壓榨時(shí)間和壓力對(duì)蓖麻籽壓榨性能的影響及其數(shù)學(xué)擬合研究

劉汝寬 施亮林 肖志紅 李昌珠 黃志輝 葉紅齊

（中南大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院1，長(zhǎng)沙 410083）

（湖南省林業(yè)科學(xué)院2，長(zhǎng)沙 410004）

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3，長(zhǎng)沙 410083）

蓖麻是世界十大油料作物之一，其籽中蓖麻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%～55%［1］，這種油脂中富含羥基和雙鍵，有利于進(jìn)行化學(xué)改性，用于生產(chǎn)可降解生物材料和制備航空、航天和精密儀器等的生物潤(rùn)滑劑［2-5］。我國(guó)是世界第二大蓖麻種植國(guó)，對(duì)蓖麻油的需求量大，缺口達(dá)70%以上［6-8］。蓖麻籽高含油的特性必然要求獨(dú)特的加工制油工藝［9-10］，針對(duì)蓖麻籽低溫壓榨出油特性的研究還相對(duì)不足，其壓榨出油規(guī)律的研究目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)鮮見(jiàn)報(bào)道。鄭曉等［11-13］提出了常見(jiàn)食用油料（菜籽、葵花籽和花生）的出油效率及出油應(yīng)變與壓榨壓力的單因素經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，不足以反映蓖麻籽實(shí)際壓榨規(guī)律；Sukumaran等［14-15］分別利用側(cè)限式圓環(huán)試驗(yàn)裝置和柱塞式試驗(yàn)裝置對(duì)菜籽進(jìn)行了壓榨試驗(yàn)，研究了出油壓力與油料含水率、加載速率及出油效率與壓榨時(shí)間的關(guān)系，沒(méi)有量化說(shuō)明影響菜籽出油效果的主要因素與殘油率之間的具體關(guān)系；Bargale等［16-17］利用單向加載試驗(yàn)裝置對(duì)大豆進(jìn)行了壓榨研究，得到了餅粕油液滲流速度與加載壓力、加速率之間的關(guān)系式，并不適用于蓖麻籽等高含油量的軟性油料。

本試驗(yàn)利用雙視窗單軸壓榨試驗(yàn)裝置對(duì)蓖麻籽（湘蓖1號(hào)）進(jìn)行了低溫壓榨試驗(yàn)，建立了蓖麻籽餅粕殘油率與壓榨時(shí)間和壓榨壓力的關(guān)系式，為蓖麻籽低溫壓榨設(shè)備的研制和工藝改進(jìn)提供了基礎(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，含水量6.8%）：湖南省林業(yè)科技示范園；其他化學(xué)試劑均為分析純。

雙視窗單軸壓榨試驗(yàn)裝置（圖1，自制，內(nèi)徑為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；脂肪測(cè)定儀（SZF-06A）：浙江托普儀器有限公司；天平（AB104-N）：梅特勒-托利多國(guó)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 雙視窗單軸壓榨試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 液壓加載試驗(yàn)安排

主要考察壓榨壓力和壓榨時(shí)間，分別設(shè)定5個(gè)水平，25組試驗(yàn)。定義加載壓力等級(jí)：P1、P2、P3、P4、P5分別表示 2、4、6、8、10 MPa，對(duì)應(yīng)作用到單軸壓榨試驗(yàn)裝置壓榨腔內(nèi)的壓榨壓力Ps分別為12.5、25、37.5、50、62.5 MPa。定義壓榨時(shí)間：t1、t2、t3、t4、t5分別表示 2、5、8、11、14 min。詳見(jiàn)表 1。

表1 蓖麻籽單軸壓榨試驗(yàn)條件（25組）

1.2.2 低溫壓榨步驟［18］

在室溫（25℃）條件下，調(diào)節(jié)加載試驗(yàn)機(jī)的加載壓力，將40 g蓖麻籽（含水率為6.8%）放入單軸壓榨試驗(yàn)裝置的壓榨腔內(nèi)，插入柱塞，然后將單軸壓榨試驗(yàn)裝置放置于液壓自動(dòng)加載保壓試驗(yàn)機(jī)上，采用1 mm／s的加載速度，按照各組標(biāo)簽上的壓榨時(shí)間進(jìn)行加載，取餅粕并測(cè)其殘油率。

