粉碎是饲料生产中的重要工序之一,原料的粉碎粒度及均匀程度对配料、混合、制粒等后续工序的效率和质量以及原料养分利用率有直接的影响,因此是影响饲料质量、产量和生产成本的重要因素。粉碎粒度影响混合均匀度,饲料原料的粉碎粒度越接近,越容易混合均匀,在后续加工中物料出现分级的倾向越低。粉碎粒度的大小能显著影响颗粒饲料的质量 [1] 。
将原料进行粉碎,能增大饲料暴露的表面积,增加饲料颗粒和消化酶的接触,有利于动物消化和吸收 [2] 。研究表明,粉碎费用与饲料粉碎粒度呈反比关系。饲料配方中需要粉碎的部分占配方比例的一半以上,粉碎电耗占车间总电耗的三分之一以上。随着粉碎粒度的降低,电耗增加,粉碎效率也相应降低 [3] 。因此,从饲料加工成本上看,在生产畜禽饲料时选取适宜的粉碎粒度,可以大大降低加工成本。
在饲料生产过程中,对物料的流动性有一定的要求。Gebhardt等 [4] 指出,随着粉碎粒度的减小,物料的流动性和容重降低,料堆的休止角增加,将原料粉碎粒度控制在合理范围能提高生产效率。原料和添加剂的均匀混合是作为畜禽饲料配方对营养和质量控制规定的基础。饲料中各原料粉碎粒度越接近,越容易混合均匀,在后续加工中物料出现分级的倾向越低。粉碎粒度的大小能显著影响颗粒饲料的质量。降低粉碎粒度,饲料之间接触更加紧密,制成的饲料硬度更大,混合更加均匀,制粒时更易压紧,饲料不易出现裂缝和破裂。成品饲料颗粒不会因为大颗粒原料导致饲料颗粒出现裂纹,从而降低粉化率 [5~6] 。在调质过程中,颗粒小的物料会使蒸汽能更容易进入内部,接触更充分,淀粉糊化度升高,得到更好的调制效果。
辊式粉碎机又称对辊磨粉机,主要用于粮食工业中的小麦制粉,在饲料生产中则用于谷物饲料粉碎中二次粉碎工艺的第一次粉碎 [1] 。辊式粉碎机由铸铁机架、喂入辊、一对直径相同的圆柱形磨辊、清洁刷及其调节机构、传动机构等组成,磨辊一上一下,上辊为快辊,下辊为慢辊 [1] 。其工作原理是两个具有表面技术特性的磨辊以不同的转速相向旋转,对物料颗粒进行锯切而使其碎裂。快辊和慢辊呈平行分布,辊间距在磨辊中间形成粉碎区,当物料通过粉碎区时,会受到快辊和慢辊的相互作用而被粉碎。
磨辊的线速度即磨辊的圆周速度,通常指快辊的线速度。磨辊的线速度主要影响粉碎区内物料的运动速度,也就是影响辊式粉碎机的生产能力。在其余参数不变的情况下,提高磨辊的线速度可以提高辊式粉碎机的生产能力。在实际生产中,辊式粉碎机的生产能力并不是随着磨辊线速度的增加而线性提高 [4] ,并且磨辊线速度的提高对辊式粉碎机的性能要求也较高,所以不能一味地通过提高磨辊线速度来提高生产量。磨辊线速比为快辊线速与慢辊线速之比,磨辊的线速度之比主要影响物料的粉碎程度。在粉碎过程中,如果一对相向转动的磨辊线速比为1,那么,物料在粉碎时只会受到挤压作用。在其他因素不变的情况下,磨辊线速比的增加会使粉碎后的粉料量增加,原因是物料在粉碎区内受到的研磨、刮剥作用加大,使物料破碎。
辊间距及辊间距的调节:辊间距是指快辊与慢辊之间的间隔。不同的辊间距对物料的粉碎粒度也不相同。辊间距过大、物料破碎不完全、颗粒过大都会影响动物的消化吸收,间距过小,则会造成含粉率过大。所以在粉碎过程中应根据要求调整辊间距,保证粉碎效果 [7] 。
锤片式粉碎机因其易于生产、维护方便、安全实用等优点在国内饲料生产中被广泛采用,同时也存在能耗过高、产品粒度离散性大等亟待解决的问题。影响锤片式粉碎机粉碎效果的因素很多,如锤片线速度、筛孔大小、锤片长度(锤筛间隙)、筛片厚度、锤片厚度和数量等。饲料粉碎的效果,通常采用重量几何平均直径(d gw )和重量几何标准差(S gw )来表示。也有些采用颗粒粒度成像仪得到几何平均粒径来表示,即饲料或原料样品的平均颗粒的大小 [8] 。
