飼料造粒後處理懼熱生物材料之經驗

前言

        近年來飼料市場已有數種酵素及微生物菌劑成為常用成份,此等成份均為相當複雜的生物分子,其共同之特色為受到飼料製作過程中之預熱(conditioning),加工(Expanding),及製粒(Pelleting)條件影響,不甚穩定,因為飼料工業近年來技術趨向使用越來越高的溫度及蒸氣壓力,以改進造粒性狀,殺死飼料原料中之病原菌及病蟲害,同時增加飼料之可消化性。所以現代新式美國飼料廠,造粒所使用之蒸汽溫度甚高,往往會將預混之生物添加物完全殺滅。

        ChemGen公司之酵素產品以往是以粉狀成品與飼料混合後造粒,如預熱溫度超過華氏175度以上,原可期待之飼料換肉率開使受到影響。故ChemGen公司自1992年開始,發展出一項造粒後噴灑液狀酵素之技術以維持活性。

        此項技術之具體目標為噴灑液體酵素在飼料上其均勻及再現性與一般微量添加物相同,而且成本效益良好。

        至本文發稿日,ChemGen公司已使用本項技術於30家以上中大型飼料廠,應用在火雞,肉雞,及肉豬飼料中。本文將就此等現場應用之細節摘要報告於後,因其經濟不但對液體酵素有幫助,對其他造粒後噴灑添加物之製程應也有幫助。

活性測試

        本技術之開發過程需有可靠且方便的酵素活性測試方法,以隨時檢討各種操作條件變化對活性之影響,技術本身之可靠性則以該噴灑法之平均酵素添加量與理想量相比較(準確度),以及該噴灑法短期操作與長期操作所添加之酵素劑量差益度(應越小越好)而定。

        ChemGen公司所產之恆美酵素主要成份是乙型甘露聚糖醇,其測試方法為將樣品磨為細粉後浸入水中一小時,取其上清液即為酵素材料。將此酵素液與刺塊豆膠(主成份為乙型甘露聚糖)混合,依照Miller氏檢驗法(Miller et.al.1960,Anal. Biochem. 1:127)檢測還原糖反應。還原糖越多,表示酵素活性越高。本法之差益度(Coefficeint of Variation,CV)由一般經訓練之化學技術人員操作,對同一樣品所得之分析結果不超過5%。

        依此分析法對粉狀酵素在混合機(Mixer)中充份攪拌後採樣分析,其差益不超過8%,且活性保持100%。所以分析法對粉狀酵素在混合後之活性作為標準,以評估各後噴操作效果好壞。

配合飼料系統之設計

        欲達到前述後噴操作之理想目標,吾人應事先謹慎檢討現場飼料製造系統之環境,就下列各項問題一一探討,以設計噴液系統;

        一、在現在飼料製造系統中,是否已有噴液設備,噴入點為何,其噴灑之設備規格為何?

        二、現有飼料生產系統中在噴液點之飼料流量如何監測?此資訊可以供液體流量控制參考。

        三、噴灑設備是否穩妥可靠,不易故障,操作簡單易學?

        四、成本效益如何?

        即令是同一類飼料操作系統,每一間飼料工廠對於本身之操作環境都會有少許不同調整,所以每一項新安裝的噴液設備事實上需配合現場狀況訂作。其程序如下:

        首先,應對造粒機下游現場處理飼料之機械設備研究在何處安裝噴液設備較合適。如有必要,不妨以一套手提式噴灑設備在幾個選擇點試噴,以測試其噴灑前後之混合均勻程度。我們的心得是無論所用之幫浦或控制軟件有多靈巧智慧,如現場選擇噴點不當,或噴灑方式不當,結果都是失敗。一般而言,較有可能成功的噴灑點包括:

