双螺杆冷榨机的研制与应用.pdf

第22卷第6期 2006年6月 农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA E Vol . 22 No. 6 Jun. 2006 双螺杆冷榨机的研制与应用 李文林1,黄凤洪1,顾强华2,甘维睿2 (1. 中国农业科学院油料作物研究所,武汉430062; 2.武汉良龙机械制造有限公司,武汉430000) 摘 要:为实现双低菜籽脱皮后的冷态压榨,研制了一种双螺杆榨油机,采用啮合式和非啮合式相组合的原理,在榨膛内实 行多级压缩和松弛及薄料层压榨,其理论压缩比达23. 0,榨膛长径比达11. 5,压榨时间达180 s,并具有强大的物料自清功 能,解决了脱皮菜籽仁在榨膛内输送困难的问题。双螺杆榨油机成功投入了生产应用,结果表明,脱皮菜籽冷榨饼残油率 (干基)在15%左右,冷榨油接近菜籽三级压榨油国家标准,冷榨出饼温度低于70,满足冷榨工艺要求。双螺杆榨油机实现 了脱皮菜籽的冷态压榨,可显著改善产品质量,降低加工能耗,提高了双低菜籽加工的经济效益。 关键词:双螺杆榨油机;双低菜籽;脱皮;冷榨;设备 中图分类号: TS223. 3 文献标识码: A 文章编号: 100226819(2006)0620091205 李文林,黄凤洪,顾强华,等.双螺杆冷榨机的研制与应用J .农业工程学报, 2006, 22(6): 91- 95. L iW enlin, Huang Fenghong, Gu Q ianghua, et al .Research and application of tw in2screw press for cold pressing of de2hulled rapeseedJ . T ransactions of the CSA E, 2006, 22(6): 91- 95. (in Chinese w ith English abstract) 收稿日期: 2005209205 修订日期: 2005212202 基金项目:国家 “十五“重大科技专项(2001BA 501A 05);湖北省 “十 五” 重大科技攻关项目(2001AA 203A) 作者简介:李文林(1977- ),男,江西南康人,硕士,助理研究员,主 要从事油料加工技术研究。武汉市武昌区徐东二路2号 中国农业 科学院油料作物研究所, 430062。Email:wenlinli2005163. com 0 引 言 油菜是中国最主要的油料作物,菜籽油占国产植物 油总量的40%左右。2004年全国油菜种植面积1. 10亿 亩,年产1280万t菜籽1,均占世界的1?3左右,居世界 首位。油菜籽含有丰富的营养成分,其油脂含量一般在 35%42%、 粗蛋白含量在20%27% 2。 因此, 油菜不 仅是重要的油料资源,也是一个巨大的植物蛋白资源。 双低菜籽由于芥酸和硫甙含量的显著降低,为菜籽油和 菜籽蛋白的深加工利用展现了广阔的前景3。近年来, 中国油菜双低化迅速发展, 2004年双低油菜超过8200 万亩,占油菜种植总面积的75%以上4。 目前国内外双低菜籽加工主要采用预榨浸出工艺, 带皮加工且经过高温长时处理,生产的毛油质量差、 色 泽深、 杂质多,精炼困难5;得到的饼粕蛋白含量低,色 泽深,饲用适口性差,且蛋白质过度变性,有效氨基酸破 坏严重,严重影响了蛋白质的利用率6。为了获得高质 量的油脂和饼粕,近几年来国内外开始了双低菜籽脱皮 和冷榨技术的研究7, 8。双低菜籽脱皮冷榨可得到质量 优良的菜籽冷榨油,减化后续的精炼工序,避免化学试 剂的污染,并保留油中的V E等功能成分,为天然绿色 食品;脱皮冷榨可提高饼粕蛋白质含量,避免蛋白质有 效氨基酸被高温破坏,提高饼粕蛋白的营养效价;采用 冷榨还可省去传统工艺中的轧坯、 蒸炒工序,显著降低 菜籽加工能耗4, 8。 目前德国凯姆瑞亚斯凯特公司与埃森综合大学 合作开发出了油菜籽脱皮、 冷榨关键设备,并建成了油 菜籽脱皮冷榨中试厂,生产的冷榨油为绿色有机食品, 销售价格为菜籽色拉油的35倍9。国内也已开发出 了多种原理的菜籽脱皮分离设备10, 11,并初步开展了 菜籽冷榨设备的研究12,但高效的冷榨制油设备还有 待开发。 本文就我们在双螺杆榨油机的研究和应用方面 所做的工作做一介绍,供同行参考。 