CN1113073A - 生产热处理生物聚合物的热炼-挤出机和生物聚合物热炼-挤出方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产热处理生物聚合物的 带喂料斗(14)、螺杆(10)以及挤出口(26)的热炼挤出 机，其特点在于，至少有一个介于螺杆和挤出口之间 的刮铲-泵，每个还包括一只多孔模和与之配合的刮 铲元件(一起被定义为刮铲-泵)。

Description

生产热处理生物聚合物的热炼-挤出机 和生物聚合物热炼-挤出方法

本发明涉及一种带有喂料斗以及单螺杆和挤出口的热炼-挤出机(cooker-extruder)，并结合一个实施例涉及一种双螺杆挤出机，均用于生产热处理生物聚合物。

另外，本发明还涉及一种用于生产热处理粒状食品、点心小吃、谷物食品或类似产品的生物聚合物热炼-挤出方法。此类热炼-挤出机是已知的(例如参见EP 0 221 918 B1)。

在诸有关热炼-挤出机的一般说明中，有美国佛罗里达州Boca Raton市CRC出版公司1981年出版的Judson M.Harper的《食品的挤出》与美国明尼苏达州圣保罗市美国谷物化学师协会1989年出版的Mercier、Linko和Harper的《挤出-热炼技术》。

对于生物聚合物热炼-挤出机的要求可以概括如下：高生产能力与高产品质量相结合，而这又取决于下列因素，即恒定的工艺条件、良好的均化作用(混合、限定温度的建立、面团的良好成形性，以及低投资、低维修费用和灵活的工艺设计，最后，在快速反应时间下的良好可控性及简便的操作，尤其指运转起动、拆卸和清洁过程。

同双螺杆挤出机相比较，单螺杆挤出机具有明显的优点，正如下文还将讲到的，原因是前者结构复杂，需要多得多的易磨损部件，因而导致维修费用较高。

但另一方面，人们把灵活性差归咎于单螺杆机，尤其有甚者，有人批评其往往缺乏温度条件重复性以及混合效果/均化作用差。

在上述类型的热炼挤出机中，本发明主要针对下述方面以令人吃惊的方式来解决改进此种热炼挤出机性能的问题：均化作用、成品质地(应更为均一)充分和可控的膨胀以及采用物料流量-螺杆转速之间关系的温度可控性。还有，常常出现的原料配料中脂肪和/或糖对产品结构的负面影响应予减轻。

按照本发明，上述目标是通过一种具有喂料斗，至少一个螺杆和挤出口的热处理生物聚合物的生产用热炼挤出机来完成的，包括：在螺杆和挤出口之间安排至少一个刮铲-泵，每个由多孔板和至少一个与之配合的刮铲元件(二者一起被定义为“刮铲-泵”)

在具有单刮铲-泵的情况下，螺杆螺纹端部(较有利地在单螺杆挤出机中)被加工成楔形，并令螺杆与多孔板保持一小间隙旋转。这种挤出机螺杆的呈楔形端部的构造满足本发明上述目的，特别在与多孔板配合在一起之后。

较好的是，在螺杆和挤出口之间设置至少两组这样的刮铲-泵。

出人意料的是，不仅达到了上述目的，甚至还达到了下面要谈到的效果，有人在例如长径比为2∶1(L∶D)，其螺杆头部已做成刮过多孔板滑动的刮铲形状的传统短型单螺杆挤出机上增设一至多个上面定义类型的刮铲-泵，每个由一至多个刮铲元件和一个多孔板组成：

均化作用得到改善，而且成品质地变得更为均一，面团料从挤出口挤出时更均匀。尽管停留时间很短(不到8秒)，仍可以加工更多的脂肪和/或糖，且同时获得充分膨胀(通常，脂肪和/或糖的存在大大降低膨胀)。借助于工艺变量，物流量：螺杆速度，温度可控性显著提高。即在恒定的物料流量下较高的螺杆转速挤出的料温明显高于不带附加刮铲-泵的类似机器，反之相应的物料流量提高。从而得以相对地降低输入的比机械能。螺杆转速与料温的关系被很显著地线性化了。

在同样产品质量情况下，带至少一个附加刮铲-泵的生产能力最高比不带附加刮铲-泵的机器的生产能力高出100％。

由于物料在通过多孔模处塑化材料与挤出机螺杆对中，径向力受到支承，而又由于对中的改善，螺杆与挤出机机筒间避免了接触。相应部件的磨损因而减轻了。

此种刮铲-泵的结构元件的设计很简单，可以经济地制造，且只受到轻度的磨损。通过一段接一段地设置许多级刮铲-泵，可以非常灵活地调整工艺条件，从而适应产品的要求。这些零件的组装、折卸和清洁既简单又快捷。元件“刮铲头”(宽度及刮铲表面与多孔板间夹角)和“多孔板”(孔的直径和数量以及板厚)依据已知的流体动力学法则的配置衍变出不胜枚举的适应规定工艺条件(原料温度、湿度、粘度、停留时间、通过挤出口要求的压力等等)的具体构型，而这一切都是以一种经济的方式实现的。

