高晶晶

郭文斌2

郁志宏2

(1.內(nèi)蒙古商貿(mào)職業(yè)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

作為中國北方地區(qū)主要農(nóng)作物收獲及加工后剩余的殘留物，馬鈴薯渣每年秋冬季產(chǎn)量巨大，富含淀粉、纖維素、果膠、蛋白質(zhì)等有用成分，具有松散、含水率高、易腐敗造成污染等特點[1-2]，使得馬鈴薯渣加工處理能耗高、處理技術(shù)手段落后、再利用率較低。目前薯渣經(jīng)機械脫水后含水率約為60%，作為可以二次利用的生物質(zhì)原料，國內(nèi)外對其進行開發(fā)利用主要集中在制備飼料及燃料，用于制作培養(yǎng)基、粘結(jié)劑、包裝材料，提取制備果膠、膳食纖維等方面[3-7]，但由于處理成本高、儲運困難、轉(zhuǎn)化收益小，大部分開發(fā)利用方法仍停留在研發(fā)階段，未發(fā)展成為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。為降低薯渣的處理成本、解決其儲運難的問題，本研究針對馬鈴薯渣松散的特點，以冷態(tài)下單軸壓縮的方法對不同條件下薯渣的可壓縮性進行試驗研究與分析，為其前處理及再利用過程中的壓縮成型提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯廢渣：內(nèi)蒙古呼和浩特市淀粉加工企業(yè)提供，經(jīng)前處理脫水后，含水率為(60±2)%，為防止物料腐敗變質(zhì)并減少其水分的散失，試驗前將薯渣分裝后在2～4 ℃環(huán)境下冷藏保存，并于1周內(nèi)完成相關(guān)試驗。

1.2 試驗裝置

可壓縮性試驗主要采用WAW-200C微機控制電液伺服萬能試驗機配以自制的閉式壓縮裝置[8](見圖1)完成，壓縮裝置由活塞與壓縮筒組成，其中壓縮筒內(nèi)徑95 mm，深190 mm，底部開有導流孔以便壓縮過程中排出氣體與水分；薯渣含水率的測定通過電子天平與電熱恒溫鼓風烘箱完成。

圖1 薯渣閉式壓縮試驗裝置Figure 1 Compression equipment with closed mold for potato pulp

1.3 試驗方法

試驗采用單軸壓縮的方式完成，將薯渣按100，300，500 g 3種不同喂入量喂入壓縮筒，均勻堆積后，以10，20，30 mm/min 速率壓縮，得到應力-應變曲線，相同條件下試驗重復3次。試驗過程由提前計算設定好的分段程序控制，薯渣受壓時通過計算機自動采集計算力、位移與時間數(shù)據(jù)，對所得數(shù)據(jù)回歸分析建立模型后，獲取相關(guān)力學特性參數(shù)，并以此分析壓縮過程中薯渣可壓縮性變化規(guī)律及壓縮速率、喂入量對可壓縮性、壓縮能耗的影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理

為獲取壓縮薯渣時應力隨應變變化的規(guī)律，根據(jù)壓縮試驗所得馬鈴薯渣應力-應變曲線，參考相關(guān)農(nóng)業(yè)物料壓縮曲線回歸模型[9-12]，并應用統(tǒng)計分析軟件SPSS進行曲線估計(Curve Estimation)后，確定薯渣應力-應變曲線回歸模型見式(1)，回歸決定系數(shù)R2>0.99，薯渣應力-應變關(guān)系曲線(壓縮速率10 mm/min)及回歸擬合曲線見圖2。

σ=aeb(ε-c)+dε+f，

(1)