1 单螺杆榨油机存在的问题 采用传统的ZX10型、ZX18型、ZY24型单螺杆榨 油机进行了脱皮菜籽仁的冷态压榨试验,结果表明油料 在榨膛内难以推进、 饼粕不成型、 出油很少或不出油。 分 析原因可能有:首先,菜籽脱皮后仁中含油上升到45% 左右,粗纤维含量大幅减少至3%5% ,使得榨料的物 理特性,如密度、 摩擦因素、 弹性模量等,与未脱皮的油 菜籽有明显不同,尤其是榨料粒子间、 榨料与榨笼内壁 的摩擦系数大为减小,使得油料在榨膛内输送困难,因 而在整个压榨过程中压力难以建立;其次,脱皮后的菜 籽仁在冷榨时,入机油料未经过轧坯和蒸炒等预处理, 油料细胞组织结构基本完整,脂类体与蛋白质的亲合力 仍很强,要有更大的压力才能将油脂压榨出来。 因此,传 统的单螺杆榨油机难以实现油菜籽脱皮后的冷态压榨。 分析目前国内生产的单螺杆榨油机的结构13,对 于油菜籽脱皮冷榨,存在榨膛长径比过小,总理论压缩 比偏小,送料螺旋覆盖长度过短,输送能力弱等问题,现 有的单螺杆榨油机的榨膛结构不适宜冷态压榨取油。 因 此,要实现油菜籽脱皮后的冷榨,必须增强榨油机的物 料输送螺旋的推进能力,增大压榨力和延长压榨时间。 2 双螺杆冷榨机的研制 2. 1 设计方案 针对单螺杆榨油机在菜籽脱皮冷榨中存在的问题, 设计了新型的双螺杆榨油机,设计方案为: 1) 针对目前单螺杆榨油机油料输送螺旋轴向推进 19 能力较弱的缺陷,采用双螺杆原理极大提高输送螺旋的 推进能力,从根本上解决脱皮菜籽仁易滑膛的问题。双 螺杆的设计采用啮合式与非啮合式组合型方案,如图1 所示,第一段螺杆左右榨螺相互啮合,即一根螺杆的螺 棱插到另一根螺杆的螺槽内,周围留有一定的间隙,产 生强大的物料轴向推进能力;第二段螺杆左右榨螺外径 相切,即所谓非啮合式,不仅产生强大的物料轴向推进 能力,而且在结构上容易实现多级压缩与松驰及薄料层 压榨,榨膛压力及分布方便进行调整。该方案的特点是 轴向推进力大,榨膛内压力与榨螺及榨圈各段压缩比能 够方便地进行调整。 2) 榨笼和榨螺轴是榨油机的心脏,针对单螺杆榨 油机榨螺长径比和总理论压缩比偏小的缺陷,在设计原 理和结构上(如图1所示 ), 榨螺轴总长增加,为多节榨 螺与榨圈的组合形式,通过在两榨螺之间插入多个锥形 榨圈,实现多级压缩与松弛,增大总理论压缩比和长径 比;在主压榨段,榨螺根径沿榨轴纵向逐渐增大的同时, 榨螺螺旋齿顶到齿根的深度逐渐减小,实现物料的薄料 层压榨,使排油路程缩短,有利于提高出油率。 榨笼为轴 向剖分式,采用条排排油,与现有的单螺杆榨油机榨笼 结构相同。榨笼和榨螺轴共同形成双螺杆榨油机的榨 膛。榨油机榨膛为二段直径不同的榨笼机,即所谓二阶 压榨式,第一段榨膛螺杆外径比第二段螺杆外径大,在 榨膛的两段内,螺杆根茎由小变大,螺距由大变小。 3) 两榨螺主轴为异向旋转,根据受力和排油方式, 确定旋转方向为逆向由内向外侧旋转。工作时,两榨螺 轴悬浮自动定心旋转,且要求空载时亦能定心旋转。 4) 榨油机采用端部出饼方式,顶饼头与榨螺轴尾 轴既同步旋转,又可实现轴向位移。 出饼厚度的调节,由 螺杆、 螺母等组成的调节装置完成。为达到调节榨油机 产量的目的,除采用水平和垂直绞笼组合喂料外,水平 绞笼驱动电机还采用变频控制,使其喂料量在较大的范 围内实现无级调节。 2. 2 设备结构 按照上述的设计方案设计并制造出了双螺杆榨油 机的样机,并进行了脱皮菜籽仁的冷榨小试,取得了初 步成功。 在小试基础上,进行了设备的改进和完善,主要 针对传动部分、 榨膛部分、 压力结构传递部分进行了重 大改进,研制成功了SSYZ50型双螺杆榨油机,其结构 简图如图2所示。 图1 啮合式与非啮合式组合型双螺杆榨油机方案 Fig. 1 Sketch of tw in2screw pressw ith combination of joggling and non2joggling 图2 SSYZ50型双螺杆榨油机结构简图 Fig. 2 Structural diagram of SSYZ50 tw in2screw press 29农业工程学报2006年 SSYZ50型双螺杆榨油机主要由机械传动系统、 榨 螺轴、 榨笼、 喂料装置、 出饼装置、 排渣装置、 机架和电气 控制系统等部件组成。机械传动系统主要由电机,“V” 型带及带轮、 减速器、 双轴齿轮箱和联轴器等组成。 