特别是，掠过多孔板而滑移的旋转式刮铲-泵的刮臂，可以从旋转轴线伸出或者垂直伸出，具有圆形断面，还可以做成如下面所述的圆柱形或锥状辊。

多孔板的构想保证了具备与介质接触的很大的金属总表面积。与传统挤出机构造方法的传热可能性(主要单靠挤出机机筒)相比较，这种较大的表面对于任何可能希望的传热(冷却或是加热)，例如通过传送蒸汽/冷却水或加热传送油流经多孔板内部的流道，是主要的优点。

通过刮铲-泵惊人的表现，可以看出，可以将挤出机螺杆的作用简化为一个起预压缩作用的简单喂料螺杆。甚至于可以完全省去挤出机螺杆，例如当此种刮铲挤出机被立式安装时，原料可以以一种强迫的方式直接加入多级刮铲-泵。

刮铲元件可以彼此连结并经公共轴与螺杆连结。只要面团特性允许，在高压端可产生旋转密封，甚至可以采用与螺杆无关的单级或多级刮铲-泵的驱动。

有趣的是，热炼挤出机可以仅由一系列此种刮铲-泵组成，这样，此种刮铲挤出机必须基本上竖直取向。于是完全省去了挤出机的螺杆。

从中可以看出，本发明最重要的优点在于，挤出机部件，尤其指挤出机筒、在某些情况下螺杆、多孔板、刮铲元件以及挤出口等等，都可以用钢、铸铁或者其他对食品无危险的材料制造，也就是说，不一定含有一般重金属以及用于硬化和防磨要求的添加成分。与传统机型比较，因磨损引起的尺寸改变对工艺，特别对产量只有微不足道的影响。在已知的螺杆机型中，因磨损造成的螺杆和机筒间隙的加大有几分之一毫米，就已经能导致产量降低30-40％，或者使物料能耗升高到不能容忍的数值。

按照本发明的一个能体现决定意义优势的特殊设计，多孔板的流入侧可以做成一种凹面，而与此凹面互补的对应刮铲元件则恰好位于其对面并吻合其外形。

本发明的一个要点还在于上述方法，其中挤出后，线状挤出物在进挤出口成形之前，被送经至少2个刮铲-泵。

较好的是，可以使操作时，在200-350kg/hr质量流量之下，每个刮铲-泵有约200cm³的工作容积，而所产生的停留时间在2-4秒之间。

所谓的压粒过程是已知的，它被采用于压制粉状、粒状或纤维状物料，并生产丸粒，即一种压制粒状材料。此种材料已采用旋转圆环沟槽模辊，也用固定沟槽模辊配合旋转零件，或者用圆盘形模板配合以锥形或圆筒形压辊来制造。但这些与本发明所涉及的领域毫不相干，因为本发明的意图不在于生产颗粒。此种压粒自然是尽可能地在通过第一级压缩之后避免憋压。其目的最终在于压粒，而不在于象热炼挤出过程这样的最大限度地均化物料，该物料在某些情况下，通过水分蒸发而变成一种多孔、酥脆的结构。

按照本发明，物料在从多孔板冒出之后，受到一种压力，将物料压缩成流态物料。该物料被随后送过下一个刮铲级(由于该物料的占优势的流态特性，最好采用“泵”一词)，这是一个可能被重复许多次的过程，旨在因此种处理实现进一步混合和均化，或者建立起更高的最终压力，以便将物料推过挤出口。

具有实际重要意义的是，两组彼此前后组装的刮铲-泵的联合作用，或者是被做成刮铲头形状的挤出机螺杆端与另一个刮铲级的多孔板的联合作用。

显然，多孔板区的流态化物料处于一种来回往返的状态。造成这种情况的原因，举例说是这样的：通过刮铲元件之后，一部分流态化物料因受到排料侧的高压而穿过该多孔板背流回来。至少可以想象出这类情景。

有意造成的压力变动导致往返的发生，自然可以通过其他已知的装置，象振动片或活塞来生成。最后，它还可以通过偏心螺杆、脉动或超声波来生成。

在第一和第二“刮铲级”之间，还可以发现被压缩的物料，它处于聚集状态，是“拟流态”或“流态”，就是说仍可能包含固体颗粒或此类残余，然而其主相态基本上为流态。

简言之，沿运动方向旋转刮臂的前方，形成了较高的压力，而刮臂的后方则压力较低。面团经历了往复的流向和变化的压力。为此目的，在第一和第二级之间保持10巴以上的平均压力。

在仅有一级的情况下，多孔板不一定与挤出口是同一件。为了建立起必需的压力，需要有另外的压力元件及挤出口。

这些认识到的其它效果可以用合理的方式与产品和工艺要求相联系。

刮铲表面形状：它可以是平直的、弯曲的、甚至圆柱形、球面或剖面旋转型的。所谓“旋转”，比如你可以理解为一个旋转的搅打器，而这又是说，比如搅打器的一个轴线是旋转的，而搅打臂本身(垂直于驱动轴)也是旋转的，呈辊子体形。

