混合捏合机械设备的应用与优化

捏合是指将含液量较少的粉体或高黏度物质和胶体物质与微量细粉末的混合物加工成可塑性物质或胶状物质的操作。这类操作的典型例子包括面团、蛋糕糊及口香糖糕的制备等。捏合操作的实质是固体与液体的混合操作，所以，捏合操作有时也称为固液混合或调和操作。

捏合操作多用专门的捏合设备完成。由于捏合操作所处理的是流动性差的粉体或胶体物性的原料，并且要求得到的是均一的塑性体或高黏度浆体和胶体物，因此，捏合机的搅拌叶片要格外坚固，能承受巨大的作用力，容器的壳体也要具有足够的强度和刚度。

捏合设备大多数是容器固定的间歇式搅拌设备。根据搅拌器件转轴取向，这类设备可分为卧式和立式两种形式。按轴的数量可分单轴式和双轴式两种形式。

一、卧式混合捏合设备

（一）单轴卧式和面机

典型单轴卧式和面机外形如图6-20所示，主要由和面槽、机座、搅拌件、传统系统等构成。这类设备的混合槽截面一般呈U形，体积一般不大，适用于中小规模生产。混合槽多为可倾式，以方便出料。传统系统主要有驱动搅拌件转动的主电机和变速系统，通常还有一副电机及传统系统供混合槽倾倒和复位。

这种和面机的搅拌器件因用途不同而异。用于制备韧性面团的搅拌器如图6-21所示，大致可分为螺旋和滚笼两种型式。这些搅拌器件结构使形成的面团受到以折叠和拉伸为主的操作。图6-21（1）、（2）所示的搅拌器与和面槽配合，工作时面团受到两个旋向相反的螺旋搅拌叶作用主要朝和面槽端面运动，再从端面折回，如此反复受到拉伸折叠作用。第（2）种型式因无轴，所以不会有面团抱轴现象。

图6-20 典型单轴卧式和面机

图6-21（3）所示的搅拌器件为滚笼式（也称为行星式），它主要由一对夹辊件、数个直辊及中轴组成。夹辊件规定了直辊相对于中轴的分布形状，常见形式有Y形、X形和S形等。直辊分为带活动套管和不带活动套管两种形式。带活动套管的在和面时可自由转动，减少直辊与面团间的摩擦及硬挤压，从而可以降低功率消耗，减少对面筋的破坏。直辊可平行于或倾斜于（倾角为5°左右）搅拌轴线安装。后者直辊相对于中轴回转半径不同，作用是促进面团的轴向流动。有的搅拌器两夹辊件间无中心轴，可避免面团抱轴或中间调粉不均匀的现象。

图6-21 各种韧性面团搅拌器

滚笼式搅拌器和面时，对面团有举、打、折、揉、压、拉等操作（图6-22），有助于面团的捏合，如果搅拌器结构参数选择合适，还可利用搅拌的反转将捏合好的面团自动抛出容器，可省去一套容器翻转机构，降低设备成本。

图6-22 滚笼式搅拌器调和面团过程示意

滚笼式搅拌器的特点：结构简单、制造方便、机械切割作用弱，有利于面筋网络的生成。但操作时间长，面团形成慢。滚笼式搅拌器适用于调和水面团、韧性面团等经过发酵或不发酵的面团。

用于酥性面团制备的和面槽和搅拌器如图6-23所示。这种类型和面机的搅拌件一般为直桨叶，搅拌轴垂直、沿轴呈辐射状排列，而和面槽内壁装有固定的横切桨。当主轴进行回转时，轴上的桨叶和槽壁上的横切桨叶会对物料产生压缩、剪切、捏合与对流混合等作用，物料在上述四种动作的协同作用下，很快便能混合均匀。这类和面机对物料的剪切作用很强，但拉伸作用弱，对面筋的形成具有一定破坏作用。另外，由于搅拌轴装在容器中心，近轴处物料运动速度低，若投粉量少或操作不当易造成抱轴及搅拌不匀的现象。这种桨叶式搅拌器结构简单，成本低，适用于揉制酥性面团。

图6-23 用于酥性面团的搅拌件及和面槽

（二）双轴卧式捏合设备

1.双臂式捏合机

双臂式捏合机是一种用于可塑物捏合作业的典型双轴式捏合设备，其处理的对象范围广，食品加工中用得很多。此机广泛用于面包、饼干制造业中面粉、水、酵母和其他原辅料的均匀混合与捏合。在巧克力制造工业中，用于可可液浆、糖粉和乳粉等的捏合混合。

双臂式捏合机如图6-24所示，主要由一对转子、混合室及驱动装置等组成。由于通常使用的两根搅拌转子呈Z字形，因此这种捏合机也常称为Z形捏合机。转子形式有多种（见图6-25），但以Z形最常见。小型捏合机的转子多为实心体，大型捏合机转子设计成空腔形式，可在转子内通入加热或冷却介质。

图6-24 双臂式捏合机

图6-25 捏合机转子形式

混合槽底部呈W形或鞍形（图6-26）。混合槽也可做成夹套式，通入加热或冷却介质。可带盖或不带盖，带盖的捏合机与槽体具有很好的密封性能，可使混合室在真空或加压的条件下进行操作。混合槽一般为可倾式，由人工或电机驱动将槽体的一侧竖起可供出料或清洗。小型设备人工操纵即可，中型或大型设备则在支承轴上装齿轮，由电动或手动手柄进行操作。有些混合槽底部开设有排料口，打开排料口阀门或闸门即可进行排料。

