分子蒸餾技術及其應用
作者：未知 來源：未知 2021-08-25 瀏覽量：140
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分子蒸餾技術及其應用
分子蒸餾技術及其應用進展摘要分子蒸餾技術是近年來發展起來的一種新型的液-液分離技術，現已在很多領域得到廣泛的應用。綜合評述了分子蒸餾的基本原理、過程技術特點、常用設備及其優缺點。工業應用及過程模型化的研究進展。并對分子蒸餾過程技術的前景提出了一些展望。
前言分子蒸餾[1]又叫短程蒸餾，是一種在高真空下，利用不同物質的分子運動平均自由程的差異來實現分離的液-液分離技術。該技術具有蒸餾溫度低、受熱時間短、分離程度高、系統能耗低等特點，并且該分離技術為不可逆過程，不存在沸騰及鼓泡現象。因此適用于分離高沸點、熱敏性和易氧化的物質，能解決常規蒸餾技術所不能解決的問題。目前已廣泛地應用于國民經濟的各個行業中。
1 分子蒸餾過程技術的基本原理和特點分子蒸餾是指在高真空的條件下，液體分子受熱從液面逸出，利用不同分子平均自由程差導致其表面蒸發速率不同而達到分離的方法[2]。分子分離過程如圖所示，經過預熱處理的待分離料液從進口沿加熱板自上而下流入，受熱的液體分子從加熱板逸出。由于冷凝和蒸發表面的間距一般小于或等于蒸發分子的平均自由程，逸出分子可以不經過分子碰撞而直接到達冷凝面冷凝，后進入輕組分接受罐。重組分分子由于平均自由程小，不能到達冷凝板，從而順加熱板流入重組分接收罐中，這樣就實現了輕重組分的分離[3]。
2 分子蒸餾的基本過程根據分子蒸餾的基本理論，可將蒸餾過程分解為以下5個步驟：①物料在加熱面上形成液膜；②分子在液膜表面上自由蒸發；③分子從加熱面向冷凝面的運動；④輕分子在冷凝面上被捕獲，重分子返回物料液膜；⑤餾出物和殘留物的收集。
3 分子蒸餾設備和特點
3.1 設備組成一套完整的分子蒸餾設備主要由脫氣系統、進料系統、分子蒸餾器、餾分收集系統、加熱系統、冷卻系統、真空系統和控制系統等部分組成，其工藝流程如圖2 所示。脫氣的目的是排除物料中所溶解的揮發性組分，以免蒸餾過程中發生爆沸。真空系統是保證分子蒸餾過程進行的前提，合適的真空設備和嚴格的密封性分子蒸餾裝置的一個技術關鍵，為保證所需要的真空度，一般采用二級或二級以上的泵聯用，并設液氮冷阱以保護真空泵。根據形成蒸發液膜的不同，分子蒸餾器可分為：降膜式分子蒸餾器、刮膜式分子蒸餾器和離心式分子蒸餾器，由于降膜式的傳熱、傳質效率差，已逐漸被淘汰，代之以刮膜式或離心式。由于離心力能強化成膜，物料停留時間短且液膜薄而均勻，降低了傳質阻力，且加熱和冷卻大多為內置式，因此，離心式分子蒸餾器的分離效率及生產能力較高，但其結構復雜、相對投資比較大，而轉子刮膜式結構相對較為簡單，操作參數容易控制， 且價格相對低廉，因此， 現在的試驗室及工業生產中， 大部分都采用該裝置。
3.2 蒸餾器設計原則 分子蒸餾器是整套設備的核心， 集中體現了分子蒸餾技術的關鍵。其設計應當滿足以下條件： ① 高真空度： 殘余氣體的分壓須很低， 以保證蒸發分子在蒸發空間盡可能不與其他分子碰撞； ② 冷凝面與蒸發面的間距小于蒸發分子的平均自由程； ③ 為防止返蒸現象（已冷凝分子重新蒸發）， 蒸發面與冷凝面的溫度差至少在50～100℃之間； ④ 被蒸餾物料在蒸發面應能形成厚度均勻的薄膜， 以提高蒸發效率。即盡可能均勻加熱， 因為局部過分加熱導致的物料分解將會使真空度明顯降低， 致使蒸發暫停； ⑤在分子蒸餾中， 僅液體表面與蒸發相關， 因此， 在蒸發面要有不斷出現的新液面。
