CN103369970B - 用于从富含油脂的麻疯树种子获得燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于由富含脂肪的植物种子或者果仁、优选由脂肪含量为至少30重量百分比、优选为至少40重量百分比的麻疯树(Jatropha)种子中获得燃料的方法，包括以下步骤：a)剥离外壳部分；b)碾碎去皮的种子；c)在构成含油的悬浮液的条件下向所述被碾碎的植物种子添加水和/或酸；d)从所述悬浮液中析出粗制油，其中，所述悬浮液的pH值在析出粗制油之前为＜＝3.5；e)油或者粗制油的油精制f)中和；g)油的干燥和/或h)去油粗磨粒的干燥。

Description

用于从富含油脂的麻疯树种子获得燃料的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1上位概念所述的方法。
背景技术
众所周知要由富含油脂的种子提取油。目前主要采用以下方法：
1.榨取加上己烷萃取
2.二级榨取
3.冷榨
为了获得燃料，主要采用方法1和方法2，以便获得尽可能高的燃料采获量。在这两种方法中，在炼油之前不会给种子去皮，因此，壳就留在去油粗磨粒内并且由此给营养价值带来不利的影响。这些高产量的方法的油质相对较低，因此，需要繁琐的精炼步骤，以便能够将这种油用作为生物燃料。
专利文献EP0267933A1说明了一种用于提取植物油的方法，在所述方法中向含油物料添加至少一种试剂，以便减少磷脂含量。其中，在预备步骤中，将植物例如大豆或者玉米清洗、干燥并且去皮。接着，将植物部分碾碎。其中，例如另外添加油。在由这些大豆或者玉米萃取植物油时，尤其还要使用盐酸。它用于减少磷脂含量。
由此，疏水的磷脂被转化成可水合的种类。因为磷脂的水合仍是可逆的，所以必须额外采用螯合剂、沉淀剂等，以便使磷脂稳定在含水溶液中。
专利文献GB1179584A公开了一种用于提取脂肪的方法。在此，按如下所述来优化动物脂肪的水性萃取，使得在4.1至5.8的pH范围内萃取这类脂肪。尤其能够通过添加酸例如盐酸、硫酸、柠檬酸或者醋酸达到上述pH值。
专利文献WO98/53698A1和EP1905309A1公开了油菜籽、大豆、玉米和葵花籽的加工处理。首先，将它们碾碎。接着，去除固体。最后，进行油相的清洗，在清洗时，可通过添加Tris-HCl来调节pH值为2-10。随后配制成乳液。这种乳液被应用于食品领域和饲料中，然而也可结合药物和化妆品。
专利文献GB1402769A公开了一种用于通过酶促作用提取油的方法。在pH=3至pH=6之间的pH条件下所发生的酶促处理下，结果导致含油植物产品的细胞壁在释放油的情况下于2至24小时内破坏。
专利文献EP2163159A1说明了由油菜种子提取油。
在此，于提供油菜种子且去皮后，进行油菜种子的压榨，由此形成压饼和菜籽油。所述菜籽油在称为“脱胶（Degumming）”的流程步骤中被除去磷脂。这些磷脂收集在反应槽内。紧接着进行干燥和酯化的流程步骤。
由此，通过酯基转移实现生物柴油与粗甘油的分离。
在其它后续步骤中，可由菜籽油或者油菜压饼的不同馏出物中提取出蛋白质和不同的其他可回收物质。在此所述的方法仅在一定的条件下适用于制造燃料，因为在压榨去皮油菜籽时产油量非常低。限于去油压饼内残留高脂肪含量，它们仅可在一定的条件下才能加以利用。
在使用由油料作物提取的燃料时，尤其是由麻疯树种子（也称作珊瑚油桐（Purgiernüsse））所提取的油已经被证明是令人关注的替选方案，因为这种麻疯树油例如相对于菜籽油具有更高的十六烷值，并且还因为麻疯树也生长在养分贫瘠的土地上。
除了油以外，蛋白质也是麻疯树种子的重要成分。然而，占比多至40重量百分比的种子外壳带来了干扰的作用。如果不在去油之前除去这些外壳，就很难提取出富含蛋白质、含油少的粗磨粒。
目前的方法主要用来压榨种子。为了达到较高的产量，在产物内就必须要求有大量的外壳部分。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法，在所述方法中，能够由这些植物种子或者果仁中大规模地提取有用的燃料。
上述目的通过权利要求1所述的特点得以实现。
在此，根据本发明的用于由含脂肪的麻疯树种子，其具有的脂肪含量至少为30重量百分比、优选为至少40重量百分比，获得燃料的方法优选包括以下步骤：
a）除去外壳部分；
b）碾碎植物种子或者果仁；
c）在构成含油的悬浮液的条件下向被碾碎的植物种子或者果仁添加水和/或酸；以及
d）从悬浮液中析出粗制油；
