一种组合式挤出耦合匀化脱水的方法与流程

本发明属于干燥方法技术领域，具体涉及一种组合式挤出耦合匀化脱水的方法。

背景技术：

随着现今科技手段的发展，各种加工与贮藏的技术越来越完善，而干燥越来越受到人们重视，干燥作为贯穿于科技发展始终的技术手段，已成为一种可以降低产品重量、减少贮藏和运输成本并延长贮藏期的重要手段。

在方便食品的生产加工过程中，干燥是其中极为重要的一道工序，不同的传热方式对于食品原料有着不同程度的影响。传统干燥方式主要有热风干燥、微波干燥、真空干燥、冷冻干燥。热风干燥作为传统干燥方法，仍是目前最普遍使用的干燥技术。但热风干燥由于物料长时间与高温空气接触，导致其色、香、味难以保留，维生素等热敏性营养成分或活性成分损失较大。微波干燥加热速度快，效率高，但其缺点是由于物料组织差异导致加热不均匀，局部温度过高，易形成硬块，产品营养风味受到损失、品质难以保证；真空干燥，以其干燥温度较低的特点，可以一定程度上的保持食品原有的风味及营养，但传热速度慢，干燥周期较长；冷冻干燥，干燥后的物料保持原有的化学组成和物理性质，营养流失少，但生产成本过高，不能广泛采用。而流化床作为一种具有较高传热、传质系数，提高生产能力的干燥设备，其优点在于设备简单，物料与气体接触面积大，热传递好，干燥速度快，温度分布均匀，能够有效地避免物料局部过热。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种组合式挤出耦合匀化脱水的方法，该方法能实现物料匀化脱水。

本发明提供一种组合式挤出耦合匀化脱水的方法，该方法包括：

步骤一：将粮食磨粉后过筛，烘干得到粮粉；

步骤二：将步骤一得到的粮粉进行双螺杆挤压处理，由切割机切割成颗粒物料，挤压条件中各个区的温度为：温区1为50-70，温区2为110-130℃，温区3为130-150℃，温区4为110-130℃，温区5为100-120℃；

步骤三：建立动力学模型，公式为：ln(-lnmr)＝－4.06463+0.01414t+0.06985v+0.3275h+(0.57096+0.00097625t－0.00968v－0.2655h)lnt，其中，t为进风温度(℃)；v为干燥风速(m/s)；h为添水量(％)，lnt为干燥时间的对数，ln(-lnmr)代表水分比的对数的对数；

启动流化床装置，调节设备参数，待流化床所设定参数条件稳定后，将各面完全透风的筛网置于流化床内固定并使物料平铺于筛网中进行干燥，将进风温度、干燥风速、添水量和干燥时间代入到动力学模型公式中，得到水分比mr，根据公式(2)，确定干基含水率％mt，参照gb5009.3-2016，以国标要求确定物料在流化床中匀化脱水的干燥时间；

步骤四：将干燥后的物料放置在烤炉传送带上进行二次膨化处理，得到最终产品。

优选的是，上述过程中步骤二得到的颗粒物料干燥过程中水分比的计算公式(1)如下：

式中：mr为水分比；mt为物料放入流化床t时刻试样的干基含水率％；me为试样平衡时干基含水率％；m0为物料放入流化床内干燥时0时刻的干基含水率％；

一般情况下，因试样的平衡干基含水率me相对于mt与m0很小，通常可以忽略，因此，公式(1)可简化为公式(2)

物料在流化床干燥过程中水分比mr与干燥时间t呈曲线关系，应选取以指数函数为基础函数的数学模型，即page模型如公式(3)：

page模型：mr＝exp(-ktⁿ)(3)

式中：k，n为模型参数，将上述模型(3)转化为线性模型，可得

ln(-lnmr)＝lnk+nlnt(4)

采用page模型描述干燥过程，令：

lnk＝a+bt+cv+dh(5)

n＝e+ft+gv+hh(6)

将式(5)、(6)代入page模型则有：

ln(-lnmr)＝a+bt+cv+dh+(e+ft+gv+hh)lnt(7)

式中：t为进风温度℃；v为干燥风速m/s；h为添水量％；a、b、c、d、e、f、g、h为待定系数；

运用matlab软件进行处理，可得到物料干燥的各待定系数，进而求得其动力学模型为：

ln(-lnmr)＝－4.06463+0.01414t+0.06985v+0.3275h+(0.57096+0.00097625t－0.00968v－0.2655h)lnt

