《Bioresource Technology》：Energy-based prediction of biological feedstock densification from laboratory to industrial pelleting
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•SHOC模型能够预测生物原料的环模造粒过程。•压力阀的行为控制着压实与挤压之间的转变。•模具几何形状显著影响颗粒的密度和能耗。•20%的水分含量和0.8克的物料平衡有助于提升质量和能源使用效率。•工业验证显示颗粒性能的偏差在1.20–3.25%之间。引言造粒过程将松散的生物原料
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SHOC模型能够预测生物原料的环模造粒过程。
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压力阀的行为控制着压实与挤压之间的转变。
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模具几何形状显著影响颗粒的密度和能耗。
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20%的水分含量和0.8克的物料平衡有助于提升质量和能源使用效率。
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工业验证显示颗粒性能的偏差在1.20–3.25%之间。
引言
造粒过程将松散的生物原料粉末转化为密度更高、更易于处理和储存的产品（Sun等人，2024a，2023a），但由于粉末流动、模具壁摩擦、受水分影响的粘结作用以及设备负荷同时变化，工业控制仍然存在困难（Moritz等人，2002；Nielsen和Mand?，2020；Svihus等人，2005）。因此，一个核心挑战是将实验室中的压缩结果转化为能够连接材料响应、模具几何形状和能耗的机制性预测，以应用于环模造粒过程。在生产规模上，仅凭经验调整无法区分某个性能变化（如“SEC”）是源于材料的可压缩性、通道阻力还是机械损失。
单颗粒压机（SPP）将压实和挤压过程与工业环模和平模磨机的复杂性分离出来（图S1（a，b）（Briggs等人，1999）。单孔密封压实（SHCC）测量的是力与位移之间的关系（Holm等人，2007），而单孔开放式压实（SHOC）同时包含压实和挤压过程，更接近实际造粒过程（图S1（f）（Sun等人，2023b））。因此，SHOC为评估模具几何形状如何影响粉末流动和颗粒质量提供了可控的实验基础（Nielsen和Mand?，2020）。这种区别很重要，因为密封的SHCC边界隔离了压实过程，而开放式的SHOC边界则保留了主导环模操作的挤压阻力。
模具孔径和长度决定了压缩压力、颗粒密度和能耗：较大的孔径通常会降低压力和密度，而较长的通道会增加压实力和摩擦功（Holm等人，2006；Nielsen和Mand?，2020）。开口面积比进一步影响了产量和有效挤压面积（Nielsen等人，2020）。相比之下，入口角度主要影响物料的初始进入方式。一旦在模具入口处形成积聚层，在稳定造粒过程中其引导作用就会减弱（Nielsen和Mand?，2020；Sun等人，2024b）。
物料性质和预处理方式会改变这些几何效应。颗粒形态和颗粒间的摩擦力影响填充和压实过程（He等人，2019），而低压下的可压缩性会影响粘结效果（Shen等人，2022）。淀粉结构会影响加工过程（Svihus等人，2005），脂肪和蛋白质则会改变模具壁摩擦力和颗粒的耐久性（Briggs等人，1999）。因此，配方和水分含量会改变粉末流动、可压缩性和颗粒质量（Moritz等人，2002；Sun等人，2024a）。这些相互关联的因素解释了为什么为某种配方优化的模具几何形状可能不适用于其他配方。
对于富含淀粉的原料，水分和热处理会改变淀粉在不同尺度上的结构（Wang等人，2016）。特定的机械能和剪切力会改变挤压后的蛋白质-淀粉混合物的性质（Gropper等人，2002），而预处理时间和温度会影响淀粉的糊化程度（Lewis等人，2015）。这些机制共同决定了机械功在颗粒重排、模具壁摩擦、有效粘结和粘性挤压之间的分配。快速粘度分析（RVA）可以表征水分依赖性的粘附行为（Balet等人，2019），而差示扫描量热法（DSC）则用于确定热转变的起始点和峰值（Wang等人，2016）。在水分含量较低时，摩擦力和未完全水化机制占主导；而水分过高可能会通过粘性流动抵消润滑效果，从而增加挤压功。
以往的研究通常分别考察模具几何形状、配方和水分含量（Moritz等人，2002；Nielsen等人，2020），尽管压实、挤压、摩擦加热和热转变是同时发生的。目前仍缺乏一个跨尺度的框架来解释工业过程中的这些现象以及水分对粘结作用和流动阻力之间的平衡关系。
因此，本研究旨在解决将实验室规模的粉末压缩结果与环模造粒过程中发生的压实、挤压、摩擦加热和受水分影响的粘结作用之间的关联问题。它将使用基于压力阀的SHOC模型来模拟连续造粒过程，并结合力-位移能量分配分析与RVA/DSC技术对淀粉的热转变特性进行表征。通过验证压实-挤压转变过程、量化模具几何形状、水分含量和批次质量的影响，并在生产规模的环模中进行参数验证，本研究建立了从实验室力学到模具设计、水分控制和工业能耗预测的统一路径。
章节片段
材料
选择了三种具有代表性的生物原料粉末：玉米粉（中国新乡良润全谷物食品有限公司）、小麦粉（中国新乡良润全谷物食品有限公司）和大豆粉（中国青河绿源农业科技有限公司）。它们的基本性质和初步表征已在先前的研究中报道（Sun等人，2024a）。
使用DHS-16分析仪三次测量了水分含量。根据公式（1）计算出的水分质量被喷入样品中。
压力阀假设的验证
重复的SHOC、SHCC和验证试验研究了出口边界条件对压实和挤压过程的影响（图2（a，b））。通道中的残留压实物在循环SHOC过程中产生了稳定的压力阀状态。进行这种比较是必要的，因为不同的压实模式在通道出口处施加不同的阻力，从而对测量的功有不同的分解方式。
在低负载下，SHOC和验证过程的压缩曲线重叠；但在大约0.6 kN以上出现分化。
结论
本研究建立了一个基于能量的框架，将SHOC力学、环模造粒过程以及RVA/DSC热糊化分析联系起来，适用于生物原料。经过修正的验证结果支持了压力阀假设，因为修正后的压缩曲线与验证数据在3 kN以下吻合良好（R2 = 0.995），表明在SHOC过程中，残留的压实粉末将压实过程与挤压过程区分开来。此外，模具几何形状影响了压实与能耗之间的平衡。
作者贡献声明
孙万锋：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法论研究，资金获取，概念构思。王宇：正式分析，数据整理。崔波：可视化处理，资源协调。徐驰：监督指导，软件开发。董晓飞：验证工作，资金获取。王子：软件开发，可视化处理。杨健：研究调查，资金获取。李亮：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究部分得到了盐城职业技术学院（xjr2025015）、盐城市科技计划项目（YCBG2024033）、盐城应用基础研究项目（YCBK2025008）以及盐城工业创新科技支持（产业）专项项目（YCBG2025327）的资助。
孙万锋|王宇|崔波|徐驰|董晓飞|王子|杨健|李亮
