飼料的吸濕解吸平衡規(guī)律和顆粒飼料冷卻的模型擬合.pdf

1、飼料安全作為食品安全的重要環(huán)節(jié)已得到空前的重視。水分控制對(duì)飼料質(zhì)量、飼料企業(yè)效益和養(yǎng)殖戶直至終端的肉奶蛋消費(fèi)者至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外飼料行業(yè)普遍存在飼料水分（特別是顆粒飼料）難于穩(wěn)定控制的問題。本研究從飼料原料和成品飼料吸濕解吸平衡以及顆粒飼料冷卻兩條路線，嘗試發(fā)現(xiàn)、計(jì)算和控制飼料的平衡含水率或水活度、計(jì)算安全水分和蒸發(fā)潛熱，尋找冷卻規(guī)律，為合理設(shè)計(jì)和控制飼料水分提供依據(jù)。具體結(jié)果主要包括：
　　 1．利用飽和鹽靜態(tài)重量法或水活度儀法

2、，研究比較了玉米、普通豆粕、去皮豆粕、發(fā)酵豆粕、低溫白豆片、不同熱處理白豆片、大豆分離蛋白、棉籽粕、脫酚高蛋白棉仁粕、菜籽粕、魚粉、噴霧干燥血球粉、肉骨粉、酶解羽毛粉、啤酒酵母、DDGS、大豆糖蜜、甜菜糖蜜、魔芋精粉、可溶性淀粉、明膠以及烘干后作為載體的玉米粉、玉米芯粉、麩皮和稻殼粉等主要飼料原料在常溫（T=25℃）或者常溫范圍(T=5℃～45℃)內(nèi)的吸濕或解吸平衡，并對(duì)部分樣品的水分吸著等溫線進(jìn)行了模型擬合。平衡水分(EMC)也作為衡

3、量其持水力(WBC)的指標(biāo)。這些平衡相對(duì)濕度（ERH）-平衡水分(EMC)-溫度(T)之間的關(guān)系對(duì)于飼料的干燥、存貯等具有重要價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)，常見飼料原料中DDGS、糖蜜、發(fā)酵豆粕、魔芋精粉具有較高的持水力。持水力的差異在高水活度范圍加大。DDGS中水溶性成份的增加線性提高EMC，這為DDGS原料選擇和質(zhì)量控制提供了新的指標(biāo)。25℃時(shí)引入含水溶性成分比例的BY修正模型很好擬合了DDGS的EMC。豆粕經(jīng)過發(fā)酵后提高了EMC。豆粕蛋白溶解度

4、提高有增加EMC的趨勢(shì)，但除非極端過生或嚴(yán)重加熱過度，在正常熱處理豆粕的蛋白溶解度的范圍內(nèi)，蛋白溶解度沒有對(duì)白豆片的EMC產(chǎn)生顯著的影響。魔芋精粉除具有較高的EMC外，表現(xiàn)出抗霉變的作用；其與玉米混合后，并未額外提高混合體系的EMC。大豆糖蜜和甜菜糖蜜的ERH-EMC關(guān)系顯著區(qū)別于其他原料，在低水活度區(qū)域具有較高EMC，不同水活度時(shí)的差異很?。ɡ?5℃時(shí)從氫氧化鈉到氯化鎂飽和鹽的Aw，EMC=11.36～11.8％)。甜菜糖蜜的EMC

5、低于大豆糖蜜。從BaCl2飽和鹽的ERH以上，溫度升高提高了EMC值。動(dòng)物性原料中肉骨粉、羽毛粉的EMC低于魚粉和噴霧血球蛋白粉。樣品Aw-EMC的關(guān)系與優(yōu)選模型的符合程度，可能有助于判斷魚粉的摻假。菜籽粕在Aw=0.753以下的EMC含量明顯低于棉仁粕和棉籽粕，但在Aw≥0.84時(shí)基本一致。高蛋白(＞50％)的棉仁粕EMC低于普通40％蛋白的棉仁粕。玉米和豆粕的粉碎粒度沒有對(duì)EMC產(chǎn)生顯著的影響，盡管過細(xì)的玉米樣品表現(xiàn)出降低EMC的趨

