一種骨抽提復(fù)合攪拌熱壓裝置的研制與應(yīng)用

吳　婷賈　偉張春暉李　俠管　聲韓　玲余群力

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州　730070；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京　100193)

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一種骨抽提復(fù)合攪拌熱壓裝置的研制與應(yīng)用

吳婷1,2賈偉1,2張春暉2李俠2管聲1韓玲1余群力1

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州730070；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京100193)

研制出一種復(fù)合旋轉(zhuǎn)攪拌自卸渣式熱壓抽提裝置，該裝置包括罐體、復(fù)合攪拌裝置、投料裝置三部分。裝置采用臥式攪拌提取，避免了常規(guī)提取方式中提取液與固體物料混合不勻的難題，極大提高了加熱速率和抽提效率；所采用的推進(jìn)式刮板攪拌器和混合平槳式攪拌槳等距離相間隔安裝，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，自動(dòng)執(zhí)行提取過程和出渣過程；使用夾套與攪拌內(nèi)軸兩維度加熱法，縮短了升溫時(shí)間，節(jié)約了能耗。以雞骨為原料進(jìn)行熱壓抽提工藝優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果表明：骨膠原蛋白提取率高達(dá)80%以上，節(jié)省蒸汽20%，升溫時(shí)間從1.5 h縮短為40 min。該裝置解決了常規(guī)提取罐提取不徹底、不易分離油脂、通用性差、對廠房和輔助設(shè)備要求高的問題，設(shè)備自動(dòng)化程度高，是一種安全、高效、節(jié)能的熱壓抽提裝置。

畜禽骨；蛋白質(zhì)；復(fù)合旋轉(zhuǎn)攪拌；自卸渣；熱壓抽提

中國每年產(chǎn)生大量廢棄畜禽骨，畜禽骨中含有豐富的蛋白質(zhì)、脂類、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分，具有很高的開發(fā)價(jià)值。但是長期以來大量的畜禽骨沒有得到合理的利用，只是被加工成附加值較低的產(chǎn)品[1-3]，如骨膠、骨油、飼料、肥料等，沒有完全體現(xiàn)出骨的營養(yǎng)價(jià)值。近年來利用熱壓抽提的方法生產(chǎn)附加值較高的骨源食品，能夠?qū)⑿笄莨侵械臓I養(yǎng)成分充分利用，極大提高骨資源的綜合利用[4-6]。

目前，國內(nèi)外的骨提取生產(chǎn)廠家使用的熱壓抽提設(shè)備大部分采用以下兩種形式：一種是由提取植物性原料的下排渣提取罐改造而成；另一種是由上部大開蓋采用吊籠方式的立式殺菌鍋改造而來。下排渣提取罐的缺點(diǎn)是提取壓力偏低、進(jìn)出料效率低、提取率不高、通用性差；另外，對于小顆粒物料，在提取結(jié)束后，由于過濾面積限制易造成堵塞，不能滿足多品種原料生產(chǎn)。而且出渣時(shí)，大量熱廢渣瞬時(shí)排出，沖擊力很大，安全性較差，對生產(chǎn)環(huán)境易造成污染[7-8]。

李銀等[9]研制的上部大開蓋的熱壓抽提罐配合吊籠的方式雖然解決了下排渣提取罐的缺點(diǎn)，但是原料充填率偏低、吊籠中心部位原料不易煮透，存在提取不完全、油水不易分離的弊端[10]。另外，由于需要使用行車等起重設(shè)備，對廠房的高度和設(shè)備投入要求較高。本研究擬設(shè)計(jì)一種可食性動(dòng)物骨的復(fù)合旋轉(zhuǎn)攪拌自卸渣式熱壓抽提裝置，以解決常規(guī)提取罐提取不徹底、不易分離油脂、通用性差、對廠房和輔助設(shè)備要求高的問題。

1　復(fù)合旋轉(zhuǎn)攪拌自卸渣式熱壓抽提裝置總體設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)組成

復(fù)合旋轉(zhuǎn)攪拌自卸渣式熱壓抽提裝置由罐體(內(nèi)膽、夾套和保溫層)、復(fù)合攪拌裝置(攪拌軸、聯(lián)軸器和正反轉(zhuǎn)電機(jī)減速器)、投料裝置三部分組成，結(jié)構(gòu)見圖1。

