分子蒸馏在油脂工业中的应用_图文

1、2008年第33卷第10期中国油脂CHINA OIIS AND FATS57灞畲利用主分子蒸馏在油脂工业中的应用李红,王爱辉2,刘延奇1(1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院,郑州450002;2.山东渤海油脂工业有限公司,山东博兴356500摘要:分子蒸馏技术作为一种新兴的分离技术,在轻工行业得到越来越广泛的应用。分子蒸馏技术与传统的分离方法有着本质的区别,可以达到其他分离技术无法达到的效果。在生物制药和医药中间体的生产以及天然产物中活性物质的提取过程中,分子蒸馏可以实现高沸点、热敏性和易氧化物质的分离。分子蒸馏在油脂工业中的应用也越来越多,特别在最近几年,作为天然活性产物的主要来源之一的油

2、脂,越来越受到人们的重视。详细探讨了分子蒸馏的原理及影响因素,并着重讨论分子蒸馏技术在油脂行业中的应用及前景。关键词:分子蒸馏;原理;甘油酯;维生素E;脂肪酸酯中图分类号:TS223文献标志码:A文章编号:10037969(2008100057一04Application of molecular distillation in oilg industryLI Hon91,WANG Aihui2,LIU Yanqil(1.School of Bio&Food Technology,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou45000

3、2,China;2.Shandong Bohai Oils and Fats Industry Co.,Ltd.,Shandong Boxing356500,ChinaAbstract:Molecular distillation technology is a new separate method and has been widely used in light industry.The molecular distillation technology differs from ordinary separate technology.In biotechnology pharmace

4、uticals,medical intermediate productionand bioactive compounds separation from natural prod-ucts,the molecular distillation can realize the separation of high boiling point,thermal and air sensitive compounds.Recently,themolecular distillation technology is used in oils industry.The principle and in

5、-fluence factors of molecular distillation were mainly described,and its applications prospect in oils industry was also summarized.Key words:molecular distillation;principle;glyeeride;VE;fattyacids esters分子蒸馏技术是一种新兴的分离技术,在20世纪初开始进行研究,近几十年得到迅速发展。分子蒸馏技术摆脱了传统分离方法对分离物质的影响和对环境的污染,它是一种温和的分离技术,适应于高沸点、热敏性物

6、质的分离,因此被广泛应用于石油化工、食品工业、医药中间体、保健品、日用化工、香精收稿日期:20071122;修回日期:2008一0226作者简介:李红(1978,女,讲师,博士,主要从事油脂化学方面的研究工作(E-mailhnzzlihong。香料、农药等行业。分子蒸馏技术在油脂工业中也越来越多地得到应用,报道较早的是应用于EPA和DHA的提纯,目前应用比较广泛的是对单甘酯、高纯度维生素E,脂肪酸以及脂肪酸甲酯的提纯。由于油脂的副产品中存在很多生物活性物质,所以有必要在分子蒸馏技术方面进行深入研究,以便提高油脂副产品的附加值。文中主要从分子蒸馏的分离原理、设备结构特点及其在油脂行业中的应用做详

7、细讨论。1分子蒸馏的分离原理12KANDANARACHCHI P.The hydroformylation of vegeta-ble oils and model compounds by ligand modified rhodium catalysisJ.Journal of Molecular Catalysis A:Chemical, 2002。184:6571.13MOHANTY A K,MISRA M,DRZAL L.T.Sustainablebiocomposites from renewable resourees:opportunities and challenges i

8、n the treen materials woddJ.J Poly Environ,2002,10:1926.58中国油脂CHlNA OILS AND FATS2008VoL33No.10分子蒸馏是一种特殊的液一液分离技术,它不同于传统蒸馏依靠沸点差进行分离,而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。分子运动自由程是指1个分子相邻两次碰撞之间所走的路程。当液体混合物沿加热板流动并被加热时,轻、重分子会逸出液面而进人气相,由于轻、重分子的自由程不同,因此不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同,若能恰当地设置1块冷凝板,则轻分子达到冷凝板时被冷凝排出,而重分子未达到冷凝板随混合液排出。这样

9、即可达到物质分离的目的,其原理示意见图1。加rft.±lt分轻组分图1分子蒸馏原理示意图分子的自由程是影响分子蒸馏的关键因素。物质分子在普通的条件下都在做布朗运动,分子与分子之间存在着自由碰撞,在液面与空气之间这种现象更为明显。在普通的蒸发分离过程中,小分子摆脱了分子之间的吸引力从而达到了分离。然而,在分离大分子物质时,由于大分子不能摆脱分子之间的吸引力从而使分离变得非常困难。分子在不同条件下的自由程是不同的。由热力学原理可知分子的平均自由程公式为:A。=kT/4乞'rrd2P式中:A。分子平均自由程;|波尔兹曼常数;卜分子所处环境温度;d分子有效直径;P_分子所处空间压力。