1.2.3 平均殘油率

平均殘油率是指在同一壓榨壓力下，5個(gè)不同壓榨時(shí)間的蓖麻籽餅粕殘油率的平均值。文中除特別明確為“平均殘油率”外，其他均為單次試驗(yàn)的餅粕殘油率。例如：Ps為12.5 MPa時(shí)的平均殘油率＝（P1t1的殘油率+P1t2的殘油率+P1t3的殘油率+P1t4的殘油率+P1t5的殘油率）／5。

1.2.4 蓖麻籽主要內(nèi)含物含量的測(cè)定方法

仁與殼所占比例［19］：剝殼后直接稱(chēng)量計(jì)算；水分［20］：GB／T 14489.1—2008；粗脂肪含量［21］：GB／T 14488.1—2008；粗蛋白含量［22］：GB／T 14489.2—2008；淀粉含量［23］：GB 5514—2008；粗纖維含量［24］：GB／T 5515—2008；灰分［25］：GB／T 5505—2008。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 蓖麻籽的基本成分分析

油料的主要內(nèi)含物（如水分、脂肪、纖維素和蛋白質(zhì)等）會(huì)影響油料果實(shí)的物理結(jié)構(gòu)，這些指標(biāo)對(duì)油料壓榨制油過(guò)程影響很大［26］。其中，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［27］，并且該因素方便調(diào)整。針對(duì)蓖麻籽而言，在研究其剝殼的過(guò)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%［28］。因此，本論文主要從實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，選用自然干燥的蓖麻籽為壓榨原料進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究。表2列出了蓖麻籽的主要成分及其含量。

表1 蓖麻籽的主要內(nèi)含物含量

2.2 壓榨壓力對(duì)殘油率的影響

2.2.1 不同壓榨時(shí)間下殘油率與壓榨壓力關(guān)系

由圖2知，在相同壓榨時(shí)間下，蓖麻籽餅粕殘油率隨壓榨壓力升高而降低，即壓榨壓力越大，蓖麻籽出油效率越高。在等幅度增大壓榨壓力的過(guò)程中，殘油率變化越來(lái)越平緩，這種變化趨勢(shì)符合植物油料壓榨規(guī)律，即超過(guò)臨界壓力后，隨著壓力增大，蓖麻籽餅粕變得越來(lái)越致密，油液滲流速度愈來(lái)愈小，殘油率變化趨于平緩，蓖麻餅粕逐漸變成飽和濾餅物［29］。

圖2 不同壓榨時(shí)間下殘油率與壓榨壓力數(shù)學(xué)擬合關(guān)系

2.2.2 平均殘油率與壓榨壓力關(guān)系

由圖3可看出，并，得出當(dāng)壓力超過(guò)80 MPa（在10噸級(jí)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)）后，相同壓力增幅下（即付出相同的功耗），殘油率減小的幅度很小，“功效比”會(huì)越來(lái)越大。即超過(guò)臨界壓力后，一味追求“高壓低殘油率”的壓榨效果，需要付出較高的成本代價(jià)。因此，蓖麻籽臨界壓榨壓力近似為80 MPa。

圖3 平均殘油率與壓榨壓力關(guān)系

2.2.3 平均殘油率與壓榨壓力之間的關(guān)系

根據(jù)最小二乘原理，采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)平均殘油率（R）與壓榨壓力之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合表達(dá)式如下：

式中：Rp為與壓榨壓力相關(guān)的平均殘油率／%；Ps為壓榨壓力／MPa。由式（1）計(jì)算得到的蓖麻籽餅粕殘油率與試驗(yàn)值的最大誤差為0.7%。