榨螺 轴由主轴榨螺及锥形榨圈组成。榨笼由榨笼板连接板、 条排和压板等组成。榨笼轴向,条排按四段布置。喂料 装置主要由料斗、 闸门、 水平输送绞笼、 垂直输送绞笼、 水平绞笼驱动电机及摆线针轮减速器和垂直绞笼驱动 电机及摆线针轮减速器等组成。 水平绞笼驱动电机采用 变频控制器控制。出饼装置主要由出饼盘、 顶饼头、 芯 轴、 弹簧、 钢球、 可调节螺纹顶杆、 螺母及横梁等零件组 成,空车运转时,两螺杆主轴仍能定心回转。 排渣装置主 要由水平输送绞笼、 绞笼叶轴轴承座和套筒滚子链及链 轮等组成。电气控制系统主要有主电动机、 喂料装置两 个电机的启动与停止的强电控制,以及水平绞笼驱动电 机的变频调节的弱电控制。 SSYZ50型双螺杆榨油机主要技术参数见表1。 表1 SSYZ50型双螺杆榨油机技术参数 Table 1 Specifications of SSYZ50 tw in2screw press 参 数数值 榨螺轴总长度?mm1800. 0 第一阶榨笼内径?mm160. 5 第一阶榨螺外径?mm154. 0 第二阶榨笼内径?mm140. 5 第二阶榨螺外径?mm136. 0 榨螺轴转速?rm in- 11018 压缩比23. 01 长径比11. 51 压榨时间?s180. 0 生产能力(处理量)?td- 14050 主电机功率?kW3755 垂直绞笼轴转速?rm in- 16088 垂直绞笼电机功率?kW2. 2 水平绞笼轴转速?rm in- 1变频调速 排渣绞笼轴转速?rm in- 117. 732. 0 外形尺寸(长宽高)?mm390025001800 2. 3 设备特点 双螺杆榨油机于2003年获得实用新型专利授权, 它在设计上有三个创新点:双螺杆榨油结构;采用啮合 式和非啮合式相组合的原理;榨膛内实行多级压缩和松 弛及薄料层压榨。 与传统的单螺杆榨油机相比, SSYZ50 型双螺杆榨油机具有以下特点: 1) 独特的双螺杆在同一榨笼内异向输送榨油结 构。 在榨膛的第一阶中,左右螺旋相互啮合,两螺旋槽间 油料为半封闭,物料粒子进入榨笼后受到与螺纹和榨笼 内表面的摩擦力以及物料粒子间的摩擦力,其运动状态 可分解为随轴旋转运动和轴向运动,由于物料摩擦系数 低,因此其运动状态主要为随轴旋转运动。当物料异向 运行至螺旋啮合处时,受到物料相互之间的挤压与摩擦 作用,其在榨膛内的随轴旋转运动受到破坏,轴向运动 显著增加,因此产生强力轴向推进作用。由于螺槽在啮 合处被分为相互隔离的C型小室,因此物料分别沿着C 型小室路线被螺杆推动前进,并实现轻度压榨。在榨膛 的第二阶中,左右螺旋外径相切,两螺旋槽间相通,物料 主要随螺旋向前运动,但在相切处榨料间仍产生相互挤 压与摩擦作用。由此,双螺杆与榨笼形成理想的榨料自 动清理,建立强大的自清功能,从根本上解决了高油分 油料如脱皮菜籽仁摩擦力小,易滑膛的难题。 物料在被推动前进过程中,由于榨螺螺距的逐渐缩 短和榨螺轴直径的逐渐增大,使榨膛空间体积逐渐缩 小,促使物料密度增加而产生巨大的压榨力,油脂则从 榨笼的缝隙中挤压流出,榨料形成弹性塑性物体,从出 饼口排出。 2) 如表1所示,双螺杆榨油机的设计提供了极高的 压缩比,其理论压缩比可达23. 0,强大的径向压缩力给 油料极大的机械压榨力,榨膛长径比达11. 51,压榨时 间延长至180 s,使压榨更加彻底;同时实现了较长距离 的薄料层压榨,极大地缩短了油流距离,给油料在高压 段以充分的压榨时间,实际高压榨油可达到80 s以上, 使压榨油得率更高。而现有的ZX10型与ZX18型单 螺杆榨油机的榨膛长径比分别为6. 3和6. 72, ZX18 型单螺杆榨油机的理论压缩比为13. 2,压榨时间为150 s 13。 3) 双螺杆轴,一端与双轴齿轮箱输出轴用联轴器 连接,另一端以球的滑动轴承和出饼调节螺杆为支承。 其滑动轴承采用固体润滑剂实现自润滑。 榨机工作或空 载时,两榨螺轴亦能定心旋转,螺旋始终保持在榨膛中 心,减少榨膛和榨螺的不对称磨损。 4) 喂料机构采用水平与垂直绞笼组合供料,喂料 量采用变频调速,在较大的范围内能方便实现无级调 节。 3 双螺杆榨油机的生产应用情况 2004年6月,在武汉市中排粮油有限公司建成的双 低菜籽脱皮冷榨膨化新工艺生产线上, SSYZ50型双螺 杆榨油机成功地投入了生产。 