综上所述，3种孔径筛片获得的豆粕粉碎粒度相近，应用动态图像法测定豆粕粒度及粒度分布，操作简便、快速、结果准确。

关键词：动态图像法；饲料粒度；粒度分布；豆粕

豆粕是畜禽饲料中重要的蛋白质来源，在饲料配方中占有重要比例，是饲料中需要粉碎的原料之一。粉碎是饲料加工过程中的一个重要工段，一般情况下饲料配方中需要粉碎的原料占配方比例的50%～80%，粉碎工序的电耗占饲料厂生产车间总电耗的30%～70%[1]。有研究表明：锤片式粉碎机筛片筛孔直径由4.76 mm增加到7.94 mm时，粉碎机能耗降低了35%[2]，随筛孔直径的增大，锤片粉碎机的生产效率也会提高[3-5]。对原料进行粉碎处理，不仅能增大饲料暴露的表面积，使畜禽易于消化和吸收，还可以提高畜禽对饲料营养的利用率，促进其生长以及降低消化道疾病[6]。对饲料粒度大小进行控制，不仅可以提高畜禽生产性能，还可以降低饲料加工成本，所以饲料粒度的测定至关重要。

粒度是指颗粒的大小，可用几何平均粒径来表示，其均匀度用“筛上物不得大于”来表示[7]。一般情况下除微量成分要求颗粒很小，需要采用显微镜方法测定其粒度外，饲料多用筛分法测定粒度[8]。目前我国采用的饲料产品粒度测定和表示方法有三层筛法，4层筛法，8层筛法和15层筛法4种方法[9]。然而，筛分法在测定和计算过程中都较为繁琐，且消耗的时间长，测定结果精确程度低，不利于饲料产品的日常检验。图像法是以像素分析为基础，借用图像处理和分析软件进行大量图像的定量分析[10]。

BT-2900干法图像粒度粒形分析系统主要适用于粗的、粒状材料的粒度粒形分析领域。它采用电磁振动加料系统，高亮度LED阵列光源，进口高速CCD，小相差远心镜头等先进硬件技术，在颗粒自由下落过程中随机拍摄通过镜头的颗粒图像，在拍摄图像的同时电脑软件对颗粒进行快速识别和处理，在屏幕上实时显示每个颗粒的图像和粒度、粒形数据。分析结果包括反映颗粒形貌的圆形度和凹凸度，反映颗粒大小的粒度分布、典型值、最大颗粒值、特定区间含量、小于或大于某一粒径含量等。其测量范围在0.03～10 mm之间，应用领域包括所有需要进行颗粒和粒形分析的材料，如盐、糖、塑料制品、催化剂、研磨剂、碳制品、沙、煤炭、咖啡、耐火材料、食品、聚苯乙烯、玻璃、陶瓷、肥料、药物、矿石等。具有成像清晰、分析速度快、操作简单、结果准确可靠等特点，为粒状粉体材料的研究、质量控制和应用提供了一种快速科学的分析手段。目前我国该法普遍用于化学工业中，在饲料工业中尚未应用。本文主要通过动态图像颗粒分析系统对通过3种筛孔直径的粉碎豆粕进行粒度及粒度分布的测定及分析研究，为饲料粉碎工艺的研究提供了一种新的评价方法。

1材料与方法

1.1实验仪器及原料

BT-2900动态图像颗粒分析系统（丹东百特仪器有限公司），锤片粉碎机(正昌SFSP56×40，锤片数16)；

将含水量为12%的豆粕分别通过4.50、6.00 mm 和8.00 mm 3种筛片规格的锤片粉碎机粉碎，制成3种不同粉碎粒度的豆粕。

1.2实验方法

1.2.1系统标定

在第一次使用时，系统要先进行标定，用显微镜专用标准刻度尺直接标定每个像素的尺寸，再根据每个颗粒图像面积所占的像素多少来计算颗粒的大小。以mm为单位。

1.2.2取样及测定

为保证所测样品具有充分的代表性，采用四分法取样，一个样品取3次，将取好的样品分别放在烧杯中。样品量满足系统设置拍摄150 000张颗粒图片的要求。设置参数及输入样品信息，向储料斗中加入取好的样品，调整好储料斗与布料槽之间的距离，启动振动加料器，开始测定。颗粒将沿着布料槽流动，在槽口处下落，经过镜头时CCD将快速拍摄颗粒图像，系统自动对通过的颗粒数量和每个颗粒所包含的像素数量进行统计，计算出每个颗粒图像的投影面积，然后计算出与实际颗粒面积相等的圆面积和球体积，再计算出颗粒的等效面积直径和等效球体积直径，且对所有颗粒进行统计，最后得到粒度分布、长径比分布等信息，并保存计算结果。