转子在混合室槽的安装如图6-26所示，有相切式和相交式两种形式。

相切式安装时，两转子外缘运动迹线是相切的；转子可以同向旋转，也可相向旋转，常用转子间速比为1.5∶1、2∶1和3∶1。相切式安装的捏合机的转子旋转时，物料在两转子相切处受到强烈剪切。同向旋转的转子或转速比大的转子间的剪切力可能达到很大的数值。此外，转子外缘与混合室壁的间隙内，物料也受到强烈剪切。除剪切作用以外，转子的旋转翻转作用能有效地促进物料各组分混合。由于转子相切式安装具有上述特点，故此类捏合机特别适用于初始状态为片状、条状或块状物料的混合。

图6-26 转子安装形式

相交式安装时，两转子外缘运动轨迹线是相交的。相交式安装的转子，只能相向旋转，由于运动迹线相交，为避免搅拌臂相碰，两臂的转速比只能用1∶2和1∶1。相交式安装的转子外缘与混合室壁间隙很小，一般在1mm左右，在这样小的间隙中，物料将受到强烈剪切、挤压作用，不仅可以增加混合（或捏合）效果，同时可以有效地除掉混合室壁上的滞料，有自洁作用。适用于粉状、糊状或黏稠液态物料的混合。(www.xing528.com)

2.双轴式和面机

这是专门用于和面的双轴式搅拌混合捏合设备。这类设备基本构成与双臂式捏合机类似，和面槽也呈W形，有一对搅拌轴，搅拌桨叶也分酥性面团和韧性面团用的两类，基本形状与单轴式的相似，但每台有一对搅拌器件。用于酥性面团制备的搅拌器采用的也是呈辐射状排列的直桨叶。与双臂捏合机一样，两个搅拌器桨叶外缘轨迹既可相切，也可相叠。图6-27所示为曲桨式和直桨式双轴搅拌件在和面槽内的排列情形。值得一提的是，曲桨式搅拌器两轴的转速也受搅拌器安装方式制约，但对于直桨式搅拌器，如两轴桨叶错开排列，则转速没有限制。

图6-27 相交方式排列的双轴和面机搅拌器

二、立式混合捏合设备

（一）单轴立式混合捏合设备

单轴立式混合捏合设备常称为混合锅，其主体由搅拌器与不带盖的容器构成。根据搅拌器与容器的运动状态分为两种形式（图6-28），一种是容器固定式，典型代表设备是立式打蛋机，另一种是容器转动式，典型代表机种是立式和面机。两种情形下，搅拌器件在自转轴均可相对于容器轴心作圆周运动，从而可对容器内各部位的物料产生周期性的搅拌作用。

1.立式打蛋机

立式打蛋机外形如图6-29所示，主要由锅体（容器）、搅拌器、传动装置及容器升降机构等组成。

打蛋机锅体由一段短圆筒和一个半球形器底制成，扣装在可以升降的锅体耳座上，通过人工操纵手柄升降。

图6-28 混合锅结构原理图

搅拌器有多种形式，使用较多的有如图6-30所示的3种形式。搅拌器在锅体内作行星运动，主轴转速范围为20～80r/min，其搅拌器自身转速范围为 70～270r/min。由于搅拌器转速高，所以打蛋机也常称为高速调和机。搅拌器与锅壁间隙很小，搅拌作用可遍及锅内全部物料。

图6-29 立式打蛋机

图6-30 打蛋机搅拌器件形式

打蛋机的工作原理为：通过自身搅拌器的高速旋转，强制搅打，使得被搅拌物料充分接触与剧烈摩擦，以实现对物料的混合、乳化、充气及排除部分水分的作用，从而满足某些食品加工工艺的特殊要求。

打蛋机在食品生产中有较多应用。主要加工对象是黏稠性浆体，常被用来搅打软糖制造中的蛋白液、半软糖的糖浆、生产蛋糕、杏元饼的面浆，以及花式糕点上的装饰乳酪等。生产砂型奶糖时，通过搅拌可使蔗糖分子形成微小结晶体，俗称“打砂”操作；在生产充气糖果时，将浸泡的干蛋白、蛋白发泡粉、明胶溶液及浓糖浆等混合搅拌后，可得到洁白、多孔性的充气蛋白糖浆体。

2.单轴立式和面机

如图6-31所示为一种单轴立式和面机外形，主要由锅体、搅拌器、机架及传动装置等构成。锅体固定在转动盘上，因而工作时可以转动。

搅拌器（即混合元件）偏心安装于靠近锅壁处作固定的转动。混合元件形式主要以钩形为主，并在锅中心处立有一根固定棒，以防止面团抱住搅拌器。

立式和面机的工作过程是，转盘带动锅体作圆周运动，使锅内所有物料反复循环受到混合元件的混合作用。

这种和面机在食品工业中应用较广，特别适用于高黏度食品配料混合和捏合，如调制面包面团，糕点糖果的原料混合也经常采用这种设备。

（二）双轴立式和面机

双轴立式和面机如图6-32所示，主要由传动装置、机架、搅拌器、控制箱、和面桶及升降器等构成。这种和面机的传动装置位于顶部梁架，驱动一对搅拌器件以不同速度转动。搅拌器件可以方便地进行更换，以适应不同性状面团的制备需要。和面桶是由两个圆筒相叠成俯视呈∞形的容器，下部带有可移动的小轮和在机架升降器定位的结构，容积较大，每次可制备500kg面团。操作时，由升降器将和面桶升到适当位置，完成制备后再降下。

图6-31 立式和面机

图6-32 双轴立式和面机