鮮繭減壓煮繭的工藝研究及生產效果

卜獻鴻, 程 明, 段春穩, 陳祥平, 任強勝, 李 帆

(1.四川省絲綢科學研究院有限公司,成都 610031; 2.四川省絲綢工程技術研究中心,成都 610031;3.現代繭絲綢制造技術資源四川省科技資源共享服務平臺,成都 610031)

中國的鮮繭繅絲于2003年前后起源于山東,因當地人喜愛食用鮮蛹,小規模民營制絲企業探索鮮繭繅絲應運而生,鮮繭收購后直接真空滲透繅絲。因鮮繭放置一定時間會出蛾,所以繅制的時間很短,企業干繭、鮮繭交替生產,生產工藝也在摸索中逐步改進,這是中國鮮繭繅絲的星星之火。隨著冷凍技術的發展,鮮繭經過冷藏冷凍后,可以防止蛹出蛾,并可以適當提高絲膠的穩定性,實現了全年鮮繭繅絲。鮮繭繅絲與干繭繅絲相比,具有副產品附加值高、節能、降耗等顯著優勢,近十年在中國生絲主產地都有規?；a。其中廣西從2014年開始了鮮繭繅絲,到目前約有80%以上的繅絲企業在蠶繭收購季節生產鮮繭絲。各繅絲企業因地制宜,積極探索創新,在鮮繭收購、冷藏冷凍、繅絲工藝、設備生產管理等環節上積累了豐富的實踐經驗,企業、科研單位及高校進行了鮮繭繅絲工藝及鮮繭生絲品質的研究[1-3],到目前形成了干繭、鮮繭繅絲并存格局。2020年4月,中國絲綢協會發布了T/CSATC 4—2020《鮮繭繅絲技術規程》團體標準。

目前鮮繭繅絲通過冷藏冷凍貯藏鮮繭,生產時主要采用真空滲透后繅絲,有極少數企業真空滲透后采用長籠煮繭機煮繭,近幾年來減壓自動煮繭機煮鮮繭也得到了廣泛應用,繅絲、復搖、整理與干繭繅絲工藝基本相同。

1 鮮繭繅絲存在的主要問題及原因分析

1.1 存在的主要問題

采用真空滲透繅絲或真空滲透后用長籠煮繭設備煮繭(簡稱“長籠煮繭”),由于繭絲絲膠沒有得到充分膨潤,繭層只得到濕潤而沒有煮熟,因此制約了高品位鮮繭生絲的生產。鮮繭生絲在清潔、潔凈、抱合成績上與干繭絲有較大差別,特別是生絲的抱合成績與干繭絲存在較大差距[4-5];干繭生絲的抱合成績,在浸漬前后指標變化不明顯,但鮮繭生絲浸漬后抱合指標急劇下降,降低到50次以下。鮮繭生絲在絡絲、并絲、捻絲等絲織準備工序容易產生絲膠脫落,斷頭率明顯高于干繭生絲;用作經線絲會造成織造開口不清、生絲分股、斷裂等問題,生產效率低;綢面糙疵多,練白綢平方米質量低于干繭絲面料,達不到染色坯綢質量要求,鮮繭生絲只能生產中、低端綢緞產品,因此亟需解決鮮繭生絲質量瓶頸問題。

1.2 問題的成因

繭絲絲膠由易溶性絲膠和難溶性絲膠組成,易溶性絲膠凝固時,黏著而有彈性,難溶性絲膠凝固時不如易溶性絲膠具有的聚合性和黏性。在現代制絲工程中,煮繭是關鍵環節,煮繭可以使難溶絲膠向易溶絲膠轉化,其轉化關鍵在于煮繭的煮熟溫度。通過煮繭,可以軟化膨潤絲膠,離解絲膠膠著點,減少颣節,使繭絲絲膠具有黏性,提高生絲質量,降低繭耗,提高生產效率[6]。煮繭包含滲透、煮熟、調整、保護等工藝流程,其中煮熟包含了吐水、蒸煮兩個過程,通過蒸汽熱能使繭腔的水達到一定溫度產生汽化沸騰吐出繭層,然后蒸汽能量進入繭層內部,煮熟繭層。

真空滲透只能濕潤繭層,沒有煮熟功能,絲膠膨潤程度不夠。在自動繅索緒過程中,雖然也有90 ℃以上的高溫區,但其功能是使蠶繭表面絲膠膨潤軟化,引出緒絲。在索緒鍋中,鮮繭繭腔中含有水,熱能只能作用在蠶繭的表層,并且時間短,繭層的表層和中內層的溫差很大,索緒湯鍋的熱量無法使繭層內部溫度達到90 ℃以上,故只能促進表層繭絲絲膠的膨潤、溶失,并且極不均勻。如果開高索緒溫度,又會使蠶繭表層過熟,甚至煮崩潰,其結果是增大繭耗,增加萬米吊糙,因此索緒達不到煮熟繭層的目的。

