王亞偉，劉 亮，常 超，賀 超，李 剛，劉新新，徐桂轉(zhuǎn)，李鵬飛，盧 南，馮敬禮，焦有宙,5

動(dòng)物油脂熱壓聯(lián)合提取裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王亞偉1,2，劉 亮1,2，常 超1,2，賀 超1,2，李 剛1,2，劉新新1,2，徐桂轉(zhuǎn)1,2，李鵬飛1,2，盧 南3，馮敬禮4，焦有宙1,2,5※

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村可再生能源新材料與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002；2. 河南省生物質(zhì)能源與納米材料國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002；3. 江蘇北斗星環(huán)保股份有限公司，南京 210000；4. 牧原食品股份有限公司，南陽 473000；5. 河南工程學(xué)院，鄭州 451191）

提高病死畜禽胴體中的油脂提取率是實(shí)現(xiàn)病死畜禽進(jìn)一步資源化的關(guān)鍵，為此該研究設(shè)計(jì)了一種動(dòng)物油脂熱壓聯(lián)合提取裝置。首先基于靜力學(xué)和熱傳遞分析，結(jié)合動(dòng)物油料特性，對(duì)關(guān)鍵部件壓力機(jī)構(gòu)和油脂提取機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)加熱、加壓和可編程控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型，最后選取板油進(jìn)行了裝置性能試驗(yàn)，并對(duì)提取的油脂進(jìn)行了黏度測試。結(jié)果表明：在70～150 ℃范圍內(nèi)，單獨(dú)溫度和熱壓聯(lián)合兩種油脂提取方法的最佳溫度均為130 ℃，在此溫度下油脂提取率最高分別可達(dá)到59.15%和81.35%。相同溫度下，熱壓聯(lián)合油脂提取率較單獨(dú)溫度作用最高可提升31.21個(gè)百分點(diǎn)。減小油料規(guī)格對(duì)單獨(dú)溫度作用可明顯提高油脂提取率，而對(duì)熱壓聯(lián)合油脂提取率無明顯影響。在高于130 ℃試驗(yàn)溫度下進(jìn)行熱壓聯(lián)合油脂提取，能夠達(dá)到油脂完全提取效果，所提取油脂在70～150 ℃溫度范圍內(nèi)測得黏度為0.004～0.091 Pa·s，符合工業(yè)用潤滑油黏度標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；油脂提取；熱壓聯(lián)合；工藝參數(shù)；黏度

0 引 言

中國是畜牧養(yǎng)殖大國，每年僅病死豬的數(shù)量就高達(dá)0.8億頭[1]。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì)，目前全國病死畜禽實(shí)際無害化處理數(shù)量僅為正常死亡淘汰量的10%，畜禽胴體不良處置極易造成水體和土地污染等生態(tài)環(huán)境問題[2]。畜禽胴體富含大量甘油酯組成的油脂，可廣泛應(yīng)用于能源[3-4]、化工[5]和材料[6]等領(lǐng)域，尤其是由動(dòng)物油脂合成的潤滑脂具有高閃點(diǎn)、易降解和低毒性等優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良實(shí)用價(jià)值[7]。因此，開發(fā)高效的動(dòng)物油脂提取技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)病死畜禽的無害化處理、資源化利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

動(dòng)物油脂多以脂肪顆?；蛑涡问酱嬖谟谟土霞?xì)胞內(nèi)，占據(jù)整個(gè)油脂細(xì)胞質(zhì)量的90%以上，其主要成分是甘油三酯[8]。通過加熱或添加生物酶可以使包裹油脂的蛋白結(jié)構(gòu)溶解，也可通過機(jī)械加壓方式破壞油脂存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到釋放油脂目的[9-10]。此外，根據(jù)油脂在不同溶劑中溶解度不同，通過萃取等方式也可對(duì)油脂進(jìn)行提取[10]。因此，根據(jù)以上原理的不同，可將油脂提取分為加熱法、壓榨法、酶解法和萃取法等[11-12]。

