劉汝寬， 楊星星， 肖志紅， 李昌珠， 張良波， 黃志輝

(1.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 湖南 長沙 410083； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

蓖麻籽冷態(tài)壓榨過程保壓時(shí)間與出油率的關(guān)系及其曲線擬合

劉汝寬1，2， 楊星星3， 肖志紅2， 李昌珠2， 張良波2， 黃志輝3

(1.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 湖南 長沙 410083； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

蓖麻籽是一種重要的高含油(約50%)、高含蛋白(約20%)和低含水(約8%)工業(yè)油料。采用液壓壓榨時(shí)，保壓時(shí)間是影響其出油率的重要因素。本文利用微型直筒式壓榨試驗(yàn)裝置，在壓榨壓力25 MPa、壓榨速度2.2 mm/s下，開展了蓖麻籽冷態(tài)壓榨制油保壓試驗(yàn)。在分析出油率隨保壓時(shí)間的變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，得到合理的保壓時(shí)間為20 min；擬合得到保壓時(shí)間與出油率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皡?shù)，平均相對(duì)誤差為6.75%，為油料壓榨操作條件的優(yōu)化建立了基礎(chǔ)。

蓖麻籽； 冷態(tài)壓榨； 出油率； 曲線擬合

蓖麻籽是一種高含蓖麻油的特種油料，多采用壓榨或浸提的方式制備蓖麻油[1-2]。壓榨制油時(shí)，蓖麻籽的形變狀態(tài)會(huì)影響出油率或餅殘油率[3-4]，壓榨壓力和速度會(huì)直接影響油料處理量[5]。同時(shí)，保壓時(shí)間是影響油脂收集量的主要因素之一，反映的是收集油脂的量[6]，不會(huì)影響出油效果(即出油流速)，保壓時(shí)間是其他操作條件優(yōu)化的基礎(chǔ)，有必要首先確定。

本文基于Bargele的單軸壓榨實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想[7]，設(shè)計(jì)出微型直筒式壓榨試驗(yàn)裝置[8-9]，研究保壓時(shí)間對(duì)蓖麻籽壓榨出油率效果的影響。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與設(shè)備

蓖麻籽(湘蓖1號(hào)，自然干燥，含水率為5.9%、含油率為50.4%、直徑大小在6～8 mm之間)：湖南省林業(yè)科技示范園；其他化學(xué)試劑均為分析純：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(上海)；直筒式壓榨機(jī)(榨筒筒徑40 mm，排油孔1 mm，其榨筒結(jié)構(gòu)見圖1)：自制；天平(AB104-N)：梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司；電熱鼓風(fēng)烘箱(101-E)：上海和呈儀器制造有限公司。

圖1 微型壓榨裝置榨筒結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the miniature press device

圖2 液壓加載裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig. 2 Data acquisition system of the hydraulic loading device

1.2冷態(tài)壓榨保壓試驗(yàn)

1.2.1 裝料準(zhǔn)備 取一定量的蓖麻籽裝入榨筒并抹平，使其在榨筒中的初始高度為115 mm，并將活塞桿輕輕插入榨筒，完成蓖麻籽直筒式壓榨試驗(yàn)的準(zhǔn)備。

1.2.2 加載條件[10]對(duì)蓖麻籽進(jìn)行加載壓榨，壓榨速度為v=2.2 mm/s、壓榨壓力σ0=25 MPa。

1.2.3 樣品計(jì)量 壓榨壓力達(dá)到最大時(shí)為保壓計(jì)時(shí)的起始點(diǎn)，分別設(shè)置0、5、10、15、20、25、30 min等7個(gè)水平，同時(shí)搜集蓖麻油并稱質(zhì)量。

1.3出油率計(jì)算

根據(jù)出油率的定義：

(1)

式中：ψ——出油率，%；

m——壓榨出的蓖麻油質(zhì)量，直筒式壓榨過程中收集到的油脂質(zhì)量，g；

M——壓榨的蓖麻籽質(zhì)量，g；

κ——蓖麻籽含油率，50.4%。

2 結(jié)果與分析

2.1不同保壓時(shí)間出油率試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)壓榨試驗(yàn)方法記錄不同保壓時(shí)間條件下的蓖麻油質(zhì)量，換算成出油率，見表1。

由表1可知，當(dāng)保壓時(shí)間為0 min，表示直接進(jìn)行壓榨，當(dāng)達(dá)到壓力時(shí)就卸載開始收集油脂，不進(jìn)行保壓過程；當(dāng)壓力大于出油壓力后，加載過程中會(huì)有油脂流出。因此，保壓時(shí)間為0 min，出油率是不為零的。

2.2蓖麻籽加載試驗(yàn)過程

表1 不同保壓時(shí)間出油率試驗(yàn)結(jié)果Tab 1 Resultsofoilyieldefficiencyunderdifferentpressingtime試驗(yàn)序號(hào)保壓時(shí)間T(min)出油率(%)109 032532 2531055 9941558 1752060 6362558 7873060 58

