摘 要：在膨脹煙絲生產(chǎn)工藝中，填充值一直是重點關注的物理指標。本文以提升膨脹煙絲填充值為研究目標，選用干冰法膨脹煙絲生產(chǎn)線為研究對象，主要針對預處理和熱端工序進行工藝參數(shù)梳理與數(shù)據(jù)分析，最終確定以預處理松散回潮工序、熱端工序參數(shù)為突破口。結果表明，松散回潮加水比例、松散回潮回風溫度、松散回潮拔風罩壓力、松散回潮加蒸汽比例、冷卻回潮含水率以及膨脹葉絲風選負壓對填充值均值均有一定影響，通過確定性篩選試驗設計方法確定最優(yōu)參數(shù)組合，最終提升了成品膨脹煙絲填充值水平。

關鍵詞：膨脹煙絲；工藝參數(shù)；填充值；確定性篩選

中圖分類號：TS 43" " " " " 文獻標志碼：A

膨脹煙絲在卷煙配方中具有重要作用[1]，其填充性能與填充值密切相關。膨脹煙絲有提升卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的潛力，能夠改善整體質(zhì)量，同時提升低級煙草的品質(zhì)和煙葉的使用水平。膨脹煙絲技術的發(fā)展為低焦油卷煙生產(chǎn)提供了新的可能性，并在降低煙草對吸煙者健康的危害方面發(fā)揮了積極作用[2]。

膨脹煙絲生產(chǎn)過程中存在膨脹煙絲填充值偏低、影響后續(xù)卷接質(zhì)量的問題。常規(guī)的卷煙工藝優(yōu)化方法主要采用2步試驗設計。首先，通過篩選關鍵工藝參數(shù)來確定對響應值有顯著影響的因子。其次，基于篩選出的關鍵工藝參數(shù)進行響應曲面試驗設計，如BBD設計（Box-Behnken Design，BBD），其目的是確定一組滿足預設響應值標準的關鍵工藝參數(shù)的操作范圍[3]。每個膨脹煙絲生產(chǎn)批次的產(chǎn)量均較大，需要投入大量材料成本[4]。因此，選擇合適的試驗設計方法對快速提高成品膨絲填充值具有重要意義。

本文將進一步解析膨脹煙絲優(yōu)質(zhì)制造核心因素，在有效落實生產(chǎn)流程、設備和工藝優(yōu)化的基礎上[5]，采用確定性篩選設計試驗方法[6]，持續(xù)提升成品膨脹煙絲填充值水平。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本文所用膨脹煙絲原料為中華牌號煙草，由上海煙草集團有限責任公司提供。該煙葉原料性能良好，經(jīng)初制工序處理后得到的煙絲纖維結構松散，含水率均勻，適合進行膨脹工藝。

本文所用生產(chǎn)線為上海卷煙廠1140kg/h規(guī)格的膨脹煙絲生產(chǎn)線，整線由卷煙機械國內(nèi)外知名企業(yè)所制造，主要包括浸漬系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)和冷卻回潮系統(tǒng)3個部分。其中浸漬系統(tǒng)的主要設備由德國Scholz公司提供，工藝氣體風機由德國REITZ公司提供，壓縮機由德國Neuman公司提供。該生產(chǎn)線配套精良，工藝過程可控，能夠滿足本文對產(chǎn)品質(zhì)量和過程控制的需求。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程分析

膨脹煙絲生產(chǎn)線主要由制絲預處理和浸漬、膨脹和冷卻回潮系統(tǒng)組成。制絲預處理包括開箱計量、切片松散回潮、風選除雜、預配、增溫增濕以及切絲工序。膨脹煙絲生產(chǎn)的核心工藝是在密閉的金屬浸漬器內(nèi)，利用高壓狀態(tài)的液態(tài)二氧化碳對煙絲進行浸漬，通過松散器、振動柜和干冰皮帶秤將含有一定量二氧化碳的干冰煙絲送入膨脹塔中。通過高溫、高流速工藝氣體吹掃，使煙絲內(nèi)的二氧化碳迅速汽化，實現(xiàn)煙絲組織結構膨脹。后經(jīng)冷卻回潮裝置進行煙絲降溫和煙絲定型，經(jīng)過一定量加水回潮和膨脹葉絲風選雜物過濾，最終形成成品膨脹煙絲。