加熱法通常包含三個(gè)主要過程：油料加熱、固液分離和水分蒸發(fā)[13]。油料與介質(zhì)的質(zhì)量比通常為0.2，該提取過程需要在85～95 ℃的水浴或油浴環(huán)境中保持15～30 min，然后通過單獨(dú)擠壓對(duì)殘?jiān)幸合噙M(jìn)行二次分離，最后經(jīng)離心、干燥得到純凈油脂。加熱法不能有效地將與蛋白質(zhì)結(jié)合的油脂進(jìn)行分離，故油脂提取率相對(duì)較低，約為所含油脂質(zhì)量的35.06%～45.9%[14]。壓榨法中的壓縮力一般由螺旋擠壓機(jī)提供，在油渣的液固兩相混合物分離中也常采用液壓驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行液相提取。目前，該方法主要應(yīng)用于植物油脂榨取，在動(dòng)物油脂提取方面尚未有報(bào)道。酶解法主要包含酶解和離心兩個(gè)過程，生物酶添加量約為底物質(zhì)量的0.05倍，最佳酶解溫度為50～60 ℃。該方法的油脂提取率較加熱法高1%～2%，但提取過程需要花費(fèi)2～3 h，且在過程結(jié)束時(shí)需要將提取物置于高溫環(huán)境中加熱約30 min進(jìn)行生物酶分解[15]，無法回收利用增加了該方法的經(jīng)濟(jì)成本[16-17]。萃取法的油脂提取率相對(duì)較高，能夠達(dá)到80%～90%，然而該方法需要花費(fèi)較長時(shí)間，且提取過程中還會(huì)產(chǎn)生大量殘留溶劑。此外，溶劑法能夠?qū)⒂土现辛字凸檀嫉扔托晕镔|(zhì)同時(shí)進(jìn)行提取，一定程度上降低了油脂品質(zhì)，因此需要將提取物進(jìn)行精煉處理，故該方法更適合含量分析檢測[18]。除去溶劑萃取，超臨界萃取也被應(yīng)用于油脂提取，其原理是利用超臨界流體在不同壓力和溫度下具有不同的溶解能力，從而達(dá)到分離提純目的。目前，該技術(shù)已被應(yīng)用于動(dòng)物[19]、植物[20]、藻類[21]油脂提取研究中，但相較于從生物質(zhì)基質(zhì)中提取油脂，更適用于物質(zhì)精煉提純，且超臨界萃取法存在成本高等問題，尚未在工業(yè)化生產(chǎn)方面取得良好進(jìn)展[22]。

綜上所述，加熱法和加壓法具有操作簡便、易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)化生產(chǎn)方面具備廣闊前景。但單一的加熱或加壓方法存在油脂提取率低的問題，因此本文基于加熱和加壓聯(lián)合作用提取動(dòng)物油脂的思路，設(shè)計(jì)了熱壓聯(lián)合的動(dòng)物油脂提取裝置以提高油脂提取率。同時(shí)，以豬板油為原料，研究了單獨(dú)加熱和熱壓聯(lián)合作用對(duì)油脂提取率的影響，并對(duì)提取油脂的黏度進(jìn)行測定，以評(píng)價(jià)其作為切削油添加物的流動(dòng)性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

如圖1所示，油脂提取裝置設(shè)計(jì)為豎式結(jié)構(gòu)，液壓缸固定于機(jī)體頂部，通過高壓油管與液壓站相連，其下方依次與活塞桿、壓力傳感器、壓板連接；壓板與油脂提取筒為同軸心結(jié)構(gòu)，油脂提取筒由底部的支撐架與油脂加熱筒互相扣合，構(gòu)成油脂提取主體；油脂加熱筒內(nèi)設(shè)有兩個(gè)溫度傳感器，底部焊接有凹形支撐架，內(nèi)部設(shè)有攪拌轉(zhuǎn)子，加熱筒底部邊緣位置開有凹型槽，在一側(cè)開設(shè)出油口；在油脂加熱筒外壁面設(shè)有由電熱絲組成的加熱板，加熱板與筒壁面緊密貼合，寬度約為150 mm，由底面向開口方向布置；油脂提取筒和油脂加熱筒表面均涂有聚四氟乙烯材料，在整個(gè)油脂提取主體外圍包裹有保溫層；控制箱通過信號(hào)線與溫度傳感器、壓力傳感器和液壓站相連接，根據(jù)溫度和壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的控制。

1.液壓缸 2.液壓泵 3.油箱 4.油路 5.頂出缸 6.壓力傳感器 7.溫度傳感器 8.油脂提取筒 9.油脂加熱筒 10.加熱板 11.保溫層 12.液相油 13.油料 14.支撐架 15.攪拌轉(zhuǎn)子 16.出油閥門 17.信號(hào)線 18.控制箱 19.壓盤

裝置機(jī)體采用碳鋼材及鍍鉻防銹處理，厚度為(5±1) mm，油脂加熱筒和提取筒為不銹鋼材質(zhì)，厚度為(2±1) mm，油脂提取裝置主要性能參數(shù)見表1。

表1 裝置主要參數(shù)

注：升溫速率為室溫25 ℃時(shí)測得。

Note: Heating rate was measured at room temperature of 25 ℃.