        •噴油設備

        •螺旋傳送機

        •特殊設計之傳送設備

        後文將報告此等不同噴灑點對於噴灑效果之影響。

        懼熱之液體噴灑於飼料上往往需使用特殊噴嘴,甚或以加壓空氣以協助霧化(Atomize)效果。理論上霧化後之液體因其個別粒子較小,涵蓋面積廣,混合應較為均勻。

        但是,如果加壓空氣噴射之方向有誤,就會將液體吹到不該去的地方;常見到紛亂的液滴與飼料粉塵混合後在廠區內黏在所有的設備上,造成安全及衛生的困擾。

        使用傳統噴嘴,因其液滴顆粒較大,不易被飼料製程所帶動之氣流吹亂,所以本公司最後決定以傳統扇型噴此為主要選擇。

        飼料通過噴灑點時應即刻啟動液體噴灑系統,當飼料停止通過噴灑點時,液體亦應即時停止。此期間全部飼料通過之量亦應有監測器紀錄,以便計算劑量。

        如此等啟動/停止之功能故障,會導致嚴重設備阻塞。一般如飼料廠中原已有自動噴油設備,則懼熱液體之噴灑控制不妨與噴油設備控制系統同步啟閉,較易處理。如飼料中原先沒有自動噴油設備,則有必要加裝可同時監測飼料流量及啟閉控制設備。例如撞擊擋板(Impact Plate)及秤重傳送帶(Weigh belt)即是。

        安裝此等器材會影響飼料廠正常操作秩序,投入額外資金。也有單位採用另一種設備,就是所謂可設定邏輯控制軟體〔Progammable Logic Controller (PLC) Software〕.以計算在噴灑點之飼料流率。

        ChemGen公司使用一種隔膜式化學計量幫浦來輸送被噴灑之液體。吾人認為此幫浦準確度、耐用度及功能再現性均十分穩定。再現性就是說,一旦設定幫浦於某一操作條件後,其送液速度及容量不必每次校對,十準確。吾人所使用之幫浦也可以擴張功能以同時輸送數種液體,每種液體之輸送條件均不相同,由電子控制推桿及體積變化設定數值。

        吾人也發現在每一個飼料廠之現場,操作員與控制系統,各種開關,警示燈及警報器,及自動調整控制之互動設計均有所不同。吾人因此盡量設計噴液控制系統與現行設計觀念相容,操作員所需手動之工作越少越好。

        噴液系統之整體成本可以大致分為兩部份:1. 噴液系統本身單元,例如幫浦,閥門,PLC等。2. 為安裝噴液系統所需作之現場修改。前者數字相當固定,各廠出入不大。後者就可能會因思路理念不同而有極大出入。舉例而言:對一般火雞飼料中之必備之油脂包埋器(Fat─Coater),加裝噴液系統就沒有什麼需要修改現場的問題。但在最新的肉雞飼料廠,往往沒有把油脂包埋器其螺旋傳送機設計進去,就必需額外改裝,所費金額以吾人之經驗而言,通常不超過10000美元。

安裝及現場驗證

        一般安裝新噴液系統至少包括下列各項工作,其排程如次:

        1. 在現場接水、電、加壓空氣,及控制電路。

        2. 連接噴液系統管路在預定之噴灑點。

        3. 改裝飼料製造系統以配合噴液系統之設計。

        4. 連接噴液系統各項控制管線及電路,完成安裝。

        前述第一項及第三項工作往往由外包商承作。完工之後,吾人之工程人員即可進場,通常於3─5天內可以將第二及第四項工作執行完畢。在完工後所需作的種種測試及各單元之間需於現場操作方能設定關係之流程概要請見圖一。

圖1. 飼料造粒係統噴液設備品管驗證互動關係圖

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        現場試車時多需特別設定幫浦速率(Pumping rate),PLC軟體所需之現場條件設定,及液體噴灑量之設定等。於噴液系統安裝完畢後,通常應定期收集樣品,由品管人員測試其酵素活性以監測系統操作是否正常。如現場業者不能測試活性,ChemGen公司隨時可提供此項服務。

現場噴液效果

        以下將吾人於各種不同之飼料工廠中安裝隔膜式幫浦噴液系統所獲之數據略加介紹,並將其飼料流量分列其後。

迴旋噴液機(Roto─coater):

        迴旋噴液機為一桶形設備,其中央有一中空之旋轉軸,自上穿過頂蓋後直到貼近底板。在其下方有一拱形液體分流圓盤,可高速旋轉。其上約1─2英尺有一稍大飼料轉盤,連於中空轉軸上,轉速較慢。操作時粒狀飼料自上方下落於飼料轉盤上,被均勻掃至四週圓桶壁後向下掠過液體分流轉盤外緣落至底板。同時,液體即通過中空轉軸噴灑於液體分流盤後被其高速旋轉之離心力向四週外緣下落之飼料"幕"均勻灑佈。吾人通常即以一支3/8英吋之不鏽鋼管套在油管中,專門輸送酵素液,同時利用原噴油系統之啟動控制及計時系統即可。在此系統中,油與水溶液噴上飼料前只有短暫數秒接觸時間,所以互相不產生顯著干擾。油之熱度對恆美酵素也止生影響。

