劉汝寬，許方雷，肖志紅，李培旺，吳紅，張愛華，李昌珠

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院生物能源研究所, 長(zhǎng)沙410004；2. 中南大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院； 3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083)

蓖麻籽單軸壓榨制油臨界壓縮比模型構(gòu)建及計(jì)算

劉汝寬1,2，許方雷3，肖志紅1*，李培旺1，吳紅1，張愛華1，李昌珠1

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院生物能源研究所, 長(zhǎng)沙410004；2. 中南大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院； 3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083)

蓖麻籽是一種重要的高含油(約50%)、高含蛋白(約15%)和低含水(約6%)的工業(yè)油料，采用單軸冷態(tài)壓榨制油的方式能保證餅中蛋白質(zhì)的低變性程度，其后續(xù)環(huán)節(jié)多輔以溶劑浸提，以提高油料的出油率。對(duì)于冷態(tài)壓榨過程，其中的臨界壓縮比一定程度上反映了預(yù)壓制油的極限能力。直筒壓榨時(shí)，受到軸向壓力的作用不斷被壓縮，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，榨筒底部流出的量遠(yuǎn)多于上部，壓榨完成后，榨餅成為固結(jié)體系，成為半固態(tài)飽和物料，殘余應(yīng)力的存在導(dǎo)致榨餅與榨筒壁間存在極大的摩擦力，是影響低功耗、機(jī)械化分離的關(guān)鍵所在。筆者應(yīng)用自制帶壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的微型直筒式壓榨試驗(yàn)裝置，研究壓榨壓力、壓榨速度和保壓時(shí)間對(duì)蓖麻籽壓榨出油率的影響；在此基礎(chǔ)上，依據(jù)產(chǎn)油價(jià)值等于耗能價(jià)值，分別構(gòu)建了蓖麻籽單軸壓榨制油臨界壓縮比模型；根據(jù)出油率結(jié)果，求解得到完整蓖麻籽的臨界壓縮比為6.2，碾碎蓖麻籽的臨界壓縮比為3.6。研究結(jié)果可為蓖麻壓榨機(jī)的設(shè)計(jì)及壓榨實(shí)踐操作提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

蓖麻籽；壓縮比；殘油率；臨界壓縮比；產(chǎn)油價(jià)值；耗能價(jià)值

基于此，課題組先后研究了油料物理壓榨及亞臨界萃取對(duì)油脂提取效果的影響。依據(jù)油料塞流體牽引角及輸送率關(guān)系式，應(yīng)用單螺桿榨油機(jī)進(jìn)行了不同出餅口徑和螺桿轉(zhuǎn)速的輸送率試驗(yàn)研究，得到各工況下的當(dāng)量摩擦因數(shù)[7]；以螺旋壓榨后的蓖麻籽餅為原料，采用正丁烷為萃取溶劑進(jìn)行深度提油，殘油率小于1%[8]。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)油料壓榨制油過程中的流體流速模型，分析了宏觀軸向應(yīng)力對(duì)油脂流動(dòng)速率的影響[9]。利用單軸壓榨試驗(yàn)裝置進(jìn)行側(cè)限壓縮蠕變?cè)囼?yàn)研究，取得應(yīng)變與對(duì)應(yīng)時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并建立了基于蠕變?cè)囼?yàn)的非線性流變模型[10]。課題組前期研究工作主要側(cè)重于從微觀角度研究蓖麻籽壓榨過程，缺少對(duì)蓖麻籽實(shí)際壓榨過程的分析，忽視了對(duì)壓榨效果所帶來經(jīng)濟(jì)效益的分析，這其中最重要的指標(biāo)便是臨界出油率，反映在油料壓縮的宏觀狀態(tài)則是臨界壓縮比。本研究在前期研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用自制微型單軸壓榨試驗(yàn)裝置[11]進(jìn)行蓖麻籽冷態(tài)壓榨，提取關(guān)鍵參數(shù)；同時(shí)，依據(jù)產(chǎn)油價(jià)值與壓榨消耗價(jià)值，合理取得蓖麻籽冷態(tài)壓榨過程中的臨界壓縮比，以期為榨油機(jī)的設(shè)計(jì)和壓榨操作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

