摘 要 针对生物发酵豆粕物料的特性，对其在干燥过程中物性的水分变化过程进行研究。根据生产实际中采集的数据与理论计算进行比较分析，得出发酵豆粕在烘干过程中的干燥特性曲线，为生产发酵豆粕的烘干工艺研究与设备的设计提供参考。
关键词 生物；发酵；豆粕；干燥
中图分类号 S818.9
近几年生物发酵豆粕作为新型高蛋白饲料在我国的发展相当迅速，在湖北、广东、江西、河北等地发酵豆粕饲料的生产已形成相当的规模，从发展趋势上看，发酵豆粕在畜禽、水产养殖应用潜力巨大，前景相当广阔。但发酵豆粕工艺技术上仍有许多不足之处，其中发酵后的豆粕烘干就是一个薄弱环节，干燥部分约占加工成本的50%以上，对产品的质量和利润的控制影响较大。目前许多生产厂家发酵豆粕的干燥工艺主要是根据以往饲料的烘干工艺和设备进行操作，并根据临场经验进行调整，没有专用的烘干设备，产品质量不能令人满意，干燥时往往会出现物料温度不均匀，表面干了内部未干或温度太高破坏品质，外表焦化等现象。出现这种状况是由于生产者不清楚发酵豆粕的物料特性，没有掌握正确的烘干工艺和针对发酵豆粕研制的专用烘干装备。因此对发酵豆粕的物性和烘干过程进行研究，了解其烘干特性，对产品质量的提高、成本的降低和规模化生产有重大意义。
1 发酵豆粕所含水分性质及特点
1.1 水分性质
1.1.1 结合水分
结合水分主要是指物料细胞或纤维管及毛细管中所含的水分。这种水分是以化学力或物理化学力与物料结合的，结合力较强。结合水分的水蒸气分压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，降低了水蒸气向空气扩散的传质推动力，难以去除。如豆粕本身的内涵水分。
1.1.2 非结合水分
非结合水分指存在于豆粕表面的吸附水分及空隙间的水分，其与豆粕以机械力结合，结合力较弱。非结合水分的蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，故较易去除。如豆粕发酵时加入的水。
1.1.3 平衡水分
当发酵豆粕与一定温度及湿度的空气相接触时，势必会放出或吸收水分而达到一定平衡状态，此时豆粕表面的水蒸气压等于空气中的水蒸气分压，豆粕中所含的水分就称为豆粕在此空气状态下的平衡水分。
1.1.4 自由水分
物料中所含大于平衡水分的那部分水分，即发酵豆粕在烘干过程中可以去除的那部分水分。
1.2 物料特点
经生物发酵后的豆粕具有一定的黏性，根据发酵工艺和采用的菌种不同，水分在30%~48%之间，用手捏紧有积团现象，呈金黄颜色，有微酸性味。
应当说明的是结合水分与非结合水分的区别取决于豆粕本身的特性，而平衡水分与自由水分，还取决于干燥介质的状况。也就是说在恒定干燥的条件下，发酵豆粕含水率呈现稳定的变化趋势，因此通过烘干过程测试若干时间点上发酵豆粕的温度和含水率，可以完整了解发酵豆粕的干燥特性，对烘干工艺的制定和设备设计选型将起到指导作用。
2 发酵豆粕的干燥曲线和干燥速率曲线
2.1 数据采集的条件
以湛江银恒集团生物科技有限公司发酵豆粕生产实际所记录的数据来绘制干燥特性曲线。该公司采用中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所提供的带有搅拌装置的流化床干燥机，干燥介质为空气经蒸汽换热器换热，进风温度为130 ℃，物料的初始水分30.75%，进料时排气温度为73 ℃，成品含水率8.5％，出料的排气温度为65 ℃，单位取样时间间隔为2.5 min，测试20 min该流化干燥机的成品产量为500 kg(绝干物料457.5 kg)，绝干物料的干燥面积为0.037 m2/kg。
