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美国的油脂加工产业是如何领先的?

已有 2401 次阅读 2019-8-2 21:25 |个人分类:科研报告|系统分类:海外观察| 美国, 油脂, 浸出, 溶剂, 脱溶

美国的油脂加工产业是如何领先的?

现代油脂工业技术起源于欧洲,第二次大战爆发后,美国油脂工业技术与装备得到快速发展,并超过欧洲各国,一直领先至今。从模仿到创新,美国油脂装备产业成功逆袭的发展历史值得我国油脂行业借鉴。

 

引子

现代油脂工业起源于欧洲,1796年英国工程师Joseph Bramah发明了液压榨油机,它迅速革新了西方的油脂加工工业,取代了以牲畜为动力的榨油机。溶剂浸出的早期先后在英国、德国等欧洲多地得到广泛应用。在中国东北(满洲里)和日本也有使用酒精作溶剂浸出大豆,而溶剂浸出在美国比欧洲迟得多。

溶剂浸出的起源:1855年11月13日,法国向E. Deiss颁发了一项专利,Deiss使用二硫化碳从骨头和羊毛中提取脂肪。1856年12月3日,又向Deiss颁发了从含油种子中提取油的专利。

 

溶剂浸出在美国的早期尝试

在美国,路易斯安那州新奥尔良市的南港有一家间歇式溶剂浸出厂,1917年至1919年使用的是航空用汽油,后来又使用苯作为溶剂,从棉籽饼、椰子、棕榈仁和其他含油作物中提取油脂。第一次世界大战后,当美国的商业状况恢复正常时,这项实验就结束了。

连续溶剂浸出法的起源与大豆有着不可分割的联系,主要是因为大豆的含油量比大多数油籽都要低。“第一次世界大战结束后,德国食用油脂和动物饲料出现短缺。德国人开始寻找更好的方法,最大限度地利用他们从满洲(中国东北)进口的大豆。

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根据逆流原理研制了两种连续溶剂浸出器,波尔曼的篮斗式浸出器,于1919年和1920年在德国获得专利;希尔德布兰特(Hildebrandt)的u型管浸出器于1934年获得专利。

美国也在尝试溶剂浸出法。在伊利诺斯州的蒙蒂塞洛,皮亚特县大豆合作社公司在1923年至1924年经营着一家间歇法浸出工厂;1924年至1925年,东方棉籽油公司在弗吉尼亚州诺福克经营着一家来自德国的波尔曼工艺装备的浸出油厂。事实证明,两家公司都没有盈利。

上世纪20年代,弗吉尼亚州诺福克的Prosco 油脂公司开展了几年溶剂浸出业务。加工的大豆数量相对较少。早期大部分溶剂浸出的努力都失败了,至少部分原因是原料大豆供应不够。

在美国,最广为人知的努力是亨利·福特(Henry Ford)在爱迪生研究院的大豆研究工作。福特认为农民是他T型车的主要客户,并决定如果他想让农民成为客户,他就必须找到一条工业产品成为农业客户应用品的新途径。

约翰·考恩(John Cowan)在一本大豆油著作的序言中记载道:“ADM和格利登(Glidden)公司于1934年在美国开始了大规模的大豆溶剂浸出。”“通过从德国进口生产食用油、饼粕和磷脂的设备,这些工厂每天加工100吨。”

ADM和Glidden这两家的工厂都在芝加哥,它们都使用Hildebrandt(U型管)浸出器和己烷作为溶剂。ADM工厂于1934年3月投产,A.E. MacGee在1947年为《油厂纪事报》撰写的一篇文章中说,大约1934年11月之后,这家工厂开始运营。

1935年10月7日,Glidden位于1845 N.Laramie大街的工厂在关闭五周后重新启动。当天上午11点40分,油厂在爆炸中被毁,一英里外的窗户被震碎,附近的建筑物被砖块砸得粉碎。11人死亡,43人受伤。爆炸显然是由溶剂泄漏引起的。考恩说,工厂立即以原来产能的两倍进行了重建。

 

