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民国时期中央工业试验所在油脂工业技术上的进步与贡献
发布日期: 2022-08-18 09:40:00|来源:爱游戏最新官方 作者:爱游戏官方游戏下载

  基于国民经济和国防建设的需要,民国时期中央工业试验所开展 了油脂制取、油脂利用、植物油制造液体燃料等系列试验研究,在生产中发挥了重要的作用。这些研究代表了我国当时油脂工业的技术水平,同时也是该领域近代化的缩影。系统探究中央工业试验所油脂试验研究,有助于厘清民国时期油脂工业技术的发展历程、理解民国工业技术的研发方式。

  中国生产利用油脂历史悠久,正如化学家苏步皋在20世纪20年代的概括: “吾国自 古以农立国,益以土地肥沃,气候温和,农产物之额遂冠诸尔余物产之上,而油脂原料尤丰富绝伦,榨油一业流传亦古。”[1]但囿于传统经验模式,直到近代我国油脂制取、油脂制皂等关键技术依旧沿用数千年来的手工技艺。随着1815年油脂由甘油和高碳脂肪酸组成的结构被发现,西方开始对三甘酯或脂肪酸的缩合、聚合、卤化、氧化、氢化、脱水、脱羧以及异构化等反应进行研究,由此制成的洗涤剂、除草剂、杀虫剂、乳化剂、润湿剂和化妆品 等也逐渐应用于市场。战争后,我国油脂生产自给自足的传统形态被打破,列强觊觎我国丰富资源和广阔市场,通过在华设厂攫取我国廉价原材料,并低价进口油料,依靠技术优势形成垄断,将生产的肥皂、硬化油和磺酸化油等产品倾销我国,榨取高额利润。

  鉴于我国生产技术发展滞后、市场洋货充斥的现状,在孔祥熙、徐善祥等人的倡导下, 中央工业试验所( 以下简称“中工所”) 于 1930 年7月成立。成立后的中工所即以研究工业原料、改进制造技术、鉴定工业成品[2]为己任,谋求通过仿造、改良和创造[3]改变传统 工业技术的发展模式。油脂作为国民经济和国防工业的重要战略资源,被中工所化学组 列入科研与试验的重点。李尔康、顾毓瑔、顾毓珍、周行谦、孟心如、赵则优、王善政、郑粟铭等多位技术专家,先后在其设立的特种、制胰、油脂及汽车燃料等试验室开展油脂制取、 油脂利用、植物油制液体燃料等研究; 抗战全面爆发后,中工所西迁重庆,根据西南地区资源也开展了一系列技术改良和应用研究。

  关于中工所的发展历程及其技术活动、我国油脂工业发展历程以及抗战时期燃料工 业发展,学界已有不少专门研究。张柏春在 20 世纪 90 年代对中工所的机械工程试验及制造有过专题研究,此后赛光平、王俊明、赵正等对中工所的建立、发展及其科技成就进行 了进一步研究; 王瑞元、袁剑秋在其专著中对民国时期我国油脂工业发展形态做了综合考 察; 杜乐秀、赖伟、赵国壮、徐岚等则从抗战中国民政府对汽车燃料的管理、燃料供应短缺问题的解决方式等方面进行了多视角研究。① 以上研究,在中工所具体的油脂技术产生 过程特别是技术与时代的关系、解决燃料短缺问题中的作用等方面还留有可深入挖掘和 系统考察的空间。在前人研究的基础上,本文拟以中工所的油脂试验与应用研究为中心, 结合民国时期油脂工业技术发展的大背景,分析开展的油脂制取、油脂利用、植物油制液 体燃料等试验的技术特征,旨在阐明中工所对中国油脂技术发展和工业化历程的贡献。

  民国初期,植物油料和植物油出口在我国对外贸易中占据重要地位,出口额占商品出口总额的 10% 以上; 1928 年后,在我国出口商品中大豆和桐油先后成为出口额第一的商品,而其他油料也大宗出口[12],可见油料和油脂生产在当时国民经济中的重要性。但在油脂制取技术上,除沿海通商大埠少数榨油工厂利用机械设备进行生产外,广大内陆地区仍沿袭传统的生产方式,大部分油坊分散在乡村,所用榨床也多为旧式楔形横卧式榨床。时任中工所油脂试验室主任顾毓珍感叹: “……榨油技术,仍系数千年来世代相传之土法,非特产油效率低微,成品之品质亦不规一,更遑论精制! ”[12]为改变这一现状,自1935 年起中工所从抽提溶剂的选取及抽提设备设计着手,逐步开展相关试验研究,并于全面抗战时期进行了传统压榨技术的改良。

