黎斌,彭桂蘭,羅傳偉,邱光應(yīng),楊玲
(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,重慶,400715)
油菜籽真空干燥工藝優(yōu)化
黎斌,彭桂蘭*,羅傳偉,邱光應(yīng),楊玲
(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,重慶,400715)
為了提高油菜籽的干燥速率,降低其單位能耗,采用真空干燥技術(shù)對(duì)油菜籽干燥工藝進(jìn)行考察。采用三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法對(duì)油菜籽工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn),選取真空度(X1),物料厚度(X2),溫度(X3)作為試驗(yàn)因子分別考察其對(duì)干燥速率(Y1)、能耗(Y2)的影響并建立回歸模型。結(jié)果表明:因子對(duì)干燥速率的影響排序?yàn)椋簻囟?X3)>真空度(X1)>物料厚度(X2);對(duì)單位能耗的影響主次為,真空度(X1)>溫度(X3)>物料厚度(X2);真空度和物料厚度的交互作用對(duì)油菜籽干燥速率的影響極其顯著,當(dāng)物料厚度在0.92~1.23 cm,真空度在-0.07~0.045 MPa時(shí)油菜籽干燥速率最高。通過(guò)軟件優(yōu)化得到最佳工藝參數(shù)組合為:X1=-0.066 MPa,X2=1.5 cm,X3=36.0 ℃,此時(shí)干燥速率為0.423 g/min,單位能耗為85.197 kJ/kg,與單目標(biāo)優(yōu)化所得最優(yōu)值接近,模型可靠。
油菜籽;干燥;真空;干燥速率;能耗;響應(yīng)面
油菜(rapeseed)是全球范圍內(nèi)四大油料作物(大豆、油菜、向日葵、花生)之一,在世界油料作物中占有重要地位[1]。我國(guó)油菜種植分為冬油菜和春油菜兩大產(chǎn)區(qū)[2]。由于新收油菜籽含水率大約15%~30%,并具有親水性質(zhì),容易吸潮導(dǎo)致發(fā)熱、酸敗和霉變的特性[3],造成油菜籽的損失浪費(fèi),因此在收貨時(shí)節(jié)很有必要對(duì)新收油菜籽進(jìn)行干燥處理,通過(guò)人工干燥作業(yè)使油菜籽含水率達(dá)到安全儲(chǔ)藏水平,保證其品質(zhì)穩(wěn)定以及延長(zhǎng)其安全儲(chǔ)藏時(shí)間。
國(guó)外一些學(xué)者應(yīng)用真空干燥技術(shù)對(duì)香蕉、蘋(píng)果等果蔬干制品進(jìn)行研究[4-6],SYARIEF[7]、SADOWSKA[8]等用真空干燥方法對(duì)油菜籽進(jìn)行薄層干燥特性研究,并建立該試驗(yàn)品種的薄層干燥數(shù)學(xué)模型。油菜籽油脂含量大約38%~45%[9],不合理的工藝處理易使油菜籽在干燥過(guò)程中造成油分損失、品質(zhì)下降。GAWRYSIAK-WITULSKA等[10]、THAKOR[11]等對(duì)油菜籽的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括含水率、發(fā)芽率、色澤等進(jìn)行了深入研究。國(guó)內(nèi)對(duì)油菜籽干燥工藝的研究也逐漸增多[12-14]。
本文選取甘藍(lán)型油菜籽,采用三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)真空干燥過(guò)程中不同水平的真空度、物料厚度、溫度對(duì)甘藍(lán)型油菜籽干燥速率、能耗的影響進(jìn)行研究。采用線(xiàn)性加權(quán)法將多目標(biāo)非線(xiàn)性?xún)?yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)非線(xiàn)性?xún)?yōu)化進(jìn)行綜合優(yōu)化計(jì)算,以期得到干燥速率快、能耗低的最優(yōu)工藝參數(shù)。
1.1 試驗(yàn)材料
油菜籽:甘藍(lán)型油菜籽(高芥酸D2品系),取自重慶市油菜工程中心,收于2015年5月。人工去除大雜、小雜和輕雜,及破裂、發(fā)芽、生霉、顏色青綠和顆粒較小的油菜籽籽粒,獲得色澤均勻、顆粒飽滿(mǎn)的油菜籽實(shí)驗(yàn)材料。
1.2 儀器與設(shè)備
DZF型真空干燥箱(-0.09~-0.1 MPa),北京科偉永興儀器有限公司;KW-2型旋片式真空泵(抽氣速率4.5CFM),北京科偉永興儀器有限公司;JA5002電子天平(測(cè)量精度為10 mg),上海精天電子儀器有限公司;2101A型控電王,慈溪市源創(chuàng)電器。
1.3 油菜籽真空干燥工藝流程及操作要點(diǎn)
1.3.1 工藝流程
油菜籽→風(fēng)選(去除輕雜、重雜)→篩選(去除大雜、小雜)→磁選(去除鐵雜)→并肩泥的清選→干燥→貯藏
1.3.2 操作要點(diǎn)
