分子蒸餾技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展摘要分子蒸餾技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的液-液分離技術(shù)，現(xiàn)已在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。綜合評(píng)述了分子蒸餾的基本原理、過(guò)程技術(shù)特點(diǎn)、常用設(shè)備及其優(yōu)缺點(diǎn)。工業(yè)應(yīng)用及過(guò)程模型化的研究進(jìn)展。并對(duì)分子蒸餾過(guò)程技術(shù)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(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的液-液分離技術(shù)。該技術(shù)具有蒸餾溫度低、受熱時(shí)間短、分離程度高、系統(tǒng)能耗低等特點(diǎn)，并且該分離技術(shù)為不可逆過(guò)程，不存在沸騰及鼓泡現(xiàn)象。因此適用于分離高沸點(diǎn)、熱敏性和易氧化的物質(zhì)，能解決常規(guī)蒸餾技術(shù)所不能解決的問(wèn)題。目前已廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)中。
1?分子蒸餾過(guò)程技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)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(dǎo)致其表面蒸發(fā)速率不同而達(dá)到分離的方法[2]。分子分離過(guò)程如圖所示，經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的待分離料液從進(jìn)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(fā)表面的間距一般小于或等于蒸發(fā)分子的平均自由程，逸出分子可以不經(jīng)過(guò)分子碰撞而直接到達(dá)冷凝面冷凝，后進(jìn)入輕組分接受罐。重組分分子由于平均自由程小，不能到達(dá)冷凝板，從而順加熱板流入重組分接收罐中，這樣就實(shí)現(xiàn)了輕重組分的分離[3]。
2?分子蒸餾的基本過(guò)程根據(jù)分子蒸餾的基本理論，可將蒸餾過(guò)程分解為以下5個(gè)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(fā)；③分子從加熱面向冷凝面的運(yùn)動(dòng)；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(shè)備和特點(diǎn)
3.1?設(shè)備組成一套完整的分子蒸餾設(shè)備主要由脫氣系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、分子蒸餾器、餾分收集系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)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(fā)性組分，以免蒸餾過(guò)程中發(fā)生爆沸。真空系統(tǒng)是保證分子蒸餾過(guò)程進(jìn)行的前提，合適的真空設(shè)備和嚴(yán)格的密封性分子蒸餾裝置的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵，為保證所需要的真空度，一般采用二級(jí)或二級(jí)以上的泵聯(lián)用，并設(shè)液氮冷阱以保護(hù)真空泵。根據(jù)形成蒸發(fā)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(zhì)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(qiáng)化成膜，物料停留時(shí)間短且液膜薄而均勻，降低了傳質(zhì)阻力，且加熱和冷卻大多為內(nèi)置式，因此，離心式分子蒸餾器的分離效率及生產(chǎn)能力較高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相對(duì)投資比較大，而轉(zhuǎn)子刮膜式結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，操作參數(shù)容易控制，?且價(jià)格相對(duì)低廉，因此，?現(xiàn)在的試驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)中，?大部分都采用該裝置。
3.2?蒸餾器設(shè)計(jì)原則??分子蒸餾器是整套設(shè)備的核心，?集中體現(xiàn)了分子蒸餾技術(shù)的關(guān)鍵。其設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)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(fā)分子在蒸發(fā)空間盡可能不與其他分子碰撞；?②?冷凝面與蒸發(fā)面的間距小于蒸發(fā)分子的平均自由程；?③?為防止返蒸現(xiàn)象（已冷凝分子重新蒸發(fā)），?蒸發(fā)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(fā)面應(yīng)能形成厚度均勻的薄膜，?以提高蒸發(fā)效率。即盡可能均勻加熱，?因?yàn)榫植窟^(guò)分加熱導(dǎo)致的物料分解將會(huì)使真空度明顯降低，?致使蒸發(fā)暫停；?⑤在分子蒸餾中，?僅液體表面與蒸發(fā)相關(guān)，?因此，?在蒸發(fā)面要有不斷出現(xiàn)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(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是：液膜厚度小，?受熱時(shí)間短，熱分解的危險(xiǎn)性較小，蒸餾過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)能力大。缺點(diǎn)是：很難保證所有的蒸發(fā)表面都被液膜均勻覆蓋；液體流動(dòng)時(shí)常發(fā)生翻滾現(xiàn)象，所產(chǎn)生的霧沫也常濺到冷凝面。