溶剂浸出技术的引进

上世纪30年代初,当福特(Ford)寻求大豆的工业用途、芝加哥第一批大规模工厂不断涌现时,辛辛那提的宝洁公司(Proctor & Gamble)让诺曼·f·克鲁斯(Norman F. Kruse)从事大豆油的研究(参见油脂工程师之家文章,湿粕脱溶工艺的发展历史)。宝洁公司正在研究大豆油在Crisco(起酥油)和色拉油中的应用。1933年1月,宝洁公司将普渡大学(Purdue)新毕业的哈钦斯(R.P. Hutchins)调任Kruse的助理。

克鲁斯和哈钦斯成为了朋友,这段友谊在十多年后,当他们各自供职于一家不同的公司时,却经受住了企业间的敌意。

“克鲁斯是个了不起的人”哈钦斯回忆道。他开始把他所知道的一切都教给我。他完全无私。克鲁斯指导哈钦斯的实验室工作,让哈钦斯写报告,这样克鲁斯就可以花更多的时间与试验工厂的调试人员一起工作。

1936年9月,克鲁斯离开宝洁去了中央大豆公司,哈钦斯成为宝洁公司大豆研究项目的负责人。哈钦斯说,克鲁斯离开是因为他想在更大范围内研究大豆油的提取。如果是这样,克鲁斯去了正确的地方。1936年,这家成立两年的中央大豆公司派克鲁斯和奥法特(Harry C. Offutt)去德国考察连续浸出器。克鲁斯和奥法特建议,中央大豆购买一个波尔曼Bollman篮斗式浸出器。1937年1月,在一次跨越大西洋的电话交谈中,中央大豆公司的创始人戴尔.麦克米伦(Dale W. McMillen)买下了当时最大的浸出器。几年后的1966年,戴尔的儿子哈罗德.麦克米伦(Harold W. McMillen)在印第安纳州的一次晚宴上对观众说,这个决定是在大萧条时期做出的,当时溶剂浸出是一种新工艺,“很多人仍然对大豆的未来持怀疑态度。”

1937年11月,该工厂在一座五层楼高的建筑中投产,旁边是一群高大(110英尺)的筒仓,将中央大豆储藏量增加了100万蒲式耳。该厂日产大豆275吨,是当时美国最大的大豆加工厂。

1936年秋天,爱荷华州锡达拉皮兹市的霍尼米德产品有限公司(Honeymead Products Co.)在德国的工艺基础上开设了一家工厂,日产大豆100吨。

 

溶剂浸出设备的仿制

 

第二次世界大战的爆发,美国从中国东北的大豆进口中断,美国大豆种植业开始兴起。同时二战也中断了德国的技术与装备的引进。

宝洁公司在肯塔基州路易斯维尔有一家子公司,为宝洁公司生产棉籽油。路易斯维尔周围的棉花种植面积在下降,大豆种植面积在增加。宝洁公司决定为路易斯维尔的一家新工厂购买一台Bollman浸出器。

1939年9月,随着路易斯维尔的地基破土动工,“采掘者”号停泊在汉堡码头,等待即将运往美国的货物,不巧的是英国向德国宣战,并封锁了德国的港口。哈钦斯公司回忆说,这家德国制造商说,这款浸出器可以通过陆路运到意大利,然后运往美国。

宝洁公司或许意识到,其英国业务依赖于政府对稀缺原材料的分配,因此决定不试图绕过英国的封锁。相反,宝洁转而求助于俄亥俄州的小城皮夸(Piqua)市,那里的法兰奇油脂机械公司(French Oil Mill)的C.B.厄普顿(C.B. Upton)最近聘请哈里•罗宾逊(Harry Robinson)担任溶剂工厂主管。当印第安纳州迪凯特的工厂建成时,罗宾逊一直在中央大豆公司工作,但显然他和克鲁斯发生了冲突。鲁宾逊离开了,把他的专业知识带到了法兰奇油脂机械公司。

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法兰奇油脂机械公司制造的浸出器

法兰奇油脂机械公司(French Oil)对宝洁公司说,它可以制作一个汉萨-穆勒诉波尔曼款式(Hansa-Muhle V. Bollman)的拷贝本浸出系统,该公司被困在汉堡码头。当时使用的是Allis-Chalmers设备制作,但浸出器是法兰奇油脂机械公司在美国制造的第台。以中央大豆公司为基础的浸出器,于1941年2月投入使用。

