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1、天津科技大学食品工程与装备技术研究生课程论文粉碎机械设备及其在食品中的应用Crushing Machinery and its application in food 专 业：食品科学学 院：食品工程与生物技术摘 要 随着食品工业的发展和人们对食品的要求的提高，食品粉碎机械得到了快速发展。本文对各类食品粉碎机械及特点进行了总结，并论述了其在食品工业中的应用，以及其发展现状和发展前景。关键词：粉碎机械；超微粉碎；冷冻粉碎；食品工业ABSTRACT With the development of food industry and the improvement of requirements f
2、or food, food crushing machinery has been rapidly development. In this paper, all kinds of food crushing machinery and the characteristics are summarized, and its application in the food industry ,the development status and prospects are also discussed. Key words: crushing machinery; ultra-fine pulv
3、erization; freeze grinding; food industry目 录1前言62 粉碎72.1 粉碎的定义72.2 粉碎的目的72.3 物料粉碎的方法72.4 粉碎理论研究72.4.1 多碎少磨原则72.4.2 料层粉碎原理72.4.3 粉碎理论研究的新方法83各类粉碎设备及特点93.1 机械冲击式粉碎机93.1.1 锤片式粉碎机93.1.2 齿爪式粉碎机93.1.3 涡轮式粉碎机93.1.4 立式高速冲击粉碎机93.1.5 卧式超微粉碎机103.1.6 克罗普列克斯粉碎机103.1.7 帕尔巴克式粉碎机103.1.8 喷射粉碎机103.2 气流冲击式粉碎机10 3.2.1
4、扁平式气流粉碎机10 3.2.2 超音速喷射式粉碎机11 3.2.3 立式环形喷射式粉碎机11 3.2.4 靶式气流磨11 3.2.5 对喷式气流磨11 3.2.6 流化床对喷式气流磨113.3 磨碎机械11 3.3.1 片磨11 3.3.2 锥形磨粉机12 3.3.3 对辊式粉磨机12 3.3.4 立式辊磨机12 3.3.5 球磨机12 3.3.6 振动磨123.4 冷冻和低温粉碎机械123.4.1 冷冻粉碎133.4.2 低温粉碎133.4.3冷冻和低温粉碎的特点134 粉碎机械对食品工业发展的作用145 粉碎机械的发展现状及前景展望155.1 国内外粉碎设备的发展现状155.2 前景与展
5、望156 参考文献161 前 言粉碎机械是应用机械力对固体物料进行粉碎作业,使之变为小块、细粒或粉末的机械。粉碎机械是破碎机械和粉磨机械的总称。比较传统的分类是:排料中粒度大于3mm的含量占总排料量50%以上者称为破碎机械;小于3mm的含量占总排料量50%以上者则称为粉磨机械1。随着科学技术的进步,粉体工业发展进入到了纳米级领域,对于粉碎设备的分类也将更加细化。食品粉碎是食品加工的重要组成部分，粉碎机械在食品工业中得到广泛应用。随着食品工业的迅速发展，人们对食品的要求也越来越高，为了迎合食品加工产业的需要，食品粉碎机械产业也得到了快速发展，各种类型的粉碎设备也开始应用于食品产业2。例如食品超微