蓖麻籽(湘蓖1號(hào)，自然干燥)，產(chǎn)自湖南省林業(yè)科技示范園；其他化學(xué)試劑均為分析純，購于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(上海)。

微型壓榨試驗(yàn)裝置(圖1，自制，內(nèi)徑39 mm)；液壓自動(dòng)加載保壓試驗(yàn)機(jī)(WEW)，上海和晟儀器科技有限公司生產(chǎn)；脂肪測(cè)定儀(SZF-06A)，浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)；天平(AB104-N)，梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司生產(chǎn)；電熱鼓風(fēng)烘箱(101-E)，上海和呈儀器制造有限公司生產(chǎn)。

1.柱塞；2.外筒；3.透明管；4.蓖麻籽；5.透水石；6.底座圖1 微型壓榨試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of miniature squeeze device

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 主要內(nèi)含物含量測(cè)定方法

水分，GB/T 14489.1—2008；粗脂肪含量，GB/T 14488.1—2008；粗蛋白含量，GB/T 14489.2—2008；淀粉含量，GB 5514—2008；粗纖維含量，GB/T 5515—2008；灰分，GB/T 5505—2008。

1.2.2 液壓自動(dòng)加載系統(tǒng)

利用液壓自動(dòng)加載裝置(帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2所示)，對(duì)微型直筒式壓榨試驗(yàn)裝置進(jìn)行加壓，改變加載壓力、保壓時(shí)長(zhǎng)和加載平均速度[12-13]。其中，壓榨速度可調(diào)范圍為0.5～4.0 mm/s，液壓缸內(nèi)最大壓力值達(dá)10 MPa、內(nèi)徑為100 mm，壓力傳感器量程0～20 MPa。

1.電機(jī)；2.泵；3.電磁換向閥；4.調(diào)速閥；5.液控單向閥；6.溢流閥； 7.壓力傳感器；8.壓力表；9.蓄能器；10.液壓缸圖2 液壓加載裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig. 2 Data acquisition system for hydraulic loading device

1.2.3 單軸壓榨試驗(yàn)方法

根據(jù)不同的試驗(yàn)要求，選取合適的完整或碾碎蓖麻籽，分別取55或70 g置于單軸液壓壓榨機(jī)榨筒內(nèi)，置于柱塞下，通過加載裝置進(jìn)行加壓操作，測(cè)定榨料高度和相應(yīng)條件下的餅殘油率[14]。

1.2.4 榨料壓縮狀態(tài)模型

將單軸壓榨試驗(yàn)分為m個(gè)狀態(tài)，相鄰兩狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的壓縮比差為Δε，編號(hào)由1直到m，兩相鄰榨料狀態(tài)如圖3所示。

圖3 兩相鄰榨料狀態(tài)Fig. 3 Diagram of adjacent state of oilseed

因此，榨料第一個(gè)狀態(tài)(編號(hào)為1)所對(duì)應(yīng)的壓縮比ε1=1，第i個(gè)狀態(tài)(編號(hào)為i)所對(duì)應(yīng)的壓縮比為εi=ε1+(i-1)·Δε；Δz為相鄰兩狀態(tài)的高度變化值，Hi-Hi+1。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓖麻籽基本成分分析及壓榨出油過程

2.1.1 蓖麻籽基本成分分析

蓖麻籽中的主要內(nèi)含物(如水分、脂肪、纖維素、蛋白質(zhì)等)會(huì)影響其物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響壓榨制油過程及效果[15]。在研究其剝殼的過程中發(fā)現(xiàn)，成熟的蓖麻籽在采收后，其水分很快降至6%～8%。采用國(guó)標(biāo)化學(xué)法測(cè)定，可知蓖麻籽是一種高含油(50.4%)、高含蛋白(15.0%)，低含水(6.0%)的油料，其中淀粉、粗纖維及灰分含量分別為3.0%，23.6%和2.0%。另外，水分含量的變化會(huì)直接影響其他指標(biāo)的變化，一定程度上會(huì)影響油料的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響其強(qiáng)度，并且該因素方便調(diào)整。因此，實(shí)際加工時(shí)往往通過對(duì)油料進(jìn)行調(diào)質(zhì)預(yù)處理來調(diào)節(jié)內(nèi)含物相對(duì)含量的變化，進(jìn)而影響其本身物理強(qiáng)度。同時(shí)，蓖麻籽高含油、高含蛋白及低纖維的特點(diǎn)使得其宏觀上表現(xiàn)為質(zhì)軟，對(duì)油料加工設(shè)備及工藝條件的設(shè)定也提出了特殊的要求。