(1)原料選?。核∮筒俗褳樯珴删鶆?、籽粒飽滿(mǎn)、色澤青綠、無(wú)破損的油菜籽籽粒。
(2)清理篩選:人工去除雜物、鐵屑等。
(3)干燥溫度:溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致籽料內(nèi)部油脂溢出,干燥最高溫度≤70 ℃[15]。
(4)貯藏:油菜籽溫度≤環(huán)境溫度+5 ℃。
1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
前期試驗(yàn)選取真空度(X1)、物料厚度(X2)、倉(cāng)內(nèi) 溫度(X3)分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,溫度和真空度對(duì)干燥速率和能耗具有顯著影響,物料厚度對(duì)干燥速率以及能耗的影響較小。本試驗(yàn)采用三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)原理對(duì)真空度X1、物料厚度X2、溫度X3三個(gè)因子對(duì)油菜籽干燥速率Y1和單位能耗Y2的影響進(jìn)行研究,得到工藝優(yōu)化參數(shù)。各個(gè)因素的水平設(shè)置及編碼如下表1。
表1 三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)因素水平編碼表
1.5 試驗(yàn)方法
1.5.1 初始含水率的測(cè)定
根據(jù)《油料水分及揮發(fā)物含量測(cè)定》(GB/T 14489.1—2008)規(guī)定的方法測(cè)量油菜籽的含水率[16]。初始含水率按公式(1)計(jì)算:
(1)
式中:W為濕基含水率,%w.b.;m0為平底盒質(zhì)量,g;m1為油菜籽樣品初始質(zhì)量(含平底盒),g;m2為油菜籽樣品干燥后質(zhì)量(含平底盒),g。重復(fù)測(cè)量3次取其平均值,計(jì)算測(cè)得油菜籽樣品濕基含水率為8%。將油菜籽樣品混合均勻,將其人工增濕至濕基含水率18%[17]。將處理后的樣品裝入自封袋在4 ℃電子恒溫箱中每隔2 h進(jìn)行1次人工晃動(dòng)以保證水分均勻,放置48 h待用。
1.5.2 干燥速率的計(jì)算
干燥速率是指干燥質(zhì)量與油菜籽干燥至安全含水率(≤8%)時(shí)所用時(shí)間的比值,能夠反映出不同干燥條件下油菜籽的干燥速率,是衡量經(jīng)濟(jì)性和工藝性的一項(xiàng)重要指標(biāo),干燥速率按公式(2)計(jì)算:
(2)
式中:DR為干燥速率,%d.b/min;Δm為樣品干燥至安全儲(chǔ)藏含水率時(shí)減少的質(zhì)量,g;ΔT為樣品干燥至安全儲(chǔ)藏含水率所需時(shí)間,min。
1.5.3 單位能耗的計(jì)算
單位能耗是指每千克油菜籽干燥至安全含水率時(shí)所耗電能,將真空干燥箱以及真空泵分別與2101A型控電王串聯(lián),每組實(shí)驗(yàn)完畢后讀出能耗。單位能耗按公式(3)計(jì)算:
(3)
式中:UN為單位能耗,kJ/kg;N為該組試驗(yàn)所耗電能,kJ;m為該組樣品質(zhì)量,kg。
1.5.4 綜合指標(biāo)
參照加權(quán)評(píng)分法[18],賦予2個(gè)指標(biāo)一定的權(quán)重指數(shù)將干燥速率Y1、單位能耗Y2兩個(gè)獨(dú)立指標(biāo)進(jìn)行結(jié)合,將雙目標(biāo)非線(xiàn)性?xún)?yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)線(xiàn)性?xún)?yōu)化,進(jìn)而進(jìn)行綜合優(yōu)化計(jì)算得到綜合優(yōu)化工藝優(yōu)化參數(shù)組合。優(yōu)化方程如下:
S=η1Y1+η2Y2
(4)
式中:S為綜合評(píng)價(jià)函數(shù),η1和η2非別為與之對(duì)應(yīng)的干燥速率(Y1)、單位能耗(Y1)的加權(quán)系數(shù),η1+η2=1??紤]到單目標(biāo)函數(shù)各自量綱差異,采用線(xiàn)性功效系數(shù)法將各自的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱函數(shù)再進(jìn)行綜合優(yōu)化。
1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
采用SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理,采用Design-Expert 8.0.6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析。
2.1 試驗(yàn)結(jié)果
