关于调质工艺的几个关键点（续完）

宁丽军 雷胡龙

中图分类号：S816.9 文献标志码：C 文章编号：1001-0769（2018）01-0058-04

8 蒸汽调质：停留时间、混合均匀度和颗粒大小

要了解调质，首先就要了解热和能量在组分间的传递。在调质器中，蒸汽、水和物料三者组成的三相系统是调质器工作的媒介。蒸汽通过冷凝将能量传递到物料，提高料温。而当蒸汽冷凝到物料上面时，又会在颗粒表面形成一层由水组成的膜，这个水膜的水被吸收进入颗粒后，增加物料水分。热量传递与水分吸收速度取决于颗粒表面的水膜张力以及热量与水分传递到颗粒内核的时间。物料-水两相相连越紧密，水膜表面张力就越小。

效果好的调质器，能使物料与蒸汽结合更紧密，水膜张力更小，调质速度也更快。物料是由对热量与水分具有不同内在抵抗力的原料组成。而热量和水分突破内在抵抗力传递到颗粒内核的速度遵循傅里叶定律和菲克第二定律，即通过不同原料的扩散系数，便可以应用物理学定律估算热量和水分均匀分布到物料的时间（必须停留时间）。通常原料扩散系数越高，热量和水分传递到它们的速度也越快。

大部分的饲料含有高比例的玉米、高梁、小麦以及它们的副产品等原料。这些原料的主要成分之一是淀粉。在环境温度下，淀粉所拥有的热扩散效率比水高100倍。简言之，热在淀粉颗粒的传递速度比水被淀粉吸收的速度要快得多。通常情况下，调质可使物料升温至目标温度，但目标水分则较难以达到。这也是要强调在调质器中停留足够时间的原因——为使水分尽量渗透进物料。水分和温度作为关键因素，两者配合起作用是产生好颗粒质量的保证。

水膜张力和内在阻力都将直接影响颗粒的水合速度。颗粒表面的水膜张力能够通过无因次毕奥系数（Bi）表示。当物料表面存在水膜张力时，调质器的混合效应差，毕奥系数小（<0.1）。 若调质器混合效应好，主要的抗力仅为水扩散到颗粒的阻力，那么毕奥系数就会非常大（>10）。基于这个数字，对目前大部分用于制粒的调质器的混合效应进行评估，它们都将评定为中等水平，即毕奥系数大约是1。

物料粒径大小对饲料调质效果也有直接的影响。颗粒粒径越小，所拥有的比表面积越大。Bouvier（1996）表明，大颗粒（>400 μm）所需要的水合时间是小颗粒（<200 μm）的2倍。当了解了颗粒大小与水合速度及能量转换的关系后，就不难理解当水分在调质器中通过蒸汽带入时，大颗粒比小颗粒需要更多的时间到达内核。水合速度可以通过热力学定律的数学公式来定义。

下面的公式能够基于颗粒半径计算颗粒充分水合所需要的时间。

Fo=Dt/[（R/3）2]

Fo是傅里叶指数，D是水的扩散系数，t是扩散时间，R是颗粒半径。对t求解显示，颗粒半径越大，所需要的水合时间越长。

这里清晰地显示出，粒径足够小的饲料不仅可消化性得到提高，而且能够加快水合速度，以得到更好的颗粒质量。假如颗粒大小均一性更好，那么对于大多数颗粒而言，水合速度会相近，水分在不同的颗粒也会有更一致的分布。这就是为什么要考虑通过粉碎系统以产生更均匀的粒径。考虑熟化度和颗粒耐久度，保持颗粒粉碎大小分布在一个相对窄的范围也是产生好的颗粒质量的保证。

9 停留时间分布

停留时间分布与停留时间应该加以区分。以先进先出的原则，使用一个标志物，测定其通过调质器的时间，即可以确定停留时间。考虑到停留时间与停留时间分布的区别，后者是指每个颗粒停留在调质器的平均时间，通常更能代表物料经过调质器的时间。停留时间分布呈现一个钟形特征曲线分布，分布时间越短，物料越均匀，调质器在物料水合与加热均一性上越有效。