1. 推進(jìn)式攪拌器2. 推進(jìn)式攪拌器刮板3. 出料口4. 出料連接管5. 出料口濾板6. 出料口緩沖管7. 夾套8. 出渣口9. 攪拌軸10. 軸端進(jìn)蒸汽口11. 軸承12. 壓力表口13. 夾套進(jìn)蒸汽口14. 投料口濾板15. 投料口16. 進(jìn)水及排空口17. 夾套加強(qiáng)筋18. 電機(jī)減速器19. 平槳混合攪拌

圖1復(fù)合旋轉(zhuǎn)攪拌自卸渣式熱壓抽提裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1Structural diagram of hot pressing extraction equipment with composite rotary agitation and auto-discharging

1.2工作原理

熱壓提取罐的工作原理是在較高溫度與壓力下，將破碎的鮮骨浸泡在水中，經(jīng)過一定時(shí)間蒸汽加熱，將骨中的蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)、風(fēng)味物質(zhì)等溶解、提取出來[11]。本裝備所設(shè)計(jì)的罐體為臥式，罐體的前后端設(shè)置有可拆卸的筒體法蘭，內(nèi)膽和夾套7之間具有間隙并設(shè)有加強(qiáng)筋17，攪拌軸9上的推進(jìn)式刮板攪拌器2和混合平槳式攪拌槳19與攪拌軸9通過抱箍形式連接，罐體外部的軸端通過聯(lián)軸器與正反轉(zhuǎn)電機(jī)減速器18相連接協(xié)同攪拌。首先，將所需提取的固體物料通過投料口15進(jìn)入到罐體內(nèi)部，在投料同時(shí)向罐內(nèi)注水，直至工藝所要求容量。開啟電機(jī)減速器18，在其帶動(dòng)下攪拌軸9順指針轉(zhuǎn)動(dòng)，三角形的推進(jìn)式攪拌器1只起到混合作用不推進(jìn)，而平槳混合攪拌19順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將不斷投入物料通過攪拌作用分布到罐體內(nèi)部。當(dāng)投料量達(dá)到要求，安裝投料口濾板14并蓋緊投料口15。

開啟夾套進(jìn)蒸汽口13閥門向夾套7內(nèi)注入蒸汽，同時(shí)開啟軸端進(jìn)蒸汽口10向攪拌軸9注入蒸汽對罐內(nèi)物料進(jìn)行加熱。當(dāng)罐內(nèi)物料溫度達(dá)到90 ℃時(shí)關(guān)閉進(jìn)水排空口16。在攪拌旋轉(zhuǎn)時(shí)推進(jìn)式攪拌器刮板2將與罐壁黏附的物料刮起防止結(jié)焦。夾套7內(nèi)注入的蒸汽在夾套加強(qiáng)筋17的作用下增加了湍流程度，更加迅速加熱內(nèi)部物料，并且對內(nèi)膽起到加強(qiáng)作用。觀察壓力表口12上的壓力表，當(dāng)溫度達(dá)到要求，恒溫階段結(jié)束后關(guān)閉夾套進(jìn)蒸汽口13和軸端進(jìn)蒸汽口10。打開出料口3閥門，料液經(jīng)過出料口濾板5進(jìn)入到出料口緩沖管6在經(jīng)過出料連接管4匯集后進(jìn)入下道工序，此時(shí)攪拌應(yīng)一直不停。當(dāng)料液排出完畢后，打開進(jìn)水排空口16閥門，將剩余壓力排空。

打開出渣口8的閘門，切換電機(jī)減速器18攪拌方向，使三角形的推進(jìn)式攪拌器1開啟推進(jìn)模式，將內(nèi)部提取剩余殘?jiān)鼜某鲈?排出。這樣完成一次提取過程。

