分子蒸馏技术及其应用.docx

分子蒸馏技术及其应用摘 要分子蒸馏又称短程蒸馏，是一种新型的液液分离技术，与常规蒸馏相比具有许多优点，本文对分子蒸馏的基本原理、设备、特点以及在食品、医药、化工工业中的应用进行了阐述。 关键词：分子蒸馏、食品工业。 分子蒸馏是在高真空度下进行的非平衡蒸馏技术（真空度可达 001Pa），是以气体扩散为主要形式、利用不同物质分子运动自由程的差异来实现混合物的分离。由于蒸发面和冷凝面的间距小于或等于被分离物料的蒸气分子的平均自由程，所以也称短程蒸馏。由于分子蒸馏过程中。待分离物质组分可以在远低于常压沸点的温度下挥发，并且各组分的受热过程很短，因此分子蒸馏已成为对高沸点和热敏性物质进行分离的有效手段。目前已广泛应用于食品、医药、油脂加工、石油化工等领域，用于浓缩或纯化低挥发度、高分子量、高沸点、高黏度、热敏性、具有生物活性的物料。一、分子蒸馏的概念原理和过程1.1分子蒸馏的基本概念 分子有效直径：分子在碰撞过程中，两分子质心 的最短距离，即发生斥离的质心距离。分子运动自由程：指一个分子与其他气体分子相邻两次分子碰撞之间所走的路程。分子运动平均自由程：在一定的外界条件下，不同物质中各个分子的自由程各不相同。就某一种分子来说在某时间间隔内自由程的平均值称为平均自由程。12 分子蒸馏的基本原理 分子蒸馏的分离是建立在不同物质挥发度不同的基础上，其操作是在低于物质沸点下进行，当冷凝表面的温度与蒸发物质的表面温度有差别时就能进行分子蒸馏。根据分子运动理论，液体混合物中各个分子受热后会从液面逸出，不同种类的分子，由于其有效直径不同，逸出液面后直线飞行距离是不相同的。轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，若在离液面小于轻分子平均自由程而大于重分子平均自由 程处设置一冷凝面，使得轻分子落在冷凝面上被冷凝，而重分子则因达不到冷凝面，返回原来液面这样就将混合物分离了，分子平均自由程是分子蒸馏基本理论的核心。1.3分子蒸馏的基本过程 根据分子蒸馏的基本理论，可将蒸馏过程分解为以下5个步骤：物料在加热面上形成液膜；分子在液膜表面上自由蒸发；分子从加热面向冷凝面 的运动；轻分子在冷凝面上被捕获，重分子返回物料液膜；馏出物和残留物的收集。二、分子蒸馏的特点21 设备组成一套完整的分子蒸馏设备主要由脱气系统、进料系统、分子蒸馏器、馏分收集系统、加热系统、冷却系统、真空系统和控制系统等部分组成， 其工艺流程。脱气的目的是排除物料中所溶解的挥发性组分，以免蒸馏过程中发生爆沸。真空系统是保证分子蒸馏过程进行的前提，合适的真空设备和严格的密封性是分子蒸馏装置的一个技术关键，为保证所需要的真空度一般采用二级或二级以上的泵联用，并设液氮冷阱以保护真空泵。根据形成蒸发液膜的不同，分子蒸馏器可分为：降膜式分子蒸馏器、刮膜式分子蒸馏器和离心式分子蒸馏器，由于降膜式的传热、传质效率差，已逐渐被淘汰，代之以刮膜式或离心式。由于离心力能强化成膜，物料停留时间短，且液膜薄而均匀，降低了传质阻力，且加热和冷却大多为内置式，因此，离心式分子蒸馏器的分离效率及生产能力较高，但其结构复杂、相对投资比较大，而转子刮膜式结构相对较为简单，操作参数容易控制，且价格相对低廉，因此，现在的试验室及工业生产中，大部分都采用该装置。22 蒸馏器设计原则分子蒸馏器是整套设备的核心，集中体现了分子蒸馏技术的关键。其设计应当满足以下条件： 高真空度：残余气体的分压须很低，以保证蒸发分子在蒸发空间尽可能不与其他分子碰撞；冷凝面与蒸发面的间距小于蒸发分子的平均自由程；为防止返蒸现象（已冷凝分子重新蒸发），蒸发面与冷凝面的温度差至少在50100之间；被蒸馏物料在蒸发面应能形成厚度均匀的薄膜，以提高蒸发效率。即尽可能均匀加热，因为局部过分加热导致的物料分解将会使真空度明显降低，致使蒸发暂停；在分子蒸馏中，仅液体表面与蒸发相关，因此，在蒸发面要有不断出现的新液面。 23 刮膜式分子蒸馏装置图是刮膜式分子蒸馏装置，其优点是：液膜厚度小，受热时间短，热分解的危险性较小，蒸馏过程可以连续进行，生产能力大。 