油菜籽原料经清理和干燥处理后,使含水率达到 8%左右,用中国农科院油料所研制的YTTP75型菜籽 脱皮与皮仁分离系统进行脱皮(脱皮率大于95% ),得到 仁中含皮率为3%6%的菜籽仁。 菜籽仁喂入双螺杆榨 油机进行冷榨。在冷榨过程中,利用变频调速器逐步增 加水平绞笼轴转速,增大进料量,使榨膛内逐步产生压 力,并注意榨油机主电机电流的变化。 从生产情况来看, 脱皮菜籽仁在双螺杆榨油机中压榨时出油顺畅,压榨饼 成型性好,形成硬度适中的饼,物料推进性好。 冷榨饼下 一步喂入PHJZ100型高含油料膨化机进行膨化处理, 得到直径9. 0 mm ,膨化系数11. 60,容重480500 kg?m 3 的多孔状结构膨化颗粒料。在后续的浸出工序 中,因膨化料的渗透性和滤干性好,浸出器采取提高转 速、 加大溶剂喷淋量的措施,使浸出成品粕残油率达到 1%以下,粗蛋白46%以上。 浸出毛油进行精炼得成品普 通菜油。 经分析检测(见表2),冷榨饼残油率(干基)在15% 39 第6期李文林等:双螺杆冷榨机的研制与应用 左右,与预榨浸出工艺的热榨饼残油相当,得到了较好 的冷榨出油率,冷榨饼含水率为4%6% ,比原料脱皮 菜籽含水率下降1%2%。冷榨饼出饼温度在55左 右,低于70,满足冷榨工艺要求。 生产过程中设备运转 良好,机械性能表现稳定,单机处理能力达到45 t?d。 表2 双螺杆榨油机生产应用分析结果 Table 2 Application results of tw in2screw press for cold pressing of de2hulled rapeseed 序号 菜籽仁含水率 ?% 冷榨饼残油率 ? % ( 干基) 冷榨饼含水率 ?% 出饼温度 ? 17. 915. 085. 751 26. 114. 724. 658 38. 515. 605. 956 46. 414. 354. 848 57. 116. 355. 363 平均7. 215. 225. 355 实际生产中得到的冷榨油质量经农业部油料及制 品质量监督测试中心测试(如表3所示 ), 其色泽、 酸值 等质量指标要远远好于预榨毛油,接近菜籽三级压榨油 国家标准(GB1536- 2004),可以省去后续的精炼工序, 避免有机化学试剂的接触,为天然绿色食品。在整个生 产中,冷榨完全在室温下进行,省去了传统工艺中蒸炒 和轧坯工序,显著降低了菜籽加工能耗。 表3 冷榨油质量 Table 3 Q uality of cold pressing double2low rapeseed oil 项 目三级菜籽压榨油标准冷榨菜籽油 色泽(槽25. 4 mm)Y35 R4. 0Y35 R4. 0 气味、 滋味 具有菜籽油固有的 气味和滋味,无异味 具有菜籽油固有的 气味和滋味,无异味 水分及挥发物?%0. 100. 04 不溶性杂质?%0. 050. 01 酸值?mgKOHg- 11. 01. 1 过氧化值?mmolkg- 16. 03. 2 加热试验?280 无析出物,罗维朋 比色:黄色值不变, 红色值增加小于0. 4 无析出物, Y35 R4. 2 含皂量?%0. 030. 01 4 结 语 1) 为实现双低菜籽脱皮后的冷态压榨,提出了一 种双螺杆榨油机结构,采用啮合式和非啮合式相组合的 原理,建立强大的物料自清功能,解决脱皮菜籽仁在榨 膛内输送困难的问题,在榨膛内实行多级压缩和松弛及 薄料层压榨,显著增大总理论压缩比和榨膛长径比,延 长压榨时间。据此设计并制造了SSYZ50型双螺杆榨油 机,其总理论压缩比达23. 0,榨膛长径比达11. 5,压榨时 间延长至180 s。 2) SSYZ50型双螺杆榨油机在油脂加工企业成功 地投入了生产应用。生产结果表明,脱皮菜籽冷榨饼残 油率(干基)在15%左右,获得了较好的冷榨油得率;生 产得到的冷榨油接近菜籽三级压榨油国家标准,为天然 绿色食品;冷榨出饼温度低于70,满足冷榨工艺要求。 3) 双螺杆榨油机实现了脱皮菜籽的冷态压榨,冷 榨出油率高,冷榨油质量好,机械性能稳定。同时,冷榨 完全在室温下进行,避免了高温对蛋白质有效氨基酸的 破坏,为制取优质饼粕奠定了良好的基础,并且显著降 低加工能耗。双螺杆榨油机用于脱皮菜籽的冷榨,可显 著改善产品质量,提高产品附加值,降低加工成本,为企 业带来良好的经济效益。 