煮繭技術的理論研究和工藝是建立在干繭繅絲基礎上,設備采用機外真空滲透+長籠煮繭機、減壓自動煮繭機。長籠煮繭機吐水依靠飽和蒸汽的熱能,將蒸汽能量通過繭層傳遞到繭腔,使繭腔的水產生氣化,在繭腔內溫度達到一定程度并產生一定壓力后才能發生吐水。根據徐帥等[7]測試的干繭吐水表明:當繭腔溫度上升到85 ℃時,開始吐水;溫度達到95～98 ℃時,吐水較快,為吐水的主要部分;溫度達到99 ℃時,吐水趨于結束。吐水的快慢,主要取決于繭腔內部溫度上升的快慢,而吐水的多少,主要取決于較高溫度(95 ℃以上)作用時間的長短,不同的原料溫度有一定差別。在實際生產中,采用測試繭腔外部溫度,即蒸煮室室溫,一般情況下,蒸煮室室溫達到100 ℃時繭腔水溫才能達到98 ℃。吐水的機理是隨著溫度的上升,水分的蒸發愈加劇烈,導致繭腔內部壓強變大;另一方面,絲膠發生膨潤溶解,水分子、絲膠分子動能加大,水、汽分子更易進出繭層,這時水便流出。吐水過程伴隨著絲膠溶失,如果絲膠溶失過度,會將繭層煮成網狀,根據干繭繭層絲膠溶解率與溫度的關系[8],絲膠溶解率隨水溫的升高而增加,當水溫升到80 ℃以上時,絲膠溶解率急劇增加。鮮繭由于沒有烘干環節,絲膠變性小,抗煮性差,更加容易溶失。鮮繭吐水,同樣需要較高的溫度,但高溫會將繭層煮崩潰,因此長籠煮繭機煮鮮繭只能采用低溫不吐水方法,本質上是表煮,沒有煮熟繭層。

鮮繭繅絲由于缺少蠶繭繭層煮熟這個關鍵環節,繭絲絲膠得不到充分膨潤和適當溶失,膠著點沒有打開,降低了清潔、潔凈成績;絲膠缺少黏性,嚴重影響抱合成績;同時鮮繭繅絲繭耗、生產效率的潛力沒有得到充分挖掘。

2 減壓煮繭技術煮鮮繭的工藝研究及實踐

2.1 減壓煮鮮繭的機理

水的沸點溫度隨著真空度的提高而降低,其變化規律如表1所示。即在一定的真空度下,水可以在較低溫度下實現蒸發和沸騰,從而增加水分子動能。減壓煮繭技術應用這個原理,在吐水工藝中采用“真空+蒸汽”方法[9],如圖1所示。減壓煮繭機罐體采用雙向進汽管設計,在吐水時段,通過程序設計使減壓煮繭機主罐上進蒸汽、下抽真空,或者下進蒸汽上抽真空的不同組合,形成負壓狀態,降低水的沸點,實現低溫吐水。真空降低水的沸點、蒸汽給予蠶繭熱能,繭腔吐水溫度比傳統技術降低20 ℃以上,有效地控制了絲膠溶失率。

表1 水的沸點與真空度對應關系

圖1 “真空+蒸汽”吐水方法示意

減壓自動煮繭機以罐蓋可啟閉的密閉式罐體為結構主體,鮮繭在一定真空狀態下吐水、蒸煮,大幅降低了水沸騰溫度,熱傳遞采用負壓狀態下對流方式,提高了蒸汽熱交換能力和均勻程度。鮮繭通過真空滲透后繭腔內充滿大量低溫水,水溫一般在28～35 ℃,這時蠶繭繭層得到濕潤,繭層間隙含有一定水分,但并沒有滲入到絲膠分子內部,需要在一定能量情況下將水吐出,增加繭層膨潤程度。單純采用較高的真空也能將繭腔的水吐出,但由于沒有熱能量,只起到逆滲透作用,達不到膨潤絲膠的目的,因此減壓煮繭在吐水、蒸煮過程中,采用“真空+蒸汽”方法。經測試,某莊口鮮繭在吐水、蒸煮時的罐體內的真空度、溫度變化情況如圖2所示,不同莊口工藝參數有差別,但規律基本一致。

