ساخت دستگاه پرس برای استخراج روغن کنجد و ارزیابی آن با استفاده از تکنیک هوش مصنوعی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسنده

دانشیار، گروه طراحی ماشین و مکاترونیک، پژوهشکده مکانیک، سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران

چکیده

1. سابقه و هدف
برای بهینه‌سازی خواص مکانیکی و حرارتی موثر بر کیفیت و کمیت روغن کنجد، اثرات سرعت شفت مارپیچی و میزان رطوبت دانه کنجد در سه سطح مختلف مورد بررسی قرار گرفت. برای ارزیابی و مدل‌ سازی نتایج از ماشین بردار پشتیبان و روش سطح پاسخ استفاده شد. کنجد حاوی 44 درصد روغن و 30 درصد پروتئین است. فناوری‌های مکانیکی و شیمیایی مختلف به همراه دستگاه‌های متنوعی برای استخراج روغن وجود دارد [20]. استفاده از روش مکانیکی (پرس) با فشار روی بافت این دانه ها که منجر به خروج روغن از بافت آنها می‌ شود، توصیه شده است. هدف از فرآیند استخراج، تولید روغن سالم و خالص است [11].
2. مواد و روش‌ ها
مکانیزم مارپیچی دستگاه به گونه‌ ای طراحی شده است که حداکثر فشار را بر روی دانه‌ ها وارد نماید. برای تعیین ضخامت پوسته محفظه پرس، هر دو تنش شعاعی و مماسی روی دیواره سیلندر محاسبه شد. طراحی مارپیچ برای استخراج روغن، نرخ تغذیه و فشار داخلی دستگاه بسیار مهم است. در این تحقیق سرعت‌ های مارپیچ 4/ 0، 6/ 0 و 8/ 0 هرتز و دمای محفظه پرس 30، 45 و 60 درجه سلسیوس و رطوبت دانه کنجد 5/ 3 و 7 درصد در نظر گرفته شد. یک شبکه عصبی برای تحلیل و مدل‌ سازی داده‌ ها استفاده گردید [7].
3. یافته‌ ها
عوامل اصلی مؤثر بر رفتار شبکه عصبی شامل پارامترهای ورودی و تعداد لایه های پنهان است. یک پرسپترون چند لایه (MLP) با لایه های پنهان در ساختار شبکه عصبی مصنوعی استفاده شد. بیشترین دقت و کمترین خطا در اندازه‌گیری اسیدیته روغن کنجد به ترتیب 9930/ 0 و 0023/ 0 و مقادیر مربوطه برای اندازه‌گیری پراکسید 9991/ 0 و 0006/ 0 بود. مقادیر RMSE برای اسیدیته و پراکسید به ترتیب 118/ 0 و 106/ 0 و مقادیر R2 برابر با 87/ 0 و 98/ 0 به دست آمد.
4. نتیجه گیری
طول مؤثر اکسترودر 390 میلی‌ متر، درایو دانه 30 میلی‌ متر، عمق دندان مارپیچ 10 میلی‌متر، قطر بیرونی 80 میلی‌متر و زاویه گام مارپیچ 5/ 82 درجه بود. افزایش دما باعث کاهش رطوبت دانه‌های کنجد در دستگاه می‌شود که به نوبه خود تا حدی بر کیفیت و کمیت روغن تأثیر می‌گذارد. افزایش سرعت مارپیچ، فشار و اصطکاک درون محفظه را افزایش می‌دهد که به نوبه خود دما را افزایش می‌دهد و به طور بالقوه منجر به احتراق اکسیژن هوا با روغن می‌شود، در نتیجه سطح پراکسید و اسیدیته روغن افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Construction of a press machine for extracting sesame oil and evaluating it using artificial intelligence technique

نویسنده [English]

  • Abbas Akbarnia
Associate Professor, Department of Machine design and Mechatronics, Institute of Mechanics, Iranian Research Organization for Science and Technology, Tehran. Iran
چکیده [English]

1. Background and purpose
To optimize the mechanical and thermal properties affecting the quality and quantity of sesame oil, the effects of spiral shaft speed and sesame seed moisture content were investigated at three different levels each. A support vector machine and response surface methodology were used to evaluate and model the results. Sesame contains 44% oil and 30% protein. Various mechanical and chemical technologies, along with different devices, are available for oil extraction [20]. It is recommended to use the mechanical method (press) with pressure on the texture of these seeds, which leads to the oil coming out of their texture. The goal of the extraction process is to produce healthy and pure oil [11].
2. Materials and methods
The spiral mechanism of the device is designed to exert maximum pressure on the seeds. To determine the shell thickness, both radial and tangential stresses on the cylinder wall were calculated. The design of the spiral is crucial for oil extraction, feed rate, and internal pressure within the machine. In this research, spiral speeds of 0.4, 0.6, and 0.8 Hz, chamber temperatures of 30°C, 45°C, and 60°C, and seed moisture content of 3.5% and 7% were considered. A neural network was employed for data analysis and modeling [7].
3. Findings
The main factors influencing the neural network's behavior include the input parameters and the number of hidden layers. A multi-layer perceptron (MLP) with hidden layers was used in the artificial neural network structure. The maximum accuracy and lowest error in measuring the acidity of sesame oil were 0.9930 and 0.0023, respectively, while the corresponding values for peroxide measurement were 0.9991 and 0.0006. The RMSE values for acidity and peroxide were 0.118 and 0.106, respectively, and the R² values were 0.87 and 0.98.
4. Conclusion
The extruder's effective length was 390 mm, the grain drive was 30 mm, the depth of the spiral tooth was 10 mm, the outer diameter was 80 mm, and the spiral pitch angle was 82.5 degrees. An increase in temperature reduces the moisture content of sesame seeds in the machine, which in turn affects the quality and quantity of the oil to some extent. Increasing the spiral speed raises the pressure and friction within the chamber, which in turn increases the temperature, potentially leading to the combustion of oxygen in the air with the oil. As a result, the levels of peroxide and oil acidity increase. As a result, the levels of peroxide and oil acidity increase.