6、勢(shì)，但可能與較低的初始水分有關(guān)。從ERH-EMC關(guān)系角度，結(jié)合水分與流動(dòng)性的關(guān)系判斷，稻殼粉是良好的預(yù)混料載體（稀釋劑）。結(jié)合模型的泛化能力和適用性，除糖蜜外，Peleg、Generalized D'Arcy and Watt(GDW)、Blahovec and Yanniotis(BY)、GAB-VR和GAB可作為優(yōu)選模型。其他經(jīng)典的Henderson、Oswin、Halsey和Chung-Pfost模型有其具體的適用對(duì)象和范圍，例如

7、mChung-Pfost模型是擬合玉米解吸平衡的優(yōu)選模型。當(dāng)ERH≤84％,Peleg和mPeleg模型能良好地?cái)M合糖蜜在15℃～45℃的ERH-EMC-T的關(guān)系。
　　 2．對(duì)三種代表性的成品顆粒飼料在15℃～45℃范圍的研究表明，肉大雞料、肉大鴨料和草魚顆粒飼料的吸濕解吸規(guī)律各有特點(diǎn)。在高濕環(huán)境下（ERH＞90％），肉大鴨和草魚顆粒料的平衡含水率隨溫度升高而提高，區(qū)別于一般農(nóng)產(chǎn)品EMC隨溫度上升而下降的規(guī)律。Peleg、GD

8、W、BY、GAB以及GAB-VR是優(yōu)選的擬合顆粒飼料ERHEMC關(guān)系的模型，而經(jīng)典的Henderson、Osiwn、Halsey和Chung-Pfost模型及其修正型以及Chen-Clayton模型存在明顯的局限性。結(jié)合對(duì)于原料的模型擬合數(shù)據(jù)，本研究成功地將溫度變量引入到Peleg、GDW和BY模型當(dāng)中，并通過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)得以驗(yàn)證。利用優(yōu)選模型對(duì)三種飼料在15℃（或10℃）～45℃區(qū)間吸濕或解吸過程的安全水分進(jìn)行了估計(jì)。草魚顆粒料的安全水分

9、低于肉大鴨和肉大雞顆粒飼料。說明安全水分標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮具體的飼料類別，而不是一刀切。在計(jì)算蒸發(fā)潛熱過程中，選用擬合精度達(dá)到要求的經(jīng)典模型更為便捷。
　　 3．利用自行設(shè)計(jì)安裝的顆粒飼料薄層冷卻系統(tǒng)，通過相關(guān)與回歸分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練證明，存在且可以找到綜合各主要變量的數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)進(jìn)而控制冷卻過程。薄層冷卻與實(shí)際的逆流冷卻過程相比，僅缺乏顆粒流量、深床內(nèi)存在的溫度梯度和濕度梯度變量，這為把料層分解為適當(dāng)厚度的薄層進(jìn)而實(shí)現(xiàn)逐

10、級(jí)仿真模擬提供了參考。根據(jù)肉大鴨顆粒飼料在不同顆粒初始條件(溫度48～87℃，水分12.67％～23.54％db)和環(huán)境變量（空氣溫度7～40℃、相對(duì)濕度19％～94％、流速0.28～2.88m/s）條件下冷卻至高于環(huán)境溫度10℃和5℃時(shí)的時(shí)間(T10，T5)-水分(M10，M5)變化，建立了含15～22個(gè)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。這個(gè)過程需要用優(yōu)選的吸濕解吸模型估計(jì)出的EMC。參數(shù)模型中，對(duì)水分的擬合精度和預(yù)測(cè)精度優(yōu)于時(shí)間模型，但需要將冷卻時(shí)間

