用于挤压油料种子以从中提取油的方法和设备与流程

本发明涉及用于挤压油料种子以从中提取油的方法和设备。

发明背景

植物油(诸如油菜籽油)正逐渐被视为提供化石燃料的替代品的可再生燃料源。

可使用机械压机(常被称作压榨机)、化学处理或二者组合从种子物料(油料种子)中提取此类油。化学处理(溶剂提取)效率高但是为资金密集型，并且由于使用易燃化学溶剂，也被认为是不安全的。溶剂提取被用于每小时处理许多吨油料种子的操作中，而机械压机用于每小时处理数千克多至每小时数百千克量级的油料种子。

机械压机的构造十分简单，但是就油提取而言与溶剂提取相比效率很低，因此，植物油的很大比例残留在压滤饼(挤压处理之后的固体残余物)中。现代商用压榨机的压滤饼中的典型残余油含量介于8％与12％之间。残余油被认为是油料种子处理机的经济损失，因为残余油一般不能增加压滤饼(通常用作动物饲料)的货币价值。因此，提高机械压机的效率可以提高小规模到中等规模的植物油提取操作的盈利能力。

从油料种子中回收油的机械压机，也叫作压榨机，通常以两种方式用于回收植物油；

a)作为高压操作，引起最大的油回收且因此压滤饼中低的残余油，或者

b)作为溶剂提取之前的预挤压操作。

在预挤压操作中，压榨机以相对低的压力操作以便生产具有高孔隙率的压滤饼，从而有利于后续溶剂提取期间的溶剂渗透。因此，最大的油提取不是预挤压操作的主要目标。在预挤压操作中，从压榨机出来的压滤饼具有约20重量％的残余油含量。

然而，在全挤压操作中，目的是从油料种子中提取最大量的可用油。因此，在全挤压操作中，压榨机以相对高的压力操作以便产生其中具有最小量残余油的压滤饼。

典型的压榨机一般包括可旋转地安装在圆柱形压榨机筒体内的螺旋钻。压榨机通常分为三个区段，即送料区段、压缩区段和排放区段。

送料区段处于螺旋钻的始端或末端并且将开口整合到压榨机筒体的侧壁中，种子可按需被重力送料到开口中，或在一些情况下由辅助送料传动装置(强制送料压榨机)在压力下送料到开口中。在送料区段中，螺旋钻朝向压缩区段输送种子。

在压缩区段中，螺旋钻被成形来压缩并且使种子的细胞壁破裂以从中提取油。压榨机筒体包括排出区，在所述排出区中油可以经由筒体侧壁中形成的油出口通道流出压榨机筒体。在此类现有技术压榨机中，排出区通常位于压榨机的排放区段处或邻近压榨机的排放区段。

排放区段包括压滤饼出口，并且常常由安装在压榨机筒体的排放端上或与所述排放端一体式形成的压榨机模具(die)来限定。压榨机模具包括渐缩变窄的内壁，所述内壁在其一端(也叫作模口成型面(die land))处具有相对窄的出口开口，压滤饼通过所述出口开口被挤出。

在压榨机的操作期间，被压缩粗粉的柱或塞(压滤饼)形成在压榨机的排放区段中，同时新的种子物料在送料区段的螺旋钻的作用下填塞到压缩区段中。随着被挤压的饼通过排放区段的出口开口不断地排放，新的饼可在排放区段的内端不断地形成。通过在送料区段持续地添加种子物料，操作可连续地进行。

螺旋钻的形状被设计成这样：相比于排放区段处的体积位移，在送料区段处能够引起更高的体积位移，从而使得随着物料沿着压榨机筒体被运送时所述物料被压缩。随着种子物料从送料区段被运送到排放区段，种子物料受到升高的轴向和径向压力，并且所产生的压力致使从油料种子细胞中压榨出油。被压榨的油经由排出区中的油出口通道从压榨机筒体离开，所述排出区邻近压榨机筒体的排放端。