2　主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1罐體

罐體為臥式方式，包括內(nèi)膽、夾套7和保溫層。位于最內(nèi)層的內(nèi)膽包括筒體前后的平蓋可拆卸封頭、中間筒體，中間筒體有投料口15和出料口3，筒體前端蓋有出渣口8。夾套7位于中間層，由夾套筒體、筒體法蘭組成，夾套7套設(shè)在所述罐體內(nèi)膽外周上形成一環(huán)腔，最外層為保溫層以及保溫層外包，保溫層是由珍珠巖填充而成，內(nèi)膽與夾套7之間具有間隙，且間隔設(shè)置有多個(gè)加強(qiáng)筋17，由于經(jīng)常進(jìn)行冷熱交替使用，加強(qiáng)筋17可對夾套7進(jìn)行加固，防止疲勞，夾套7靠近頂端處設(shè)有媒介入口，靠近底部位置設(shè)有媒介出口。

以一個(gè)容積為1 500 L的復(fù)合旋轉(zhuǎn)攪拌自卸式熱壓抽提罐為例，對罐的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.1.1夾套筒體(內(nèi)壓筒體)的厚度計(jì)算夾套圓筒厚度按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

δ——計(jì)算厚度，mm；

pc——計(jì)算壓力，MPa；

Di——夾套直徑，mm；

φ——焊接接頭系數(shù)，常數(shù)，取0.85；

[σ]t—容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

由于選用內(nèi)筒材質(zhì)為0Cr18Ni9(304)根據(jù)壓力容器與化工設(shè)計(jì)手冊[12]，在150～200 ℃工作環(huán)境中：[σ]t=130 MPa。

名義厚度按式(2)計(jì)算：

δn=δ+C1+C2，

(2)

式中：

δn——筒體的名義厚度，mm；

C1——鋼材厚度負(fù)偏差，mm；

C2——腐蝕余量，mm。

查經(jīng)GB 3274—2007查得C1為0.4 mm，C2為1.5 mm。

由此：δn=δ+C1+C2=3+0.4+1.5=4.9 mm，圓整后取6 mm。

2.1.2內(nèi)膽圓筒(外壓筒體)的計(jì)算設(shè)L為圓筒計(jì)算長度，mm；D0為圓筒外直徑，mm；A和B為系數(shù)；δe為筒體的有效厚度，mm；C1為鋼材厚度負(fù)偏差，mm；C2為腐蝕余量，mm；δn為筒體的名義厚度，是將設(shè)計(jì)厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即取整后的鋼板厚度，mm；[p] 為許用應(yīng)力，MPa。通過逆推法對內(nèi)膽圓筒厚度進(jìn)行計(jì)算：L/D0=1 000/1 200=0.83，取名義厚度δn=10 mm，有效厚度δe=δ-C1-C2=10-1-0.4=8.6 mm，由于D0/δe=1 200/8.6=139.5，根據(jù)GB 150—2011可得A=9×10-4，B=110 MPa。則許用應(yīng)力[p]=B/(D0/δe)=110/139.5=0.78≥0.5，滿足中國國標(biāo)要求。

2.2復(fù)合攪拌裝置

復(fù)合攪拌裝置設(shè)在罐體軸中心，其結(jié)構(gòu)見圖2，包括攪拌軸9及其位于罐體軸中心部的推進(jìn)式刮板攪拌器1和混合平槳式攪拌槳19、聯(lián)軸器和正反轉(zhuǎn)電機(jī)減速器18，攪拌軸9為空心厚壁管，可以通入蒸汽以實(shí)現(xiàn)加熱，推進(jìn)式刮板攪拌器1與混合平槳式攪拌19槳等距離相間隔安裝，均布于罐體內(nèi)部，攪拌軸9兩端與筒體平蓋法蘭通過機(jī)械密封進(jìn)行密封，攪拌軸9罐體外部兩端安裝在外部支撐架上，與支撐架通過軸承11連接。罐體后端軸通過聯(lián)軸器與減速器和電機(jī)18連接，與筒體軸心在一條直線上。電機(jī)18可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)提取過程和出渣過程的自動(dòng)執(zhí)行。攪拌軸9為空內(nèi)心厚壁管，可以通蒸汽實(shí)現(xiàn)加熱功能，以增大內(nèi)部加熱面積?；旌掀綐綌嚢?9槳所旋轉(zhuǎn)路徑與圓形放大緩沖短管的圓弧的濾板5位置一致，防止骨渣堵塞。罐體的頂部、中部和底部至少設(shè)置一個(gè)溫度探頭。