3.3 刮膜式分子蒸餾裝置 圖3 是刮膜式分子蒸餾裝置，是一種新型的設備，其優點是：液膜厚度小， 受熱時間短，熱分解的危險性較小，蒸餾過程可以連續進行，生產能力大。缺點是：很難保證所有的蒸發表面都被液膜均勻覆蓋；液體流動時常發生翻滾現象，所產生的霧沫也常濺到冷凝面上。
3.4 分子蒸餾的特點 與傳統的普通蒸餾相比， 分子蒸餾具有以下特點： （1） 物料分離建立在物質揮發度不同的基礎上，分離操作在低于物質沸點下進行， 對于采用溶劑萃取后液體的脫溶有效； （2） 普通蒸餾是蒸發與冷凝的可逆過程， 液相和氣相間可以形成動態平衡， 而分子蒸餾過程中， 從蒸發表面逸出的分子直接飛射到冷凝面上， 中間不與其他分子發生碰撞，理論上沒有返回蒸發面的可能性，所以分子蒸餾是不可逆的； （3） 普通蒸餾雖然也可以進行減壓蒸餾， 但真空度不是很高， 物料中溶解的氣體會導致物料有鼓泡、沸騰等現象， 而分子蒸餾是在很低壓力下進行的液膜表面上的自由蒸發， 是非沸騰下的蒸發過程； （4） 分子蒸餾的操作真空度高。分子蒸餾是高真空下的短程蒸餾， 蒸發面與冷凝面的距離小于輕分子的平均自由程，蒸發的輕分子不與其他分子碰撞、幾乎沒有壓力降就達到冷凝面，更有利于進行物料的分離； （5） 蒸餾溫度比普通蒸餾低。常規蒸餾在沸點溫度進行， 而分子蒸餾在極高真空度下操作， 可以對常規蒸餾不能分離的熱穩定性差的物質進行蒸餾； （6） 物料受熱時間短。在蒸發過程中， 混合物料呈薄膜狀， 并被定向推動， 液面與加熱面的面積幾乎相等， 使得液體在分離器中停留時間很短（一般幾秒至幾十秒）， 避免了因受熱時間長造成混合物內某些組分分解或聚合的可能， 更適宜對一些高沸點、熱敏性及易氧化物料進行有效的分離； （7） 分子蒸餾的分離程度更高。兩組分混合物進行分離時， 以相對揮發度表示其分離能力。 （8） 分子蒸餾利用各分子平均自由程不同進行分離， 分餾過程是物理過程， 分離操作不使用有毒的有機溶劑， 可得到純凈安全的產物。
4 分子蒸餾技術的應用進展
分子蒸餾是一項應用廣泛的高科技分離技術， 早在20 世紀60 年代國外一些工業比較發達的國家就已經開展分子蒸餾技術的研究與開發， 我國在20 世紀90年代才開展刮膜式分子蒸餾裝置和工藝的應用研究。由于分子蒸餾真空度高， 操作溫度低和受熱時間
分子蒸餾儀 提取純化醫用麻植物油多年經驗短，能極好地保證物料的天然品質， 不僅能有效地去除液體中的有機溶劑和臭味劑等低分子物質， 而且可以分離沸點相近而相對分子質量有差異的混合物， 因此可被廣泛應用于科學研究和工業化生產中，下面主要介紹一下在油脂化工中的應用。
4．1維生素提取分離、精制 隨著人們生活水平的提高，人們對保健食品的需求越來越大。維生素是維持生命所需的有機物質，它是保持人體各項基本功能的主要元素，因此對人體具有極其重要的作用。天然維生素具有熱敏性、沸點高等特點用普通的蒸餾方法很容易使其分解，利用分子蒸餾可以避免常規蒸餾帶來的問題得到高濃度的產品。國內外許多人對此作出研究．早在1938年Hick—man K．C．D等[4]利用分子蒸餾溫度低等特點從鱈肝油中分離提取維生素D．并研究了從旗魚和鱸魚中提取的維生素D，1960年Holl6 J，Kulllcz等[5]利用分子蒸餾從濃縮魚肝油中提煉維生素A。Manin Fischer等[6]把維生素D3和原維生素D3的含量由30％提高到75％以上只需經過一次蒸餾。維生素k1是2一甲基一3一植基一1．4萘醌．它參加肝臟的凝血酶和其他凝血因子的合成閆廣等利用分子蒸餾技術通過改變蒸餾參數．得到不同純度的維生素k1餾出物，其高純度達了93％以上。 4. 2 不飽和脂肪酸的分離純化 不飽和脂酸是人體必需脂肪酸具有很高的藥用和營養價值。不飽和脂肪酸在高溫下易分解易氧化。