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分子蒸馏及其在食品工业中的应用 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。本文介绍了分子蒸馏的概念、原理、特点以及影响分子蒸馏速度的因素；其中着重论述了分子蒸馏技术目前在食品工业中的应用发展情况。最后本文对其发展状况及应用前景进行了分析和展望。 关键字:分子蒸馏，食品，应用 0 引言 分子蒸馏（molecular distillation）是在高真空条件下进行的非平衡蒸馏，能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的问题。与常规分离提纯技术相比，分子蒸馏具有浓缩效率高、质量稳定可靠、操作易规范化等优点[1-4]。此技术已经广泛应用于高纯物质的分离，特别适合天然物质的提取与分离。目前分子蒸馏已成功应用于石油化工、食品、塑料、医药等行业[5,6]。 1 分子蒸馏的原理与特点 1.1 分子蒸馏的基本原理 分子蒸馏不同于一般的蒸馏技术，它是运用不同物质分子运动自由程的差别而实现物质的分离[7]。所谓自由程，即是一个分子在相邻两次分子碰撞之间所经过的路程。任一分子在运动过程中都在不断变化自由程，而在一定的外界条件下，不同物质的分子其自由程各不相同。在某时间间隔内自由程的平均值，叫做平均自由程（mean free path）。 图1. 分子蒸馏原理示意图 分子蒸馏能够实现远离沸点下操作。根据分子运动理论，液体混合物的分子受热后运动加剧，会从液面逸出而成为气体分子，随着液面上气体分子的增加，有一部分其他分子就会返回液体，在外界温度保持恒定的情况下，终达到液-气的动态平衡。由分子平均自由程的公式λm：vm/?（λm：分子的平均自由程；vm：某一分子的平均速度；?：碰撞频率）可知，不同的分子由于其运动速度和有效分子直径不同，它们的平均自由程是不相同的；轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，分子蒸馏的分离作用就是利用不同分子的平均自由程不同来实现的。在离液面小于轻分子的平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一捕集器（即冷凝板），使轻分子不断被捕集，从而破坏了轻分子的动平衡而使混合物中的轻分子不断逸出；而重分子因达不到捕集器很快趋于动态平衡，不再从混合液中逸出。这样，液体混合物便达到了分离的目的，其原理图见图1。 分子的自由程是影响分子蒸馏的关键因素[8]。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： 式中：——分子平均自由程； ——波尔兹曼常数； ——分子所处环境温度； ——分子有效直径； P——分子所处空间压力。 从公式可以看出，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1～3 Pa。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。 分子蒸馏必要的条件有如下几点[9]。（1）分子的平均自由程比蒸发面与冷凝面的距离大，真空度要高。在实际装置中，其蒸发面与冷凝面的距离约为25-30mm，因而真空度应在10mmHg一下。（2）在分子蒸馏中，仅液体表面与蒸发有关，因此在蒸发面有必要不断出现新的液面。（3）蒸发面与冷凝面的温度差理论上在前70-100℃之间，实际应尽可能地增大温度差为好。（4）若过分加热，物料稍许分解会使真空度明显降低，只是蒸发暂停进行，因而有必要尽可能均匀加热。 1.2 分子蒸馏的特点 分子蒸馏作为天然产物分离过程中常用的技术，适合用于对热敏感、粗产品中高附加值的成分进行分离和提纯，并且这种分离和提纯是其他常用分离手段难以完成。分子蒸馏还具有无毒、无害、无污染、无残留，减少物料氧化等优点[9]， 同时分子蒸馏与传统的蒸馏相比（两种分离方法不同之处见表1），分子蒸馏技术有如下特点[10]： 一是分离程度高。由于蒸馏液膜薄，传热效率高，分子蒸馏能分离常规不易分开的物质。对于刮膜式分子蒸馏和离心式分子蒸馏，液膜的厚度和操作条件有关，通常降膜式分子蒸馏的液膜厚度是0.0l~0.3 cm，刮膜式分子蒸馏是0.0l~0.025 cm，而离心式分子蒸馏液膜厚度在5×l0-3cm数量级。 表1. 分子蒸馏与常规蒸馏方法的比较[10] 项目条件 分子蒸馏 常规蒸馏 原理 基于不同分子平均自由程的差别 基于不同分子沸点差别 分离效率 高 低 操作温度 远低于沸点 在沸点下