煙梗微波膨化基本規(guī)律的研究

陳晶鈴　陳明功　汪曉艷　王　君　張洪流　陳明強(qiáng)

摘 要： 煙梗是煙草生產(chǎn)的副產(chǎn)物，對(duì)其進(jìn)行膨脹制粒作為煙卷的填充料不僅提高了裝填體 積和燃燒性能，而且還能降低成本和改善卷煙品質(zhì)。采用微波膨化方法研究了煙梗膨化的影 響因素和基本規(guī)律，實(shí)驗(yàn)表明煙梗含水率對(duì)煙梗微波膨化率有重要影響，煙梗含水率在18% ～21%之間膨化效果最佳，膨化煙梗無碳化現(xiàn)象；微波膨化時(shí)間也是影響煙梗膨化重要因素 ， 最佳膨化時(shí)間約為70～80 s；在煙梗微波膨化過程中，溫度發(fā)生明顯變化，當(dāng) 溫度為85～95 ℃ 時(shí)，煙梗膨化顯著，溫度的變化可作為一個(gè)重要控制參數(shù)；加入適量膨化劑不僅提高煙梗膨 化率，而且改善了煙梗膨化質(zhì)量，膨化劑對(duì)煙梗微波膨化有重要作用。微波膨化煙梗加熱均 勻、快速，溫度易控，設(shè)備體積小，因此微波膨化煙梗將具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：煙梗；微波；膨化；膨化率

中圖分類號(hào)：TQ028.677 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1672-1098(2008)03-0061-04

煙梗是煙草生產(chǎn)的副產(chǎn)物，它由皮部和芯部組成，含有一定木質(zhì)化程度纖維［1］。 目前國內(nèi)外對(duì)煙梗廢料的利用主要集中在制造活性炭、制板、提取化學(xué)原料和造紙等方面。

煙梗膨脹制粒技術(shù)是近年來在國外出現(xiàn)的煙草加工新技術(shù)，在煙卷中加入20%左右的梗 粒可有效提高裝填體積和燃燒性能，降低木質(zhì)氣味和焦油，改善卷煙品質(zhì)。目前該技術(shù)工藝 主要采用高溫高壓蒸汽（12 bar、300 ℃左右）對(duì)短梗和梗簽膨脹 加工，目前膨脹梗屑技術(shù)在國外已被20余家煙草企業(yè)運(yùn)用。2007年初國內(nèi)也引進(jìn)了一套該裝 置。其它膨脹工藝還有流化 床膨脹梗絲、梗絲膨化塔等裝置。但是高溫高壓蒸汽膨脹工藝還存在一些有待進(jìn)一步改善的 問題，例如該工藝采用文丘里管，要求煙梗長度不大于30 mm，因此對(duì)我國煙梗 的應(yīng)用受到一定程度限制；同時(shí)該技術(shù)為間歇生產(chǎn)等等。

微波［2］是波長在1～1 000 mm之間的電磁波。當(dāng)極性分子材料處于交 變電磁場中時(shí)，材 料中原有處于雜亂狀態(tài)的極性分子會(huì)隨外電場方向定向排列。由于外電場是一種電場方向隨 時(shí)間變化的交變電磁場，故極性分子也隨之以極快的速度改變方向，產(chǎn)生高速擺振，分子間 碰撞與摩擦，產(chǎn)生熱能，溫度上升。微波的加熱特性與傳統(tǒng)加熱方法和基本原理不同，其適 用于低水分含量物料的干燥［3］，微波膨化煙梗的主要優(yōu)點(diǎn)在于：① 保持煙梗品質(zhì) 微波可以保證煙梗在膨化過程中成分不變， 更好地保持煙梗的品質(zhì) 、 風(fēng)味和色澤， 高溫高壓蒸汽膨化技術(shù)雖然膨化了煙梗， 但引入了加熱介質(zhì)水蒸氣， 部 分影 響了煙梗的原來結(jié)構(gòu)和組成， 而微波獨(dú)特的加熱膨化方式使煙梗內(nèi)外同時(shí)升溫膨化，保證 產(chǎn) 品質(zhì)量一致；② 快速均勻加熱 微波照射煙梗時(shí)， 能夠穿透煙梗深入到其內(nèi)部， 這對(duì)煙 梗膨 化形成獨(dú)特的無溫度梯度均勻加熱方式， 電磁能直接作用于介質(zhì)分子轉(zhuǎn)換成熱能， 且透射 使 介質(zhì)內(nèi)外同時(shí)受熱， 故可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到均勻加熱；③ 易于瞬時(shí)控制 微波加熱的熱慣性 小 ，即有微波輻射時(shí)物料加熱，停止時(shí)物料得不到微波能量，加熱過程即刻停止，這種狀態(tài) 不 僅有利于控制最終溫度，有效控制煙梗炭化，而且有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化化和連續(xù)化生產(chǎn)；④ 能 量利用率效率高 不同物料對(duì)微波的吸收損耗不同，微波在金屬等材料表面會(huì)出現(xiàn)反射，且 可以透過玻璃、陶瓷等物質(zhì)。微波加熱時(shí)被加熱物料一般放置在用金屬制成的加熱室內(nèi)，電 磁波被封閉在加熱室的腔體，不會(huì)外泄，大部分微波被煙梗吸收，而對(duì)周圍的空氣、加熱設(shè) 備的金屬部件耗能極小，所以能量效率高；⑤ 適應(yīng)各種形狀煙梗 由于微波膨化能保持原 物料形狀，因此對(duì)煙梗大小和形狀沒有要求。

