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| 水产饲料与挤压膨化技术 | |
| 国家粮食局无锡粮科院 王永昌 | |
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鱼虾等水产品是人们最喜爱的食品之一，鱼虾不仅营养丰富，氨基酸组成与人体氨基酸组成十分相似，同时味道鲜美。所以，鱼虾等水产品的养殖量逐年增多，到2005年水产品总产量中养殖量已为捕捞量的2倍之多，达3000万多吨，年增长率达15%以上。水产饲料的需求量亦在不断攀升，2005年已有2000多万吨，占全国饲料总产量的20%左右，年增长率达16%以上。特别是挤压膨化技术的广泛运用，为水产饲料的质量提升创造了条件。挤压膨化技术在饲料运用可以说是饲料工业发展史上的一个重要的里程碑。不仅为水产饲料品质的提高、饲料报酬的提高，饲料资源的利用，改善水质等方面提供一个新的平台。为畜禽饲料原料预处理及新的加工工艺提供了一组先进的新型工艺和设备。现就水产饲料和挤压膨化技术的有关问题进行讨论。
一、水产饲料与水生动物的特点与要求：
水产饲料是喂养鱼虾等水生动物，因此，水产饲料应具有适合各种水生动物生活习性、特点和要求。
1、水生动物一生在水中生活。
2、不同的水生动物生活习性多：鱼虾等水生动物有生活在水域上层、中层和下层，因此，要求饲料能适应不同水域部位的特性。鱼又有要求水温不同，适合在温水和冷水里生活等不同的习性。
3、水生动物采食习性和采食量各不相同：有吞食和抱啃食方式，吞食的采食时间短，如鱼类一般在30～40 min可完成采食；抱啃食的采食时间长，如虾类一般在3～6个小时。鱼类一般个体大采食较大，颗粒直径较大可达在4～5 mm以上；虾类个体小，采食较小，幼虾以上的食用最小颗粒仅为0.4～0.5mm。为此，对1～0.5mm以下的小颗粒要达到全价饵料，组成小颗粒的20多种原料必须粉碎粒很细，不管组分含量多少，使虾每天食进每种组分的颗粒不能小于8～10粒，才能既保证混合均匀和又能达到较佳的养殖效果。
4、水生动物消化道长度低于陆地动物：一般鱼类为体长的3～5倍左右。虾为体长的1.2～1.6倍左右，陆地动物消化道长度为体长的10倍以上。经测定，水生动物因消化道较短，饲料从食后到排出体外时间快，如虾仅2～3小时，消化吸收率亦就较低。同时是水生动物变温动物，大多鱼类水温在8～34℃范围内每提高10℃，消化时间可减少30～50%时间。因此，在低水温时要求饲料更要具有高的消化吸收率，对水生动物的在低温时的生长极为有利。
5、水生动物体内重要的消化酶如胰蛋白酶、淀粉酶比陆地动物要少得多。这些酶在鱼的不同生长期，这些酶的活性呈现出不尽相同，仔鱼时酶的活性较弱，随着鱼体的生长，胰蛋白酶、淀粉酶的活性亦增加，而有些酶反而下降，但生长到一定时间后在开始上升。总之水生动物体消化酶的特性跟随着品种不同、生长期不同而不同。一般肉食性的鱼消化系统短，但蛋白酶的活性较强；草食性的鱼消化系统长、淀粉酶活性较强。所以，饲料加工和配方中如能考虑这些因素，将使饲料能获得更佳的饲养效果。
6、水生动物一般抗病能力差，特别是虾，虾属于蜕壳水生动物，虾一生要经过20次蜕壳。虾在蜕壳阶段抗病能力特别差，为此，要求饲料灭菌效果好。