1.2 工作原理

熱壓聯(lián)合作用下，一方面能夠減弱分子間凝聚力，另一方面油脂組織內(nèi)部壓力的升高，更利于油脂分子釋放析出[23]。但是，過高溫度也會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)過度硬化，反而阻礙油脂釋放[24]。該研究所設(shè)計(jì)的油脂提取裝置，能夠同時(shí)施加熱量和壓力，通過調(diào)節(jié)壓力、加熱溫度和時(shí)間，進(jìn)一步提高油脂提取率。裝置采用液相油為傳熱介質(zhì)對(duì)油料進(jìn)行加熱，高于水沸點(diǎn)的溫度利于油料中水分的蒸發(fā)，縮短油料硬化所需時(shí)間，提高油脂提取效率，而在此過程中通過對(duì)油料施加壓力，使油料密度迅速增加，為油脂分子提供流動(dòng)能量。

具體操作流程：裝置接通電源，在控制箱上輸入油脂提取參數(shù)，包括溫度、加熱時(shí)間、壓力、保壓時(shí)間。在油脂提取開始前，預(yù)先向油脂加熱筒注入介質(zhì)油，約為加熱筒深度的1/2～2/3。打開加熱開關(guān)，筒內(nèi)溫度通過溫度傳感器實(shí)時(shí)顯示在控制箱儀表盤上；當(dāng)筒內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，將準(zhǔn)備好的油料投入到油脂提取筒中；在加熱時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)長后，壓盤在液壓缸的推動(dòng)下向下運(yùn)行進(jìn)行油料壓榨；壓力傳感器可將壓榨過程中的壓力變化信息實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，使油料在設(shè)定壓力下保持一定時(shí)間；最后壓盤隨液壓缸移動(dòng)回歸初始位置，待油脂冷卻后打開出油閥門進(jìn)行油脂收集和殘?jiān)蛛x。油脂提取過程可在控制箱內(nèi)進(jìn)行手動(dòng)模式和自動(dòng)模式選擇，在自動(dòng)操作模式下，需要操作員將儀表顯示參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，在確定試驗(yàn)參數(shù)符合預(yù)定值時(shí)，可進(jìn)行下一步操作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

根據(jù)油料特性對(duì)壓力、尺寸、強(qiáng)度和功率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行初估，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)格的油脂分離構(gòu)件的設(shè)計(jì)，主要包括壓力機(jī)構(gòu)、油脂提取機(jī)構(gòu)和操作流程設(shè)計(jì)。

2.1 壓力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置加壓方式為液壓驅(qū)動(dòng)，首先根據(jù)試驗(yàn)規(guī)模確定油脂提取筒的內(nèi)徑0和高度，然后由油料所需最大壓力0計(jì)算液壓缸的缸徑和壓力等參數(shù)，液壓壓榨機(jī)構(gòu)見圖2。

注：P為液壓缸工作壓力，Pa；D為活塞內(nèi)徑，mm；F為無桿腔推力，N；d為活塞桿直徑，mm；D0為油脂提取筒內(nèi)徑，mm；P0為油料所受壓力，Pa；h為油脂提取筒高度，mm。

從油脂細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行油脂提取，需要對(duì)包裹油脂的細(xì)胞膜進(jìn)行破壞，因此壓力選取可以參考動(dòng)物皮肉水分脫除研究[25]。釋放肉類組織水分需要施加壓力范圍為0.69～3.25 MPa，施加壓力大小根據(jù)油料來源種類進(jìn)行選擇。鑒于所設(shè)計(jì)裝置目的是探究熱和壓力對(duì)出油率的影響，且在微觀上油脂分子量高于水分子，因此選定油料壓力為1.5倍的水分釋放壓力，即0最大值為5 MPa。考慮到試驗(yàn)誤差與成本，選定油脂提取油料最大處理量max約為8 kg，根據(jù)式（1）計(jì)算無桿腔推力。

式中max為油料最大處理量，kg；為油料密度，取0.975 g/cm3；為油脂提取筒高度，根據(jù)使用需求取值為300 mm。

根據(jù)式（1）可解得液壓缸需要提供牽引力約100 kN，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)—液壓傳動(dòng)》可知，在該牽引力下液壓缸最大工作壓力約為20 MPa。由此可依次進(jìn)行活塞直徑、活塞桿直徑、液壓缸壁厚、液壓缸流量、液壓泵額定流量、油箱有效容積、液壓泵工作壓力和額定功率的計(jì)算[26]。

2.1.1 活塞直徑和活塞桿直徑計(jì)算

該液壓缸按照無桿腔推力要求來計(jì)算活塞直徑，而活塞桿直徑根據(jù)液壓缸工作壓力進(jìn)行選取，根據(jù)式（1）知裝置工作壓力>7 MPa，則由式（2）進(jìn)行直徑計(jì)算[27]：

式中cm為機(jī)械效率，取0.95；為液壓缸負(fù)載率，取0.6。

由式（2）可解得活塞直徑和活塞桿直徑分別為105.7和73.99 mm。所設(shè)計(jì)液壓缸各部件需要和其他零件進(jìn)行相互配合，因此對(duì)計(jì)算值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化取值，以便選用標(biāo)準(zhǔn)件[28]。查液壓缸缸筒內(nèi)徑尺寸系列表和液壓缸活塞尺寸系列表，選擇活塞直徑≥110 mm，活塞桿直徑≥75 mm。

2.1.2 液壓缸壁厚計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)和工藝要求，液壓缸壁厚通常按照薄壁筒計(jì)算[27]。