1 實(shí)驗(yàn)原理和方法

1.1 基本原理

[JP1]煙梗含有極性水分子，具有強(qiáng)烈吸收微波的介電特性，在微波輻射加熱時(shí)，隨微波頻率 激烈碰撞摩擦，產(chǎn)生大量熱，從而使水急劇揮發(fā)，并產(chǎn)生蒸汽壓，在煙梗中從內(nèi)向外急劇壓 出，使原料的纖維空間在擴(kuò)大的同時(shí)急劇膨化，形成無數(shù)裂縫與微隙。微波加熱過程中煙梗 的溫度梯度、傳熱和蒸汽壓遷移方向均勻一致，由里向外，因此便于煙梗內(nèi)部蒸汽的產(chǎn)生和 積累。當(dāng)煙梗內(nèi)部蒸汽壓力超過纖維組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的承受能力時(shí)，這種壓力促使煙梗膨化。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：煙梗、自來水、膨化劑。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：微波爐（2 kW）、電熱恒溫鼓 風(fēng)干燥箱、電子天平。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1） 采用減重法測定煙梗的濕含量(含水率)：將潮濕煙梗放入干燥箱中，控制干燥箱溫 度70 ℃，干燥至恒重；用減重法測試樣品的含水率。（2）煙梗體積測定：采 用充填法測量 物料體積，即用細(xì)石英砂在量筒中浸沒方法測試不規(guī)則固體煙梗體積。用量筒測定3次，取 平均值為測定結(jié)果。(3) 膨化率計(jì)算：體積膨化率η(倍) = 膨化后的煙梗體積(mL)/膨 化前的煙梗體積(mL) 。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 煙梗含水率和膨化率的關(guān)系

取50 g干燥后的煙梗，分別用自來水調(diào)節(jié)至16%、18%、20%、22%、24%、26%左 右不同含水 率，在相同的膨化時(shí)間和微波強(qiáng)度條件下，微波加熱80 s，測定煙梗含水率與 膨化率關(guān)系見圖1。

從圖1可知，當(dāng)煙梗含水率低于20%時(shí)，煙梗膨化率隨含水量的增加而提高。若煙梗含水 量太小，不利于水蒸氣產(chǎn)生，產(chǎn)生的蒸汽壓難以足夠促使煙梗纖維空間擴(kuò)大，膨化倍數(shù)低， 且有脫水碳化現(xiàn)象發(fā)生；當(dāng)煙梗含水率進(jìn)一步提高，隨著深層揮發(fā)份物質(zhì)向外層的擴(kuò)散，形 成疏松的多孔性物質(zhì), 膨化倍數(shù)較高。當(dāng)煙梗含水率大于20%時(shí)，煙梗膨化率隨含水量增加 而降低，因?yàn)樗终舭l(fā)將消耗熱量，且膨化后煙梗殼體因含水量較高沒有定型，還會(huì)發(fā)生二 次收縮，需要迅速冷卻才能使膨化外殼變硬。因此煙梗最佳含水率約為18%～21%。