刮铲面与多孔板间的夹角：通常选得小于90°且大于0°。若取较小角度，将导致产量较小而压力较高，而较大的角度导致较高的产量和较小的压力。刮铲表面特性，在希望有最佳输送时，则越光滑越好，某些情况下甚至加上涂层。故而只有很小的摩擦，如果不说成是打滑的话。与此相反，多板孔的表面越粗糙越好，这样导致有较高的摩擦。这一点已经由这些孔实现了，但是还可以通过适当装置进一步增加。

多孔板或模的厚度：如选择较大厚度，可获得较高流动阻力，物料剪力值高，能量耗散高，面团温度也高，反之亦然。

孔数：孔数多意味着阻力低而通过多孔板的流量大。

孔径：较大孔径意味着阻力低而通过量高。较小孔径意味着阻力高、在多孔板处物料的剪切/均化/混合效果好。

孔膛/多孔模的截面：视情况沿长度方向这些也可以有变化。它可以是锥形的，倾斜、渐宽或二者兼而有之。可以考虑特定的流变学效果。文丘里喷嘴形状也是可能的。

多孔板形状：它可以是最简单的形式，即平板。根据刮铲元件的性能和要求的物流量它也可以是例如球面或者锥面，或倾斜或渐宽的表面形状。

孔的角度：相对于刮铲面，既可以是垂直的也可以是倾斜的，与旋转轴呈同心或有意识地布置成不对称的，既可顺着也可反着旋向倾斜。

级数(串联的刮铲-泵)：这要根据要求的挤出压力、要求或最大允许停留时间、物料加工需要的输入机械能来选定。需要时，也可以设计成一至多级沿相反方向送料的刮铲-泵，以便达到特别的混合和捏合作用。

从结构上来说，与普通螺杆和套筒相比，对个别零件的机械要求很少。另一方面，一定量的磨损对工艺状态的负面影响不如传统挤出机情况那么厉害，在后者情况下，即使是几分之一毫米的变化也能对工艺产生显著的影响。

最后，按照本发明，还提供了一种生产颗粒状食品、点心小吃和谷物食品的生物聚合物热炼挤出方法，其特征在于，生物聚合物是通过两级刮铲-泵，并在挤出口之前建立起压力之后被压过挤出口，整个过程被有利地沿竖直方向设置。该建议的新颖之处是，可以整个地省去挤出机螺杆。

当给出的说明中没有特别提及立式设计时，则指的是一种带水平设置挤出机机筒的卧式设计。刮铲元件臂可以具有圆形截面，可以是固定的(刮铲或刮除器)，也可以是刮过多孔板而旋转的。在有许多级的情况下，第一级可以备有旋转辊。

在多孔板面上滑动的元件可以是锥形的，从内侧向外侧渐缩，且在某些条件下也可以是绕元件本身轴线旋转的，多孔板的上面一侧做成与元件互补的形状，即从内到外渐厚。

另一解决办法通过螺杆的极小螺纹深度来实现，其螺纹深度与螺杆直径的关系比如说仅为1/20到1/50范围。

在立式多级热炼挤出机情况下，大多数不带螺杆，与沿物流方向不断增强的压缩程度相适应，可以具有不同的室容积。这样，其中的各个刮铲元件也相应地在尺寸上被设计成不断减小。

还可以设计一种带有垂直于这些旋转圆柱辊的立式轴的压粒机，而且这些辊滚过或掠过多孔板。而且，在多孔板之后就是上述形式的挤出口，这样，在辊筒或类似元件的前方，物料因压力而流态化，而在多孔板流出侧的辊后方就可以造成蒸发。

本方法还可以这样来说明：螺杆输送压力、待挤出物料的质量流率(量)、挤出机内或其本身的温度，而这一切之中最最重要的是选择多孔板前、后压力或在其上滑动的刮铲元件，使得刮铲室内刮铲元件之后有一个较低压力区，此处待挤出物料内所含流体产生蒸发，而在刮铲元件前的多孔板压力区域内，压力积累，因而流体蒸气尤其是水蒸气发生流态化。

还可以是这样，刮铲元件，不管它是圆的，或较好地做成与多孔板面夹锐角的金属片，以技术上可行地尽量贴近地掠过由多孔板表面形成的每一刮铲室的每一前、后面滑动。而且，顺着物料流向，刮铲元件与其前面多孔板之间的间隙可以比与其后面多孔板之间的间隙小，以便达到在前面多孔板处有较高的摩擦，因而该刮铲-泵级有较高的输送效率。

本发明还涉及根据所述的权利要求之一采用双螺杆挤出机的一些装置和方法。这些机器可以制造成短得多因而简单得多，且经济得多。可以省掉复杂的捏合和均化元件。这样的双螺杆挤出机因此会具有较好均化作用，更均匀的剪切和热分布，较好的耐磨性和较好的可控性。