其中，lnt为干燥时间的对数，ln(-lnmr)代表水分比的对数的对数；

优选的是，所述的粮食选自玉米、红豆、荞麦、小米和燕麦中的一种或几种混合。

优选的是，所述的螺杆转速为130-150r/min，杆筒温度为130-150℃，喂料速度为14-16kg/h，切割机转速为500-900r/min。

优选的是，所述的烤炉i区温度在180-220℃，ii区温度在110-150℃，传送带速度在0.2-0.4m/s(烤炉长度2.5m)。

本发明的有益效果

本发明一种组合式挤出耦合匀化脱水的方法，通过在流化床干燥过程中先建立动力学模型，证明不同的风速，进风温度等工艺条件能够直接影响干燥速率和物料含水率，而建立数学模型可以预测不同时刻、不同工艺条件下流化床的干燥速率和物料含水率对其进行精准控制，以此实现匀化脱水的目的。

附图说明

图1为不同添水量下的营养冲调粥干燥曲线和t基含水率的曲线关系；

图2为不同进风温度下的营养冲调粥干燥曲线和t基含水率的曲线关系；

图3为不同干燥风速下的营养冲调粥干燥曲线和t基含水率的曲线关系；

图4为不同添水量下的营养冲调粥干燥曲线和水分比mr的曲线关系；

图5为不同进风温度下的营养冲调粥干燥曲线和水分比mr的曲线关系；

图6为不同干燥风速下的营养冲调粥干燥曲线和水分比mr的曲线关系。

具体实施方式

本发明提供一种组合式挤出耦合匀化脱水的方法，该方法包括：

步骤一：将粮食磨粉后过筛，烘干得到粮粉；所述的粮食没有特殊限制，优选选自玉米、红豆、荞麦、小米和燕麦中的一种或几种混合；

步骤二：将步骤一得到的粮粉进行双螺杆挤压处理，由切割机切割成颗粒物料，挤压条件中各个区的温度为：温区1为50-70℃，优选为60℃，温区2为110-130℃，优选为120℃，温区3为130-150℃，优选为140℃，温区4为110-130℃，优选为120℃，温区5为100-120℃，优选为110℃；所述的螺杆转速优选为130-150r/min，更优选为150r/min，杆筒温度优选为130-150℃，更优选为140℃，喂料速度优选为14-16kg/h，更优选为15kg/h，切割机转速优选为500-900r/min，更优选为600r/min；

步骤三：建立动力学模型，所述的动力学模型的构建过程为：

上述过程中步骤二得到的颗粒物料干燥过程中水分比的计算公式(1)如下：

式中：mr为水分比；mt为物料放入流化床t时刻试样的干基含水率％；me为试样平衡时干基含水率％；m0为物料放入流化床内干燥时0时刻的干基含水率％；

一般情况下，因试样的平衡干基含水率me相对于mt与m0很小，通常可以忽略，因此，公式(1)可简化为公式(2)

物料在流化床干燥过程中水分比mr与干燥时间t呈曲线关系，应选取以指数函数为基础函数的数学模型，即page模型如公式(3)：

page模型：mr＝exp(-ktⁿ)(3)

式中：k，n为模型参数，将上述模型(3)转化为线性模型，可得

ln(-lnmr)＝lnk+nlnt(4)

采用page模型描述干燥过程，令：

lnk＝a+bt+cv+dh(5)

n＝e+ft+gv+hh(6)

将式(5)、(6)代入page模型则有：

ln(-lnmr)＝a+bt+cv+dh+(e+ft+gv+hh)lnt(7)

式中：t为进风温度℃；v为干燥风速m/s；h为添水量％；a、b、c、d、e、f、g、h为待定系数；

运用matlab软件进行处理，可得到物料干燥的各待定系数，进而求得其动力学模型为：

ln(-lnmr)＝－4.06463+0.01414t+0.06985v+0.3275h+(0.57096+0.00097625t－0.00968v－0.2655h)lnt

其中，lnt为干燥时间的对数，ln(-lnmr)代表水分比的对数的对数；

启动流化床装置，调节设备参数，待流化床所设定参数条件稳定后，将各面完全透风的筛网置于流化床内固定并使物料平铺于筛网中进行干燥，将进风温度、干燥风速、添水量和干燥时间代入到动力学模型公式中，得到水分比mr，根据公式(2)，确定干基含水率％mt，参照gb5009.3-2016，以国标要求确定物料在流化床中匀化脱水的干燥时间；