式中P為液壓缸最高工作壓力，P=(1.2～1.3)，Pa；[]為材料許用強(qiáng)度，MPa，鋼材[]=100 MPa。

由式（3）可解得缸體壁厚≥15 mm。據(jù)此可選擇武漢油缸廠生產(chǎn)的型號(hào)為HC-SD單活塞拉桿式液壓缸，強(qiáng)力型活塞桿，其活塞內(nèi)徑140 mm，活塞桿直徑80 mm，額定工作壓力21 MPa。

2.1.3 液壓系統(tǒng)流量和功率參數(shù)計(jì)算

液壓缸和液壓泵額定流量，以及油箱有效容積、液壓泵工作壓力和額定功率由式（4）進(jìn)行計(jì)算[27]：

結(jié)合以上分析，可得油脂提取熱壓裝置的主體尺寸和液壓參數(shù)，具體如表2所示。

表2 液壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2.2 油脂提取主體設(shè)計(jì)

2.2.1 油脂提取主體結(jié)構(gòu)

為了便于油脂提取和殘?jiān)蛛x，設(shè)計(jì)提取主體包含油脂提取筒和油脂加熱筒兩部分，其中提取筒為網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部完成油料的油脂提取和殘?jiān)蛛x，而加熱筒為提取筒提供油浴環(huán)境，通過對(duì)筒內(nèi)部液相油的加熱，使油料均勻受熱。因此設(shè)計(jì)兩筒為同軸心結(jié)構(gòu)，提取筒坐于加熱筒內(nèi)部，在加熱筒底部設(shè)有支撐底座和限位卡，以便對(duì)提取筒進(jìn)行固定，其剖面圖見圖3a?？紤]到筒內(nèi)溫度的均勻性，在加熱筒底部設(shè)立攪拌轉(zhuǎn)子，用油封進(jìn)行密封，在筒邊緣開有凹型槽，與排油孔相連，以提高油脂分離效率。

1.油脂提取筒 2.加強(qiáng)肋 3.油脂滲流孔 4.攪拌轉(zhuǎn)子 5.凹型槽 6.溫控孔 7.油脂加熱筒 8.支撐底座 9.限位卡 10.排油孔 11.油脂加熱筒底座 12.油脂交換腔

在油脂提取過程中，油脂加熱筒和提取筒需承受軸向壓力和徑向膨脹力，考慮到不銹鋼強(qiáng)度和抗腐蝕性優(yōu)于金屬鐵，因此選定兩者材質(zhì)為不銹鋼。根據(jù)壁厚計(jì)算公式，確定其厚度約為5 mm，加熱筒外圍采用厚度為10 mm的玻璃纖維棉進(jìn)行保溫，以降低裝置散熱量。

油脂提取筒的主要功能是實(shí)現(xiàn)油脂和殘?jiān)蛛x，筒側(cè)面為網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，防止油料在壓榨過程中的溢出，設(shè)置相鄰網(wǎng)孔間隙為0.5 mm，筒側(cè)面采用兩段加強(qiáng)肋進(jìn)行加固。下底面為平板設(shè)計(jì)，主要起承重作用，油脂提取筒示意如圖3b所示。油脂提取筒通過支撐架置于加熱筒上，且頂部外沿與加熱筒相貼合，目的是確保油脂提取過程中裝置穩(wěn)定性。兩筒底面之間安裝有攪拌轉(zhuǎn)子，當(dāng)液相油脂在加熱筒內(nèi)被加熱，在攪拌轉(zhuǎn)子作用下，液相油脂經(jīng)油脂交換腔實(shí)現(xiàn)在加熱筒和提取筒之間的循環(huán)，達(dá)到均勻受熱的目的。在油脂提取過程中，油料在提取筒內(nèi)進(jìn)行分離，經(jīng)滲流孔與加熱筒內(nèi)油脂進(jìn)行混合，最后由排油孔進(jìn)行油脂的收集。凹型槽減少加熱筒底面積，利于油脂的收集，并且能夠降低油脂在底面的殘留量，油脂加熱筒底座結(jié)構(gòu)如圖3c所示。

2.2.2 裝置加熱功率計(jì)算

油脂提取過程中裝置會(huì)吸收并散失部分熱量，而液相油和油料在此過程主要存在熱量的吸收，因此裝置加熱功率可由單位時(shí)間內(nèi)漏熱量和吸熱量進(jìn)行計(jì)算。所設(shè)計(jì)加熱筒為圓柱形，采用側(cè)壁面加熱，下底面固定于機(jī)架底座上，上底面開孔以便進(jìn)行油脂擠壓，因此漏熱量包含熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流和熱輻射三部分，而吸熱量可根據(jù)液相油脂和油料加熱前后的狀態(tài)變化獲得，熱量計(jì)算如式（5）所示[29]。

