高速卧螺离心机在玉米蛋白分离中的应用

黄 建*

（海申机电总厂（象山））

0 引言

玉米蛋白是玉米淀粉的副产物深加工后制成的。玉米蛋白中含有丰富的氨基酸和叶黄素，是一种利用率较高的饲料原料，原有的玉米蛋白生产工艺主要采用板框压滤机来进行固液分离。但是板框压滤机存在占地面积大、自动化程度低、作业环境差（敞开式作业）、劳动强度高等缺点，而卧式螺旋卸料离心机（以下简称“离心机”）具有占地面积小、自动化程度高、投入少、不间断封闭式作业、无境污染等优点。

1 玉米蛋白的生产工艺及物料特性

1.1 生产工艺

玉米蛋白的生产工艺流程如图1 所示。玉米破碎浸泡后通过分离机分选出淀粉液和蛋白液，蛋白液进一步浓缩后进入离心机进行固液分离，分离后的液相则进入后续的水处理过程，固相经过烘干后制作成蛋白饲料。

图1 玉米蛋白生产工艺

1.2 物料特性

玉米蛋白粉的密度约为1.2 g/cm3，进料浓度为5%～10%（质量分数，下同）。玉米蛋白液具有黏度高、颗粒细、沉降速度慢等特点。

1.3 离心机选型依据

试管离心机实验得到的数据如表1 所示。

表1 实验室试管离心机分离数据

从表1 的实验数据可以看出，随着转速提高，固相含水率和液相含固率都有所下降。原液中的可溶成分浓度为1.6%，实际不含可溶成分的浓度为6.7%左右。通过计算可知，含水率为60%的玉米蛋白密度为1.07 g/cm3左右，非常接近水的密度。由于二者密度差很小，需要更高的转速才能把玉米蛋白沉降下来，因此选用高速离心机。

2 高速离心机的工作原理、结构特性

2.1 工作原理

高速离心机的结构如图2 所示。该高速离心机为逆流式离心机，主要由高强度转鼓、螺旋推料器、行星齿轮差速器、轴承、机座、机罩、主副电机和电气控制系统组成。

图2 高速离心机结构图

玉米蛋白液经进料管和螺旋出料口进入转鼓，在高速旋转产生的离心力作用下，较大的固相颗粒沉积在转鼓内壁上，与转鼓作相对运动的螺旋叶片不断将沉积在转鼓内壁上的固相颗粒刮下并从排渣口推出。分离后的清液经液层调节板开口流出转鼓。螺旋与转鼓之间的相对运动（即差转速）是通过差速器来实现的，其大小由副电机来控制。差速器的外壳与转鼓相联接，输出轴与螺旋体相联接，输入轴与副电机相联接。主电机带动转鼓旋转的同时也带动差速器的外壳一起旋转，副电机通过联轴器的联接来控制差速器输入轴的转速，使得差速器能够按照一定的速比将扭矩传递给螺旋，从而实现了离心机对玉米蛋白的连续分离过程。

2.2 结构特性

结合玉米蛋白的物料特性，选用高速离心机来对玉米蛋白进行固液分离。高速离心机设计时考虑了高转速、大长径比、大锥角等结构。

2.2.1 高速离心机性能参数

高速离心机的性能参数如表2 所示。

表2 高速离心机的主要技术参数

2.2.2 结构特点

（1）高分离因数

离心机的设计转速大于4 000 r/min，分离因数超过4 659，已属于高速离心机的范畴。

（2）大长径比

大长径比能够增加离心机有效沉降区域的面积，延长了玉米蛋白在离心机内部的停留时间，从而提高玉米蛋白的回收率，使分离后的清液更清澈，减轻了后续废水处理的压力。高速离心机设计的长径比大于4，最大限度地增加了有效沉降区域面积，也就是增强了离心机的处理能力，分离性能也更加优越。

（3）大锥角

结合玉米蛋白的物料特性，以及玉米蛋白离心分离后的渣干液清的要求，设计了大锥角的结构，设计的半锥角角度大于10°。该结构能够大大增加液层的深度，与相同长径比的机型相比，其澄清段更长；因锥角放大，在脱水区会形成更大的挤压力，使渣相更干，这样就能更好地保证渣干液清，大大提高了分离效果，从而得到更好的分离性能。

