NanjingUniversityofTechnology《食品機械基礎》第四篇常用食品機械設備授課教師：仲兆祥第二十一章其他機械與設備生物反應器12擠壓成型機械與設備焙烤裝備3第一節生物反應器

從數千年前人們開始釀造美酒時使用的瓷罐陶甕到目前普遍使用的不銹鋼罐，無論是發酵罐所使用的材料還是發酵罐的結構形式都發生了根本的變革。發酵與貯藏容器的材料經歷了從橡木、水泥、碳鋼到不銹鋼的發展過程。發酵罐的定義是發酵生產中最主要的設備,是按照發酵過程的工藝要求,保證和控制各種生化反應條件(T,P,O2,防止雜菌污染),以促進微生物的新陳代謝,使之能在低消耗下獲得較高的產量的一種設備。

注意：由于發酵時采用的菌種不同、產物不同或發酵類型不同，培養或發酵條件也就各不相同。因此，需要根據發酵過程的特點和要求來設計和選擇不同結構和形式的發酵罐。第一節生物反應器發酵罐的種類微生物有好氧和厭氧兩大類，培養這兩大類微生物的發酵罐有很大的區別。相應地發酵罐可分為以下兩種：1好氧發酵罐：氨基酸、有機酸、酶制劑、抗生素和單細胞蛋白均由此方法制得。在生產過程中需通入無菌空氣，因此其設備的結構要比厭氧發酵復雜些。生產上根據發酵罐通風和攪拌方式的不同可將其分為四類：機械攪拌式通風發酵罐、自吸式發酵罐、氣升式發酵罐和塔式發酵罐第一節生物反應器2厭氧發酵罐厭氧發酵也稱靜止培養，因其不需供氧，所以設備和工藝都較好氧發酵簡單。嚴格的厭氧液體深層發酵的主要特色是排除發酵罐中的氧。罐內的發酵液應盡量裝滿，以便減少上層氣相的影響，有時還需充人非氧氣體。發酵罐的排氣口要安裝水封裝置，培養基應預先還原。

第一節生物反應器1.對發酵罐材料的要求

（1）耐酸腐蝕性

各種漿果中含有蘋果酸、檸檬酸等有機酸，在發酵過程中為了避免氧化并殺死其他細菌，根據原料的衛生情況，需要加入適量SO2等物質，對發酵罐有腐蝕作用。從材料方面要求制造發酵罐的材料應該耐酸性介質腐蝕，18－8型Cr-Ni不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、抗氧化、表面易于清洗的特點，Cr能與O2形成極薄（約100埃）的致密而穩定的化合物Cr2O3，與機體結合緊密,能夠自動起到表面防護作用。第一節生物反應器

（2）符合衛生要求發酵是生物化學反應，對衛生的要求是非常嚴格的。從加工制造方面要求發酵罐壁面應平整光滑，避免由于壁面凸凹不平成為細菌滋生的場所；冷軋不銹鋼薄鋼板表面粗糙度高于熱軋不銹鋼薄鋼板，一般選擇冷軋不銹鋼薄鋼板。第一節生物反應器（3）傳熱性能發酵過程是放熱反應，發酵工藝對發酵溫度有嚴格限制，發酵熱必須及時散發出去，從散熱方面考慮發酵罐材料應該具有良好的導熱性能，選擇大的材料。合金材料的導熱系數比純金屬的導熱系數小，不銹鋼的導熱系數約為碳鋼的1/3。但從材料耐腐蝕性等方面綜合考慮，宜選擇不銹鋼。第一節生物反應器露天發酵罐群第一節生物反應器第二節擠壓成型機械與設備擠壓成型原理疏松的食品原料從加料斗進入機筒內時隨著螺桿的轉動,沿著螺槽方向向前輸送,同時受到機頭的阻力作用,固體物料逐漸壓實,溫度升高開始熔融,直至全部熔融.由于螺槽逐漸變淺,繼續升溫升壓,食品物料得到蒸煮,出現淀粉糊化和脂肪,蛋白質變性等一系列復雜的生化反應,組織進一步均化,最后定量定壓地由機頭通道均勻擠出,即完成了食品擠壓加工過程.