科研人员(Vadke&Solsulski,1988,Isobe等,1992,Dufaure等,1999,Singh&Bargale,1999,Kartika&Rigal,2005,Olayanju等,2006,Mpagalile等,20007,Evon等,2007,Voges等,2008,Singh等,2010,Deli等2011)和压榨机制造商自身在过去曾经对改善机械压榨机的油回收效率作出各种尝试。大部分研发集中在压榨机螺旋的设计上。已经通过改变螺旋构造(单杆、双杆、蜗杆等)或通过添加附加的反转螺旋(双螺旋压榨机)，对改善压榨机效率作出了尝试。

本发明的目的是提供一种克服现有技术中的问题并且使油提取最大化的螺旋压机和操作方法。

发明概述

根据本发明的第一方面提供从油料种子中提取油的方法，所述方法包括在螺旋压机内挤压种子，所述螺旋压机包括可旋转地安装在圆柱形压榨机主体内的螺旋钻，其中压榨机主体包括送料区段、压缩区段和排放区段，其中至少一个出口被设置在压榨机主体中，优选地处于压榨机送料区段中或邻近压榨机送料区段，所述方法包括以下步骤：通过装置控制压榨机的至少压缩区段的温度，从而使得压缩区段内的物料温度不超过种子的玻璃化转变温度。

可利用热交换器控制至少压缩区段的温度。

优选地，所述方法还包括以下步骤：控制压榨机的压缩区段和排放区段二者的温度，从而使得压缩区段内的物料温度不超过种子的玻璃化转变温度

根据本发明的另一方面提供用于挤压油料种子以从中提取油的设备，所述设备包括螺旋压机，所述螺旋压机包括可旋转地安装在圆柱形压榨机主体内的螺旋钻，用于使种子从压榨机主体的入口端移位到出口端并且压缩种子以从中提取油，一个或多个油排出出口被设置用于从压榨机主体排出油，其中所述一个或多个油出口定位在压榨机主体的入口端处或邻近压榨机主体的入口端。

通过将油排出出口定位在螺旋压机的入口端处或邻近螺旋压机的入口端，压机内实现更高的压力梯度，从而提供对油料种子进入压机的通过速率的更好控制。此外，被提取的油只得在与油料种子移动的相反方向上流动通过压榨机主体以达到一个或多个排出出口，从而有效地对油进行过滤并且减少所收集的油中的固体物料量。

优选地，压榨机主体包括三个主要区段，送料区段、压缩区段和排放区段。优选地，一个或多个油出口中的至少一个设置在压榨机主体的送料区段中。一个或多个油出口中的至少一个可定位在压缩区段的上游端，邻近送料区段。可替代地，或另外地，一个或多个油出口中的至少一个可定位在送料区段与压缩区段之间。

优选地，温度控制装置被设置来控制压榨机主体的至少压缩区段内的物料温度。温度控制装置还优选地控制排放区段内的物料温度。温度控制装置还可适于冷却和/或加热压榨机主体的压缩区段。温度控制装置可包括热交换器，所述热交换器与压榨机主体的至少压缩区段且还优选地与排放区段热接触。

此举的重要性在于，确保压机内的固体物料(也叫作压滤饼)的玻璃化转变温度被达到并且在压机的排放区段处被维持，从而使得种子在压缩区段中处于易碎状态以便于种子细胞壁的有效破碎从而得到有效的油压榨，并且在排放区段中处于橡胶状态以防止排放区段的阻塞。种子的固体组分(例如，纤维素、半纤维素、木质素和蛋白质)的分子间粘度随着温度升高而从高到低改变，并且如果在挤压操作期间种子温度不维持在玻璃化转变温度(Tg)，则反映为压榨机的压力降低从而导致较低的油提取效率。种子的玻璃化转变温度与种子的水分含量成反比例并且因此将根据批次不同而变化。种子的水分含量每改变一个百分点，玻璃化转变温度可以变化多达8℃。

