干冰膨脹工藝參數(shù)對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響

康金嶺 范燕玲

（廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠，廣西 柳州 545005）

在干冰膨脹煙絲的生產(chǎn)過(guò)程中，目前普遍存在著煙絲耐加工性較差，造碎偏多等問(wèn)題［1］，膨脹煙絲整絲率普遍偏低，從而影響了膨脹煙絲的有效利用率。目前行業(yè)在干冰膨脹線各工藝參數(shù)對(duì)葉絲結(jié)構(gòu)如何優(yōu)化方面的研究較多［2－6］，但大多是通過(guò)單因素試驗(yàn)或正交試驗(yàn)法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行論證，在對(duì)影響指標(biāo)的最佳值判定方面的論述還未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)以膨脹煙絲整絲率為研究對(duì)象，在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)浸漬含水量、升華溫度、升華工藝風(fēng)速3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，利用響應(yīng)曲面法對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了最佳參數(shù)組合試驗(yàn)，為膨脹煙絲整絲率的最佳工藝參數(shù)的設(shè)定提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

烤煙片煙：膨脹煙絲（A1）配方，廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司；

干冰膨脹煙絲生產(chǎn)線：1 140kg／h型，秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司；

煙絲振動(dòng)分選篩：YQ－2型，中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院；

電子天平：PL203－IC型，梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司；

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取樣方法 取樣在同批次內(nèi)進(jìn)行，過(guò)程控制穩(wěn)定后每組參數(shù)對(duì)應(yīng)在柔性風(fēng)選出口振槽處取樣。其它各工藝參數(shù)不變，避免其它干擾因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1.2.2 樣品的制備 每次取樣1 000g，每參數(shù)取樣4次，四分法混合后為1個(gè)測(cè)試樣品，樣品自然冷卻至常溫稱重記錄為G1。

1.2.3 樣品的評(píng)價(jià)方法及計(jì)算公式 以膨脹煙絲整絲率（Y）為評(píng)價(jià)指標(biāo)。將樣品放置于振篩分選篩的皮帶上，啟動(dòng)振篩，收集3.35mm網(wǎng)孔和2.50mm網(wǎng)孔上的膨脹煙絲稱重記錄為G2。計(jì)算公式如下：

1.2.4 工藝參數(shù)的單因素試驗(yàn)

（1）在工藝流量1 140kg／h、升華溫度320℃，升華工藝風(fēng)速32m／s條件下，分別觀察不同浸漬含水率（19.0%，20.0%，21.0%，22.0%，23.0%）對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響。

（2）在工藝流量1 140kg／h、浸漬含水率21.0%，升華工藝風(fēng)速32m／s條件下，分別觀察不同升華溫度（300，310，320，330，340℃）對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響。

（3）在工藝流量1 140kg／h、浸漬含水率21.0%，升華溫度320℃條件下，分別觀察不同升華工藝風(fēng)速（32，33，34，35，36m／s）對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 膨脹煙絲整絲率的單因素試驗(yàn)

2.1.1 浸漬含水率對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響 由圖1可知，膨脹煙絲整絲率隨著浸漬含水率增加而增加，在浸漬含水率不超過(guò)21.0%時(shí)，膨脹煙絲整絲率增幅較大，當(dāng)浸漬含水率超過(guò)21.0%以后，隨著浸漬含水率的增加，膨脹煙絲整絲率又開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能隨著浸漬含水率的增加，影響了膨脹煙絲對(duì)液態(tài)二氧化碳的吸收，影響了膨脹煙絲的膨脹效果，因此選擇浸漬含水率工藝參數(shù)為21.0%。

圖1 浸漬含水率對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響折線圖Figure 1 The effects of dipping moisture content on the long strands of expanded cut tobacco influence line graph

2.1.2 升華溫度對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響 由圖2可知，膨脹煙絲整絲率隨著升華溫度的增加先增加后降低。膨脹煙絲整絲率在升華溫度320℃時(shí)有最大值。當(dāng)升華溫度超過(guò)320℃時(shí)，膨脹煙絲整絲率開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，故本試驗(yàn)選擇升華溫度工藝參數(shù)為320℃。

圖2 升華溫度對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響折線圖Figure 2 The effects of air temperature on the long strands of expanded cut tobacco influence line graph

2.1.3 升華工藝風(fēng)速對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響 由圖3可知，膨脹煙絲整絲率隨著管道風(fēng)速的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際綜合考慮（當(dāng)管道工藝風(fēng)速低于32m／s時(shí)，風(fēng)送管道有堵料現(xiàn)象），故選擇升華工藝風(fēng)速為32m／s。

圖3 升華工藝風(fēng)速對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響折線圖Figure 3 The effects of pipeline wind speed on the long strands of expanded cut tobacco influence line graph

2.2 曲面響應(yīng)法優(yōu)化膨脹煙絲整絲率

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，運(yùn)用DOE設(shè)計(jì)，對(duì)影響膨脹煙絲整絲率的浸漬含水量、升華溫度、升華工藝風(fēng)速三參數(shù)，采用Minitab－16設(shè)計(jì)軟件編制了Box－Behnken曲面響應(yīng)法三因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平的設(shè)計(jì)編碼和計(jì)算分析結(jié)果，見(jiàn)表1～3。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平及編碼表Table 1 Design experiment vairables levels and coding table

