蓖麻籽冷榨制油過程壓縮比與殘油率關(guān)系擬合模型

劉汝寬， 許方雷， 張愛華， 肖志紅， 李培旺， 李 力， 李昌珠

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

蓖麻籽冷榨制油過程壓縮比與殘油率關(guān)系擬合模型

劉汝寬1, 2， 許方雷3， 張愛華1， 肖志紅1， 李培旺1， 李 力1， 李昌珠1

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

應(yīng)用雙視窗單軸壓榨試驗(yàn)裝置，開展不同壓榨速率、物料形態(tài)、壓榨次數(shù)和壓榨方式等條件下的蓖麻籽一維壓榨試驗(yàn)，研究不同壓榨條件下的壓縮比與榨餅殘油率的關(guān)系。結(jié)果表明：多次壓榨較單次壓榨可以達(dá)到更大的壓縮比，進(jìn)而降低壓榨后的餅粕殘油率。同時，采用Kawakita方程，建立壓縮比-殘油率關(guān)系擬合模型，應(yīng)用最小二乘法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)反演，求得模型參數(shù)，并進(jìn)行誤差分析。建立的壓縮比-殘油率關(guān)系擬合模型為W=a1+a2ea3εn。該模型平均誤差e相差不大，在5.08%～6.67%，模型參數(shù)準(zhǔn)確。

蓖麻籽； 壓縮比； 殘油率； 最小二乘法

蓖麻籽是一種重要的特種工業(yè)油料，其籽中蓖麻油含量為46%～55%[1]，主要采用機(jī)械壓榨法和溶劑浸出法制備[2-3]。溶劑浸出法一次性投入大，能耗高，多用于規(guī)?；刻幚泶笞谟土希绱蠖?、菜籽等；機(jī)械壓榨法操作簡便[4]，投資成本低，多用于特種油料的壓榨制油。蓖麻籽油中富含羥基脂肪酸和蛋白質(zhì)，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價值[5-8]，對這些溫敏性基團(tuán)的保質(zhì)分離要求開發(fā)新型的原生態(tài)提取技術(shù)[4]。作者自制微型壓榨試驗(yàn)裝置，基于對油料壓榨過程中拖拽流動[9-10]、壓縮比 — 應(yīng)力[11]、應(yīng)力 — 應(yīng)變[12]等的前期研究，重點(diǎn)研究壓縮比與榨餅殘油率關(guān)系，以期為原生態(tài)冷榨裝備的研制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料、試劑與設(shè)備

材料： 湘蓖1#蓖麻籽，含水量6.8%。

試劑： 乙醚(AR)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(上海)。

設(shè)備： 脂肪測定儀(SZF — 06A)，浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)；液壓加載保壓試驗(yàn)機(jī)(WEW)，上海和晟儀器科技有限公司生產(chǎn)；微型壓榨試驗(yàn)裝置(帶壓力采集系統(tǒng)，套筒內(nèi)徑39 mm，圖1)，自制。

圖1 微型壓榨裝置榨筒結(jié)構(gòu)(左圖)和液壓加載裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(右圖)Fig.1 Experimental device and data collecting system

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于湖南省林業(yè)科技示范園內(nèi)進(jìn)行。稱取一定量的蓖麻籽，裝于微型壓榨試驗(yàn)裝置的榨筒內(nèi)，控制合適的加載速度進(jìn)行液壓加載試驗(yàn)[12]，其加載條件見表1。

表1 液壓加載試驗(yàn)條件的設(shè)置Tab1 Experimentalconditionforpress因素水平設(shè)置水平設(shè)置壓榨速率(mm/min)20、35、50形態(tài)完整、碾碎壓榨次數(shù)單次、多次 注：表中多次壓榨是指在單次壓榨的基礎(chǔ)上進(jìn)行的攪松重復(fù)壓榨。

1.3壓縮比計算

根據(jù)壓榨壓縮比εn的定義：

(1)

式中：H0、H分別為榨料起始高度、壓榨后榨餅的高度(mm)；V0、V分別為榨料起始體積、壓榨后榨餅的體積(mm3)。

2 結(jié)果與分析

2.1油料形態(tài)對壓榨壓縮比-殘油率關(guān)系的影響

蓖麻籽壓榨時，隨著壓縮比的增大，油脂逐步析出，榨餅殘油率降低，其相互間的變化曲線見圖2。

由圖2知： 壓榨初期，榨餅殘油基本無變化，這是由于蓖麻籽散粒體減小大，壓縮比的增大只是實(shí)現(xiàn)了物理間隙的縮小，對油料細(xì)胞并未產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。無論是完整蓖麻籽還是碾碎蓖麻籽，在壓縮比較小時，均不出油。單次壓榨時，2種形態(tài)油料的殘油率均隨著壓縮比的增大呈現(xiàn)快速降低并逐漸趨于平緩，油料形態(tài)對榨餅的殘油率影響不顯著。實(shí)際生產(chǎn)中，多直接進(jìn)行壓榨而不進(jìn)行碾碎預(yù)處理。

