超临界二氧化碳萃取天然维生素E的研究
超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction,简称SFE)是一项具有精馏和萃取这两个传统工艺过程特性的新型化工分离技术,具有选择性高、传质系数大、操作温度温和、超临界流体溶解能力强且可调、可循环使用等优点,特别适用于分离一些用精馏方法难以分离的高沸点组分或热敏性组分,体现出了某些特殊的分离效能,因此超临界流体萃取技术已成为一种新型绿色节能的化工分离方法。随着物质生活水平的改善提高和对健康的日益重视,人们越来越崇尚“回归自然”,对绿色食品和天然产物的需求日益增多,对质量的要求日益提高。作为有很高销量的大豆油生产的副产品——大豆油脱臭馏出物,利用超临界二氧化碳从大豆油脱臭馏出物中萃取天然维生素E不仅可以变废为宝,而且有很高的实用价值。
本文对超临界二氧化碳从大豆油脱臭馏出物中连续逆流萃取天然维生素E的研究工作主要包括以下几个方面:
(1)探索了超临界二氧化碳从大豆油脱臭馏出物中萃取天然维生素E的工艺流程——包括预处理工艺和超临界二氧化碳连续逆流萃取工艺两个部分:建立了超临界二氧化碳从大豆油脱臭馏出物中萃取天然维生素E的实验装置,进行了大量的实验,确定了最佳的实验操作条件；对超临界二氧化碳从大豆油脱臭馏出物中萃取天然维生素E进行了中试实验研究,为实现超临界二氧化碳从大豆油脱臭馏出物中萃取天然维生素E的工业生产奠定了实验基础。
(2)提出了适宜于超临界二氧化碳从大豆油脱臭馏出物中萃取和浓缩天然维生素E工艺中的预处理方法——甲酯化法,甲酯化法是指大豆油脱臭馏出物在过量甲醇的保护下,经过酯化、醇解、二次酯化,将其中的脂肪酸转变为脂肪酸甲酯,脂肪酸甘油酯转变为脂肪酸甘油甲酯,甾醇酯转变为游离甾醇,同时用石油醚为溶剂进行冷冻结晶,得到了很好的甾醇晶体；在最佳实验条件下,能将天然维生素E含量5％(w／w)左右的大豆油脱臭馏出物浓缩并将天然维生素E含量提升到20％(w／w)以内,同时天然维生素E收率可达90％(w／w)以上,保证了进一步浓缩天然维生素E的可能；在甲酯化法研究过程中,通过实验确定了比较温和的酯化反应条件,并对甲酯化反应机理进行了初步的分析。
(3)对超临界二氧化碳利用单个萃取塔从甲酯化的大豆油脱臭馏出物中萃取天然维生素E工艺进行了实验研究,结果表明在萃取塔塔顶采出的产品中还含有部分脂肪酸甲酯没有被分离,因此需要对甲酯化的大豆油脱臭馏出物中的天然维生素E和脂肪酸甲酯进一步分离；建立了超临界二氧化碳连续逆流萃取甲酯化的大豆油脱臭馏出物中的天然维生素E的双塔工艺流程,并比较了超临界二氧化碳连续逆流单塔、双塔和三塔萃取工艺流程,结果表明,综合考虑萃取总体效果以及工业化连续放大生产的可能性等因素,将大豆油脱臭馏出物进行甲酯化预处理后,利用超临界二氧化碳双塔萃取技术提取大豆油脱臭馏出物中的天然维生素E是最佳方案；确定了超临界二氧化碳连续逆流双塔萃取甲酯化的大豆油脱臭馏出物中的天然维生素E工艺流程的最佳操作条件:甲酯化的大豆油脱臭馏出物进料量0.02kg·h-1,萃取塔压力24MPa,温度50℃,θ环填料,在3号位置加料,精馏塔压力20MPa,温度梯度80-70-60-50-40℃,三角填料,填料高度228cm,气液比在100kg·kg-1左右,可将甲酯化后的大豆油脱臭馏出物中的天然维生素E含量浓缩到60％(w／w)左右,同时可实现天然维生素E收率在95％(w／w)左右。
(4)大豆油脱臭馏出物是一个组分非常复杂的物系,其物性数据是非常缺乏的,利用经验公式对物性数据进行了估算,并将部分组分的物性数据和文献值进行了比较,结果表明本文估算物性数据的方法正确,数据真实可靠；通过估算的物性数据可以证明,甲酯化后的大豆油脱臭馏出物比大豆油脱臭馏出物的密度增加了,粘度减少了；天然维生素E在甲酯化的大豆油脱臭馏出物中的扩散系数比在大豆油脱臭馏出物中的扩散系数要高30％以上；在测定的压力和温度范围内甲酯化的大豆油脱臭馏出物中的天然维生素E与脂肪酸甲酯相比属于低溶解性的成分；超临界二氧化碳表现出对甲酯化的大豆油脱臭馏出物中的天然维生素E更高的选择性,比对脂肪酸甲酯的选择性高5倍左右。
(5)依据双膜理论对描述超临界二氧化碳连续逆流从大豆油脱臭馏出物中萃取天然维生素E的传质过程进行了详细地分析；根据两相流理论将大豆油脱臭馏出物假定为分散相,超临界二氧化碳假定为连续相,并对分散相和连续相的传质膜系数进行了详细地理论推算,建立了液相总传质系数的理论模型和半经验半理论模型；依据微分质量守恒方程和柱塞流理论,建立了描述从大豆油脱臭馏出物中利用超临界二氧化碳萃取天然维生素E的传质模型,模型计算得到的天然维生素E的含量计算值和实验值之间吻合较好；还考查了轴向扩散系数对传质过程的影响,结果表明对于长径比很大的设备来说可以忽略轴向扩散系数对传质过程的影响。
以上的研究结果对利用超临界二氧化碳从大豆油脱臭馏出物中连续逆流萃取天然维生素E的工业化提供了基础研究数据,对超临界流体萃取技术的开发设计和工业化应用具有指导意义。
超临界二氧化碳萃取;天然维生素E;大豆油脱臭馏出物;连续逆流萃取;传质模型
北京化工大学
博士
化学工程与技术
张泽廷
2010
中文
TQ028.32;TQ466.5
194
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）