  油脂抽提法,需利用适当的溶剂将油籽中的油份逐渐溶解,而后回收溶剂并取得油 份。西方在 19 世纪末已利用该技术制取油脂,而当时我国尚无一家同类的工厂。

  1935 年5月,为保障燃料能源自给,国民政府全国经济委员会公路处会同全国公路交通委员会、中央大学工学院、江南汽车公司及中工所等机构成立棉籽油研究委员会,欲通过对植物的研究使植物油脂在柴油引擎中运用。中工所主要承担油脂抽提的研究。[13]王善政广泛收集国外技术资料,并在回顾技术发展历程的基础上对成熟工业生产中所需 6 种溶剂及其生产原理、常用的 16 种抽溶装置及其运行方式以及 7 类生产布局设计进行阐述,其中包括主要生产设备和工厂布局的设计图,为试验的开展和抽提机器的设计提供 了主要参考。①[14,15]李尔康等在中工所酿造试验室对抽提溶剂选择、抽提过程、抽提中温 度压力控制进行研究,并以大豆为原料,利用轻质汽油与酒精的混合物作溶剂,模拟实际生产过程开展小型抽提试验,抽提率达 90% 以上。[16]

  1937 年初,为加速油脂抽提技术的工厂化生产,在棉籽油研究委员会的资助下,中工 所进行了较大规模的抽提试验。试验分三个阶段进行: 第一阶段,分别以酒精、轻油、苯、 四氯化碳、醋酮为溶剂,对其抽油力、回收比例、所得棉籽油品质进行对比分析,综合考虑 经济效益与油品等因素后,确定“酒精处理,蒸馏,加水以湿,以苯抽提”[17]的溶剂选择; 第二阶段,特别针对油脂抽提机器的四个关键部分———抽提器、蒸馏器、冷凝器和溶剂储存器进行设计,并增加抽提器数量,使油料与溶剂产生对流,在提高出油效率的同时降低溶剂耗费。设计的抽提机器由南京和平铁工厂承造,同年 5 月完成实装; 第三阶段,以棉籽油为原料,在实装抽提机中进行半工厂式抽提试验。经过 42 小时的抽提,棉籽油出油效率达 92. 74% 。[18-20]

  中工所开展的油脂抽提试验,推动了相关工艺和设备的更新,但抗战全面爆发后,抽提机器并未搬迁至后方,溶剂也难获取,因此拟进行的其他油料抽提试验和工业化推广也就此搁置,殊为可惜。

  抗战时期,国外新式压榨机器难以输入,加之战时对油脂资源的急切需求,迁往大后 方的中工所将油脂制取的研究重点放在传统压榨技术的改良上。

  中工所在对西南地区土法榨油工坊进行调查后认为,技术改良的目标是获取准确的 压榨参数,快速提高各工坊的压榨效率。在顾毓珍的带领下,中工所的技术人员以可记录压力的小型水压机为压榨机械,分别对西南地区常见的棉籽、大豆、桐籽、菜籽、花生、芝 麻、蓖麻子等油料作物进行压榨试验,分析影响压榨效率的榨机压力、压榨时间、压榨温 度、油料湿度、油料含油量、籽粉细度等参数; 再通过对所得油脂的理化检测,得出不同原料各自的压榨参数。[21,22]关于油籽原料的湿度与产油率的定量关系很少见于书籍杂志, 各压榨工坊一般将其视为机密。在综合各试验的基础上,中工所进一步提出植物油籽压榨在湿度一定的条件下产油效率与压力、时间及动学粘度之间的数理关系,即油脂压榨效率公式,通过多次试验,得出棉籽、桐籽、菜籽、花生等油料的最优湿度应在 5% ~ 11% 、 7% ~ 9% 、7% ~ 11% 、6% ~ 8. 5% 。[23]

  压榨效率公式和压榨最优湿度的确定在当时突破了我国传统压榨技术单纯依靠经验的 发展方式,意义重大。基于此项成就,中工所从原料贮藏环境调整、蒸煮原料时间调整、压榨温度调整三个方面提出具体的改良措施: 首先,控制油籽原料贮藏的水分含量,以防过于潮湿而影响压榨的品质和产量; 其次,根据各油料的最佳压榨湿度,适当延长蒸煮时间,使原料含有适宜的水分; 再次,在实验油坊的榨床两侧各添置一套加温设备,以提高产油率。[23]

