無患子果皮萃后物濾水分料裝置的研制與測試

田 成，徐道春，肖 賽，李文彬

（北京林業(yè)大學 工學院，北京100083）

無患子Sapindus mukorossi，又名肥皂果，落葉喬木，樹高可達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)生物質能源的理想原料［9－11］。近年來，國內外對無患子的研究和開發(fā)應用日益增多，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)模化生產(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，成本低，工藝穩(wěn)定，雖然提取物中往往會萃出其他雜質，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，這種方法會導致效率低、車間黏滑與皂苷浪費等一系列問題，而國內外現(xiàn)存的農(nóng)產(chǎn)品干燥機［19－21］結構大多較為復雜、能耗大。針對以上問題，本研究研制了一種雙向旋轉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 雙向旋轉式無患子濾水機的設計

1.1 雙向旋轉式無患子濾水機結構

設計的雙向旋轉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、進料機構、濾水分料機構和瀝水機構。濾水機的動力傳動機構包括電機、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，并與濾水分料機構連接。在濾水分料機構中，為了減小裝置運行時攪動葉片被果皮卡住的概率，將葉片與瀝水內桶的間距設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。在出料機構中，采用了切線形長條導槽，出料口在垂直半徑方向上的投影長度可為內桶半徑的10%～50%，此處選取20%。本裝置通過動力傳動機構向濾水分料機構提供動力，實現(xiàn)濾水分料機構及瀝水機構對浸水無患子果皮的雙向旋轉式脫水。

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，當攪動葉片由電機控制正向旋轉時，浸水無患子果皮以一定速率從進料漏斗進入瀝水內桶，并被攪動葉片帶動正向旋轉，果皮上的游離水將因離心作用被甩出，水將從瀝水內桶側壁與底部排出，進入瀝水外桶，并從瀝水外桶內底面中心向下流至瀝水導槽直至流出裝置。

出料方式如圖2C所示，當裝置正向轉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，脫水無患子果皮在攪動葉片帶動下以一定速率反向旋轉。由于攪動葉片的構造，使得其反向旋轉時，脫水無患子果皮貼著瀝水內桶的側壁運動。當轉到與出料導槽對應的切線位置時，果皮將沿著瀝水內桶的切線方向從出料導槽中排出至裝置外，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弧度的四葉扇，在任意軸向位置處，徑向切面各不相同，可設果皮和葉片內側廓線切線的平行線與果皮和轉動中心的連線夾角為θ，果皮質心和轉動中心的連線段長度為R。當果皮的轉動半徑改變時，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，攪動葉片已開始轉動，故取果皮不受底板作用力的情況進行力學分析，F(xiàn)為葉片對果皮的驅動力，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為果皮和葉片內側廓線切線的平行線與果皮和轉動中心的連線夾角（rad）；R為果皮質心和轉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為葉片對果皮的驅動力（N）；F1與F2為葉片對果皮的驅動力的分力（N）；f為葉片對果皮的摩擦力（N）；f1與f2為葉片對果

假設果皮能夠受力平衡，則各力之間關系如式（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為果皮質量 （kg）；ω為葉片的轉動角速度（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 運動學仿真分析

為進一步驗證上述力學分析結論，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，隱藏了非關鍵零件，設置了瀝水內桶底部圓心為參考點，由于設置的接觸力較多，為使仿真結果精確，取步長為0.000 1 s，步數(shù)為0.8 s，轉速為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動，采用軸向偏角α＜90°的攪動葉片后，結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，也不會從出料導槽中排出，故上文力學分析結論與1.2中濾水方式設想得證。

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、進料機構、濾水分料機構及瀝水機構的關鍵件采用增材制造技術進行加工。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，將裝置設定到規(guī)定轉速后，再把樣本放入分料裝置中進行濾水，5 min后，用80%的轉速（1 120 r·min-1）反轉將果皮排出后，調節(jié)轉速為0，并搜集排出的果皮和瀝水內桶中殘留果皮，放到電子天平上稱量得總質量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)，稱得質量m3，取下一份樣本，設定不同轉速（20%，40%，60%，80%滿速轉速，滿速轉速為1 400 r·min－1），重復上述步驟，重復3次·組－1，實驗結果如表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量（g）；m2為濾后果皮總質量（g）；m3為干燥后的果皮質量（g）。

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

隨著轉速的增加，濾水率先增大后減小；濾水率為20%～50%，符合濾水要求。由于設置的葉片與瀝水內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桶桶壁上的果皮卡住的情況。在轉速為1 120 r·min－1時，受切線形出料導槽與瀝水內桶的安裝誤差影響，果皮易被高速轉動的攪動葉片切碎，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，故可說明在轉速較高的狀態(tài)下，本裝置功能受限。在滿速的80%轉速濾水后的桶壁狀態(tài)如圖7所示。

圖6 以60%轉速濾水前后的果皮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：準備步驟同濾水效果驗證實驗，用40%（560 r·min-1）的轉速濾水5 min，再分別用 40%（560 r·min-1）， 60%（840 r·min-1）， 80%（1 120 r·min-1）的轉速反轉出料， 測量每次出料所耗時間與被排出的果皮質量m4，測量裝置內殘留果皮質量m5，重復3次·組－1。實驗結果如表2所示。

表2 不同轉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為被排出的果皮質量（g）；m5為瀝水內桶中殘留果皮質量（g）。

由表2可知：當轉速增大時，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速較大時會卡在棱邊處，故轉速較高的情況下，出料率會相對較低，但總體來說，平均出料率可達85%以上。通過調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80%以上的要求，故本裝置出料效果滿足要求。

4 結論

本研究設計了一種雙向旋轉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與Adams仿真分析以驗證該設計方案，利用3D打印技術研制了樣機，從濾水和分料效果角度對樣機進行了性能測試。研究結果表明：①提出的新裝置結構簡單可靠，實用性強。裝置采用了 “雙向旋轉式”的理念，濾水分料機構及瀝水機構實現(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45.83%，平均出料率可達85%以上，但仍需對攪動葉片與出料導槽加以設計改進。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。

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