圖2 鮮繭吐水、蒸煮過程中真空度和溫度變化曲線

該莊口鮮繭吐水過程中,真空度在0→-0.06→-0.085→-0.093→-0.095→-0.06 MPa區間變化,溫度從36→44→52→68 ℃,呈現逐步上升,特別是在繭腔吐水峰值后,溫度快速上升、真空度降低。根據表1中水的沸點與真空度對應關系得知,真空度越高水的沸點越低,減壓煮繭吐水工藝處理過程中,在“真空+蒸汽”的實施下,繭腔的水處于沸騰狀態,沸騰汽化的作用增加了水分子動能,隨著溫度提高,繭腔中的水吐出。經過長期的工藝測試表明:干繭在75 ℃、鮮繭在70 ℃以下繭腔可以吐完水,達到工藝要求,在此溫度下吐水不會導致絲膠大量溶失。吐水狀態可以通過圖1中的上視鏡、下視鏡觀察。吐水結束后程序進入蒸煮時序,在蒸煮過程中,罐體有一定真空度,送入的蒸汽在罐體內流動形成熱對流,能快速進入到鮮繭中、內層,蒸煮溫度可以達到90～100 ℃,由于繭腔沒有水介質,絲膠也不會大量溶失,絲膠得到充分膨潤,可將蠶繭繭層煮熟、煮勻。

2.2 減壓煮鮮繭工藝研究

減壓自動煮繭機采用PLC程序控制,煮繭生產過程的全封閉、真空滲透與煮繭一體化結構、自動化運行[10],完成蠶繭真空滲透、繭腔雙向減壓吐水、蠶繭雙向減壓蒸煮、煮熟平衡、調整保護等煮繭工藝及流程。每個煮繭流程包含若干個時段,煮繭程序共設置40個時序,即T1～T40。減壓自動煮繭機的煮繭方法是將蠶繭放置到主罐中,蠶繭煮繭過程靜置密封,設備結構采用雙向進汽管設計,煮熟時雙向交替進汽方式進行吐水、蒸煮,邊減壓(抽真空)邊進蒸汽,蒸汽與真空形成對流,罐內蒸汽溫度迅速均勻,蠶繭吐完水后,繭層含水充分,在蒸煮時蒸汽熱能才能進入到繭層中、內層,從而煮熟煮勻繭層。主要工藝參數為滲透水溫和調整水溫的設置、煮繭過程中時間設置、吐水和蒸煮時跳轉溫度(達到設置溫度后程序自動運行到下個時序)設置,工藝參數設置好后,設備及工藝全自動運行。

2016年起首先在山東郯城某企業開展了減壓自動煮繭機煮鮮繭的生產實踐,之后在全國繭絲綢主產區進行了工藝研究、探索,不斷研發鮮繭煮繭程序并進行測試、驗證、總結、完善,建立起一套完整的適用于鮮繭繅絲的煮繭技術體系及工藝路線,其關鍵流程的工藝如下。

2.2.1 滲 透

鮮繭冷庫處理有冷藏、冷凍兩種方法,內染、死籠較多的蠶繭采用冷凍處理為宜,在滲透后蛹體還沒完全解凍情況下吐水,避免蛹體污染物質影響繭層。由于各地氣溫差別很大及蠶繭出庫時間有所不同,滲透溫度要靈活控制,一般在32～45 ℃,以鮮繭滲透復壓后罐體溫度控制在28～30 ℃為宜。如果滲透溫度設置過低,繭腔水溫度低,從而造成蠶繭吐水困難。鮮繭繭層網狀空隙比干繭大,因此抽真空的時間可以適當減少,滲透工藝如表2所示。

表2 真空滲透工藝參數設置

2.2.2 吐 水

設備自動運行將滲透水排出主罐后進行吐水工藝處理。由于繭層有一定厚度,為了使繭層均衡含水,在吐水時先采用下進蒸汽上抽真空方法,將主罐下層鮮繭的繭腔水吐完并轉移到輔罐;然后通過時序T17將主罐上層鮮繭繭腔水吐完。吐水情況可以通過主罐下視鏡觀察,如果吐水過慢,可以提高滲透溫度2～3 ℃,反之降低滲透溫度,吐水工藝設置包括時間設置和跳轉溫度設置,工藝控制要求如表3所示。

表3 吐水工藝參數設置

2.2.3 蒸 煮

在蒸煮過程中,通過上進蒸汽主輔罐連通(T18)、下抽真空將主罐積水排入輔罐(T19)、下進蒸汽(T20)、靜置(T21)完成蠶繭繭層煮熟,真空度逐步減少,溫度增加,工藝控制如表4所示。

表4 蒸煮工藝參數設置

2.2.4 調整、保護

采用“真空+進水”方法完成蠶繭調整吸水[11],一般調整水溫設置為35～45 ℃,即邊抽真空邊依次進調整水、滲透水、常溫水,進入不同溫度的水起到降溫保護鮮繭外層作用。調整吸水時繭腔中含有水蒸氣,遇到水后急劇收縮,蠶繭吸入水,真空的作用將蠶繭膨脹起來,水產生沸騰,水分子能夠均勻地進入到繭層、繭腔,提高了繭層吸水能力,繭層增厚效果明顯,繭絲絲膠膠著力降低,離解好,繭腔氣泡小,工藝如表5所示。

