分子蒸馏纯化乳酸的真空系统和工艺优化

崔 洋， 顾永华， 王 新， 赵 南

（1.天津大学，天津 300072； 2.河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南郸城 477150）

乳酸，又称α-羟基丙酸，广泛应用于食品、医药、饲料、化工、电子和生物基可降解材料等行业. 以乳酸为单体合成的聚乳酸（PLA），具有可完全生物降解的特性，可替代石化基塑料制品，是解决环境“白色污染”和不可再生资源短缺的主要途径之一［1］.

随着聚乳酸的发展，对乳酸原料的品质提出了更高要求. 聚乳酸合成过程中，原料单体乳酸的品质直接影响着聚乳酸产品性能和收率［2］. 传统离子交换、膜过滤等技术提纯的乳酸，在色度、纯度等方面已不能满足聚乳酸合成需求［3］. 分子蒸馏是一种新型的高真空分离技术，它是依据不同物质分子平均自由程的不同进行液-液分离，具有物料受热时间短、分离效果好等优点，能极好地保护热敏性物质的品质［4-6］，是高纯度乳酸工业化生产首选的提纯技术. 目前分子蒸馏纯化技术在国内乳酸行业规模化应用尚不成熟，主要是由于高真空度下乳酸汽化后的气体体积较大，设备系统存在一定的泄漏，大型的分子蒸馏设备蒸馏乳酸过程中难以保持设计的真空度，造成品质和收率下降. 本研究对规模化的乳酸分子蒸馏纯化装置真空系统进行了优化，通过采用不同的真空机组对比试验，选择合适的真空机组提升装置负载时的真空度. 优化乳酸分子蒸馏纯化工艺的主要技术参数，解决了乳酸分子蒸馏工业化生产中的关键技术问题.

1 材料和方法

1.1 材料

本研究以发酵结束后经过离子交换树脂提纯的质量分数为80%的乳酸（河南金丹乳酸科技股份有限公司）作为原材料.

1.2 乳酸分子蒸馏纯化装置

乳酸分子蒸馏纯化装置（德国VTA公司），为刮膜式装置，产能1.25 t/h，主要由薄膜蒸发器和分子蒸馏器两部分组成（见图1和图2）. 设备内部所有与物料接触的部位材质为2205双相不锈钢，薄膜蒸发器和分子蒸发器均装有SKR型刮板式刮膜转子，材质为复合石墨. 其工艺流程为：质量分数为80%的乳酸经薄膜蒸发器脱水和其他低沸点杂酸后再进入分子蒸馏器内的加热区，在刮板的作用下，形成极薄且均匀的液膜［7-8］，其中轻组分分子从膜表面持续逸出，并受分子运动原理的支配，飞行进入制冷区，在冷媒的作用下，迅速降温，附着在冷却壁上均匀降沉，从轻相乳酸出口排出［9］. 而不能气化的重相乳酸（黑乳酸）沿热壁在刮板的推动下，进入底部排出. 通过物理法实现乳酸与绝大多数杂质的高效分离［10］.

图1 乳酸分子蒸馏纯化装置工艺流程简图Fig.1 Process flow diagram of lactic acid molecular distillation purification plant

图2 乳酸分子蒸馏器内部结构示意图Fig.2 Internal structure diagram of lactic acid molecular distiller

1.3 分析方法

乳酸质量分数：参照《食品安全国家标准食品添加剂 乳酸》（GB 1886.173—2016）；色度：参照《化学试剂色度测定通用方法》（GB/T 605—2006）；金属离子总量：采用原子吸收光谱法测定；乳酸收率：按纯化后产品轻相乳酸与原料乳酸质量的百分比值计算；乳酸化学纯度：L-乳酸占总酸的量的百分比值，采用高效液相色谱法测定.