式中：

σ——壓應力，MPa；

ε——應變；

a、b、c、d、f——待定系數(shù)。

由圖2可以看出，壓縮初期隨著應變的增加，物料所受應力增長緩慢且應力值較小，應力與應變關(guān)系接近于線性；隨著薯渣密度進一步增大，當應變達到一定程度時(圖2中應變達到約0.6時)，應力隨應變增加而增長的速率逐漸加快，曲線在較短時間內(nèi)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，應力與應變的非線性關(guān)系顯現(xiàn)，隨后應力隨應變增加而增長的速率繼續(xù)加快。為獲取應力隨應變變化的轉(zhuǎn)折點，本研究以割線模量Eg與切線模量Eq[13]的比值r為判定參數(shù)，其值隨應變增加而變化的規(guī)律見圖3。壓縮過程中，由于薯渣所產(chǎn)生的應力與應變間存在非線性關(guān)系，試驗所得曲線各點處割線模量均小于切線模量，模量比r<1。壓縮初期主要為物料填充間隙的松散階段[14]，應力值、應變值較小，受機器振動及環(huán)境因素等造成的誤差影響較大，模量比r值在一定范圍內(nèi)波動；如圖3所示，隨著應變的增加，Eg與Eq的值逐漸接近，二者比值r呈穩(wěn)定上升趨勢，應變達到0.613時r達到最大值(rmax=0.72)，此時應力-應變曲線最接近線性，取模量比r最大時應力-應變曲線上的對應點為轉(zhuǎn)折點1，此時的應力與應變?yōu)棣?、ε1；隨后曲線進入過渡階段，切線模量Eq迅速增加，其增速高于割線模量Eg的增速，模量比r下降，直至過渡階段結(jié)束開始進入應力急速上升的壓緊階段[14]，當應變達到0.697，模量比達到最小值rmin=0.014時，取對應點為進入壓緊階段的轉(zhuǎn)折點2，其應力與應變?yōu)棣?、ε2；隨后切線模量Eq趨于穩(wěn)定，而割線模量Eg的繼續(xù)增加，模量比r逐漸上升，直至壓縮試驗結(jié)束。

圖2 薯渣壓縮應力-應變曲線及擬合曲線Figure 2 Stress-strain curve and fitted curve of compression test using potato pulp

圖3 薯渣壓縮過程中模量比的變化規(guī)律Figure 3 The variation of modulus ratio in compression test of potato pulp

2 結(jié)果與分析

松散農(nóng)業(yè)物料的可壓縮性為外力作用下，密度增大或體積減小的特性或能力，常以體積模量來表征[9-12]，體積模量越大物料越不易被壓縮，可壓縮性越差。根據(jù)薯渣壓縮試驗所得應力隨應變變化的規(guī)律，可得到體積模量表達式：

(2)

式中：

K——體積模量，MPa；

σ——壓應力，MPa；

V——物料體積，mm3。

為獲取壓縮單位質(zhì)量薯渣時所需能耗[15-17]，根據(jù)所得薯渣應力-應變曲線可得比能耗的計算表達式：

(3)

式中：

U——壓縮薯渣過程中的比能耗，J/kg；

σ——壓應力，MPa；

ε——應變；

l0——壓縮時物料的初始高度，mm；

S0——壓縮活塞的面積，mm2；

m——薯渣質(zhì)量，kg。

2.1 壓縮密度對薯渣可壓縮性的影響

薯渣壓縮過程中，隨著壓力增加，物料應變、壓縮密度的增長呈先快后慢的規(guī)律變化，為分析該變化規(guī)律對薯渣可壓縮性的影響，本研究通過確定物料壓縮過程中體積模量的變化規(guī)律，分析不同壓縮密度(不同應變)下物料的可壓縮性。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著物料壓縮密度ρ的增加，體積模量K先緩慢增加，進入過渡階段后增速加快，隨后急速上升，其變化與圖2中應力變化趨勢相似。因此，薯渣的可壓縮性隨著其壓縮密度的增加也按照一定規(guī)律變化，在物料壓縮至過渡階段轉(zhuǎn)折點應變ε1之前，體積模量較小且增加緩慢，物料較容易被壓縮，可壓縮性較好；壓縮至過渡階段(應變介于ε1與ε2之間)，體積模量增速加快，物料可壓縮性逐漸變差；薯渣壓至轉(zhuǎn)折點應變ε2之后，進入壓緊階段，物料在較短時間內(nèi)變得越來越不容易壓縮，直至試驗結(jié)束達到最大應變εmax，此時體積模量快速增加至最大值。為獲取壓縮過程中上述轉(zhuǎn)折點處物料體積模量、比能耗等關(guān)鍵參數(shù)，給薯渣的壓縮成型及加工提供參考，求得以不同速率壓縮至密度ρmax=1 131.836 kg/m3(應變εmax=0.710)過程中，薯渣應力-應變曲線轉(zhuǎn)折點應變、壓縮密度、體積模量及比能耗U1、U2、Umax見表1。

圖4 體積模量與壓縮密度的關(guān)系曲線Figure 4 Relationship between bulk modulus and compression density

