Languages食品および飼料押出スクリューバレル: ステンレス鋼、衛生的なデザイン、およびでんぷん調理
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食品および飼料押出スクリューバレル: ステンレス鋼、衛生的なデザイン、およびでんぷん調理
食品押出機は、内部にスクリューを備えた化学反応器です。デンプンは糊化し、タンパク質が変性するため、実験の合間にバレルを微生物学的基準に合わせて洗浄する必要があります。これにより、合金、表面仕上げ、ネジの形状、摩耗メカニズムが変化しますが、これらはいずれもプラスチックの仕様には含まれていません。このガイドでは、冶金学、衛生設計基準、スクリュー構成の背後にある特定の機械エネルギー、スナック、シリアル、ペットフード、テクスチャードプロテインのプロセスウィンドウについて説明します。
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食品押出スクリューバレル · 飼料押出スクリューとバレル · 衛生的なステンレススクリュー設計 · デンプンの糊化と特有の機械エネルギー
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1. 食品の押し出しが別の問題となる理由
プラスチックの押出成形では、スクリューが溶解、均質化、加圧されます。製品は金型から出てくる形状であり、溶融物はそのための手段です。食品の押出成形では、溶融物が製品となります。デンプン顆粒はその結晶秩序を失い、タンパク質分子は展開して再凝集し、完成品の質感はバレル内で受け取った機械的エネルギーと水の量によって決まります。型は形を作りますが、ねじはそれを調理します。同じ 3 ゾーンのシーケンスがポリマーについて説明されています。シングルスクリューバレルの概要。
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パラレルツインスクリューバレル。食品および供給ラインは、プラスチック配合と同じ共回転プラットフォーム上に構築されます。違いは、運動学ではなく、合金、仕上げ、洗浄性です。
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3 つの結果が続き、それらがこの記事のあらゆる設計上の決定に影響を与えます。
•水は成分であり、汚染物質ではありません。プラスチック加工業者は湿気の除去にお金を費やします。食品押出機は、製品に応じて通常 14 ～ 30 % のバレル内水分を意図的に蒸気と水を注入します。つまり、バレルには蒸気注入ポート、ベント、および 150 ～ 180 °C での連続湿式使用に耐える合金が必要です。オプションは、バイメタルバレルのラインナップ。
•エネルギーの投入がレシピです。比機械エネルギー (SME、Wh/kg で表される) は、膨張、調理の程度、食感と相関する単一の数値です。これはスクリューの構成、スクリューの速度、送り速度によって設定されるため、スクリューの形状は機械の詳細ではなく配合の変数となります。要素ファミリーはスクリューエレメントカタログ。
•機械は微生物学的基準に従って洗浄する必要があります。プラスチックラインは、徹底的な洗浄の合間に数か月間稼働することがあります。ペットフードや食肉類似品のラインは毎日ウェットクリーニングされる可能性があり、デッドゾーンで病原体が検出された場合は、品質上の苦情ではなくリコールとなります。
側面 プラスチック押出成形 食品および飼料の押出成形 ネジの目的 溶解、均質化、加圧 調理して質感を出し、形を整える 水分 加工前に削除 蒸気または水として添加、14 ～ 30 % バレル合金 窒化38CrMoAlAが標準です 316L、2205 二相ステンレスまたは硬化ステンレス 表面仕上げ 機能的 衛生的 — Ra ≤ 0.8 µm、電解研磨されることが多い 洗浄体制 パージコンパウンド ドライクリーニング、ウェットクリーニング、またはCIP（CIP）、多くの場合毎日 管理指標 出力と溶融温度 比機械エネルギーと調理度 支配的な故障モード フライトウェア 腐食、焼き付き、混練ブロックの摩耗が併発 はっきり言っておきたいのは、このハードウェアは珍しいものではないということです。共回転二軸食品押出機は、食品押出機と同じ機械ファミリーです。プラスチック配合押出機— 同じセルフワイピングプロファイル、同じモジュラーシャフト、同じトルク伝達。変化するのは、材料の仕様とそれに関連する衛生工学です。マシンの比較は次のとおりです。平行二軸スクリューバレルのページ。
