生物发酵豆粕饲料干燥技术的研究虞宗敢高翔周荣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。

本文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；饲料；干燥近几年生物发酵豆粕作为兴起的新型高蛋白饲料在我国的发展相当迅速，发酵豆粕采用高科技生物技术，利用微生物发酵和酶解，消除了豆粕中的抗营养因子，含有丰富的有益于动物生长发育消化的蛋白小肽，各种氨基酸、益生菌、乳酸菌等营养成分，使豆粕中的蛋白质被动物充分吸收利用。

该产品可替代鱼粉、酵母粉及等量的乳清粉，作为高效能的多酶蛋白饲料添加剂和高档蛋白饲料。

由于其拥有优良的品质饲用价值提高，所以市场的价格大大高于豆粕。

发酵豆粕本身的生产成本较低廉，所产生的利润十分巨大，已被越来越多的饲料生产企业作为一种正式的战略型饲料产品来进行开发。

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，发酵豆粕在禽蓄、水产养殖应用潜力巨大前景相当广阔。

但是从目前的生产状况看，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，没有专用的烘干装备，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 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。

1.2 非结合水分非结合水分指存在与豆粕表面的吸附水分及空隙间的水分。

这种水分与豆粕以机械力结合，结合力较弱。

非结合水的蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，故交易去除。

如豆粕发酵时加入的水。

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。

1.4 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处的那部分水分。

1.5 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，发酵豆粕含水率的变化状况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，可以完整的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130o C，物料的初始水分30.75%，进料时排气温度为73o C，成品含水率8.5％，出料的排气温度为65o C，单位取样时间间隔为2.5分钟，测试20分钟该流化干燥机的成品产量为500kg，绝干物料的干燥面积为0.037m2/kg。

2.2 发酵豆粕的干燥曲线表1恒定条件下干燥过程中的参数根据测得的数据绘制出发酵豆粕在该恒定条件下的干燥曲线图图1 恒定条件下发酵豆粕的干燥曲线根据表1算出单位时间间隔内的蒸发水量，从而了解干燥时不同间段内，发酵豆粕水分的变化状况。

表2 不同时间段内物料的水分变化情况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t与时间的对应关系。

在A阶段物料处于预热阶段，物料表面的含水率缓慢降低，而排气温度在经过2分钟左右的缓慢降低后进入快速下降，说明此时物料中的非结合水分快速吸受热量蒸发，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，此时排气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，该阶段蒸发的水量直接占到总蒸发水量的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，排气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，排气与物料温度上升加剧，再继续烘干达到平衡含水率时，此时干燥速率趋为零，此后继续干燥也不能降低含水率，此阶段被称为降速干燥阶段。

表1中可以看到该发酵豆粕只要经13－15分钟的干燥，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。

3.2.1 恒速干燥速率v 0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。

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v 0，在恒速干燥阶段，干燥速率v=v 0=常数。

v 0——恒速阶段的干燥速率，可由干燥速率曲线查得。

0m q dcv S dt=- （1） 将上式分离变量后积分：⎰⎰-=011,0c c c m t dc S q dt ν)(010,1c c S q t c m -=ν 则 ,0101()m c q v c c St =- （2）式中 t 1=恒速阶段的干燥时间，s 或h ；q m ，c =湿物料中的绝对干物料量，kg S ＝表面干燥面积，m 2c 1＝物料初始干基含水率，kg 水/kg 干物质； c 0＝物料临界干基含水率，kg 水/kg 干物质。

已知 t 1＝0.083hq m ，c =457kg S ＝16.93m 2/kgc 1＝0.38kg 水/kg 干物质 c 0＝0.18kg 水/kg 干物质将已知条件代入得()0457.50.380.1816.930.083v =-´＝65.12kg/(m 2·h)3.2.2 升速阶段干燥速率v 1从干燥的前两分钟的情况来，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。

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E 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 －c 2）成正比。

则有c pK c c c c =-=-002νν（3）式中K c ――比例系数，kg/（m 2·s ）即CE 直线的斜率。

将上式变形代入式（1）中，得：)(,p c c m c c K dtdcS q -=⋅-=ν （4）将上式分离变量并积分：⎰⎰--=202,0c c pc cm t c c dcS K q dt pp c c m c c c c SK q t --=20,2lnppp c m c c c c c c S q ---⋅=2000,lnν （5） 已知 q m ，c ＝457kgS ＝16.93m 2v 0=＝65.12kg/(m 2·h) c 0＝0.18kg 水/kg 干物质 c p ＝0.06kg 水/kg 干物质c 2＝0.07kg 水/kg 干物质（成品干基含水率） 代入式（5），得457.50.180.060.180.06ln 16.9365.120.070.06--=- =0.124h 则物料的总干燥时间：t ＝t 0＋t 1＋t 2＝0.08+0.08+0.124＝0.29h ＝17.4min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 0－v 曲线图图2 恒定干燥条件下发酵豆粕的干燥速率曲线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他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c降至0.18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0.06kg水/kg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（图1）和干燥速率曲线（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％。

产生此情况的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，变得较为粘稠，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分钟的烘干，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。