其中，在析出粗制油之前，所述悬浮液的pH值优选为：pH＜=3.5。
由此所提取的粗制油就是获得燃料的中间产品。它包含了一部分残留水分和/或任选包含更小的植物种子的固体物质颗粒。
此外，根据本发明的用于由含脂肪的麻疯树种子获得燃料的方法还包括：
d）油精制；
e）中和；以及
f）油干燥。
油精制是一种用于净化油的方法。其中，借助过滤技术或分离技术对粗制油进行进一步加工并且净化或者分离固体物质残留和水。在此，所精制的粗制油的固体物质含量减少，使得其可用作燃料。通过干燥，燃料内的残留水分含量大致优选下降至0.1重量百分比或者更少。
其中所获取的固相适用于作为获得富含蛋白质的粗磨粒时的中间产品。
由此所提取的油极其缺少磷酸盐、镁和钙，也即精制之后不需要进一步加工即符合生物燃料标准（DIN51605）。这样一来，与压榨油相反，能够避免繁复且高成本的油精炼。
水和酸能够单独地被导入悬浮液或者在添加到悬浮液中之前已混合为稀释的酸，其中被稀释的酸在添加之前已经具有相应的浓度，以便将悬浮液的pH值调节到＜=3.5。
在由脂肪含量大于30重量百分比、例如大于40重量百分比的麻疯树种子获得燃料时，已经令人惊奇地表明，粗制油的产量在pH值＜=3.5时明显升高。
根据本发明，从麻疯树种子、即麻疯树的珊瑚油桐进行燃料的提取且任选同时获得富含蛋白质的粗磨粒。
所述方法的优选实施方案为从属权利要求的主题。
尽管在pH值＜=3.5时观察到了燃料产量相对于pH中性的加工已经明显提高，然而在pH值＜=3.2的悬浮液中还能实现产量特别有利的升高。
可通过专门通过盐酸进行悬浮液的pH值的调节的方式，实现燃料产量进一步地提高。通过在添加酸之后至少30分钟、优选30-60分钟的停留时间能够实现由碾碎的植物种子或者果仁所提取的粗制油的尽可能大规模的消解。由于更高的温度会有利于由植物种子或者果仁所提取的粗制油的消解，优选用所添加的水在产物中调节出60-80℃、优选为80-95℃的温度。
植物种子可在碾碎之前被清洁，以便由此去除附着在植物上的外来物质。此外，还可在碾碎之前提前通过去皮和干燥减少悬浮液内固体物质和外来物质的含量。
替选方案或者补充方案是，通过具有精细研磨度（Mahlgrad）的碾磨机实现植物种子或者果仁的碾碎，由此来提高燃料的产量。植物种子或者果仁的研磨程度越精细，则留在固体物质成分内的粗制油越少。
可选地，能够通过反复去油从悬浮液中析出粗制油。其中，在第一次去油之后，粗制油含量为4%或者更少的悬浮液被导入第二个滗析器中或者被导回到第一次去油的滗析器中，以便再次为悬浮液去油。
为了获得燃料，粗制油的清洗可有利地在一个离心器、优选分离器中进行。
附图说明
下面借助提取麻疯树油的实施例参照附图进一步说明本发明。其中：
图1为一种用于由麻疯树种子获得燃料的装置；
图2为一个用于表现去油的悬浮液内的油含量在不同的pH值下的相关性的图表；
图3为一个用于表现去油的悬浮液内的油含量在使用不同酸的条件下的相关性的图表；
图4为一个用于表现去油的悬浮液内的油含量在不同的停留时间下的相关性的图表。
具体实施方式
图1示意性地示出了一种装置，在一种优选设计中使用所述装置将麻疯树种子A加工成麻疯树（粗制）油D，这种麻疯树油适用于作为燃料，其中，麻疯树种子或者说果仁事先优选被清洁并去皮。
在加工的第一个步骤中，麻疯树种子A首先被导入碾磨机1中，以便碾碎。其中，珊瑚油桐在一个磨渣设备中被打开并碾碎。这一磨渣过程如有可能可通过导入更多的油而更加有利。
其中，被碾碎的麻疯树种子的碎渣具有一个特定的、由磨渣设备所预先给定的平均颗粒度。这例如可在压碎机中执行。
在碾碎前，麻疯树种子已经被去皮和/或干燥。通过上述准备步骤，来便于麻疯树种子的碾碎或者说磨渣。同时通过剥离外壳部分，明显提高蛋白质含量。
这可被看作为是相对于目前所用的方法的决定性优势，因为这样一来外壳部分能够单独加以利用并且去油粗磨粒的蛋白质含量也容许实现各种各样的应用。
优选50%以上、尤其是80%以上、尤其优选整个外壳部分被去除。
在磨渣之后，被碾碎的麻疯树种子作为油-固体物质混合物被导入缓冲箱2中。其由该处通过第一个偏心蜗杆泵3被传送给一个拌合器或者说拌合站4。
在所述拌合站4内，向被磨碎的产物导入热水和酸、优选HCl并且这样拌合，使得悬浮液具有升高的60-80℃、优选80-95℃的温度。
在上述非常有利的导入热水和酸的条件下，产生了一种由固体物质、油和水所构成的悬浮液，其pH值为＜=3.5。
为了要提高燃料的产量并且为了提取含油少的粗磨粒，非常重要的是，所构成的悬浮液具有＜=3.5的pH值。
