田 成，徐道春，肖 賽，李文彬

（北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京100083）

無患子Sapindus mukorossi，又名肥皂果，落葉喬木，樹高可達(dá)25 m，是典型的南方樹種［1］。無患子果皮富含的皂苷成分具有良好的起泡性和去污性能，可作為天然活性物質(zhì)用于洗發(fā)香波及各種潔膚護膚化妝品中［2－4］，甚至還可用于清潔被有機物污染的土壤［5－6］。 無患子果核無需拋光就可以串成手飾［7］，如佛珠；果仁可以提煉木本生物柴油，油酸含量豐富［8］，也可用于制作高級潤膚油、潤滑油、航空與軍用油，是開發(fā)生物質(zhì)能源的理想原料［9－11］。近年來，國內(nèi)外對無患子的研究和開發(fā)應(yīng)用日益增多，無患子產(chǎn)業(yè)將來必然成為中國一個獨具特色的產(chǎn)業(yè)［12］。從無患子果皮中提取與加工皂苷是無患子產(chǎn)業(yè)的最重要環(huán)節(jié)之一，無患子果皮含有大量皂苷可以通過水提法［13－14］或有機溶劑萃取法提取。其中，有機溶劑萃取法主要以乙醇［15］和正丁醇［16］萃取為主，但考慮到所用溶劑易揮發(fā)或有毒性，故高純度提取法都還處于初步研究階段，離實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)還存在成本高、可操作性差等缺點；而水提法以水作為萃取介質(zhì)，成本低，工藝穩(wěn)定，雖然提取物中往往會萃出其他雜質(zhì)，但可采用微波法［17］或超濾法［18］對皂苷進行分離純化，得到高純度皂苷。因此，在目前一線生產(chǎn)中，采用了水提法提取皂苷，但處理果皮萃后物時采用的是人工撈取的方法，這種方法會導(dǎo)致效率低、車間黏滑與皂苷浪費等一系列問題，而國內(nèi)外現(xiàn)存的農(nóng)產(chǎn)品干燥機［19－21］結(jié)構(gòu)大多較為復(fù)雜、能耗大。針對以上問題，本研究研制了一種雙向旋轉(zhuǎn)式無患子果皮萃后物濾水分料裝置，并對其性能進行了測試。

1 雙向旋轉(zhuǎn)式無患子濾水機的設(shè)計

1.1 雙向旋轉(zhuǎn)式無患子濾水機結(jié)構(gòu)

設(shè)計的雙向旋轉(zhuǎn)式無患子果皮萃后物濾水機如圖1所示，尺寸為600 mm×590 mm×766 mm。該裝置包括機架、動力傳動機構(gòu)、進料機構(gòu)、濾水分料機構(gòu)和瀝水機構(gòu)。濾水機的動力傳動機構(gòu)包括電機、聯(lián)軸器、主軸、軸承及軸承端蓋。選用的電機功率為300 W，轉(zhuǎn)速為90～1 400 r·min－1，安裝在機架上，電機輸出軸通過聯(lián)軸器連接主軸的一端；主軸的另一端依次安裝軸承和軸承端蓋，并與濾水分料機構(gòu)連接。在濾水分料機構(gòu)中，為了減小裝置運行時攪動葉片被果皮卡住的概率，將葉片與瀝水內(nèi)桶的間距設(shè)置為浸水后果皮彎曲有效厚度（即為果皮凹面朝上，水平放置所測得的最大高度），平均為5 mm。在出料機構(gòu)中，采用了切線形長條導(dǎo)槽，出料口在垂直半徑方向上的投影長度可為內(nèi)桶半徑的10%～50%，此處選取20%。本裝置通過動力傳動機構(gòu)向濾水分料機構(gòu)提供動力，實現(xiàn)濾水分料機構(gòu)及瀝水機構(gòu)對浸水無患子果皮的雙向旋轉(zhuǎn)式脫水。

圖1 無患子果皮萃后物濾水機Figure 1 A filter for the Sapindus mukorossi pericarp after the water extraction

1.2 工作原理

濾水方式如圖2A和圖2B所示，當(dāng)攪動葉片由電機控制正向旋轉(zhuǎn)時，浸水無患子果皮以一定速率從進料漏斗進入瀝水內(nèi)桶，并被攪動葉片帶動正向旋轉(zhuǎn)，果皮上的游離水將因離心作用被甩出，水將從瀝水內(nèi)桶側(cè)壁與底部排出，進入瀝水外桶，并從瀝水外桶內(nèi)底面中心向下流至瀝水導(dǎo)槽直至流出裝置。

