劉來亭 楊超雄 李 磊 秦永林

在飼料加工中藥物預(yù)混劑通常通過人工投料加入混合機(jī)，混合工段是藥物粉體殘留的開始?；旌蠙C(jī)中殘留的藥物量，因藥物種類多、特性復(fù)雜而不容易測定。藥物預(yù)混劑是由載體和藥物構(gòu)成的均勻混合物，殘留在混合機(jī)中載體的量與殘留藥物的量顯然呈正相關(guān)。為此可通過測定混合機(jī)中載體殘留量值來標(biāo)定藥物的殘留量值，為降低飼料加工中交叉污染提供研究方法。本試驗(yàn)選用玉米粉作為載體，研究不同粒度的載體在混合機(jī)內(nèi)殘留的差異，并對(duì)載體中添加一定水分、油脂后在混合機(jī)側(cè)壁殘留的情況進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)不卸料連續(xù)混合與分批混合兩種方式對(duì)玉米粉在混合機(jī)軸向側(cè)壁的殘留影響進(jìn)行了探討。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

錘片式粉碎機(jī)（9F 40-22型，安徽省阜陽市興華機(jī)械廠，11 kW）；顆粒檢測篩機(jī)；分樣篩（浙江省上虞市五四儀器篩具廠，20目、40目、60目、80目和100目）。

1.2 基于圖像識(shí)別的玉米粉在混合機(jī)軸向側(cè)壁的殘留分析系統(tǒng)

本圖像識(shí)別系統(tǒng)采用CMOS型攝像頭獲取臥式螺帶混合機(jī)軸向側(cè)壁的玉米粉體殘留圖像，分硬件和軟件兩部分。

1.2.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)如圖1所示。

1.2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)（見圖2）主要包括圖像預(yù)處理和自動(dòng)計(jì)數(shù)兩部分。圖像由CMOS攝像頭（型號(hào)DVC-V80，深圳市新峰龍電子有限公司；雙層玻璃鏡頭；CMOS傳感器，傳感器像素30萬，最高分辨率640×480像素，最大幀數(shù)30 FPS，色彩位數(shù)24 bit，成像距離 30 mm～∞）獲取。圖像軟件分析采用Image Pro Plus 6.0（Media Cybernetics，USA）。選擇螺帶混合機(jī)軸向側(cè)壁圖像采集的位置（見圖3）。選擇一定面積的矩形純黑銅板紙（純黑，GB/T10335.1—2005，鄭州熙來紙業(yè)有限公司）。CMOS型攝像頭分底盤、活動(dòng)支桿、攝像頭等幾部分。攝像頭底盤固定于混合機(jī)卸料口處，混合機(jī)工作時(shí)，攝像頭移動(dòng)至混合機(jī)外；停機(jī)后采集圖像時(shí)，攝像頭探進(jìn)混合機(jī)軸向側(cè)壁前，數(shù)據(jù)采集后，移出攝像頭。補(bǔ)光下捕捉到的圖像經(jīng)USB接口技術(shù)傳輸至圖像分析軟件（Image Pro Plus，IPP）的圖像捕捉界面，在SCAN的命令界面內(nèi)進(jìn)行捕捉圖像操作。分別選取矩形銅版紙的12個(gè)點(diǎn)進(jìn)行圖像捕捉（見圖4）。選擇最佳的圖像進(jìn)行捕捉（攝像頭的焦距調(diào)至接近30 mm，手動(dòng)調(diào)整攝像頭與混合機(jī)軸向側(cè)壁的距離，顯示器觀測圖像清晰度的變化，直至圖像清晰度最佳，執(zhí)行捕捉圖像命令）。圖像（見圖5）保存至電腦中以備后處理分析。

1.2.2.1 圖像預(yù)處理部分

均衡最佳適配指使用最佳適配命令使IPP對(duì)特定圖像的值進(jìn)行優(yōu)化。這種方法就是通過將直方圖拉伸，從而使圖像中像素值達(dá)到最優(yōu)的對(duì)比度分布。

1.2.2.2 自動(dòng)計(jì)數(shù)部分

選擇“計(jì)算/尺寸”測量值（見圖6），選擇測量（見圖7）；選擇“計(jì)算/尺寸”，調(diào)整參數(shù)（顯示、對(duì)象）選項(xiàng)（見圖8）；計(jì)數(shù)計(jì)算，得出定義好的被計(jì)數(shù)的粉體圖像（見圖9）；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)出（見圖10和圖11）。