對于大多數食品擠壓過程而言,食品物料從機筒內被擠壓出模頭的瞬間,壓力突然降低,過熱的食品物料中的水分急劇氣化噴射出來,致使食品內部爆裂出現許多微孔,體積立即膨脹若干倍并成為膨化食品.第二節擠壓成型機械與設備一、擠壓蒸煮設備的發展和分類二、擠壓設備的組成和操作過程三、單螺桿擠壓機的主要結構四、多功能單螺桿食品擠壓機五、雙螺桿擠壓機的主要結構六、擠壓機的傳動系統和過載保護第二節擠壓成型機械與設備一、擠壓蒸煮設備的發展和分類（一）食品擠壓機的發展1930年開始:螺桿擠壓技術在食品加工中得到應用，1935年:美國有了應用，1946年:Adamscrop商業用玉米膨化機，20世紀50年代:膨化飼料用擠出機有很大發展。20世紀70年代:雙螺桿擠壓機開始在食品中的應用，20世紀80年代:獲得較大進展。到1984年，日本農林水產省成立了雙螺桿食品擠壓機開發利用研究組第二節擠壓成型機械與設備一、擠壓蒸煮設備的發展和分類（二）食品擠壓機的分類（1）按螺桿的數量分:單螺桿擠壓機和雙螺桿擠壓機兩種（2）按加熱形式分:自加熱式擠壓機和外加熱式擠壓機（3）按功能分：①通心粉（面條）擠壓機②高壓成形擠壓機③低剪切蒸煮擠壓機④膨化型擠壓機⑤高剪切蒸煮擠壓機單螺桿食品膨化機單螺桿食品膨化機螺桿的形狀雙螺桿食品膨化機第二節擠壓成型機械與設備第二節擠壓成型機械與設備二、擠壓設備的組成和操作過程食品擠壓設備除了擠壓機——主機之外，還有輔助和控制系統1.主機第二節擠壓成型機械與設備2.輔機（1）原料混合器：此混合器一般用在多種食品原料需均勻合的場合下（2）預處理裝置：原料在進入喂料器之前，可在頂處理裝置中根據工藝要求，利用水或蒸汽來調整原料的含水量和溫度；（3）喂料器：喂料器被用來保證均勻地向擠出機中喂料；（4）切割裝置：擠出食品通過模頭在正常工作條件下連續不斷地被擠出，然后根據產品的形狀要求在切割裝置中用切刀切斷；（5）烘干（冷卻）裝置：被切割成形后的產品有的需要進一步脫水，然后進入烘干機；有的需要迅速降溫再進入冷卻裝置。一般用的是電加熱烘箱，風冷；（6）調味裝置：有不少擠壓食品，特別是一些膨化食品需要具備多種風味，因此，需要將調味料噴涂在產品表面上，這個裝置就是完成這一任務的；（7）其他輔機包括產品包裝機等第二節擠壓成型機械與設備3.控制系統食品擠壓機的控制系統主要由測量儀器、顯示儀表、電器、執行機構和按鍵等組成，用來完成以下任務：（1）顯示擠壓機的工作狀態，如顯示轉速、溫度、壓力等；（2）按程序啟動，控制主機、輔機的轉速和協調他們的運行；（3）按工藝要求控制喂料量、溫度和壓力；（4）用計算機控制可實現對整條生產線的全自動控制和管理4.擠壓食品加工的主要過程將多組食品原料按比例稱重，人工送入混合機，進行充分混合后用螺旋輸送機定量提升送入預處理機中；原料在頂處理機內與霧化的水滴接觸，在雙軸的攪拌作用下，使水量均勻，達到工藝要求之后，被定量送到喂料機中；物料在喂料機中通過調節輸送螺桿轉速，把物料均勻不斷地按生產要求定量喂入擠壓機中；進入擠壓機內的物料在轉動螺桿的推動下，在擠壓機內連續完成破碎、剪切、壓縮、加熱、熔融、升壓過程，然后通過模頭被擠出；擠出的產品按產品要求用螺旋切刀切斷；切割后的食品的含水量稍高，要進一步脫水，須將食品運到干燥（冷卻）機內進行干燥；干燥后的食品要進行調味處理，通過噴油、噴粉（調味料）使食品具有不同風味。將調味后的產品進行包裝后即可上市。擠壓膨化食品的工作過程大致是這樣，其他的擠出產品的加工過程大同小異。第二節擠壓成型機械與設備第二節擠壓成型機械與設備三、單螺桿擠壓機的主要結構第二節擠壓成型機械與設備五、雙螺桿擠壓機第三節焙烤設備一、加熱原理與加熱元件（一）加熱原理（二）加熱元件1.遠紅外加熱元件1）管狀輻射元件①金屬氧化鎂管②碳化硅管③硅碳捧電熱元件④SHQ乳白石英管2）板狀輻射元件3）半導體遠紅外輻射器2.微波加熱設備第三節焙烤設備加熱原理焙烤食品生產中常用的熱源是電加熱器。電加熱器是一種通過電熱元件把電能轉變為熱能的加熱裝置，常用的有遠紅外加熱和微波加熱兩大類。