出料方式如圖2C所示，當(dāng)裝置正向轉(zhuǎn)動一定時間即游離水被充分甩出后，攪動葉片由電機控制反向旋轉(zhuǎn)，脫水無患子果皮在攪動葉片帶動下以一定速率反向旋轉(zhuǎn)。由于攪動葉片的構(gòu)造，使得其反向旋轉(zhuǎn)時，脫水無患子果皮貼著瀝水內(nèi)桶的側(cè)壁運動。當(dāng)轉(zhuǎn)到與出料導(dǎo)槽對應(yīng)的切線位置時，果皮將沿著瀝水內(nèi)桶的切線方向從出料導(dǎo)槽中排出至裝置外，至此實現(xiàn)浸水無患子果皮的脫水以及果皮與萃取液的固液分離。

圖2 濾水和出料原理圖Figure 2 Principle of filtration and discharging

2 濾水過程的理論分析

2.1 力學(xué)分析

為驗證攪動葉片的功能實現(xiàn)情況，對果皮在攪動葉片作用下的受力情況進行了分析。在此將果皮簡化為半球殼體，由于攪動葉片為正向旋轉(zhuǎn)弧度的四葉扇，在任意軸向位置處，徑向切面各不相同，可設(shè)果皮和葉片內(nèi)側(cè)廓線切線的平行線與果皮和轉(zhuǎn)動中心的連線夾角為θ，果皮質(zhì)心和轉(zhuǎn)動中心的連線段長度為R。當(dāng)果皮的轉(zhuǎn)動半徑改變時，即R發(fā)生改變，所在位置處的葉片軸向偏角各不相同，可設(shè)果皮與葉片接觸點處的葉片軸向偏角為α。由于進料時，攪動葉片已開始轉(zhuǎn)動，故取果皮不受底板作用力的情況進行力學(xué)分析，F(xiàn)為葉片對果皮的驅(qū)動力，由葉片軸向偏角可分解為F1與F2；f為葉片對果皮的摩擦力，可分解為f1與f2。A為向視圖（圖3）。

圖3 果皮濾水過程的受力分析Figure 3 Force analysis of the filtering Sapindus mukorossi pericarp

式（1）～（4）中：θ為果皮和葉片內(nèi)側(cè)廓線切線的平行線與果皮和轉(zhuǎn)動中心的連線夾角（rad）；R為果皮質(zhì)心和轉(zhuǎn)動中心的連線段長度（m）；α為果皮與葉片接觸點處的葉片軸向偏角（rad）；F為葉片對果皮的驅(qū)動力（N）；F1與F2為葉片對果皮的驅(qū)動力的分力（N）；f為葉片對果皮的摩擦力（N）；f1與f2為葉片對果

假設(shè)果皮能夠受力平衡，則各力之間關(guān)系如式（1）～（4）所示。皮的摩擦力的分力 （N）；μ為果皮與葉片間的摩擦系數(shù)；m為果皮質(zhì)量 （kg）；ω為葉片的轉(zhuǎn)動角速度（rad·s－1）；g為重力加速度， 取 9.8 m·s－2。

聯(lián)立式（1）～（4）可得到式（5）。

由式（5）可知：要使平衡態(tài)存在，則必須滿足式（6）。

下面對軸向偏角α進行分類討論：①若α＜90°，可得式（7）。

②若α＞90°，在此種情況下，軸向葉片旋向向上，可得式（8）。

由式（7）與式（8）可知：在理論上，2種情況下都可能存在果皮附著在葉片上達(dá)到平衡態(tài)的摩擦系數(shù)μ，但考慮到果皮與葉片間摩擦系數(shù)μ的實際值，式（7）中的θ必須大于45°才可能滿足平衡態(tài)要求。其次，由于式（7）的區(qū)間范圍小于式（8）的區(qū)間范圍，故可知在葉片軸向偏角α＜90°的情況下，果皮附著在葉片上的概率小于軸向偏角α＞90°的情況下的概率。

在式（8）中：μ存在的概率相對較大的情況下，部分果皮在正轉(zhuǎn)脫水時會被葉片不斷托起，并不斷碰撞進料漏斗與桶蓋，使得大量果皮黏附在瀝水內(nèi)桶的上層桶壁，從而影響出料效果，大大降低出料效率。由式（7）可知：存在能讓果皮附著在葉片上的摩擦系數(shù)μ的概率非常小，從而使得在正轉(zhuǎn)時，大部分果皮分散在下層桶壁與桶底。因此，采用了軸向偏角α＜90°的葉片旋向方式進行樣機投產(chǎn)。