6、粉碎技术是食品加工业一种新的手段，对于传统工艺的改进、新产品的开发带来了巨大的推动力。超微粉碎能较好地保证食品的营养和风味，使食品具有很好的固香性、分散性和溶解性，还能促进可食性食源的开发，许多可食动植物、微生物等原料都可用超微粉碎设备加工成超微粉，甚至动植物的不可食部分也可以通过超微化后被人体吸收。食品粉碎机械具有很好的发展前景，我们必须加强食品粉碎机械的研究。2 粉碎2.1 粉碎的定义用机械方法或非机械方法克服物料内部的内聚力将其由大块分裂成小块直至细粉的操作，称为粉碎3。粉碎是食品加工中对物料进行预处理的基本操作之一。2.2 粉碎的目的物料经粉碎后，比表面积增加，可提高化学反应速度和物理
7、作用效果; 物料经粉碎后，有利于几种不同固体物料的混合，在细粉状态下易达到均匀的效果。2.3 物料粉碎的方法 （1）磨碎:物料在两工作面或各种形状的研磨介质之间受到摩擦、剪切作用而被磨削成为细粒,多用于小块物料或韧性物料的粉碎。 （2）劈碎:物料受楔状刀具的作用而分裂。多用于脆性、韧性物料的破碎,能耗较低。 （3）压碎:物料在两平面之间受到压力作用而被粉碎。挤压粉碎适用于脆性物料,食品加工中常用的对辊粉碎机,如果对辊的线速度相等,则为纯粹的挤压过程4。 （4）剪碎:物料在两个破碎工作面间,如同承受载荷的两支点(或多支点)梁,除了在外力作用点受劈力外,还发生弯曲折断。多用于较大块的长或薄的硬、脆
8、性物料粉碎。 （a） 磨碎 （b）劈碎 （c）压碎 （d）剪碎图1 物料粉碎的方法2.4 粉碎理论研究2.4.1 多碎少磨原则20世纪70年代，中国粉碎界一致认识到破碎作业的单位能耗大大低于粉磨作业，因此为了节约能量，尽量减小破碎产品即粉磨给料的粒度，并简明地概括为“多碎少磨”。主要有两个途径: （1）采用先进技术和设备.（2）现有流程和设备技术改造，改进性能，提高效率。2.4.2 料层粉碎原理该原理的主要特点是: （1）粉碎力不是作用在单颗粒上，而是作用在颗粒群体上;（2）粉碎力是纯压力，施力较缓慢;（3）对颗粒群的粉碎压力高达 50300MPa。在新设备研制和传统设备改进中广泛采纳了这一新
9、原理。2.4.3 粉碎理论研究的新方法一百多年来，国际粉碎界提出了三个著名的粉碎理论，即面积说、体积说和裂缝说5。张志铁教授用突变理论，阐明了物料粉碎是一个由定态到失稳再到新定态过程的耗散结构，建立了粉碎颗粒粒度分布模型，找到了分维数、分布指数与破碎概率之间的关系，用颗粒表面分维数Ds将三个功耗理论统一起来。3各类粉碎设备及特点3.1 机械冲击式粉碎机 机械冲击式粉碎机是利用围绕水平或垂直轴高速旋转的回转转子上的冲击元件(锤头、叶片、棒体等)对物料进行撞击,并使其在定子与转子间、物料颗粒间产生高频度的相互强力冲击、剪切作用而粉碎的设备6-10。其特点是粉碎比大、运转稳定,适合于中软硬度物料的粉
10、碎。粉碎成品的颗粒细度和形态由转子上锤头的运动状态和定子间间隙来决定,低速冲击可得细长的颗粒,而高速冲击则易得物料结晶状态相同的颗粒。国内的MLC-40高速冲击粉碎机用于超微粉碎取得了理想效果。入料粒度3mm5mm,产品粒度10m40m。3.1.1 锤片式粉碎机 主要由进料口、转子、销连在转子上的锤片、筛片以及出料口等部分组成。按照不同的进料方向,又可以把这类粉碎机分为切向式、轴向式和径向式三种,前两种粉碎机一般配用的动力比较小,生产率比较低,多为中、小型粉碎机;后一种粉碎机一般配用的动力比较大,生产率比较高,多为大、中型粉碎机。3.1.2 齿爪式粉碎机 该粉碎机主要由进料斗、动齿盘转子、定齿