⑵物體的傳熱方式

熱能的傳遞有三種形式，即傳導、對流、輻射。

傳導是利用傳熱材料中的分子互相碰撞，從而將熱量傳遞的過程；

對流是利用熱量隨物質的流動而傳遞能量的，大量熱能消耗在介質里；

輻射是不借助介質，而以電磁波的形式直接傳播來加熱工件，熱能利用高。在食品焙烤中現多用遠紅外加熱，輻射是主要傳熱方式。第三節焙烤設備

什么是遠紅外線？

日光通過三棱鏡可分為紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫七色可見光。在紅色光和紫色光兩端還存在著不可見光，即紅外線和紫外線。可見光、紅外線和紫外線都是電磁波，它們的區別只是波長不同而已。在電磁波頻譜上我們可以看到，可見光譜的波段極窄，從0.4-0.75μm，而紅外線介于可見光與微波之間，其波長范圍是0.75μm至1000μm。根據波長不同可將紅外線分為：近紅外線：0.76-1.4μm

中紅外線：1.4-3μm

遠紅外線：3-1000μm紅外線遵循可見光的反射、吸收、透射規律第三節焙烤設備物質吸收紅外線原理原子化學鍵物質內部的原子總是以它本身具有的固有頻率而不斷運動,當某種物質受到一束紅外線照射時，若：紅外線的傳輸頻率=物質的固有頻率則：物質中的彈簧就會吸收紅外線的能量而發生共振，即加速分子的熱運動，使物質的溫度升高。若：紅外線的傳輸頻率≠物質的固有頻率則:紅外線就不會被物質吸收，而是串過分子或被分子反射。第三節焙烤設備

遠紅外加熱特點

1.熱輻射率高

2.操作容易控制

3.熱損失小

4.產品質量好

5.熱吸收率高

6.有一定穿透能力

7.加熱速度快金屬氧化鎂管第三節焙烤設備由管體（碳鋼或不銹鋼），發熱體（電阻絲）、填充料（氧化鎂粉）〔超絕緣與傳熱作用〕和輻射涂層等組成。氧化鎂管的表面負荷率與表面溫度有關。表面溫度越高，輻射能量越大。但是在輻射涂層材料已選定的情況下，其最大輻射波長隨表面溫度升高而向短波方向移動。當元件表面溫度高于600℃時，則明顯的發出可見光。有用波長部分占的輻射強度的比例就下降了。其特點：管子重量輕，熱效率高，熱容量小，升溫起動快、結構緊湊、濃度好、可直接緊固于爐壁上，安裝及更換方便，使用壽命較長。但氧化鎂導熱系數低，使元件表面負荷率降低，故不適應于大功率高溫加熱。

第三節焙烤設備碳化硅管是由碳化硅管、發熱體（電阻絲）和輻射涂層組成，由于碳化硅不導電，故管內不需充填絕緣介質。其特點：輻射效率高，使用壽命長，制造工藝簡單、成本低、涂層不易脫落。抗機械震動性差，熱縮性大，升溫時間長。第三節焙烤設備硅碳棒電熱元件是以高純度碳化硅（含量98.5％），以高溫再結晶方法制成，有涂層。其特點：通電自熱，不同電阻絲，單位表面發熱量大，升溫快，比金屬和碳化硅管具有明顯的節電效果，其涂層化學性穩定，所以烘烤產品質量好，但成本高，使用安裝技術性能較強。第三節焙烤設備SHQ乳白石英管

SHQ元件由發熱絲、乳白石英玻璃管及引出端組成。發熱絲材料通常為Ni80Cr20鎳鉻絲或Cr25AI5鐵鉻鋁絲。其特點：

SHQ元件光譜輻射率高，且穩定，節電效果明顯，由于不需涂覆遠紅外涂料，所以沒有涂層脫落問題，符合食品加工衛生要求。缺點是價格偏高。第三節焙烤設備板狀輻射元件有以金屬板為基體的和陶瓷復合板等。在食品烤爐中，常用的是碳化硅板狀元件，表面涂遠紅外輻射材料。特點：溫度分布均勻，適應性較大，制造簡單，成本低，安裝方便，輻射效率高，但抗機械性能差，且熱敏性大，升溫時間長。第三節焙烤設備半導體遠紅外輻射器管式遠紅外輻射器是以高鋁質陶瓷材料為基體，中間層為多晶半導體導電層，表面涂覆具有高輻