本試驗(yàn)選用指標(biāo)為粉體面積比率（Per Area，Obj./Total）的相關(guān)值：最大粉體面積比率（簡稱MAX值，以下同）、累計(jì)粉體面積比率（簡稱TOATL值，以下同）和粉體樣本數(shù)（簡稱NUM值，以下同）。最大粉體面積比率表征的是特定粉體在臥式螺帶混合機(jī)軸向側(cè)壁的殘留點(diǎn)面積的最大值情況，此處的混合機(jī)側(cè)壁是粉體聚集最多的地方，粉體混合過程中在此處的殘留量最大；累計(jì)粉體面積比率表征的是特定粉體在臥式螺帶混合機(jī)軸向側(cè)壁的某區(qū)域殘留點(diǎn)面積的累加值情況，此指標(biāo)可從殘留面積角度表示混合機(jī)側(cè)壁粉體總的殘留量；粉體樣本數(shù)表征的是特定粉體在臥式螺帶混合機(jī)軸向側(cè)壁某區(qū)域的殘留區(qū)域的個(gè)數(shù)，可以表示混合機(jī)混合過程中粉體在側(cè)壁的殘留分布情況。

1.2.3 不卸料連續(xù)混合和分批混合對(duì)玉米粉在混合機(jī)軸向側(cè)壁的殘留效果比較

連續(xù)混合所研究的是混合機(jī)側(cè)壁殘留物料狀態(tài)，從無達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的變化。而實(shí)際生產(chǎn)中混合過程常分批混合。在分批混合過程中，混合均勻的物料卸料，新的待混合物料被輸送進(jìn)混合機(jī)，由于混合機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)動(dòng)作會(huì)對(duì)混合機(jī)側(cè)壁殘留物料狀態(tài)產(chǎn)生影響，進(jìn)料過程中的空氣流的影響也不容忽視。因此試驗(yàn)對(duì)卸料方式進(jìn)行了比較。

不卸料連續(xù)混合：取全粉碎玉米粉（過1 mm的篩片）3 kg，每間隔3 min停機(jī)一次進(jìn)行圖像采集。共混合60 min。分批混合：取全粉碎玉米粉（過1 mm的篩片）3 kg，每間隔3 min停機(jī)一次進(jìn)行圖像采集。之后卸料，待玉米粉排空之后關(guān)機(jī)，重新由進(jìn)料口倒入卸下的物料，開機(jī)重新混合，3 min后停機(jī)進(jìn)行圖像采集，如此重復(fù)20次。

1.2.4 4種粒度玉米粉在混合機(jī)軸向側(cè)壁殘留的影響

用錘片粉碎機(jī)粉碎玉米，振動(dòng)篩篩分出4種粒度（20～40目、40～60目、60～80目、80～100目）的玉米粉備用。4種粒度的玉米粉分別進(jìn)行水分測定（GB/T 6435—86）。每種粒度玉米粉體分別取3 kg單獨(dú)加入混合機(jī)，進(jìn)行連續(xù)混合和分批混合試驗(yàn)。

1.2.5 添加水分、油脂對(duì)玉米粉在混合機(jī)軸向側(cè)壁殘留的影響

取60～80目的玉米粉3 kg 2份，分別添加1%的蒸餾水、1%的大豆油，每間隔3 min停機(jī)一次進(jìn)行圖像采集，混合60 min；以未添加前作為對(duì)照組。

2 結(jié)果與討論

2.1 不卸料連續(xù)混合和分批混合對(duì)玉米粉在混合機(jī)軸向側(cè)壁的殘留效果比較（見圖12、13、14）

由圖12、圖13和圖14看出，兩種方式對(duì)玉米粉在混合機(jī)軸向側(cè)壁殘留最大粉體面積比率、累計(jì)粉體面積比率、粉體樣本數(shù)隨時(shí)間變化的影響一致（P＞0.05）。混合機(jī)軸向側(cè)壁殘留粉體存在是混合過程中各種力的作用中將細(xì)小的粉粒黏附于側(cè)壁形成的。細(xì)小的粉粒之所以可以層層堆積可能是因?yàn)榱Ｗ娱g的靜電作用造成的，而影響粉體靜電學(xué)特性的因素很多，如粒子表面構(gòu)成，粒子的形狀和大?。–arter等,1992;Carter等，1998），不同粒子間的接觸類型、接觸材料的性質(zhì)及工作狀況（Elsdon等,1976;Bailey,1984），接觸面積（Lowell,1990），粒子間碰撞的強(qiáng)度和頻率，接觸面的粗糙度及污染程度（Eilbeck等，1999），大氣相對(duì)濕度（Nguyen和 Nieh,1989;Mackin,等，1993），結(jié)塊后粒子間的分離過程，粉體的電阻率、微粒污染、設(shè)備的清洗方法（Cross,1987;Chulia等，1998;Weigand和Liehr,1999;Eilbeck,2000）等。不卸料連續(xù)混合和分批卸料混合兩種方式對(duì)靜電產(chǎn)生的貢獻(xiàn)可能不足以使以上3個(gè)觀測值產(chǎn)生顯著的差異。另外看出混合一定時(shí)間后，側(cè)壁的殘留量達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