煙絲內(nèi)部結構發(fā)生急劇變化的環(huán)節(jié)主要在煙絲浸漬、煙絲膨脹和冷卻回潮工序中。其中，含水率的控制貫穿整個膨絲工序，在不同的含水率、溫度控制條件下，膨脹煙絲對液態(tài)二氧化碳的吸收能力有差異，會影響膨脹工序、冷卻回潮環(huán)節(jié)的膨脹和冷縮效果。在對原料的強加工工序中，預處理段含水率、溫度的控制會直接影響物料對液態(tài)二氧化碳的吸收能力，因此對填充值的影響進行研究時，浸漬前工序可以從物料含水率、溫度控制著手，膨脹工序的脫水量慧直接影響膨脹工序膨脹煙絲細胞中干冰迅速升華和水分迅速蒸發(fā)的效果。冷卻回潮環(huán)節(jié)的加水對溫度相對較高的膨脹煙絲有一定的冷縮效果。因此，對填充值的影響進行研究要同時考慮浸漬工序前物料含水率、溫度的控制、冷卻回潮以及風選環(huán)節(jié)含水率控制。

1.2.2 因子關聯(lián)分析

收集上海卷煙廠中華牌膨脹煙絲生產(chǎn)線2022年11月～2023年4月從預處理段至膨脹煙絲暫存段的設備參數(shù)、工藝參數(shù)和檢測數(shù)據(jù)，以生產(chǎn)批次號為索引，將膨脹煙絲全工序參數(shù)進行整理和關聯(lián)分析。其中，對填充值影響較顯著的因子的分析如下。1）成品膨脹煙絲含水率與膨脹煙絲填充值呈中等強度負相關關系，皮爾遜相關系數(shù)（Pearson correlation coefficient，PCC）為-0.492，相關系數(shù)0.1～0.3為弱相關，0.3～0.5為中等相關，0.5～1.0為強相關。由于成品膨脹煙絲含水率屬于最終結果指標，無法直接控制，因此需要通過控制前道工序的含水率、溫度，以達到間接控制成品膨脹煙絲含水率和填充值的目的。2）前道工序冷卻回潮工序含水率的設定和膨脹葉絲風選負壓的控制決定了成品膨脹煙絲含水率。冷卻回潮含水率與膨脹煙絲填充值呈中等強度負相關，相關系數(shù)為-0.405；膨脹葉絲風選負壓與膨脹煙絲填充值呈弱負相關，相關系數(shù)為-0.177。3）在浸漬工序前，膨脹煙絲的含水率、溫度控制主要在于松散回潮工序加水量、松散回潮回風溫度、松散回潮拔風罩壓力和松散回潮加蒸汽比例等的設置。作為膨脹煙絲過程的主要加工工序，松散回潮是膨脹煙片吸收水分的首道工序，煙片對水分的吸收能力是影響后續(xù)工序產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵質(zhì)量指標。因此將松散回潮主要控制參數(shù)即松散回潮加水比例、松散回潮回風溫度、松散回潮拔風罩壓力以及松散回潮加蒸汽比例等作為填充值的懷疑因子并進行關聯(lián)分析。松散回潮加水比例與填充值呈中等強度正相關，相關系數(shù)為0.402；松散回潮回風溫度與填充值呈強正相關，相關系數(shù)為0.548；松散回潮拔風罩壓力與填充值呈中等強度正相關，相關系數(shù)為0.327；松散回潮加蒸汽比例與填充值呈弱負相關，相關系數(shù)為-0.233。