优选地，将开口设置在压榨机主体的侧壁中，由此种子可以被送到压榨机主体中。送料开口可设置在压榨机主体的上侧中，优选地位于压榨机主体的送料区段中。

送料斗可联接到所述送料开口，用于将种子供应到压榨机主体中。送料斗可包括热绝缘套或涂层。可替代地，或另外地，温度控制装置可与所述送料斗相关联，用于冷却或加热送料斗的内容物。温度控制装置可包括具有盘管的热交换器，热交换流体可以穿过所述盘管以冷却或加热送料斗内容物，这种冷却或加热优选地根据其中包含的种子的水分含量来进行。

压榨机主体的排放区段可包括模具组件，所述模具组件包括具有渐缩内壁的模具主体，所述渐缩内壁限定引向至少一个出口开口的锥形出口区域，压滤饼通过所述至少一个出口开口被挤出。优选地，模具主体的容积是压缩区段中螺旋钻的扫掠容积的函数。在一个实施方案中，模具容积可以是压缩区段中螺旋钻的扫掠容积的大约15％。优选地，模具主体的渐缩内壁以与压榨机筒体的中心轴线成大约25°的角度被渐缩。可选择模具主体的内壁的渐缩角度以实现所述模具容积。模具主体中的至少一个出口开口可包括多个大致平行的细长排放通道，所述细长排放通道被布置在模具主体的一端中围绕具有渐缩外头的中心插塞，排放通道的出口端通入形成在模具主体的外端中面向外的锥形座中，所述锥形座与插塞的渐缩头配合，由此在锥形座与插塞的渐缩头之间限定出环形排放通道，压滤饼通过所述环形排放通道被挤出。

优选地，插塞与模具主体的所述端中的螺纹中心孔螺纹接合，由此可通过将螺纹插塞旋进和旋出模具主体来调节环形排放通道的横截面积，环形排放通道因而限定可调节的节流口，由此可控制压滤饼通过模具组件的流动速率。

插塞的最内端可被渐缩到一点，从而使得最内端的侧壁使压滤饼转向排放通道。

在另一方面，本发明提供从油料种子中提取油的方法，所述方法包括将种子预冷却到预定温度并且在种子压机内挤压种子。

优选地，种子被冷却到低于0℃的温度。更优选地，种子被冷却到低于-20℃的温度。

种子的水分含量可介于8％与14％之间(即，高于一般所接受的用于在种子压机内挤压种子的水分含量)。

优选地，种子压机的压缩区段中的温度不超过30℃。

在另一方面，本发明提供用于挤压油料种子以从中提取油的设备，所述设备包括螺旋压机，所述螺旋压机包括可旋转地安装在圆柱形压榨机主体内的螺旋钻，用于将种子从压榨机主体的入口端移位到出口端并且压缩种子以从中提取油，一个或多个油排出出口被设置用于从压榨机主体排出油，其中压榨机主体包括送料区段、压缩区段和排放区段，其中所述排放区段包括模具组件，所述模具组件包括具有渐缩内壁的模具主体，所述渐缩内壁限定引向至少一个出口开口的锥形出口区域，压滤饼通过所述至少一个出口开口被挤出，其中模具主体的容积是压缩区段中螺旋钻的扫掠容积的函数。在一个实施方案中，模具容积可以是压缩区段中螺旋钻的扫掠容积的大约15％。以选择的角度使模具主体的渐缩内壁渐缩以实现模具主体的所需容积。在一个实施方案中，模具主体的内壁以与压榨机筒体的中心轴线成大约25°的角度被渐缩。

至少一个出口开口可包括多个大致平行的细长排放通道，所述细长排放通道被布置在模具主体的一端中围绕具有渐缩外头的中心插塞，排放通道的出口端通入形成在模具主体的外端中面向外的锥形座中，所述锥形座与插塞的渐缩头配合，由此在锥形座与插塞的渐缩头之间限定出环形排放通道，压滤饼通过所述环形排放通道被挤出。

插塞可与模具主体的所述端中的螺纹中心孔螺纹接合，由此可通过将螺纹插塞旋进和旋出模具主体来调节环形排放通道的横截面积，环形排放通道因而限定可调节的节流口，由此可控制压滤饼通过模具组件的流动速率。

