分子蒸馏技术在 天然产物和食品工业中的应用报告人: 傅 红一. 分子蒸馏产生的技术背景1. 液体混合物的蒸馏方式: w 常压蒸馏 真空蒸馏 (沸点差别) w 分子蒸馏(分子运动平均自由程差别)2. 分子蒸馏过程:w 两股分子流 液相 气相(蒸气分子流)气相 液相(消失或减少）3. 分子蒸馏是特殊的液—液分离技术特殊性:分子之间不碰撞蒸馏过程不平衡4.技术背景:真空间歇蒸馏降膜蒸馏蒸馏强制成膜蒸馏分子蒸馏强制成膜蒸馏装置刮膜式分子蒸馏装置二. 分子蒸馏技术基本原理1. 分子运动平均自由程一个分子在相邻两次分子碰撞之间所经过的 平均路程K T λ ＝ ×√2π d2p2. 影响分子平均自由程的因素w 温度（T） w 压力（P） w 分子有效直径（d）λ越大，分子间碰撞的机会越少,分子返 回液面的机率越小3. 分子蒸馏基本原理1.同种分子，λ越大，分子间碰撞的机会越少 ，部分蒸气分子不再返回液相，提高分离效 率2.不同直径分子的平均自由程有差异3.蒸发面与冷凝面间距必须小于轻分子的平均 自由程4. 实现分子蒸馏技术的工艺要求w 提高蒸馏温度,降低蒸馏压强w 被分离物质的分子量之差大于30w 蒸发面和冷凝面的距离按被分离物的要求设 计为几毫米至几厘米分子蒸馏分离原理5.分子蒸馏技术特点：w 操作温度低小于常压下沸点50-100℃ w 蒸馏压强低真空蒸馏5kPa,分子蒸馏0.1-100Pa w 受热时间短真空蒸馏数十分钟,分子蒸馏几秒或几十秒 w 分离程度及产品收率高是常规蒸馏的√M2/M1倍6.分子蒸馏技术的产品优势:w 产品品质高w 产品能耗小w 产品成本低w 有利于工业化规模的扩大三. 分子蒸馏技术发展简介1.发展简史 w 20年代,分离水银同位素,蒸馏高分子量油脂,蒸馏石 油精炼的残渣w 30年代,蒸馏鱼肝油中的VAw 30-60年代,发展的黄金时期(分离效率,密封及真空 技术,应用领域,分离成本)w 60年代以来,分子蒸馏器的开发制造2. 制造公司: w 德国GEA公司 美国POPE公司 日本神岗公司3.国内分子蒸馏技术发展: w 80年代末,生产硬脂酸单甘酯 w 90年代,北京化工大学新特科技公司 广州汉维公司等等工业化生产品种:精制鱼油 天然VE α-亚麻酸 二聚脂肪酸 异氰酸酯加成物 辣椒红色素 角鲨烯四.分子蒸馏的分离流程及设备物料输入系统加热系统冷凝系统内冷凝系统蒸发系统控制系统真空获得系统物料输出系统1. 流程的组成单元:2. 一级分子蒸馏流程图3. 分子蒸馏蒸发器1. 自由降膜式分子蒸馏器 w 设备简单,无转动密封圈,易操作 w 混合液膜较厚,蒸发速率慢,蒸发效率差2. 旋转刮膜式分子蒸馏器(最广泛) w 减少液膜的传热传质阻力,提高蒸发速率和分离效率 w 结构相对复杂,动密封要求相对较高刮膜式分子蒸馏器结构(1)刮膜式分子蒸馏器结构(2)3. 机械离心式分子蒸馏器 w 液膜薄,蒸发效率高,生产能力大,蒸发面与冷凝面间 距可调 w 结构复杂,工业化推广受到限制五. 分子蒸馏技术的参数模型1.液膜厚度(关键因素) δ＝（3μ2Re/4ρ2g）1/3 w 蒸发器长度、周边持液量、物料粘度和成膜 受力强度2.停留时间 Τ＝f(L,v,γ,г,G) w 加热面长度、刮板速度、物料粘度、周边持 液量和要求的产量3.蒸发速率 W＝138.4×P×(√M／T) W＝15.4 ×PM／Tw 蒸气压力、蒸发温度和相对分子质量4.物料的热分解 E＝10×P×τ×Cw 操作温度、操作压力和停留时间六. 分离过程的影响因素1.对蒸发效率的影响因素： w 系统压力 w 冷凝器温度 w 蒸发器与冷凝器的配制 w 进料温度 w 进料量2.对分离效率的影响因素： w 液膜厚度 w 蒸发压力 w 蒸发温度及冷凝温度 w 初始进料温度 w 持液量 w 刮膜速度 w 停留时间 w 惰性气体浓度及易挥发组分浓度1.分离因数αij：两个组分i ,j 在残留物Y（重相）的摩尔分率的比值除以在馏 出物X（轻相）的摩尔分率的比值, 它代表了分子蒸馏的分离能 力 。