1.3数据处理

最大粒径取3次测量结果最大的值，豆粕颗粒平均粒径取3次结果平均值，粒度及粒度分布图、粒度形态图、颗粒图像由系统直接给出。

根据国标《饲料粉碎机试验方法》（GB6971-86)计算重量几何平均直径dgw。

式中：di——第i层筛孔尺寸（μm）；

2结果与分析

2.1 3种筛孔粉碎条件下的豆粕粒度分析

表1通过不同筛孔直径的3种豆粕的最大粒径及重量几何平均直径

由表1和图1可知：采用4.50、6.00 mm和8.00 mm 3种筛片粉碎的豆粕最大粒径分别为2 875、3 432、3 652 μm，与筛孔直径偏差较大，偏差分别为1 652、2 568 μm和4 348 μm，通过3种筛孔直径的豆粕颗粒绝大部分都在3 000 μm以内，分别占100%、99.57% 和99.54%，重量几何平均直径分别为668.00、676.86、689.78 μm。通过3种筛孔直径的豆粕粒度90%是一样的，这与锤片粉碎机的粉碎特性有很大关系，原因之一是豆粕在转子上方受到锤片的第一次打击时，在初始破碎区，豆粕与锤片端部速度差异极大，豆粕流大部分被粉碎或碎裂所造成；原因之二是粉碎室中环流层现象导致豆粕存在过度粉碎，其次豆粕的物理特性也导致其易被过度粉碎。

图1 3种不同筛孔直径粉碎的豆粕粒度及粒度分布

2.2 3种筛孔粉碎条件下的豆粕粒度及粒度分布分析

由图2可知：用4.50 mm筛片粉碎的豆粕其粒度及粒度分布曲线服从正态分布，从图中可以看出豆粕粒度分布跨度不大，概率分布密度曲线较“瘦”，豆粕粒度的大小越集中在平均粒度大小的附近；其中大部分豆粕颗粒分布在400～2000 μm之间占80.52%，只有19.48%的豆粕颗粒分布在小于100 μm和大于2 000 μm的范围内；豆粕颗粒在800～900 μm区间范围内分布的最多，占8.74%，其余各区间之间占的比例都小于8.74%。

图2通过4.50 mm筛孔的豆粕粒度及粒度分布

由图3可知：用6.00 mm筛片粉碎的豆粕其粒度及粒度分布曲线服从正态分布，从图中可以看出大部分豆粕颗粒分布在400～2 000 μm之间占80.81%，只有19.19%的豆粕颗粒分布在小于400 μm和大于2 000 μm的范围内；豆粕颗粒在700～800 μm区间范围内分布的最多，占7.92%，800～900 μm区间范围的次之，占7.81%，其余各区间之间占的比例都小于7.81%。

由图4可知：用8.00 mm筛片粉碎的豆粕其粒度及粒度分布曲线服从正态分布，从图中可以看出大部分豆粕颗粒分布在400～2 000 μm之间占75.39%，只有24.61%的豆粕颗粒分布在小于400 μm和大于2 000 μm的范围内；豆粕颗粒在700～800 μm区间范围内分布的最多，占7.35%，800～900 μm区间范围的次之，占7.07%，其余各区间之间占的比例都小于7.07%。

图3通过6.00 mm筛孔的豆粕粒度及粒度分布

图4通过8.00 mm筛孔的豆粕粒度及粒度分布

由图2、图3和图4可知：用4.50、6.00 mm和8.00 mm筛片粉碎的豆粕绝大部分粒度都在400～2 000 μm之间分别占80.52%、80.81%和75.39%，＞3 000 μm的豆粕颗粒分别占0%、0.43%和0.46%.随着筛孔直径的增大，大颗粒的豆粕会随之增加，但所占比例较少。