式中為裝置總需熱量，W；1為吸熱量，W；2為平壁漏熱量，W；3為圓筒壁漏熱量，W；4為對(duì)流漏熱量，W；5為裝置輻射漏熱量，W；1為平壁面積，m2；2為圓筒壁面積，m2；3為輻射表面積，m2；t為環(huán)境溫度，取298.15 K；t為筒內(nèi)溫度，取473.15 K；為升溫時(shí)間，取值0.5 h；1為不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；2為保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；1為加熱筒厚度，m；2為保溫層厚度，m；0為內(nèi)徑，m；1加熱筒外徑，m；2保溫層外徑，m；為筒高度，m；為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；為物體發(fā)射率，取0.3；為斯忒藩-玻爾茲曼常量，值為5.67×10-8W/(m2·K4)；c1為油料比熱容，J/(kg·K)；c2為油脂比熱容，J/(kg·K)；1為油料質(zhì)量，kg；2為油脂質(zhì)量，kg。

結(jié)合以上分析，可得裝置在25～200 ℃范圍工作時(shí)最大漏熱量和吸熱量分別為0.85和4.11 kW，即裝置最大加熱功率約為4.96 kW。

2.3 操作流程設(shè)計(jì)

裝置操作可分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，在自動(dòng)模式下，需要先將試驗(yàn)參數(shù)輸入到裝置控制單元，在裝置運(yùn)行時(shí)PLC（可編程邏輯控制器）能夠根據(jù)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完成裝置的加熱、加壓等過程；在手動(dòng)模式下，需要操作員根據(jù)儀表盤的溫度和壓力示數(shù)，通過按鈕來控制裝置的加熱和加壓操作。在油脂提取過程中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度、壓力的監(jiān)控和油泵、行進(jìn)電磁閥的控制，以及操作模式的切換，因此選取界面接口選項(xiàng)輸入點(diǎn)數(shù)和輸出點(diǎn)數(shù)分別為8的XD3-16T-E型可編程邏輯控制器，進(jìn)行程序的控制[30]，裝置操作流程如圖4所示。

圖4 動(dòng)物油脂提取操作流程圖

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)材料

油脂提取試驗(yàn)以農(nóng)貿(mào)市場采購的生豬腹部板油為原料，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為80.13%，蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為9.62%，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10.22%。將原料進(jìn)行分割處理，得到規(guī)格為10 mm×10 mm×10 mm、20 mm×20 mm×20 mm和40 mm×40 mm×40 mm的3種規(guī)格油料，分別標(biāo)記為S1、S2、S3，用保鮮膜包裹，于0 ℃冷凍保存，試驗(yàn)開始前進(jìn)行解凍處理。

3.2 試驗(yàn)方法

在前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加壓較加熱對(duì)油脂提取率影響較小，且通過對(duì)比不同壓力下油料形變情況發(fā)現(xiàn)2.0 MPa為適宜壓力，故以此設(shè)計(jì)單獨(dú)加熱和熱壓聯(lián)合油脂提取試驗(yàn)。試驗(yàn)開始時(shí)，首先向油脂提取筒內(nèi)加入筒深度1/2～2/3的液相油脂作為加熱介質(zhì)，點(diǎn)擊裝置啟動(dòng)按鈕，選擇自動(dòng)運(yùn)行模式，設(shè)定試驗(yàn)溫度、加熱時(shí)間、試驗(yàn)壓力和保壓時(shí)間。達(dá)到設(shè)定溫度后，將油料投入油脂提取筒，分別進(jìn)行單獨(dú)加熱和熱壓聯(lián)合油脂提取試驗(yàn)，待油脂提取程序執(zhí)行完畢后，分離筒內(nèi)殘?jiān)槿∮椭?，?jì)算油脂提取率。試驗(yàn)每次投料量0.5～1.0 kg，試驗(yàn)溫度為70～150 ℃，溫度梯度20 ℃，加熱時(shí)間為5 min，試驗(yàn)壓力2.0 MPa，保壓時(shí)間為20 s。待油溫冷卻至常溫后，進(jìn)行下一組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

3.3 指標(biāo)測定

油脂提取率（%）由油脂提取質(zhì)量與油料質(zhì)量比值進(jìn)行計(jì)算[31]。

式中0為試驗(yàn)開始油脂添加質(zhì)量，kg；1為試驗(yàn)結(jié)束油脂總質(zhì)量，kg；為每次試驗(yàn)油料消耗量，kg。

油脂黏度采用旋轉(zhuǎn)流變儀（DHR-2 TA 美國）測試獲取，選用平行板夾具，夾具直徑為40 mm，測試間隙為0.5 mm，夾具最小樣品添加量為0.63 mL，剪切速率0.01～1 000 s-1。采用Office Excel 2013處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Origin 2015 軟件繪圖。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 數(shù)據(jù)采集與評(píng)估

為驗(yàn)證裝置靈敏性和數(shù)據(jù)采集的精確性，首先對(duì)裝置溫度、壓力、傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)間、電磁閥響應(yīng)時(shí)間和液壓缸動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行精度測試。