采用分子蒸餾技術分離多不飽和脂肪酸時，飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸蒸出，而雙鍵較多的不飽和脂肪酸在蒸餾溫度低于沸點溫度下后蒸出，從而可達到富集多不飽和脂肪酸的目的。EPA和DHA分別是二十碳五烯酸和二十碳六烯酸。為多不飽和脂肪酸對大腦機能有活化作用。魚油中含有2～16％EPA和DHA5。36％是EPA和DHA的佳來源。為獲得高純度的EPA和DHA，近年來人們利用分子蒸餾法精制魚油，1999年張相年[7]和李兆年等[8]魚油中對高不飽和脂肪酸的工業化研究中可以得到EPA和DHA含量在70％以上的產品。2003年Cados F．T0r．res等[9]在先純化二十碳五烯酸甘油酯和二十碳六烯酸甘油酯制取二十碳五烯酸和二十碳六烯酸的過程中利用分子蒸餾去除產物混合物種的乙酸酯。Liang等[10]利用分子蒸餾技術從魷魚內臟油乙基酯提取EPA和DHA，把EPA的含量從9．10％提高到15．15％．把DHA的含量從14．17％提高到34．17％：Himaki Konishi等[11]還把分子蒸餾技術用于不飽和脂肪酸的除臭．處理后的不飽和脂肪酸沒有臭味。一亞麻酸是十八碳三烯酸，為多不飽和脂肪酸，對人體有多種生理調節功能。鄭鎪等[12]在蒸餾溫度90—105℃，操作壓力0．5—1．8Pa．進料溫度60℃，進料速度90—100ml，轉子轉速150r，min下經四級分子蒸餾處理，將原料僅α一亞麻酸含量由67．15％提純至82．3％。
5 結束語 分子蒸餾是高真空下的短程蒸餾， 適用于高沸點、熱敏、高黏度物質的提取、分離和精制， 其大特點是能盡量保持食品的天然性。盡管分子蒸餾較常規蒸餾具有許多優點， 但也有使用局限性， 當混合物內各組分的分子平均自由程相近時， 例如同分異構體， 則可能分離不開， 因此主要用于不同組分、分子平均自由程相差較大的混合物的分離。分子蒸餾作為一種高效、溫和的分離技術， 有利于清潔生產和環境保護， 能夠滿足人們對高品質、綠色產品的追求， 在各行業中具有廣泛的應用前景。
前言分子蒸餾[1]又叫短程蒸餾，是一種在高真空下，利用不同物質的分子運動平均自由程的差異來實現分離的液-液分離技術。該技術具有蒸餾溫度低、受熱時間短、分離程度高、系統能耗低等特點，并且該分離技術為不可逆過程，不存在沸騰及鼓泡現象。因此適用于分離高沸點、熱敏性和易氧化的物質，能解決常規蒸餾技術所不能解決的問題。目前已廣泛地應用于國民經濟的各個行業中。
1 分子蒸餾過程技術的基本原理和特點分子蒸餾是指在高真空的條件下，液體分子受熱從液面逸出，利用不同分子平均自由程差導致其表面蒸發速率不同而達到分離的方法[2]。分子分離過程如圖所示，經過預熱處理的待分離料液從進口沿加熱板自上而下流入，受熱的液體分子從加熱板逸出。由于冷凝和蒸發表面的間距一般小于或等于蒸發分子的平均自由程，逸出分子可以不經過分子碰撞而直接到達冷凝面冷凝，后進入輕組分接受罐。重組分分子由于平均自由程小，不能到達冷凝板，從而順加熱板流入重組分接收罐中，這樣就實現了輕重組分的分離[3]。
2 分子蒸餾的基本過程根據分子蒸餾的基本理論，可將蒸餾過程分解為以下5個步驟：①物料在加熱面上形成液膜；②分子在液膜表面上自由蒸發；③分子從加熱面向冷凝面的運動；④輕分子在冷凝面上被捕獲，重分子返回物料液膜；⑤餾出物和殘留物的收集。
3 分子蒸餾設備和特點
