蓖麻籽壓榨制油過程中壓縮比與殘油率曲線數(shù)學擬合模型

劉汝寬， 肖志紅， 許方雷， 李昌珠， 黃志輝, 葉紅齊

(1. 湖南省林業(yè)科學院, 湖南 長沙 410004;2.中南大學 化學與化工學院, 湖南 長沙 410083;3.中南大學 機電工程學院, 湖南 長沙 410083)

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蓖麻籽壓榨制油過程中壓縮比與殘油率曲線數(shù)學擬合模型

劉汝寬1,2*， 肖志紅1， 許方雷3， 李昌珠1， 黃志輝3, 葉紅齊2

(1. 湖南省林業(yè)科學院, 湖南 長沙 410004;2.中南大學 化學與化工學院, 湖南 長沙 410083;3.中南大學 機電工程學院, 湖南 長沙 410083)

單軸壓榨蓖麻籽時，隨著壓縮比增大或壓榨速度降低，蓖麻籽餅的殘油率總體呈降低趨勢.依據(jù)壓榨試驗實測的數(shù)據(jù)，通過壓榨曲線擬合，建立了壓縮比與殘油率的數(shù)學模型，確定了模型參數(shù)并進行誤差分析.結(jié)果表明，模型模擬值與實測值在有效壓縮比2.5～5.2的范圍內(nèi)是吻合的，平均誤差約為5%.

蓖麻籽；壓榨；曲線擬合；數(shù)學模型；蓖麻油

蓖麻籽是一種重要的高含油、低含水工業(yè)油料，油脂含量一般高達45%以上[1,2]，多采用物理壓榨法制油，其方式有單軸液壓壓榨、單螺桿壓榨、雙螺桿壓榨、多螺旋壓榨等[3～5].由于螺旋壓榨效率高、過程連續(xù)和榨餅殘油率低等特點，應用廣泛.但螺旋壓榨時，榨膛內(nèi)部的變化復雜，不便于研究[6,7].比如內(nèi)部壓力究竟是怎么變化的，榨膛的每個確定壓縮比的空間內(nèi)餅的殘油率是多少等等，這些都是不便測量的，影響榨膛結(jié)構(gòu)的設(shè)計.

為簡化研究過程，本文采用自制單軸壓榨試驗機[4]，進行蓖麻籽單軸壓榨過程模擬.通過測定一系列壓縮比(ε)所對應的殘油率(η殘)，從而擬合構(gòu)建壓縮比-殘油率關(guān)系模型，以期為蓖麻籽壓榨制油設(shè)備的研制及工藝優(yōu)化提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備與材料

蓖麻籽(湘蓖1號，含油量50.40%，自然干燥)：湖南省林業(yè)科技示范園；其他化學試劑(均為分析純)：國藥集團化學試劑有限公司(上海).

脂肪測定儀(SZF-06A)：浙江托普儀器有限公司；天平(AB104-N)：梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司；電熱鼓風烘箱(101-E)：上海和呈儀器制造有限公司；雙視窗單軸液壓壓榨試驗裝置(圖1)：自制，內(nèi)徑為39 mm；液壓自動加載保壓試驗機(WEW)：上海和晟儀器科技有限公司.

1.2 試驗方法

1.2.1 參數(shù)搜集與計算

(1) 粗脂肪含量[8]

GB/T 14488.1—2008.

(2) 壓縮比

εn=V0/V=H0/H,

(1)

式中，H為壓榨后的榨料高度，mm；H0為壓榨前榨料的起始高度，mm；εn為壓榨壓縮比；V0為壓榨前榨料的起始體積，mm3；V為壓榨后榨料的體積，mm3.

(3) 殘差平方和均值θ及平均誤差e

采用殘差平方和均值θ、平均誤差e來評價模型.

θ=re2/z,

(2)

e2=θ/μ,

(3)

式中，re2為殘差平方和；z為實測值個數(shù)；μ為應力實測值平方和均值.

1.2.2 單軸壓榨試驗方法及分組 在室溫(25 ℃)條件下，將一定量的蓖麻籽放入榨膛內(nèi)，應用萬能試驗機對單軸壓榨裝置的活塞進行加載[9]，壓榨后取餅并測其殘油率等相關(guān)指標，試驗分組如表1所示.