  土法榨油技术的改良受到国民政府的高度重视。农本局、财政部贸易委员会特别注 重中工所的工作。财政部贸易委员会特设桐油研究所并委托中工所开展土法榨油改良的系统试验; 农本局与中工所于 1940 年 3 月举办榨油训练班,开展两个多月的集中培训,共 毕业学员 13 人,并派毕业学生分赴四川合川上游各乡镇,推广指导榨油技术。此外,中工所还派遣专业技术人员前往川东等产油区域进行实地调研和技术指导,刊印土法榨油技术改良手册分发各地油坊,还在合川县上游的蒲溪镇、大河壩以及壁山县等地设立实验榨油厂。除技术指导外,中工所在旧式榨床的基础上设计出新型“双效式楔形木榨”,在川渝等地推广。土法榨油技术的改良能够提高 5% 左右产油量,部分缓解了战时对油脂资源的迫切需求。[12,24]

  为改变国内技术落后、制皂不规范、油脂衍生品从国外进口的局面,中工所在肥皂 ( 家用肥皂、丝用肥皂) 以及油脂硬化、植物油制造润滑油和磺酸化油等领域进行技术规 范化的探索。

  1937 年之前,我国共有肥皂生产工厂 154 家,生产能力初具规模。然而除上海、天津少数大型制皂工厂外,多数小厂因生产技术不精,大多存在质量问题。时任中工所化学组 主任李尔康因之记叙:

  国内制皂工厂,无地无之。顾其出货虽多,而行销不畅,成因制造未精,出品难期 完好。又或为成本所限,未及谋改进之方,执此以与外货争衡,相差何啻霄壤![25]

  为提高制皂生产水平,1932 年中工所设立制胰试验室,计划对洗衣皂、香皂、特种肥 皂、皂用油脂资源扩展、甘油回收等进行研究。受战事及实际需求等影响,该试验计划并 未完全实施,但仍在家用肥皂和特种肥皂方面进行了试验研究和技术示范。

  中工所制胰试验室研发制皂技术的目的在于规范技术流程、确定原料配比以提高成品质量,为此购置了各类制皂设备,在所内开展模拟生产。为使技术规范更具操作性, 制胰试验室在综合考察制皂所需原料和填充料的基础上,分别提出热法、冷法制造洗衣 皂和香皂的具体操作流程,并就小工厂的质量问题对各核心步骤的温度控制、反应物状态 与反应时间控制进行分析。例如: 在热法制皂中,为解决成品游离碱或游离脂肪酸过多的 问题,以蒸汽加热取代工厂常用的直接加热方法,并通过分次加入碱液的方式,使油脂与 碱充分反应; 在冷法制皂中,为使这一少用于实际的方法拥有标准技术流程,提出适宜与 碱液反应的熔后油脂温度,以及反应后皂基适宜的成品状态; 在香皂制造中,为提高成品 的去污力和纯净度,提出多次盐析的方法,以去除皂基中的游离碱、甘油和杂质。在此基 础上,以示例的形式提出洗衣皂、白玉肥皂、黄色肥皂、蓝色斑纹肥皂、白色香皂和玫瑰香皂等产品的原料配比和加入次序,作为实际生产的参考。[26]除对日常家用的洗衣皂和 香皂进行试制外,制胰试验室还对市场常见的洗发皂、剃须皂和消毒皂等其他家用肥皂的 生产工艺和原料配比进行研究。

  抗战中,由于天津、上海等主要肥皂产地相继沦陷,绝大部分肥皂工厂或毁于炮火,或 被迫停产,国内肥皂产量锐减至战前的十分之一。为解决后方肥皂生产原料、设备自给及 工厂建设等问题,中工所孟心如、赵则优在前期研究的基础上,将日用肥皂的生产原料、生产设备、生产方法、产品分析及工厂设计等相关内容结集成书———《日用皂工业》,于 1939 年 8 月出版。[27]

  丝用皂是丝绸加工中洗涤原料和成品所使用的特殊肥皂,品质优劣与否直接影响丝 绸成品的质量,而合规的丝用皂需具有“容易溶解,容易洗去,须呈中和,原料适当”[28]的 特点。当时国内多家肥皂生产厂家出品的丝用肥皂品质较差,尤其是杂质过多,洗涤后的丝绸光泽不足、品质脆弱。中工所组织萧坚白、周行谦、王箴等技术专家开展对丝用肥皂 的专项研究。通过对比国内外丝用皂的成分构成、油脂原料选用、溶解度发现,国内丝用 皂质量不高的症结在于原料选用不良、制皂程序不当,为此中工所开展了两方面的改良: 一是选取国外丝用皂所用橄榄油以及与橄榄油成分相似的花生油作为原料,提高丝用皂 的溶解度; 二是制皂中采用分次加入卤液热煮,并增加盐水盐析次数,以提高反应程度,减少成品中游离脂肪酸和游离碱。改良后的丝用皂无论在质量还是成本都远优于其他国内 丝用皂,甚至与国外的“力士皂”和“FAB 皂”伯仲难分。[29]各丝绸染炼厂试用后,好评如潮,纷纷索要成品和制皂方法,对我国丝绸业的发展产生了积极作用。