2 结果与分析

2.1 乳酸分子蒸馏纯化装置的真空系统优化

取各组大鼠右侧踝关节组织适量，经4%多聚甲醛溶液中固定2 d、EDTA脱钙液中脱钙10 d后，用大量水清洗，经乙醇（体积分数分别为80%、95%、100%）梯度脱水、石蜡包埋、切片（厚度5 μm）后，行HE染色，以中性树胶封片，置于光学显微镜下观察大鼠踝关节组织病变情况。

第二，施工顺序。先施工1#取芯钻孔了解隧道掘进段岩层地质情况，然后施工2#、3#、4#探水钻孔，了解掘进段岩层渗水情况。

为提高分子蒸馏纯化装置的真空度，可以通过合理紧凑布局设备，减少管线和漏点的方式加工设备，尤其对于大型设备，应尽量保证设备的泄漏率小于0.1 mbar·L/s，相当于整套装置每小时吸入少于4.2 g 的空气，能够很大程度地减少系统的无用功. 同时，对于分子蒸馏的真空机组，多泵联用的方式抽真空，可一定程度提高设备运行过程中的真空度. 采用1.2 小节的乳酸分子蒸馏纯化装置，蒸发器加热夹套设计压力-1～6 bar，加热夹套设计温度200 ℃，冷凝器和冷阱设计压力-1～10 bar，冷凝器设计温度150 ℃，冷阱设计温度-30～150 ℃），对不同真空机组在负载时能达到的真空度及消耗情况进行对比试验，结果见表1.

表1 乳酸分子蒸馏纯化装置不同真空机组的对比试验Tab.1 Comparison test of different vacuum units of lactic acid molecular distillation purification plant

突发公共卫生事件主要是指突然性发生或造成社会公共健康严重受损的重大传染疾病、疫情、群体性不明原因传染疾病、大规模的食物中毒、职业因素中毒等严重影响公共健康安全的危险事件[1]。医院应依照国家颁发的“突发公共卫生事件应急条例”为参考,制定针对突发公共卫生事件的强化管理预案,在医院内成立相应的突发公共卫生事件科研护理小组,及时有效的控制突发公共卫生事件的蔓延及发展,减少人员的伤亡现象。为了分析强化管理对突发公共卫生事件护理科研的应用效果,笔者针对强化管理进行了细节的介绍及分析。

2.2 乳酸分子蒸馏工艺优化

易非挥了挥手，打断了他关于所有将来的承诺，她勉强笑了一下，说：“别老由着李倩倩的，对妈好一点儿。”向南使劲点了点头。

由表1 可知，乳酸分子蒸馏纯化装置运行时采用不同真空机组抽真空，所达到的效果不同. 单独或联合采用水环和罗茨真空泵时，不消耗蒸汽，但抽真空的效果较差. 采用水环、罗茨和蒸汽真空泵三泵联用抽真空，分子蒸馏设备的负载真空度可达到10 Pa，与二级蒸汽真空泵联用相比相差不大，都能达到高真空. 但二级蒸汽真空泵联用耗用蒸汽过高，造成乳酸成本高，单独一级蒸汽真空泵达不到高真空. 因此大型乳酸分子蒸馏纯化装置的本研究真空机组选用了一级水环真空泵、一级罗茨真空泵和一级蒸汽真空泵三泵联用抽真空较好.

由图4可知，刮膜器转子转速较低时，乳酸的收率小，这是由于刮膜器转子在低转速时，分子蒸馏器的蒸发面形成的液膜不均匀，传质和传热慢. 随着刮膜器转子转速逐渐增加，乳酸的收率不断增大，当转子速率增加到125～135 r/min时，乳酸收率增加变缓，继续增加转速大于135 r/min时，收率增加幅度加快，同时产品中的金属离子含量也大幅增加. 原因是刮膜器转子转速太快，进入分子蒸馏器内的乳酸未经蒸发被刮膜器甩到内冷器上，导致产品质量降低. 因此，选择刮膜器转子转速125～135 r/min的范围为最佳工艺参数.

表2 不同温度对分子蒸馏下料乳酸结晶的影响Tab.2 Effect of different temperature on crystallization of lactic acid from molecular distillation feedstock

由表2 可知，分子蒸馏下料的轻相乳酸在温度小于30 ℃时，存在结晶现象，这是由于乳酸经分子蒸馏后，大部分的杂质和水已经除去，质量分数和纯度较高，温度较低时乳酸会结晶. 温度大于30 ℃时，短时间内产品不存在晶体，生产中增加温度则增加蒸汽消耗. 因此，分子蒸馏器内冷凝温度选择30 ℃利于工业化生产连续稳定运行.

