CN102917608A - 改进的挤压系统预调质器 - Google Patents

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Abstract

提供改进的预调质器（10）用来使人类食物或动物饲料的原料在其进行下游最终处理之前在挤压机（56）或制粒机中部分地湿润。预调质器（10）较佳地包括具有壁（14）的细长外壳（12），壁（14）有入口（20）和相对的出口（22）。外壳（12）还具有靠近入口（20）的较大直径端壁（16）、靠近出口（22）的较小直径端壁（18）以及以从约2-9°的锥形角度逐渐地会聚的外壳壁（14）。轴（36）沿外壳（14）的长度延伸且支承多个向外延伸的混合件（46），混合件（46）沿轴（36）的长度以轴向地和周向地间隔关系定位。混合件（46）的外边缘（54）沿外壳壁（14）的长度协配地限定锥形。轴（36）设计成以高转速运行，且混合件（46）可选择性有角度地定位成降低或提高原料通过预调质器（10）的流速。简化的预调质器（10）可操作地提供高湿度和高预煮熟度。

Description

改进的挤压系统预调质器
背景技术
发明领域
本发明广泛地关注与诸如挤压机或制粒机的下游处理设备结合使用的预调质器，以便提供动物饲料或人类食物原料的预煮熟度和湿度。更具体地，本发明关注这类预调质器以及包括该预调质器的挤压系统，其中该设备具体设计成与低能力、低成本的挤压器一起使用以提供饲料原料的充分湿润。
背景技术
大部分饲料生产系统包括用于湿润且有时部分地煮熟初始饲料原料（例如，诸如将在宠物食物原料中存在的相应量的蛋白质、脂肪和淀粉）的预调质器。这类预调质器与诸如制粒机或挤压机的下游处理设备配合。通常，这类预调质器沿外壳的长度设有喷射口用来在处理过程中喷射蒸汽和/或水。组合的能量（热能和机械能）可用来使通过预调质器的原料部分地糊化，测量为淀粉含量的糊化度，但在任何情形下提供便于下游处理所需的湿度。
预调质器技术已经发展很长一段时间。一种早期类型的预调质器，称为温吉尔DC预调质器，具有一对相同横截面面积的并排式的腔室，每个腔室内有相应的轴，且轴装配有多个向外延伸的叶片状混合件。这些类型的预调质器能够使初始原料糊化到约20%的水平。
对预调质器显著的改进在美国专利申请第4752139号中例示。这些称为温吉尔DDC的预调质器具有类似现有并排式腔室的外壳，但其中一个腔室的横截面面积大于另一个。另外，轴以不同的转速运行。这些类型的DDC单元能够使初始原料达到30%左右的糊化度。美国专利申请第7674492号中披露更新的改进。这些预调质器类似于DDC型，但每根轴装配有变速驱动，在预调质器运行过程中该变速驱动允许同时调节相应轴的转速和转动方向。该最新一代的预调质器由温吉尔作为HIP预调质器供应到市场，且这些调质器能够实现50-60%的糊化度。
如可理解的，每种后续代的预调质器制造更复杂和更昂贵。例如，简单的DDC预调质器将卖约60000美元，而HIP型将花费约150000美元。
上述的DDC和HIP预调质器通常设计成用于每小时10吨及以上的高通过量挤压系统。然而，初级挤压系统的容量低得多（例如，每小时4吨）。这些较小系统通常因系统的总成本太高而不设有上述预调质器。因此，在这些低能力系统中，已经习惯使用非常简单的、单轴搅拌机代替预调质器。这些搅拌器因相对便宜而不能有效提供下游挤压所要求的湿度和糊化度。这些单元主要由于它们具有非常低的生产停留时间的事实而通常是低于15%的糊化度。过去已知的是装备搅拌器和具有内部挡板或类似结构的低容易预调质器以尽力实现更高的停留时间。这些权宜之计取得仅有限的成功，但此外产生产品堆积的区域，从而需要经常清扫。