重要な洞察— プラスチックのバレルを指定するのと同じように食品押出機のバレルを指定すると、バレルは 6 か月間正しく処理され、その後綿棒テストに不合格になります。耐食性と洗浄性は仕上げオプションではなく、設計上の重要な要素です。
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2. 冶金の問題: ステンレスは柔らかく、窒化されたものは洗浄できません
窒化処理は安価で、表面の HV が 900 ～ 1,100 で、耐摩耗性に優れているため、プラスチックのネジは窒化処理されます。の窒化ガイドそれが充填ポリマーの正しい答えである理由を説明しています。これは食品に関しては間違った答えです。その理由は 3 つあります。窒化オプションについては、窒化処理とバイメタルの比較。
•腐食性洗浄がケースを攻撃します。60 ～ 80 °C で 1 ～ 2 % 水酸化ナトリウム CIP サイクルを行うと、時間の経過とともに窒化層が剥離または脆化し、損傷した領域が優先的に腐食します。代替合金は以下で比較されます。バイメタルバレルガイド。
•塩化物がそれに穴をあけます。飼料プレミックスには 0.3 ～ 1 % の塩に加え、微量ミネラルの硫酸塩および塩化物が含まれています。ケースが突破されると、ベーススチールに孔食が進行し、その孔が製品トラップとなります。その場合の材料の選択は、バイメタル材料ガイド。
•衛生的な仕上がりに戻すことはできません。窒化された表面を再研磨すると、ケースが除去されます。ステンレスバレルは再研磨して、所定の位置に再不動態化することができます。ケース自体は、ガス窒化。
そのため、食品加工はステンレスに移行します。そしてステンレスは柔らかいのです。焼きなましされた 316L の HV は約 150 ～ 200 であり、窒化処理の場合の 5 分の 1 未満です。工学的な答えは、摩耗を受け入れることではなく、グレードと表面処理を組み合わせて選択することです。ポリマー側の同等物は次のとおりです。硬化肉盛合金グレード。
材料 一般的な硬さ プレン に良い 気をつけてください 304 / 1.4301 150～190HV ≈ 18 乾燥製品ライン、低塩化物、低塩分 洗浄水中の塩化物が約 50 ppm を超えると孔食が発生する 316L/1.4404 150～200HV ≈ 25 一般的な食品接触、塩分を含む飼料、ほとんどの湿式洗浄ライン 高塩化物 CIP に関してはまだ限界に達しています。冷間加工品の方が優れています 2205 二重 / 1.4462 250～300HV ≈ 35 高塩化物供給、金型のエロージョン・コロージョン 溶接規律;約 300 °C 以上では理想的ではありません 17-4PH/1.4542(H900) 40–44 HRC ≈ 17 耐摩耗性と耐食性が必要なねじ 316L よりも低い PREN。高塩化物サービスには適していません ニトロニック 50 / 1.3964 ≈ 250HV ≈ 34 シャフトとカップリングには耐摩耗性ステンレスを使用 料金;バー在庫の在庫状況 316L に Ni ベースのハードフェーシング 55 ～ 60 HRC — 研磨フィード内での混練ブロックとフライトランド 熱膨張の不一致。コーティングは食品との接触に適したものでなければなりません ステンレス上の PVD CrN または DLC 1,500 ～ 2,000 HV (薄型) — 製品接触摺動面、清掃性 ミクロンスケールの厚さ。基板が摩耗すると役に立ちません -
硬化合金をバレルシェルに注入します。食品加工では、硬度だけでなく耐食性も考慮して硬化面を選択する必要があるため、標準的なプラスチック合金のいくつかは除外されます。