步骤四：将干燥后的物料放置在烤炉传送带上进行二次膨化处理，得到最终产品；所述的烤炉i区温度优选为180-220℃，更优选为200℃，ii区温度优选为110-150℃，更优选为130℃，传送带速度优选为在0.2-0.4m/s，更优选为0.30m/s(烤炉长度2.5m)。

下面结合具体实施例对本发明做进一步的限定。

实施例1

步骤一：将10g玉米、5g红豆、5g荞麦、10g小米和5g燕麦磨粉后分别过60目筛，然后混合均匀，50℃烘干得到混合粉；

步骤二：对烘干的混合粉进行双螺杆挤压处理，由切割机切割成颗粒物料，挤压条件为螺杆转速150r/min，杆筒温度140℃，喂料速度15kg/h，切割机转速600r/min，挤压条件中各个区的温度为：温区1为60℃，温区2为120℃，温区3为140℃，温区4为120℃，温区5为110℃；

步骤三：建立动力学模型，构建过程为：

不同干燥方案下，匀化脱水的线性拟合方程，由图1-3可知，对干燥曲线进行线性拟合，得到表1中不同干燥条件下的匀化脱水拟合方程。如表1，

表1线性回归方程及相关系数

表1中，x代表干燥时间，y代表干基含水率(％)，干燥过程中，物料脱水的主要发生场所在流化床中，流化床中物料干燥曲线线性拟合程度较好，能够较好的说明该干燥过程为匀化脱水；

不同干燥方案下，通过表1数据采用page模型线性拟合，得到page模型的线性拟合方程，如表2

表2线性回归方程及相关系数

表2中，x’代表干燥时间的对数，y’代表水分比mr对数的对数，如图4-6所示，干燥过程中，根据表1的实验数据，ln(-lnmr)-lnt坐标系中相关系数在0.99857～0.99982区间变化，由此说明ln(-lnmr)-lnt坐标系线性拟合程度较好。而ln(-lnmr)-lnt是由page模型转化而成，即page模型如公式(3)：

page模型：mr＝exp(-ktⁿ)(3)

式中：k，n为模型参数，将上述模型(3)转化为线性模型，可得

ln(-lnmr)＝lnk+nlnt(4)

采用page模型描述干燥过程，令：

lnk＝a+bt+cv+dh(5)

n＝e+ft+gv+hh(6)

将式(5)、(6)代入page模型则有：

ln(-lnmr)＝a+bt+cv+dh+(e+ft+gv+hh)lnt(7)

式中：t为进风温度℃；v为干燥风速m/s；h为添水量％；a、b、c、d、e、f、g、h为待定系数；

运用matlab软件对表2的实验数据进行处理，可得到物料干燥的各待定系数，进而求得其动力学模型为：ln(-lnmr)＝－4.06463+0.01414t+0.06985v+0.3275h+(0.57096+0.00097625t－0.00968v－0.2655h)lnt，其中，t为进风温度(℃)；v为干燥风速(m/s)；h为添水量(％)，lnt为干燥时间的对数，ln(-lnmr)代表水分比的对数的对数；

启动流化床装置，调节设备参数，将物料平铺到筛网中，筛网放置流化床内固定，将进风温度70℃、干燥风速8m/s、添水量20％和干燥时间1min代入到动力学模型公式中，得到水分比mr为0.9174，物料放入流化床内干燥时0时刻的干基含水率m0为17.17％，根据公式(2)，

确定干燥实际为1min时试样的干基含水率mt为15.76％，参照gb5009.3-2016，冲调谷物制品含水量≤10/(g/100g)，以此确定物料在流化床中匀化脱水的干燥时间为37min；

步骤四：将干燥后的物料放置在烤炉传送带上进行二次膨化处理，得到营养调冲粥，烤炉i区温度在200℃，ii区温度在150℃，传送带速度在0.25m/s(烤炉长度2.2m)。

实验结果分析

1.1物料的粒径

表3为不同添水量物料的粒径大小，从表3可以看出，营养冲调粥物料的粒径大小同双螺杆挤压膨化过程中添水量的多少有关，在流化床干燥过程中物料的粒径大小变化可以忽略不计。

表3不同添水量物料的粒径大小

1.2模型的统计验证

为了检验模型的拟合效果，对上述模型进行统计检验，检验结果如表4。模型方差分析中，f＝4126.205(p值＜0.0001)，表明模型极显著；模型的决定系数r²＝0.98235，拟合效果好。因此，可将该拟合方程作为营养冲调粥的数学模型，利用此模型可以较为准确地预测在不同干燥条件下，物料干燥过程中干基含水率和干燥速率。

表4营养冲调粥流化床干燥拟合方程的方差分析