2.2 運動學(xué)仿真分析

為進一步驗證上述力學(xué)分析結(jié)論，本研究采用Adams虛擬樣機仿真軟件進行了仿真測試。在仿真中，建立的果皮模型為半球殼模型，初始位置在進料漏斗上方，為了使得仿真模擬過程更直觀，隱藏了非關(guān)鍵零件，設(shè)置了瀝水內(nèi)桶底部圓心為參考點，由于設(shè)置的接觸力較多，為使仿真結(jié)果精確，取步長為0.000 1 s，步數(shù)為0.8 s，轉(zhuǎn)速為700 r·min－1，動靜摩擦系數(shù)均為0.3。計算繪制出了果皮質(zhì)心與該參考點的空間距離圖象如圖4所示，從圖4可以直觀看出：果皮通過進料漏斗進入瀝水內(nèi)桶，經(jīng)過一段時間后，落在桶底，被攪動葉片帶動貼在桶壁上一起轉(zhuǎn)動，采用軸向偏角α＜90°的攪動葉片后，結(jié)合實際材料摩擦系數(shù)，不論如何改變靜摩擦與動摩擦系數(shù)，果皮均不會附著在葉片上，也不會從出料導(dǎo)槽中排出，故上文力學(xué)分析結(jié)論與1.2中濾水方式設(shè)想得證。

3 濾水裝置樣機與性能測試

本研究研制的無患子濾水裝置樣機如圖5所示，傳動機構(gòu)、進料機構(gòu)、濾水分料機構(gòu)及瀝水機構(gòu)的關(guān)鍵件采用增材制造技術(shù)進行加工。對裝配后的樣機，本研究進行了濾水效果和出料效果實驗。

圖4 果皮與參考點的空間距離Figure 4 Distance between the pericarp and the reference point

圖5 實驗樣機與主要部件圖Figure 5 Experimental prototype and main component

濾水效果驗證實驗：取適量果皮，用濾布過濾后稱取m1＝100 g待用，將裝置設(shè)定到規(guī)定轉(zhuǎn)速后，再把樣本放入分料裝置中進行濾水，5 min后，用80%的轉(zhuǎn)速（1 120 r·min-1）反轉(zhuǎn)將果皮排出后，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為0，并搜集排出的果皮和瀝水內(nèi)桶中殘留果皮，放到電子天平上稱量得總質(zhì)量m2，稱量完畢后，再將樣本放入干燥箱中干燥至與實驗前所測含水率相同的狀態(tài)，稱得質(zhì)量m3，取下一份樣本，設(shè)定不同轉(zhuǎn)速（20%，40%，60%，80%滿速轉(zhuǎn)速，滿速轉(zhuǎn)速為1 400 r·min－1），重復(fù)上述步驟，重復(fù)3次·組－1，實驗結(jié)果如表1所示，濾前濾后果皮實驗樣品如圖6所示。濾水率n1計算式如式（9）所示。

式（9）中：n1為濾水率；m1為用濾布過濾后的果皮質(zhì)量（g）；m2為濾后果皮總質(zhì)量（g）；m3為干燥后的果皮質(zhì)量（g）。

表1 不同轉(zhuǎn)速下果皮的濾水率Table 1 Water filtration rate of the pericarp at different speeds

隨著轉(zhuǎn)速的增加，濾水率先增大后減?。粸V水率為20%～50%，符合濾水要求。由于設(shè)置的葉片與瀝水內(nèi)桶的間距為浸水后果皮的平均彎曲厚度，故在測試中幾乎不存在攪動葉片被貼附在內(nèi)桶桶壁上的果皮卡住的情況。在轉(zhuǎn)速為1 120 r·min－1時，受切線形出料導(dǎo)槽與瀝水內(nèi)桶的安裝誤差影響，果皮易被高速轉(zhuǎn)動的攪動葉片切碎，大量果皮附著在桶壁上，故造成了出料時只有少數(shù)果皮能夠被攪動葉片推出，因此，該組實驗數(shù)據(jù)無意義，未計算濾水率，故可說明在轉(zhuǎn)速較高的狀態(tài)下，本裝置功能受限。在滿速的80%轉(zhuǎn)速濾水后的桶壁狀態(tài)如圖7所示。