缺点是：很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆盖；液体流动时常发生翻滚现象，所产生的雾沫也常溅到冷凝面上。24 分子蒸馏的特点与传统的普通蒸馏相比，分子蒸馏具有以下特点：（1） 物料分离建立在物质挥发度不同的基础上，分离操作在低于物质沸点下进行，对于采用溶剂萃取 后液体的脱溶非常有效；（2）普通蒸馏是蒸发与冷凝的可逆过程，液相和气相间可以形成动态平衡，而分子蒸馏过程中，从蒸发表面逸出的分子直接飞射到冷凝面上，中间不与其他分子发生碰撞，理论上没有返回蒸发面的可能性，所以分子蒸馏是不可逆的；（3）普通蒸馏虽然也可以进行减压蒸馏，但真空 度不是很高，物料中溶解的气体会导致物料有鼓泡、沸腾等现象，而分子蒸馏是在很低压力下进行的液膜表面上的自由蒸发，是非沸腾下的蒸发过程；（4） 分子蒸馏的操作真空度高。分子蒸馏是高真空下的短程蒸馏，蒸发面与冷凝面的距离小于轻分子三、设备及其特点3.1 转子驱动马达 加热夹套 冷凝管 刮膜转子 冷凝水出口冷凝水入口 重组分收集瓶 进料器 冷阱 轻组分收集瓶 油扩散泵 真空泵。（1）真空泵的平均自由程，蒸发的轻分子不与其他分子碰撞、几乎没有压力降就达到冷凝面，更有利于进行物料的分离；（2）蒸馏温度比普通蒸馏低。常规蒸馏在沸点温度进行，而分子蒸馏在极高真空度下操作，可以对常规蒸馏不能分离的热稳定性差的物质进行蒸馏；（3）物料受热时间短。在蒸发过程中，混合物料呈薄膜状，并被定向推动，液面与加热面的面积几乎相等，使得液体在分离器中停留时间很短（一般几秒至几十秒），避免了因受热时间长造成混合物内某些组分分解或聚合的可能，更适宜对一些高沸点、热敏性及易氧化物料进行有效的分离；（4）分子蒸馏的分离程度更高。两组分混合物进行分离时，以相对挥发度表示其分离能力。常规蒸馏的相对挥发度 P1P2，分离能力只与组分的蒸气压之比有关，分子蒸馏的挥发度一般用下式表示：（M2M1）12式中：为分子蒸馏的相对挥发度；M1为轻分子相对分子质量，M2为重分子相对分子质量。因此，分子蒸馏的分离能力与被分离混合物的蒸气压和相对分子量都有关。两组分的蒸气压和分子量差别越大，其相对挥发度越大，越容易实现分离，由于 M2M1，所以，即对于两种方法均能分离的物质，分子蒸馏的分离度更高。（5）分子蒸馏利用各分子平均自由程不同进行分离，分馏过程是物理过程，分离操作不使用有毒的有机溶剂，可得到纯净安全的产物。四、影响分子蒸馏的因素41 影响分子蒸馏速度的因素在理想的分子蒸馏过程中，从蒸发表面逸出的分子全部凝集在冷凝面上，此时蒸馏速度应等于蒸发速度，但实际上由于物料性质、设备形式及操作条件等多种因素的影响， 分子蒸馏速度远小于理想值， 介于普通蒸馏与分子蒸馏之间。影响分子蒸馏速度的主要因素是温度和真空度， 蒸馏速度随着温度和真空度的升高而上升，因此对热稳定性良好的物质，在真空温度一定时，升高温度可加速蒸馏过程，实际应用中预算蒸发处理量时，需引入校正系数。42 影响分子运动平均自由程的因素分子运动平均自由程公式：mVmf，其中m是分子运动平均自由程，Vm是分子平均运动速度，f是分子碰撞频率。由热力学原理，f 2姨 Vmd2PKT，d是分子平均直径，是分子的环境压强，T是环境温度，K是玻尔兹曼常数，因此，m KT（ 2 姨 d2P）， 从公式可知:温度、压力及分子的有效直径是影响分子运动平均自由程的主要因素。物质确定后，分子的有效直径一定，m与环境温度成正比，而与分子的环境压力成反比，当温度升高，分子运动加剧，分子运动自由程增加，但操作温度不能过高，以免样品的热分解。当温度恒定时，压力降低，单位体积的分子数减少，分子碰撞的频率降低，分子运动的平均自由程增加，因此，设备的真空度越高越有利于蒸发。此外，由于分子蒸馏是利用液膜受热使分子扩散而不同于沸腾蒸发，因而液膜厚度不能太厚，一般在几十到几百微米，在分子蒸馏装置的结构设计中，必须考虑液面内的传质效率及加热面与冷凝面的距离。43影响分子蒸馏的其他因素 混合物中含有的挥发性物质：如低沸点组分、溶解的空气、湿气，在进蒸馏器之前应除去，否则会引起暴沸并影响产品质量。混合物的黏度：黏度是影响分子运动平均自由程的因素之一，又是影响液膜厚度和停留时间的因素之一。