通過上述對比和梳理，本文發(fā)現(xiàn)膨脹煙絲生產(chǎn)線預處理和熱端工序工藝參數(shù)存在一定的關聯(lián)性，對填充值有一定的可優(yōu)化空間。

2 確定性篩選試驗設計方案

作為一種小型設計方法，確定性篩選設計的試驗次數(shù)約為因子數(shù)的2倍，適用于含6個或6個以上因子的多因素過程優(yōu)化。本文將填充值的相關連續(xù)因子設定3個水平，可以識別參數(shù)對填充值的非線性效應。而在標準篩選設計中，連續(xù)因子僅含2個水平。確定性篩選設計可以估計主效應、二次效應和二階交互效應，同時可避免不同效應間的混雜，僅需要較少試驗次數(shù)即可實現(xiàn)。本文的目標是消除填充值過程中參數(shù)效應的不確定性，明確各因子對填充值的具體影響，并在此基礎上識別關鍵因子。放寬非關鍵參數(shù)范圍、縮小關鍵參數(shù)范圍，既可降低試驗成本，又能提高產(chǎn)品質(zhì)量。同時，可以明確操作方法，指導標準化的參數(shù)調(diào)節(jié)，提高生產(chǎn)效率。最終可以找到填充值過程的最佳參數(shù)組合，以達到質(zhì)量優(yōu)化的目的。

2.1 試驗設計

上文對填充值有關參數(shù)進行了單因子試驗，結合上述關聯(lián)分析結果，為了進一步優(yōu)化這些參數(shù)，本文設計了確定性篩選試驗。共選用6個因子，每個因子設置高、中、低3個水平，松散回潮加水比例（U加水比例）、松散回潮回風溫度（T回風溫度）、松散回潮拔風罩壓力（P拔風壓力）、松散回潮加蒸汽比例（U蒸汽比例）、冷卻回潮工序含水率（S冷卻含水率）以及膨脹葉絲風選負壓（P風選負壓），以填充值（Y，cm3/g）為響應，利用JMP軟件的確定性篩選設計模塊進行試驗設計。采用方差分析（ANOVA）確定模型、效應的顯著性（P）以及效應的大小，即估計值，并根據(jù)雙側P值對因子效應進行排序。

根據(jù)確定性篩選試驗方案，關鍵因子數(shù)量k=6（次），確定性篩選設計中的最小試驗次數(shù)為2k+1=13（次）。為了生成額外試驗，向設計中添加2個假因子，生成4個額外試驗，因此需要做17個批次試驗。每次試驗要求膨絲線操作人員按照確定性篩選試驗設計表，調(diào)整各參數(shù)水平（低水平代碼為-1，高水平代碼為1，中心點為0）。參數(shù)設定后，在每個生產(chǎn)批次中取成品膨脹煙絲樣品，測量3次填充值并取平均值，具體試驗設計和結果見表1。

2.2 試驗結果分析

確定性篩選擬合得到的填充值預測模型擬合分析結果顯示（如圖1所示），模型預測范圍為5.8cm3/g～6.4cm3/g的R2（RSq）gt;0.95，P值lt;0.05，說明該模型對樣本點的解釋能力較強，擬合模型具有較大的統(tǒng)計學意義。

參數(shù)估計值按照概率大于|t|升序排名前8位（見表2）排序，其中概率gt;|t|表示雙側P值。分析結果表明，上述因素對Y的影響不是單一線性關系，還存在多因素交互項和二次項，如P拔風壓力的二次項因子排序排在第3位且與Y呈明顯負相關，說明P拔風壓力對Y的影響存在明顯彎曲，

T回風溫度與S冷卻含水率間存在交互作用。

因子對Y的影響并非簡單的線性關系，試錯法和傳統(tǒng)的試驗設計需要耗費大量時間且結果不確定，因此需要使用預測刻畫器。預測刻畫器具有良好的交互性，可使因子刻畫更形象、直觀，進行因子重要性分析時更方便，更快了解每個參數(shù)的改變對Y造成的影響，進而輕松地優(yōu)化參數(shù)，達到提升Y的目的。