کلیدواژه‌ها [English]

  • press machine
  • sesame oil
  • screw speed
  • spiral speed
  1. Beerens, P. (2007). Screw-pressing of Jatropha seeds for fuelling purposes in less developed countries. Sc. Thesis, Department of Sustainable Energy Technology, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, 87 p.
  2. Carrín, M. E. and Crapiste, G. H. (2008). Mathematical modeling of vegetable oil–solvent extraction in a multistage horizontal extractor. J. Food Engineering. 85(3), 418–425.
  3. Cerutti, M. L. M. N., Souza, A. A., Souza, S. M. (2012). Solvent extraction of vegetable oils: Numerical and experimental study. J. Food and Bioproducts Processing, 90, 2, 199–204.
  4. Chakraborty, D., Das, J., Das, P. K., Bhattacharjee, S. C., & Das, S. (2017). Evaluation of the parameters affecting the extraction of sesame oil from sesame (Sesamum indicum L.) seed using soxhlet apparatus. International Food Research Journal, 24(2), 691.
  5. Corso, M. P., Fagundes-Klen, M. R., Silva, E. A., Cardozo Filho, L., Santos, J. N., Freitas, L. S., & Dariva, C. (2010). Extraction of sesame seed (Sesamun indicum) oil using compressed propane and supercritical carbon dioxide. The Journal of Supercritical Fluids, 52(1) , 56-61.
  6. Döker, O., Salgin, U., Yildiz, N., Aydoğmuş, M., & Çalimli, A. (2010). Extraction of sesame seed oil using supercritical CO2 and mathematical modeling. Journal of Food Engineering, 97(3), 360-366.
  7. Funes, E., Allouche, Y., Beltrán, G., & Jiménez, A. (2015). A review: artificial neural networks as tool for control food industry process. Journal of Sensor Technology, 5(01) , 28.
  8. Hemwimon, S., Pavasant, P. and Shotipruk, A. (2007). Microwave-assisted extraction of antioxidative anthraquinones from roots of Morinda citrifolia. Separation and Purification Technology. 54, 44-50.
  9. Japon-Lujan, R. and Luque de Castro, M.D. (2006). Superheated liquid extraction of oleuropein and related biophenols from olive leaves. Journal of Chromatography A. 1136: 185-191.
  10. Kaviani, M., Darjani, Z., Tomovska, J., Mazandarani, Z., & Shariati, M. A. (2015). Comparing Different Extraction Methods of Sesame Oil. International Journal, 4(2), 22-25.
  11. Kazemi, P., Peydayesh, M., Bandegi, A., Mohammadi, T., & Bakhtiari, O. (2014). Stability and extraction study of phenolic wastewater treatment by supported liquid membrane using tributyl phosphate and sesame oil as liquid membrane. Chemical engineering research and design, 92(2), 375-383.
  12. Latif, S., & Anwar, F. (2011). Aqueous enzymatic sesame oil and protein extraction. Food chemistry, 125(2), 679-684.
  13. Mandal, V., Mohan, Y. and Hemalatha, S. (2007). Microwave-assisted extraction- an innovative and promising extraction tool for medicinal plant research. J. Pharmacognosy Reviews.
  14. Manikantan, M. R., Sharma, R., Yadav, D. N., & Gupta, R. K. (2015). Selection of process parameters for producing high quality defatted sesame flour at pilot scale. Journal of food science and technology, 52(3), 1778-1783.
  15. Martínez, M. L., Bordón, M. G., Lallana, R. L., Ribotta, P. D., & Maestri, D. M. (2017). Optimization of Sesame Oil Extraction by Screw-Pressing at Low Temperature. Food and Bioprocess Technology, 10(6), 1113-1121.
  16. Pande, S. D., & Deo, S. K. (2018). Formulation and quality assessment of protein rich sesame Chikki-indigenous energy bar. International Journal of Agricultural Engineering, 11(Special Issue) , 11-14.
  17. Papadopoulou, O. S., Panagou, E. Z., Mohareb, F. R., & Nychas, G. J. E. (2013). Sensory and microbiological quality assessment of beef fillets using a portable electronic nose in tandem with support vector machine analysis. Food Research International, 50(1), 241-249.
  18. Pradhan, R. C., Mishra, S., Naik, S. N., Bhatnagar, N., Vijay, V. K. (2011). Oil expression from Jatropha seeds using a screw press expeller. J. Biosystems Engineering, 109, 2, 158–166.
  19. Reshma, M. V., Balachandran, C., Arumughan, C., Sunderasan, A., Sukumaran, D., Thomas, S., & Saritha, S. S. (2010). Extraction, separation and characterisation of sesame oil lignan for nutraceutical applications. Food Chemistry, 120(4), 1041-1046.
  20. Warra, A. A. (2011). Sesame (sesamum indicum) seed oil methods of extraction and its prospects in cosmetic industry: a review. Bayero Journal of Pure and Applied Sciences, 4(2) , 164-168.
  21. Yolmeh, M., & Jafari, S. M. (2017). Applications of response surface methodology in the food industry processes. Food and Bioprocess Technology, 10(3), 413-433.