最后，本发明还涉及一种生物聚合物热炼挤出方法，其特征在于，诸如压力、温度、流态化和均化等必需的热炼挤出条件，最终是由一或多个刮铲-泵级产生的。

下面，将结合附图对本发明的若干设计实例作进一步说明。这些实例展示于下列各图：

图1是本发明第一实施例(设计方案)的纵剖示意图；

图2是第二实施例的纵剖示意图；

图3是一个刮铲-泵级的横剖面；

图4是第三实施例的纵剖示意图；

图5是图4刮铲-泵级的局部剖视图；

图6是第四实施例的纵剖(左(A))和示意图(右(B))；

图7是第五实施例的纵剖(左(A))和示意图(右(B))；

图8是处于挤出状态的面(团)料相互关系表示；

图9为一构造详图；

图10是带4只臂的一种特定实施例，上为纵剖，下为俯视图；

图11介绍一种单级布置；

图12展示一个具有不同刮铲元件-螺杆尺寸关系的实施例(设计方案)；

图13说明这种全新原理的可能性；

图14表示类似于图13的另一种方案；

图15表示以前几图关系的一种变型；

图16表示一种双螺杆挤出机的横剖面示意。

按照图1(最优实施方案)，喂料斗14、挤出机机筒12和送料螺杆10，为传统挤出机已有部件，但进一步可以看到，根据本发明此螺杆被赋予了不同于现有技术的功能。在螺杆10的轴线的延长部分，看到有轴18，其上装有多孔板22和刮铲元件24。包括刮铲元件24和多孔板22的每一组被叫做“刮铲-泵”或“刮铲级”。如果螺杆头被做成楔形，即呈0°-90°间的角度，可以看到第一级包括送料螺杆10和多孔板22的组合。

在该例中，板孔一般是平直的。刮铲组件24由类似于螺旋桨叶的零件组成，桨叶与多孔板表面呈例如60°角，并保持技术上可行的间隙滑过多孔板。过了每一多孔板就积聚起一定压力。挤出头16以其导向壁起一种压力元件作用，直至最后在挤出口26的开口处完成挤出。

按照如图2/3所示的第二实施例，起类似作用的部件被标上了相同的附图标记。喂料斗14、螺杆10和机筒12与图1中一样。轴30还是被装在送料螺杆10轴线的延长部分，但是在其上却装有多孔板122和有适当长度并能旋转的刮铲元件。它刮过呈圆筒形的多孔模34(帽形式样)，其开孔不象多孔板122那样是轴向的，而是径向朝外。这样，从该多孔板被挤出后，在夹在中间的空间36(流道)内积起适当的压力。在同时发生的物料阻塞作用下，该物料随后(横截面减小)在进挤出头16前的空间38内转变为高粘稠或流体状态，然后经挤出口26(在此发生膨胀)离开挤出机。

刮铲元件32已详示于图3，其中象个螺旋桨形状的元件拥有4只带偏斜段42的臂40。这些桨叶一个接一个地扫过圆筒形多孔模34的多个孔。刮铲元件的旋向已如图所示。刮铲元件的实际定位并不严格。根据在多孔模的另一侧所需压力，只要保证元件扫过多孔模表面，有充分的余地选择表面倾斜度。

图4和图5表示第三种可能的实施例，其中第二多孔模50为一中空锥形且刮铲空间54内有刮铲元件52，它与多孔模50一起构成刮铲级，这二者均做成锥形。刮铲桨叶56与轴线26稍呈倾斜(与中间轴线最大夹角约30°)。在所示方案中，模122的孔58和模50的孔一样，都是直孔且平行于轴线。物料受压克服锥形空间60内的压力穿过孔58，然后在挤出口26的倾斜壁的阻塞下进一步往前传送。

由于逆着移动方向的渐缩室的尖劈效应，在筛网或多孔板处与物料的摩擦一起产生了压力，由于这种压力物料被压过孔成筛网。

为了实现按本发明的优选方案(有充分的压差，以便在元件的前方，面团料被流态化，而在元件的背面，每当出现蒸发，面团就硬化)，以及为了(比如说)在单级方式中只设一只多孔板，你可选择如下两种方法之一。或者是由螺杆输送的质量流率必须维持在很低水平，以便在刮铲元件的低压侧能使水份蒸发(要达到这一点，必须使产量降得极低)。或者是把刮铲元件物理尺寸做得较大，以便使压力关系被设置成能让水蒸发。

在大多数方案中，任何对称形元件只要它刮扫着多孔板旋转，其输送作用都得到利用。当面团料与多孔板(此时刮铲顺送料方向紧贴它扫过)的摩擦与背面相比较大时，则产生了送料效果。即使是圆搅棒杆，当依本发明方法应用时，也不仅仅有混合作用，而且还有送料和流体动力作用。

极为重要的是上述扫过多孔板(模)旋转的元件前、后方的压差，由于振动，背压流水被蒸发，从而实现此种压力关系。

在具有许多刮铲-泵级的方案中，你可以有意识地让一或多个刮铲级不具有水蒸发功能，独起增压作用，或者，比如说为在许多刮铲级间建立起压力差的特定目的而令其逆送料方向工作。