2.2 不同粒度玉米粉在混合機(jī)軸向側(cè)壁殘留的影響（見圖15、16、17）

由圖15、圖16和圖17看出，最大粉體面積比率：不同目數(shù)的玉米粉體MAX值剛開始均隨著混合時(shí)間的延長而增大，其中20～40目的玉米粉體MAX值一直保持在一個(gè)較低的水平（MAX值＜0.05），其它3種目數(shù)的玉米粉體MAX值均上升到0.15以上。

累計(jì)粉體面積比率：不同目數(shù)的玉米粉體TOATL值剛開始均隨著混合時(shí)間的延長而增大。其中20～40目的玉米粉體TOATL值增大速度沒有其它3種目數(shù)的玉米粉體TOATL值增大速度快，4種目數(shù)的玉米粉體TOATL值在27 min以前TOATL值的斜率大小，按目數(shù)比較為，20～40 目＜40～60 目＜60～80 目＜80～100目。這可能是由于粉體粒子間的相互作用受顆粒大小、粒度分散、形狀、表面粗燥度、表面積、空隙度、密度等基本特性的影響（Corn,1961;Crowder等,2003）。其中粒子大小對(duì)靜電黏滯和非靜電黏滯均有影響，黏滯特性小粒子強(qiáng)于大粒子。粒子粒徑越小，范德華力和庫侖力就越大，靜電黏滯作用和非靜電黏滯作用均會(huì)增大（Wang等,2000）；增加粒子大小會(huì)使粒子間黏滯力增大（Corn,1961）。

20～40目的玉米粉體TOATL值在33 min以后增長趨緩且維持在0.15～0.2的水平；其它3種目數(shù)的玉米粉體TOATL值在27 min以后增長趨緩且均穩(wěn)定在0.4～0.5的水平。這可能是因?yàn)?，一個(gè)個(gè)粉粒子的集合在混合機(jī)混合過程中，單一粒子被隨機(jī)黏附與某一個(gè)粒子的集合中，其粒子間的總的黏滯力與其總的重力都會(huì)增大，因?yàn)橹亓κ欠肿娱g離解力的重要因素，某一時(shí)刻離解力大于黏滯力，則一部分粒子便會(huì)與原集合發(fā)生分離而從混合機(jī)側(cè)壁墜落。混合機(jī)側(cè)壁粉體這種動(dòng)態(tài)的黏附與離解的過程，使各個(gè)目數(shù)的粒子分別在適合自己粒子大小的殘留范圍里，保持了動(dòng)態(tài)的平衡。

粉體樣本數(shù)：20～40目的玉米粉體NUM值剛開始隨著混合時(shí)間的延長而增大，到27 min之后維持在120的水平上。其它3種目數(shù)的玉米粉體NUM值在6 min前有大的增幅，之后均呈降低的趨勢，且60 min時(shí)NUM值維持到（80±10）的水平。

2.3 添加水分、油脂對(duì)玉米粉在混合機(jī)軸向側(cè)壁殘留影響（見圖18、19、20）

由圖18、圖19和圖20看出，添加1%水或1%植物油后，在0～10 min的混合過程中，對(duì)照組及1%植物油組的NUM值均呈上升趨勢，在10～60 min的混合過程中，對(duì)照組及1%植物油組的NUM值均呈下降趨勢。而1%水分組的NUM值在0～24 min的混合過程中，呈上升趨勢，之后到60 min試驗(yàn)結(jié)束，NUM值一直穩(wěn)定在120±10的水平。在0～60 min的混合過程中，MAX值及TOATL值的組別大小排序均為：對(duì)照組＞1%植物油組＞1%水分組。說明添加水或植物油會(huì)減少臥式螺機(jī)混合機(jī)軸向側(cè)壁的玉米粉殘留，且添加等量水的效果會(huì)好于植物油?？赡苁且?yàn)橛偷臉O性大于水，相對(duì)于水來說其黏附性強(qiáng)，但在混合機(jī)里不易與玉米粉混勻。

3 小結(jié)

3.1 不卸料連續(xù)混合、分批卸料混合2種方式對(duì)玉米粉在混合機(jī)軸向側(cè)壁殘留最大粉體面積比率、累計(jì)粉體面積比率、粉體樣本數(shù)隨時(shí)間變化的影響一致（P＞0.05）。

3.2 混合機(jī)側(cè)壁粉體動(dòng)態(tài)的黏附與離解的過程中使各個(gè)目數(shù)的粒子分別在適合自己粒子大小的殘留范圍里，保持了動(dòng)態(tài)的平衡。

3.3 添加水或植物油可減少臥式螺旋混合機(jī)軸向側(cè)壁的玉米粉殘留，且添加等量水的效果會(huì)好于植物油。

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