目前很多调质器在桨叶设计、转轴速度、桨叶角度以及体积容量等构造参数上存在差异。了解停留时间分布后将更有效地通过调整调质器构造改善水合时间。在调质器中存在两种类型的混合：一种是轴向混合，有助于增加物料与蒸汽或水在调质器中的接触；另一种是径向混合，这种混合也能有效增加物料与蒸汽或水的连结性，但更多依赖于轴的转数与桨叶的构造。根据设计，调质器能够产生一个平推流（低效的混合）或混合流（高效轴向混合）。这些流动又依赖于桨叶构造、轴速以及调质腔内填充度等。

动物饲料制粒过程的一个常见问题是颗粒外观颜色不均一。在大多数情况下，这是由于调质器中物料水分分布不均所致，通过对停留时间分布的把握，这个问题便更容易被解决。在特定状况下，停留时间分布范围很宽，一些颗粒在调质器中停留时间较短，获得水分不足，而其他一些则停留时间较长，能够充分地进行水合。这些问题不仅由桨叶构造、轴速及填充度不当造成，而且与颗粒粒径的不均匀也有关系。即便调质器已经正确优化，若物料停留时间分布范围太广，水分在这些颗粒中分布也可能不均匀。大的颗粒将结合更少的水分，而小的颗粒则结合更多的水分。因此，物料的颗粒大小应该尽可能一致，而停留时间分布范围应该尽可能窄。

物料填充比表示物料占调质器总容积的比值，可通过暂停调质器测得。现在，许多正使用的调质器通常只有一个较低的填充比例（约30%）。小的填充比例意味着调质器内有较多的空余空间。蒸汽作为气体，往往会逃逸于这些空余空间。这种情况下，给物料加热与水合所需的蒸汽便减少了。因此，提高调质器物料填充比例显得尤为重要，这不仅能增加停留时间，而且可改善调质温度及水合效果均一程度。

正如前面所说，恰当的改变桨叶构造能提高物料填充度，如桨叶设置为0或90°能够通过提高轴向混合而提高物料填充度。大部分的调质器均配备有可调节的桨叶，一个好的桨叶构造应当具有反向、正向以及平向的构造。一些调质器（图10）配备保温圆盘以在装置末端产生一个阻力，从而增加填充度和停留时间。

近年来，一些新型的调质器进入市场，而一些老的调质器也得以改进。有些新型调质器是基于轴向、径向和延长保温时间相结合的原则。这种新型的调质器构造见示例（图11）。

这种新型调质器在一个小的腔室内形成一个大部分物料都能够水合与加热的高速混合区（图12）。另外，以法国的Stolz为例，他研制了一款倾向于提高保温时间和填充度的调质器（图13）。且由Stolz的數据显示该调质器保温时间能够高达6 min。很明显，延长保温时间能够提高物料水分吸收与熟化度，因为后两者均对时间和温度具有依赖性。

一些调质器，则被设计成加压工作的腔室，以利用其在更高压力下可将能量更高效传递到物料的特性。这些调质器已经在市场上有一段时间了，特别是Sprout-Waldron的加压调质器，已经在过去的膨化料生产过程中使用。而由国际制粒概念公司（图14）生产的加压调质器，也已经在一些颗粒饲料厂成功地推广应用。

毫无疑问，加压调质器的一大优点是基于蒸汽热动力学：更高的压力蒸汽能够转化更多的能量到饲料。

蒸汽表（斯派莎克）显示，在海平面或绝对压力在1.01×105 Pa，每千克蒸汽的能值是638.3 kcal。而在1.15×105 Pa时，每千克能值是640.7 kcal。2.4 kcal/kg的能值差意味着相当于大约3.6 ℃的温度差，当为获得好的颗粒质量而要求一个高的糊化度时，这是一大优点。此外，在高压下，水分和热量能快速渗透到淀粉颗粒内部产生糊化，缩短物料在调质器中的保温时间。有一些调质器设计成喂料式，通过使用制粒机喂料器出口端的计量螺杆来调节调质器出料速度（图15）。这种类型的调质器能够达到更高的填充度和保温时间。调质器生产商仍在努力改善物料存留时间以获得更好的糊化度和颗粒质量。

原题名：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（诺维萨德大学食品技术研究所食品技术和动物产品研究中心）