其中，热水和酸、优选浓盐酸也可单独地被导入所述拌合站中并且通过强力的搅动构成pH值＜=3.5的悬浮液。流程步骤的这种顺序尽管并不是优选的，原因是在悬浮液内局部构成了高浓度的酸。然而对于添加稀释的酸来说，其可用为一种构成悬浮液的替代方案。
在本发明的另一种同样更少优选的实施方案中，为了调节pH值，还可使用另一种酸即例如硫酸或者柠檬酸来代替盐酸。
随后，所述悬浮液优选被导入一个滞留容器5中。已经令人惊奇地表明，粗制油产量在停留时间内能够有利地得到额外的提高。其中，通过温和搅拌避免沉淀并且由此提升产量。所述滞留容器5为此具有搅动装置6。在滞留容器5内的停留时间可优选在30-60分钟之间。根据原材料以及所使用的酸，粗制油产量在停留时间更长时可能甚至又略微下降。
悬浮液由所述滞留容器通过第二个偏心蜗杆泵7被传送给滗析器8。这个滗析器可设计为两相分离滗析器，其中，第一相由残留油含量相对于悬浮液内固体物质的含量小于6重量百分比的去油悬浮液构成，第二相由植物粗制油和任选分散溶解的固体物质颗粒和残留水构成。
作为两相分离滗析器的替代方案，也可在一个三相滗析器或者在由澄清滗析器及与其相接的三相分离器所构成的组合中实施去油。
植物粗制油被收集在一个容器9内并且通过第三个偏心蜗杆泵10以及通过热交换器11、优选为片式换热器而被进一步导至离心器12。在所述热交换器11与所述离心器12之间布置热水的进水口。这种水优选具有在60-80℃之间、优选80-95℃的温度。所述离心器12优选被设计为三相分离器，其中，在所述分离器内不仅实现水与油相的分离，还实现了油相和水相由固体物质颗粒澄清。
因此，从所述离心器中导出澄清的油相作为麻疯树油，其可通过中和与干燥被进一步加工成为产品，这种产品尤其适用于作为内燃机的燃料。
另外，紧接着油精制，所述油相的残留水含量可通过真空干燥（在此并未示出）下降到约为0.05%或者更少的残留水含量。通过中和，可减少游离脂肪酸的含量。
优化油从麻疯树种子中的提取的一个重要步骤在于有利地将pH值调节到＜=3.5。通过选择合适的酸、停留时间、悬浮液中粗制油与水和/或酸的比例以及精细调节pH值尽可能地、有利地提高产量。
图2在一个图表中示出了由实验室离心器8所导出的去油悬浮液内的残留油含量在不同pH值下的测量值。其中，更少的残留油含量对于麻疯树油更好的产量以及粗磨粒内更高的蛋白质含量来说非常关键。因此，悬浮液内更高的残留油含量就降低了所获取的麻疯树油的产量并且减少了粗磨粒（Schrot）内的蛋白质含量。
悬浮液的温度始终是90℃，滞留容器内的停留时间始终是60分钟，水与固体物质：油混合物的比例始终是1:1。用盐酸进行pH=3的试验。在悬浮液的pH=5.5的情况下，使用柠檬酸来调节pH值。
在图表中所显示的不同测量值的残留油含量表明，当pH值在5.5-6.5之间时，残留油含量与在pH中性范围内的水性萃取的残留油含量没有任何明显的差异。然而，当pH值为3.0时，就观察到残留油含量明显降低到3.6%。如图表中所示，当pH值下降到3.0时，就令人惊奇地看到麻疯树油产量提高。
除了pH值这个重要因素以外，使用不同的酸也导致麻疯树油不同程度上的高产量。在图3的图表中，在相当的测量条件下，将柠檬酸、盐酸和硫酸在水中相互比较。其中，悬浮液的温度始终是90℃，溶液的pH值始终是3.0，在第二个缓冲箱内的停留时间始终是60分钟，水与固体物质-油-混合物的比例始终是1+1。其中，从图3中得知，相对于硫酸和柠檬酸而言，优选用热水在添加盐酸的条件下进行萃取，因为由此能够从悬浮液的固体物质中萃取出非常高份额的麻疯树油。
图4示出了悬浮液在滞留容器内的停留时间的趋势。这些试验是在添加液态柠檬酸溶液且pH值为3.0的条件下进行的。其中可以看到，30分钟的停留时间足以实现油相从悬浮液中消解。
滞留容器内过长的停留时间（超过60分钟）会导致残留油含量的增加，进而导致总产量降低。然而，与停留时间的相关性也至少部分取决于所使用的酸。因此，在使用HCl的条件下，30-60分钟的停留时间已经被证明为非常有利。
试验中已经表明，只要水与产物的比例在步骤b）中添加了水和酸之后是处于1+2至2+1的范围内，就能实现燃料产量的额外提高。
悬浮液中的水份额尤其优选大于35重量百分比、优选大于40重量百分比。
尤其是已经表明，固体物质-油混合物与水相之间的比例为1+1，即悬浮液中的水含量约为50%，就非常有利。
下面借助不同的试验进一步阐述根据本发明的方法的各个方面。
试验1：
手动地借助钳子使800g麻疯树种子（佛得角的野生种子）开裂。手动去除外壳。这样使其裂开，使得仅产生一小部分粉末和细末。