2.2 发酵豆粕的干燥曲线
根据干燥过程中测得的数据（见表1）绘制出发酵豆粕在该恒定条件下的干燥曲线见图1。
根据表1算出单位时间间隔内的蒸发水量，从而了解干燥时不同时间段内，发酵豆粕水分的变化状况(见表2)。
3 结果与讨论
3.1 干燥曲线探讨
从图1中可以反映出发酵豆粕干燥时的干基含水率(c)、出风温度(tc)与时间的对应关系。在A阶段，物料处于预热阶段，物料表面的干基含水率缓慢降低，而出风温度在经过2 min左右的缓慢降低后开始快速下降，说明此时物料中的非结合水分快速吸收热量蒸发，干燥速率也随着物料温度的提高而上升，物料由预热阶段变成为升速阶段。到B阶段，此时物料的干基含水率迅速下降，且与时间呈线性关系，此时出风温度维持在相对稳定状态，物料表面水分汽化所吸收的热量等于补充的热量，物料的表面温度等于空气的湿球温度，干燥速率达到最大值，该阶段蒸发的水量占到总蒸发水量的51％，此阶段被称为恒速干燥阶段。在C阶段干燥曲线的斜率逐渐平缓说明此时发酵豆粕表面已不能维持湿润状态，物料内部的结合水分开始向外扩散，但扩散速率低于表面汽化速率，使得外部补充的热量大于水分汽化所吸收的热量，出风温度与物料温度开始逐步上升。随着物料内部结合水分扩散的困难程度增加，可汽化的水分越来越少，出风温度与物料温度上升加剧，再继续烘干达到平衡含水率时，此时干燥速率趋于零，此后继续干燥也不能降低干基含水率，此阶段被称为降速干燥阶段。
从表1中可以看到该发酵豆粕只要经13~15 min的干燥，其含水率就能达到成品的要求。
3.2 干燥速率曲线
从发酵豆粕的干燥曲线中可以看出，物料在不同的干基含水率情况下，干燥速率呈现对应关系，为了更精确的了解发酵豆粕的干燥特性，更利于生产实践，需绘制干燥速率曲线。
干燥速率的定义为单位时间、单位干燥表面积汽化的水分量，以v表示。
式中：qm，c——湿物料中的绝对干物料量，kg；
c——干基含水率，水/干物料；
式（2）中的负号表示干基含水率c随时间的增加而减少。
3.2.1 恒速干燥速率（v0）
欲绘制干燥速率曲线，最重要的是求出恒速干燥条件下的干燥速率（v0），在恒速干燥阶段，干燥速率v=v0=常数，可由干燥速率曲线查得，由式（2）得：
式中：t1——恒速阶段的干燥时间，s或h；
qm，c——湿物料中的绝对干物料量，kg；
S——干燥表面积，m2；
c1——物料初始干基含水率，水/干物料；
c0——物料临界干基含水率，水/干物料。
根据实际测得的数据，已知t1＝0.083 h；qm，c=457.5 kg；S＝16.93 m2；c1＝0.38水/干物料；c0＝0.18水/干物料。将已知条件代入得：
3.2.2 升速阶段干燥速率v1
从干燥的前2 min的情况来看，初始阶段的干燥速率是比较缓慢，几乎从零速开始，这与发酵豆粕的物料特性有关。不同工艺生产的发酵豆粕初始干燥速率变化较大，有些发酵豆粕品种的初始烘干速率较高，升速阶段几乎可以忽略不计，应根据实际测试结果来确定。从图1中曲线的变化趋势可以看出，升速阶段的时间t0约为5 min。
3.2.3 降速阶段
此阶段干燥时间的计算通常采用简便的计算方法，即用连接临界点C与平衡含水率D的直线来代替降速干燥阶段的干燥速率曲线，实际就是假定在降速阶段中，干燥速率与物料中自由水分（c－cp）成正比。则有：
则物料的总干燥时间：
t＝t0＋t1＋t2＝0.08+0.083+0.124＝0.29 h＝17.4 min
计算结果与干燥曲线吻合，由此可绘出发酵豆粕的干燥速率c－v曲线图（见图2）。
3.3 干燥速率曲线探讨