2.1.2 油滴聚集析出過程分析

一維壓榨時(shí)，榨筒與油料在壓榨過程中始終相互作用，同時(shí)受到軸向擠壓和側(cè)向限制產(chǎn)生破裂，當(dāng)變形達(dá)到一定值時(shí)，存在于油料細(xì)胞中的油脂逐漸被擠壓出來，漸漸地充滿油料之間空隙。隨壓力增加，空隙減小，油脂沿油路被擠出榨筒，同時(shí)油料被壓實(shí)形成餅。壓榨過程中，油料呈現(xiàn)多孔介質(zhì)，散體孔隙中充滿了油脂，這主要由油料固相顆粒和液相油脂組成，固相顆粒與孔隙流體共同承擔(dān)著外載荷，油脂逐漸形成大油滴，開始在油料中流動(dòng)，并從榨筒壁孔隙中流出。圖4為蓖麻籽壓榨過程油滴形成及成股出油現(xiàn)象，即蓖麻籽直筒壓榨時(shí)，受到軸向壓力的作用不斷被壓縮，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，榨筒底部流出的量遠(yuǎn)多于上部，圖4展示了第一滴油的形成和成股出油現(xiàn)象。

a. 油滴形成；b. 油沿榨筒壁流出圖4 壓榨出油現(xiàn)象Fig. 4 Phenomenon of the oil pressed out

2.1.3 保壓后油料形態(tài)

油料壓榨完成后，榨餅成為固結(jié)體系，成為半固態(tài)飽和物料，殘余應(yīng)力的存在導(dǎo)致榨餅與榨筒壁間存在極大的摩擦力，是影響低功耗、機(jī)械化分離的關(guān)鍵所在。蓖麻籽壓榨并保壓10 min后，其榨餅形態(tài)如圖5所示。蓖麻籽在壓榨制油結(jié)束后，其油料散體成餅較好，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)，這為其連續(xù)化卸料提供了可能性。

圖5 蓖麻籽冷榨保壓10 min后的榨餅形態(tài)Fig. 5 Shapes of castor cake when cold pressed for 10 min

2.2 耗能價(jià)值與產(chǎn)油價(jià)值模型

蓖麻籽軸向壓榨過程中，一部分水會(huì)隨油液一起被擠壓出來。假設(shè)餅粕中殘留水占?xì)埩粲偷陌俜直扰c蓖麻籽本身的含水占含油百分比相等，即得：

(1)

式中：msi為榨料i狀態(tài)中殘留水的質(zhì)量，g；mi為榨料i狀態(tài)中殘留油的質(zhì)量，g；S0為榨料初始狀態(tài)含水量，%；W0為榨料初始狀態(tài)含油量，%。

依據(jù)殘油率的定義可知：

(2)

(3)

式中：Wi為榨料i的殘油率，%；Wi+1為榨料i+1的殘油率，%；mc為油料干物質(zhì)質(zhì)量，g；mc=(1-W0-S0)·M，M為油料總質(zhì)量(每次試驗(yàn)取完整蓖麻籽55 g或碾碎籽70 g)，代入計(jì)算得mc=23.98 g。

由式(1)、(2)和(3)聯(lián)立計(jì)算得：

(4)

由壓縮比定義可知，兩相鄰壓縮比所對(duì)應(yīng)的榨料高度差Δz(mm)為：

(5)

式中：εi為榨料i的壓縮比；εi+1為榨料i+1的壓縮比；H0為榨料初始裝填高度，mm；Hi為榨料i的高度，mm；Hi+1為榨料i+1的高度，mm。

壓榨Δεn所做的功W，所對(duì)應(yīng)消耗的電能為We，W=η·We：

(6)

