蓖麻籽单轴压榨制油临界压缩比模型构建及计算

刘汝宽，许方雷，肖志红，李培旺，吴红，张爱华，李昌珠

(1.湖南省林业科学院生物能源研究所, 长沙410004；2. 中南大学化学与化工学院； 3.中南大学机电工程学院, 长沙 410083)

蓖麻籽单轴压榨制油临界压缩比模型构建及计算

刘汝宽1,2，许方雷3，肖志红1*，李培旺1，吴红1，张爱华1，李昌珠1

(1.湖南省林业科学院生物能源研究所, 长沙410004；2. 中南大学化学与化工学院； 3.中南大学机电工程学院, 长沙 410083)

蓖麻籽是一种重要的高含油(约50%)、高含蛋白(约15%)和低含水(约6%)的工业油料，采用单轴冷态压榨制油的方式能保证饼中蛋白质的低变性程度，其后续环节多辅以溶剂浸提，以提高油料的出油率。对于冷态压榨过程，其中的临界压缩比一定程度上反映了预压制油的极限能力。直筒压榨时，受到轴向压力的作用不断被压缩，使其细胞被破坏，最终油从细胞中迁移析出并不断聚集，当油的数量达到某一临界值时便从榨筒孔壁中渗出并逐渐成股连续流出，榨筒底部流出的量远多于上部，压榨完成后，榨饼成为固结体系，成为半固态饱和物料，残余应力的存在导致榨饼与榨筒壁间存在极大的摩擦力，是影响低功耗、机械化分离的关键所在。笔者应用自制带压力数据采集系统的微型直筒式压榨试验装置，研究压榨压力、压榨速度和保压时间对蓖麻籽压榨出油率的影响；在此基础上，依据产油价值等于耗能价值，分别构建了蓖麻籽单轴压榨制油临界压缩比模型；根据出油率结果，求解得到完整蓖麻籽的临界压缩比为6.2，碾碎蓖麻籽的临界压缩比为3.6。研究结果可为蓖麻压榨机的设计及压榨实践操作提供可靠的数据支撑。

蓖麻籽；压缩比；残油率；临界压缩比；产油价值；耗能价值

基于此，课题组先后研究了油料物理压榨及亚临界萃取对油脂提取效果的影响。依据油料塞流体牵引角及输送率关系式，应用单螺杆榨油机进行了不同出饼口径和螺杆转速的输送率试验研究，得到各工况下的当量摩擦因数[7]；以螺旋压榨后的蓖麻籽饼为原料，采用正丁烷为萃取溶剂进行深度提油，残油率小于1%[8]。在此基础上，针对油料压榨制油过程中的流体流速模型，分析了宏观轴向应力对油脂流动速率的影响[9]。利用单轴压榨试验装置进行侧限压缩蠕变试验研究，取得应变与对应时间的试验数据，并建立了基于蠕变试验的非线性流变模型[10]。课题组前期研究工作主要侧重于从微观角度研究蓖麻籽压榨过程，缺少对蓖麻籽实际压榨过程的分析，忽视了对压榨效果所带来经济效益的分析，这其中最重要的指标便是临界出油率，反映在油料压缩的宏观状态则是临界压缩比。本研究在前期研究基础上，应用自制微型单轴压榨试验装置[11]进行蓖麻籽冷态压榨，提取关键参数；同时，依据产油价值与压榨消耗价值，合理取得蓖麻籽冷态压榨过程中的临界压缩比，以期为榨油机的设计和压榨操作提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验设备与材料

蓖麻籽(湘蓖1号，自然干燥)，产自湖南省林业科技示范园；其他化学试剂均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司(上海)。

微型压榨试验装置(图1，自制，内径39 mm)；液压自动加载保压试验机(WEW)，上海和晟仪器科技有限公司生产；脂肪测定仪(SZF-06A)，浙江托普仪器有限公司生产；天平(AB104-N)，梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司生产；电热鼓风烘箱(101-E)，上海和呈仪器制造有限公司生产。

1.柱塞；2.外筒；3.透明管；4.蓖麻籽；5.透水石；6.底座图1 微型压榨试验装置结构Fig. 1 Structure of miniature squeeze device

