蓖麻籽单轴压榨制油过程中压缩比与残油率曲线拟合及其数学模型

肖志红 ，李昌珠 ，，刘汝宽 ，许方雷

（1.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；2.中南大学 化学与化工学院，湖南 长沙 410083；3.湖南省生物柴油工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

蓖麻籽单轴压榨制油过程中压缩比与残油率曲线拟合及其数学模型

肖志红1，李昌珠1，3，刘汝宽2，3，许方雷3

（1.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；2.中南大学 化学与化工学院，湖南 长沙 410083；3.湖南省生物柴油工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

蓖麻籽是一种重要的高含油、低含水工业油料，粉碎后进行单轴压榨时，随着压缩比增大或压榨速度的降低，饼粕的残油率总体呈降低趋势。压榨速率对蓖麻籽饼粕残油率影响较大，一定压缩比时，速率越大残油率越高；在相同压缩比下，多次压榨相对单次压榨可以达到更低的残油率。通过压榨曲线拟合，建立了压缩比与残油率的数学模型，确定了模型参数并进行误差分析。结果表明，模型模拟值与实测值在一定程度上是吻合的，平均误差约为1%。

蓖麻籽；榨油机；摩察系数；蓖麻油

蓖麻籽是一种重要的高含油工业油料，含油率一般在45%以上[1]。其制油多采用螺旋压榨法制油[2]，但压榨时榨膛内部的变化极其复杂，不便于研究[3]。本文采用自制单轴压榨试验机，通过破碎对蓖麻进行颗粒化预处理操作，以增加装填量并使其在榨膛内均匀分布，然后进行单轴压榨并搜集饼粕残油率数据，绘制压缩比与残油率关系曲线图。通过拟合曲线构建数学模型，以期为蓖麻籽预处理高效压榨制油工艺开发提供基础数据。

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，含油率50.4%）：湖南省林业科技示范园；其他化学试剂均为分析纯：国药集团化学试剂有限公司（上海）。

脂肪测定仪（SZF-06A）：浙江托普仪器有限公司；天平（AB104-N）：梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司；电热鼓风烘箱（101-E）：上海和呈仪器制造有限公司，双视窗单轴压榨试验装置（图1，自制，内径为39 mm）；液压自动加载保压试验机（WEW-B）：济南凯锐机械设备有限公司；粉碎机（6202）：北京维博创机械设备有限公司。

图1 单轴压榨试验装置Fig.1 Experimental device of single axis hydraulic press

1.2 试验方法

1.2.1 参数搜集与计算

(1) 粗脂肪含量[4]：GB/T 14488.1—2008；

(2) 压缩比ε

式中，H为压榨后的油料高度，mm；H0为压榨前油料的起始高度，mm；εn为压榨压缩比；V0为压榨前油料的起始体积，mm3；V为压榨后油料的体积，mm3。

(3) 残差平方和均值θ及平均误差e

采用残差平方和均值θ和平均误差e来评价模型。

式中，re2为残差平方和；z为实测值个数；μ为应力实测值平方和均值。

1.2.2 蓖麻籽破碎预处理

取100 g蓖麻籽装入粉碎机内，开机粉碎30 s，得到粉碎处理的蓖麻籽称为“蓖麻籽颗粒”。

1.2.3 单轴压榨试验方法[5]及分组

在室温（25 ℃）条件下，将一定量的蓖麻籽放入榨膛内，应用万能试验机对单轴压榨装置的活塞进行加载，压榨后取饼粕并测其残油率等相关指标，试验的分组如表1所示。

表1 单轴压榨试验分组Table 1 Experimental runs for pressing by single axis hydraulic press

单次压榨是指在一个试验中，用万能试验机对单轴压榨试验装置在恒定速度下不间断地压到预设高度。多次压榨则是在一个试验中，用万能试验机对单轴压榨试验装置在恒定速度下压倒第一个预设高度后，停止压榨，对饼粕进行搅拌松弛，然后第二次进行压榨到第二个预设高度，再次停止压榨，对饼粕再次进行搅拌松弛，依次下去，进行到最后一个预设高度。

2 结果与分析

2.1 压缩比—残油率试验结果

表2列出了破碎后蓖麻籽不同压榨速率条件下压榨压缩比与残油率的试验结果。

表2 破碎后蓖麻籽不同压榨速率条件下的饼粕残油率（单位：%）Table 2 Residual oil for castor bean under different pressing methods

由表2可知，蓖麻籽破碎后再压榨，在压缩比小于1.5时，基本不出油，后续曲线拟合及模拟参数构建研究选择蓖麻籽压缩比大于1.5时进行。综合来看，蓖麻籽压榨制油时，随着压缩比增大或压榨速度的降低，蓖麻籽饼粕的残油率总体呈降低趋势。