11、盘、包角为360的环筛和排料口等组成。可用于谷物等的粉碎。齿爪式粉碎机的特点是结构简单、粉碎室较窄、筛片包角为360、生产效率比较高,但噪声和粉尘比较大。3.1.3 涡轮式粉碎机 其特点是粉碎物温升比较低,适合于粉碎脱脂大豆、米、小麦粉、食盐、矿物质添加剂和颜料等。80%以上的粉碎物可以通过0.150.1 mm的筛孔。3.1.4 立式高速冲击粉碎机主要由给料机、粉碎器和分级器三部分组成。给料机包括料斗和给料螺旋。粉碎器由动齿盘(它是一个旋转的圆盘,在其周边垂直地均布安装着打击棒柱或齿爪)和环状的固定磨圈(有槽形的和光面的)所组成。分级器是一个旋转的圆盘,在其周边装有叶片,有长叶片、短叶片和斜叶
12、片等型式可供选用。在粉碎区和分级区之间有分隔的导向环,其作用时是使未达到粒度要求的物料在其间作闭路回转流动,并继续被破碎。工作时,物料从给料螺旋送入后,在动齿盘和固定磨圈之间受到棒柱或齿爪以110 m/s的线速度的冲击、剪切和搓擦等作用而粉碎。该机适用于涂料、食品、医药品、合成树脂等弱热性物质的粉碎。3.1.5 卧式超微粉碎机 这是一种水平轴、双室、气流分级式粉碎机,主要基于冲击粉碎原理工作,在粉碎的同时能够进行分级和清除杂质。它由水平轴上安设的两个串联的粉碎分级室和风机组成。两串联的粉碎分级室之间用隔环分隔,第二粉碎室粉碎力更强(转子的圆周速度较大),故为细磨区。细粉随气流由风机排出机外捕集
13、。 此机的特点是采用两极串联粉碎装置,故粉碎效率高,能耗较低;产品粒度细(平均粒径3100m);机内设有排渣装置,可将难以粉碎的杂质排除,故产品纯度高;负压操作,可减少粉尘对环境的污染。适用于莫氏硬度低于5级的物料,例如涂料、颜料、非金属矿、化工原料、农药等的微粉碎。3.1.6 克罗普列克斯粉碎机 类似于爪式自由粉碎机,安装有许多短圆柱小棒,在粉碎室外周设有筛网。在机内装有带许多小棒的圆板,借以粉碎软质或中硬质的材料,也有在两块圆板上交错安装小棒,逆向运动。此机适宜粉碎玉米及小麦。3.1.7 帕尔巴克式粉碎机 该机粉碎室较短,分级是采用让物料通过装有叶片的圆板产生负压,使粗粒通过管道返回压力低
14、的原料入口。粉碎转子和分级叶片采取分别传动的方法,若单独改变叶片的转速,就可以调速和调节产品的粒度。3.1.8 喷射粉碎机 该机由重锤式冲击部件、螺旋给料器、分级轮、风扇轮、转子轴等组成,可粉碎较硬的物料。产品粒度可用改变转速和改变分级叶片的长度调节,或者用风量调节。冷却效果好,适应于热敏性物料的粉碎。3.2 气流冲击式粉碎机 流粉碎机是以高速气流(300500 m/s)为动力和载体,使物料颗粒在高速运动中相互碰撞、摩擦和剪切而使物料粉碎。优点为产品不受污染,能保持原来的纯度和白度;能保持原结晶状态,如长径比。气流磨的缺点:被处理的物料不能含水,气流中湿度也不能高,因此气流进入前应有去湿(或油
15、气)装置;电耗高,平均每吨产品耗电为1001000 kWh,个别物料高达2000 kWh,气流磨比机械方式粉碎的能耗要高出数倍。3.2.1 扁平式气流粉碎机 此机亦称圆盘式气流磨。物料由汾丘里喷嘴加速到超音速导入粉碎室;高压气流进入气流分配室,分配室与粉碎室相通,气流在自身压力下,强行通过研磨喷嘴时,产生高达每秒几百米至上千米的气流速度,物料在高速旋流的带动下作循环运动,颗粒间、颗粒与机体间产生相互冲击、碰撞、摩擦而被粉碎。粗粉在离心力作用下甩向粉碎室周壁作循环粉碎,而微粉在离心气流带动下被导入粉碎机中心出口管进入旋风分离器加以捕集。3.2.2 超音速喷射式粉碎机 亦称P.J.M气动射流磨。该