  1935 年始,中工所对工业生产常用的硬化油、润滑油、磺酸化油的生产技术也进行了 研究,以期尽快改变我国油脂利用技术的落后局面。

  油脂硬化是指将液体油脂在催化剂的作用下通入氢气使之成为固体脂肪的过程。硬 化后的油脂不仅易于保存,而且可作为原料广泛运用于其他工业。国内的南开大学、沪江 大学等机构虽曾成功进行棉籽油、茶油、青油的硬化研究,但工业生产所需的硬化油几乎 全部依赖进口。为此,中工所制胰试验室开展了专门研究。周行谦以碳酸铜和碳酸镍混 合物为原料,通过干法和湿法制取了蚁酸镍混合物作催化剂; 同时建立小型试验装置,以 豆油、茶籽油为原料多次进行硬化试验,就油脂在不同氢化时段熔点、碘价、形态等变化进 行分析,得到油脂氢化时间与其碘价变化的关系。[30]为向工业界普及,张辅忠在国外油脂 硬化生产技术的基础上,对 3 种主要催化剂的原料选择、制造流程、使用方式以及 6 种氢 化设备的装置结构、运行方式及运行效率进行了分析和介绍。①[31]

  植物油试制润滑油的原理,是将植物油中半干性油经氧化后提高其黏度以取代润滑 油。尽管国内张克忠、张德惠、高露德等曾以大豆油、花生油为原料进行过氧化试验,美国也有学者进行了菜籽油氧化研究,但都难以在我国直接用于工业生产。在大豆油氧化试 验的基础上,顾毓珍、郑粟铭等在特种试验室开展了系统的植物油制造润滑油代用品的开 发。为测定不同试验条件下的油脂状态,中工所以棉籽油、菜籽油、大豆油、茶籽油为试验 对象,在恒定空气吹入速率下,改变氧化时间和反应温度变量,测定不同氧化时间油脂色 泽、比重、粘度、着火点、燃烧点、冷凝点、酸度和腐蚀性等理化性质,得出各油料性质与试 验条件的关系,获取了重要的试验数据。此外,中工所还将试验所得的氧化油与美国制定 的润滑油标准进行比对,分析实际生产中氧化油替代润滑油的可行性。这项研究为战时 大后方润滑油代用品的生产提供了珍贵的试验数据。[32,33]

  植物油经与硫酸反应后,产生的磺酸化油( 亦称乳化油) 广泛运用于染色、毛纺及制 革工业。植物油制磺酸化油的试验在全面抗战时开展,主要是应对产品来源断绝的困境。中工所以蓖麻油制土耳其红油的磺酸化反应为例,从油脂分子结构入手,发现“任何含二 烯十八脂及烯十八脂之植物油亦均可制成乳化油”[34]。中工所以麻油为原料,对加酸、洗 油以及中和等流程进行研究,确定了酸液浓度、加酸温度控制、洗油中和溶液配比等关键 环节的主要数据。[34]抗战期间,中工所油脂研究室共生产磺酸化油 1398 斤。[5]

  中工所在油脂利用上所做的规范制定与技术探索,意将相关生产技术应用并示范于 实际生产。在肥皂试制中,通过对生产流程的制定和对生产原料配比,针对性地解决成品 质量问题; 在硬化油、氧化油和磺酸化油的研究中,则通过重复试验着重记录产物在不同 反应条件下的状态变化,获取大量试验数据,并从中寻找规律性认识和技术工业化的可 能。以上试验多为提高油脂利用技术、提振国民经济服务,而其中对试验规律性、规范性 的自觉把握则是民国时期工业试验研究从原理验证向注重获取一手数据的转变。

  作者简介: 王鹏飞,1989 年生,山西太原人,博士研究生,主要研究科技与社会、中国科学史。杨小明,1964 年 生,甘肃武都人,教授、博士生导师,主要研究中国科技史、纺织科技史。

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