1936年,莱斯利(H.B. Leslie)博士被George Karnofsky聘为布劳诺克斯公司(Blaw-Knox)的技术总监;莱斯利在伊利诺伊州迪凯特工作时对大豆产生了兴趣。1943年,莱斯利、科茨(H.B. Coats)和其他人访问了印第安纳州的迪凯特,考察了中央大豆的溶剂浸出工厂。他们回来后即可根据德国的概念仿制一个溶剂工厂,但本质上与法兰奇油脂机械提供的工厂是一样的,后者的成本更低。布劳诺克斯公司决定开发成本更低的新设备和技术,它为联合磨坊(Allied Mills)建造的第一个商业工厂采用蒸汽脱溶烤粕器(DT)。

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Blaw-Knox早期仿制的溶剂浸出工厂

卡尔诺夫斯基(Karnofsky)被指派开发一种改进的浸出器。上世纪30年代,亨利•福特(Henry Ford)建立了小型溶剂浸出厂,可以在农民的谷仓中使用,并推广大豆种植。Blaw-Knox的销售人员从现场回来询问公司是否可以开发一种小型、紧凑、廉价的工厂。

在莱斯利博士的指导下,Blaw-Knox进行了溶剂浸出的基础实验室和工程研究。卡尔诺夫斯基于1948年在伊利诺伊大学为期六天的短期课程中披露了他们的研究。卡诺夫斯基和Blaw-Knox的研究成果是Rotocel——平转浸出器。1949年,在美国油脂化学家协会(AOCS)的一个短期课程上,卡诺夫斯基介绍了溶剂浸出的理论和实践。听众当场起立为卡尔诺夫斯基鼓掌。Rotocel的专利是在1949年申请的,但直到1958年才获批准,原因是与一家英国公司设计类似,可能是西蒙-罗斯唐斯公司(Simon-Rosedowns)提起了诉讼。

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1950年Glidden公司在印第安纳州印第安纳波利斯的浸出油厂成功运营了6个月,该厂使用的Blaw-Knox 公司Rotocel平转浸出器,溶剂消耗0.45%,粕中残油0.5%,粕水份12%。

在第二次世界大战期间,新建筑的材料很难获得。然而,战后材料变得可用,各种类型的企业开始扩张。例如法兰奇油脂机械公司在1940年至1945年间只建造了6台浸出器;而从1946年到1950年建造了15套;从1951年到1955年则达到了27套。

第二次世界大战接近尾声时,沃伦·戈斯(Warren Goss)前往德国考察油厂和设备厂,其中大部分处于废墟中。他带着一份调查清单回来了,他有一个观点:"总的来说,德国的技术在过去十年中似乎落后于我们。美国从借用德国技术开始,已经超过了它的教师。

与此同时,当哈钦斯(R.P.Hutchins)成为法兰奇油脂机械公司溶剂浸出部门的负责人时,中央大豆(印第安纳州迪凯特)和法兰奇油脂机械公司(俄亥俄州皮夸)的关系也越来越密切。

克鲁斯和哈钦斯在宝洁公司的日子保持了友谊。中央大豆公司挑选了法兰奇油脂机械公司,在伊利诺斯州吉布森市建造了一个可以加工300吨/天的大豆的溶剂工厂。该工厂后来被法兰奇油脂机械在多处复制:1948年,明尼苏达州亚麻籽油脂公司(明尼苏达州明尼阿波利斯);1949年,斯威夫特公司(伊利诺斯州香槟市);1950年,为平原合作社(得克萨斯州卢伯克);1952年,劳霍夫谷物公司(伊利诺斯州丹维尔市)。

哈钦斯说,1948年的一天,他从皮夸(俄亥俄洲)开车到吉布森市(伊利诺斯州)时,他心里算了一笔账,湿粕脱溶时蒸汽在粕中的冷凝量,几乎等于烤粕时粕中水份的增加量。那天在吉布森城的午餐上,他与克鲁斯等人讨论了这个想法,并回忆说,这个主意听起来不错,也和克鲁斯一直在做的一些想法相似。克鲁斯的一位同事说,后来克鲁斯谈到在餐巾纸背面计算水汽用量的事。