2.2.1 油滴聚集析出過程分析 蓖麻籽直筒壓榨時(shí)，受到軸向壓力的作用不斷被壓縮[11]，使其細(xì)胞被破壞，最終油從細(xì)胞中遷移析出并不斷聚集，當(dāng)油的數(shù)量達(dá)到某一臨界值時(shí)便從榨筒孔壁中滲出并逐漸成股連續(xù)流出[12]，榨筒底部流出的量遠(yuǎn)多于上部，圖3列出了第一滴油的形成和成股出油的現(xiàn)象。

圖3 壓榨出油現(xiàn)象(左：油滴形成，右：油沿榨筒壁流出)

2.2.2 保壓后油料形態(tài) 蓖麻籽壓榨并保壓10 min后，其榨餅形態(tài)如圖4所示，

由圖4可看出，蓖麻籽在該壓榨壓力及壓榨速度下，油料散體成餅較好，出油率效果較好。同時(shí)，壓榨后油料并未出現(xiàn)大量膏狀物質(zhì)，說明壓榨壓力和壓榨速度選取恰當(dāng)。

2.3擬合方程與曲線

依據(jù)表1中的出油率數(shù)據(jù)，繪制保壓時(shí)間與出油率的關(guān)系。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，出油率隨保壓時(shí)間的變化規(guī)律近似于指數(shù)函數(shù)，利用式ψ=c1+c2ec3T對(duì)表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到壓榨壓力為25 MPa、壓榨速度為2.2 mm/s條件下保壓時(shí)間與出油率的關(guān)系式：

ψ=62.072 5-54.225 9e-0.157 5T

(2)

圖4 蓖麻籽冷榨保壓10 min后的榨餅形態(tài)

擬合模型擬合值與試驗(yàn)值最大相對(duì)誤差為15.99%，平均相對(duì)誤差為6.75%，擬合曲線如圖5所示。

圖5 保壓時(shí)間與出油率的關(guān)系Fig.5 Relationship between the pressure holding time and the oil yield efficiency

由圖5可知，隨著時(shí)間的增加出油率逐漸增加，最終增加速度趨于平緩，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是壓榨過程中油脂逐漸從油料中流出，使得油料孔隙流體壓力減小，活塞所施加的恒定壓力逐漸被油料固相顆粒承擔(dān)，由達(dá)西定律[13]可知此時(shí)流速減小。因此，隨著時(shí)間的增加，出油率逐漸趨于平緩，達(dá)到一定時(shí)長后一味延長保壓時(shí)間不但對(duì)提高出油率的貢獻(xiàn)不大，反而降低了生產(chǎn)效率。由此可選直筒式壓榨機(jī)，保壓時(shí)間為20 min。

3 小結(jié)

利用微型直筒式壓榨試驗(yàn)裝置，在壓榨壓力25 MPa及壓榨速度2.2 mm/s下，開展了蓖麻籽冷態(tài)壓榨制油保壓試驗(yàn)。在分析出油率隨保壓時(shí)間的變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，得到合理的保壓時(shí)間為20 min；擬合得到保壓時(shí)間與出油率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皡?shù)，平均相對(duì)誤差為6.75%，為油料操作條件的優(yōu)化建立了基礎(chǔ)。

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Relationshipandcurvefittingofholdingtimeandoilyieldefficiencyinprocessofcoldpressforcastorbeans

LIU Rukuan1，2， YANG Xingxing3， XIAO Zhihong2， LI Changzhu2， ZHANG Liangbo2， HUANG Zhihui3

(1.College of Chemistry & Chemical Engineering， Central South University， Changsha 410083， China； 2.Hunan Academy of Forestry， Changsha 410004， China； 3.College of Mechanical and Electrical Engineering， Central South University， Changsha 410083， China)

Castor is an important kind of industrial oil plant with high oil content of about 50%，high protein content of about 20% and low moisture content of about 8%.In process of hydraulic press for castor oil，the holding time of pressure is directly related to the oil yield efficiency.Experimental runs for testing effect of pressure holding time on oil yield efficiency were carried out through the micro tube squeezing device under loading pressure of 25 MPa and pressing speed of 2.2 mm/s.Based on the analysis of relationship between oil yield efficiency and pressure holding time，the optimum holding time of 20 min was obtained.The model for relationship between holding time and oil yield efficiency was established and the parameters were obtained.The average relative error was 6.75% shown from fitting curve，which gave a support on other operating conditions.

castor beans； cold press； oil yield efficiency； curve fitting

2015-10-25

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)專項(xiàng)(201304608)；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31470594)。

劉汝寬(1981-)，男，山東省滕州市人，博士，主要從事油料資源利用技術(shù)研究。

肖志紅，研究員；E-mail：xzhh1015@163.com

TQ 644.13

A

1003-5710(2016)01-0012-04

10.3969/j.issn.1003-5710.2016.01.000

(文字編校：龔玉子)