2.3 3种筛孔粉碎条件下豆粕粒度的形态分析

由图5所示4.50 mm筛孔直径下粉碎的单个颗粒的玉米碎片，呈现为不规则形状。

图6、图7和图8可以看出，通过3种筛孔的豆粕，在300～600 μm的区间范围内豆粕颗粒的形态差异很大，颗粒长径比分布在1～10之间，其次是分布在100～300 μm区间的豆粕颗粒，长径比大于6的颗粒要比300～600 μm区间范围内的少，大于2 000 μm的豆粕颗粒形态相近。从图中还可看出锤片粉碎机粉碎出的豆粕无论分布在哪个区间绝大多数的颗粒形状基本保持一致。使用同一台粉碎机粉碎出来的不同筛孔直径的豆粕粒度形态基本相似，只是随着筛片的不同，所占比例略有不同。

3　讨论

利用动态图像系统法测定豆粕粉碎粒度及粒度分布克服了显微镜图像法测定粒度及粒度分布时由于图片少使结果不具有代表性的不足，动态图像系统可以一次分析处理上百万张颗粒图片。Dez等指出图像法测量粒度分布必须对数百张图片分析得到的统计结果才具有代表性[11]。Faris也认为图像法测定粒度时要得到共约600个颗粒图像才可获得正确粒度统计结果[12]。在传统的筛分法测定粒度过程中，由于待测物在长时间的振动过程中，强度不够的颗粒容易造成破损，导致结果偏差[13]。然而在用动态图像系统法测定粒度的过程中，由于测定时间短，振动缓慢，不易对测定物颗粒造成破坏。

图5通过4.50 mm筛孔的豆粕颗粒图片

图6通过4.50 mm筛孔的豆粕颗粒形态（长径比）

图7通过6.00 mm筛孔的豆粕颗粒形态（长径比）

图8通过8.00 mm筛孔的豆粕颗粒形态（长径比）

4　结论

利用动态图像系统测定饲料粒度及粒度分布，操作简单、快速，结果具有代表性，准确程度高。传统的筛分法只能得出饲料颗粒的大小和分布，动态图像法不仅可以获得粒度及粒度分布，同时还可以得出最大粒径、最小粒径、长径比、颗粒图像等细致结果。然而由于动态图像分析系统价格昂贵，在饲料生产企业中应用较少。

参考文献

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（编辑：崔成德，cuichengde88@sina.com）

The application of dynamic image analysis in soybean particle size and distribution of measurement

Zhang Yanming, Yang Xiujuan, Cao Zhiyong, Gao yinghong, Bai diwen, Cao Shengxiong, Lü Chaojin, He Deyong, Tao Linli

Abstract：The paper introduce a dynamic imaging method to evaluate the particle size of soybean grinding, grinding study aims to feed particle size provides a new evaluation method. through the BT -2 900 dry image size grain shape analysis system were determined size、particle size distribution and par⁃ticle morphology of water content 12% soybean after hammer grind by 4.50 mm, 6.00 mm and 8.00 mm sieve diameter, the results showed that the largest soybean particle size and dgwwas 2 875 μm, 3 432 μm, 3 652 μm and 668,00 μm, 676.86 μm, 689.78 μm grind by the 3 sieve,have large deviation for 4 500 μm、6 000 μm and 8 000 μm,were 1 625 μm, 2 568 μm and 4 348 μm, sieve diameter by 3 groups of soy⁃bean the vast majority of the particles are less than 3 000 μm, accounting for 100%, 99.57% and 99.54%,soybean particle morphology under 3 conditions are basically the same mesh. In summary the soybean particle size and particle size distribution was similar by three sieve diameters.dynamic image method is simple，rapid and accurate in determining particle size.

Key words：dynamic image method；feed particle；particle size distribution；soybean

收稿日期：2015-10-03

通讯作者：陶琳丽，副教授。

作者简介：张燕鸣，硕士，主要从事饲料加工工艺的研究。

中图分类号：S816.17

文献标识码：A

文章编号：1001-991X（2016）03-0005-05

doi:10.13302/j.cnki.fi.2016.03.002

项目来源：国家高技术研究发展专项（863计划）项目[2011AAI00305]武定鸡营养需要量研究