因此，要求水产饲料应具有：1、耐水性和稳定性好；2、沉性、浮性和半浮性等各种饲料；3、易消化、吸收好；4、要求各种组分的粉碎细度和成品粒度，应根据不同养殖对象及不同生长期有所不同；5、含菌率低，安全性好等特性。
为了生产出符合水产饲料要求，其途经主要是：1原料选择；2加工工艺和设备；3配方设计(配方设计大家比我更清楚，我就不讨论了)。
1、原料选择：水产动物因消化系统不及陆地动物。从该点出发进行原料的选择。
1)、在仔鱼及幼虾时的饲料原料，可采用消化酶对饲料的蛋白和能量饲料预先进行体外消化，使蛋白和能量饲料经酶化处理后得到降解，有利于仔鱼幼虾的消化吸收。
2)、由于某些微量元素如Mg++ 、Zn++、 Fe++ 、Mn++、Cu++等将抑制消化酶的作用，为此，对这类微量元素尽量采用包被螯合的原料，使这些消化酶延时与微量元素金属离子直接相遇，减少金属离子对消化酶抑制作用(抑制率达50～90%)等。
2、加工工艺和设备；
1)、挤压膨化工艺和设备是加工水产饲料优先选择的加工工艺和设备，其中双螺杆挤压膨化机及其生产的饲料，更适合于鱼虾等水产动物的要求。
2)、挤压膨化工艺后的干燥工艺的参数应采用低温干燥，不能为了加快干燥速度，而采用高温干燥，当干燥温度达120℃以上，将影响鱼虾消化吸收率。干燥温度高于100℃时，即高温风干饲料的消化率将下降10～30%，干燥温度控制在70～90℃时，饲料干燥品质将为最佳。所以，干燥系统如采用真空干燥(干燥温度仅为60℃左右，料温仅为40℃)是更佳的干燥工艺，由于仔鱼及幼虾处气温低，体内消化酶活性较弱。所以，如消化酶体外消化和该干燥工艺相结合，更适合于仔鱼及幼虾饲料的加工，提高仔鱼及幼虾的消化吸收率。
二、挤压膨化机的特性与工作原理：
(一)、挤压膨化机加工技术的特性：
特性：现代挤压膨化技术的挤压膨化腔可认为是一个较为特殊的连续反应器。饲料在反应器内(挤压膨化腔内)，在高温(120～160℃以上)、高压(4～10MPa)状态下经强烈的挤压、剪切、摩擦、混合、挤出使饲料中的淀粉糊化、蛋白变性，物料之间的各组分产生强烈的物理和物理化学变化、物料在宏观和微观结构上都产生了具大变化。同时饲料经高温、高压在挤压反应器内有高的水分，使各种抗营养因子的活性能得到较有效的钝化、有害病菌较能彻底灭活。从而，使挤压膨化机的成品具有良好的耐水性和稳定性、易消化、吸收效率高、含菌率低、安全性好等特点。调整挤压膨化机有关参数可生产出各种性能的沉性、浮性和半浮性等水产饲料，这类饲料符合鱼虾水生动物的使用特点和要求。与此同时，挤压膨化机还能用于改善和提高饲料原料的使用价值。因此，现代挤压膨化机所生产的水产饲料质量是其他饲料成型机械无法比拟的。可以说现代挤压膨化机在饲料加工业中的运用前景必将是极为广阔。
虽然优良的挤压膨化机设备投资较其他成型机械要高，操作管理水平要求严格，动耗要高于其他成型机械。由于，现代挤压膨化机的特点和功能相比远优于其他成型机械。所以，现代优质的挤压膨化机的得到了广大饲料工作者，特别是水产饲料的工作者厚爱。
(二)、挤压膨化机工作原理：
