李興建　宋俊鋒　李選祥　羅金星　郭佳樂　普恒　胡志強(qiáng)

摘要：食用膠（hydrocolloid）也稱親水膠體、水溶膠，是能溶解或分散于水中，并在一定條件下，其分子中的親水基團(tuán)，如羧基、羥基、氨基和羧酸根等，能與水分子發(fā)生水化作用形成黏稠、滑膩的溶液或凝膠。目前進(jìn)行市場調(diào)研，市場需求為精準(zhǔn)添加不同香料，并和食用膠均質(zhì)乳化的工藝要求。闡述乳化裝置的設(shè)計思路、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：乳化;凝脂;凝膠;密度控制;摻配;均質(zhì)

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0 ? 引言

目前市場上已有的此類型裝置多為通用型的摻配設(shè)備，其香精施加精準(zhǔn)度和乳化均勻度都不高，要到達(dá)較高的摻配工藝指標(biāo)要求時存在難度。同口味食用膠加香精乳化后，添加至煙用濾棒中，會導(dǎo)致整支香煙香精的輕、重不同。不同口味食用膠加香精乳化后，導(dǎo)致香煙串味。使用通用型用摻配設(shè)備改造的乳化工藝裝置，生產(chǎn)的煙用濾棒市場反映口味差異性較大。為此，筆者團(tuán)隊自行設(shè)計研發(fā)一套計量精準(zhǔn)、乳化均勻、操作方便可在線生產(chǎn)的乳化裝置。

1 ? 系統(tǒng)工藝流程設(shè)計

針對現(xiàn)有工藝的缺陷，設(shè)計研發(fā)計量更精準(zhǔn)、乳化更均勻的乳化裝置，裝置關(guān)鍵技術(shù)如下。

（1） 設(shè)備控制工藝流程。設(shè)計出的設(shè)備控制工藝流程如圖一所示。

儲膠罐將固體凝膠通過膠罐的水帶加熱將其熔化為液態(tài)，溫度控制在50-550C， 每只儲膠罐上安裝一臺攪拌電機(jī)，達(dá)到凝膠快速熔化和均勻，香精儲罐裝入液態(tài)香精，該罐不進(jìn)行控溫和攪拌.所有凝膠通過的管道采用自加熱或管道控溫進(jìn)行保溫處理防止凝膠在管道內(nèi)凝固。

（3） 防止膠量過低或?qū)δz罐進(jìn)行自動切換，并在監(jiān)控操作屏上實時顯示。

（4） 為滿足不同乳化速度1#和2#儲膠罐采用氣動球閥選通，可選擇雙罐同時供膠或單罐單獨(dú)供膠. 香精儲罐供料由管道上的氣動球閥進(jìn)行開啟或關(guān)閉.

（5） 通過上位監(jiān)控畫面設(shè)定的乳化量對摻配凝膠和香精按照工藝要求由上位設(shè)定的摻配比例通過凝膠計量泵和香精計量泵由各自的伺服電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)供料.

（6） 在凝膠計量泵和香精計量泵出口分別安裝一臺流量計對凝膠和香精進(jìn)行實時顯示和控制，同時對各個批次的凝膠、香精量進(jìn)行統(tǒng)計，達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量管理。

（7） 乳化泵將來至凝膠計量泵和香精計量泵的凝膠和香精進(jìn)行充分乳化后由控溫輸膠管道輸出至在線添加裝置上。

（8） 本裝置可通過監(jiān)控屏操作選擇，進(jìn)行凝膠的單獨(dú)乳化和與下游在線添加設(shè)備聯(lián)動，進(jìn)行在線乳化，并滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

預(yù)熔膠箱加熱總?cè)勰z量≥70kg/小時;

香精錐形儲罐容積≥10Kg;

凝膠供膠計量泵出膠量≥2000g/分鐘，計量偏差≤3‰;

香精供膠計量泵出膠量≥58.6g/分鐘，計量偏差≤3‰;

均質(zhì)乳化泵出膠量≥1000g/分鐘;

單支濾棒載香凝膠量=凝膠+香精=141.7mg+8.3mg=150mg（≤±0.5mg）

凝膠計量偏差≤±0.42mg/支;香精計量偏差≤±0.025mg/支

2 ? 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)凝膠香精在線摻配均質(zhì)乳化的工藝流程，包括凝膠預(yù)加熱儲罐、香精儲罐、凝膠計量摻配、香精計量摻配和凝膠香精均質(zhì)乳化，整體設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)布局，合理排布各功能模塊的對接和安裝關(guān)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖二。

將整體框架設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，考慮加料的便利性以及工作工藝流程，將凝膠儲罐以及香精儲罐設(shè)置在上層，其高度方便人工加料操作，并將氣動閥、電磁閥、計量泵、流量計以及乳化泵設(shè)置在下層，考慮安裝和檢修的便利性，將下層器件橫向水平排布。側(cè)壁設(shè)置透明有機(jī)玻璃觀察窗，能直觀反映內(nèi)部運(yùn)行狀況，出現(xiàn)問題，能及時發(fā)現(xiàn)并處理。