插塞的最内端可被渐缩到一点从而使得最内端的侧壁使压滤饼转向排放通道。

所述一个或多个油出口定位在压榨机主体的入口端处或邻近压榨机主体的入口端。一个或多个油出口中的至少一个被定位在压缩区段的上游端，邻近送料区段。可替代地，或另外地，一个或多个油出口中的至少一个被定位在送料区段与压缩区段之间。

附图简述

现将借助实施例并参照附图来描述根据本发明的实施方案的螺旋压机，在附图中：

图1是根据本发明的实施方案的螺旋压机的侧视图；

图2是图1的螺旋压机的送料斗的端视图；

图3是沿图2的线A-A的剖视图；

图4是图1的种子压机的透视图，其中为清楚起见移除了送料斗；

图5是图4的设备的端视图；

图6是沿图5的线A-A的剖视图；

图7为图1的螺旋压机的分解图，其中移除了送料斗；

图8是沿图7的线A-A的分解剖视图；

图9是图1的螺旋压机的进一步部分分解的纵向剖视图；

图10是图1的螺旋压机的排放区段的详细剖视图；以及

图11是图1的螺旋压机的排放区段的进一步详细剖视图，其中插入了模具调节螺旋。

附图详述

如附图所示，根据本发明的实施方案用于从油料种子中榨取油的螺旋压机2包括可旋转地安装在圆柱形压榨机筒体5内的水平对齐的螺旋钻4。压榨机筒体5包括由协作配合凸缘10、12接合在一起的轴向对齐的第一区段6和第二区段8。第一区段6限定螺旋压机的送料区段，而第二区段8限定螺旋压机的压缩区段。限定螺旋压机的排放区段的模具组件14附接到压缩区段8的排放端。

压榨机筒体5的压缩区段8和模具组件14被具有热交换回路18的温度控制套16围绕，热交换流体可穿过所述热交换回路18以控制压榨机筒体5的压缩区段8和模具组件14的温度以及位于其内的物料的温度，将在以下更详细描述。此举的重要性在于，确保仅在压机的排放区段(模具组件14)内超过物料的玻璃化转变温度，从而使得种子在压缩区段8中处于易碎状态以便进行有效的油压榨并且在模具组件14内处于橡胶状态以便在不阻塞模具组件的情况下实现最佳的压榨机操作压力。油料种子的玻璃化转变温度取决于种子的水分含量并且因此将根据批次不同而变化。

垂直对齐的圆柱形送料开口20设置在送料区段6的上侧中，送料斗22插入安装套筒24中处于送料开口20的上端处，用于在重力作用下将种子送到压榨机筒体的送料区段6中。可替代地，种子可由辅助送料装置在压力下送到压榨机筒体的送料区段6中。如可从图3看到的，送料斗22可包括由热交换套26围绕的管状或锥形通道23，热交换流体穿过所述热交换套26以控制送料斗22内的种子的温度。热交换流体导管27也可穿过通道23用于加热或冷却种子，将在以下更详细描述。绝热套29(其可以是经过真空管路31被抽成真空的)可围绕送料斗22设置。

螺旋钻4的驱动部分28从压榨机主体5的送料区段6的开口端延伸出来以驱动地联接到合适的驱动装置，诸如电动机。安装凸缘30设置在送料区段6上，用于将压榨机筒体5联接到驱动组件。

如图6至9最佳所示，径向延伸的油排出通道32被限定在压榨机筒体的送料区段6的配合面12与压缩区段8的配合面10之间，用于将油从压榨机筒体排出。油排出通道32的宽度可以为1.4mm。此外，油排出孔34可设置在送料区段中。然而，与现有技术螺旋压机中油排出通道总体设置成邻近压榨机的排放端相比，所有的油排出通道/孔都设置成离送料区段6的送料开口20更近。邻近送料区段6的油排出通道32的定位在压机内提供更高的压力梯度，从而提供对油料种子进入压机的通过速率的更好控制。此外，被提取的油只得在与油料种子移动的相反方向上流动通过压榨机筒体以达到油排出通道32，从而有效地对油进行过滤并且减少所收集的油中的固体物料量。