16、粉碎机适用于粉碎低熔点食品和热敏性物料,能保存物料原有的芳香味。国产超音速喷射式粉碎机主要有GTM-10型、BQF-200型和BQF-280型等气流超音速喷射式粉碎机。3.2.3 立式环形喷射式粉碎机 又称循环管式气流磨,它具有分级的特点。其成品粒度可达30.2m,广泛地应用于填料、颜料、金属、化妆品、医药品、食品、磨料以及具有热敏性、爆炸性的化学品等的超细粉碎。3.2.4 靶式气流磨 它是利用高速气流夹带物料冲击在各种形状的靶板上进行粉碎的设备。适用于粉碎高分子聚合物、低熔点热敏性物料,以及纤维状物料。可以根据原料性质和产品粒度的要求选择不同形状的靶板。靶板作为易损件,应采用耐磨材质制作。3
17、.2.5 对喷式气流磨 又称逆向喷射磨,是利用物料在一对喷嘴相对喷射的超音速气流中相撞而粉碎的设备。可用于粉碎莫氏硬度9.5级以下硬质、脆性、韧性的各种物料,产品粒度可达74m至亚微米。代表机型有布劳-诺克斯型气流磨、特劳斯特型气流磨和马亚克型气流磨。3.2.6 流化床对喷式气流磨 它是20世纪90年代最新的超细粉碎设备。其特点是产品细度达310m,粒度分布窄;粉磨效率高,能耗低,比其它类型气流磨节能50%;产品污染少,可加工无铁质污染的粉体产品和莫氏硬度10级的物料;结构紧凑、噪音小、操作自动化,但成本高。德国Apline公司研制的AFG流化床逆向气流磨较为先进,国内主要有沈阳飞机研究所、四
18、川绵阳中国空气动力研究中心、上海化机三厂生产。3.3 磨碎机械磨碎机主要依靠两个工作表面或介质之间的挤压和摩擦力将物料研磨成极细的产品。3.3.1 片磨 适用于物料磨碎,也适用于研磨含水分高的物料以及韧性大的物料。按照磨盘安装位置可以分为立磨和卧磨两种;按照磨片的材质不同可分为刚磨、金刚砂磨、石墨、陶瓷磨等,用途十分广泛。3.3.2 锥形磨粉机 适用于小麦、杂粮和豆类的干磨和湿磨。工作时,依靠两磨头磨齿对物料的挤压和剪切作用磨碎物料。锥形磨的特点是适应性广、经久耐用、加工低廉,但是干磨时成品的温升较高、成品质量较差、耗能大、生产效率低、噪声较大、轧距调整比较复杂。3.3.3 对辊式粉磨机 根据
19、使用对象不同,又可分为农用小型磨粉机和大、中型磨粉机。前者装备有一对磨辊,其结构简单、操作方便、生产率低;后者配制有两对磨辊,其结构复杂、机械化自动化程度高、生产率高,如国产MY型磨粉机。3.3.4 立式辊磨机 亦称立式磨,其结构型式有十余种之多,如莱歇磨(Loeshe mill)等。辊磨机是利用快速转动的若干个辊子对固定磨盘中的物料进行辊压产生的研磨作用而粉碎,有效粉碎功较高;由于它是风扫式磨,兼具粉磨与烘干的功能。其缺点是磨辊与磨盘的磨损大、寿命短,需采用高耐磨材料制作,且检修、更换较复杂。德国的洪堡公司、美国的富勒公司和丹麦的史密斯公司等都相继开发出各自的辊磨机系列产品。3.3.5 球磨