通過逆推法按扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算攪拌軸的軸徑。軸轉(zhuǎn)矩的剛度條件：

1. 前端軸頭　2. 攪拌葉　3. 攪拌軸管　4. 后端軸頭

(3)

(4)

式中：

d——攪拌軸直徑，mm；

G——軸的剪切彈性模量，MPa；

Mnmax——軸傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，N·m；

n——攪拌軸轉(zhuǎn)速，r/min；

Pn——電機(jī)功率，kW；

η——傳動(dòng)效率；

γ——許用扭轉(zhuǎn)角，°/m；

N0——空心軸內(nèi)徑與外徑之比。

暫取軸d為60 mm，壁厚為8 mm，攪拌軸轉(zhuǎn)速n為50 r/min，傳動(dòng)效率η為0.9，則校核剛度：

故d=60 mm，符合要求。

2.3投料裝置

投料裝置結(jié)構(gòu)見圖3。投料口15設(shè)置在筒體的中部，投料后能夠均勻地分散到筒體中，投料口筒體側(cè)部設(shè)置有排空口16，罐體上部設(shè)置有安全閥口，投料口15底部設(shè)置有與筒體同圓弧度的濾板14；出料口3設(shè)置在前端法蘭的底部，其最低點(diǎn)與筒體最低點(diǎn)平行。筒體的出料口3設(shè)置有圓形放大緩沖短管6，圓形放大緩沖短管6與筒體連接部分安裝有與筒體同圓弧度的濾板5，并且濾板可拆卸。

此處濾板5的設(shè)計(jì)有兩個(gè)目的：① 在熱壓抽提過程中，隨著攪拌的旋轉(zhuǎn)能夠有效避免物料在投料口15的堆積，防止物料不充分抽提；② 為了防止在泄壓過程中，物料會(huì)隨著二次蒸汽大量散失，而且由于濾網(wǎng)14設(shè)置在罐體上部，大大減輕了物料堵塞情況的發(fā)生。

3　裝置性能試驗(yàn)

通過工藝預(yù)研與企業(yè)調(diào)研，確定料液質(zhì)量比為1︰1條件下，提取時(shí)間為0～120 min，提取溫度為120，130，135 ℃ 3個(gè)梯度，以雞骨為原料進(jìn)行熱壓抽提工藝的優(yōu)化，并與常規(guī)提取方式進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明，熱壓抽提使得升溫時(shí)間從1.5 h縮短為40 min，提取時(shí)間越長溫度越高，提取液中總固形物、總蛋白與膠原蛋白的提取率越高(表1，圖4)，褐變程度加深(圖5)，與董憲斌等[13]研究結(jié)果一致。相對于白騰輝等[14]和代建華等[15]的研究，可顯著提高雞骨蛋白的抽提效率。

1. 投料口俯視圖　2. 投料口過濾網(wǎng)　3. 罐體投料孔

表1　旋轉(zhuǎn)攪拌抽提溫度和時(shí)間對總固形物和蛋白含量的影響

圖4　復(fù)合旋轉(zhuǎn)攪拌熱壓抽提過程中提取率變化

圖5　復(fù)合旋轉(zhuǎn)攪拌熱壓抽提過程中褐變度變化

通過對提取效率、產(chǎn)品品質(zhì)、能源動(dòng)力消耗等多因素綜合分析，確定雞骨的提取工藝為：料液質(zhì)量比1︰1，提取溫度130 ℃，時(shí)間40～60 min。

4　結(jié)論

該套復(fù)合旋轉(zhuǎn)攪拌自卸渣式熱壓抽提裝置采用臥式攪拌提取及兩項(xiàng)加熱法，有效解決了常規(guī)提取罐提取不徹底、不易分離油脂、通用性差、對廠房和輔助設(shè)備要求高的問題；通過物理攪拌提高了加熱速率和抽提效率。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證表明，該裝置自動(dòng)化程度高，安全、高效、節(jié)能。為骨提取及骨產(chǎn)品的研發(fā)提供了基礎(chǔ)保障，具有一定的企業(yè)應(yīng)用與推廣價(jià)值。

[1] 李鵬, 王存堂, 韓玲, 等. 甘南牦牛肉質(zhì)特性和營養(yǎng)成分分析[J]. 食品科學(xué), 2010(22):414-416.