2.2.2 分子蒸馏器蒸发温度的选择

分子蒸馏过程是乳酸和其他杂质分离的过程，分子蒸馏器的蒸发温度直接影响乳酸产品的质量和收率［14-15］.原料进入蒸发器内壁后被加热，在高真空的条件下，物料的沸点大大地降低，从而使物料轻重组分中的轻组分蒸发出来，轻分子进入到冷凝系统中，而没有被蒸发的重组分从蒸发器底部排出. 当蒸发温度过高时，乳酸溶液中的重组分被蒸发出的比例增加，则收率增加［16］，产品中的杂酸和金属离子含量等杂质也同时增加；蒸发温度过低，重相中未被蒸发的乳酸量增加，收率降低. 在操作压力10 Pa（真空度），冷凝温度选择30 ℃，其他条件相同的情况下，试验分子蒸馏的不同蒸发温度对乳酸产品金属离子总量和收率的影响，结果见图3.

图3 短程蒸馏温度对产品收率和质量的影响Fig.3 Effect of short-range distillation temperature on yield and quality

由图3 可知，随着分子蒸馏器的蒸发温度升高，收率逐渐增大，产品中的金属离子总量增加. 当温度≤60 ℃时，随着温度升高，原料中的重组分被蒸发出的比例较小，产品中的金属离子总量随温度升高变化不大，当温度>60 ℃时，原料中的重组分被蒸发出的比例开始迅速增加，产品中的金属离子总量增加较快. 由产品收率曲线可以看出，随着分子蒸馏器的蒸发温度升高，产品收率逐渐增大，当温度≥55 ℃时，由于原料中乳酸被蒸发出的比例达到一定限值，继续升高温度产品收率增长变缓. 工业化生产中为保持最佳的经济效益和产品质量，综合考虑使产品收率尽可能大，产品中的金属离子总量尽可能少，选择分子蒸馏器的蒸发温度55～60 ℃为最佳温度.

用于工业化生产的乳酸分子蒸馏纯化装置，在实际运行中，由于装置存在一定的泄漏率，难以保持设计的真空度［11］. 而真空度的高低对产品质量有直接影响，分子蒸馏乳酸过程中，真空度越低，设备内的气体压强越高，乳酸的沸点越高，其生产出的乳酸产品纯度越低. 反之，真空度越高则产品纯度越高. 因此，乳酸分子蒸馏纯化装置的真空度是影响产品质量的最主要指标之一. 目前国内乳酸生产企业采用分子蒸馏纯化装置的很少，一是设备价格昂贵，二是国内大型分子蒸馏纯化装置负载物料运行中难以保持高真空（“高真空”<13.332 Pa），产品质量和收率达不到需求.

2.2.3 刮膜转子转速的选择

从连续运行5批次的试运行结果可以看出，分子蒸馏后的乳酸品质提升显著，产品收率达到96%以上，可工业化连续运行.

在分子蒸馏器的内壁（捕集器）靠近中层加热层一端的温度为蒸馏温度，内冷器一端的温度为冷凝温度. 通常分子蒸馏设备捕集器的冷端采用常温水循环降温，保持25 ℃. 而对于乳酸来说，物料在薄膜蒸发器内除去水后，进入分子蒸馏器内的乳酸质量分数达到95%以上（分子蒸馏出料轻相乳酸质量分数通常在99%以上），一定浓度的乳酸在遇冷后会出现结晶现象［12-13］，常温的冷凝温度容易造成管道堵塞，不利于生产运行. 因此，分子蒸馏纯化装置应用于乳酸行业，应适当提高冷凝温度，从而保持生产运行稳定. 对分子蒸馏刚下料的轻相乳酸（质量分数≥95%），取500 mL在恒温水浴锅内进行结晶试验，选择25～38 ℃范围的水浴温度保持1 h，观察乳酸产品结晶情况，结果见表2.