在压缩区段8中，螺旋钻4被成形来压缩并且使种子破裂以从中提取油，如本领域已知的。

如图10和图11中最佳所示，模具组件14限定压滤饼出口并且由具有渐缩内壁40的模具主体38形成，所述渐缩内壁40限定引向多个细长排放通道42的锥形出口区域，所述多个细长排放通道42布置在螺纹中心孔43周围，具有渐缩外头46的插塞44被旋进中心孔43中。模具主体38的锥形出口区域的渐缩内壁40优选地以这样的角度被渐缩：使得模具腔的容积为压榨机筒体的内部容积的大约15％减去在压榨机送料区段与压榨机筒体/模具组件界面之间由钻占据的容积(即，螺旋的体积)。在所示的实施方案中，壁40以与压榨机筒体的中心轴线成25°被渐缩。

排放通道42的出口端通入面向外的锥形座48中，所述锥形座48与插塞44的渐缩头46配合。在锥形座48与插塞44的渐缩头46之间限定出环形排放通道，压滤饼通过所述环形排放通道被挤出。可通过将螺纹插塞44旋进和旋出模具主体38来调节此类环形排放通道的横截面积，环形排放通道因而限定可调节的节流口，由此可控制压滤饼通过模具组件14的流动速率。插塞44的最内端包括使压滤饼转向排放通道42的点45。

如图6至9所示，螺旋压机可配备有压力传感器50，诸如垫圈式压力单元，其优选地定位在压榨机筒体/模具组件界面处位于模具主体38与螺纹保持构件52之间，以监测由模具主体38施加到传感器50的压榨机操作压力。可(根据种子的水分含量)通过冷却或加热来调节压榨机筒体5和模具主体38的温度，以使压滤饼在螺旋压机2的压缩区段8内维持处于或刚好低于玻璃化转变温度(Tg)。如果压缩区段内的压力下降到低于最佳操作压力(这在压滤饼处于或刚好低于玻璃化转变温度时是可实现的)，则压榨机筒体和模具组件应被冷却。如果压力升高到高于最佳操作压力，则压榨机筒体和模具应相应地被加热(为了使压滤饼在压缩区段内维持处于或刚好低于玻璃化转变温度)。

在压榨机的操作期间，被压缩粗粉的柱或塞(压滤饼)形成在压榨机的模具组件14中，同时新的种子物料在送料区段6的螺旋钻4的作用下填塞到压缩区段8中。随着压滤饼通过排放通道42不断地排放，新的饼在模具组件14的渐缩壁40内不断地形成。通过持续地从送料斗22向送料区段6的送料开口20添加种子物料，操作可连续地进行。

螺旋钻4的形状被设计成这样：相比于压缩区段8处的体积位移，能够在送料区段6处引起更高的体积位移。随着种子物料被运送通过压缩区段8，种子物料受到升高的轴向和径向压力，并且所产生的压力致使从油料种子细胞中压榨出油。压榨出的油在与种子相反的方向上朝向送料区段6流动并且通过排放通道32(和通过其他的排出孔34，如果有的话)离开压榨机筒体。

使用时，将油料种子加载到送料斗22中并且将钻4驱动，从而使得种子经由螺旋钻4的螺槽被送到压榨机筒体的送料区段4中并且进入对种子进行压缩的压缩区段8中。种子随后穿行到模具主体38中，在压榨机筒体内积聚压力。同时，可使热交换流体穿过温度控制套16的热交换回路18以控制压缩区段8和模具主体38内的物料温度，并且/或者进入送料斗22的热交换套26以控制送料斗22中的种子温度。合适的温度传感器可设置在压榨机筒体的压缩区段8和/或模具组件14的模具主体38上以及送料斗22上，以向温度控制装置提供反馈。

一旦在模具主体38内积聚起压滤饼塞，就会沿着压榨机筒体的长度形成压力梯度，并且油开始从种子中压榨出来并且在与种子移动的相反方向上流动通过压机以达到油排出通道32，油通过所述油排出通道32排出进而被收集在位于下方的合适收集容器中。