3.4?分子蒸餾的特點(diǎn)???與傳統(tǒng)的普通蒸餾相比，?分子蒸餾具有以下特點(diǎn)：?（1）?物料分離建立在物質(zhì)揮發(fā)度不同的基礎(chǔ)，分離操作在低于物質(zhì)沸點(diǎn)下進(jìn)行，?對(duì)于采用溶劑萃取后液體的脫溶有效；?（2）?普通蒸餾是蒸發(fā)與冷凝的可逆過(guò)程，?液相和氣相間可以形成動(dòng)態(tài)平衡，?而分子蒸餾過(guò)程中，?從蒸發(fā)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(fā)生碰撞，理論上沒(méi)有返回蒸發(fā)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(jìn)行減壓蒸餾，?但真空度不是很高，?物料中溶解的氣體會(huì)導(dǎo)致物料有鼓泡、沸騰等現(xiàn)象，?而分子蒸餾是在很低壓力下進(jìn)行的液膜表面上的自由蒸發(fā)，?是非沸騰下的蒸發(fā)過(guò)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(fā)面與冷凝面的距離小于輕分子的平均自由程，蒸發(fā)的輕分子不與其他分子碰撞、幾乎沒(méi)有壓力降就達(dá)到冷凝面，更有利于進(jìn)行物料的分離；?（5）?蒸餾溫度比普通蒸餾低。常規(guī)蒸餾在沸點(diǎn)溫度進(jìn)行，?而分子蒸餾在*真空度下操作，?可以對(duì)常規(guī)蒸餾不能分離的熱穩(wěn)定性差的物質(zhì)進(jìn)行蒸餾；?（6）?物料受熱時(shí)間短。在蒸發(fā)過(guò)程中，?混合物料呈薄膜狀，?并被定向推動(dòng)，?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(shí)間很短（一般幾秒至幾十秒），?避免了因受熱時(shí)間長(zhǎng)造成混合物內(nèi)某些組分分解或聚合的可能，?更適宜對(duì)一些高沸點(diǎn)、熱敏性及易氧化物料進(jìn)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(jìn)行分離時(shí)，?以相對(duì)揮發(fā)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(jìn)行分離，?分餾過(guò)程是物理過(guò)程，?分離操作不使用有毒的有機(jī)溶劑，?可得到純凈安全的產(chǎn)物。
4??分子蒸餾技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展
分子蒸餾是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的高科技分離技術(shù)，?早在20?世紀(jì)60?年代國(guó)外一些工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家就已經(jīng)開展分子蒸餾技術(shù)的研究與開發(fā)，?我國(guó)在20?世紀(jì)90年代才開展刮膜式分子蒸餾裝置和工藝的應(yīng)用研究。由于分子蒸餾真空度高，?操作溫度低和受熱時(shí)間
分子蒸餾儀 提取純化醫(yī)用麻植物油多年經(jīng)驗(yàn)短，能地保證物料的天然品質(zhì)，?不僅能有效地去除液體中的有機(jī)溶劑和臭味劑等低分子物質(zhì)，?而且可以分離沸點(diǎn)相近而相對(duì)分子質(zhì)量有差異的混合物，?因此可被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)化生產(chǎn)中，下面主要介紹一下在油脂化工中的應(yīng)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(duì)保健食品的需求越來(lái)越大。維生素是維持生命所需的有機(jī)物質(zhì)，它是保持人體各項(xiàng)基本功能的主要元素，因此對(duì)人體具有極其重要的作用。天然維生素具有熱敏性、沸點(diǎn)高等特點(diǎn)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(guī)蒸餾帶來(lái)的問(wèn)題得到高濃度的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)外許多人對(duì)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(diǎn)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(jīng)過(guò)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(shù)通過(guò)改變蒸餾參數(shù)．得到不同純度的維生素k1餾出物，其高純度達(dá)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(yíng)養(yǎng)價(jià)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(shù)分離多不飽和脂肪酸時(shí)，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(diǎn)溫度下后蒸出，從而可達(dá)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(duì)大腦機(jī)能有活化作用。魚油中含有2～16％EPA和DHA5。36％是EPA和DHA的佳來(lái)源。為獲得高純度的EPA和DHA，近年來(lái)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(duì)高不飽和脂肪酸的工業(yè)化研究中可以得到EPA和DHA含量在70％以上的產(chǎn)品。2003年Cados?F．T0r．res等[9]在先純化二十碳五烯酯和二十碳六烯酯制取二十碳五烯酸和二十碳六烯酸的過(guò)程中利用分子蒸餾去除產(chǎn)物混合物種的乙酸酯。Liang等[10]利用分子蒸餾技術(shù)從魷魚內(nèi)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(shù)用于不飽和脂肪酸的除臭．處理后的不飽和脂肪酸沒(méi)有臭味。一亞麻酸是十八碳三烯酸，為多不飽和脂肪酸，對(duì)人體有多種生理調(diào)節(jié)功能。鄭鎪等[12]在蒸餾溫度90—105℃，操作壓力0．5—1．8Pa．進(jìn)料溫度60℃，進(jìn)料速度90—100ml，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速150r，min下經(jīng)四級(jí)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(jié)束語(yǔ)???分子蒸餾是高真空下的短程蒸餾，?適用于高沸點(diǎn)、熱敏、高黏度物質(zhì)的提取、分離和精制，?其大特點(diǎn)是能盡量保持食品的天然性。盡管分子蒸餾較常規(guī)蒸餾具有許多優(yōu)點(diǎn)，?但也有使用局限性，?當(dāng)混合物內(nèi)各組分的分子平均自由程相近時(shí)，?例如同分異構(gòu)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(shù)，?有利于清潔生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)，?能夠滿足人們對(duì)高品質(zhì)、綠色產(chǎn)品的追求，?在各行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。