图6和7表示本发明进一步的实例，其中每张右图(B)中，标出了流动和压力的关系。两图中多孔板内的流道均标有122，且在流动方向有锥形扩口124。圆棒70扫着多孔板滑动，可以预见约有4只这样的垂直于轴71的棒，且它们象螺旋那样沿旋向72运动。高压高温区以H表示，而低压低温区则以N表示。高压存在于圆柱件70的前方，它使面团液化，并将其压过多孔板的孔122。H处的温度由于压力和摩擦作用而显著升高。物料流动的主导方向标为63。在流入侧和流出侧0(物料流向)之间，根据设计和操作计划有显著压力降。也就是说，多孔板流出侧的压力较低，而圆柱件70(图7)的背面压力则还要低一些。而由于此较低的压力和较低的温度，在那里出现了流体的部分蒸发，尤其指水或其他溶解介质，从而造成了背压流，而由于这种移动，发生了巨大的希望有的面团均化作用。螺杆65的前端(从喂料斗67进料)也被做成刮铲形状。在机器运转过程中，面团还经受朝挤出头69的输送过程。这一点可以以左图的设计中看出。在该设计里，我们看到了一个带单挤出机螺杆65的方案，其中除刮铲形螺杆头之外，可以辨认出多孔板122。在第一多孔板122/1和第二多孔板122/2之间有一个上述类型的空间0，而在靠近第二多孔板处，有一带圆棒形臂的螺旋形元件70在旋转。在这里蒸发用大气泡表示，流态均一面团用小点表示。所以说，这是一种2级挤出机，第一级由螺杆压粒机的刮铲头和紧随的多孔板122/1构成，第二级由螺旋元件70和第二多孔板122/2构成。孔膛在流入侧总是粗糙的，并且被显著扩孔，从而提供了加大的接触摩擦表面。在此方案中，正象在大多数其他方案中一样，螺旋元件同对应的随后的多孔板间的间隙很小，而与第一多孔板122/1的流出侧间的间隙则较大。为加大摩擦差异并提到刮铲-泵的输送效率，轴71穿过第一压力板122/1，但不穿过第二板。轴的插入贯通也有助于螺杆对中。尽管该元件是圆形的且处于同多孔板面相垂直的位置，但由于逆物流方向的渐缩空间尖劈效应，结合物料在多孔板处的摩擦差异，产生了一个压力，推动物料穿过多个孔。

背压由挤出头保持或者说保持在挤出头处。

通过多孔板122的厚度以及孔数和孔径变化，可以有意识地影响压力关系，在此基础上，朝向刮铲元件的孔径扩大以及物料在多孔板表面的粘附或摩擦也有影响。有决定意义的是本发明的工艺特性的线性化，这是一种对所有实施方案都有效的线性化。

图7是装备有稍长刮铲元件80的类似方案。该元件安装成(与第二多孔板面)α角度，α角小于90°。还标出了高压(H)区和低压(N)区。螺旋元件的转向如箭头82所示。

图(左)的方案在其它方面与图6一样。压缩状态(小点)再次标出，即较高压力、较高温度，例如指流态面团，低压由气泡表示，在此，流体蒸发并从第二多孔板背后的空间(即通向挤出头的空间)背流到二多孔板之间，由此造成面团的特殊均一性。

相同附图标记指相同的部件。这一条适用于一种类似的2级型式。

图8表示在多孔板122的高压和低压区(H和N)所发生情景的细节。圆棒元件86扫着多孔板122的表面旋转，而在此方案实例中仅有2只臂。该元件可以是任何其他元件形状，而在这里为简单考虑只画出2只臂。在高压区H内，刮铲元件(转向由箭头表示)前方物料被压缩，水凝结，温度升高。低压区N内水蒸发，物料膨胀，故而具有与该点的绝对压力相对应的温度。由于低温和膨胀，此处物料有较高的粘度。这样，就提供了一个阻止经多孔板背流到此低压区的阻力，这就造成一种情况：与背流进入此低压区的物料量相比，有更多的高压区物料流经多孔板。在该图中，表示了面团内部的关系而没表示出多孔板孔。

图9表示一只多孔板或称一只压力板122，它带有均匀分布的孔130，尤其还带有调整流道132。流体的流向由箭头(进一出)表示。在这里表示的方案中，可以全部或者仅少数多孔板备有此种调整流道132。

图10表示另一种变型，图10A为俯视图，图10B为贯通多孔板122的剖面图。可以想象有孔的扩展(流入方向)，但未画出。该方案的特别之处在于，垂直于轴线102的辊为从内向外截面渐缩的锥形。画出了与之相符合的多孔板外形是互补的锥形(从内向外厚度如附图标记104所示逐渐增大)，以便锥形辊能顺利地在锥形面104上转动。

装在螺旋臂上的辊在本例中是锥形的，而在其他方案中例如也可以设计成圆柱形，这样辊本身也能转动(箭头100′示)。于是辊100绕其各自的轴线转动。另一方面，螺旋元件自己按图10A所示方向旋转。互相垂直方向的旋转运动彼此叠加。

图11表示带刮铲形状的螺杆头111的单级卧式设计。对应的多孔板112带有轴孔114以便螺杆对中。重要的是其螺杆几何形状：如图示，此螺杆与旨在产量优化的已知设计相比，其螺纹深度极小(见115处)。此种螺纹深度多数不利于输送，然而也设法在多孔板低压侧造成足够低的压力，从而保证水分蒸发。例如，其螺纹深度与直径之比可为1/20到1/50之间。