2.3 壓榨時(shí)間對(duì)殘油率的影響

2.3.1 不同壓榨壓力下殘油率與壓榨時(shí)間關(guān)系

由圖4可看出，當(dāng)壓榨壓力相同時(shí)，蓖麻籽餅粕殘油率隨壓榨時(shí)間的增大而降低。

圖4 不同壓榨壓力下殘油率與壓榨時(shí)間數(shù)學(xué)擬合關(guān)系

2.3.2 平均殘油率與壓榨時(shí)間關(guān)系

由圖5可知，當(dāng)壓榨時(shí)間t＜5 min時(shí)，殘油率隨壓榨時(shí)間增大迅速減小；當(dāng)壓榨時(shí)間超過(guò)5 min后，殘油率與壓榨時(shí)間近似線(xiàn)性關(guān)系，殘油率變化幅度很小，餅粕近似達(dá)到飽和狀。這種現(xiàn)象可由Darcy滲流理論［30］進(jìn)行解釋——在壓榨的初始階段（t＜5 min時(shí)），蓖麻籽內(nèi)部和蓖麻籽顆粒間充滿(mǎn)了油液，油液從餅粕縫隙中滲流到壓榨裝置外要一定的時(shí)間，因此，在t＝2 min和t＝5 min時(shí)的殘油率差值比其他相同時(shí)間間隔的殘油率差值大得多。當(dāng)壓榨時(shí)間t＞5 min后，蓖麻籽餅粕形成了飽和濾餅結(jié)構(gòu)，若壓力不變，則油液的滲流速度不變，餅粕殘油率與壓榨時(shí)間近似線(xiàn)性關(guān)系。因此，蓖麻籽最佳壓榨時(shí)間為5 min。

圖5 平均殘油率與壓榨時(shí)間關(guān)系

2.3.3 殘油率與壓榨時(shí)間之間的關(guān)系

同樣采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)殘油率與壓榨時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合表達(dá)式如式（2）。

式中：Rt為與壓榨時(shí)間相關(guān)的平均殘油率／%；t為壓榨時(shí)間／min，范圍為0～14 min。由式（2）計(jì)算得到的蓖麻籽餅粕殘油率與試驗(yàn)值的最大誤差為0.4%。

2.4 殘油率影響因素綜合分析

綜合分析蓖麻籽餅粕殘油率與壓榨壓力和壓榨時(shí)間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，在低于臨界壓力時(shí)，壓榨壓力對(duì)殘油率的影響比壓榨時(shí)間對(duì)其影響大得多。利用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合殘油率與壓榨壓力和壓榨時(shí)間之間的關(guān)系，如式（3）所示。壓榨壓力權(quán)重系數(shù)比壓榨時(shí)間權(quán)重系數(shù)大，說(shuō)明壓力比時(shí)間對(duì)殘油率的影響要大，因此，在設(shè)計(jì)榨油機(jī)時(shí)，可適當(dāng)提高壓榨壓力，同時(shí)減小壓榨時(shí)間來(lái)降低“功效比”，獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。

式中：R為蓖麻餅粕籽殘油率／%；P為壓榨壓力／MPa，范圍為 0～80 MPa。式（3）計(jì)算得到的蓖麻籽餅粕殘油率與試驗(yàn)值的最大誤差為0.9%。由式（3）也可以看出，ln t的系數(shù)僅是ln P的十分之一，若忽略時(shí)間t的影響，蓖麻餅粕殘油率R與ln1成近似線(xiàn)性關(guān)系，由此得出式（4）。

3 結(jié)論

3.1 壓榨壓力和時(shí)間對(duì)蓖麻籽出油特性的影響不同，同等條件下，壓榨壓力比時(shí)間對(duì)蓖麻籽餅粕殘油率的影響要大。蓖麻籽餅粕殘油率隨壓榨壓力和時(shí)間增大而減小，其臨界壓榨壓力為80 MPa，最佳壓榨時(shí)間為5 min。

3.2 采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)蓖麻籽餅粕殘油率與壓榨壓力和時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果表明，所擬合的殘油率與壓榨壓力和時(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式具有較高的精度。與試驗(yàn)值比較，其最大誤差為0.9%，這為科學(xué)設(shè)計(jì)榨油機(jī)提供了理論依據(jù)。

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