食品机械与设备

**章 绪 论 　　内容提要 　　本章对食品机械与设备进行了概括性的介绍，分别介绍了其分类和特点、材料及发展，其中食品机械与设备的材料是重点，要求学生在设计食品机械与设备时，在保证食品安全和卫生的前提下，会根据实际生产对材料力学性能的要求正确地选用材料。食品机械与设备的发展作为了解内容，希望学生能认识到在食品机械、设备等技术方面，我国与国外先进国家的差距，重视研发与创新。 　　食品机械与设备是指把食品原料加工成食品成品或半成品的一类专业机械与设备。人类食品的两大技术革命：一是源于火的发明，使人类从茹毛饮血变成食用熟制食品；二是食品机械与设备特别是灭菌机械的发明，使食品从熟制后必须即食即用转变为可在不同的时间及空间食用，而且出现了传统手工业根本无法做出的新食品，如奶粉、挤压食品等。随着人类生活水平的提高及对营养健康及高品质生活的追求，注重营养和安全的现代食品加工技术将会起到越来越重要的作用，作为衣、食、住、行四大人类生存必需品之一的食品加工业也已成为国民经济支柱产业。其中，现代化的食品机械与设备起着决定性的作用，可以说，没有现代化的食品机械与设备就没有现代食品加工技术，没有现代食品加工技术就没有现代食品加工业。食品机械与设备知识是食品加工从业人员不可或缺的基本知识。 　　**节 食品机械与设备的分类和特点 　　食品工业涉及的原料、产品种类繁多，加工工艺各异，其涉及的食品机械与设备的种类很多，且各有特点。 　　一、食品机械与设备的分类 　　关于食品机械与设备的分类，我国尚未制定统一的分类标准，行业内根据工作方便常有不同的分类方法，目前主要有两种分类方法：一是根据原料或产品类型分类；二是根据食品机械与设备的功能分类。 　　按原料或产品类型分类，可将食品机械与设备分为制糖机械、豆制品加工机械、焙烤食品机械、乳品机械、果蔬加工和保鲜机械、罐头食品机械、糖果食品机械、酿造机械、饮料机械、方便食品机械、调味品和添加剂制品机械等。 　　按其功能分类，可将食品机械与设备分为筛分与清洗机械、粉碎和切割机械、混合机械、分级分选机械、成型机械、分离机械、搅拌及均质机械、蒸煮煎熬机械、蒸发浓缩机械、干燥机械、烘烤机械、冷冻和冻结机械、挤压膨化机械、包装机械、输送机械、换热设备和容器等。 　　从研究、设计、制造和使用的角度看，以上两种分类方法对食品机械与设备的生产、发展都有一定的指导意义。以原料或产品进行分类，可以通过对各类食品加工生产涉及的各种作业机械的内部联系的研究，促进配套生产线的发展。以功能作为分类基础，有利于对各种设备或单元操作的机械原理、结构和生产率进行比较研究，从而可以在技术上以局部突破带动全面发展。 　　本书主要以食品机械与设备的功能进行分类，按照食品加工的一般流程，对原料预处理、加工、灭菌、包装一直到附属设备、控制等进行详细介绍。 　　二、食品机械与设备的特点 　　食品机械与设备具有以下特点。 　　1）品种多样：食品机械与设备类型多、品种杂，单机设备多。 　　2）多功能性：食品机械与设备具有一定程度的通用性，可用来加工不同的物料。此外，其还具有容易调节、调整模具方便和一机多用的特点。 　　3）卫生要求高。 　　4）清洗与拆装方便。 　　5）自动化程度越来越高。 　　6）与食品和腐蚀性介质直接接触，对食品机械与设备的材质磨损较大等。 　　7）工作环境特殊：如与水接触多，机械与设备所承受的湿度大；常处在高温或低温下工作，工作环境温差大。 　　第二节 食品机械与设备的材料 　　针对上面所介绍的食品机械与设备的特点，在选择其用材，特别是其与食品接触的材料时，除考虑一般的机械设计所需满足的如强度、刚度、耐震动等的机械特性外，生产质量管理规范（GMP）规定与食品半成品或成品直接接触的零部件应采用无毒、无腐蚀性、不与食品发生化学反应、不释放微粒或吸附食品的材质。 　　一、材料的性能 　　食品机械与设备材料的性能有机械性能、物理性能、耐腐蚀性能及制造工艺性能，其中前三项与食品加工应用关系较为密切。 　　1. 