3.1 設備組成一套完整的分子蒸餾設備主要由脫氣系統、進料系統、分子蒸餾器、餾分收集系統、加熱系統、冷卻系統、真空系統和控制系統等部分組成，其工藝流程如圖2 所示。脫氣的目的是排除物料中所溶解的揮發性組分，以免蒸餾過程中發生爆沸。真空系統是保證分子蒸餾過程進行的前提，合適的真空設備和嚴格的密封性分子蒸餾裝置的一個技術關鍵，為保證所需要的真空度，一般采用二級或二級以上的泵聯用，并設液氮冷阱以保護真空泵。根據形成蒸發液膜的不同，分子蒸餾器可分為：降膜式分子蒸餾器、刮膜式分子蒸餾器和離心式分子蒸餾器，由于降膜式的傳熱、傳質效率差，已逐漸被淘汰，代之以刮膜式或離心式。由于離心力能強化成膜，物料停留時間短且液膜薄而均勻，降低了傳質阻力，且加熱和冷卻大多為內置式，因此，離心式分子蒸餾器的分離效率及生產能力較高，但其結構復雜、相對投資比較大，而轉子刮膜式結構相對較為簡單，操作參數容易控制， 且價格相對低廉，因此， 現在的試驗室及工業生產中， 大部分都采用該裝置。
3.2 蒸餾器設計原則 分子蒸餾器是整套設備的核心， 集中體現了分子蒸餾技術的關鍵。其設計應當滿足以下條件： ① 高真空度： 殘余氣體的分壓須很低， 以保證蒸發分子在蒸發空間盡可能不與其他分子碰撞； ② 冷凝面與蒸發面的間距小于蒸發分子的平均自由程； ③ 為防止返蒸現象（已冷凝分子重新蒸發）， 蒸發面與冷凝面的溫度差至少在50～100℃之間； ④ 被蒸餾物料在蒸發面應能形成厚度均勻的薄膜， 以提高蒸發效率。即盡可能均勻加熱， 因為局部過分加熱導致的物料分解將會使真空度明顯降低， 致使蒸發暫停； ⑤在分子蒸餾中， 僅液體表面與蒸發相關， 因此， 在蒸發面要有不斷出現的新液面。
3.3 刮膜式分子蒸餾裝置 圖3 是刮膜式分子蒸餾裝置，是一種新型的設備，其優點是：液膜厚度小， 受熱時間短，熱分解的危險性較小，蒸餾過程可以連續進行，生產能力大。缺點是：很難保證所有的蒸發表面都被液膜均勻覆蓋；液體流動時常發生翻滾現象，所產生的霧沫也常濺到冷凝面上。
3.4 分子蒸餾的特點 與傳統的普通蒸餾相比， 分子蒸餾具有以下特點： （1） 物料分離建立在物質揮發度不同的基礎上，分離操作在低于物質沸點下進行， 對于采用溶劑萃取后液體的脫溶有效； （2） 普通蒸餾是蒸發與冷凝的可逆過程， 液相和氣相間可以形成動態平衡， 而分子蒸餾過程中， 從蒸發表面逸出的分子直接飛射到冷凝面上， 中間不與其他分子發生碰撞，理論上沒有返回蒸發面的可能性，所以分子蒸餾是不可逆的； （3） 普通蒸餾雖然也可以進行減壓蒸餾， 但真空度不是很高， 物料中溶解的氣體會導致物料有鼓泡、沸騰等現象， 而分子蒸餾是在很低壓力下進行的液膜表面上的自由蒸發， 是非沸騰下的蒸發過程； （4） 分子蒸餾的操作真空度高。分子蒸餾是高真空下的短程蒸餾， 蒸發面與冷凝面的距離小于輕分子的平均自由程，蒸發的輕分子不與其他分子碰撞、幾乎沒有壓力降就達到冷凝面，更有利于進行物料的分離； （5） 蒸餾溫度比普通蒸餾低。常規蒸餾在沸點溫度進行， 而分子蒸餾在極高真空度下操作， 可以對常規蒸餾不能分離的熱穩定性差的物質進行蒸餾； （6） 物料受熱時間短。在蒸發過程中， 混合物料呈薄膜狀， 并被定向推動， 液面與加熱面的面積幾乎相等， 使得液體在分離器中停留時間很短（一般幾秒至幾十秒）， 避免了因受熱時間長造成混合物內某些組分分解或聚合的可能， 更適宜對一些高沸點、熱敏性及易氧化物料進行有效的分離； （7） 分子蒸餾的分離程度更高。兩組分混合物進行分離時， 以相對揮發度表示其分離能力。 （8） 分子蒸餾利用各分子平均自由程不同進行分離， 分餾過程是物理過程， 分離操作不使用有毒的有機溶劑， 可得到純凈安全的產物。
4 分子蒸餾技術的應用進展
分子蒸餾是一項應用廣泛的高科技分離技術， 早在20 世紀60 年代國外一些工業比較發達的國家就已經開展分子蒸餾技術的研究與開發， 我國在20 世紀90年代才開展刮膜式分子蒸餾裝置和工藝的應用研究。由于分子蒸餾真空度高， 操作溫度低和受熱時間
