再造烟叶实验室辊压法薄片装置的开发及应用

刘兴乐，张敦铁，王吉利，杨俊鹏，朱 峰，夏 璠，王 昊，邓 杰

（1.湖北中烟工业有限责任公司，武汉 430040；2.青岛颐中科技有限公司，山东青岛 266071）

近年来，加热卷烟迅速发展，加热卷烟主要是通过加热器具对雾化基材进行加热，加热温度（低于350 ℃）不会使雾化基材燃烧，相较于烟草燃烧产生的有害成分更少，降低了健康和安全风险［1］。市场在售的加热卷烟按雾化基材分为再造烟叶类、烟丝类、烟草颗粒类。再造烟叶类能够较好地保留烟草物料的原有品质，具有可扩展性较强、雾化剂承载较高等优点，再造烟叶类是目前加热卷烟雾化基材使用的主要原料，根据加工工艺的不同又分为稠浆法、辊压法、干法和造纸法。但干法负载的均匀性难以保证，厚度及定量的控制成本高；造纸法存在雾化剂负载量低、能耗高、木质气息重等缺点。因此，目前稠浆法、辊压法是国内外雾化基材使用比例较多的再造烟叶薄片工艺［2］。

薄片成型工艺与装置是稠浆法、辊压法再造烟叶加工的关键工艺和重要设备。由于国内研究起步较晚，其薄片特性［3，4］、传热与烟气释放［5-7］、加工工艺［8-12］等方面均处于起步阶段。赵文涛等［13］设计了一种气溶胶形成基材的辊压成型装置及成型系统。该辊压成型装置主要包括3 个压辊组件，前2 个压辊分别制备雾化片材和加香片材，然后通过第3 个压辊将雾化片材和加香片材辊压成型。王林宝等［14］设计了一种稠浆法再造烟叶逗号刮刀涂布成型装置，设计的逗号刮刀可提高浆料的稳定性。刘义宏等［15］设计了一种稠浆薄片制作成型机及操作方法，设计了稠浆浇筑盒装置和卵磷脂喷嘴装置。王子维等［16］开发了一种稠浆法烟草薄片试制设备，将试制装置设计为浇筑模盒移动、钢带固定的形式，能够有效节约空间和减小体积，但与实际加工工艺相差较大。上述文献表明，与稠浆成型工艺及设备相比，辊压成型工艺具有技术较成熟、设备占地面积小、操作简单方便等优点。

目前公布的辊压成型设备多用于生产加工，实验室辊压成型的装置较少。为了更好地推动加热卷烟专用烟叶原料、特色香精、雾化体系等研究，参考生产线的辊压成型设备，研发一款再造烟叶实验室辊压法薄片装置。同时对实验室干燥参数进行研究及优化，以期更好地控制及提升薄片质量。

1 材料与方法

1.1 材料

选择单等级烟叶原料，将烟叶原料样品精磨至200～300 目，作为实验室再造烟叶加工的烟叶原料。

1.2 仪器

先驱ZDJ-1S 型卡尔费休水分测定仪，北京先驱威锋技术开发公司；FED260 型烘箱，德国BINDER公司；ME204/02 型电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；PURELAB Classic 纯水发生器，英国ELGA LabWater 公司；Dispensette® S Organic 瓶口分液器，德国Brand 公司；HY-8A 型回旋振荡器，常州华冠仪器制造有限公司。

1.3 试剂

自制去离子水，电阻率为18 MΩ·cm；甲醇，德国Merck 公司；AR 异丙醇、无吡啶卡尔·费休试剂，国药集团化学试剂有限公司。

1.4 试验方法

参考GB/T 23357—2009《烟草及烟草制品水分的测定卡尔费休法》对薄片样品含水率进行测定［17］；再造烟叶感官评价由具有卷烟感官质量评吸资质的10 位评吸专家完成。按照湖北中烟工业有限责任公司的企业标准《电加热卷烟感官技术要求》，对薄片的劲头（10 分）、香味（30 分）、烟气（20分）、余味（15 分）、刺激（15 分）、均匀性（10 分）6 个指标进行评价与打分，采用百分制，各项指标均以0.5分为记分单位，取10位评吸专家感官评价的平均值。

2 辊压薄片试制设备开发与应用

2.1 实验室辊压法薄片装置

2.1.1 结构与原理 实验室辊压法薄片装置主要用于实验室条件下辊压薄片的成型，试制装置主要包括辊压模块、厚度控制模块、薄片剥离模块、热风干燥模块，如图1 所示。实验室辊压法薄片装置的工作原理是按产品设计以及工艺配方，将烟叶、烟梗、碎片粉碎后与外加纤维、粘胶剂、雾化剂等充分混合，设置两辊距离，将混合好的薄片浆料放置于辊压机两辊间，两压辊在电机的驱动下，产生差速挤压转动，将松散的物料挤出，由铲刀铲下再送至料斗，并重复上述过程，最终形成符合要求的薄片。

图1 实验室辊压法薄片装置结构示意图

辊压模块主要包括移动辊、固定辊、薄片宽度控制板、轴承座、底座、皮带和伺服电机，如图2 所示。伺服电机通过皮带驱动2 个压辊转动，独立电机驱动，可以根据试验需求设置移动辊、固定辊转动速率，从而使挤压出的薄片附着在固定辊上并带出。两辊中间有2 块薄片宽度控制板，通过调整2 块板的间距，实现指定宽度的薄片生产。