机械性能 机械性能包括强度、刚度和硬度。机械性能关系到食品机械与设备整机或部件的使用寿命。食品机械与设备一般属于轻型机械，大多数零部件受力较小，但由于轻型机械要求尽量降低整机质量和体积，零部件尺寸要尽量小，对材料的机械性能要求也不低。此外，食品机械与设备中涉及要用蒸汽加热的设备，属于压力容器或设备范畴，对设备材料的强度（许用应力）有比较高的要求。在食品机械与设备中处理大批量成件物品的机会较多，常能遇到高速往复运动的构件，对构件材料的疲劳强度要求比较高。食品机械与设备中的一些零部件常常要和大量物料相接触，而接触部位非常容易磨损，如锤片式粉碎机的锤片，对材料的耐磨性要求极高；食品切割设备中所使用的刀片容易钝化，对材料的耐磨性和硬度也有极高的要求。食品机械与设备在高温下（如烘烤机械）或是在低温下工作（如冻结机械，温度可达40～30℃，以液氮为介质的冻结机械工作温度更低），温度升高或降低，都会降低材料的许用应力，所以对关键部件的材料的强度都提出了更高的要求。 　　材料的强度取决于材料的材质，在材质一定的情况下，取决于材料的厚度。材料的厚度可以根据受力情况进行计算，如根据使用压力计算罐体材料厚度。 　　2. 物理性能 材料的物理性能包括材料的相对密度、比热容、热导率、软化温度、线膨胀系数、热辐射波谱、磁性、表面摩擦特性、抗黏附性等。不同的使用场合要求材料有不同的物理性能。例如，传热装置要求有高的热导率；食品的成型装置则要求有好的抗黏附性，以便脱模。 　　3. 耐腐蚀性能 食品机械与设备接触的食品物料大多带有酸性或弱碱性，有些本身就是酸或碱，如乙酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸、乳酸、酪酸、脂肪酸、盐酸、纯碱、小苏打等，这些物料对许多金属材料都有腐蚀作用，即使是普通食盐，非酸、非碱，对许多金属也会产生电化学腐蚀。有些食品物料本身没有腐蚀性，但是在微生物生长繁殖时会产生带有腐蚀性的代谢物，如碳酸等。如果材料因选择不当而遭受腐蚀，不仅会容易对机器本身造成破坏，更重要的是会造成食品的污染。例如，有些金属离子溶出进入食品中，会有损食品风味、营养甚至有损人体健康。所以食品机械与设备必须选用耐腐蚀性的材料，尤其需要注意食品与接触面材料的作用关系。 　　食品机械与设备的耐腐蚀程度取决于：①材料的化学性质、表面状态和受力状态；②物料介质的种类、浓度和温度等参数。在设备设计和选型时应予以重点考虑。 　　二、常用材料 　　食品机械与设备行业常用材料有钢铁材料、不锈钢、有色金属和非金属材料。 　　1. 钢铁材料 钢铁材料在耐磨、耐疲劳、耐冲击力等方面有其独特的优越性，因此在我国仍大量地被应用于食品机械与设备，特别是制粉机械、制面机械、膨化机械等中。在所使用的钢材中，碳素钢（含碳量＜1.35%）用量*多，主要是45和A3钢。这些钢材主要用于食品机械与设备的结构件中。铸铁材料（含碳量＞2%）用得*多的是灰口铸铁，用在机座、压辊及其他要求耐振动、耐磨损的地方。球墨铸铁和白口铸铁则分别被用于对综合机械性能要求较高和耐磨性要求较高的地方。表1-1是我国食品机械与设备关键零部件的钢铁材料使用情况。 　　表1-1 我国食品机械与设备关键零部件的钢铁材料使用情况（蒋迪清和唐伟强，2005） 　　2. 不锈钢 不锈钢是指在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的合金钢。不锈钢的基本成分为铁-铬合金和铁-铬-镍合金，另外还可以添加其他元素，如锆、钛、钼、锰、银、铌、铂、钨、铜、氮等。由于成分不同，不锈钢耐腐蚀的性能也不同。铁和铬是各种不锈钢的基本成分，实践证明，当钢中含铬量在12%以上时，就可以抵抗各种介质的腐蚀，一般不锈钢中的含铬量不超过28%。 　　（1）不锈钢的牌号及标识 不锈钢通常可按化学组成、性能特点和金相组织进行分类。对不锈钢的标识规则（命名规则），各国标准有所不同。