2.2 壓縮速率對薯渣可壓縮性的影響

圖5為不同壓縮速率(10，20，30 mm/min)下，喂入量為100 g時，薯渣壓縮過程中應力隨應變變化的曲線。由圖5可知，在壓縮初期的物料松散階段，不同壓縮速率下應力-應變變化規(guī)律較為接近；而當薯渣壓縮至過渡階段，不同速率下物料應力-應變變化規(guī)律開始出現(xiàn)差異；在進入壓緊階段后，壓縮速率越高應力隨應變增加越快，達到應變εmax時產(chǎn)生的壓力越大，壓縮至εmax的比能耗Umax也越大(表1)。根據(jù)表1數(shù)據(jù)顯示，不同壓縮速率下，將薯渣壓至過渡階段所需的應變、壓縮密度、比能耗比較接近；壓縮速率越小，進入過渡階段的應變ε1與壓縮密度ρ1越小，而進入壓緊階段的應變ε2與壓縮密度ρ2越大，同時壓至過渡階段和壓緊階段的比能耗U1、U2也越大。此外，薯渣以10，20，30 mm/min速率壓至過渡階段時，速率越高體積模量K1越小，但隨后速率越高體積模量增加越快，在進入壓緊階段時壓縮速率越高，體積模量K2越大，薯渣可壓縮性越差。

圖5 不同壓縮速率下應力-應變關(guān)系曲線Figure 5 Stress-strain curves at different compression rates

2.3 喂入量對薯渣可壓縮性的影響

表2為不同喂入量(100，300，500 g)下，薯渣以10 mm/min 的速率壓縮至密度ρmax=1 168.273 kg/m3過程中所獲取的應力-應變曲線轉(zhuǎn)折點應變、壓縮密度、體積模量及壓至不同階段的比能耗(U1、U2、Umax)。由表2可知，不同喂入量下，將薯渣壓至過渡階段和壓緊階段所需的應變(ε1、ε2)、壓縮密度(ρ1、ρ2)均比較接近；而喂入量越大，薯渣壓至過渡階段和壓緊階段時的體積模量(K1、K2)越小，物料的可壓縮性越好，因此同等條件下增加薯渣的喂入量可以在一定程度上改善物料整體的可壓縮性。此外，不同喂入量下，薯渣壓至不同階段時的比能耗也不同，其中喂入量為100 g 時薯渣壓至過渡階段和壓緊階段轉(zhuǎn)折點處的比能耗U1、U2以及壓至密度ρmax處的比能耗Umax均最大，而喂入量為300 g和500 g時，比能耗U1、U2、Umax依次減小，即喂入量越大薯渣壓縮至不同階段所需的比能耗越小。

表2 不同喂入量下應力-應變曲線轉(zhuǎn)折點應變ε、壓縮密度ρ、體積模量K及比能耗Table 2 The strain, compression density, bulk modulus and specific energy consumption of turning points in stress-strain curves at different feed quantities

3 結(jié)論

(1) 馬鈴薯渣受壓過程中應力隨應變增加而變化的規(guī)律呈現(xiàn)非線性，以模量比r為判定參數(shù)，可以將其壓縮過程劃分為松散、過渡、壓緊3個階段，通過各階段轉(zhuǎn)折點參數(shù)的分析可以確定，薯渣壓至過渡階段壓縮密度范圍(766～1 149 kg/m3)時，可以兼顧生產(chǎn)效率與能耗，既保證了加工過程中薯渣有較好的可壓縮性，又能防止由于壓縮密度太大導致壓力與能耗急增，其結(jié)果為薯渣前處理工藝的優(yōu)化提供了參考。

(2) 不同速率下，薯渣壓至壓緊階段的應力-應變曲線差異明顯，速率越高應力隨應變增加越快，體積模量越大，薯渣可壓縮性越差，壓縮過程比能耗也越大，因此實際生產(chǎn)時可以針對薯渣的不同壓縮階段，考慮采用不同的速率加載，提高加工效率的同時降低能耗。此外，研究結(jié)果表明，喂入量的增加一定程度上會影響物料體積模量，改善物料整體的可壓縮性，降低比能耗。

馬鈴薯渣的可壓縮性研究為其高效、低成本的生產(chǎn)加工提供了必要的理論與技術(shù)參考，但就如何選擇合適的加工、保壓方式而言，后續(xù)還應對薯渣的流變學特性作進一步分析與探討。

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