分析种子、外壳和果肉：种子包含91%的干物质（TS），其16%由蛋白质构成，35.7%由脂肪构成。298g（37.7%）的外壳部分包含91%的干物质（TS），其3.3%由蛋白质构成，0.4%由脂肪构成。
502g（62.3%）的内核部分包含91%的干物质（TS），其24.6%由蛋白质构成，56.5%由脂肪构成。
后两个部分看上去就完全是独立的，仅带有另一部分的痕迹。
就这点来说，通过手动去皮，就会非常有效地去除仅含有相对少脂肪成分的麻疯树种子的部分。
试验2：
手动地借助Probat公司的试验装置给1013kg麻疯树种子（佛得角的野生种子）去皮。
借助间距为3mm的反射粉碎机实现开裂。粉碎机以1300UpM驱动，处理量平均为308kg/h。
在一个工业级空气分离器内进行外壳的剥除。平均处理量为296kg/h。
获得以下部分：
1.507kg的内核部分（50%）
2.494kg的外壳部分（48.8%）
3.分离式旋风分离器中12kg的粉末部分（1.2%）
外壳部分包含91.4%的干物质（TS），其7.3%由蛋白质构成，7.8%由脂肪构成。
内核部分包含91.2%的干物质（TS），其19.8%由蛋白质构成，49.8%由脂肪构成。
无论是外壳部分，还是内核部分，看上去仍然具有另一个部分的痕迹。就这点来说，还通过自动化的去皮，从很大程度上去除了仅含有相对少脂肪成分的麻疯树种子的部分。
试验3：
300g被去皮且碾碎的麻疯树种子在烧杯内与450g水充分混合，并且在水浴内在90℃的条件下搅动60分钟。其中，pH值被调节为6.2。
另一个样本则用90ml的HCl调节至pH值3.0，并且同样在水浴内在90℃的条件下搅动60分钟。
随后，两个样本在可加热的实验室离心器内在4500xg的条件下离心分离3分钟。
然后，检查固体物质的残留脂肪含量。
没有pH值改变的样本具有12.06%的残留脂肪含量（相对于TS），而去油的具有pH值改变的样本的残留油含量则仅为3.6。
这就证明了改变pH值的优点。
试验4：
160kg的水在一个可加热的搅拌容器内间接被加热到95℃。接着加入112kg被去皮且碾碎的麻疯树种子。用5.8kg浓盐酸将悬浮液调节至3.0的pH值，悬浮液被调节至90℃的温度。
在容器内温和搅拌悬浮液60分钟。
随后，悬浮液在两相分离滗析器CA220-08-33(Westfalia分离器集团有限股份公司)内被分离为油相和去油悬浮液的相。滚筒转数为4750UpM，转数差为18UpM。
给料量为300l/h并且借助可调控的偏心蜗杆泵来调节。
油相的出料量为63l/h。
去油的固体物质包含34.8%的TS，包含5.4%的脂肪，相对于干燥物体。
试验5：
180kg已经被去油、在干燥物质内包含34.8%的TS和5.4%的脂肪（见试验4）的麻疯树悬浮液在搅拌容器内与50升的水拌合。
所述悬浮液被温和搅拌30分钟并且在此借助间接的热量导入加热至90℃。
随后，悬浮液在两相分离滗析器CA220-08-33(Westfalia分离器集团有限股份公司)内被分离为油相和去油悬浮液的相。滚筒转数为4750UpM，转数差为15UpM。
给料量为300l/h并且借助可调控的偏心蜗杆泵来调节。
油相的出料量为9l/h。
去油的固体物质包含29.6%的TS，包含3.9%的脂肪，相对于干燥物体。
实施例4和5的对比表明了根据权利要求1的步骤c）以及权利要求1的步骤d）构成含油的悬浮液的优点，尤其是包括了外壳成分事先的剥离（试验4）。
试验6：
36kg由此提取的麻疯树油在搅拌容器内与1升水混合并且通过间接的热量导入被加热至90℃。
随后，油相在实壁离心器BTC3-03-107(Westfalia分离器集团有限股份公司)内被分离为油相和水相。油中存在的固体物质收集于所述离心器的滚筒内并且在试验后被去除。
水相包含2.0%的TS并且具有0.05%的脂肪含量。
油相具有以下参数：
焦炭残渣：0.45%(m/m)；氧化灰粉：<0.005%(m/m)；磷：<0.5mg/kg；钠：<0.5mg/kg；镁：<0.5mg/kg；钙：<0.5mg/kg；钾：<0.5mg/kg；铝：<0.5mg/kg；铁：<0.5mg/kg
在这里非常重要的是油相中极低的磷含量和镁含量。
在试验4之后，首先根据权利要求1所述的方法提取油相。如权利要求12中所述，可通过反复去油改进产量。这令人印象深刻地校验了试验4、5和6的分别为可选的去油。
标注说明
1碾磨机
2缓冲箱
3偏心蜗杆泵
4拌合站
5滞留容器
6搅动装置
7偏心蜗杆泵
8滗析器
9缓冲箱
