分子蒸馏技术及其在食品方面的应用剖析

分子蒸馏技术及其在食品方面的应用

摘要：分子蒸馏技术是一种新型、高效的分离技术,现已在许多领域得到广泛应用。本文介绍下分子蒸馏的概念、原理、特点以及影响分子蒸馏速度的因素;其中举以例子，介绍下分子蒸馏技术目前在食品工业中的应用。最后本文对其发展状况及应用前景进行了分析和展望。

关键词：分子蒸馏技术；食品；应用；前景

蒸馏是实现分离的一种最基本的方法，可实现固体和液体或液体和液体混合物的分离。常规蒸馏的过程中，经常采用减压的方法，能够有效降低蒸馏所需要的温度，从而可以避免有些物质在蒸馏过程中因受热分解而造成的损失。但是，对于沸点高、热不稳定、粘度高或容易爆炸的物质，并不适宜使用普通减压蒸馏法。为了分离和纯化这些特殊性质的物质，一种新的分离技术——分子蒸馏技术也相应产生。

分子蒸馏是一种以液相中逸出的气相分子依靠气体扩散为主体的分离过程，是在高真空度下进行分离操作的连续蒸馏过程，实质上是一种特殊的液-液蒸馏分离技术。分子蒸馏过程中，待分离物质组分可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，因此成为目前分离目的产物最温和的蒸馏方法，特别适合于分离高沸点、粘度大、热敏性的天然物料[1]。目前,分子蒸馏技术已成功地应用于食品、医药、化妆品、精细化工、香料工业等行业。

1 基本原理

分子蒸馏技术的原理，在于突破了常规蒸馏依靠沸点差分离物质的原理，而是依靠不同物质分子逸出后的运动平均自由程的差别来实现物质的分离。普通蒸馏过程中，当形成的蒸汽分子离开溶液液面后，在运动中相互碰撞，一部分进入冷凝器中，另一部分则返回溶液内。分子蒸馏技术的特点，在于溶液液面与冷凝器的冷凝面间距离十分靠近，蒸汽分子离开液面后，在它们的分子自由程内未经过相互碰撞就可到达冷凝面，不再返回溶液内[2]。

对液体混合物的分离，首先要加热提供能量，接受到足能量的分子就会逸出液面成为气相分子。不同质量的分，由于分子有效直径不同，一般轻分子的平均自由程较大，分子的平均自由程较小。若在离液面小于轻分子平均自由而大于重分子平均自由程处设置一个冷凝面，当轻分子到冷凝面后就被冷凝,从而使轻分子不断逸出；而重分子达不到冷凝面就会发生碰撞而返回溶液中，很快与液相中重分子趋于动态平衡，表观上不再从液相中逸出。通过这种方法，就可以将轻分子和重分子进行分离[3]。

分子平均自由程是一个分子在相邻的两次分子碰撞之间所经过的路程，它的长短与分子有效直径、压力和温度有关[4]。当压力不变时，物质的分子平均自由程随温度的增加而增加；当温度不变时，物质的分子平均自由程随压力的降低而增加。例如,当系统中的压力为13.3Pa 时,空气分子的平均自由程只有0.056cm，而当系统

中的压力为 0.133Pa时，空气分子的平均自由程可以达到 5.62cm。通常液面与冷凝面之间应该保持一定的温度差，通过降低冷凝面的温度，破坏体系中蒸汽分子的动态平衡，提高分子蒸馏的速度。

分子蒸馏速度的理论值，可由Langmuir和Knudsen理论公式来计算

W=PS（5M/πRT)½

式中：W——每秒钟蒸馏出的蒸馏液重量，kg

P——蒸发面上的压力，Pa

S——蒸发面的有效面积，cm

M——分子量

R——气体常数8.32J/mol•k

T——绝对温度，K

(1)混合物液相在加热板表面受热后，分子逃逸扩散。

(2)分子从蒸发面向冷凝面飞射，轻分子由于平均自由程大于蒸发面与冷凝面的距离，轻分子碰撞到冷凝板表面，温度降低后被捕获冷凝，冷凝液体沿冷凝板流出蒸馏器。

(3)重分子由于平均自由程小于蒸发面与冷凝面的距离，所以不能碰撞到冷凝板表面，不能被捕获冷凝。重分子大部分返回到混合物液相被带出蒸馏器。

(4)轻重分子从蒸发面向冷凝面飞射过程中，可能与残存的空气分子碰撞，也可能相互碰撞。必须保持合适的真空度，使蒸发分子的平均自由程大于或等于蒸发面与冷凝面的距离。

2 基本特征

对于高沸点、热敏性产品的分离，分子蒸馏技术优于常规蒸馏。采用传统的蒸馏法生产，难以克服操作温度高、受热时间长的缺点，导致了有效成分的聚合及分解等变化。而分子蒸馏技术恰恰克服了这一难题，可以解决常规蒸馏无法解决的问题，尤其是高沸点与热敏性产品的分离问题