表1 單軸壓榨試驗分組

單次壓榨是指在一個試驗中，用萬能試驗機對單軸壓榨試驗裝置在恒定速度下不間斷地壓到預設(shè)高度.多次壓榨則是在一個試驗中，用萬能試驗機對單軸壓榨試驗裝置在恒定速度下壓倒第一個預設(shè)高度后，停止壓榨，對餅進行攪拌松弛，然后第二次進行壓榨到第二個預設(shè)高度，再次停止壓榨，對餅再次進行攪拌松弛，依次下去，進行到最后一個預設(shè)高度.

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮比-殘油率試驗結(jié)果

表2列出了蓖麻籽不同壓榨速度條件下蓖麻籽壓縮比與殘油率的試驗結(jié)果.

表2 蓖麻籽不同壓榨速度條件下的餅殘油率

由表2可知，在蓖麻籽壓縮比小于2時，基本不出油，研究價值不大，后續(xù)曲線擬合及模擬參數(shù)構(gòu)建研究選擇蓖麻籽壓縮比大于2時進行.綜合來看，蓖麻籽壓榨制油時，隨著壓縮比增大或壓榨速度的降低，蓖麻籽餅的殘油率總體呈降低趨勢.

2.2 不同壓榨條件下壓縮比與殘油率變化曲線及其擬合

圖2(a)為蓖麻籽單次壓榨時餅殘油率隨壓縮比的變化曲線，圖2(b)為正常出油段壓縮比與殘油率擬合曲線.由圖2可知，隨著壓縮比不斷增大，蓖麻籽出油迅速增加，殘油率不斷減小，并且當壓縮比達到一定值時，出油緩慢，殘油率變化很小.隨著壓榨速度的減小，殘油率也不斷地減小，但幾種不同壓榨速率間的差異并不明顯.其原因是壓榨速度越大，當壓力達到一定值時，往往是上部分蓖麻籽破碎，中間部分和下部分還完好無損，外殼破碎的蓖麻籽中的油脂滲出，流向散體層孔隙，蓖麻籽散體層變成油液半飽和或飽和多孔介質(zhì).此后繼續(xù)壓榨，變形主要受油液的滲流影響，油液在多孔介質(zhì)中的滲流具有明顯的時間效應，滲流時間越短，滲流量越小，而且滲流速率變化平緩.若壓榨速度比較小，先滲出的油脂有足夠的時間流出，散體層不容易形成半飽和或飽和多孔介質(zhì).相反，若加載速度過大，油液還來不及流出，油路就被封閉，此時較易形成半飽和或飽和多孔介質(zhì).

圖3列出了蓖麻籽單次壓榨和多次壓榨時壓縮比與餅殘油率直接變化關(guān)系及其擬合曲線.由圖可知，與單次壓榨相比，多次壓榨在相同的壓縮比下可以達到更低的殘油率.其原因主要是在多次壓榨時，可以實現(xiàn)“壓榨-松弛-壓榨-松弛-壓榨”等連續(xù)動作，使餅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷改變，有利于餅更好地出油，這與帶錐套螺桿的螺旋壓榨過程極為相似.

2.3 壓縮比-殘油率關(guān)系模型參數(shù)

綜上，蓖麻籽單軸單次壓榨的有效出油段對應的壓縮比范圍是2.5～5.2，結(jié)合壓縮比-殘油率分布規(guī)律，依據(jù)經(jīng)驗建立模型如下：

η=a1+a2ea3εn，

(4)

式中，η為餅殘油率(%)；e為自然對數(shù)的底數(shù)，e≈2.718 28；a1、a2和a3為待定參數(shù).

如圖2和圖3所示，在相同壓縮比下，蓖麻籽殘油率模擬值與實測值比較接近，但仍存在一定的誤差.根據(jù)試驗結(jié)果，應用最小二乘法對試驗結(jié)果進行參數(shù)反演，求得蓖麻籽在不同形態(tài)下模型參數(shù)a1、a2和a3的值，結(jié)果見表3.