分子蒸餾儀 提取純化醫用麻植物油多年經驗短，能極好地保證物料的天然品質， 不僅能有效地去除液體中的有機溶劑和臭味劑等低分子物質， 而且可以分離沸點相近而相對分子質量有差異的混合物， 因此可被廣泛應用于科學研究和工業化生產中，下面主要介紹一下在油脂化工中的應用。
4．1維生素提取分離、精制 隨著人們生活水平的提高，人們對保健食品的需求越來越大。維生素是維持生命所需的有機物質，它是保持人體各項基本功能的主要元素，因此對人體具有極其重要的作用。天然維生素具有熱敏性、沸點高等特點用普通的蒸餾方法很容易使其分解，利用分子蒸餾可以避免常規蒸餾帶來的問題得到高濃度的產品。國內外許多人對此作出研究．早在1938年Hick—man K．C．D等[4]利用分子蒸餾溫度低等特點從鱈肝油中分離提取維生素D．并研究了從旗魚和鱸魚中提取的維生素D，1960年Holl6 J，Kulllcz等[5]利用分子蒸餾從濃縮魚肝油中提煉維生素A。Manin Fischer等[6]把維生素D3和原維生素D3的含量由30％提高到75％以上只需經過一次蒸餾。維生素k1是2一甲基一3一植基一1．4萘醌．它參加肝臟的凝血酶和其他凝血因子的合成閆廣等利用分子蒸餾技術通過改變蒸餾參數．得到不同純度的維生素k1餾出物，其高純度達了93％以上。 4. 2 不飽和脂肪酸的分離純化 不飽和脂酸是人體必需脂肪酸具有很高的藥用和營養價值。不飽和脂肪酸在高溫下易分解易氧化。采用分子蒸餾技術分離多不飽和脂肪酸時，飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸蒸出，而雙鍵較多的不飽和脂肪酸在蒸餾溫度低于沸點溫度下后蒸出，從而可達到富集多不飽和脂肪酸的目的。EPA和DHA分別是二十碳五烯酸和二十碳六烯酸。為多不飽和脂肪酸對大腦機能有活化作用。魚油中含有2～16％EPA和DHA5。36％是EPA和DHA的佳來源。為獲得高純度的EPA和DHA，近年來人們利用分子蒸餾法精制魚油，1999年張相年[7]和李兆年等[8]魚油中對高不飽和脂肪酸的工業化研究中可以得到EPA和DHA含量在70％以上的產品。2003年Cados F．T0r．res等[9]在先純化二十碳五烯酸甘油酯和二十碳六烯酸甘油酯制取二十碳五烯酸和二十碳六烯酸的過程中利用分子蒸餾去除產物混合物種的乙酸酯。Liang等[10]利用分子蒸餾技術從魷魚內臟油乙基酯提取EPA和DHA，把EPA的含量從9．10％提高到15．15％．把DHA的含量從14．17％提高到34．17％：Himaki Konishi等[11]還把分子蒸餾技術用于不飽和脂肪酸的除臭．處理后的不飽和脂肪酸沒有臭味。一亞麻酸是十八碳三烯酸，為多不飽和脂肪酸，對人體有多種生理調節功能。鄭鎪等[12]在蒸餾溫度90—105℃，操作壓力0．5—1．8Pa．進料溫度60℃，進料速度90—100ml，轉子轉速150r，min下經四級分子蒸餾處理，將原料僅α一亞麻酸含量由67．15％提純至82．3％。
5 結束語 分子蒸餾是高真空下的短程蒸餾， 適用于高沸點、熱敏、高黏度物質的提取、分離和精制， 其大特點是能盡量保持食品的天然性。盡管分子蒸餾較常規蒸餾具有許多優點， 但也有使用局限性， 當混合物內各組分的分子平均自由程相近時， 例如同分異構體， 則可能分離不開， 因此主要用于不同組分、分子平均自由程相差較大的混合物的分離。分子蒸餾作為一種高效、溫和的分離技術， 有利于清潔生產和環境保護， 能夠滿足人們對高品質、綠色產品的追求， 在各行業中具有廣泛的應用前景。