從理論上分析，若不考慮設(shè)備的成本和磨損消耗，臨界壓榨點(diǎn)處應(yīng)為某時(shí)刻產(chǎn)油價(jià)值Qc與耗能價(jià)值Qh相等處。參考市場(chǎng)價(jià)格，蓖麻油為12 275.00元/t，蓖麻籽為4 600元/t，工業(yè)用電為0.725元/(kW·h)。由此可知，若不考慮榨餅價(jià)值，蓖麻油的成本價(jià)為9 127元/t，差價(jià)為3 148元/t。

由以上分析可得，榨料在相鄰兩壓縮比間隔Δε的產(chǎn)油價(jià)值Qc(元)與耗能價(jià)值Qh(元)分別為：

(7)

(8)

2.3 臨界壓縮比取值分析及求解

碾碎蓖麻籽壓縮比由3.0到3.1壓榨柱塞頭的位移為：ΔHi=0.699 0 mm。

由以上兩式的計(jì)算可知，壓縮比取值越大，兩相鄰壓縮比所對(duì)應(yīng)的實(shí)際位移越小，且壓縮比大于3后，兩相鄰壓縮比所對(duì)應(yīng)的位移均小于1 mm。完整籽壓縮比由5.2到5.3的位移僅為0.308 5 mm，所以對(duì)于完整籽壓榨，Δε取值為0.1已足夠小。因碾碎籽壓縮比為3與完整籽壓縮比為5所對(duì)應(yīng)的壓力基本相等，在相同的Δε條件下，碾碎柱塞移動(dòng)位移是完整柱塞移動(dòng)位移的2倍多，所以對(duì)于碾碎籽壓榨Δε取0.05。

由壓縮比-應(yīng)力關(guān)系試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬得到完整籽壓榨速度為20 mm/min，多次壓榨的壓縮比-應(yīng)力關(guān)系方程為：

(9)

由壓縮比-殘油率試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬得到碾碎籽壓榨速度為20 mm/min，多次壓榨的壓縮比-殘油率關(guān)系方程為：

W=3.247 7+140.721 1e-0.527 5εn

(10)

對(duì)于完整籽壓榨，若Δε=0.1，將式(9)代入式(8)得到耗能價(jià)值Qh與壓縮比的關(guān)系方程：

Qh=2.404 6×10-6×

(11)

將式(10)代入式(7)得到產(chǎn)油價(jià)值Qc與壓縮比的關(guān)系方程：

10-3×3.148

(12)

2.4 產(chǎn)能與耗能曲線擬合

2.4.1 完整蓖麻籽臨界壓縮比

臨界壓榨點(diǎn)滿足：Qc=Qh，聯(lián)立式(11)和(12)可得完整籽產(chǎn)油價(jià)值Qc與耗能價(jià)值Qh關(guān)系，如圖6所示。隨壓榨壓縮比的增大，蓖麻籽產(chǎn)油價(jià)值不斷減小，耗能價(jià)值不斷地增加。在兩曲線交點(diǎn)前，產(chǎn)油價(jià)值大于耗能價(jià)值，此時(shí)說明壓榨有利。若壓縮比超過交點(diǎn)值，產(chǎn)油價(jià)值將低于耗能價(jià)值，說明此時(shí)不宜繼續(xù)壓榨。由以上分析可知，產(chǎn)油價(jià)值Qc曲線與耗能價(jià)值Qh曲線的交點(diǎn)即為臨界壓縮比取值點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓縮比εi=6.2，即臨界壓縮比取值為6.2。

圖6 完整籽產(chǎn)油價(jià)值Qc與耗能價(jià)值Qh關(guān)系Fig. 6 Relationship curves of oil production value and energy consumption for intact castor seeds

2.4.2 碾碎蓖麻籽臨界壓縮比

應(yīng)用相同方法計(jì)算得到碾碎籽的產(chǎn)油價(jià)值Qc與耗能價(jià)值Qh關(guān)系，如圖7所示。由圖7可知，碾碎籽壓榨的產(chǎn)油價(jià)值Qc與耗能價(jià)值Qh關(guān)系與完整籽壓榨基本相同。經(jīng)計(jì)算，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓縮比εi=3.6，即臨界壓縮比取值為3.6。