图12表示带一只刮铲元件126和一只多孔板128的方案，二者的直径都比螺杆直径大。

例如，刮铲元件/多孔板直径对螺杆直径的比例可介于2.0到3.0∶1。由于螺杆可以具有较深的螺纹(尽管画出的是低深度螺纹)，故可以实现特别高的送料能力。依靠这种设计，可在多孔板128前的流入区并沿刮铲元件126运动方向的刮铲元件背后，以及对于多孔板128来说的流出侧紧邻挤出头69的室125内，保持充分的低压，以使水分蒸发。

图13表示全然不同的设计型式，它是立式的。在此种立式3-级热炼挤出机里，看不出螺杆。室容积G、N、K和W随着由粉末到流体的压缩过程方向(物流方向)逐渐减小。能看出室容积逐渐变小的三级，对应的刮铲元件130′、130″、130也相应地设计成越来越小。在此，我们指类似于图7中相应的刮铲元件。

多孔板132、132′、132″也相应地越来越小。在直至挤出头134的各级中的圆柱形空间本身也相应地渐缩。

按照该图，孔是倾斜的，使物料通过多孔板132的孔一直到挤出头前面的最小室W顺畅流动，这些孔都带扩展部分。轴136还是绕其竖直轴线旋转。

图14表示一种4级立式热炼挤出机140，其特点包括，第一级内的圆柱形辊其本身也能转动。刮铲元件的轴146的转向按照与第一级内圆柱形刮铲一样的方式表示。第一辊141象压延辊似地在第一多孔板142′上运动，其余的辊141′141″、141在到达挤出头148之前扫过对应的多孔板142″、142、142″″滑动。物料输送方向由白色箭头表示。

图15表示一种类似于压粒机的单级立式方案，带可旋转圆柱形辊150，喂料斗67和立轴156，轴上装有辊150，比如说是垂直于它。辊150在多孔板158上滚动。虽说该方案类似于一台压粒机(pellet press)，但出口处装有按本发明的挤出头。其作用之一是生成压力。如同上述所有方案一样，还是在辊的前方，不管是倾斜元件还是类似的，发生物料液化；而在辊的后面发生蒸发和部分背流。

图16表示一种双螺杆挤出机。刮铲元件202′、202″分别在多孔板200′、200″上面刮动。轴承位于公共机壳204内。此方案的优点在于其构造较短，故而可以做得较简单和较经济。于是可以省掉复杂的捏合和均化元件。如同在单螺杆机中一样，均化得到改善，剪切和热分布更均匀，表现出改进的抗磨性；可控性能提高了。

一般说，按本发明，悬浮体系、捏合物料膏体和面团可以借助在多孔板上面刮动的臂被送过此多孔板。输送作用的产生是由于在刮臂前端上(沿运动方向)压力的升高，此压力的升高程度依赖于刮臂的形状(棒、定位的刮铲等等)以及臂与多孔板间的间距。其形式还应这样来选择：刮臂前方的压力必须足以克服穿过板孔的压力损失。与单靠螺杆来产生压力相比，刮臂的优点在于：

1.只在少数几孔处产生局部升压。

2.在(如多种膏体中)流动特性预期依赖于剪切强度和剪切速率(结构粘度性能)时，此种刮铲-泵便具有特殊的重要性。

刮铲前面强烈的混合与剪切运动降低了膏体惯性，故而在通过板孔时只需很小的压力降。

膏体“流态化”可以是一种物料的内在特性(特性结构粘度)。在包括悬浮体系和面团的水的情况下，当状态参数(conditionparameters)(压力/温度)本身接近沸点时也可预期此种现象的发生。

a.若状态参数符合沸点，则水将部分以蒸汽形式存在。此时面团便形成一种具有较高粘度的泡沫体。一经刮臂加压，水便凝结，面团就变成流体并能够以高通过量被压过板孔。过去之后，面团硬化，因而避免出现面团背压流回刮臂背面一侧。所以说，也有可能克服相对高的背压而输送。

b.若状态参数稍稍低于沸点，则水是流体(无泡沫)。

借助在高压侧的处理，能量被注入(弹性压力能和耗散剪切功)。此种耗散剪切功导致局部升温。在背侧有一个低压区，它导致面团内部分流体的蒸发以及由此生成的泡沫。由于冷却或者升压，水蒸气凝结(空化)。

3.在上述情况下，该设备具备一种泵的功能，故而能借助多级的结构建立起较高的压力。在一台多级设备中，就其泵效应而言必须保证一种“非对称性”，就是说该泵必须表现出“输送方向”。这种输送方向，一方面可以通过沿输送方向的角度设定加以保证，另一方面可以通过刮臂与上、下多孔板之间有不同间距，或通过不同表面特性(摩擦)加以保证。在完全几何对称和相同摩擦特性的条件下，必须在刮铲-泵上叠加一个外力。在此种情况下的“刮铲-泵”仅仅起一种“液化器”的作用。