1.2 试验方法

1.2.1 主要内含物含量测定方法

水分，GB/T 14489.1—2008；粗脂肪含量，GB/T 14488.1—2008；粗蛋白含量，GB/T 14489.2—2008；淀粉含量，GB 5514—2008；粗纤维含量，GB/T 5515—2008；灰分，GB/T 5505—2008。

1.2.2 液压自动加载系统

利用液压自动加载装置(带数据采集系统，如图2所示)，对微型直筒式压榨试验装置进行加压，改变加载压力、保压时长和加载平均速度[12-13]。其中，压榨速度可调范围为0.5～4.0 mm/s，液压缸内最大压力值达10 MPa、内径为100 mm，压力传感器量程0～20 MPa。

1.电机；2.泵；3.电磁换向阀；4.调速阀；5.液控单向阀；6.溢流阀； 7.压力传感器；8.压力表；9.蓄能器；10.液压缸图2 液压加载装置数据采集系统Fig. 2 Data acquisition system for hydraulic loading device

1.2.3 单轴压榨试验方法

根据不同的试验要求，选取合适的完整或碾碎蓖麻籽，分别取55或70 g置于单轴液压压榨机榨筒内，置于柱塞下，通过加载装置进行加压操作，测定榨料高度和相应条件下的饼残油率[14]。

1.2.4 榨料压缩状态模型

将单轴压榨试验分为m个状态，相邻两状态所对应的压缩比差为Δε，编号由1直到m，两相邻榨料状态如图3所示。

图3 两相邻榨料状态Fig. 3 Diagram of adjacent state of oilseed

因此，榨料第一个状态(编号为1)所对应的压缩比ε1=1，第i个状态(编号为i)所对应的压缩比为εi=ε1+(i-1)·Δε；Δz为相邻两状态的高度变化值，Hi-Hi+1。

2 结果与分析

2.1 蓖麻籽基本成分分析及压榨出油过程

2.1.1 蓖麻籽基本成分分析

蓖麻籽中的主要内含物(如水分、脂肪、纤维素、蛋白质等)会影响其物理结构，进而影响压榨制油过程及效果[15]。在研究其剥壳的过程中发现，成熟的蓖麻籽在采收后，其水分很快降至6%～8%。采用国标化学法测定，可知蓖麻籽是一种高含油(50.4%)、高含蛋白(15.0%)，低含水(6.0%)的油料，其中淀粉、粗纤维及灰分含量分别为3.0%，23.6%和2.0%。另外，水分含量的变化会直接影响其他指标的变化，一定程度上会影响油料的物理结构进而影响其强度，并且该因素方便调整。因此，实际加工时往往通过对油料进行调质预处理来调节内含物相对含量的变化，进而影响其本身物理强度。同时，蓖麻籽高含油、高含蛋白及低纤维的特点使得其宏观上表现为质软，对油料加工设备及工艺条件的设定也提出了特殊的要求。

2.1.2 油滴聚集析出过程分析

一维压榨时，榨筒与油料在压榨过程中始终相互作用，同时受到轴向挤压和侧向限制产生破裂，当变形达到一定值时，存在于油料细胞中的油脂逐渐被挤压出来，渐渐地充满油料之间空隙。随压力增加，空隙减小，油脂沿油路被挤出榨筒，同时油料被压实形成饼。压榨过程中，油料呈现多孔介质，散体孔隙中充满了油脂，这主要由油料固相颗粒和液相油脂组成，固相颗粒与孔隙流体共同承担着外载荷，油脂逐渐形成大油滴，开始在油料中流动，并从榨筒壁孔隙中流出。图4为蓖麻籽压榨过程油滴形成及成股出油现象，即蓖麻籽直筒压榨时，受到轴向压力的作用不断被压缩，使其细胞被破坏，最终油从细胞中迁移析出并不断聚集，当油的数量达到某一临界值时便从榨筒孔壁中渗出并逐渐成股连续流出，榨筒底部流出的量远多于上部，图4展示了第一滴油的形成和成股出油现象。

a. 油滴形成；b. 油沿榨筒壁流出图4 压榨出油现象Fig. 4 Phenomenon of the oil pressed out

2.1.3 保压后油料形态

油料压榨完成后，榨饼成为固结体系，成为半固态饱和物料，残余应力的存在导致榨饼与榨筒壁间存在极大的摩擦力，是影响低功耗、机械化分离的关键所在。蓖麻籽压榨并保压10 min后，其榨饼形态如图5所示。蓖麻籽在压榨制油结束后，其油料散体成饼较好，出油率效果较好，同时，压榨后油料并未出现大量膏状物质，这为其连续化卸料提供了可能性。