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PREN は、Cr + 3.3 Mo + 16 N として計算される耐孔食性の等価数値です。これは保証ではなく大まかなランク付けですが、316L が 304 を破壊する供給ラインで生き残る理由、および洗浄水がリサイクルされ、年月の経過とともに塩化物レベルが徐々に上昇するときになぜ二相が指定されるのかを説明しています。塩素化ポリマーもこれが重要な点です。CPVC押出成形はポリマー側の最も近い比較です。
選択はバレルだけではありません。ネジ、シャフト、カップリング、ブレーカー プレート、ダイ本体はすべて同じ環境に置かれており、窒化処理されたネジをステンレス製のバレルに混合すると、アセンブリの最も安価な部分に腐食が移動するだけです。の合金選択ガイド互換性ルールについてさらに詳しく説明します。バイメタルと窒化の比較プラスチックの仕様を翻訳する場合は、これが適切な出発点です。
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3. 表面仕上げ、デッドゾーン、洗浄性
洗浄性は、上部の表面仕上げに伴う幾何学的な問題です。粗い表面にはバイオフィルムが付着しており、化学洗浄では除去できません。デッドゾーンには、洗浄剤がまったくかからない製品が保持されます。どちらも設計上の欠陥であり、クリーニングを強化しても修正できません。製品接触面については、内部ライナースリーブ付きバレルのページ。
ゾーン 目標Ra 理由 バレル穴、製品接触部 ≤ 0.8 µm、ハイケア ラインの場合は 0.4 µm バイオフィルムの保持。焼き付きも軽減します スクリューフライトとニーディングブロック ≤ 0.8 µm、可能な場合は電解研磨 製品が研磨跡に汚れて炭化する ダイフェイスとブレーカープレート ≤ 0.4μm 最高のせん断、最高温度、最悪の焼き付き 製品以外の表面 ≤ 3.2μm 洗浄可能ですが、製品との接触は不可 製品ゾーンの溶接 フラッシュ、研磨、Ra ≤ 0.8 µm、不動態化 溶接スケールは腐食の開始点です •製品ゾーンにはねじ継手はありません。スレッドは定義上、隙間です。クランプ式、フランジ式、またはサニタリー カップリングを使用します。
•最小3 mmの内径、角張ったポケットはありません。隅々まで製品が置かれ、何も流れない場所です。
•止まり穴やデッドレッグはありません。サーモウェルはボアと面一になるか、外側から完全に溶接されている必要があります。
•自己排出ジオメトリ。ラインがウェットクリーニングされている場合は、すべての低いポイントにドレンが必要であり、バレルはそれに向かって傾斜している必要があります。
•銅、真鍮、亜鉛との接触はありません。食品の酸や洗浄用化学物質がそれらを攻撃し、腐食生成物は汚染のリスクとなります。合金のオプションは、バイメタル押出バレルのページ。
•食品接触フレームワークに準拠したガスケットとシール— EPDM、PTFE、またはプラチナ硬化シリコン。コンプライアンス宣言をファイルに保存。パックの残りの部分については、ドキュメントチェックリスト。
規制ベースラインは確認されるのではなく想定されることが多いため、言及する価値があります。 EU の枠組みは規制 (EC) 1935/2004 であり、GMP は 2023/2006 に基づいています。米国では、食品と接触する材料については FDA 21 CFR Part 175–177 です。中国では、金属材料の場合は GB 4806.1 と GB 4806.9 です。材料証明書は準拠宣言ではありません。宣言を求め、それが実際の洗浄剤と温度範囲をカバーしているかどうかを確認してください。工場側の書類手続きはメーカープロフィールページ。
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4. ネジの構成: エネルギーはどこから来るのか