    中央大豆公司同意让法兰奇油脂机械公司在印第安纳州迪凯特的工厂为这一过程建立一个试点工厂。此外,中央大豆,以其在动物饲养的背景,认识到湿粕脱溶后的烤粕过程比以往工艺具有优越的营养价值。美国中央大豆公司致力于新科技的发展,1950年在大豆深加工产业中开发出一系列适用于人类食用的大豆蛋白制品,成功地为食品行业开发出大豆分离蛋白及大豆卵磷脂系列制品。1952年,当中央大豆公司获得蒸汽脱溶剂工艺专利时,哈钦斯和法兰奇油脂机械公司都惊呆了。1949年,哈钦斯和法兰奇油脂机械公司申请了设备专利。中央大豆专利申请是在1950年提出的。

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法兰奇油脂机械公司的DT

由此引发的专利纠纷得到了解决,因为法兰奇油脂机械公司同意为使用直接蒸汽脱溶系统支付使用费,而中央大豆公司已经获得了这项专利。法兰奇的脱溶烤粕器(DT)专利于1954年获得批准。

到1952年底,法兰奇已经卖出了30多台,而脱溶烤粕器成为行业标准。哈钦斯说,为了维护行业的和谐,避免了进一步的诉讼。除了1952年的工艺专利外,中央大豆公司后来还获得了一项产品专利和两项涉及改进设计的机械专利。哈钦斯说,在专利纠纷期间,他和克鲁斯的友谊一直持续。

Rotocel的专利纠纷在Blaw-Knox平转浸出器在美国盛行的情况下得到了解决,并最终获得了海外制造权的许可。Simon-Rosedowns和Krupp是获得许可的公司之一。随着行业的发展,专利纠纷越来越多。

自20世纪50年代初以后,浸出器的规模一直在不断扩大。Rotocel的设计部分是为了响应对小型浸出器的需求。美国的油脂机械生产商,除了上述提到的法兰奇油脂机械公司、Rotocel平转浸出器生产商Blaw-Knox外,后期进入该领域的还有EMI、皇冠公司等。

EMI是一家总部位于伊利诺斯州德斯普莱恩斯的美国公司,成立于1957年,1959年开始生产溶剂浸出器。1959年,美国农业部与EMI公司合作,将闪蒸脱溶系统商业化,该系统用于生产浅色、可食用的大豆胚片和脱脂大豆粉,具有最大的PDI(蛋白质分散指数)。1960年EMI在明尼苏达州的曼卡托(Mankato)为Honeymead 产品公司设计并安装了世界上第一个商用闪蒸脱溶剂系统。该系统是用来制造食品级的脱脂粕,而不是饲料。EMI公司研制了闪蒸脱溶剂器,采用过热溶剂蒸汽去除95%的己烷。它的设计目的是提供高脱脂粕的PDI,这可以用于食品,另一个创新是真空脱溶器。1980年由刘复光、秦洪万等我国油脂科技人员曾对该厂家和用户进行了考察。

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从左至右:EMI公司销售经理William McPherson、刘复光、轻工业部食品与发酵所

赴美国罗格斯大学访问学者石煌(音译)、曲永洵、过祥鳌、秦洪万

明尼苏达州明尼阿波利斯市的皇冠钢铁厂(Crown Iron Works Co.)在第二次世界大战后(大约在1948年至1950年)进入浸出制油领域,皇冠工程公司至今仍是业内知名的油脂成套设备供应商。

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    近日皇冠公司新建的全球创新中心开放,持续创新是美国油脂装备企业持续发展并领先于世界同行的根本原因,值得我国业内同行借鉴。低水平的复制、低价恶性竞争、热衷于搞些花里胡哨的包装专利和没有多少公信力的获奖而不注重实质性的创新、产能过剩是行业的通病,如此种种阻碍了整个行业的进步。

本文原载《油脂工程师之家》,2019.7-8月




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