2.3 因子優(yōu)化

對試驗參數(shù)的水平范圍進行調(diào)整可以得到對應的成品膨脹煙絲填充值最佳的預測值和置信區(qū)間（如圖2所示）。

第一步，觀察預測刻畫器，預測刻畫器清楚顯示出每個因子的參數(shù)水平和Y的關系。P拔風壓力、U加水比例、U蒸汽比例、

S冷卻含水率與Y的刻畫圖均存在一定的彎曲現(xiàn)象；T回風溫度對Y呈比較明顯的線性關系；P風選負壓對Y的影響有限，可以綜合考慮參數(shù)設置水平和生產(chǎn)工藝標準進行推薦設置。

第二步，拖動X軸各因子參數(shù)水平控制線，Y會隨各參數(shù)水平的調(diào)整而變動。以Y望大為控制方向，通過不斷調(diào)整預測刻畫器的控制線，推算最優(yōu)參數(shù)組合設置。將

U加水比例設置為中心點（代碼0），T回風溫度設置為高水平（代碼1），P拔風壓力設置為中心點（代碼0），U蒸汽比例設置為低水平（代碼-1），S冷卻含水率設定值設置為中心點（代碼0），P風選負壓設置為低水平（代碼-1），此時Y的預測值為最高。該條件下的參數(shù)組合可推薦為最優(yōu)參數(shù)組合。

根據(jù)確定性篩選設計推算最優(yōu)參數(shù)組合并進行生產(chǎn)驗證，成品膨脹煙絲填充值均值為6.20cm3/g，證明了上述試驗結果的可用性。確定性篩選試驗改善效果明顯，達到了試驗預期。

3 結論

本文基于確定性篩選設計方法，通過分析松散回潮、膨脹和冷卻回潮3個關鍵工序的多參數(shù)影響，對填充值進行了多因素優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)全因素試驗需要大量試驗次數(shù)限制的問題。研究發(fā)現(xiàn)，填充值控制的關鍵在于合理設置如下2個方面的參數(shù)。第一，松散回潮工序參數(shù)可以直接調(diào)節(jié)物料的含水率和溫度，從而影響后續(xù)膨脹效果。第二，冷卻回潮工序參數(shù)可以直接調(diào)控冷卻效果和成品含水率。通過優(yōu)化這2個工序的多個參數(shù)，最終提升了成品膨脹煙絲填充值。本文成功應用確定性篩選設計方法實現(xiàn)了成品煙絲填充值的多參數(shù)優(yōu)化，僅通過較少試驗次數(shù)就完成了工藝因素的篩選和優(yōu)化，為類似多參數(shù)過程優(yōu)化提供了可靠實用的方法論，具有推廣應用的價值。

參考文獻

[1]陸妍，劉遠濤，李堅，等.膨脹絲填充值穩(wěn)健參數(shù)設計優(yōu)化研究[J].輕工科技，2020（6）：124-125.

[2]趙敏，王宗英，張鳳俠，等.CO2膨脹工藝參數(shù)對煙絲物理和感官質(zhì)量的影響[J].安徽農(nóng)學通報，2020，26（7）：126-128.

[3]丁乃紅，寇霄騰，張卉，等.基于層次分析和響應面設計的煙絲膨脹工藝優(yōu)化[J].食品與機械，2020（2）：219-223.

[4]遲廣俊，寧偉，徐赫男，等.制絲在線添加復合生物酶對膨脹煙絲感官質(zhì)量及適用性的影響[J].中國煙草科學，2021，42（2）：91-97.

[5]崇黎明，蘆淵，蔣廣.膨脹工藝對煙絲質(zhì)量的影響[J].食品與機械，2020（8）：195-200.

[6]李凱，張美萍，麻開香，等.確定性篩選設計優(yōu)化一種復合鈣制劑的工藝[J].食品研究與開發(fā)，2019，40（20）：127-131.