[2] 張春暉. 骨源食品加工技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2015: 34-42.

[3] 夏秀芳. 畜禽骨的綜合開發(fā)利用[J]. 肉類工業(yè), 2007(5): 22-25.

[4] EASTIDGE M L. Major advance in applied dairy cattle nutrition[J]. Journal of Dairy Science, 2006, 89(4): 1 311-1 323.

[5] 吳立芳, 馬美湖. 我國畜禽骨骼綜合利用的研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2005, 21(1): 138-143.

[6] MCCURDY S M, JELEN P, FEDEC P, et al. Laboratory and pilot scale recovery of protein from mechanically separated chicken residue[J]. Journal of Food Science, 1986, 51(51):742-747.

[7] 賈偉, 蔣玉梅, 李俠, 等. 畜禽骨素?zé)釅撼樘嵩O(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]. 中國食品工業(yè), 2011(8): 43-46.

[8] 魏化中, 王友, 楊紅. 多功能提取罐控制系統(tǒng)研究[J]. 通用機(jī)械, 2006(1): 72-74.

[9] 李銀, 賈偉, 張春暉, 等. 可食性動(dòng)物骨素?zé)釅撼樘嵫b置的研制[J]. 食品與機(jī)械, 2013, 29(3): 153-156.

[10] 王友, 魏化中, 張嘉琳. 提取罐下排渣門安全問題分析[J]. 通用機(jī)械, 2006(6): 55-58.

[11] 王啟義. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 江西: 科學(xué)技術(shù)出版社, 2002: 132-207.

[12] 董大勤, 袁鳳隱. 壓力容器與化工設(shè)備實(shí)用手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2000: 191.

[13] 董憲兵, 李俠, 張春暉, 等. 分光光度法測定畜禽骨素中膠原蛋白含量[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2013, 29(10): 2 538-2 541.

[14] 白騰輝, 潘潤淑, 馬亞萍, 等. 雞骨渣高壓蒸煮提取雞骨素的工藝優(yōu)化[J]. 食品與機(jī)械, 2014, 30(6): 199-203.

[15] 代建華, 趙永敢. 不同的提取工藝對雞骨素出品率的影響[J]. 肉類工業(yè), 2008(9): 25-28.

Design and test of hot pressing extraction equipment with composite rotary agitation and auto-discharging for bone extract

WU Ting1,2JIAWei1,2ZHANGChun-hui2LIXia2GUANSheng1HANLing1YUQun-li1

(1.FoodScienceandEngineeringDepartmentofGansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China;2.InstituteofAgro-ProductsProcessingScienceandTechnology,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100193,China)

Design a type of hot pressing extraction equipment with composite rotary agitation and auto-discharging, which consists of three parts: tank, composite rotary agitation device and feeding device. The equipment is a horizontal stirring extraction, to avoid the problem that the extract is mixed with the solid material irregularity in conventional extraction method, and greatly increase the heating rate and extraction efficiency. Propelled scraper agitator and mixing paddle type impeller installed spaced equidistant, and the motor can forward and reverse, which make the extraction process and the process of tapping automatic. The use of two dimensional heating via jacket and stirring shaft, shorten the heating time and save energy. Hot-pressing extraction with chicken bone as raw material, and the results show that the extraction rate of bone collagen is more than 80% with almost 20% steam saving, and the heating time is from 1.5 h to 40 min. The equipment solves the problem such as conventional extraction tank extraction incompletely, extracting oil uneasy, poor universality, high demands on plant and ancillary equipment and so forth. The equipment is a high degree of automation, safe, efficient, energy-saving hot extraction equipment.

livestock and poultry bone; protein; composite rotary agitation; auto-discharging; hot pressing extraction

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(肉牛牦牛)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助項(xiàng)目(編號：CARS-38)；農(nóng)業(yè)部“引進(jìn)國際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)”項(xiàng)目(編號：2016-X31)

吳婷，女，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。

韓玲(1963-)，女，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，博士。

E-mail：hanling5@126.com

2016-03-27

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.019