表3 不同壓榨條件下的蓖麻籽壓縮比-殘油率數(shù)學模型參數(shù)

2.4 壓縮比-殘油率關(guān)系模擬誤差分析

根據(jù)試驗與模型模擬結(jié)果，計算得到殘差標準差S、殘差平方和均值θ和平均誤差e，列于表4.

表4 模型參數(shù)誤差分析

由表4可得，針對蓖麻籽單次壓榨試驗，殘差標準差S相差不大，殘差離散程度不大，均小于1.5%；殘差平方和均值θ相差比較大，而平均誤差e相差不大，約為5%，這主要是由于單軸液壓試驗榨機榨膛體積小，而蓖麻籽籽粒存在差異，進而導致初始裝料時蓖麻籽分布形態(tài)的不同，使得平均誤差相對較大.

3 結(jié) 論

(1) 蓖麻籽單軸壓榨時，隨著壓縮比增大或壓榨速度的降低，蓖麻籽餅的殘油率總體呈降低趨勢.壓榨速率對蓖麻籽餅殘油率影響較大.一定壓縮比時，速率越大，殘油率越高；在相同壓縮比下，多次壓榨相對單次壓榨可以達到更低的殘油率.

(2) 通過對有效出油段餅殘油率曲線擬合，建立了壓縮比與殘油率的數(shù)學模型，確定了模型參數(shù)并進行誤差分析.結(jié)果表明，壓縮比在2.5～5.2內(nèi)，模型模擬值與實測值在一定程度上是吻合的，平均誤差約為5%.

[1] 張良波, 劉汝寬, 廖博愛, 等. 蓖麻籽含油率測定的近紅外模型[J]. 農(nóng)學學報，2014, 4(7): 78-81.

[2] 劉汝寬, 程鑫鑫, 肖志紅, 等. 蓖麻蒴果剝殼過程中的力學性能有限元仿真[J]. 中國糧油學報，2015, 10(5): 55-58.

[3] 解士聰, 黃志輝, 李昌珠, 等. 一種螺旋榨油機榨膛內(nèi)表面溫度預估方法[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學學報，2014(6): 110-113.

[4] 劉汝寬, 黃志輝, 李昌珠, 等. 一種植物油料壓榨試驗方法及裝置:201310270033.3[P]. 2013-10-30.

[5] 鄭曉，林國祥，游燕，等. 棉籽和蓖麻籽的冷榨試驗與數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2007, 23(9)：260-254.

[6] 黃志輝, 許方雷, 李昌珠，等. 蓖麻籽不同狀態(tài)不同壓榨方式下壓縮比與軸向應力關(guān)系的研究[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學學報,2015(1): 31-33.

[7] 李昌珠, 劉汝寬，楊星星，等. 油料冷態(tài)壓榨過程中油脂遷移速率影響因素分析[J]. 湖南林業(yè)科技,2015, 42(2): 1-3.

[8] 中國國家標準化管理委員會.植物油料含油量測定：GB/T 14488.1—2008[S].

[9] 劉汝寬, 施亮林, 肖志紅, 等. 壓榨時間和壓力對蓖麻籽壓榨性能的影響及其數(shù)學擬合研究[J]. 中國糧油學報,2014, 29(10): 51-55.

責任編輯：朱美香

Curve Fitting and Model of Compression Ratio and Residual Oil in Pressing Process of Castor Beans

LIURu-kuan1,2*,XIAOZhi-hong1,XUFang-lei3,LIChang-zhu1,HUANGZhi-hui3,YEHong-qi2

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

Castor bean is an important kind of industrial oilseeds with high oil content and low moisture content. In uniaxial press, residual oil of castor bean cake decreased with the increase of compression ratio and decrease of pressing speed. Based on the experimental data and curve fitting, a mathematical model of compression ratio and residual oil was established, and the parameters were obtained. Results of error analysis showed that the values between measured and simulated fit well in effective compression ratio 2.5～5.2, and the average error is about 5%.

castor bean; press; curve fitting; mathematical model; castor oil

2015-03-25

國家自然科學基金項目(31470594)；國家林業(yè)局公益項目(201304608)

劉汝寬(1981— ),男，山東 滕州人，副研究員.E-mail:liurukuan@gmail.com

TQ 644.13

A

1000-5900(2015)03-0059-05