圖7 碾碎籽產(chǎn)油價(jià)值Qc與耗能價(jià)值Qh關(guān)系Fig. 7 Relationship curves of oil production value and energy consumption for crushed castor seeds

2.4.3 不同壓榨方式對(duì)比分析

綜合圖6和圖7的結(jié)果可見，完整蓖麻籽壓榨出油的臨界壓縮比6.2較碾碎蓖麻籽壓榨出油的臨界壓縮比3.6大，這是由于碾碎預(yù)處理操作使得蓖麻籽具有更小的顆粒度，降低了油料間空隙；除此之外，油料的破碎預(yù)處理操作還能在一定程度上增加榨筒的裝料量，應(yīng)綜合考慮油料的實(shí)際粒徑和破碎耗能等因素來選擇合理的工藝條件。

3 結(jié) 論

蓖麻籽是一種重要的高含油(約50%)和高含蛋白的工業(yè)油料，采用冷態(tài)壓榨制油的方式能保證餅中蛋白質(zhì)的低變性程度。同時(shí)，壓榨后油料并未出現(xiàn)大量膏狀物質(zhì)，這為其連續(xù)化卸料提供了可能性。直筒壓榨時(shí)，受軸向壓力作用不斷被壓縮，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，榨筒底部流出的量遠(yuǎn)高于上部，壓榨完成后，榨餅成為固結(jié)體系，成為半固態(tài)飽和物料，殘余應(yīng)力的存在導(dǎo)致榨餅與榨筒壁間存在極大的摩擦力，是影響低功耗、機(jī)械化分離的關(guān)鍵所在。隨壓榨壓縮比的增大，蓖麻籽產(chǎn)油價(jià)值不斷減小，耗能價(jià)值不斷增加。依據(jù)產(chǎn)油價(jià)值等于耗能價(jià)值，應(yīng)用微型壓榨試驗(yàn)裝置搜集過程參數(shù)，求解得到完整籽的臨界壓縮比為6.2，碾碎籽的臨界壓縮比為3.6。這可為蓖麻壓榨機(jī)的設(shè)計(jì)及壓榨實(shí)踐操作提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

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Numerical calculation model on critical compression ratio ofcastor bean in cold uniaxial press

LIU Rukuan1,2, XU Fanglei3, XIAO Zhihong1*, LI Peiwang1,WU Hong1, ZHANG Aihua1, LI Changzhu1

(1. Institute of Bioenergy, Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China;2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University;3. School 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 15%, and low moisture content of about 6%. A cold pressing process is required to ensure a low degree of protein denaturation when pressed for castor oil. Castor cake is then extracted by solvent to reduce the residual oil of the meal. Main contents of castor beans, feeding morphology and the operating temperature can affect the pressing effect directly. Critical compression ratio of oilseeds is a key reflection for pressing ability of pre-press. In the process of cold pressing, oilseeds are squeezed and ruptured under the interaction with the barrel by the axial compression and lateral limit. Oils in the cells are gradually squeezed out only leaving the cake inside the cylinder barrel. While oilseeds were compressed by axial pressure to make the cells destroyed, drop of the oil was pressed out from the cell through micro holes and gathered to form a flow where there were much more in the bottom than in the top. After pressing, the pressed cake becomes a kind of consolidated system with semi-solid material saturation. The presence of residual stresses caused big friction between barrel and cake, which has a significant effect on low power consumption and mechanized separation lines. Using self-made testing apparatus, experimental tests on castor oil rate were carried out in different pressing pressure and velocities, and the pressure holding time. Based on the principle that oil production value was equal to energy consumption value, the relationship model between critical compression ratio and residual oil rate was established. It was calculated that the parameters of critical compression ratios for intact castor beans were 6.2 and 3.6 for crushed seeds, which will provide a reliable data support for the design and operation of castor beans squeezer.

castor beans; compression ratio; residual oil rate; critical compression ratio; oil production value; energy consumption value

2016-08-09

2016-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(31470594)；長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃(K1508130-61)。

劉汝寬，男，副研究員，研究方向?yàn)楣I(yè)油料資源高效轉(zhuǎn)化技術(shù)。通信作者：肖志紅，男，研究員。E-mail:xzhh1015@163.com

TQ641

A

2096-1359(2017)02-0083-06