20、机 球磨机的类型很多,应用广泛。按研磨介质分有球磨机、棒磨机、砾磨机、自磨机（无介质）、半自磨机（少量介质）。球磨机的优点是结构简单,适应性强,可连续操作适于大型化;缺点是效率低,耗电高,介质材料消耗大。为适应工业化大规模生产的要求,采用分级机与球磨机闭路作业生产粉体物料。3.3.6 振动磨 振动磨是用弹簧支撑磨机体，由一带有偏心块的主轴使其振动，磨机通常是圆柱形或槽形。振动磨通过磨机筒体作高频强烈振动使研磨介质对物料产生冲击、摩擦、剪切作用而使物料粉碎，其效率比普通磨高1020倍，其粉磨速度比常规球磨机快得多，而能耗比普通球磨机低数倍。这种设备的振幅在2mm6mm之间，频率在1020r/mi
21、n4500r/min之间。 振动磨的缺点是噪音大,对轴承弹簧等部件材质质量要求高,处置某些含结晶水物料时有粒度粘结、增大现象。振动磨主要应用在耐火材料、磁性材料、化工等领域。国外机型主要有德国宏堡公司的Palla型振动磨,美国SWECO公司的立式旋振动磨。国内振动磨生产厂家主要有温州矿山机械厂、江阴机械厂及青岛矿山机械厂。3.4 冷冻和低温粉碎机械 随着现代食品工业的不断发展，人们对食品越来越精细化的要求，普通的粉碎手段由于物料在粉碎时温度上升，造成品质下降，已不能适应生产的需要，于是出现了冷冻和低温粉碎技术，并在几年内得到了迅猛发展，尤其在功能食品以及特种物料的加工生产上取得了良好的效果。3
22、.4.1 冷冻粉碎 冷冻粉碎对含油脂、糖分，以及软点低和水分多的物料（如肉类、一些中草药、巧克力等）特别有效。因为这些性质的物料在常温粉碎时容易粘结、堵塞和性质变化，且常温粉碎效果和效率差。冷冻粉碎是利用物料在低温状态下的“低温脆性”即物料随着温度的降低，其硬度和脆性增加，而塑性及韧性降低，在一定温度下，用一个很小的力就能将其粉碎。经冷冻粉碎的物料，其粒度可达到“超细微”的程度，因此可以生产“超细微食品”。3.4.2 低温粉碎 低温粉碎应用的冷源与冻结粉碎一样，是沸点为-196的液氮。二者的区别在于：冻结粉碎是将粉碎物先行脆化，然后加以粉碎。而低温粉碎是将液氮向粉碎室内喷雾，使之冷却并保持在-
23、2050范围内进行粉碎，粉碎过程中产生的热量被液氮吸收，粉碎物由气化后的N2气流输送至分离器。 超低温冷却系统由贮料预冷筒、螺旋推进器、低温粉碎机、低温鼓风机、旋风分离器、粉尘过滤器以及电控装置等组成11。一般选择液氮作为冷冻粉碎的制冷剂，在操作过程中，一部分制冷剂用于冷冻贮料预冷筒内原料的冻结，另一部分提供给低温粉碎机，以维持粉碎机的设定温度，使得被粉碎的原料始终在低温、惰性条件下进行，从而有力地保护原料的品质而液氮在粉碎过程中由于吸热变成了低温氮气，经旋风分离器与原料粉末分离后，一部分回收利用，剩余部分排入大气。为防止冷冻粉碎后因温度升高造成粉体的粘结、浆化，在实际操作中大都将冷冻粉碎机与
24、冷冻干燥机配合使用，实现连续化制造干粉。3.4.3冷冻和低温粉碎的特点与常规粉碎相比，低温粉碎系统具有三大优势，一是可以粉碎常温下难以粉碎的韧性、粘性、弹性、油性较大的物料，如牛骨、核桃仁、尼龙、蜡等；二是可以粉碎成比常规粉粒体流动性更好，粒度分布更理想的产品；三是不会因粉碎时发热造成产品的氧化变质、热敏物质被迫坏、香味物质逸散、粉尘爆炸以及噪音等现象。这些优势使超低温粉碎技术近几年得到了快速发展，在食品加工领域的应用日益增多。4 粉碎机械对食品工业发展的作用 粉碎机械对食品工业的作用主要表现在以下几个方面：（1）有利于不同组分物料的均匀混合。混合物所用的各种原料的粒度越小，混合的均匀度越高，