图5 蓖麻籽冷榨保压10 min后的榨饼形态Fig. 5 Shapes of castor cake when cold pressed for 10 min

2.2 耗能价值与产油价值模型

蓖麻籽轴向压榨过程中，一部分水会随油液一起被挤压出来。假设饼粕中残留水占残留油的百分比与蓖麻籽本身的含水占含油百分比相等，即得：

(1)

式中：msi为榨料i状态中残留水的质量，g；mi为榨料i状态中残留油的质量，g；S0为榨料初始状态含水量，%；W0为榨料初始状态含油量，%。

依据残油率的定义可知：

(2)

(3)

式中：Wi为榨料i的残油率，%；Wi+1为榨料i+1的残油率，%；mc为油料干物质质量，g；mc=(1-W0-S0)·M，M为油料总质量(每次试验取完整蓖麻籽55 g或碾碎籽70 g)，代入计算得mc=23.98 g。

由式(1)、(2)和(3)联立计算得：

(4)

由压缩比定义可知，两相邻压缩比所对应的榨料高度差Δz(mm)为：

(5)

式中：εi为榨料i的压缩比；εi+1为榨料i+1的压缩比；H0为榨料初始装填高度，mm；Hi为榨料i的高度，mm；Hi+1为榨料i+1的高度，mm。

压榨Δεn所做的功W，所对应消耗的电能为We，W=η·We：

(6)

从理论上分析，若不考虑设备的成本和磨损消耗，临界压榨点处应为某时刻产油价值Qc与耗能价值Qh相等处。参考市场价格，蓖麻油为12 275.00元/t，蓖麻籽为4 600元/t，工业用电为0.725元/(kW·h)。由此可知，若不考虑榨饼价值，蓖麻油的成本价为9 127元/t，差价为3 148元/t。

由以上分析可得，榨料在相邻两压缩比间隔Δε的产油价值Qc(元)与耗能价值Qh(元)分别为：

(7)

(8)

2.3 临界压缩比取值分析及求解

碾碎蓖麻籽压缩比由3.0到3.1压榨柱塞头的位移为：ΔHi=0.699 0 mm。

由以上两式的计算可知，压缩比取值越大，两相邻压缩比所对应的实际位移越小，且压缩比大于3后，两相邻压缩比所对应的位移均小于1 mm。完整籽压缩比由5.2到5.3的位移仅为0.308 5 mm，所以对于完整籽压榨，Δε取值为0.1已足够小。因碾碎籽压缩比为3与完整籽压缩比为5所对应的压力基本相等，在相同的Δε条件下，碾碎柱塞移动位移是完整柱塞移动位移的2倍多，所以对于碾碎籽压榨Δε取0.05。

由压缩比-应力关系试验研究及数值模拟得到完整籽压榨速度为20 mm/min，多次压榨的压缩比-应力关系方程为：

(9)

由压缩比-残油率试验研究及数值模拟得到碾碎籽压榨速度为20 mm/min，多次压榨的压缩比-残油率关系方程为：

W=3.247 7+140.721 1e-0.527 5εn

(10)

对于完整籽压榨，若Δε=0.1，将式(9)代入式(8)得到耗能价值Qh与压缩比的关系方程：

Qh=2.404 6×10-6×

(11)

将式(10)代入式(7)得到产油价值Qc与压缩比的关系方程：

10-3×3.148

(12)

2.4 产能与耗能曲线拟合

2.4.1 完整蓖麻籽临界压缩比

临界压榨点满足：Qc=Qh，联立式(11)和(12)可得完整籽产油价值Qc与耗能价值Qh关系，如图6所示。随压榨压缩比的增大，蓖麻籽产油价值不断减小，耗能价值不断地增加。在两曲线交点前，产油价值大于耗能价值，此时说明压榨有利。若压缩比超过交点值，产油价值将低于耗能价值，说明此时不宜继续压榨。由以上分析可知，产油价值Qc曲线与耗能价值Qh曲线的交点即为临界压缩比取值点。经计算，交点所对应的压缩比εi=6.2，即临界压缩比取值为6.2。

图6 完整籽产油价值Qc与耗能价值Qh关系Fig. 6 Relationship curves of oil production value and energy consumption for intact castor seeds