在裝置數(shù)據(jù)采集測試中，傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)間為0.9 s，電磁閥響應(yīng)時(shí)間和液壓缸動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間為0.2 s，分析系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可忽略不計(jì)。

對(duì)于裝置的壓力和溫度控制精度，相對(duì)誤差分別在4.22%～21.00%和0.41%～1.20%之間，兩者的相對(duì)誤差隨著設(shè)定參數(shù)的增大而減小，這種誤差波動(dòng)與相對(duì)誤差計(jì)算方法有關(guān)，如圖5所示。裝置壓力測試值與設(shè)定值絕對(duì)誤差控制在0.2 MPa以內(nèi)，溫度測試值與設(shè)定值絕對(duì)誤差控制在1 ℃以內(nèi)，從數(shù)值上分析測試值與設(shè)定值在誤差范圍之內(nèi)，表明裝置數(shù)據(jù)采集能夠較為精確反映試驗(yàn)過程中的實(shí)際壓力和溫度，能夠滿足油脂提取試驗(yàn)研究的需求。

3.4.2 溫度對(duì)油脂提取率的影響

脂肪組織加熱過程中，在熱作用下，一方面脂滴由固態(tài)變化液態(tài)，油脂表面張力降低，易于從油料中析出；另一方面，包裹脂滴的膠原蛋白的堅(jiān)固性遭到破壞，導(dǎo)致油脂分子的釋放[32]?？梢姡訜崾球?qū)動(dòng)油脂分子釋放的有效方式之一?？紤]到油料規(guī)格對(duì)傳熱效果有直接影響，進(jìn)而影響油脂提取效率。因此首先探究了不同規(guī)格油料下單獨(dú)加熱對(duì)油脂提取的影響，試驗(yàn)溫度范圍為70～150 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 油脂提取裝置精度測試

注：S1、S2、S3分別為10 mm×10 mm×10 mm、20 mm×20 mm×20 mm和40 mm×40 mm×40 mm規(guī)格油料。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在70～150 ℃溫度范圍內(nèi)，油料S1、S2和S3油脂提取率分別為20.03%～59.15%，12.03%～55.45%和10.74%～51.76%，提取率均隨溫度的升高而增加，在150 ℃時(shí)獲得出油率的最大值。這是由于熱流密度同熱導(dǎo)率以及溫度梯度相關(guān)，溫度梯度越大，熱流密度越大，導(dǎo)熱越快，加快油料收縮越激烈，因此在相同時(shí)間內(nèi)油脂提取率隨溫度提升而增高。130～150 ℃溫度范圍出油率卻無明顯變化，表明當(dāng)介質(zhì)溫度為130 ℃時(shí)，油料內(nèi)外達(dá)到熱平衡，油料已形成硬化，油脂遷移多孔路徑已經(jīng)構(gòu)建，因此當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，油脂提取率無明顯變化。在單獨(dú)加熱條件下能夠達(dá)到油脂提取的目的，這與高分子油料升溫收縮有關(guān)，在收縮過程中油料本身產(chǎn)生向內(nèi)收縮的力，通過擠壓將內(nèi)部油脂排出[33]。

在相同試驗(yàn)溫度下，油脂提取率隨規(guī)格增加而逐漸降低，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，S1相較于S2和S3更利于出油。這是因?yàn)樵谙嗤訜釙r(shí)間下，體積越小的油料內(nèi)部溫度越先達(dá)到介質(zhì)溫度，油脂因熱力作用降低自身黏度和表面張力，進(jìn)而減弱分子凝聚力，使其易于從油料中析出。

3.4.3 熱壓聯(lián)合對(duì)油脂提取率的影響

動(dòng)物脂肪組織在受熱時(shí)，蛋白質(zhì)等物質(zhì)產(chǎn)生熱凝固，進(jìn)而形成易于吸附液相的多孔結(jié)構(gòu)。在熱量的影響下液相黏度降低，導(dǎo)致吸附于孔道中的液相會(huì)有少量析出，但是大部分油脂繼續(xù)存在于孔道中，而機(jī)械壓力作用能夠改變孔道間隙，更好地提高油脂提取率。因此通過加熱和加壓聯(lián)合作用進(jìn)一步探究對(duì)油脂提取率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 壓力條件下溫度對(duì)不同規(guī)格油料油脂提取率的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)施加2.0 MPa的壓力后，在70～150 ℃溫度范圍時(shí)，油料S1、S2和S3提取率分別為43.90%～75.13%，42.34%～81.35%和41.95%～75.27%，油脂提取率隨熱壓聯(lián)合溫度的增高而增加，整體變化趨勢較單獨(dú)加熱規(guī)律基本一致，其中油料S2在130 ℃時(shí)提取率最高達(dá)到81.35%。熱壓聯(lián)合油脂提取率在同等溫度下要高于單獨(dú)溫度作用，其中油料S1在110 ℃時(shí)的熱壓聯(lián)合油脂提取率較單獨(dú)溫度作用高31.21個(gè)百分點(diǎn)。這是由于油料在受熱過程中，構(gòu)成油料的各種蛋白質(zhì)受熱變性，維系蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵斷裂，使得蛋白質(zhì)分子失去原來的結(jié)構(gòu)，并且在這個(gè)過程中伴隨著水分的流失，油料逐漸硬化。當(dāng)在外部機(jī)械力的作用下，為油料內(nèi)部油脂分子提供了克服油料與油分子、油分子與油分子相互吸附的能量。尺寸較小的S1油料內(nèi)部因溫度變化更快，更容易達(dá)到硬化狀態(tài)，因此熱壓聯(lián)合較單獨(dú)溫度作用會(huì)有油脂提取率的提升。