液膜厚度：液相中的扩散速度是控制分子蒸发速度的主要因素，因此液膜层厚度应尽量薄。蒸馏温度：应根据被分离物质的热稳定性来选择合理的蒸馏温度，同时蒸发器内部冷热面要有足够的温度差， 一般为 70100。蒸馏系统的真空度：分子蒸馏必须在高真空度下进行以保证 蒸发分子的平均运动自由程大于等于冷热两面的间距。五、分子蒸馏技术的应用5.1分子蒸馏是一项应用广泛的高科技分离技术，早在20纪60年代国外一些工业比较发达的国家就已经开展分子蒸馏技术的研究与开发，我国20世纪90年代才开展刮膜式分子蒸馏装置和工艺的应用研究。由于分子蒸馏真空度高，操作温度低和受热时间短，能极好地保证物料的天然品质，不仅能有效地去除液体中的有机溶剂和臭味剂等低分子物质，而且可以分离沸点相近而相对分子质量有差异的混合物，因此可被广泛应用于科学研究和工业化生产中。52 食品工业 提取天然色素，采用降膜和离心 式分子蒸馏设备从棕搁油酯化物中提取高纯度类胡萝卜素。利用分子蒸馏提纯辣椒红色素的工艺进行了优化。制备高纯度食品添加剂：采用分子蒸馏的手段可以制得纯度为9096的单甘酯。分离纯化不饱和脂肪酸：采用分子蒸馏技术从尿素预处理的鱿鱼内脏油乙酯中，得到了浓度分别为390和656的 EPA和DHA。采用分子蒸馏技术从白芒花中得到色价1的不饱和脂肪酸。获取风味物质：分子蒸馏在较低的温度下进行，浓缩物还原性好，利用分子蒸馏技术提高了玫瑰精油的品质和得率。油脂脱酸、脱色：分子蒸馏技术在油脂加工中可用于降低毛油的高酸值，利用分子蒸馏将蚕蛹油的酸值由30（KOH）（mgg）降至2（KOH）（mgg）以下。5.3 医药工业 提取天然维生素：用分子蒸馏法可以从大豆油、小麦胚芽油等油脂及其脱臭物中提取高纯度维生素A、维生素 E，分别利用分子蒸馏技术对大豆脱臭馏出物进行分离，得到纯度为 657455的维生素E。则利用分子蒸馏技术得到纯度在 93以上的维生素 K1。分离中药提取液：葡萄籽油中不饱和脂肪酸、维生素E等活性物质含量很高，但很不稳定，在加工过程中很容易分解而失去 其原有功能，采用分子蒸馏对葡萄籽油 的精制进行了详细的研究。采用分子蒸馏装置提高了经过超临界萃取的当归根油品质。从油菜籽脱臭物中回收了生育酚和脂肪酸甲酯。采用分子蒸馏分离提纯了银杏叶中的聚戊烯醇。对分子蒸馏技术分离米糠活性物质二十八烷醇进行了研究。 5.4化工工业分子蒸馏可以脱除物质中的轻分子组分，在聚氨酯工业中用来除去有毒的异氰酸酯单体。在香精香料工业中对天然香精油进行脱臭、脱色和提纯，在制备过程中除去萃取工艺中残留的有机溶剂、催化剂以及产品中的杂质等。 此外，在石油化工中还用于再生废旧润滑油、分离石油渣及其类似物、提纯表面活性剂，制造高黏度润滑油等。六、结束语分子蒸馏是高真空下的短程蒸馏，特别适用于高沸点、热敏、高黏度物质的提取、分离和精制，其最大特点是能尽量保持食品的天然性。尽管分子蒸馏较常规蒸馏具有许多优点，但也有使用局限性，当混合物内各组分的分子平均自由程相近时，例如同分异构体，则可能分离不开，因此主要用于不同组分、分子平均自由程相差较大的混合物的分离。分子蒸馏作为一种高效、温和的分离技术，有利于清洁生产和环境保护，能够满足人们对高品质、绿色产品的追求，在各行业中具有广泛的应用前景。七、参考文献1 Chen F， Cai T， Zhao G， et al Optimizing conditions for thepurification of crude octacosanol extract from rice bran wax bymolecular distillation analyzed using response surface methodology2 Xu S， Xiang A， Ying A Purification of 3hydroxypropionitrileby wiped molecular distillation J Science in China SeriesB： Chemistry， 2004， 47 3 郑弢， 许松林 分子蒸馏提纯 亚麻酸的研究 J 化学工业 与工程， 2004， 21（1）：25284Lutisan L，CvengrosJ，