由按本发明装置和方法满足的目的或其优点可总括如下：

生产能力提高最多，可达100％；

由较均匀的流动和均匀的结构而获得的较好产品质量；

卓越的工艺控制可能性；

部件操作非常容易；

经济的工具；

磨损件成本显著降低；

对原料变动不敏感；

在配方成分上有高得多的自由度；

改善了粉状原料的加入性能。

采用了按本发明的措施，即使现有的“磨旧”的螺杆挤出机及相应挤出机螺杆，可以重新装备起来，且其使用寿命借此可大大延长。

实例

具有普通螺旋曲线的已知4-螺纹螺杆，在其头部被延长接上一个穿过第一压力板的适配段，该段按通常作法位于刮铲状螺杆头表面的前方并用来安装刮铲元件。刮铲扫过第二压力板移动并从而构成第二刮铲级。加上普通挤出口型板配全此系统。二压力板构成刮铲室，刮铲元件在其中旋转。此圆截面刮铲元件仅比二压力板构成的刮铲空间稍薄。可以通过压力板的厚度及孔数和孔径来具体地影响压力关系。朝向刮铲元件的孔的锥形扩展类型影响物料在多孔板表面的粘附/摩擦力，并借此影响其输送特性。

如果实施了本文的按本发明的措施，就能用旧的螺杆获得出色的效果，此时螺杆与机筒的间隙约为1.6mm。若是让刮铲元件旋转，则从旋转方向看，在旋向的刮铲元件的前方造成一高压区，刮铲元件的后面造成一低压区。假如面团在低压区的温度为140℃，而那里的压力低于3.5巴，则水分将蒸发且面团体积膨胀。在这种状态(蒸汽泡和流体的混合物)下，面团具有比纯流体形式高得多的粘度。于是它构成对相邻的刮铲的较大阻力，从而压力升高，水分凝结，而凝结热再次将面团等加热。由刮铲元件在水或流体的沸点以下造成的高、低压之间的连续变化，导致在面团内部巨大的均化效应和极有效的能量交换，从而防止局部过热并构成很可能是刮铲级这种惊人的良好泵送性能的主要基础。由于一个接一个连续发生的膨胀和压缩，系统内部的传热得到显著改善，并最终对生物聚合物面团的流动性能产生有利影响。

为不使本申请过于冗长，把许多从属权利要求只与某些主要权利要求联系。自然，这些优选实施例，只要技术上可行，也都被认为构成附属大多数其他主权利要求的从属权利要求。

Claims (38)

1.用于生产热处理生物聚合物的热炼-挤出机(cooker-extruder)，包括喂料斗，至少一个螺杆以及挤出口(nozzle)，其特征在于在螺杆和挤出口之间至少装有一个刮铲-泵(spatula-pump)，每个刮铲-泵包括一只多孔模或多孔板以及至少一个与之相关的刮铲元件(合起来被定义为“刮铲-泵”)。

2.按权利要求1所述的热炼-挤出机，其特征在于，在螺杆和挤出口之间有至少2个此种所谓的刮铲-泵。

3.按权利要求1所述的热炼-挤出机，其特征在于，朝着挤出头的螺杆端的端部表面被制成楔形，且正是以这种形状沿多孔板面刮过。

4.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，由多孔板和刮铲元件构成的刮铲-泵被装在同螺杆相连并位于螺杆延长线的轴上。

5.按照上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，刮铲-泵具有互相独立的驱动。

6.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，由于在多孔模或板上带有具良好传热性能的许多孔，这些板上提供有蒸汽/冷却水或热油的流道(图9)。

7.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，挤出机螺杆运转时起一种简单预压缩输送螺杆作用，而随后有至少一只刮铲-泵装在螺杆和挤出口之间，刮铲-泵由多孔模和与之配合的刮铲元件组成(刮铲-泵)。

8.用于生产热处理生物聚合物的热炼-挤出机，其特征在于，此热炼-挤出机包括有一系列所谓的刮铲-泵而构成，每只刮铲-泵由一只多孔模和一个与之配合的刮铲元件构成(定义为刮铲-泵)，这样，刮铲挤出机竖向安装而螺杆只起喂料螺杆作用。

9.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，刮铲表面被加工成平的、曲面的或者其它形状，且刮铲沿多孔模整个表面转动。

10.按权利要求9所述的热炼-挤出机，其特征在于，刮臂或螺旋桨臂扫过多孔板表面，此臂例如可以处于垂直于刮铲-泵螺旋桨式部件驱动轴线的位置，它们具有圆形横截面并做成象圆柱或圆锥状辊，该圆柱辊朝外倾斜。

11.按权利要求1-8中任一项所述的热炼-挤出机，其特征在于，从刮臂运动方向看，刮铲表面与多孔模的夹角是锐角。

12.按上述各权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，刮铲元件表面尽可能平滑，即有尽可能小的摩擦，而多孔模(板)的表面则尽可能粗糙，即有较高的摩擦。

13.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，所说挤出机部件，尤其是挤出机机筒，以及可能的螺杆、挤出口等等都用钢、铸铁或任何其他从食品加工观点来看非危险性材料制成。

14.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，每一刮铲级被设计成组件式。

15.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，独立的刮铲级被设计成可联合成组件系统。

16.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，流入测的多孔模被设计成凹面，而与之配合的刮铲元件与此凹面呈互补，恰好相对安装，并按与其外形吻合来设计。