挤压膨化机的挤压加工理论自挤压膨化机问世以来，国内外科技工作者对其工作原理就一直不断的进行研究，并得到大量的研究成果，论述了饲料在挤压腔内的挤压过程及物理和物理化学变化。但至今还没有一种完整的、全面的、系统的挤压膨化机挤压理论来指导设计和生产。由于饲料挤压膨化机工作过程有三十余个变量，而且各因素之间又互相影响。为此，饲料在挤压过程的变化十分复杂，难以进行较可靠的定量分析，不能用一个或几个公式能完整表达挤压膨化机在挤压膨化过程中的理论。目前挤压膨化机每一步的发展，都在现有的挤压理论基础上，靠大量的试验才能获得到该条件下的较好的结构参数和工艺参数。虽现有挤压膨化机的挤压理论不够完整、全面、系统，但对挤压膨化机工作过程(见图1)的分析，仍有较好的作用，具有定性的和一定范围的定量作用，有较好的指导意义。现有最常用的挤压膨化机的挤压理论，主要是饲料在挤压腔内经挤压、剪切、摩擦、混合过程中饲料呈现出塑性流动性，使饲料外观和微观结构上都产生了具大变化，即产生了物理及物理化学变化。根据这变化为依据，提出以下两种挤压膨化理论：1饲料在挤压腔内溶融(揉合)体根据物料机械输送、热力学、流变学为基础建立和提出的喂料输送理论、溶融(揉合)理论、溶融(揉合)熟化(组织化)理论。2以螺杆特性线、膜头特性线及挤压膨化机的工作特性图为基础的理论。现对这些理论来进行简单讨论。ab
图1 a，b 挤压膨化机工作过程1、挤压膨化机输送溶融揉合工作原理：
从图1看出饲料在挤压膨化机的工作过程，分为喂料(固体)输送区、揉合(溶融)区及揉合(溶融)熟化(组织化)成型区。为此，挤压膨化机工作原理从这三个区为单位进行讨论。
1)、喂料(固体)输送区及其理论分析：
调质后的饲料进入膨化腔内的螺杆输送区，该区主要功能为：(1)、是向溶融区输送饲料，物料处于固体状态。(2)、对饲料压缩，加热，饲料密度开始增加。饲料在进入膨化腔内的螺杆输送区，饲料开始向揉合区方向输送，饲料在螺杆螺纹斜面推力下既作轴向运动，又作周向运动，实际饲料运动轨迹是作螺旋运动。由于螺杆螺距由大变小，所以，饲料既有螺旋运动又在逐步压缩。
喂料(固体)输送段输送产量的关系式如下：
QS=π2 nh1D(D－h1)(b/b+e)tanψtanφ/tanψ+tanφ
QS：螺杆对固体物料在进料段的输送量m3/s；
n：螺杆转速r/s； h1：螺杆螺纹槽的深度m
D：螺杆外直径mb：螺纹槽的宽度m
e：螺凌的宽度mψ：螺杆螺旋角( °)
φ：物料输送角( °)
物料物料输送角φ，φ=arccos(Ksimφ+ M)
K：为作用在物料上的力比，M：螺纹槽中的集合项
M 、K 值与进料段的开始和末端的压力、物料与螺杆及机筒的摩擦系数，螺杆内、外直径、螺旋宽度、螺杆平均螺旋角、进料段长度等因素有关。
2)、揉合区及其理论分析：
(1)、揉合(溶融)过程的物理模型和溶融基理：
揉合(溶融)过程的物理模型见图2图2揉合(溶融)过程的物理模型喂料(固体)输送区饲料仍处于固体状态，而揉合(溶融)过程饲料经螺杆的螺旋及揉合块的作用下使饲料受到强力挤压压力、揉合、加温、加湿，饲料开始从粉状单粒固体向塑性溶融体转变，在高温和强力的挤压下饲料虽然密度进一步提高，并在揉合区中后部逐步整体呈现出塑性流动性。
(2)、揉合(溶融)理论：
饲料在从喂料(固体)输送区进入溶融区揉合(溶融)理论是建立在揉合(溶融)数学模型、热力学、流变学的基础上。
揉合区的主要关系式：
α揉合溶融系数：α=( Rh1 b1/2/QSρS) ；
ρS固体粉状物料的密度(即被溶物料的密度)， kg/m3；
R物料揉合(溶融)时供热量与需要热量的比值，kg/m1.5s ；
R=(Vbxρm/2)1/2{λm(Tb‐Tm)+ηvj2/2)/CS(Tb‐Ts)+i}1/2 ；
