蓖麻籽單軸壓榨制油過程中壓縮比與殘油率曲線擬合及其數(shù)學(xué)模型

肖志紅 ，李昌珠 ，，劉汝寬 ，許方雷

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，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.湖南省生物柴油工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

蓖麻籽單軸壓榨制油過程中壓縮比與殘油率曲線擬合及其數(shù)學(xué)模型

肖志紅1，李昌珠1，3，劉汝寬2，3，許方雷3

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，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.湖南省生物柴油工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

蓖麻籽是一種重要的高含油、低含水工業(yè)油料，粉碎后進行單軸壓榨時，隨著壓縮比增大或壓榨速度的降低，餅粕的殘油率總體呈降低趨勢。壓榨速率對蓖麻籽餅粕殘油率影響較大，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。通過壓榨曲線擬合，建立了壓縮比與殘油率的數(shù)學(xué)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一定程度上是吻合的，平均誤差約為1%。

蓖麻籽；榨油機；摩察系數(shù)；蓖麻油

蓖麻籽是一種重要的高含油工業(yè)油料，含油率一般在45%以上[1]。其制油多采用螺旋壓榨法制油[2]，但壓榨時榨膛內(nèi)部的變化極其復(fù)雜，不便于研究[3]。本文采用自制單軸壓榨試驗機，通過破碎對蓖麻進行顆?；A(yù)處理操作，以增加裝填量并使其在榨膛內(nèi)均勻分布，然后進行單軸壓榨并搜集餅粕殘油率數(shù)據(jù)，繪制壓縮比與殘油率關(guān)系曲線圖。通過擬合曲線構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，以期為蓖麻籽預(yù)處理高效壓榨制油工藝開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備與材料

蓖麻籽（湘蓖1號，自然干燥，含油率50.4%）：湖南省林業(yè)科技示范園；其他化學(xué)試劑均為分析純：國藥集團化學(xué)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(fēng)烘箱（101-E）：上海和呈儀器制造有限公司，雙視窗單軸壓榨試驗裝置（圖1，自制，內(nèi)徑為39 mm）；液壓自動加載保壓試驗機（WEW-B）：濟南凱銳機械設(shè)備有限公司；粉碎機（6202）：北京維博創(chuàng)機械設(shè)備有限公司。

圖1 單軸壓榨試驗裝置Fig.1 Experimental device of single axis hydraulic press

1.2 試驗方法

1.2.1 參數(shù)搜集與計算

(1) 粗脂肪含量[4]：GB/T 14488.1—2008；

(2) 壓縮比ε

式中，H為壓榨后的油料高度，mm；H0為壓榨前油料的起始高度，mm；εn為壓榨壓縮比；V0為壓榨前油料的起始體積，mm3；V為壓榨后油料的體積，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和平均誤差e來評價模型。

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

1.2.2 蓖麻籽破碎預(yù)處理

取100 g蓖麻籽裝入粉碎機內(nèi)，開機粉碎30 s，得到粉碎處理的蓖麻籽稱為“蓖麻籽顆?！?。

1.2.3 單軸壓榨試驗方法[5]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(yīng)用萬能試驗機對單軸壓榨裝置的活塞進行加載，壓榨后取餅粕并測其殘油率等相關(guān)指標，試驗的分組如表1所示。

表1 單軸壓榨試驗分組Table 1 Experimental runs for pressing by single axis hydraulic press

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(yù)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(yù)設(shè)高度后，停止壓榨，對餅粕進行攪拌松弛，然后第二次進行壓榨到第二個預(yù)設(shè)高度，再次停止壓榨，對餅粕再次進行攪拌松弛，依次下去，進行到最后一個預(yù)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列出了破碎后蓖麻籽不同壓榨速率條件下壓榨壓縮比與殘油率的試驗結(jié)果。

表2 破碎后蓖麻籽不同壓榨速率條件下的餅粕殘油率（單位：%）Table 2 Residual oil for castor bean under different pressing methods

由表2可知，蓖麻籽破碎后再壓榨，在壓縮比小于1.5時，基本不出油，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1.5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，蓖麻籽餅粕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為蓖麻籽破碎后單次壓榨時餅粕殘油率隨壓縮比的變化曲線，圖3為正常出油段壓縮比與殘油率擬合曲線。根據(jù)圖2和圖3可知，隨著壓縮比不斷增大，出油量迅速增加，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。并且，隨著壓榨速度的減少，壓縮比與殘油率關(guān)系曲線波動也比較小。其原因是蓖麻籽經(jīng)過破碎，油料散體之間的孔隙變小，仁與籽充分接觸，出油比較均勻。

圖2 蓖麻籽破碎后單次壓榨壓縮比與殘油率關(guān)系Fig.2 Relationship of compression ratio and residual oil for crushed castor beans