锤片是粉碎机上最容易损坏的工作部件 [1] 。薄的锤片不耐磨损,但更有利于物料的粉碎。锤筛间隙影响物料的粉碎效率,粉碎室的锤片周围,在粉碎时有一层饲料环层环绕着,跟着锤片旋转。增大锤筛间隙时,饲料颗粒越靠近筛面,运动速度就较慢,有利于过筛,但颗粒增大,相比较之下,与锤片不容易接触,受锤片打击的机会少,同时筛片对物料的摩擦作用也降低。当间隙增大到一定程度时,筛面上的物料运动速度过慢,甚至堵塞筛孔;锤筛间隙较小,饲料在锤片的外圈转动受锤片击打次数增多,饲料层因为运动速度快而不易通过筛孔,因此受到筛片的摩擦,粉碎作用增大,将饲料颗粒粉碎得过细。因此,粉碎高粱、玉米、谷壳等饲料,锤筛间隙最佳范围为14~16 mm。我国粉碎机的锤筛间隙通常为10~12 mm。
电机的转速对锤片粉碎机有着很大的影响,只有达到一定的转速,金属粉碎机才能发挥最大的优势。利用高速旋转的锤片将待破碎物进行粉碎,如果转速达不到规定的要求,就会直接影响玉米粉碎的粒径。转速达不到要求会影响粉碎动力,动力达不到就会出现堵塞,影响产量的同时还会使电机超负荷运载,若发现不及时就会对电机造成更严重的损害。Mani研究表明,粉碎机能耗受粉碎粒度的显著影响,减小筛片孔径,增高能耗,降低单位时间内的产量。粉碎粒度与粉碎能耗的相关关系表明,减小粉碎粒度,增加能耗;增大粉碎粒度,增加物料与环形模具和辊筒的磨损,导致单位时间产量降低 [9] 。
张燕鸣等对4.5 mm、6.0 mm、8.0 mm的筛片粉碎的豆粕、玉米粒度及粒度分布进行研究,结果表明,豆粕的粒度分布范围较广。研究4.5 mm筛片粉碎的玉米粒度及粒度分布,结果表明,4.5 mm筛片粉碎的玉米粒度及粒度分布曲线呈正态分布,但玉米粒度分布跨度较大,其中分布在400~3000μm的玉米颗粒占68.10%,另外31.90%的玉米颗粒分布在小于400μm和大于3000μm的范围内。粒度范围分布较广,对动物及下一步饲料调质造成一定的影响 [10] 。Svihus等采用辊式粉碎机和锤片式粉碎机粉碎小麦,锤片式粉碎机采用3 mm(HM3)和6.1 mm(HM6)的筛孔直径,辊式粉碎机采用的压辊间隙为0.1 mm(RM3)、0.35 mm(RM6)、1.0~1.5 mm(RM9),结果表明无论采用哪种粉碎方式,粉碎粒度分布范围都较广,离散性均较大 [11] 。
辊式粉碎机与锤片式粉碎机相比有以下优点:辊式粉碎机具有更大的生产力;能降低成品水分损失;降低物料粉碎后的温度;能更好地控制成品粒度;辊表面线速度低,不易出现过度粉碎,并且噪声和粉尘污染也比较小;辊间距调节方便,而锤片式粉碎机要经常更换锤片和筛片。粉碎相同粒径时,对辊粉碎机比锤片粉碎机节能,生产效率更高,尤其在粉碎大粒径的饲料时。根据以上所述,可以得出辊式粉碎机比锤片式粉碎机在生产上具有更高效率和更大的经济效益。
随着饲料行业的快速发展,人们越来越重视配合饲料质量一致性。饲料原料粒度的大小是影响淀粉糊化、蛋白质溶解度、动物消化率的一个重要因素。粉碎主要是通过对后续加工中的调质、制粒过程的影响进而影响到饲料产品最终的颗粒质量。在颗粒饲料加工质量方面,颗粒饲料硬度、颗粒饲料耐久性指数(PDI)、淀粉糊化度随着膨化玉米添加比例的增加而增加 [12] 。适宜的粉碎粒度不仅可以提高颗粒饲料加工质量和饲料利用率,还能避免过度粉碎,减少能耗,提高生产效率。一般来说,粉碎粒度越小越有利于饲料的调质,对后续制粒的质量影响也较好。