αij还等于i,j 组分的分离系数之比2. 分离系数N：组分在残留物和馏出物中的比值N 或αij偏离1的程度越大，系统得到有效分离的程度越大 例: 一级分子蒸馏富集鱼油ω-3脂肪酸最 佳工艺条件的确立w 分子蒸馏法主要是根据鱼油中脂肪酸碳链长 度的不同，在高真空条件下进行液相分离， 降低了待分离物的沸点，缩短分离时间，将 鱼油脂肪酸分成以长碳链不饱和脂肪酸，主 要是ω－3脂肪酸为主的重相和碳链数目为14 、16、18脂肪酸为主的轻相，从而实现以 EPA和DHA为主要成分的重相富集工艺参数：蒸馏温度、蒸馏压力、进料流量（1）蒸馏温度对富集效果的影响0.5Pa: 100℃，105 ℃， 110 ℃， 115 ℃， 120 ℃， 125 ℃ ,130℃5Pa: 105℃，110 ℃， 120 ℃， 130 ℃ * （2）蒸馏压力对富集效果的影响100℃：0.1Pa110℃：3Pa、5Pa、10Pa、20Pa、30Pa120℃：10Pa、15Pa、20Pa 125℃：5Pa、10Pa、15Pa、20Pa 135℃：5Pa 、 25Pa*（3）进料流量对富集效果的影响110℃,10Pa: 0.5g/min, 1.0g/min. 1.5g/min120℃,15Pa: 0.5g/min, 1.0g/min, 1.5g/min图3-2-2 0.5Pa时蒸馏温度对分离因数和重相得率的影响图3-3-2 5Pa时蒸馏温度对分离因数和重相得率的影响蒸馏温度对富集效果的影响:1.在分子蒸馏压力为0.5Pa至5Pa范围内，蒸馏温度以 110℃比较合理。
2.真空度大，但蒸馏温度过低，会影响碳链长度短于 C20的脂肪酸从混合物液面上逃逸，降低分离效果蒸馏温度过高，导致高不饱和脂肪酸的氧化聚合，而 且部分碳链长度大于C20的脂肪酸会蒸馏到轻相中， 使重相得率降低，其中的高不饱和脂肪酸含量降低 ，不能得到满意的分离效果应根据具体的分离要求确定经济而合理的工艺参数3. 当蒸馏温度一定时,蒸馏压力过低影响分离效果 它的典型特征是重相得率相对较低，而且各类脂肪 酸在重相和轻相中的含量基本相同当分子蒸馏压力在合适的范围内时，分离效果较 好随着温度的升高或压力的增加，分子蒸馏的轻相 得率增加，重相得率相对减少当分子蒸馏压力较高，轻相很少从原料中被分离 ，重相得率高，而各类脂肪酸在重相和轻相中含量基 本相同图3-4-2 110℃蒸馏压力对分离因数和重相得率的影响图3-5-2 120℃时蒸馏压力对分离因素和重相得率的 影响图3-6-2 125℃时蒸馏压力对分离因素和重相得率的影响蒸馏压力对富集效果的影响:1. 各温度点必须对应不同的蒸馏压力，当110℃，10Pa时；120℃，15Pa时；125℃，20Pa时，分离效果较好 2. 各温度点的分离效果存在一定的差别。
110℃，10Pa时，分离因数最大，重相得率 较高，分离效果最好图3-7-2 110℃10Pa进料流量对分离因数和重相得率的影响图3-8-2 120℃15Pa进料温度对分离因数和重相得率的影响进料流量对富集效果的影响:1. 进料流量的增加，使C16:0的分离系数越来越 趋近于1, 因此极大地影响到DHA对C16:0的分 离因数α, 降低分离效果2. 进料流量的增加，使重相得率增加多级分子蒸馏方法鱼油乙酯 —级重相 二级重相 三级重相w三级分子蒸馏富集鱼油ω－3脂肪酸三级分子蒸馏工艺条件w二级分子蒸馏富集鱼油ω－3脂肪酸二级分子蒸馏工艺条件进进料流量 蒸馏馏温度 蒸馏压馏压 力(g/min) (℃) (Pa)一级级分子蒸馏馏 0.5 110 15 二级级分子蒸馏馏 0.5 120 15 三级级分子蒸馏馏 0.5 110 10进进料流量 蒸馏馏温度 蒸馏压馏压 力(g/min) (℃) (Pa) 一级级分子蒸馏馏 0.5 110 10二级级分子蒸馏馏 0.5 110 5-10多级分子蒸馏鱼油和尿素包合鱼油的脂肪酸组成比较 原料鱼油 三级分子蒸馏鱼油 二级分子蒸馏鱼油C14:00.40 / /C16:020.94 / /C!6:18.88 / /C18:0 3.17 0.52 0.63C18:1 14.50 1.66 1.17C18:2 4.43 5.57 6.76C18:3 0.91 0.72 0.90C20:4 0.95 0.64 0.79C20:5 11.22 8.64 10.50C22:1 5.16 22.73 20.77C22:5ω3 0.38 3.42 3.47C22:5ω6 1.01 / /C22:6 14.81 53.02 46.75ω3 FA27.32 65.80 62.62得率(%) 12.88 。