2.2 微波加熱時(shí)間與膨化率關(guān)系

在相同實(shí)驗(yàn)條件下取50 g含水率為20%的煙梗，微波膨化不同時(shí)間，測定微波加 熱時(shí)間與膨化率關(guān)系見圖2。

由圖2可知，在12～70 s時(shí)，煙梗膨化率均呈緩慢上升趨勢，由于在膨化初始階 段，煙梗吸收微波較少，溫度較低，失去表面結(jié)合水的速度較慢，蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣較少， 導(dǎo)致膨化率較低；在70～90 s之間煙梗膨化率迅速增大，在此階段煙梗溫度升 高，部分結(jié)合水被蒸發(fā)，煙梗內(nèi)部水蒸氣壓力迅速增大，膨化率隨時(shí)間幾乎呈線性增大。在 90 s以后煙梗的膨化率雖然稍有增大，但膨化煙梗開始出現(xiàn)碳化現(xiàn)象。

通過本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含水率約為20%的煙梗最佳膨化時(shí)間約為70～90 s，膨化率迅 速增大，此處出現(xiàn)突變。當(dāng)微波膨化時(shí)間低于70 s時(shí)，膨化率增大速度較慢。

2.3 溫度和膨化率關(guān)系

取若干份含水率為20%的濕煙梗50 g，微波膨化不同時(shí)間。膨化后，將熱電偶迅 速插入煙 梗中，測量煙梗表面溫度。待煙梗冷卻后，測量并計(jì)算煙梗膨化率。煙梗膨化后溫度與膨化 率關(guān)系見圖3。

從圖3可知， 隨著微波膨化時(shí)間加長， 水分子吸收微波，溫度不斷升高，當(dāng)溫度升高到85 ～95 ℃，煙梗開始膨化，吸收的微波能量用于煙梗膨脹做體積功，所以此時(shí)煙梗的 升溫速率變小。當(dāng)微波加熱時(shí)間繼續(xù)加長，煙梗完全脫水進(jìn)入炭化階段，煙梗的升溫速率開 始變大。

2.4 膨化劑濃度與膨化率關(guān)系

復(fù)合膨化劑可以在煙梗表面形成穩(wěn)定的包覆膜，同時(shí)膨化劑在微波作用下可分解產(chǎn)生氣 體，當(dāng)水分在微波場中被加熱氣化時(shí)，需要更大的氣體壓力才能克服表面膜的張力，從而使 煙梗隨蒸氣的膨脹而膨化更大。這樣不僅使煙梗不會(huì)碳化變黑，而且煙梗在低溫下高倍膨化 。在其他條件不變的情況下，分別加入6%、8%、10%、12%濃度膨化劑，恒定微波膨化時(shí)間80 s，實(shí)驗(yàn)測得膨化劑濃度與膨化率關(guān)系見圖4。

由圖4可知，在同等條件下采用不同濃度膨化劑，煙梗膨化率較大，膨化效果更好。而 且膨化劑溶液濃度為10％時(shí)能得到最好的膨化結(jié)果。

在相同微波膨化時(shí)間（80 s）內(nèi)，膨化劑濃度對(duì)煙梗膨化率有一定影響；當(dāng)膨 化劑濃度為6％～8％時(shí)， 煙梗膨化率增大效果不明顯； 膨化劑濃度為8％～10％時(shí)，煙梗 膨化率速率增大明顯；膨化劑濃度為10％～12％時(shí)，煙梗膨化率反而下降，且膨化后的煙 梗有碳化現(xiàn)象， 當(dāng)膨化劑濃度大于12％時(shí)，煙梗極易碳化，甚至燃燒。故膨化劑的最佳濃度約為10％左右。

3 結(jié)論

煙梗含水率對(duì)煙梗微波膨化率有重要影響，煙梗含水率在18%～21%之間膨化效果最佳，膨化 煙梗無碳化現(xiàn)象；微波膨化時(shí)間也嚴(yán)重影響煙梗膨化重要因素，最佳膨化時(shí)間約為70～9 0 s，膨化率迅速增大；在煙梗微波膨化過程中，溫度也發(fā)生明顯的變化，當(dāng)溫 度在85～95 ℃ 范圍內(nèi)時(shí)，煙梗膨化最為顯著，因此溫度的變化可以作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)；適 量膨化劑的加入不僅可以顯著提高煙梗的膨化率，而且還可以改善煙梗的膨化質(zhì)量， 因此膨 化劑對(duì)煙梗微波膨化有重要作用。微波膨化煙梗加熱均勻、快速，溫度易控，設(shè)備體積小， 因此微波膨化煙梗將具有一定的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯：李 麗)