圖6 以60%轉(zhuǎn)速濾水前后的果皮Figure 6 Pericarps before and after the filter at 60%of the maximum speed

圖7 以80%轉(zhuǎn)速濾水后的桶壁Figure 7 Filter wall after the movement at 80%of the maximum speed

出料效果驗證實驗：準(zhǔn)備步驟同濾水效果驗證實驗，用40%（560 r·min-1）的轉(zhuǎn)速濾水5 min，再分別用 40%（560 r·min-1）， 60%（840 r·min-1）， 80%（1 120 r·min-1）的轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)出料， 測量每次出料所耗時間與被排出的果皮質(zhì)量m4，測量裝置內(nèi)殘留果皮質(zhì)量m5，重復(fù)3次·組－1。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)速下果皮的出料耗時與出料率Table 2 Consumption time and discharge rate of pericarps at different speeds

出料率n2計算式如式（10）所示。式（10）中：n2為出料率；m4為被排出的果皮質(zhì)量（g）；m5為瀝水內(nèi)桶中殘留果皮質(zhì)量（g）。

由表2可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，出料耗時顯著縮短，但受出料口大小與切線形出料導(dǎo)槽形狀限制，果皮會在出料口形成暫時堆積，從而影響出料效果，反而會使一部分果皮被攪動葉片托起高于出料口，從而沿桶壁轉(zhuǎn)動，無法出料；由于加工處理水平有限，出料口邊緣存在棱邊，致使出料果皮在出料轉(zhuǎn)速較大時會卡在棱邊處，故轉(zhuǎn)速較高的情況下，出料率會相對較低，但總體來說，平均出料率可達(dá)85%以上。通過調(diào)研福建省源容生物科技有限公司的實地生產(chǎn)情況，企業(yè)提出了初版樣機出料率需達(dá)80%以上的要求，故本裝置出料效果滿足要求。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種雙向旋轉(zhuǎn)式無患子果皮萃后物濾水分料裝置，對其濾水過程進行了力學(xué)與Adams仿真分析以驗證該設(shè)計方案，利用3D打印技術(shù)研制了樣機，從濾水和分料效果角度對樣機進行了性能測試。研究結(jié)果表明：①提出的新裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，實用性強。裝置采用了 “雙向旋轉(zhuǎn)式”的理念，濾水分料機構(gòu)及瀝水機構(gòu)實現(xiàn)了浸水無患子果皮的脫水與出料功能，操作簡便高效，提高了無患子果皮皂苷萃取率。②采用的軸向偏角α＜90°的攪動葉片設(shè)計方式可減小果皮在葉片上附著堆積的概率，促使果皮慢慢分散到下層桶壁與桶底上，從而使得裝置能夠更有效地完成脫水與出料工作。③通過對初版樣機的性能測試，裝置的平均濾水率可達(dá)45.83%，平均出料率可達(dá)85%以上，但仍需對攪動葉片與出料導(dǎo)槽加以設(shè)計改進。總的來說，初版樣機能夠較好地實現(xiàn)萃后物和皂苷混合物的分離、皂苷混合物的再回收利用，提高了無患子果皮皂苷的萃取率，濾水后的果皮更利于后續(xù)烘干和曬干工藝。

5 參考文獻(xiàn)

［1］ 陳藝林.中國植物志：第47卷第1分冊［M］.北京：科學(xué)出版社，1985.

［2］ 孫潔如，陳孔常，周鳴方，等.無患子表面活性物及其復(fù)配體系的性質(zhì)研究［J］.日用化學(xué)工業(yè)，2002，32（4）： 16-18.SUN Jieru,CHEN Kongchang,ZHOU Mingfang,et al.Study of surface activity and application ofSapindus mukorossi［J］.China Surfact Det Cosmet,2002,32（4）:16-18.

［3］ NI Wei,HUA Yan,LIU Haiyang,et al.Tirucallane-type triterpenoid saponins from the roots ofSapindus mukorossi［J］.Chem Pharm Bull,2006,54（10）:1443-1446.

［4］ SHIAU I L,SHIH T L,WANG Yanang,et al.Quantification for saponin from a soapberry （Sapindus mukorossiGaertn） in cleaning products by a chromatographic and two colorimetric assays ［J］.J Fac Agric Kyushu Univ,2009,54（1）:215-221.