（1） 凝膠儲罐。凝膠儲罐采用原有凝膠裝置上的凝膠儲罐設(shè)計及容量，提高部件的可更換性，本裝置采用雙儲罐儲膠，凝膠儲罐壁雙層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)采用循環(huán)水加熱，保證加熱的均勻性，凝膠儲罐內(nèi)部采用齒片式攪拌器進(jìn)行攪拌，既可以旋轉(zhuǎn)時破碎凝膠塊，又可實現(xiàn)膠液翻滾，使內(nèi)部加熱梯度均勻，實現(xiàn)凝膠均勻受熱。凝膠儲罐容量30L/單只，下部錐底設(shè)置。

（2） 香精儲罐。香精儲罐設(shè)置單只匹配雙凝膠儲罐使用，香精儲罐容積為5KG/罐，錐底結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于香精料的排空，設(shè)置模擬量香精料位檢測，最低料位禁止出料，保障摻配時香精出料的穩(wěn)定性。

（3） 下部器件排布。氣動閥、電磁閥、計量泵、流量計以及乳化泵設(shè)置均排布在下層底面，兩個氣動閥平行排布，兩個計量泵平行排布，兩個流量計平行排布，乳化泵設(shè)置在尾端連接出膠管，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)排布整齊美觀，并方便檢修及安裝。

3 ? 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

（1） 控制方案。本裝置信號采集對象由流量計（香精、凝膠）的實時流量、質(zhì)量、密度，各段加熱器的實時溫度值，液位信號等構(gòu)成;控制對象由計量泵伺服電機(jī)（香精、凝膠）、變頻器（乳化泵）、加熱器（罐體、管道、閥體、計量泵），氣動球閥、攪拌電機(jī)等構(gòu)成。

（2） 計量泵伺服控制。根據(jù)監(jiān)控操作屏（以下簡稱操作屏）設(shè)定的乳化量（g/min）由控制程序控制乳化泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時根據(jù)操作屏預(yù)先設(shè)定好的配方（香精、凝膠摻配比例）控制相應(yīng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)同時通過采集相應(yīng)流量計（香精、凝膠）實時流量相應(yīng)力量泵進(jìn)行實時修正使其達(dá)到凝膠供膠計量泵出膠量≥1000g/分鐘，計量偏差≤3‰和香精供膠計量泵出膠量≥58.6g/分鐘，計量偏差≤3‰的技術(shù)。計量泵伺服電機(jī)控制采用模擬量或頻率控制。

（3） 溫度控制。裝置溫度控制針對的是凝膠部分，香精部分不存在加熱;1#、2#凝膠儲膠罐采用罐體水帶加熱方式，由西門子PLC內(nèi)部專用溫度PID控制功能塊通過PWM調(diào)節(jié)，由固態(tài)繼電器進(jìn)行加熱控制;帶加熱的輸膠管、凝膠計量泵泵體的控溫方式同上;膠罐接頭和凝膠流量計控溫采用自控溫方式。

（4） 攪拌控制。為加快裝置的溶膠速度和膠質(zhì)均勻在1#、2#凝膠儲膠罐頂分別加裝一臺直流攪拌電機(jī)，攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速采用高、中、低三檔控制并由操作人員在操作屏上人工操作。

（5） 液位控制。在1#、2#凝膠儲膠罐頂分別安裝由一液位傳感器用于感知膠罐實時液位，裝置加料方式為人工方式，所以液位傳感器主要用于報警和單罐加料時的罐切換控制。

（6） 聯(lián)動控制。裝置可與下游在線添加裝置進(jìn)行聯(lián)動，即當(dāng)下游設(shè)備發(fā)出乳化膠需求或停止時本裝置啟動或停止（乳化速度不受下游機(jī)控制?。?。

（7） 配方功能。由于本裝置現(xiàn)場摻配，為滿足不同的摻配工藝避免人工操作失誤和每次更改工藝參數(shù)帶來的繁瑣的參數(shù)輸入工作，本裝置具有將各個不同的工藝參數(shù)（各段溫度、摻配比例、摻配速度等）以配方號的形式存入系統(tǒng)?？蓪ο鄳?yīng)的配方進(jìn)行調(diào)用、修改、存入。

（8） 批次功能。由于原料每批的物理和化學(xué)性質(zhì)存在一定的偏差為保證摻配的質(zhì)量和對產(chǎn)品的追述，以人工干預(yù)操作方式針對每批原料的摻配凝膠進(jìn)行批次管理，并將其批號、開始時間、結(jié)束時間、總量進(jìn)行以覆蓋方式保存，時間為一個月，并可進(jìn)行查詢。

4 ? 實施情況

在線摻配均質(zhì)乳化裝置的設(shè)計驗證，實現(xiàn)了凝膠供膠出膠量和香精供膠出膠量均能達(dá)到濾棒成形工藝精準(zhǔn)控制的要求，通過自動化程序?qū)崿F(xiàn)自動供較與溫度控制，并可實時監(jiān)控出膠相關(guān)參數(shù)，可實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢功能。同時減少了人為因素影響，減低人工成本，實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。通過凝膠濾棒煙味檢測，達(dá)到品吸要求。

參考文獻(xiàn)

[1].聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊：第1卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017：3-58.

[2].謝慧琳，蕭月玲.日用香精香料的分析研究[J].廣東化工.2020，12：114-115.

[3].臧傳近，李磊磊.香精香料中的VOCs治理應(yīng)用研究[J].山東化工.2020，15：248.

[4]劉艷紅.基于PLC的均質(zhì)乳化機(jī)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展，2020，01： 53-55.

[5]竇維禹，趙福利.改性乳化瀝青高溫性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2020-10-22。