图2 辊压模块示意图

辊压厚度控制模块通过调节压辊间隙来控制薄片厚度，采用精密丝杠传动，丝杠采用伺服电机驱动，如图3 所示。辊压厚度控制模块主要包括伺服电机、丝杠、压力传感器、移动轴承座、移动辊、固定辊和固定轴承座。为了控制两侧推移压力，添加压力传感器，可根据两侧压力值大小，判断压辊是否倾斜以及压辊间隙。根据设定厚度与测定厚度，实时调节厚度参数，通过调节伺服电机来带动减速机构，再通过精密丝杆带动轴承座，实现移动辊的前后移动。移动辊两端各设置一套伺服驱动调整系统，可对移动辊两端同时进行调节，也可单独对其中一端进行调节，确保薄片厚度和均匀性的稳定。

图3 辊压厚度控制模块示意图

薄片剥离模块是将薄片剥离下来，剥离的效果直接影响薄片成型的完整性，是影响辊压质量的关键工序。薄片剥离模块主要包括刮刀轴座、刮刀轴、刮刀架、气缸调整机构和刀片，如图4 所示。

图4 薄片剥离模块示意图

为更好地完成薄片从辊压模块上剥离，本研究设计了初级干燥模块，主要包括热风枪、弯头和扁嘴，如图5 所示。热风枪可以设定需要的温度，扁嘴长度和压辊长度保持一致，可以对辊压模块上的薄片进行初级干燥处理，利于快速剥离。

图5 初级干燥模块结构示意图

2.1.2 技术特点 根据生产线辊压成型工艺与装备，研制了实验室辊压法薄片装置，满足实验室对加热卷烟辊压法薄片成型的需求，其具有以下技术特点。①能够对混合后的物料进行多次辊压成型，薄片厚度为0.1～0.4 mm，可调可控，厚度均匀，厚度偏差为±0.02 mm；②烟粉原料需求少，单个样品处理能力强，能够满足小量样品的制样需求；③铲刀与压辊贴合度高，薄片剥离效果好；④主体结构尺寸为860 mm×630 mm×1 000 mm，占地面积小、试验能耗低，实现了实验室辊压法工艺装备的小型化；⑤压辊转速可调可控，制样时间短。

2.2 干燥参数优化

薄片干燥工艺是薄片加工工艺的核心，实验室环境下采用烘箱模拟薄片干燥工艺，研究干燥参数对试制薄片质量的影响。采用实验室辊压法薄片装置制备再造烟叶。其中，发烟剂（丙三醇）占比30%、外加纤维占比3%、粘合剂占比3%，水占比50%，不添加香精；辊压成型，厚度为（0.20±0.02）mm，热风温度为65 ℃。

2.2.1 工艺参数水平的确定 以干燥温度和干燥时间为自变量，通过单因素试验确定自变量的取值范围。在保证原辅材料、辊压成型条件不变的情况下，研究干燥温度、干燥时间对薄片含水率、感官质量的影响。

由表1 可知，干燥温度、干燥时间的变化能够影响薄片含水率和感官质量的评分。含水率过高会影响后续切丝效果、烟气温度以及烟气释放等；含水率过低会导致在后续加工薄片时易造碎，结合感官质量评价，最优的干燥工艺条件为干燥温度95 ℃、干燥时间180 s。

表1 单因素试验

2.2.2 正交试验方案与结果 在工艺参数水平确定的基础上，利用正交试验法来对影响因子及其交互作用进行评价，确定最佳的工艺水平［18-21］。以烘箱干燥温度（A）和干燥时间（B）为考察对象，选取3 个水平进行试验，采用L9（32）正交表进行正交试验设计（表2），研究干燥温度和干燥时间对薄片感官质量的影响，找出最优的工艺参数组合。

表2 正交因素与水平

由表3 可知，干燥温度比干燥时间对薄片的感官质量影响更大，结果表明，实验室最佳干燥工艺条件为干燥温度95 ℃、干燥时间180 s，辊压法薄片感官质量评分为84.95 分。按照干燥温度95 ℃、干燥时间180 s 进行3 次平行试验，切丝效果好，口腔无明显灼热感，感官质量评分为84.95 分，因此该参数为实验室辊压薄片最佳干燥工艺参数。

表3 正交设计试验及结果

3 小结

为更好地推动加热卷烟专用烟叶原料、特色香精、雾化体系等研究，参考生产线的辊压成型设备，研发了实验室辊压薄片装置，该装置主要包括辊压模块、厚度控制模块、薄片剥离模块、热风干燥模块，具有薄片厚度可调可控、厚度均匀、烟粉原料需求少、占地面积小、制样时间短等优点。

实验室环境下采用烘箱模拟薄片干燥工艺，研究干燥参数对试制薄片质量的影响，通过单因素分析、正交试验分析及试验验证发现，干燥温度比干燥时间对辊压法薄片的感官质量影响更大。实验室最佳干燥工艺条件为干燥温度95 ℃、干燥时间180 s，辊压法薄片感官质量评分最高。