11、作為自變量。時(shí)間模型在包含水分損失速率時(shí)的擬合以及預(yù)測(cè)精度顯著優(yōu)于不含損失速率的模型。不含水分損失速率的時(shí)間模型擬合精度滿足實(shí)用要求，但預(yù)測(cè)精度有待于改進(jìn)。對(duì)變量進(jìn)行均值化處理并未顯著提高擬合精度。T10與T5、M10與M5間存在顯著的線性相關(guān)，T5≈1.52T10，M5≈0.99M10。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于水分的估計(jì)，即使不采用冷卻時(shí)間變量，可獲得優(yōu)于本研究所建立的參數(shù)模型的結(jié)果，然而對(duì)于時(shí)間的擬合與預(yù)測(cè)結(jié)果欠佳?？赡苄枰Y(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)

12、行建模。
　　 利用參數(shù)模型計(jì)算表明，將初始溫度80℃，水分18％db的肉鴨飼料進(jìn)行冷卻，在10℃～40℃,55％RH環(huán)境下提高風(fēng)速可降低冷卻時(shí)間。濕度影響到降溫速率。提高空氣濕度增加冷卻后的產(chǎn)品含水率(10℃時(shí)線性方程的斜率為0.0371，20℃時(shí)為0.0247)，提高風(fēng)速降低產(chǎn)品水分（Hoerl函數(shù)是描述水分-風(fēng)速關(guān)系的優(yōu)選模型：M=a*bVair*VairC），但是在30～38℃高溫環(huán)境里風(fēng)速對(duì)于水分的影響明顯不同于一般室

13、溫環(huán)境(10℃～20℃)，大于1.444m/s的風(fēng)速將提高冷卻后的產(chǎn)品水分。高溫下濕度對(duì)于冷卻產(chǎn)品水分的影響減弱，顯示高溫環(huán)境需要不同于一般室溫條件下的冷卻策略。由薄層冷卻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的溫度水分變化數(shù)據(jù)還可以用于計(jì)算與冷卻相關(guān)的熱質(zhì)傳遞參數(shù)。這個(gè)過程需要用優(yōu)選的吸濕解吸模型估計(jì)出的EMC。
　　 4．采用紅外熱成像-錄像方法在蒸汽調(diào)質(zhì)器出口、冷卻器卸料口對(duì)料流進(jìn)行連續(xù)溫度記錄，結(jié)合水分分析，發(fā)現(xiàn)DDC調(diào)制器出料口料流最低和最

14、高溫度相差達(dá)12℃，且出現(xiàn)低溫濕料團(tuán)；冷卻器卸料口平面上的溫度和水分不均勻現(xiàn)象因冷卻器而異。這些現(xiàn)象與規(guī)律為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制消除不穩(wěn)定因素提供了參考。實(shí)驗(yàn)也表明紅外熱成像技術(shù)在飼料和糧油食品行業(yè)可發(fā)揮更大作用。
　　 5．合理設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型很好地?cái)M合了一種池塘魚顆粒飼料的在線冷卻結(jié)果。利用多層感知器(MLP)網(wǎng)絡(luò)對(duì)自變量重要性分析為控制手段的設(shè)計(jì)提供了參考。在所研究的產(chǎn)品和設(shè)備環(huán)境下，粉料水分、顆粒出模水分、平衡含水率、調(diào)制溫度

15、與水分以及空氣溫度是影響冷卻后產(chǎn)品水分的主要因素，而影響冷卻產(chǎn)品溫度的主要變量為風(fēng)量（以風(fēng)門開度為度量）、平衡含水率、調(diào)質(zhì)水分、空氣溫度和調(diào)制溫度。
　　 6．顆粒飼料的吸濕解吸及其適宜模型、蒸發(fā)潛熱計(jì)算、薄層冷卻數(shù)據(jù)，結(jié)合顆粒水分與顆粒直徑和密度容重等的關(guān)系，為采用數(shù)值解法求解帶有微分方程的熱質(zhì)平衡模型或者ANSYS建模與求解、CFD建模和求解提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本研究利用試驗(yàn)所獲得的部分參數(shù)，嘗試用數(shù)值方法對(duì)初步設(shè)計(jì)的熱質(zhì)