        吾人以此設計數間飼料廠之現場處理數據列如圖二。此等飼料之迴旋噴液機下游都以螺旋傳送機送至儲槽後,再分裝於各飼料車外送至客戶。

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        圖二及以後各類似圖中之左軸刻度為酵素活性,以每公噸百萬單位計。右軸刻度為各飼料樣品之活性差異性(CV)。圖中之下方虛線代表標準差異(以粉末混合機批次處理後,多次取樣之差異),亦即均勻度之標準。上方虛線為每噸飼料所需標準酵素活性,亦即1億單位,為準確度之標準。每家飼料工廠以不同字母為代號,其上方之每一個符號為其飼料連續造粒並經後噴酵素液體後,於60秒中所取10個樣品之酵素活性平均值。每廠於數週中逢機取10組樣品。此10組樣品之差異度以長方條表達。

        自圖二可見:在七廠之中,G廠之飼料酵素活性差異度少10%,各樣品組之活性數值散佈狀況亦與標準值最接近,F,C,D廠之差異度其次,而A,B,E廠最差。查G,F廠連續生產系統均在其迴旋噴液機上游裝有一組裡擊式秤重器(Impact─style Load Cell),飼料撞擊該秤重器後,引發相對比例之電流,從而控制噴油及噴酵素液之幫浦轉速,使各液體之流量及流速與飼料通過迴旋噴液機之量同步增減。粒狀料自撞擊秤重器下滑時形成2英吋厚,16英吋寬之幕狀,流入迴旋噴液機。此時酵素液自該流動之幕狀飼料兩側各以一枚扇形噴嘴噴在飼料上,而非自迴旋噴液機中央旋轉噴灑。酵素之幫浦及儲槽則距噴嘴100碼以外的倉庫區。

        A廠及B廠之迴旋噴液機操作則為半自動式,其現場產量往往以人為設定,超過原設計產量50%。飼料生產線設備均十分老舊,飼料流速差異度往往超過10%以上,因此酵素噴液均勻度亦最差。

        C廠及D廠設備亦十分老式,但維修狀況良好,迴旋噴液機乃以批次式操作。整廠產量亦有超過設計能量之困擾。因其維修制度優良,能預先防範障礙發生,所以生產一向尚稱順利,因此酵素噴灑之均勻度較好也是理所當然。E廠之迴旋噴液機乃是該廠維修班自製。半自動方式操作,雖活性準確度尚可,其均勻度就不太行。吾人至今無法理解是何原故。因該機械原設計人無工程背景,故交談亦不得要領。

        在迴旋噴液機中將懼熱液體與油脂同時噴灑於飼料上,可以不用噴嘴,是其優點。但如原廠之迴旋噴液器設計或維修不良,則噴液操作不良,反而更糟。吾人同時也可依據酵素液與油脂在噴液後分佈均勻度之差別檢查迴旋加速機設計及操作中之微細瑕疵,因而改進原不理解之油脂噴料效果不良之問題。

螺旋傳送機(Augers)

        另外一個常用的噴液點是螺旋傳送機。吾人用過之螺旋傳送機種類眾多,無法一一詳細說明。大致可分為飼料被傳送同時有攪拌功能者或非攪拌者兩種。圖三顯示粒狀飼料於四種不同之螺旋傳送機中接受噴液之結果。其中三廠之噴後酵素活性與標準相差太大,不能接受。其噴液均勻度也均接近20%。D廠甚至超過20%。目前吾人只保留2條傳送機噴液系統(一為攪拌式,另一為螺旋式),其他均已停止使用。