按照表1試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn),采用三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì),試驗(yàn)結(jié)果如表2。
表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
2.2 油菜籽干燥速率與單位能耗的單目標(biāo)優(yōu)化分析
2.2.1 干燥速率優(yōu)化結(jié)果分析
參照表1的試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)表2中的試驗(yàn)結(jié)果利用SPSS 20.0進(jìn)行線(xiàn)性擬合,建立干燥速率Y1關(guān)于真空度(X1)、物料厚度(X2)、溫度(X3)三個(gè)因素的二次多項(xiàng)式回歸模型如下:
(5)
對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和可信度分析得結(jié)果如表3。
表3 回歸方程可信度分析
由表3可得:回歸方程顯著性P值遠(yuǎn)小于0.01且R2=0.986,可見(jiàn)回歸方程擬合程度很好。對(duì)回歸模型進(jìn)行殘差正態(tài)檢驗(yàn),結(jié)果近似服從正態(tài)分布,進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性(圖1)。
圖1 干燥速率殘差正態(tài)分布圖Fig.1 The normal plot of residuals for drying rate
通過(guò)SPSS 20.0對(duì)表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果如表4。
由表4可知,影響油菜籽干燥速率的主次因素依次為:溫度(X3)>真空度(X1)>物料厚度(X2)。其中溫度對(duì)油菜籽干燥速率的影響極其顯著(P<0.000 1),溫度的增加,油菜籽顆粒表面游離水分汽化,以氣液兩態(tài)的形式穿過(guò)水分-空氣界面向四周擴(kuò)散[19]。溫度過(guò)高(>75 ℃),會(huì)造成油脂的溢出,導(dǎo)致品質(zhì)下降[20];真空度對(duì)其干燥速率的影響顯著(0.01
圖2 真空度和物料厚度對(duì)油菜籽干燥速率的影響Fig.2 Effects of vacuum degree and material thickness on drying rate of rapeseed
系數(shù)值回歸系數(shù)F值標(biāo)準(zhǔn)誤差自由度P值顯著性常數(shù)項(xiàng)-0131622002100043??X1-115686120013100329?X206406656E?4001310979X3-3183E?3407700131<00001??X1×X224541310017100279?X1×X300642064001710443X2×X3-4977E?3239001710153X21-432851180013103036X22-011832800131000102??X234873E?50290013106045
注:*.差異顯著(0.01
2.2.2 單位能耗單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析
根據(jù)表1中的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和表2的試驗(yàn)結(jié)果,利用SPSS 20.0進(jìn)行線(xiàn)性擬合,得出單位能耗Y2關(guān)于真空度X1、物料厚度X2、溫度X3三個(gè)因素的二次多項(xiàng)式回歸模型如下式:
(6)
對(duì)回歸方程進(jìn)行可信度分析和顯著性檢驗(yàn),結(jié)果如表5和表6。
表5 回歸方程可信度分析
由表5可知,關(guān)于能耗Y2的回歸數(shù)學(xué)模型R2=0.992且顯著性P<0.01,可見(jiàn)模型擬合程度很高,且可信度極高。對(duì)方程進(jìn)行殘差檢驗(yàn),結(jié)果表明該模型殘差分布近似服從正態(tài)分布,模型可靠(圖3)。
圖3 單位能耗殘差正態(tài)分布圖Fig.3 The normal plot of residuals for unit energy consumption
系數(shù)值回歸系數(shù)F值標(biāo)準(zhǔn)誤差自由度P值顯著性常數(shù)項(xiàng)4303157791066100018??X143665393738707100001??X268734093710103585X3-104262017710100012??X1×X245128101692410048?X1×X358950019924100032??X2×X3-0920029924106026X2135281824276688101277X22-79420053698108225X23014589698100137?