Vbx机筒内表面垂直螺凌方向上的分速m/s ；
Vj机筒内表面运动速度Vb与饲料固体运动速度VSZ的合速度m/s；
ρm揉合(溶融)物料的密度kg/m3；λm揉合(溶融)物料的热导率J/ mt；
CS粉状饲料的比热J/kgt ；i粉状饲料的比能J/kg ；
η 揉合物料表观粘度Pas；Tb揉合溶融温度t℃ ；
Tm揉合溶融区机筒的温度t ℃； Ts进入揉合区粉状饲料温度t ℃
揉合内完全溶融段长度L2，L2= (h1/α)( 2‐A/α) m；
螺杆螺槽底部斜度A， A=2(h1‐h3) Dsimψ/{2D‐(h1+h3)}L1
h3揉合溶融区螺槽深度mL1揉合溶融区长度m
由加料段送来的料已被压到有较高密度的固体料，进入溶融区的物料受到与机筒、螺杆及物料之间的剪切、摩擦和外部加热的共同作用下先在机筒内壁溶融成溶膜。随着物料的推进，溶膜厚度增加到整个螺槽。
该理论中对物料的挤压，揉合过程的力的关系未能直接的表达出来。为此，该区的关系式在饲料揉合(溶融)区的理论上还不够完整，全面。
3)、揉合(溶融)熟化(组织化)区及其挤压理论分析：
揉合(溶融)熟化(组织化)成型区的理论是建立在流体(粘性)动力学理论基础上，是研究饲料在该区域如何达到理想的溶融、塑性流动及其饲料的定温、定压、定量、连续地挤压条件。
饲料在该区域内在高温、高压的挤压条件下，按流体(粘性)动力学理论导出饲料在该区域挤压成型产量及其膜头处压力，即挤压成型的压力。
该区域螺杆挤压成型量：
Qm=(π2D2h3cosψsimψ)n/2—(πDh33sim2ψ)p/12η1L3
—(π2D2δ3tanψ) p/10η2 L3m3/s
挤压成型膜头处压力：p= p2—p1Pa
Qm：揉合(溶融)熟化成型输送量，m3/s；
L3：揉合(溶融)熟化(组织化)成型区长度，m ；
η1：螺槽内溶融物料的粘度，Pas ；
η2：螺杆与机筒的间隙中物料的粘度，Pas ；
p：膜头处压力Pa ；δ：螺杆与机筒的间隙，m ；
p1：揉合(溶融)开始处溶融物料的压力Pa ；
p2：揉合(溶融)末端处溶融物料的压力Pa 。
从上各关系式可知：
1)、挤压膨化机产量取决于喂料(固体)输送段输送量、而揉合(溶融) 和揉合(溶融)熟化区的效果是保证挤压膨化机产量和质量的关键。而三区域内须匹配。为此，高速挤压膨化机建立在该基础之上。
2)、在结构不变的情况下，挤压成型区的产量Qm随物料粘度增加而增加，螺杆转速增加而提高，但机内挤压压力将下降。所以，螺杆转速增加而提高时，为了确保挤压膨化质量，须增加合理的揉合块或减少螺槽截面。
3)、初步揭示了挤压膨化输送段输送量、而揉合(溶融) 和揉合(溶融)熟化与饲料的性能、螺杆、螺筒及工艺各参数之间的关系。是改进、提高挤压膨化性能和工艺操作条件。
4)、适当提高揉合(溶融)的温度有利于饲料揉合(溶融)效果等。
2、螺杆特性线、膜头特性线及挤压工作特性线理论
1)、螺杆特性线：螺杆输送量Q1与揉合(溶融)输送量Qm关系为：
Q1螺杆输送量，kg/h Qm揉合(溶融)输送量kg/h
ρm揉合(溶融)料的密度kg/m3n螺杆转速r/s
α、β、γ为螺杆的几何参数有关系数。η溶融料的粘度Pas
具体螺杆的几何参数引入后螺杆输送量Q1为：
Q1=0.06π(D－h3)(scosψ－e) h3ρmnγ/cosψkg/h
D螺杆直径cmh3揉合(溶融)熟化段螺槽深度cm