图4 刮膜转子转速对产品收率和质量的影响Fig.4 Effect of rotor speed of scraping membrane on yield and quality of product

2.3 连续试运行结果

利用1.25 t/h 乳酸分子蒸馏纯化装置纯化处理经过离子交换提纯后质量分数80%的乳酸，选用水环真空泵、罗茨真空泵和蒸汽真空泵三泵联用抽真空. 原料乳酸经120 ℃薄膜蒸发后除去大部分的水分和杂酸，再进入分子蒸馏器使乳酸和其他杂质分离，分子蒸馏器的轻相乳酸下料口排出的轻相乳酸，即为质量分数99%以上的高纯度乳酸产品. 而分子蒸馏器重相乳酸下料口排出的是残留的乳酸、糖和金属离子等混合液，由于乳酸分子蒸馏副产的该混合液杂质较多，被称为重相乳酸、工业级乳酸或黑乳酸，经再加工可制备乳酸盐类［20-21］. 控制分子蒸馏器的冷凝温度30 ℃，蒸发温度55～60 ℃，刮膜器转子转速125～135 r/min，进行连续运行5批次试验，结果见表3.

2.2.1 分子蒸馏器冷凝温度的选择

表3 连续5批次的试运行结果Tab.3 Effect of trial operation of 5 consecutive batches

对于刮膜式分子蒸馏装置［17］，分子蒸馏蒸发器的刮膜转子是设备的核心部件，用以将物料刮成非常均匀的薄膜状，使物料在蒸发器内壁各个部位的液膜厚度均一，对于保证良好的传热传质效率起到非常重要的作用［18-19］. 采用德国VTA公司的SKR型刮板式刮膜转子，材质为复合石墨（石墨材料是惰性的，不会对物料构成任何污染），刮板内有凹槽，处理黏度可达10 000 cP（厘泊）的物料. 分子蒸馏蒸发器刮膜转子的转速是使物料液膜均匀的必要条件，初步设定分子蒸馏器的蒸发温度为55 ℃，冷凝温度30 ℃，其他条件相同的情况下，试验刮膜转子转速对产品收率和质量的影响，结果见图4.

3 结论

1）用于工业化生产的乳酸分子蒸馏纯化装置真空机组选用水环真空泵、罗茨真空泵和蒸汽真空泵三泵联用抽真空，设备运行时的负载真空度可达到10 Pa.

2）分子蒸馏器在冷凝温度30 ℃，蒸发温度55～60 ℃，刮膜器转子转速125～135 r/min条件下，精品乳酸收率达到96%以上.

习近平在谈到古丝绸之路的历史渊源时说到，“我们的先辈筚路蓝缕，开辟出联通亚欧非的陆上丝绸之路；我们的先辈扬帆远航，闯荡出连接东西方的海上丝绸之路”，以此阐明“一带一路”倡议不是没有根据的凭空想象，而是古丝路的一种新时代的延伸。他同时也指出，“历史是最好的老师”暗示我们要像我们的先辈那样携手推行“一带一路”倡议，增强了沿线各国建设“一带一路”的使命感。

资金投入。平台建设初期，往往是看不到投入回报的，企业需要投入大量资金去摸索。这个过程中的最大支出，是构建学习平台时的应用程序、连接服务和IT 服务费用，接下来是内容资源、人力资源等投入。我们在这个过程中，始终关注战略重点的投入，尽量聚焦，把有限的资金用在刀刃上，力争最大化发挥资金效能。目前，学院资源平台建设，投入资金合计不到500 万元，实现了又好又快又省发展。

3）通过优化乳酸分子蒸馏纯化装置的真空机组，提高设备负载运行时的极限真空度，优化分子蒸馏器运行时的工艺技术参数，提高分子蒸馏的纯化效果. 从而解决由于乳酸的腐蚀性和黏性，分子蒸馏纯化装置在乳酸行业规模化应用存在的真空度低、收率低、副产物附加值低等问题.

4）乳酸分子蒸馏的副产物重相乳酸，可用来制备附加值高的乳酸盐或循环到提取工艺使用，其再利用技术是分子蒸馏纯化技术在乳酸行业应用上需要解决的新课题.