2.2 不同压榨条件下压缩比与残油率变化曲线及其拟合

图2为蓖麻籽破碎后单次压榨时饼粕残油率随压缩比的变化曲线，图3为正常出油段压缩比与残油率拟合曲线。根据图2和图3可知，随着压缩比不断增大，出油量迅速增加，残油率不断减小，并且当压缩比达到一定值时，出油缓慢，残油率变化很小。随着压榨速度的减小，残油率也不断地减小，但几种不同压榨速率间的差异并不明显。并且，随着压榨速度的减少，压缩比与残油率关系曲线波动也比较小。其原因是蓖麻籽经过破碎，油料散体之间的孔隙变小，仁与籽充分接触，出油比较均匀。

图2 蓖麻籽破碎后单次压榨压缩比与残油率关系Fig.2 Relationship of compression ratio and residual oil for crushed castor beans

图3 正常出油段压缩比与残油率拟合曲线Fig.3 Curve fi tting of the relationship between compression ratio and residual oil in normal pressing section

图4和图5列出了蓖麻籽破碎后单次压榨和多次压榨时压缩比与饼粕残油率直接变化关系及其拟合曲线。由图可知，与单次压榨相比，多次压榨在相同的压缩比下可以达到更低的残油率。其原因预计是在多次压榨时，可以实现“压榨—松弛—压榨—松弛—压榨”等连续动作，使饼粕的内部结构不断的改变，有利于饼粕更好地出油，这与带锥套螺杆的螺旋压榨极为相似。

图4 蓖麻籽破碎后压榨单次与多次压榨对比Fig.4 Comparison of single and multiple pressing for crushed castor beans

图5 不同压榨次数的拟合曲线对照Fig.5 Comparison of curves under different pressing conditions

2.3 压缩比—残油率关系模型参数反演

根据压缩比—残油率大致分布规律，依据经验[6]建立模型如下：

式中，W为饼粕残油率，（%）；e为自然对数的底数，e≈2.718 28；a1、a2、a3为待定参数。

如图1～图4所示，在相同压缩比下，饼粕残油率模拟值与实测值比较接近，但仍存在一定的误差[7]。应用最小二乘法对试验结果进行参数反演求得模型参数a1、a2和a3的值，结果如表3所示。

表3 压缩比-残油率数学模型参数Table 3 Parameters of mathematical model for compression ratio and residual oil

2.4 压缩比—残油率关系模拟误差分析

根据试验与模型模拟结果，计算得到残差标准差s、残差平方和均值θ和平均误差e，列于表4。

表4 误差分析参数Table 4 Error analysis on model parameters

由表4可得，针对单次压榨试验，残差标准差s相差不大，残差离散程度不大，均小于0.35%；残差平方和均值θ小于0.1%，平均误差e约小于1%；这主要是由于蓖麻籽进行了颗粒化破碎处理，使得物料之间的间隙较小，出油效果好，从而使得平均误差相对较小。

3 结 论

（1）均匀颗粒化蓖麻籽进行单轴压榨时，随着压缩比增大或压榨速度的降低，饼的残油率总体呈降低趋势，然而压榨速率和压榨次数对蓖麻籽饼残油率影响不大。

（2）通过压榨曲线拟合，建立了压缩比与残油率的数学模型，确定了模型参数并进行误差分析。结果表明，模型模拟值与实测值在一定程度上是吻合的，平均误差约小于1%，具有较好的模拟效果。

[1]张 研,乔金友. 浅析中国蓖麻产业化发展前景[J]. 中国农学通报,2009, 25(16): 316-319.

[2]许方雷. 蓖麻籽螺旋压榨机理研究与螺旋榨油机双螺杆结构设计[D]. 中南大学, 2014.

[3]郑 晓,林国祥,游 燕,等. 棉籽和蓖麻籽的冷榨试验与数值模拟[J]. 农业工程学报, 2007, 23(9): 260-254.

[4]GB/T 14488.1—2008植物油料含油量测定[S].

[5]李昌珠, 肖志红, 刘汝宽,等. 光皮树果实专用型螺旋冷榨机的压榨性能研究[J]. 湖南林业科技, 2012, 40(2): 6-8.

[6]范金城. SAS数据分析范例[M].西安:西安交通大学出版社,2008.

[7]佘佳荣,晁 燕,谭利娟. 基于气相色谱法的湖南油茶籽油掺杂判定[J]. 中南林业科技大学学报, 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

国家林业局林业公益性行业专项目（201304608）；国家科技支撑（2015BAD15B02）

肖志红，研究员；E-mail：xzhh1015@163.com

肖志红，李昌珠，刘汝宽，等. 蓖麻籽单轴压榨制油过程中压缩比与残油率曲线拟合及其数学模型[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(2): 106-109.

[本文编校：吴 彬]