食品押出機では、スクリューが熱交換器です。バレルヒーターは壁の温度を設定しますが、製品を調理するエネルギーのほとんどは粘性散逸、つまり溶融物中の熱に変換される機械的仕事から来ています。その仕事は、特定の機械エネルギーとして測定されます。
SME (Wh/kg) = (トルク × スクリュー速度) / 送り速度、トルクは Nm、速度は rad/s、送り速度は kg/s で、ワット時に変換されます。 900 Nm および 400 rpm で 800 kg/h で稼働するラインは、製品に約 80 Wh/kg を投入しますが、これは軽食範囲の真ん中に位置します。に入力されるエネルギー高速押出ラインも同様に計算されます。
製品 典型的な中小企業 (Wh/kg) バレル内水分 製品温度 直展開型スナック 40～120 14～22% 140～180℃ 朝食用シリアル 60～150 15～25% 150～190℃ ペットフード、乾燥膨張 50～130 20～30% 110～150℃ 水生飼料 60～140 22～30% 110～150℃ テクスチャード植物性タンパク質 80～200 30～50% 140～180℃ 加工デンプン 30～100 18～28% 120～160℃ これらの範囲は参考であり、製品固有です。単一のレシピでどちらの方法でも 30 % 変動する可能性があります。これらは、ネジが何を提供する必要があるのか、したがって要素をどのように配置する必要があるのかを示すため便利です。搬送および混練ファミリーは、二軸エレメントガイド。
要素 食品ラインでの機能 どこへ行くのか 搬送、60～90°ピッチ 低充填時の供給と輸送 フィードゾーンおよび加工ゾーン間 搬送、30～45°ピッチ ビルドの充填長さと滞留時間 混練ブロックの前で、意図的に飢えさせたり、浸水させたりすること ニーディングブロック 30° 穏やかな分配混合、低SME タンパク質のテクスチャー加工、デリケートな製品 混練ブロック 60～90° 高せん断、デンプン糊化 中小企業の主な供給源である調理ゾーン 逆飛行要素 シールを溶かし、充填と圧力を上昇させます ベントの前、そしてダイの前 シャーロック / ナローディスク 集中的な局所せん断 微量成分の分散 配置は単一の要素よりも重要です。高せん断ブロックを早期に配置すると、デンプンが水和する前に SME が上昇します。水が吸収された後にそれらを遅く置くと、同じエネルギー入力から異なる生成物が得られます。のスクリューエレメントガイドは、搬送と混練の家族を詳細にカバーしており、同じ語彙が食品の仕事にも直接適用されます。
最初の仕様では、圧縮せずに搬送する供給ゾーン、SME が生成される 60 ～ 90 度の混練ブロックの調理ゾーン、およびダイ圧力を高めて揮発性物質を除去する逆エレメントを備えた計量ゾーンの 3 つのゾーンの観点から考えると役立ちます。の二軸スクリューエレメントの選定記事プラスチック側から同じ 3 ゾーンのロジックをたどります。
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5. 二ネジまたは一ネジ
両方が使用されており、選択は出力ではなく製品によって決まります。機械的な比較は次のとおりです。一軸ネジと二軸ネジ。
共回転二軸スクリュー 単ネジ 典型的なL/D 24–40 20～30 スクリュー速度 200～600rpm 80～300rpm 耐湿性 高 — 最大 50 % より低い;蒸気で滑りやすくなる レシピの柔軟性 高い;モジュール要素は再配置可能 固定ジオメトリ 混合 分散性と分散性を含めて優れています 均質なレシピに適しています 摩耗パターン 高圧ゾーンの混練ブロックチップとバレル 飛行着陸、給餌ゾーン 代表的な製品 ペットフード、TVP、シリアル、加工デンプン スナック、パスタ、簡易シリアル、菓子類 共回転二軸スクリューは、どちらも高い水分と柔軟なエネルギー入力を必要とするため、ペットフードとテクスチャードプロテインの主流となっています。のパラレルツインスクリューレンジそして円錐形の範囲比較する 2 つのプラットフォームです。円錐形の機械は、通常、供給物が大きく、利用可能な床面積が短い場合に選択され、低速での高トルクを適切に処理します。プラットフォームの違いについては、円錐二軸スクリューページ。