因此本领域中有对有效、低成本预调质器的需求，该调质器可实现通常与更复杂饲料处理系统一起使用的更高容量调质器的湿度和糊化度特性。
发明内容
本发明克服以上概述的问题并提供可操作地使饲料原料在诸如挤压机或制粒机中的下游处理之前湿润的预调质器。通常来说，本发明的预调质器包括具有入口和相对出口的细长外壳，外壳具有靠近入口的较大直径端部和靠近出口的较小直径端部，而锥形壁部分在外壳端部之间。至少一根细长的、可轴向转动的轴沿外壳的长度延伸并具有多个由轴支承的轴向间隔开、向外延伸的混合件且每个混合件具有远离轴的外边缘。混合件的间隔开的外边缘沿外壳锥形部分的长度协配地限定锥形。
较佳的形式中，预调质器仅装配有单个轴且该轴与驱动器联接使轴以从约400-900rpm、更佳地是从约600-850rpm的速度转动。另外，外壳壁横截面基本上是圆形且其整个长度以从约2-9°的角度、更佳的是从4-8°逐渐成锥形。外壳有利地具有从约3-8、更佳地是从约4-7的L/D比，其中L是外壳端部之间的外壳长度，而D是外壳较大直径端部的直径。
本发明的预调质器的主要优点是由于其与向外延伸的混合件联接的锥形设计，从而实现实质的停留时间。这样，预调质器可操作成使其中的饲料原料停留从约0.6分钟到-4分钟的时间，更佳地是从约1-3分钟的时间。这样，饲料原料的基本湿度达到按重量计较佳地至少约18%，更佳地从约20-40%湿基（湿度基准）。在这方面，显著的是预调质器的搅拌轴装配有向外延伸的混合件，较佳地是搅拌器或桨叶状设备形式的混合件沿轴的长度间隔开并绕其周界周向地间隔。这是与装配有相应锥形的、连续的、螺旋螺纹螺杆的锥形挤压机设备相反的。这类设备不提供必需的停留时间度，因为它们提供与间隔开的混合件相比多得多的正向输送动作。
本发明还提供由预调质器以及挤压机构成的完整挤压系统，该挤压机可操作地与预调质器的出口联接并包括具有与预调质器出口连通的入口的细长圆筒以及与圆筒入口间隔开的受限制的孔状模具出口。至少一个细长的、可轴向转动的、螺旋螺纹的螺杆组件在圆筒内且可操作成将预调的原料从预调质器向受限制的孔状模具出口移动并通过。
附图说明
图1是根据本发明的优选预调质器的立体图；
图2是图1中所示预调质器的垂向剖视图；
图3是沿图2的线3-3截取的垂向剖视图；
图4是具有相对长的桨叶部件的预调须器的若干桨叶状混合件中的一个的正视图；
图5是具有相对短的桨叶部件的预调质器的若干桨叶状混合件的一个的正视图；
图6是可操作地安装在单一螺杆挤压机上游的图1所示的预调质器的正视图。
具体实施方式
现转向附图，根据本发明的预调质器10在图1-3中示出。预调质器10主要包括细长的、逐渐成锥形的外壳12，外壳12具有基本上圆形横截面的外壳壁14、大直径的端部壁16，以及相对较小直径的端部壁18外壳壁14具有邻近壁16的原料入口20以及靠近壁18的向下敞开的出口22。外壳壁由此限定截头圆锥形的内部腔室24。如所示，外壳12由L形的安装件26、28支承。为了允许可选择地将蒸汽和/或水喷入腔室24，第一系列的入口端口30沿外壳壁14的顶部设置，而第二系列端口32以与外壳壁14成基本上相切关系的方式位于外壳壁14的下部。清理门34铰接地固定到外壳壁14的顶部且可打开以便于进入腔室24。
预调质器10还包括基本上沿腔室24的中心线延伸整个腔室24长度的细长轴36。轴36的外侧端部38和40由分别支承在端部壁16和18上的轴承结构件42和44可转动地支承。驱动组件（未示出）可操作地联接到轴36的端部38以便以相对高的速度（例如，400-900rpm）转动轴36。这类驱动组件通常包括驱动电动机和减速齿轮组件。或者，在本上下文中可使用变速驱动，以便允许无限调节轴的转动速度以及控制轴的转动方向。