由图2可以看出发酵豆粕的烘干过程与其它物料的干燥速率曲线相类似，分为升速、恒速和降速三个阶段。在升速阶段，湿物料通过预热进行升温，同时一部分表面结合水分汽化与物料分离，直至物料温度与热空气的湿球温度相同。此时工艺过程进入恒速阶段，物料表面充分湿润，干燥速率由表面水分汽化速率所控制，为一恒定值，此过程的时间占全部烘干过程的1/4，却占全部蒸发水量的1/2，是烘干工艺的主要阶段。当物料的干基含水率降至0.18水/干物料以下时，则进入降速干燥阶段，物料表面不再能维持足够湿润，开始有结合水被汽化。此时水分由物料内部向表面的扩散和表面水分的汽化同时进行着，但内部扩散的速率低于表面汽化的速率，所以此阶段的干燥速率由内部扩散速率控制。随着豆粕内水分的不断减少，物料表面变成干区，使得实际汽化面积减小，汽化面逐渐向物料内部移动，增加了固体内部的传质阻力，造成干燥速率下降。当豆粕的干基含水率降至0.06水/干物料时，干燥速率趋于零，此后再继续干燥也不能降低物料的含水率。所以此时的干基含水率就是该状态下发酵豆粕的平衡含水率。与恒速阶段比较，降速干燥去除的水分相对较小，所需的时间更长。
4 结论
4.1 根据发酵豆粕在恒定条件下的干燥曲线(见图1)和干燥速率曲线（见图2）可以看出，与大多数物料的干燥曲线相比，发酵豆粕的预热阶段比较长，占总烘干时间的25％。其主要原因是豆粕在发酵过程中发生生化反应，豆粕表面的蛋白质大量乳化变性，变得较为黏稠，使得小片状的豆粕颗粒相互黏结，输送过程很容易成块状、团状形态，不利于内部水分的转移蒸发，使得发酵豆粕在开始阶段去水缓慢。经过2～3 min的烘干，黏结状物料表面水分逐渐降低，物料表面呈现松脆多孔的状态，并且设备不断的搅拌，物料不断的撞击碎裂，使得物料的整体干燥面积不断的增加，从而干燥速率迅速上升，很快进入理想的恒速干燥状态。
4.2 从发酵豆粕的恒定干燥条件下的干燥曲线（见图1）可以看出，在降速阶段干燥曲线与大多数物料的干燥曲线相比仍有较大斜率，说明此时物料仍有较大的干燥速率。产生这种状况的原因同样是由发酵豆粕的物料性质决定的。在发酵豆粕的平均含水率低于13％时，豆粕呈松脆状态，除较硬的表皮及胚芽外，受外力作用极易破碎，从而使表面积不断增加，使得仍有一定的干燥速率。所以，当发酵豆粕的含水率降至临界含水率（0.18水/干物料）以下时，发酵豆粕的表面含水率已经低于13％，豆粕不断的碎裂使干燥面积增加，提高了水分的汽化。发酵豆粕的这种物料特性对烘干十分有利，可大大缩短降速干燥的工艺时间。因此降速干燥阶段也是重要的去水过程。
4.3 此外发酵豆粕烘干速率还取决于烘干的温度与物料的烘干表面积。提高烘干温度可提高烘干速率，减少烘干时间。但极有可能影响发酵豆粕的品质，发酵豆粕水分高又有黏性，过高的干燥温度极易使物料表面温度过热产生焦化，反而影响物料内部水分的转移速度，且产生能源浪费，增加了能耗成本。因此在通常条件下，不建议以大幅提高烘干温度来提高产量。对于发酵豆粕的烘干温度，通常控制在120～130 ℃之间较为经济合理。同时，为了提高发酵豆粕的烘干速率，可用增大物料表面积的方法。在烘干设备内部加装搅拌装置，通过搅拌使黏团的发酵豆粕在干燥过程中表面水分蒸发即被碰撞碎裂，增大与干燥介质的接触面积，使团状物料随干燥时间增加而消失，从而大大提高水分蒸发量，加快烘干进程。利用这种方法，在实际生产中取得了十分理想的效果。
虞宗敢，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，高级工程师，200092，上海市赤峰路63号。
高翔、周荣，单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期：2007-07-23