我国现有国家标准对不锈钢进行标识的基本方法是化学元素符号与含量数字组合。这种标识符号中，铁元素及含量不标出，而主要标识出反映不锈钢防腐性和质构性的元素及其含量。例如，Cr18、Ni9分别表示不锈钢中铬和镍的质量分数是18%和9%。但是，碳元素及含量的标识较特殊，其元素符号“C”不进行标识，而只标识代表其含量的特定数字，并且放在其他元素标识符序列的前面。例如，1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9和00Cr17Ni14Mn2三种铬镍不锈钢标识代号中，**个数字1、0和00分别表示一般含碳量（≤0.15%）、低碳（≤0.08%）和超低碳（≤0.03%）。其后的元素符号及数字分别表示含铬18%和17%，含镍9%和14%，含锰2%。 　　国际上，一些国家常采用三位序列数字对不锈钢进行标识。例如，美国钢铁学会（AISI）分别用200、300和400系来标识各种标准级的可锻不锈钢。 　　常用不锈钢牌号的国内外标准标识对应关系如表1-2所示。 　　表1-2 常用不锈钢牌号的国内外标准标识对应关系 　　注：JIS表示日本工业标准；UNS表示“金属和合金统一数字编号系统”；L表示超低碳不锈钢，常用于采用焊接工艺制造的部件 　　不锈钢具有耐腐蚀、不锈、不变色、不变质和附着食品易于去除，以及良好的高、低温机械性能等优点，因而在食品机械与设备中被广泛应用。但不锈钢的抗腐蚀能力的大小是随其本身化学组成、加工状态、使用条件及环境介质类型而改变的。一些牌号的不锈钢一般情况下有优良的抗腐蚀能力，但条件改变后就很容易生锈。表1-2所列的304型和316型不锈钢是食品接触表面构件常用的不锈钢，前者可以满足一般的防腐要求，但耐盐（主要是其中的氯离子）性差，后者因成分中镍元素含量较前者高而具有良好的耐腐蚀性。因此，在食品机械与设备中，对耐腐蚀要求较高的接触表面材料多采用316型或316L型不锈钢。 　　（2）不锈钢的力学性能 材料的力学性能是指材料的屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度。材料的组成成分不同，则其力学性能也不同。以SUS321即1Cr18Ni9Ti为例，其力学性能如表1-3所示。 　　（3）不锈钢材料的应用 不锈钢主要应用于食品机械与设备的罐、锅、热交换器、浓缩装置、真空容器及泵、阀门、管等方面。此外，食品清洗机械和食品运输、保存、贮藏罐，以及因生锈将会影响食品卫生的器具，也使用不锈钢。我国食品机械与设备零部件不锈钢的使用情况见表1-4。 　　3. 有色金属 食品机械与设备中的有色金属材料主要是铝合金和铜合金。铝合金具有耐腐蚀和导热性能、低温性能、加工性能好及质量轻等优点，但有机酸等腐蚀性物质在一定的条件下可以造成对铝及铝合金的腐蚀。食品机械与设备中铝及铝合金的腐蚀，一方面影响机械的使用寿命，另一方面因腐蚀产物进入食品而有害于人们的身体健康。 　　铜合金的特点是热导率特别高。虽然铜具有一定的耐腐蚀性，但铜对一些食品成分，如维生素C有破坏作用。另外，有些产品（如乳制品）也因使用铜制容器而产生异味。所以，铜合金一般不用于直接接触食品，而是用于诸如制冷系统中的热交换器或者空气加热器等的设备中。 　　总之，以上有色金属材料基本都应用于不直接与食品接触的零部件或结构中。 　　4. 非金属材料 在食品机械与设备的结构中，除使用良好的金属材料之外，还广泛地使用非金属材料。 　　使用于食品机械与设备上的非金属材料主要是塑料。常用的塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯塑料及含粉状和纤维填料的酚醛塑料、层压塑料（酚醛夹布胶木、酚醛夹玻璃纤维塑料）、环氧树脂、聚酰胺、各种规格的泡沫塑料、聚碳酸酯塑料、氯化聚醚有机玻璃等。此外，还使用各种天然和合成的橡胶。 　　与传统的结构材料相比，塑料有一系列的优点：密度不大；化学稳定性高；有良好的摩擦特性；有良好的吸收噪声