2.1 分子蒸馏与传统蒸馏

（1）普通蒸馏是在沸点温度下进行分离，而分子蒸馏只要冷热两面之间达到足够的温度差，就可在任何温度下进行分离。

（2）普通蒸馏的蒸发与冷凝式可逆过程，液相和气相之间达到了动态平衡；分子蒸馏中，从加热而逸出的分子飞射到冷凝面上，理论上没有返回到加热面的可能性，所以分子蒸馏是不可逆过程。

（3）普通蒸馏有鼓泡、沸腾等现象；而分子蒸馏实在液膜表面上的自由蒸发，由于液体中无溶解的空气，因此在蒸馏过程中不会使整个液体沸腾，没有鼓泡现象。即分子蒸馏是不沸腾下的蒸发过程。

（4）普通蒸馏分离能力只与组分的蒸汽压之比有关；而分子蒸馏的分离能力与被分离混合物的蒸汽压和相对分子质量也有关。因此，可以分离蒸汽压十分相近而相对分子质量有所差别的混合物。

（5）普通蒸馏中物料受热温度高，受热时间长。分离蒸馏蒸发过程中，因分子蒸馏装置加热面与冷凝面的距离小于轻分子的平均自由程。从液面逸出的轻分子几乎未经碰撞就达到冷凝面，所以受热时间很短，在蒸馏温度下停留时间一般在几秒至几十秒之间。由于分子蒸馏温度低，受热时间短，从而避免了因受热时间长而造成某些组分分解或聚合的可能。因此，它特别适合对高沸点、热敏性物料进行有效的分离。

2.2 分子蒸馏特点

（1）真空度高由于分子蒸馏的蒸发面与冷凝面的间距小于轻分子平均自由程，轻分子几乎没有压力降能达到冷凝面，使蒸发面的实际操作真空度比传统操作真空度高出几个数量级，一般最低蒸馏压力必须低于0.5Pa，通常为0.1333Pa。

（2）操作温度低分子蒸馏是依靠分子运动平均自由程的差别来实现分离的，并不需要达到物料的沸点（远低于其沸点），因此，其操作温度是较低的，这也是分子蒸馏与普通蒸馏的本质区别。

（3）受热时间短分子蒸馏在蒸发过程中，物料被强制形成很薄的液膜，并被定向推动，使得液体在分离器中停留时间很短。特别是轻分子，一经逸出就马上冷凝，受热时间更短。另外，混合液体呈薄膜状，液面与加热面的面积几乎相等，物料在蒸馏过程中受热时间很短。对普通真空蒸馏而言，受热时间为数小时，而分子蒸馏仅为数十秒。

（4）分离程度高蒸馏能分离常规蒸馏不易分开的物质。常规蒸馏的分离能力与组分的蒸汽压相关，而分子蒸馏的分离能力与组分的蒸汽压与其相对分子质量之比相关。因此，分子蒸馏的分离程度更高，特别适合于不同组分分子平均自由程相差较大的混合物的分离。

（5）生产成本低由于分子蒸馏整个分离过程损失少，且由于分子蒸馏装置独特的结构形式，其内部压强较低，内部阻力远比常规蒸馏小，因而可以节省能耗，降低了生产成本。

3 分子蒸馏技术的设备及注意事项

3.1 分子蒸馏器的基本类型

分子蒸馏器装置主要包括：分子蒸发器（包括加热器、冷凝器、捕集器等）、加热系统（包括导热油泵、导热油炉、温控仪表、油路等）、冷却系统（包括冷凝器、恒温水泵、冷却水管路等）、真空系统（包括真空泵、扩散泵）、脱气系统、进料系统和控制系统。

3.1.1 刮膜式分子蒸馏器

进料以恒定的速率进入到旋转分布板上，在一定离心力的作用下被抛向加热蒸发面，在重力作用下沿蒸发面向下流动的同时在刮膜器的作用下得到均匀分布，低沸点组分首先从薄膜表面挥发，径自飞向中间冷凝面，并冷凝成液相，冷凝液流向蒸发器的底部，经馏出口流出；不挥发成飞从残留口流出；不凝性气体从真空口排出。因此，目的产物既可以是易挥发组分，又可以是难挥发组分。