（4）自动冲洗功能

由于玉米蛋白有黏性容易发酵变质，所以离心机在停机之后需要将内部完全冲洗干净，这样才不会影响下一批玉米蛋白的品质。离心机设计了具有自动冲洗的结构和程序，能够对机座、机罩、转鼓内外和螺旋进行全方位冲洗。

（5）先进的电器控制系统

电器控制系统设计时采用了先进的双电机双变频共直流母线。离心机的主电机和副电机均采用变频器控制，在正常运行状态下，副电机因差速作用始终处于发电机状态，同时控制系统采用了变频器共直流母线技术，副变频器将副电机产生的一部分电能反馈给主变频器，从而达到节能降耗的目的。通过双电机双变频控制技术，可以精准地控制离心机的差转速。

3 高速离心机的工艺参数对玉米蛋白分离效果的影响

采用高速离心机对玉米蛋白进行固液分离，通过调节离心机的转鼓转速、差转速、液层深度等工艺参数来达到最佳的分离效果。

3.1 转速的影响

离心机转速越快，离心力就越大，细小颗粒的沉降速度就越快，对固相物的挤压力也越大，离心机的分离效果就越好，如表3 所示。

表3 不同转速工况下的分离效果

通过表3 数据可以得出，随着转速增大，固相含水率降低。但由于转速太快，离心力太大，反而会形成积料现象，增加了螺旋推料器的负担，从而不利于推料，最终会造成清液浑浊，不利于提高分离效果，并且转速越高能耗越大，所以在不影响分离效果的前提下，选择合适的转速至关重要。

3.2 差转速的影响

转鼓与螺旋的转速差叫做差转速，差转速决定了离心机的排料速度。在离心力不变的情况下，差转速越大，螺旋推料器的推料速度就越大，就能更快地把玉米蛋白推出出料口，但同时也会因玉米蛋白在离心机内部脱水时间短而造成固相含水率高的情况，如表4 所示。

表4 不同差转速工况下的分离效果

由表4 可知，差转速越小，固相含水率越低，同时也因推料太慢而造成清液含固率偏高，所以在实际调试中需要选择合适的差转速来达到最佳分离效果。

3.3 液层深度的影响

提高液层深度，相当于增加了玉米蛋白在离心机内部的停留时间，把一些较细且不易沉降的颗粒给分离出来，降低了离心分离后的清液含固率，但是液层太高会造成固相中的含水率偏大，如表5 所示。

表5 不同液层深度工况下的分离效果

从表5 数据可知，液层深度越高，液相含固率越低，但固相含水率却越高，在实际调试中需要选择合适的液层深度达到最佳分离效果。

4 分离效果

为了满足客户“渣干液清”的要求，需综合调节各项工艺参数，包括调节处理量、转鼓转速、差转速、液层调节板等。通过多次调试，高速离心机最佳的分离参数是转速为3 850 r/min，差转速为3.2 r/min，液层深度为88 mm,处理量为5.2 m3/h，固相含水率为59.4%，液相含固率为1.65%，分离效果可达到客户要求。

5 改进方向

在本次调试过程中，由于玉米蛋白的密度较小，清液中出现漂浮颗粒，在分离过程中导致清液含固率偏大，从而影响了处理量。若要降低清液含固率，又要保证固相含水率，需要让清液中的玉米蛋白在离心机内部停留更长的时间。一是加大长径比，让澄清段更长；二是增加螺旋缓冲板长度（如图3 所示），该结构可以使用更高的液层深度，从而延长玉米蛋白的停留时间，同时螺旋缓冲板对固相有一定的挤压作用，能够降低固相含水率，使分离效果更好。

图3 螺旋缓冲板

6 结论

离心机的各个工艺参数之间是相互关联的，必须根据物料的特性和分离要求来调节各个工艺参数，使其到达最佳的分离效果，以满足实际生产的需要。通过本次高速离心机现场试验，积累了在玉米蛋白分离中的调试经验，为以后提升玉米蛋白的分离效果打下了基础。在处理玉米蛋白分离中，高速离心机是一个比较理想的分离设备。