10、从公式可以看出,分子平均自由程与温度成正比,与分子的有效直径成反比,与真空度成反比。因此,分子蒸馏的设计尽量减少蒸发面与冷凝面的距离,自由程一定后,分子蒸馏的效果与温度和真空度有关。真空度尽量低,一般实验室的真空度为0.1 Pa,工业分子蒸馏的真空度为13Pa。如果分子蒸馏的设备运行正常,那么考察分离效果则与温度有直接关系。2分子蒸馏设备的结构特点分子蒸馏设备一般由4大系统组成:主系统,包括成膜装置、蒸发面、冷凝面和接受器等。加热温控系统,由温度控制仪和油浴加热器组成。真空系统,由各种真空泵组成。冷却系统。其中,蒸发面和冷凝面的距离很短,理论上应该小于操作条件下分子的平均自由程,但实际上这样做

11、是十分不经济的,所以通常采用蒸发面和冷凝面的距离稍大于分子平均自由程,并控制在同一数量级的范围内,通常是几厘米。分子蒸馏设备的关键技术是成膜装置的设计。根据成膜装置的不同,分子蒸馏设备又可分为降膜式、刮膜式和离心式等。降膜式分子蒸馏器在实验室及工业生产中曾广泛应用。其优点是蒸馏过程可以连续进行,生产能力大,缺点是液膜相对较厚,并且沿蒸发表面流动,液体分配装置难以完善,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,降低分离效果。刮膜式分子蒸馏设备是降膜式设备的改进。从结构上看,刮膜式蒸馏釜中设置了1个转动刮板,它既保证液体均匀覆盖蒸发表面,又使向

12、下流动的液层得到充分搅动,从而强化了物料的传热和传质过程。但是相对于离心式分离来说,它的液膜厚度还是较厚。离心式分子蒸馏装置是将物料送到高速旋转的转盘中央,并在旋转面扩展形成薄膜,同时加热蒸发,使之在对面的冷凝面中凝缩。这是目前较为理想的一种装置。但是,与其他方法相比,因为有高速转盘,需要较高的真空密封技术。3分子蒸馏技术在油脂工业中的应用3.1脂肪酸及脂肪酸酯的分离脂肪酸是化工行业和食品行业重要的原材料和中间体,脂肪酸大部分是通过植物油或动物油水解得到的,在分离过程中主要依靠精馏塔的分离。在分离过程中,由于真空度和温度的影响,脂肪酸的色泽较深,只能基本满足化工行业的需要。然而,一些不饱和和高

13、不饱和脂肪酸(EPA、DHA很容易在高温下氧化聚合,一部分脂肪酸形成反式酸。分子蒸馏可以在较低的温度下进行分离,从而保证了高不饱和脂肪酸的质量,能够满足食品和保健品行业的需要。分子蒸馏在脂肪酸分离过程中的典型例子就是分离EPA和DHA【2J,常用的分离方法有:皂化酯化一尿包法,超临界萃取法,层析分离法,分子蒸馏法。皂化酯化一尿包法的工艺路线较长,操作复杂,最终产品色泽差而且有难闻的鱼腥味,产品纯度达不到市场要求。其他两种方法工业化困难,不利于产品的规模化生产。而分子蒸馏可以很好地解决这2008年第33卷第10期CHINA0115AND FATS59些问题。据报道,分子蒸馏已经成功运用在q一亚麻

14、酸的提纯中¨41。目前,脂肪酸酯生产较多,因为脂肪酸酯的生产较脂肪酸容易且污染较小。化工用脂肪酸酯的生产可以用蒸馏或精馏的方法,但是食用脂肪酸酯必须采用分子蒸馏的方法。因为分子蒸馏的分离方法温度低,对高不饱和的油酸和亚油酸都具有较好的保护作用,可以减少反式酸的生成。3.2特种油脂的精炼随着保健品行业的兴起,对保健品的质量要求也越来越高。在保健品中,特种油脂是一个重要的组成部分。我们可以应用分子蒸馏的低温特点,去除油脂的脂肪酸和其他小分子物质,保留油脂中的维生素E和甾醇等具有保健功能的活性物质。据报道,根据分子蒸馏低温分离脂肪酸的特性,可以利用其生产保健型的小麦胚芽油"J、姜

15、油J、紫苏籽油、花椒籽油"o等油脂,可以有效保证油脂中的天然成分不被破坏,而常规的脱臭脱酸过程几乎完全去除了油脂中的天然活性成分。另据报道,在香精提取方面,分子蒸馏也具有非常重要的应用。任艳奎等坤1人用分子蒸馏分离提纯玫瑰精油,可大大降低生产成本并有效保证质量。3.3维生素E的生产一1天然维生素主要存在于一些植物的组织中,如大豆油、小麦胚芽油以及油脂加工的脱臭馏分和油渣中。因维生素具有热敏性、沸点高的特点,普通真空精馏很容易导致其分解。Batistella等¨引人采用模型化方法,对从植物油中提纯维生素E的分子蒸馏过程进行了模拟,一步蒸馏就可将维生素E的含量从8%(质量分数,