s螺距cme螺凌的宽度cm
ψ螺杆螺旋角( °)γ传送系数一般取0. 2～0. 5
2)、膜头特性线：膜头溶融料输送量Q2=Q1
Q2 =Q1 =Kp/η=3600ρm Kp/ηkg/h
K膜孔形状、尺寸系数p膜头压力Pa
3)、螺杆、膜头特性线见工作特性图3：挤压膨化机产量应Q3=Q2=Q1 图3 挤压膨化机工作特性图从上式中挤压膨化机产量Q与螺杆转速、螺杆、膜头的结构尺寸有关，与物料粘度无关(在膜头结构尺寸不变时)。粘度大机头处压力高，。粘度小机头处压力低。所以，溶体物料通过时膜头产量Q不变。
综上所述三区域溶融理论三者相对独立，第一、二区有关系，与第三区尚未统一起来分析，该理论有一定不完整性。而螺杆特性线、膜头特性线及工作特性线的挤压理论。三区域已联系起来，但该理论中，物料的流变特性未能充分表达出来，因此，该理论仍有一些不足。
(三)、挤压膨化机的分类：
按功能特性分：高剪切蒸煮挤压膨化机、中等剪切蒸煮挤压膨化机、低剪切蒸煮挤压膨化机、高压成型挤压膨化机等。高剪切是用于生产膨化率高的产品，中等剪切蒸煮挤压膨化机适合于生产水产饲料。
按热力学特性分：自热式挤压膨化机、等温式挤压膨化机等。
按螺杆数量分：单螺杆挤压膨化机、双螺杆挤压膨化机。其中按螺杆装配方式分整体式和装配式。
按挤压过程是否加湿分：湿法挤压膨化机、干法挤压膨化机。
实际一台挤压膨化机具有以上各种特性的组合。
按螺杆数量分是最常用的分类法。其性能的特性区别最为突出，现就按螺杆数量分进行讨论
1、单螺杆挤压膨化机见图4：图4单螺杆挤压膨化机单螺杆挤压膨化机根据螺杆结构不同分为：等距变深螺杆、等深变距螺杆、变距变深螺杆。第三类较类压缩比大(1：8)，但机械加工较复杂。
单螺杆挤压膨化机是利用螺杆螺距的变化，物料受到强力挤压增加了物料与机筒及螺杆摩擦作用，在揉合块(环)作用下提高了剪切力，从而转化为热量。使饲料获得高温和高压，在该状态下，经一定的揉合(溶融)，具有使溶融饲料在高压条件下呈现出一定的流动性。
单螺杆挤压饲料时是物料与螺杆的摩擦力应小于物料与机筒摩擦力，确保物料能轴向挤压输送、挤压。单螺杆挤压机为了物料顺利的挤压输送，应适当降低物料的水分和含油量。所以，挤压性能对物料流变特性的改变较为敏感。为此，单螺杆挤压机只要原料有较好的预处理，在某些仍能较好发挥作用。
2、双螺杆挤压膨化机见图5：图5 双螺杆挤压膨化机图5螺杆按装相对位置
(a) 非啮合型，(b) 部分啮合型道 (c)全啮合型由于单螺杆挤压膨化机在工作中存在很多缺陷，已显露出它具有较大的局限性。为此，促使双螺杆挤压膨化机的出现和发展。双螺杆挤压膨化机无论在原料适应面、产品质量、还是操作方便程度，单螺杆挤压膨化机是无法比拟。使双螺杆挤压膨化机在水产饲生产中越来越得到广泛运用。
1)、双螺杆挤压膨化机螺杆旋转的分类：
根据螺杆按装相对位置分为：啮合型和非啮合型。啮合型又分为全啮合型和部分啮合型见图6。按螺杆转向分为同向旋转和反向旋转。反向旋转又分为向内反向旋转和向外反向旋转见图6。 图6(a)向内反向旋转，(b)同向旋转 (c) 向外反向旋转2)、螺杆特性比较表1 表1 螺杆特性比较表 （图片）表2 单螺杆与双螺杆挤压膨化机的性能比较 （图片） | |
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