10偏心蜗杆泵
11热交换器
12离心器

Claims (21)

1.一种用于由植物种子或者果仁获得燃料以及同时获得富含蛋白质的粗磨粒的方法，其特征在于以下步骤：
a)除去外壳部分；
b)碾碎去皮的种子；
c)在构成含油的悬浮液的条件下向被碾碎的植物种子添加水和酸，使得基于所述悬浮液的总重量而言，所述悬浮液的水份额为大于35重量百分比；
d)从所述悬浮液中析出粗制油，其中，所述悬浮液的pH值在析出粗制油之前为＜＝3.5；
e)油的油精制；
f)中和；以及
g)油的干燥，
其中所述植物种子或者果仁是脂肪含量为至少30重量百分比的麻疯树种子。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤e)中的油是粗制油。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述脂肪含量为至少40重量百分比。
4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，在步骤h)中进行去油粗磨粒的干燥。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，所添加的水的pH值为＜＝3.2。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，在析出油相之前通过盐酸进行所述悬浮液的pH值的调节。
7.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，在添加水和酸之后，保持一段至少为30分钟的停留时间。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述停留时间为30-60分钟。
9.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，油相由所述悬浮液中的析出在离心力场内进行。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，油相由所述悬浮液中的析出在滗析器的离心力场内也即用滗析器(8)进行。
11.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，所述含油的悬浮液在析出所述油相之前具有60-80℃的温度。
12.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，所述含油的悬浮液在析出所述油相之前具有80-95℃的温度。
13.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，水-产物-比例在1/2至2/1的范围内。
14.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，基于所述悬浮液的总重量而言，所述悬浮液的水份额为大于40重量百分比。
15.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，在所述植物种子或者果仁碾碎之前，进行所述植物种子或者果仁的清洁。
16.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，在植物种子或者果仁的碾碎之前进行所述植物种子或者果仁的干燥。
17.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，在清洁之后以及在植物种子或者果仁的碾碎之前进行所述植物种子或者果仁的干燥。
18.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，通过多次重复去油实现所述油相从所述悬浮液中的析出。
19.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，在第一次从所述悬浮液中萃取出油相之后，所述悬浮液含有小于4重量百分比的残留油含量，基于所述悬浮液中固体物质的总重量。
20.根据权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，所述油的油精制在离心器(12)内进行。
21.根据权利要求20的方法，其特征在于，所述油的油精制在分离器内进行。
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