参 考 文 献 1 王瑞元.2004年中国油脂工业的回顾J .中国油脂, 2005, 30(7): 7- 11. 2 厉秋岳.油菜籽综合利用M .北京:中国农业科技出版 社, 1987: 3- 8. 3 黄凤洪.双低油菜籽高效加工与多层次增值技术J .中国 油脂, 2002, 27(6): 9- 11. 4 王汉中.中国油菜品种改良的中长期发展战略J .中国油 料作物学报, 2004, 26(2): 98- 101. 5 ElizabethM P, V ivekenand S. V adke, Frank W. Sosuls2 ki . Effect of heat treatments on Canola Press O ilsJ . J Am O il Chem Soc, 1991, 68(6): 401- 406. 6 郑竞成.对优质油菜籽制油工艺技术的探讨J .中国油 脂, 2001, 26(5): 38- 39. 7 Ragnar Ohlson. M odern processing of rapeseedJ . J Am O il Chem Soc, 1992, 69(3): 195- 198. 8 H. J.拉泽洪, H. D.戴克,忻耀年.菜籽脱皮冷榨的理论和 实践J .中国油脂, 2000, 25(6): 50- 54. 9 忻耀年.油料冷榨的概念和应用范围J .中国油脂, 2005, 30(2): 20- 22. 10张 麟.油菜籽脱壳与仁壳分离设备研究J .农业工程学 报, 2004, 20(1): 140- 143. 11黄凤洪,周立新,李文林,等.菜籽干法脱皮技术研究J . 中国油脂, 2000, 25(6): 48- 49. 12李寺龙,胡健华,刘协舫,等.双低油菜籽脱皮冷榨的关键 技术研究J .农业工程学报, 2004, 20(6): 181- 185. 13朱大沛,石铁铮.油脂制取工艺学M .郑州:河南科学技 术出版社, 1991: 143- 157. 49农业工程学报2006年 Research and application of twin-screw press for cold pressing of de-hulled rapeseed LiW enlin 1, Huang Fenghong 1, Gu Q ianghua 2, GanW e irui 2 (1. O il Crops R esearch Institute,Chinese A cademy of A g ricultural S ciences,W uhan430062,China; 2.W uhan L iang long M achineM anuf acture Co. ,L td. ,W uhan430000,China) Abstract: In order to solve the technical problem s of cold pressing of de2hulled double2low rapeseed, a new tw in2 screw press w ith a principle of combination of joggling and non2joggling was designed and manufactured, the pressing chamber of which had characteristics of multiple2stage compression and relaxation and a thin layer of materials when pressing.Theoretical compressing ratio of the tw in2screw press is 23. 0, and ratio of length and diameter of pressing chamber is 11. 5, and pressing time is 180 seconds.In the tw in2screw press materials could be cleaned up intensely so that the problem of de2hulled rapeseed feeding was solved.The