表5 調整吸水工藝

繭腔吸完水后,對主罐抽出一部分水后采用主罐上淋常溫水、下排部分水,進一步降溫,起到保護外層絲膠作用,出繭溫度一般控制在30～35 ℃。

減壓煮繭機煮鮮繭的工藝設置及優化,要根據原料冷藏、冷凍工藝情況來優選滲透溫度;通過測試原料的解舒率、繭層率等蠶繭繭質工藝指標,來確定吐水、蒸煮溫度及時間參數設置;結合黑板清潔潔凈成績,來進一步精準修正工藝。

3 減壓煮鮮繭技術應用及效果

自2016年在山東開始應用減壓自動煮繭機煮鮮繭,取得了明顯成效,近幾年來在山東、江蘇、云南、廣西等地的諸多企業得到推廣應用,對提高生絲質量、降低繭耗、提高生產效率起到了顯著作用。

3.1 提高生絲品質

3.1.1 挖掘繭質潛力

鮮繭通過減壓煮繭后,絲膠得到充分膨潤,解舒率顯著提高,解舒光折大幅降低。繭質測試對比如表6所示。

表6 減壓煮繭與真空滲透繭質測試數據對比

3.1.2 提高清潔、潔凈成績

通過“真空+”技術,打開絲膠膠著點,清潔、潔凈成績大幅提高,生絲質量關鍵指標清潔、潔凈成績對比如表7所示。對照生絲標準制約質量的核心指標潔凈成績由4A級提高到5A級以上水平,生絲等級提高接近1個等級。

表7 清潔、潔凈成績對比

3.1.3 提高抱合成績

鮮繭通過煮繭,煮熟、煮勻了蠶繭外中內層,絲膠有黏性,生絲抱合成績在織造廠經緯線浸漬后大幅提升[12],通過海關測試的抱合成績對比如表8所示。

表8 抱合成績對比

鮮繭通過減壓自動煮繭機煮繭,繅制的生絲抱合從110次下降到緯線浸漬后的71次,下降比例為35.5%;鮮繭只滲透后繅絲,抱合次數從浸漬前的92次,急劇下降到緯線浸漬后的34次,下降比例為63%。長籠煮繭抱合成績變化規律與真空滲透變化規律基本接近,從變化趨勢來看,減壓煮鮮繭抱合成績得到顯著改善。

3.1.4 提高生絲等級

廣西某制絲企業之前采用真空滲透后繅絲,生絲廠檢等級4A,采用減壓煮鮮繭繅制的等級達到5A標準。隨機抽取10批生絲,經浙江湖州公檢等級為5A33,其中清潔平均成績為99.50分、潔凈平均成績94.83分,達到了高等級生絲質量要求,織造企業用于高端綢緞生產,使用效果良好。

3.2 降低繭耗、提高生產效率

鮮繭經過減壓煮繭機煮繭后,繭絲離解程度得到提高,解舒率可以提高5個百分點以上。在繅絲生產中,車頭索理緒效率得到提高,落緒繭、回索繭減少,緒絲量降低,蛹襯變薄,大幅降低了繭耗。表9為各地企業生產對比情況。

表9 各地制絲企業繭耗對比

各地制絲企業采用減壓煮繭與真空滲透方法處理鮮繭,測試的萬米吊糙和繅絲車速對比表明,萬米吊糙一般下降0.2～0.5次,繅絲車速提高10～20 r/min,特別是對解舒率較低的原料,改善作用更加顯著。

3.3 提高噸絲效益

利用減壓自動煮繭機煮鮮繭,生絲質量提高1個等級,生絲銷售價格提高5 000元/t以上;消耗降低13 kg,按單價45元/kg計算,噸絲繭耗節約5 850元;生產效率提高5%以上,噸絲加工費下降2 000元左右,噸絲提質降耗綜合增效可達1.2萬元以上,經濟效益顯著。

4 結 論

通過對減壓自動煮繭機煮鮮繭的工藝研究表明,采用“真空+蒸汽”的方法,降低了吐水溫度,有效控制了絲膠溶失率;在繭腔不含水的狀態下進行負壓蒸煮,蒸汽熱能通過熱對流方式快速進入鮮繭中、內層,達到均勻煮熟繭層的目的,使繭層絲膠充分均勻膨潤軟和。經生產驗證,減壓自動煮繭機煮鮮繭,生產的生絲清潔、潔凈、浸漬后抱合成績得到明顯提高,突破了鮮繭絲質量瓶頸,使鮮繭絲可用于高端綢緞生產,鮮繭噸絲綜合效益顯著提高。

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