一軸スクリュー食品押出機は、依然として直接膨張スナックを製造する最も安価な方法です。溝のある供給セクションと 2.0 ～ 3.0 の圧縮比を利用して圧力を生成し、下流で水分を注入する蒸気を利用します。の高速シングルスクリューパイプやケーブルに使用されるものは別の動物です。湿った粘着性のあるデンプンはポリマー溶融のように挙動しないため、食品用のバージョンは動作が遅く、圧縮率がはるかに低くなります。プラスチックの比較は、高速HDPEパイプガイド。
重要な洞察— プラスチックのネジの図面から食品ラインのサイズを決定しないでください。供給原料が 20 % の水であり、製品がダイで膨張すると想定されると、圧縮比、供給セクション、および混合戦略がすべて変わります。のシングルとツインの比較は合理的な出発点ですが、湿った調理可能な飼料用に数値を再導出する必要があります。
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6. プロセスウィンドウ
窓は見た目よりも狭く、機械ではなく化学によって制限されています。温度制限PVC押出ラインこれは、化学境界の窓を持つもう一方の樹脂であるため、有用な対照です。
ゾーン 温度 何が起こっている 限界 餌 40～70℃ 伝える、まずは水分補給 80 °C を超えると飼料が粘着性になり、橋が架かるようになります。 水分補給・混合 70～110℃ 水を取り込み、でんぷんが膨潤し始める ランプが速すぎるとパーティクル内に乾いたコアが残ります 料理 120～180℃ 糊化、タンパク質変性 約 190 °C を超えると、メイラードの褐変と焼き付きが加速します。 ベント/揮発分除去 100～140℃ 蒸気と揮発物の除去 製品は飽和温度またはベントフラッドを超えている必要があります 死ぬ 130～190℃ 最終クック、終了時の展開 ダイ圧力 2 ～ 10 MPa。より高い崩壊拡張 問題のほとんどは 2 つの数字によって決まります。 1 つ目はでんぷんと水の系のガラス転移です。それより下では、生成物はガラスであり、膨張しません。十分な水を加えて糊化温度を超えると、それは溶融状態になります。 2つ目は金型圧力です。出口での膨張は圧力降下と過熱水のフラッシュオフによって引き起こされるため、制限が厳しすぎるダイでは、たとえ SME が正しかったとしても、緻密なガラス状の製品が得られます。ダイとブレーカー プレートの詳細については、交換ガイド。
通気については注目に値します。食品押出機は、蒸気と揮発性フレーバー化合物を除去するためにベントを使用し、食品押出機に適用されるのと同じ機械的ルールを使用します。通気口付きプラスチックバレルここに適用してください。ただし、食品ラインの通気口は製品ゾーンへの通路であるため、衛生上のリスクもあります。ベントの浸水は、プロセスの失敗であると同時に汚染イベントでもあります。
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7. 使用中の摩耗と腐食
食品および飼料の流れは、ガラス繊維化合物よりも研磨性が低いですが、腐食性が高く、その組み合わせにより、プラスチックとは異なる摩耗パターンが生じます。プラスチックのベースラインは平均余命ガイド。
機構 それが作用する場所 何がそれを動かすのか 緩和 塩化物孔食 CIP 接液部、ベント、ダイフェイス 飼料中の塩分、洗浄水中の塩素 最小 316L、高塩化物用デュプレックス、水質管理 ケースの腐食性攻撃 すべての接液面 1 ～ 2 % NaOH、60 ～ 80 °C 製品ゾーンには窒化部品はありません 摩耗 ニーディングブロックチップ、フライトランド 石灰石、骨粉、ミネラルプレミックス ハードフェーシングまたは両面仕上げ。再構築ではなくブロックを置き換える 焼けと炭化 ダイフェイス、最終混練ブロック、ベント 160℃を超えるタンパク質と還元糖 表面温度の低下、研磨、滞留時間の短縮 エロージョン・コロージョン ダイランド、リバースエレメント 高速湿 Contact us