多个向外延伸的桨叶状混合件46沿轴长度固定到轴36。每个混合件46包括螺纹柄48以及基本上平面的桨叶部分50，该桨叶部分50具有相对侧边缘50a和50b且宽度大于柄48的宽度。如图2中最佳所示，每个柄部分旋入轴36中的适当螺纹孔52，而桨叶部分50相对轴36的纵向轴线基本上径向延伸。参照图3，将观察到混合件46沿轴36的长度侧向间隔开的，而且还绕轴周界周向地隔开。每个桨叶部分50具有最外边的边缘54，该边缘54紧邻（较佳地是不大于约1/2英寸）外壳壁14的内表面定位。混合件46的轴向间隔开的外边缘54协配地限定锥形，该锥形的较佳形式与外壳壁14的锥形基本上相同。为了实现这一目的，多个混合件46从靠近端部壁16的点到靠近端部壁18的轴36的远端具有不同的总体长度。这种尺寸不同在图4和5中示出，其中将看到比较的混合件的柄48和桨叶部分50的长度都是不同的。
为了调整原料通过预调质器的停留时间，可改变相应桨叶的定向。例如，图2中，所有的混合件46定向在相对轴36的转动方向和轴的纵向轴线的中性位置（即，桨叶部分50位于垂直于轴的轴线的平面）。如果希望使原料减速流过腔室24，某些或所有混合件46就可定向在负角度位置。例如，如果轴36以顺时针方向转动（见图3），使流动减速的混合件可定向在一个角度，使得边缘50a比相对边缘50b更靠近端部壁16，且桨叶部分50的平面将处于一个相对于轴的纵向轴线的角度。流动减缓的程度将取决于负向定位的混合件的数量以及其角度定向；通常，这个角度相对于轴的纵向轴线成约2-20°。
类似方式，如果希望提高原料通过腔室24的流速，某些或所有的混合件46就可定位在正向增流位置。该位置与负向位置相对，且在以上给出的实例中，增流的混合件46将以一定角度定向使得边缘50b比相应的边缘50a更靠近壁16，而桨叶部分的平面将处于一个相对于轴的纵向轴线的角度。
在很多情形中，建议设置一定数量的混合件46，这些混合件46定向在中性位置、正向位置以及负向位置以最大化地湿润和部分煮熟通过预调质器的饲料原料。通过反复试验可发现混合件的最佳位置。
参照图6，可看到预调质器10安装在单个螺杆挤压机56的上游。虽然未示出，但设置适当的支承结构来支承安装件26、28且因此使预调质器10保持在所示升高状态。较佳地，预调质器10以相对挤压机56的水平和纵向轴线从端壁16到端壁18稍稍向下的角度定向。该角度较佳地从约1.5-10°，更佳地从约2-5°。
挤压机56自身是常规的且包括具有入口60和受限制的孔状模具出口62的细长、多区段圆筒58。在内部，挤压机56具有由驱动单元64驱动的细长的、螺旋螺纹的、可轴向转动的螺杆组件（未示出）。如图6中所示，预调质器出口22通过管状过渡件66与圆筒入口60联接。
在运行中，人类食物或动物饲料原料传送到预调质器10的入口22，通过腔室24并从出口22送出。在原料通过过程中，轴36转动且蒸汽和/或水通过端口30和32注入。轴36的高速转动使原料与水和/或蒸汽剧烈混合以使原料湿润和部分地预煮熟。较佳地，湿度按重量计至少约18%，以及由原料中淀粉的糊化度确定的煮熟值从约15-60%，更佳地从约20-35%。通常，预调质器10在基本常压下运行在腔室24内并通过出口22。
传送到挤压机56的预调好的原料在圆筒58内经受不断增加水平的温度、压力和剪切力，并接着通过模板62挤压成最终的、完全煮熟的食物或饲料产品。
以下实例阐述使用根据本发明的较佳预调质器的一系列试验过程。然而，应当理解，仅以例示方式提供该实例，而其中没有任何实例应当被认为是对本发明总体范围的限制。
实例
在该实例中，使用图1-5的预调质器实施一系列试验过程，其中轴装配有长度范围从在外壳入口端的11.38英寸到在外壳出口端的4.62英寸的61个搅拌器。外壳壁具有6.68°的渐变锥度。外壳输入的开口面积是27.43平方英寸，而输出口的面积是45.4平方英寸。