在相同的試驗(yàn)溫度下，不同規(guī)格油料油脂提取率在熱壓聯(lián)合下無明顯差異。這是由于油料經(jīng)加熱后，內(nèi)部油脂從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，黏度和表明張力降低，此時(shí)在外部壓力的作用下易于將油料內(nèi)部的液相油脂擠出。而在130和150 ℃的高傳熱速率下更易形成堅(jiān)固多孔介質(zhì)，而這種物質(zhì)狀態(tài)更有利于壓力的作用，因此熱壓聯(lián)合能夠忽略尺寸對(duì)油脂提取的影響。試驗(yàn)溫度為130和150 ℃時(shí)，油料S2油脂提取率最高可達(dá)81.35%和78.65%，與原料初始脂肪含量相比，可認(rèn)為經(jīng)熱壓聯(lián)合處理提取可完全分離動(dòng)物油料中的油脂。根據(jù)熱壓聯(lián)合油脂提取結(jié)果，考慮到操作過程的難易和能耗問題，在2.0 MPa壓力下，油料規(guī)格為S2，試驗(yàn)溫度130 ℃為油料油脂提取適宜條件。

3.4.4 剪切速率對(duì)油脂黏度的影響

對(duì)于潤滑劑而言，黏度是其最為重要的性能指標(biāo)[7,34]。因此，為了考察提取油脂用做潤滑劑的潛力，本文對(duì)130 ℃下提取到的油脂在不同溫度下進(jìn)行了黏度特性測試[35-36]，結(jié)果如圖8所示。

圖8 剪切速率對(duì)不同溫度下油脂黏度的影響

在不同測試溫度和剪切速率下，油脂黏度維持在0.004～0.091 Pa·s范圍之間，隨著剪切速率的升高而逐漸降低。在剪切速率為0.01 s-1時(shí)所測得黏度值最高為0.091 Pa·s，剪切速率在0～20 s-1范圍內(nèi)時(shí)，油脂的黏度呈逐漸減小趨勢，當(dāng)剪切速率高于20 s-1時(shí)，黏度曲線呈平穩(wěn)趨勢，黏度值維持不變。這種變化規(guī)律與油脂的狀態(tài)有關(guān)，油脂高分子之間的運(yùn)動(dòng)是通過鏈段的相繼躍遷完成的，在最初剪切速率變化時(shí)，高分子鏈被拉伸，分子間作用力減小，黏度呈下降趨勢。因此，當(dāng)剪切速率繼續(xù)升高，黏度不隨剪切速率變化，油脂進(jìn)入第二牛頓區(qū)，黏度值恒定。當(dāng)測試溫度為50 ℃時(shí)，油脂黏度穩(wěn)定值最高為0.06 Pa·s，隨測試溫度的上升黏度值逐漸減小，當(dāng)測試溫度為110 ℃時(shí)黏度值最低約為0.004 Pa·s。此時(shí)測試溫度每上升20 ℃，黏度值變化僅為0.001 Pa·s，不同溫度下的黏度已呈穩(wěn)定趨勢，表明當(dāng)油脂在高于110 ℃的環(huán)境下使用時(shí)，其具備牛頓流體特性。而根據(jù)工業(yè)用潤滑油ISO黏度等級(jí)，該油黏度符合潤滑油VG68標(biāo)準(zhǔn)，即在高于40 ℃時(shí)動(dòng)力黏度低于0.068 Pa·s，因此具備做潤滑油的能力。

4 結(jié) 論

1）本文研制的動(dòng)物油脂分離熱壓裝置，采用了加熱與加壓的一體化操作，裝置溫度可調(diào)范圍25～200 ℃，壓力可調(diào)范圍0～5 MPa，數(shù)據(jù)收集和操控響應(yīng)時(shí)間小于1 s，溫度相對(duì)誤差為0.41%～1.20%，壓力絕對(duì)誤差為0.2 MPa，滿足油脂提取試驗(yàn)要求。