2.4.2 碾碎蓖麻籽临界压缩比

应用相同方法计算得到碾碎籽的产油价值Qc与耗能价值Qh关系，如图7所示。由图7可知，碾碎籽压榨的产油价值Qc与耗能价值Qh关系与完整籽压榨基本相同。经计算，交点所对应的压缩比εi=3.6，即临界压缩比取值为3.6。

图7 碾碎籽产油价值Qc与耗能价值Qh关系Fig. 7 Relationship curves of oil production value and energy consumption for crushed castor seeds

2.4.3 不同压榨方式对比分析

综合图6和图7的结果可见，完整蓖麻籽压榨出油的临界压缩比6.2较碾碎蓖麻籽压榨出油的临界压缩比3.6大，这是由于碾碎预处理操作使得蓖麻籽具有更小的颗粒度，降低了油料间空隙；除此之外，油料的破碎预处理操作还能在一定程度上增加榨筒的装料量，应综合考虑油料的实际粒径和破碎耗能等因素来选择合理的工艺条件。

3 结 论

蓖麻籽是一种重要的高含油(约50%)和高含蛋白的工业油料，采用冷态压榨制油的方式能保证饼中蛋白质的低变性程度。同时，压榨后油料并未出现大量膏状物质，这为其连续化卸料提供了可能性。直筒压榨时，受轴向压力作用不断被压缩，使其细胞被破坏，最终油从细胞中迁移析出并不断聚集，当油的数量达到某一临界值时便从榨筒孔壁中渗出并逐渐成股连续流出，榨筒底部流出的量远高于上部，压榨完成后，榨饼成为固结体系，成为半固态饱和物料，残余应力的存在导致榨饼与榨筒壁间存在极大的摩擦力，是影响低功耗、机械化分离的关键所在。随压榨压缩比的增大，蓖麻籽产油价值不断减小，耗能价值不断增加。依据产油价值等于耗能价值，应用微型压榨试验装置搜集过程参数，求解得到完整籽的临界压缩比为6.2，碾碎籽的临界压缩比为3.6。这可为蓖麻压榨机的设计及压榨实践操作提供可靠的数据支撑。

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Numerical calculation model on critical compression ratio ofcastor bean in cold uniaxial press

LIU Rukuan1,2, XU Fanglei3, XIAO Zhihong1*, LI Peiwang1,WU Hong1, ZHANG Aihua1, LI Changzhu1

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

Castor is an important kind of industrial oil plant with high oil content of about 50%, high protein content of about 15%, and low moisture content of about 6%. A cold pressing process is required to ensure a low degree of protein denaturation when pressed for castor oil. Castor cake is then extracted by solvent to reduce the residual oil of the meal. Main contents of castor beans, feeding morphology and the operating temperature can affect the pressing effect directly. Critical compression ratio of oilseeds is a key reflection for pressing ability of pre-press. In the process of cold pressing, oilseeds are squeezed and ruptured under the interaction with the barrel by the axial compression and lateral limit. Oils in the cells are gradually squeezed out only leaving the cake inside the cylinder barrel. While oilseeds were compressed by axial pressure to make the cells destroyed, drop of the oil was pressed out from the cell through micro holes and gathered to form a flow where there were much more in the bottom than in the top. After pressing, the pressed cake becomes a kind of consolidated system with semi-solid material saturation. The presence of residual stresses caused big friction between barrel and cake, which has a significant effect on low power consumption and mechanized separation lines. Using self-made testing apparatus, experimental tests on castor oil rate were carried out in different pressing pressure and velocities, and the pressure holding time. Based on the principle that oil production value was equal to energy consumption value, the relationship model between critical compression ratio and residual oil rate was established. It was calculated that the parameters of critical compression ratios for intact castor beans were 6.2 and 3.6 for crushed seeds, which will provide a reliable data support for the design and operation of castor beans squeezer.

castor beans; compression ratio; residual oil rate; critical compression ratio; oil production value; energy consumption value

2016-08-09

2016-12-10

国家自然科学基金(31470594)；长沙市科技计划(K1508130-61)。

刘汝宽，男，副研究员，研究方向为工业油料资源高效转化技术。通信作者：肖志红，男，研究员。E-mail:xzhh1015@163.com

TQ641

A

2096-1359(2017)02-0083-06