2.2壓榨級數(shù)對壓縮比-殘油率關(guān)系的影響

由圖3可知，相同壓縮比、相同壓榨速率，多次壓榨得到的榨餅殘油率比單次壓榨得到的榨餅殘油率低，但差別不大。但是多次操作明顯增加了操作成本，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中宜采用單次壓榨操作[13]。

圖2 單次壓榨壓縮比與殘油率關(guān)系曲線圖Fig.2 Relationship between compression ratio and residual oil and its curve fitting

2.3壓縮比-殘油率關(guān)系擬合模型

在實(shí)際生產(chǎn)中，多采用單次直接壓榨，忽略壓榨初期不能出油的壓縮段，建立如下壓縮比-殘油率的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚14-15]：

W=a1+a2ea3εn

(2)

圖3 單次與多次壓榨的殘油率對比 Fig.3 Comparison of single and multiple press and curve fitting

式中：a1、a2和a3為模型參數(shù)，通過數(shù)據(jù)擬合確定；e為自然常數(shù)，其值為2.71828。

應(yīng)用最小二乘法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)反演，求得模型參數(shù)a1、a2和a3，結(jié)果見表2。

表2 壓縮比—?dú)堄吐蕯?shù)學(xué)模型參數(shù)Tab3 Parametersformodelofcompressionratio?residualoilanditserroranalysis軸向加載速度(mm/min)模型參數(shù)誤差分析(%)a1a2a3sθe20-051821257925-04409149901966253535045571205058-04277140251721050850147641153304-041521499017644521

為驗(yàn)證模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，采用殘差標(biāo)準(zhǔn)差s和殘差平方和均值θ進(jìn)行誤差分析。結(jié)果顯示：模型平均誤差e相差不大，在5.08%～6.67%，模型參數(shù)準(zhǔn)確。

3 結(jié)論與討論

(1) 通過開展不同壓榨速率、物料形態(tài)、壓榨次數(shù)和壓榨方式等條件下的蓖麻籽單軸壓榨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：殘油率隨著壓縮比的增大呈現(xiàn)快速降低并逐漸趨于平緩，油料形態(tài)對榨餅的殘油率影響不顯著；多次壓榨較單次壓榨可以達(dá)到更大的壓縮比，進(jìn)而降低壓榨后的餅殘油率。單軸壓榨是開展螺旋壓榨設(shè)備的基礎(chǔ)。這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的獲得有利于豐富蓖麻籽專用型榨油機(jī)的設(shè)計與制造。

(2) 建立的壓縮比-殘油率關(guān)系擬合模型為W=a1+a2ea3εn。該模型平均誤差e相差不大，在5.08%～6.67%，模型參數(shù)準(zhǔn)確。目前對于制油過程中壓縮比-殘油率的研究，多是集中在建立兩者之間的相互關(guān)系，缺少量化模型。本研究采用Kawakita方程，基于壓縮比-殘油率關(guān)系的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)反演，求得模型參數(shù)，并進(jìn)行誤差分析，深化了對蓖麻籽壓榨制油過程中壓縮比與殘油率關(guān)系的認(rèn)識，為相關(guān)研究提供參考。

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Curvefittingandmodelofcompressionratio-residualoilforcastorbeansbasedononedimensionalcoldpressforoil

LIU Rukuan1,2, XU Fanglei3, ZHANG Aihua1, XIAO Zhihong1,LI Peiwang1, LI Li1, LI Changzhu1

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

In this paper,the relationship of compression ratio-residual oil was studied using the experimental equipment under conditions of pressing speed,pressing time, pressing manners and oilseed forms.The results showed that the more pressing times can get lower residual oil of castor cake.The mathematical model was built by Kawakita equation and parameters were obtained by the least square procedure.The model of compression ratio-residual oil was expressed by formulaW=a1+a2ea3εn.The average errors for model range from 5.08% to 6.67%, showing an accuracy of model parameters.

castor bean; compression ratio; residual oil; least square procedure

2016-06-01

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2016YFD0600802)；長沙市科技計劃項(xiàng)目(k1508130-61)。

劉汝寬(1981-)，男，博士，副研究員，研究方向?yàn)楣I(yè)油料資源利用。

肖志紅，研究員；E-mail：xzhh1015@163.com。

TQ 641

A

1003 — 5710(2016)04 — 0040 — 04

10.3969/j. issn. 1003 — 5710.2016.04.009

(文字編校：唐效蓉)