利用温度控制套16控制压缩区段8和模具主体38内的物料温度，确保在模具主体38中达到物料的玻璃化转变温度，从而使得种子在压缩区段中处于易碎状态以便进行有效的油压榨并且在模具中处于橡胶状态以帮助避免模具组件14的阻塞。玻璃化转变温度将取决于种子的水分含量而变化，并且因此螺旋压机(具体地，螺旋压机的压缩区段8中)的操作温度将需要利用温度控制套16来调节，以适应将要处理的种子的水分含量。

就用作燃料的油的质量而言的一个重要因素是油的磷脂含量。这会随着压机的压缩区中油的温度升高而升高。在现有技术中，对种子进行压榨后需要进行下游处理来减少油的磷脂含量。通过控制压缩区内的物料温度，可以获得有利的结果。

此外，发明人已能够产生磷脂含量很低的油，即通过：在将种子放入压机中之前将种子预冷却(冷冻)到低温以使压缩区中达到的温度远低于现有技术压机中的温度。例如，将种子冷却到大约-25℃使得压缩区段的下游端处的温度为大约28℃。为了确保在模具主体38处达到压滤饼的玻璃化转变温度，挤压的油料种子带有的水分含量远高于通常优选的5％(例如8-14％)，从而使得当以这种方式冷却种子时降低玻璃化转变温度以适应压机的较低操作操作温度。除了绝热套之外，围绕送料斗22设置热交换盘管26可确保种子在送料斗22中时保持所需要的低温。此类处理能够产生具有低于3ppm的磷脂含量和约1ppm钙镁含量的油。

已对在卧式冷冻机中冷冻、使用干冰冷冻、使用CO2闪冻(使用改型的灭火器)以及结合干冰存储闪冻(以实现极低温挤压条件)的种子进行实验。还可与混合的干冰一起挤压种子。闪冻(通过CO2膨胀)是冷冻种子的最快方式。当使用改型的CO2灭火器闪冻时，种子温度在不到一分钟的时间里从环境温度下降到约-27℃。

基于实验结果和研究，设想出了以下优选的种子冷冻方法。

将水分含量在7％与9％之间的种子分批加载到高压容器内部的高孔隙率篮筐中，以下称作超临界CO2浸渍容器。随后向浸渍容器中注入处于超临界状态的CO2并且将其在在超临界状态下保持所需要的时间，以使种子被超临界CO2浸渍。在浸渍阶段之后，使CO2浸渍容器快速减压并且立即将种子加载到压榨机斗中进行挤压。

处于超临界状态的二氧化碳具有介于气体与液体之间的性质。它可以像气体那样膨胀以填充容器，但却具有液体的密度。可以预期，在浸渍阶段期间CO2将到达种子内部，并且除了闪冻之外，其在快速减压期间的膨胀也将引起对种子细胞的极大破坏。所预期的细胞壁破坏将帮助进一步提升压榨机在低温挤压(Cryo-press)条件下的油压榨效率。

如果需要进一步冷却种子，则可以随后通过使用直接来自贮存罐(未处于超临界状态)的二氧化碳来完成CO2的第二次注入。

压榨机斗热交换器优选地具有以下容积尺寸：使种子温度维持处于或低于浸渍容器的CO2膨胀所实现的温度。

在过去，已经使用超临界CO2提取植物油。工艺是基于植物油在超临界CO2中的溶解度，并且需要机械预处理来使种子破碎到最佳的粒度。工艺不涉及快速减压并且种子随后不进行挤压。传统的超临界CO2工艺本质上是高压溶剂提取，与机械提取相比十分慢而且很难扩大规模。

本发明的种子冷冻方法不同于超临界CO2提取，因为超临界CO2不被用作溶剂，而是被用作能够渗透种子结构以引起细胞壁破坏并且在浸渍容器的快速减压期间进行冷冻的冷却剂。

本发明不限于本文所述的实施方案，而是在不脱离本发明范围的情况下可加以修正或修改。