25、生产出的食品品质越好。（2）便于对原料颗粒内的成分进行提取分离。例如，玉米的脱胚、小麦的制粉、淀粉的提取等。（3）提高物料的工艺性能。物料经粉碎后，表面积大大增加，使物料的干燥、溶解、悬浮等性能得到提高。（4）提高物料的流动性，可实现流态化操作。例如，流化床干燥、气流输送等。（5）有利于食物资源的充分利用、新型功能食品或添加剂的开发。例如，豆皮、米糠、燕麦皮、玉米皮、甜菜渣和甘蔗渣等纤维的微粒化，能显著地改善纤维食品的口感和吸收性，使食物资源得到了充分的利用，而且丰富了食品的营养。一些动植物体的不可食部分如骨、壳 (如蛋壳) 、虾皮等通过超微化而成为易被人体吸收、利用的钙源和甲壳素。（6）有利
26、于改善食品品质。例如，软饮料加工中速溶饮料的开发，牛奶中脂肪颗粒的细化，巧克力配料的粒度的细化，以及调味品加工中，微粉食品的巨大孔隙率造成集合孔腔，可吸收并容香气经久不散，因此作为调品使用的超微粉，其香味和滋味更浓郁、突出等等。5 粉碎机械的发展现状及前景展望5.1 国内外粉碎设备的发展现状近年来,国外对超细粉碎及分级设备、工艺、微细颗粒粒度测定等方面的研究十分活跃,这是由于国外在复合材料、新型陶瓷、电子材料等许多尖端技术方面迅速发展而决定的。在先进的工业化国家,微米级超细粉碎设备已渡过了其发明时期,而进入成熟、配套、完善的阶段,设备研究朝着亚微米级超细粉碎和微米级精密分级的方向发展。粉碎技术
27、的发展主要表现在产品微细化、微粉功能化、设备自动化、节能新工艺和新设备及低污染高强度材料的应用等方面。我国自20世纪80年代以来,粉碎工程学术界较为活跃,其主要目标在于提高粉碎过程的效率和满足工业上某些物料产品的粒度要求。对粉碎机研究的大规模兴起,始于80年代中期,当时主要注意力在两方面:其一是湿式超细粉碎机、搅拌球磨机和塔式磨机的研究;其二是干式气流粉碎机的研究。当时,我国主要以引进国外先进的设备和技术为主,同时,国内技术人员进行了大量研究开发工作,经过十几年的努力,国内已能生产各种气流磨、高速冲击磨、搅拌磨、振动磨,有的设备在性能上已接近国外同类设备的水平。但总的说来,与国外的先进技术设备
28、相比,我国的超细粉碎技术仍存在一些问题:已研制出的各种型号规格的超细粉碎设备中,有些在结构设计、材质及加工精度等方面,与国外先进设备相比还有一定差距;产品的深加工档次低、系列少,对用户的需求针对性差;缺少高效的超细分级设备与粉碎设备配套。5.2 前景与展望目前，食品粉碎机械已经有了很大的发展，各式各样的新型机械和粉碎手段不断出现，超微粉碎、冷冻粉碎都是很有前景的研究方向。但食品粉碎机械的研究还有很多问题要解决，如研究高速粉碎工艺，高速粉碎不但提高效率，还有助于改善颗粒的表面质量和粒度。目前应用研究的一个方向是涡旋式类型的强气流粉碎机；研究低温能源问题，利用液氮等形成达到物料脆化温度的低温状态需
29、要很高的成本，如何降低成本等。所以，食品粉碎机械还需进一步深入研究，推动食品工业发展。6 参考文献1 房丽娜, 马正先, 李慧, 等. 粉碎设备及技术的发展历程与研究发展J. 有色矿冶, 2005, 21(3): 178-180.2 冯志强. 浅谈食品粉碎机械的发展J. 质量技术监督研究, 2009, 3(5): 54-56.3 刘晓杰. 食品加工机械与设备M. 北京: 高等教育出版社, 2010, 79-80.4 赵敏, 卢亚萍, 潘英民. 粉碎理论与粉碎设备发展评述J. 矿冶, 2001, 10(2): 36-41.5 张小刚. 粉碎机械综述J. 黑龙江冶金, 2013, 33(1): 4
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