2.2.1 各因素對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響分析 為了分析各因素對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響，以膨脹煙絲整絲率為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（Y），對(duì)Minitab分析軟件的ANOVA表進(jìn)行分析，從分析結(jié)果得到上述3個(gè)因素與膨脹煙絲整絲率的回歸方程：

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，模型中 X1、X2、X3、X21、X22、X1X3、X2X3高度顯著，X23、X1X2顯著，說(shuō)明浸漬含水量、升華溫度、升華工藝風(fēng)速對(duì)膨脹煙絲整絲率都存在顯著影響。模型顯著性極高，誤差項(xiàng)不顯著，從擬合的總效果看，模型沒(méi)有失擬現(xiàn)象，證明總體模型有效，模型可以代替真實(shí)的試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析［7］。

表2 Box－Behnken的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Table 2 Box－Behnken design experiments and results

表3 響應(yīng)值的方差分析表?Table 3 Variance analysis of response value

2.2.2 各因素及交互作用對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響 各試驗(yàn)因素及相互間交互作用對(duì)膨脹煙絲整絲率影響見(jiàn)圖4～6。

圖4 浸漬含水率與升華溫度對(duì)膨脹煙絲整絲率的響應(yīng)曲面與等值線圖Figure 4 Response surface and contour line of the MC and AT for the POLS

從以上各因素間的響應(yīng)曲面圖可以看出：圖4中浸漬含水率曲面更陡，說(shuō)明浸漬含水率對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響比升華溫度顯著；圖5表明浸漬含水率同樣對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響比工藝風(fēng)速更加顯著；圖6顯示工藝風(fēng)速比升華溫度對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響更顯著［8］；從綜合方差分析表可以看出，工藝風(fēng)速對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響最大，浸漬含水率影響次之，升華溫度影響最小。

2.2.3 最佳工藝條件的優(yōu)化及驗(yàn)證 通過(guò) Minitab－16軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行最優(yōu)運(yùn)算，得出Y的最大值為最優(yōu)解，最大值點(diǎn)（X1，X2，X3）的原始代碼值分別為（0.53，1.00，－1.00），對(duì)應(yīng)的實(shí)際值分別為浸漬含水率20.47%、升華溫度340℃，升華工藝風(fēng)速30m／s，理論上膨脹煙絲整絲率最大值為71.47%，在本參數(shù)條件下進(jìn)行的3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)顯示膨脹煙絲整絲率平均值為71.56%，與理論計(jì)算值一致，證明試驗(yàn)方程有效可靠。

3 結(jié)論

浸漬含水量、升華溫度、升華工藝風(fēng)速對(duì)膨脹煙絲整絲率均有顯著的影響，且參數(shù)之間有顯著的交互作用。其中工藝風(fēng)速對(duì)膨脹煙絲整絲率的影響最大，浸漬含水率對(duì)膨脹煙絲整絲率影響次之，升華溫度對(duì)膨脹煙絲整絲率影響最小。

通過(guò)Minitab－16設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行的響應(yīng)面試驗(yàn)驗(yàn)證，膨脹煙絲整絲率最佳工藝參數(shù)值為浸漬含水率20.5%、升華溫度340℃，升華工藝風(fēng)速30m／s，該條件下膨脹煙絲整絲率最大值為71.50%。

圖5 浸漬含水率與工藝風(fēng)速對(duì)膨脹煙絲整絲率的響應(yīng)曲面與等值線圖Figure 5 Response surface and contour line of the MC and PWS for the POLS

圖6 升華溫度與工藝風(fēng)速對(duì)膨脹煙絲整絲率的響應(yīng)曲面與等值線圖Figure 6 Response surface and contour line of the AT and PWS for the POLS

1 資文華，王慧，番紹軍，等.干冰膨脹煙絲加工過(guò)程參數(shù)優(yōu)化研究［J］.煙草科技，2008（1）：8～18.

2 楊文超.提高膨脹煙絲耐加工性的探索［C］／／中國(guó)煙草學(xué)會(huì)工業(yè)專業(yè)委員會(huì)工藝學(xué)組2010年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.青島：中國(guó)煙草協(xié)會(huì)出版社，2010：178～181.

3 李永祥，楊文超.干冰法制膨絲降低CO2單耗的改進(jìn)方法［C］／／中國(guó)煙草學(xué)會(huì)第五屆理事會(huì)第三次會(huì)議暨學(xué)術(shù)年會(huì).廣州：中國(guó)煙草協(xié)會(huì)出版社，2007：126～132.

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5 邱其芳.二氧化碳膨脹工藝特性研究［J］.韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，29（9）：52～54.

6 林天勤，吳永生.干冰膨脹煙絲流量控制的改進(jìn)［J］.煙草科技，2006（10）：31～32.

7 康金嶺，黃賢飛，劉遠(yuǎn)濤，等.預(yù)處理工藝對(duì)煙梗回透率的影響［J］.食品與機(jī)械，2012，28（6）：205～240.

8 韋小玲，康金嶺.管板式烘絲機(jī)工藝參數(shù)對(duì)卷煙香氣的影響［J］.食品與機(jī)械，2012，28（6）：193～196.