在每次试验中，处理由53%玉米、22%家禽肉、15%大豆粉和10%玉米蛋白粉组成的宠物食物配方（所有百分比按重量计）。干配方按预定速度进料到预调质器入口，而轴以选择好的转速转动。水和蒸汽喷入预调质器外壳，且对每次试验测量停留时间、湿度和煮熟度。该系列过程的结果阐述如下。
表
过程 1 2 3
进料速度（磅/小时） 5000 5000 8000
电动机负载（%） 78 88 38
轴速度（rpm） 正向 正向 正向
排出温度（F） 180 200 167
杯温度（F） 176 201 166
水（%） 11.2 11.48 15.63
蒸汽（%） 5.5 6.7 4.8
筒中物质重量（磅） 126 130 24
停留时间（分钟） 1.36 1.59 0.17
湿度（%，wb） 25.5 24.0 17.2
煮熟度（%） 44.2 25.9 25.2
在过程1，所有混合件定位在负15°的定向。然而，该构造的最大输出在轴驱动电动机过载前在500rpm下仅为3000磅/小时。
在过程2中，改变混合件构造使得始于外壳的大直径端部的前47个混合件保持在负15°的定向，而接下来的10个混合件定位在正向15°的位置，以及剩下的4个混合件定位在负4°的位置。通过该构造，预调质器能够在400rpm下传送5000磅/小时的预调质好的原料。
在过程3，始于外壳的大直径端部的前57个混合件定位在正向15°的位置，而最后4个混合件在中性位置。这显著减少了在预调质器外壳中的停留时间，但确实传送市场上可接受的湿度和煮熟度。

Claims (24)

1.一种可操作地使食物或饲料的原料在其下游处理前湿润和部分地煮熟的预调质器，所述预调质器包括：
具有入口和相对出口的细长外壳，所述外壳具有靠近所述入口的较大直径端部和靠近所述出口的较小直径端部，以及在所述外壳端部之间的锥形壁部分；以及
细长的、可轴向转动的轴，所述轴沿所述外壳的长度延伸并具有多个轴向间隔开的、向外延伸的混合件，所述混合件由所述轴支承且每个具有远离所述轴的外边缘，
所述混合件的间隔开的所述外边缘与所述外壳间隔不大于约1/2英寸的距离且沿所述外壳的所述锥形部分的长度协配地限定锥形，
所述轴可操作地以从约400-900rpm的速度转动，
所述预调质器可操作地预煮熟所述原料并达到从约15-60%的煮熟度。
2.如权利要求1所述的预调质器，其特征在于：所述外壳壁在其整个长度上以从约2-9°的角度逐渐成锥形。
3.如权利要求2所述的预调质器，其特征在于：所述锥形角度从约4-8°。
4.如权利要求1所述的预调质器，其特征在于：所述外壳具有从约3-8的L/D比，其中L是所述外壳端部之间的所述外壳的长度，而D是所述外壳的所述较大直径端部的直径。
5.如权利要求1所述的预调质器，其特征在于：所述预调质器可操作地使所述原料湿润成按重量计至少约18%湿基的湿度。
6.如权利要求5所述的预调质器，其特征在于：所述湿度按重量计从约20-40%湿基。
7.如权利要求1所述的预调质器，其特征在于：所述预调质器可操作地使其中的所述原料停留从约0.6-4分钟的时间。
8.如权利要求1所述的预调质器，其特征在于：所述外壳和轴可操作地使所述原料在基本上常压下在所述外壳内湿润并通过所述出口。
9.如权利要求1所述的预调质器，其特征在于：每个所述混合件包括柄，所述柄固定到所述轴并支承具有宽度大于所述柄宽度的向外延伸的叶片。
10.如权利要求1所述的预调质器，其特征在于：包括多个喷射口，所述喷射口可操作地与所述外壳联接并允许将蒸汽和/或水注入所述外壳的内部。
11.如权利要求1所述的预调质器，其特征在于：所述混合件中的选定的一些混合件定位在相对于所述轴的转动方向的中性位置，而所述混合件中的另一些混合件定位在相对于所述轴的转动方向的负向角度位置，以便增加通过所述预调质器的原料的停留时间。