2）在70～150 ℃范圍內(nèi)，單獨(dú)溫度和熱壓聯(lián)合作用的油脂提取最佳溫度均為130 ℃，油脂提取率在這兩種方法下最高分別為59.15%和81.35%。相同溫度下，熱壓聯(lián)合油脂提取率較單獨(dú)溫度作用最高可提升31.21個(gè)百分點(diǎn)。在單獨(dú)溫度作用下減小油料規(guī)格可提高油脂提取率，而油料規(guī)格對(duì)熱壓聯(lián)合油脂提取率無明顯影響。在熱壓聯(lián)合作用下，動(dòng)物類油料油脂能夠達(dá)到完全分離效果，當(dāng)油料規(guī)格為S2時(shí)，在130 ℃獲得最高油脂提取率81.35%。

3）在70～150 ℃范圍內(nèi)，對(duì)所提取油脂進(jìn)行黏度測試，其黏度范圍為0.004～0.091 Pa·s，且在相同溫度不同剪切速率下呈牛頓流體特性，符合工業(yè)用潤滑油黏度標(biāo)準(zhǔn)。

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Design and experiment of the animal lipid extraction system combined with heat and pressure

WANG Yawei1,2, LIU Liang1,2, CHANG Chao1,2, HE Chao1,2, LI Gang1,2, LIU Xinxin1,2, XU Guizhuan1,2, LI Pengfei1,2, LU Nan3, FENG Jingli4, JIAO Youzhou1,2,5※

(1.450002; 2.450002; 3.210000; 4.473000; 5.451191)

Animal lipid can be extracted from the fat of diseased carcass with the ecological and economic benefits. In this work, an extraction device combined heating and squeezing was designed to improve the yield of lipid. The analysis on statics and heat transfer was conducted to design the key components such as the pressuring, heating and separating units. Subsequently, the equipment selection was carried out, according to the material characteristics of animal skin and flesh tissue. Moreover, the key parameters for the heating, pressuring, and PLC(programmable logic controller) control system were optimized. Furthermore, the performance of the device was tested, taking suet from pig belly as experimental raw material. In addition, the viscosity of the extracted lipid was determined. The adjustable range of temperature was 25 to 300 ℃ in the device, and the pressure range was 0 to 5.0 MPa. Meanwhile, the data of heat and pressure were collected, where the control response time was less than one second. Additionally, the relative error of temperature was between 0.41% and 1.20%, and the absolute error of the pressure was about 0.2 MPa, with the requirements for lipid extraction tests. The results showed that the increasing yield of lipid extraction was found with the rise of temperature under the heating only or the combined heating and squeezing in the temperature range of 70 to 150 ℃. Specifically, the lipid extraction yields were 10.74% to 59.15% and 41.95% to 81.35%, respectively. At the same temperature, the extraction yield of lipid with combined heating and squeezing was higher than that of heating only. In particular, the lipid extraction yield of material S1(size is 10 mm×10 mm×10 mm) increased by 31.21 percentage points at 110 °C. Because the structure of the raw material was hardened under the action of heat, the release of lipid was accompanied in this process. Further, the action of pressure provides the power of lipid movement, for this reason the lipid extraction yield was significantly improved. There was no significant increase in the lipid extraction yield by heating only or the combined heating and squeezing, when the temperature was higher than 130°C. Furthermore, the lipid extraction yield was observed to increase with the decreasing size of material under the action of heating only. However, there was no outstanding size effect on the lipid extraction yield under the heating and squeezing together. Moreover, the animal meat materials were achieved in the complete separation under the combined heating and squeezing. Especially, the optimal conditions were 130℃ operating temperature, 5 min heating time, and 2.0 MPa pressure to achieve a mean lipid yield of 81.35%, while the material size was S2(size is 20 mm×20 mm×20 mm). The lipid viscosity was ranged from 0.004 to 0.091 Pa·s at the temperature range of 50 to 150 ℃. Meanwhile the viscosity curve showed a steady trend, while the viscosity value remained basically unchanged with shear rates higher than 20 s-1. Newtonian fluid characteristics were observed under different shear rates at the same temperature, fully meeting the viscosity standard of industrial lubricating oil.

design; experiment; lipid extraction; combined heating and pressure; process parameters; viscosity

2022-12-29

2023-02-28

河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)（212102310328）；國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201403019-1）；河南省科技開放合作項(xiàng)目（152106000046）

王亞偉，博士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程。Email：wangwav@126.com

焦有宙，博士，教授，研究方向?yàn)榭稍偕茉崔D(zhuǎn)換技術(shù)、固廢資源化技術(shù)。Email：jiaoyouzhou@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.202212190

S225

A

1002-6819(2023)-07-0058-09

王亞偉，劉亮，常超，等. 動(dòng)物油脂熱壓聯(lián)合提取裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(7)：58-66. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212190 http://www.tcsae.org

WANG Yawei, LIU Liang, CHANG Chao, et al. Design and experiment of the animal lipid extraction system combined with heat and pressure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(7): 58-66. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212190 http://www.tcsae.org