注:*.差異顯著(0.01
由表6可知,各因素對(duì)油菜籽干燥單位能耗的影響強(qiáng)度次序?yàn)椋赫婵斩?X1)>溫度(X3)>物料厚度(X2)。真空度對(duì)油菜籽真空干燥的單位能耗影響極顯著(P<0.01),真空度越大,干燥速率越大,單位能耗越低;溫度對(duì)單位能耗的影響極其顯著(P<0.01),在真空度和物料厚度一定的情況下,溫度越高,單位能耗越高;溫度的二次疊加效應(yīng)對(duì)油菜籽干燥單位能耗的影響顯著(0.01
圖4 真空度與溫度對(duì)油菜籽單位能耗的影響Fig.4 Effect of vacuum degree and temperature on Unit energy consumption
圖5 真空度與物料厚度對(duì)油菜籽單位能耗的影響Fig.5 Effect of vacuum degree and material thickness on Unit energy consumption
2.2.3 單目標(biāo)優(yōu)化處理
通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化處理,結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果
從表7可以看出,當(dāng)真空度為-0.069 2 MPa、物料厚度取1.59 cm、倉(cāng)內(nèi)溫度取30.19 ℃時(shí),油菜籽干燥速率Y1取得最大值為0.487 g/min,高于表2中最優(yōu)值;油菜籽真空干燥單位能耗最優(yōu)工藝參數(shù)組合為:真空度-0.058 6 MPa、物料厚度1.47 cm、溫度38.27 ℃,此時(shí)油菜籽干燥單位能耗Y2為89.196 kW/kg,在此條件下所獲得最低單位能耗值低于表2中最低值,但不利于干燥速率Y1。
2.3 多目標(biāo)工藝參數(shù)綜合優(yōu)化及分析
為了獲得油菜籽干燥工藝的優(yōu)化參數(shù)組合,對(duì)雙目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性加權(quán)分配??紤]到兩指標(biāo)的量綱差異,對(duì)單目標(biāo)模型進(jìn)行消除量綱處理,將兩目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化成無(wú)量綱函數(shù),再進(jìn)行綜合優(yōu)化。令:
S=η1Y1+η2Y2
(7)
式中:S是綜合評(píng)價(jià)函數(shù),η1是油菜籽干燥速率Y1的加權(quán)比重取η1=0.6。η2是油菜籽干燥單位能耗Y2的加權(quán)比重,取η2=0.4。其中η1+η2=1。
采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)雙目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化處理,得到優(yōu)化方程如下:
(8)
通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件分析得到油菜籽優(yōu)化干燥工藝參數(shù)組合為:X1=-0.066 2 MPa, X2=1.521 cm,X3=36.25 ℃。對(duì)組合參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正得到最終優(yōu)化組合參數(shù)組合為:X1=-0.066 MPa,X2=1.5 cm,X3=36 ℃。此時(shí)干燥速率為0.423 g/min,單位能耗為85.197 kJ/kg,與單目標(biāo)優(yōu)化所得最優(yōu)值接近,具有實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。
(1)本試驗(yàn)選取干燥溫度、物料厚度、真空度作為考察因素,采用三元二次旋轉(zhuǎn)回歸組合設(shè)計(jì)方法對(duì)油菜籽的干燥速率、單位能耗進(jìn)行考察。試驗(yàn)結(jié)果表明,溫度對(duì)油菜籽干燥速率影響最顯著,真空度次之,物料厚度對(duì)其無(wú)影響。付浩華[23]等人在對(duì)油菜籽薄層真空干燥研究中得出真空度越大,干燥速率越小的結(jié)論,驗(yàn)證了本試驗(yàn)結(jié)果;真空度對(duì)油菜籽的單位能耗影響極其顯著(P<0.01),溫度對(duì)其影響顯著(0.01
(2)通過(guò)綜合評(píng)價(jià)法對(duì)干燥速率和單位能耗進(jìn)行消除量綱處理,得到最佳工藝參數(shù)組合為:真空度-0.066 MPa,物料厚度1.5 cm,溫度36 ℃;此時(shí)干燥速率為0.423 g/min,單位能耗為85.197 kJ/kg,接近各自最佳值,模型可信度較高。
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Optimization of rapeseed vacuum drying technology parameter by response surface methodology
LI Bin, PENG Gui-lan*, LUO Chuan-wei, QIU Guang-yin, YANG Ling
(College of Engineering and Technology,southwest university,Chongqing 400715,China)
The vacuum drying technology was adopted to improve the drying rate and decrease the energy consumption for rapeseed drying technology. The experiment was designed by three factors quadratic design of rotary combination. Taking vacuum degree (X1), material thickness (X2) and temperature (X3) as testing factors and drying rate (Y1), unit energy consumption (Y2) as target parameters, the study investigated those three factors on the two target parameters. The results showed the order of three factors on rapeseed drying rate were: temperature, vacuum and temperature. The effects of three factors on unit energy consumption in an order of temperature,vacuum degree and material thickness;The effects of three factors on unit energy consumption was in an order of vacuum degree, temperature and material thickness. The interaction of vacuum degree and temperature had a great influence on drying rate, the optimum value was obtained at thickness from 0.92 cm to 1.23 cm and vacuum from -0.07 MPa to -0.045 MPa. The optimal parameters of vacuum drying condition is: vacuum -0.066 MPa, material thickness 1.5 cm and temperature 36 ℃. The drying rate optimum value was 0.423 g/min, the unit energy consumption was 85.197 kJ/kg. These values were close to the perspective optimal value.
rapeseed; drying; drying rate; energy consumption; response surface
10.13995/j.cnki.11-1802/ts.20161219
碩士研究生(彭桂蘭教授為通訊作者,E-mail:pgl602@163.com)。
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31301575)
2016-04-12,改回日期:2016-05-17