12.一种挤压系统，包括：
可操作地使食物或饲料的原料在其下游处理前湿润和部分地煮熟的预调质器，所述预调质器包括：
具有入口和相对出口的细长外壳，所述外壳具有靠近所述入口的较大直径端部和靠近所述出口的较小直径端部，以及所述外壳端部之间的锥形壁部分；以及
细长的、可轴向转动的轴，所述轴沿所述外壳的长度延伸并具有多个轴向间隔开的、向外延伸的混合件，所述混合件由所述轴支承且每个具有远离所述轴的外边缘，
所述混合件的间隔开的所述外边缘与所述外壳间隔不大于约1/2英寸的距离且沿所述外壳的所述锥形部分的长度协配地限定锥形，
所述轴可操作地以从约400-900rpm的速度转动，
所述预调质器可操作地预煮熟所述原料并达到从约15-60%的煮熟度；以及
挤压机，所述挤压机可操作地与所述预调质器联接且包括具有与所述外壳出口可操作连通的入口的细长圆筒、与所述入口隔开的受限制的孔状模具出口，以及在所述筒内并可操作地将预调质好的原料从所述预调质器向所述受限制的孔状模具出口移动并通过的细长的、可轴向转动的、螺旋螺纹的螺杆组件。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述外壳壁在其整个长度上以从2-9°的角度逐渐地成锥形。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述外壳具有从约3-8的L/D比，其中L是所述外壳端部之间的所述外壳的长度，而D是所述外壳的所述较大直径端部的直径。
15.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述预调质器可操作地使其中的所述原料停留从约0.6-4分钟的时间。
16.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述外壳具有纵向轴线，所述预调质器通过所述纵向轴线定位在一个相对于水平从约1.5-10°的角度，且所述入口高于所述出口。
17.如权利要求12所述的系统，其特征在于：至少某些所述混合件包括柄，所述柄固定到所述轴并支承具有宽度大于所述柄宽度的向外延伸的叶片。
18.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述混合件中的选定的一些混合件定位在相对于所述轴的转动方向的中性位置，而所述混合件中的另一些混合件定位在相对于所述轴的转动方向的负向位置，以便增加通过所述预调质器的原料的停留时间。
19.一种处理食物或饲料的原料的方法，所述方法包括使所述原料通过权利要求1的所述预调质器以至少部分地煮熟和湿润所述原料的步骤。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于：包括将所述原料在所述外壳内停留一段从约0.6-4分钟的时间段的步骤。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于：包括使所述原料湿润到按重量计至少约18%湿基的湿度的步骤。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述湿度按重量计从约20-40%湿基。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于：包括在基本上常压下在所述外壳内处理所述原料并通过所述出口的步骤。
24.如权利要求19所述的方法，其特征在于：包括在所述原料的所述处理过程中将水或蒸汽注入所述外壳的步骤。
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