圖3 正常出油段壓縮比與殘油率擬合曲線Fig.3 Curve fi tting of the relationship between compression ratio and residual oil in normal pressing section

圖4和圖5列出了蓖麻籽破碎后單次壓榨和多次壓榨時壓縮比與餅粕殘油率直接變化關(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。其原因預(yù)計是在多次壓榨時，可以實現(xiàn)“壓榨—松弛—壓榨—松弛—壓榨”等連續(xù)動作，使餅粕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷的改變，有利于餅粕更好地出油，這與帶錐套螺桿的螺旋壓榨極為相似。

圖4 蓖麻籽破碎后壓榨單次與多次壓榨對比Fig.4 Comparison of single and multiple pressing for crushed castor beans

圖5 不同壓榨次數(shù)的擬合曲線對照Fig.5 Comparison of curves under different pressing conditions

2.3 壓縮比—殘油率關(guān)系模型參數(shù)反演

根據(jù)壓縮比—殘油率大致分布規(guī)律，依據(jù)經(jīng)驗[6]建立模型如下：

式中，W為餅粕殘油率，（%）；e為自然對數(shù)的底數(shù)，e≈2.718 28；a1、a2、a3為待定參數(shù)。

如圖1～圖4所示，在相同壓縮比下，餅粕殘油率模擬值與實測值比較接近，但仍存在一定的誤差[7]。應(yīng)用最小二乘法對試驗結(jié)果進行參數(shù)反演求得模型參數(shù)a1、a2和a3的值，結(jié)果如表3所示。

表3 壓縮比-殘油率數(shù)學(xué)模型參數(shù)Table 3 Parameters of mathematical model for compression ratio and residual oil

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 誤差分析參數(shù)Table 4 Error analysis on model parameters

由表4可得，針對單次壓榨試驗，殘差標準差s相差不大，殘差離散程度不大，均小于0.35%；殘差平方和均值θ小于0.1%，平均誤差e約小于1%；這主要是由于蓖麻籽進行了顆?；扑樘幚?，使得物料之間的間隙較小，出油效果好，從而使得平均誤差相對較小。

3 結(jié) 論

（1）均勻顆?；吐樽堰M行單軸壓榨時，隨著壓縮比增大或壓榨速度的降低，餅的殘油率總體呈降低趨勢，然而壓榨速率和壓榨次數(shù)對蓖麻籽餅殘油率影響不大。

（2）通過壓榨曲線擬合，建立了壓縮比與殘油率的數(shù)學(xué)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一定程度上是吻合的，平均誤差約小于1%，具有較好的模擬效果。

[1]張 研,喬金友. 淺析中國蓖麻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報,2009, 25(16): 316-319.

[2]許方雷. 蓖麻籽螺旋壓榨機理研究與螺旋榨油機雙螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計[D]. 中南大學(xué), 2014.

[3]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(xué)報, 2007, 23(9): 260-254.

[4]GB/T 14488.1—2008植物油料含油量測定[S].

[5]李昌珠, 肖志紅, 劉汝寬,等. 光皮樹果實專用型螺旋冷榨機的壓榨性能研究[J]. 湖南林業(yè)科技, 2012, 40(2): 6-8.

[6]范金城. SAS數(shù)據(jù)分析范例[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2008.

[7]佘佳榮,晁 燕,譚利娟. 基于氣相色譜法的湖南油茶籽油摻雜判定[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2014,34(5): 88-91.

Curve fi tting and model of compression ratio and residual oil in pressing of castor beans

XIAO Zhi-hong1, LI Chang-zhu1,3, LIU Ru-kuan2,3, XU Fang-lei3
(1. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hunan, China; 2. College of Chemistry & Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 3.Hunan Engineering Research Centre for Biodiesel, Changsha 410004, Hunan, China)

Castor bean is an important kind of industrial oilseeds with high oil content and low moisture content. In uniaxial press,residual oil of crushed castor bean meal decreased with the increase of compression ratio and decrease of press speed. Pressing speed had huge in fl uences on residual oil of bean cake. In a fi xed compression ratio, the higher is the speed and the more times of press, the lower residual oil. Through curve fi tting, 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 fi t well, and the average error is about 1%.

castor bean; press; friction coef fi cient; castor oil

S759.3

A

1673-923X(2016)02-0106-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.02.020

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-09-16

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)專項目（201304608）；國家科技支撐（2015BAD15B02）

肖志紅，研究員；E-mail：xzhh1015@163.com

肖志紅，李昌珠，劉汝寬，等. 蓖麻籽單軸壓榨制油過程中壓縮比與殘油率曲線擬合及其數(shù)學(xué)模型[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2016, 36(2): 106-109.

[本文編校：吳 彬]