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        據吾人觀察,傳送機之問題包括:

        a. 準確測量其中之飼料流量不易。

        b. 液體材料往往會在傳送器管壁或軸心積聚,造成誤差。

秤重帶噴液機(Weight-Belt Coaters)測試結果

        有些飼料廠使用量流噴液系統(Mass Flow Coater)或稱秤重帶噴液機(Weight-Belt Coaters)以於飼料造粒後噴油。吾人也對此種系統研究過其用於酵素噴液是否適合。圖四(略)粒狀飼料自上方落於秤重帶之一端,被帶到有秤重器之另一端後落入下槽。落下時飼料形成幕狀,油脂或酵素噴嘴即於此時自幕之兩邊啟動噴灑。稱重器可持續監測稱重帶上飼料之重量,並送出對比電流訊號(Analog electronic signal)至油脂及酵素幫浦上調頻控制器(Variable Frequency Drive)以控制各液體之流量。圖五顯示四家採用此種系統之飼料廠數據。各家之飼料於通過種重帶後即落入一台攪拌式螺旋傳送機中,送至儲槽。各家之飼料均勻度多在16%以下。但B廠之噴液濃度數值在每噸1億至1.4億單位之間,較為偏高。可能是該廠現場之秤重帶電子訊號受到干擾,以至液體幫浦誤以為秤重帶上之飼料量較高而多加過量液體之故。

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在不適當之設備上噴液之結果

        吾人在各種現場經驗中,當然也遇到過完全不適合造粒後噴液的飼料廠。圖六中報告數例:A廠在飼料自儲槽下載至運輸車輛時噴液;C及D廠在造粒模具下方出口處。顯然此等飼料噴後之液體均均度及活性準確度均不能符合工業要求標準。

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        在冷卻室中移出下落時之飼料量所形成之"幕"不夠厚,所以現場噴液時液體會穿過飼料幕,積聚於飼料設備上,造成浪費及不穩定。

        由儲槽下載至運輸車輛時,飼料之流速太快,無法控制,且飼料之"幕"過厚,雖裝月兩個不同角度之噴嘴,仍無法及時穿越至下落之飼料中心,故成績不佳。

        造粒模具下方噴液時,因該處往往有不同向熱風,且造粒後溫度猶高,均可能影響噴料均勻度及準確度。

配合現場專門設計之噴液設備效果

        在早期如飼料廠沒有現成的迴旋噴液機,秤重帶,或螺旋傳送機,吾人往往略過該廠,避免在其現場噴液。後來,吾人於製作小量試驗用之飼料配方時,往往使用一具手提式噴液機,在粒狀飼料由傳送帶送至儲槽前以手噴液。此期間飼料廠生產速度如維持穩定,所得之酵素均勻度及穩定性就成果良好。因此ChemGen工程人員就特別依其原理,就原廠之冷卻槽下方原來的飼料導流管加以修改,使飼料在其中之流"幕"厚度達1─2英吋,且加入兩片下斜45度角之擋板,使飼料之下落"幕"厚度均勻。噴嘴則在飼料"幕"之後方以避免受到此區域常見之亂氣流干擾。液體之流量由PLC設定與冷卻槽飼料流量同步控制。

        圖八顯示四間家禽飼料廠安裝此種設備之結果。四家均換裝新導流管,且有塑膠窗開口可供觀察。A廠與B廠已操作相當久,其均勻度及準確度也最好。C廠次之,D廠裝機時間最短,而其噴液準確度與均勻度也最差。檢討其原因,可能是現場亂氣流特別嚴重之故。

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湧流式冷卻槽(Up-flow Coolers)之噴液結果

        一般飼料廠經常會因為設備損耗而需更新。冷卻槽即是其中之一。許多傳統的水平式冷卻槽因此會以較新之湧流式冷卻槽取代。此種湧流式冷卻槽間歇式釋出飼料於下方傳送帶上。吾人即將導流管略為改裝成為可計量之緩衝槽,其中之計量儀以PLC與噴液幫浦聯線控制噴液量,而噴嘴設定於傳送帶出口。至目前為止,噴液穩定性及均勻度均尚可接受。但因設置之飼料廠數目不足,還不能作通案分析。

總結

        吾人證明飼料造粒後噴液系統確實可以少量成本在飼料廠中裝設,以添加懼熱之添加物。吾人所吏用之隔膜式幫浦來源多,世界各地均可購得。但採購時最好選擇功能較大者。此等經驗除酵素外亦可運用在維生素,生菌劑,或其它懼熱原料。噴灑成績最好之噴灑點在迴旋噴液機,秤重帶,或專門設計之冷卻槽導流管中。在螺旋傳送機中噴液之結果參差不一。但如能於過程中準確測試飼料流量或保持穩定流量,且噴液不會積在傳送機中,其結果亦可接受。噴灑點如設在冷卻槽出口端,飼料裝車口,或在造粒模具下方時,噴液效果不好。

飼料營養雜誌(p.4∼15)─利統公司、九八年十期