［5］ ZHOU Wenjun,WANG Xuehao,CHEN Cuiping,et al.Enhanced soil washing of phenanthrene by a plant-derived natural biosurfactant,Sapindus saponin［J］.Coll Surf A Physicochem Eng Asp,2013,425（2）:122-128.

［6］ MAITY J P,HUANG Y M,HSU C M,et al.Removal of Cu,Pb and Zn by foam fractionation and a soil washing process from contaminated industrial soils using soapberry-derived saponin:a comparative effectiveness assessment［J］.Chemosphere,2013,92（10）:1286-1293.

［7］ GONZáLEZ-PéREZ S E,ROBERT P D,COELHO-FERREIRA M.Seed use and socioeconomic significance in Kayap handicrafts:a case study from Parastate,Brazil［J］.Econ Bot,2013,67（1）:1-16.

［8］ SUN Caowen,JIA Liming,XI Benye,et al.Natural variation in fatty acid composition ofSapindusspp.seed oils ［J］.Ind Crop Prod,2017,102:97-104.

［9］ KUO Yaohaur,HUANG Huichi,YANG Kuoliming,et al.New dammarane-type saponins from the galls ofSapindus mukorossi［J］.J Agric Food Chem,2005,53（12）:4722-4727.

［10］ CHAKRABORTY M,BARUAH D C.Production and characterization of biodiesel obtained fromSapindus mukorossikernel oil［J］.Energy,2013,60（4）:159-167.

［11］ SUN Shangde,KE Xiaoqiao,CUI Longlong,et al.Enzymatic epoxidation ofSapindus mukorossiseed oil by perstearic acid optimized using response surface methodology ［J］.Ind Crop Prod,2011,33（3）:676-682.

［12］ 黃素梅，王敬文，杜孟浩，等.無患子的研究現(xiàn)狀及其開發(fā)利用［J］.林業(yè)科技開發(fā)，2009，23（6）：1-5.HUANG Sumei,WANG Jingwen,DU Menghao,et al.Research situation and utilization ofSapindus mukorossiGaerth［J］.China For Sci Technol,2009,23（6）:1-5.

［13］ LOZSáN A,RIVAS I,RODRíGUEZ G,et al.Determination of surface-active characteristics of a natural surfactant extracted fromSapindus saponaria［J］.Tens Surfact Det,2017,54（2）:109-117.

［14］ BRONIARZ-PRESS L,DULSKA D,SZAFERSKI W,et al.Analysis of the mixing effect on physicochemical properties of aqueous solutions of saponins from the multiple extraction of soap nuts ［J］.Przem Chem,2011,90（9）:1625-1627.

［15］ ALMUTAIRI M S,ALI M.Direct detection of saponins in crude extracts of soapnuts by FTIR ［J］.Nat Prod Res,2015,29（13）:1271-1275.

［16］ SAMAL K,DAS C,MOHANTY K.Application of saponin biosurfactant and its recovery in the MEUF process for removal of methyl violet from wastewater ［J］.J Environ Manage,2017,203（pt 1）:8-16.

［17］ SCHMITT C,GRASSL B,LESPES G,et al.Saponins:a renewable and biodegradable surfactant from its microwaveassisted extraction to the synthesis of monodisperse lattices ［J］.Biomacromolecules,2014,15（3）:856-862.

［18］ 魏鳳玉，解輝，余錦城，等.超濾法分離提純無患子皂苷［J］.膜科學(xué)與技術(shù)，2008，28（2）：85-88.WEI Fengyu,XIE Hui,YU Jincheng,et al.Separation and purification ofSapindus-saponin by ultrafiltration ［J］.Membr Sci Technol,2008,28（2）:85-88.

［19］ DELELE M A,WEIGLER F,MELLMANN J.Advances in the application of a rotary dryer for drying of agricultural products:a review ［J］.Dry Technol,2015,33（5）:541-558.

［20］ 張曉明，賀剛，馮晨，等.三回程有機肥顆粒轉(zhuǎn)筒干燥設(shè)備中筒抄板設(shè)計與試驗［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016， 47（7）： 151-158.ZHANG Xiaoming,HE Gang,FENG Chen,et al.Design and experiment of flights in middle drum of triple-pass rotary drum dryer for organic fertilizer pellets ［J］.Trans Chin Soc Agric Mach,2016,47（7）:151-158.

［21］ BACELOS M S,JESUS C D F,FREIRE J T.Modeling and drying of carton packaging waste in a rotary dryer ［J］.Dry Technol,2009,27（9）:927-937.