16、下同提高到40%。Shimada 等¨u人利用分子蒸馏技术对大豆油脱臭馏出物进行分离,其利用脂肪酶和甾醇之间的酶化作用首先分离出甾醇,然后分别于2616、513Pa和410Pa真空下采用三级分子蒸馏的方法,最后得到纯度为65%的维生素E,回收率接近90%。Fisher等¨驯人经过一级分子蒸馏,可将维生素D,的含量由30%提高到75%以上。目前,我国生产维生素E一般采用四级分子蒸馏,可以生产不同浓度的V。产品。生产的天然V。产品质量与进口产品相当,我国大部分V。产品出口国外。3.4高纯度单甘酯的制备单甘酯是一种优势高效食用乳化剂和表面活性剂,在食品、化妆品、医药和精细化工等行

17、业有着广泛的应用。单甘酯是在碱催化下由甘油和甘三酯直接酯交换得到,酯交换后的粗产品中含有单甘酯、甘二酯、甘三酯等。梁振明等13'141人对分子蒸馏单甘酯的工艺路线及经济性分析做了全面深入的阐述,目前国内已有十多家企业采用分子蒸馏技术生产单甘酯,年产量已超过万吨,分子蒸馏技术在单甘酯生产方面具有非常广阔的应用前景。3.5甘二酯及中碳链甘三酯(MCT的制备甘二酯是具有减肥功能的新型食品,目前已经在美国和日本上市。我国在甘二酯开发方面也做了很多研究。甘二酯作为新型食品一般要求纯度高于80%,而且甘一酯的含量不高于5%。在制备过程中,甘一酯和甘二酯是并存的,因此需要进行分离。目前只有分子蒸馏技

18、术可以达到要求,因为甘二酯的沸点较高,用其他的分离方法是不可行的。孙东弦¨副曾报道,在加热温度200oC,真空1Pa的条件下,可以分离出甘一酯小于5%,甘二酯大于75%的产品,产品质量与食用油几乎相等。中碳链脂肪酸甘三酯(MCT主要是含C。C。的脂肪酸甘三酯,是一种可高效消化吸收的结构脂质和可控制吸收的低能油脂。中碳链脂肪酸甘三酯被认为是安全的防腐剂,广泛应用于食品和护肤品生产领域。因此,用简单的、低成本的、规模化的方法分离中碳链甘油酯成为研究的重点和发展趋势。目前,MCT的分离纯化只是经过物理精炼,脱色等处理,得到含有大量单甘酯、甘二酯的甘三酯,不能满足医药上的要求。分子蒸馏能够分

19、离脂肪酸、单甘酯、甘二酯和甘三酯。利用二级分子蒸馏可以得到97%的中碳链甘三酯¨引,还可以得到高纯度的单甘酯。3.6二十八烷醇的制备二十八烷醇是一种重要的功能性原料,在保健品行业具有重要的作用。二十八烷醇是米糠蜡经过水解后进行分离得到的。分离的方法主要是分子蒸馏方法。王兴国等o人报道了通过分子蒸馏设备可以得到纯度大于80%的二十八烷醇的产品。4结束语分子蒸馏是一种有效的分离技术,可以完成一些常规分离方法不能完成的工作。在油脂行业,分离的物质一般相对分子质量均较大,通过普通蒸馏很难实现分离。而且分子蒸馏分离技术可以很好地满足保健食品的卫生安全要求。在油脂行业的开发方面,分子蒸馏将会得到

20、越来越广泛的应用。参考文献:1于宏奇,杨村,冯武文.分子蒸馏技术与日用化工(I分子蒸馏技术的原理及特点J.日用化学工业,2002.32(5:7476.CHINAOIl5AND FA"I S2008V01.33No.102陈必春,郭晓东,许志杰,等.分子蒸馏及其在多不饱和脂肪酸中的应用J.食品工程,2007(I:14一16.3李婷婷,吴彩娥,许克勇,等.分子蒸馏技术富集猕猴桃籽油中a一亚麻酸的研究J.农业机械学报,2007,38(5:9699.4郑瞍,许松林.分子蒸馏提纯Ot一皿麻酸的研究J.化学工业与工程,2004,21(1:2528.5赵妍嫣,唐文婷,姜绍勇,等.分子蒸馏在小麦胚芽

21、生物活性成分提取中的应用J.农产品加工,2004(11:3334.6王发松,胡海燕,黄世亮,等.姜油的分子蒸馏纯化与化学成分分析J.中国医药工业杂志,2003,34(3:125127.7马传国,王兴国,张根旺,等.分子蒸馏对高酸值花椒籽油脱酸的初步探讨J.中国油脂,2001,26(3:5052.8任艳奎,许松林,栾礼侠,等.应用分子蒸馏技术分离提纯玫瑰精油J.应用化工,2005,34(8:509512.9曹国锋,龚任,刘红天.脱臭馏出物中天然维生素E提取J.粮食与油脂,2001(5:4243.广告10BATISTELLA C B,MORAE E B,FILHO R M,et a1.Mo-lecular distillationrigorous modeling and simulation for recovering vitamin E from vegetaloilJ.ApplBiochemBiotechno