17.按权利要求1-15之一的热炼-挤出机，其特征在于，在带有制成刮铲头状的螺杆端的螺杆轴延长线上，设有平面多孔模，它具有大致平行于该轴线的孔且孔在流向扩展。

18.按权利要求17所述的热炼-挤出机，其特征在于，该多孔模之后还装有三个刮铲级，每一级包括多孔模(22)和一个刮铲元件(24)，刮铲元件为旋转螺旋桨形状(32，56)。

19.按权利要求17所述的热炼-挤出机，其特征在于，跟随此多孔模(34)，装有另一个帽子内面形状的环形多孔模，它们一起构成一中空刮铲空间(20)，里边有旋转刮铲元件，它刮过环形模。

20.按权利要求17所述的热炼-挤出机，其特征在于，最后，在此轴上装有锥形多孔模(50)，其孔(58)大致平行于轴线，且在流向上可能有扩展，进而在中空锥形多孔模构成的刮铲空间(54)内，有充填刮铲空间(54)的刮铲元件(52)，它从内侧刮过多孔模(50)的孔(58)。

21.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，螺杆外径与刮铲元件头和/或多孔模间的直径比介于1∶2.0-3.0之间。

22.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，刮过多孔板表面的元件(100)是锥形元件，由内向外倾斜并可绕自身轴转动，多孔模顶面被设计成与之互补的样子，即它们(104)从内向外渐厚。

23.按上述权利要求之一所述的热炼-挤出机，其特征在于，有为轴穿过多孔模起螺杆对中作用的中心通孔(114…)，该螺杆具有极小的螺纹深度，尤其是螺纹深度与螺杆直径比介于1/20到1/50之间。

24.用于生产热处理生物聚合物的具有喂料斗和挤出口的单螺杆热炼-挤出机，其特征在于，该立式热炼-挤出机为多级构造(图13)，且为适应沿物料流向不断提高的压缩度而设计了不同的室容积(G；M；K；W)，刮铲元件(130′、130″、130)同模板呈一角度，尺寸也相应缩小。

25.按权利要求24所述的单螺杆热炼-挤出机，其特征在于，某些圆柱形辊(141)，尤其是第一级内的，是可转动的。

26.单级结构的带喂料斗(67)和挤出头(159)的热炼-挤出机，其特征在于，其设计形状类似于一台压粒机(pelletpress)，带有与立轴(156)垂直的转动圆柱形辊(150)，而此辊滚过或刮过多孔模(158)且以这样方式在多孔模后面设挤出头，使得辊或其他类似元件的前方的面团液化，而辊后面及多孔模(158)后的流出测能造成蒸发和局部背压流。

27.生物聚合物的热炼-挤出方法，其特征在于，螺杆前向压力，待挤出物料的质量流动、挤出机内及其本身的温度，然而最重要的是选择多孔模前、后的压力或者刮过它的刮铲元件，使得在刮铲元件后面的刮铲室内造成一低压区，其中含于待挤出物料中的流体形成蒸发，而在刮铲元件前方的压力板积累区内，形成压力升高及流体蒸气，尤其是水蒸气的液化。

28.按权利要求27所述的方法，其特征在于，在通过刮铲-泵级内每只多孔模之后，物料受到压力，将其压缩成流体物质。

29.按权利要求28所述的方法，其特征在于，挤出机运转，在刮铲元件或螺杆头楔形面前方和刮铲元件后方之间产生一个10∶1的压差，低压区低于沸腾条件。

30.按权利要求25-29之一所述的方法，其特征在于，跨该刮铲-泵级两侧产生了给定挤出机参数及待挤出物料条件下最大可能的压差。

31.按权利要求29或30所述的方法，其特征在于，多孔模区域内流态化物料处于一种往复运动中。

32.按权利要求27-31之一所述的方法，其特征在于，在200-350kg/hr的质量流率之下以大约200cm³/刮铲-泵级的工作容积加工，获得停留时间为2-4秒。

33.用于生产粒状食品、点心小吃或谷物食品的生物聚合物热炼-挤出方法，其特征在于，生物聚合物被喂入，经过2个刮铲级，在挤出口前建立起压力之后被压过挤出口，该方法尤其沿竖直方向完成。

34.按权利要求25和33之一所述的方法，其特征在于，多孔板与刮铲-泵元件是这样安排的：在每一种情况下刮铲元件前端面都是尽技术上可行而恰好避免接触地靠近多孔板表面刮过。

35.按权利要求27-34之一所述的方法，其特征在于，所使用的刮铲元件，其直径与挤出机螺杆外径相比较大，以至在刮铲室内获得足够低的压力以允许面团蒸发。

36.按权利要求35所述的方法，其特征在于，使用一种其直径相应于挤出机螺杆直径2-3倍的刮铲级。

37.生物聚合物热炼-挤出方法，其特征在于，热炼挤出所必需的先决条件，即压力、温度、流态化和均化，仅仅靠一或多级刮铲-泵产生。

38.将上述各项权利要求应用于双螺杆挤出机。

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