利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法
2023-11-06 14:01:22 2
利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法
【專利摘要】本發明公開利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，包括如下步驟：（A）使用活性炭對乳酸發酵液經酸解過濾後的料液進行脫色；（B）將脫色後的料液進行離子交換；（C）對離子交換後的料液進行降膜蒸發；（D）將降膜蒸發後得到的乳酸物料進行薄膜蒸發，使物料中水的質量分數小於等於2%；（E）對薄膜蒸發後得到的乳酸物料進行分子蒸餾得到的餾出物為精品乳酸，即為目標產物。本發明生產出的乳酸符合高純度乳酸的要求，能夠直接用來製備聚乳酸。
【專利說明】利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及乳酸的製備方法，特別涉及一種利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法。
【背景技術】
[0002]分子蒸餾是不同於傳統蒸餾依靠沸點差分離原理，而是靠不同物質分子運動平均自由程的差別實現分離。當液體混合物被加熱時，輕分子和重分子會分別逸出液面而進入氣相，由於輕分子和重分子的自由程不同，因此，不同物質的分子從液面逸出後移動距離不同；若在距離蒸發器恰當的距離處設置冷凝器，則輕分子達到冷凝器被冷凝排出，而重分子達不到冷凝器隨混合液排出，從而達到物質分離的目的。
[0003]目前，分子蒸餾技術多應用在高校和科研院所的實驗室內的液一液分離，其生產能力非常小(通常每日分離液體混合物的量為幾百克至幾千克)，而且存在著設備結構複雜、製造技術要求高、設備投資大等問題。
[0004]在乳酸行業，通常是採用多效降膜濃縮裝置對乳酸粗產品進行濃縮而得到食品級乳酸，食品級乳酸大多是作為食品添加劑使用，銷售價格較低。對於生產聚乳酸的企業來說，採用多效降膜濃縮裝置直接生產出來的食品級乳酸由於存在著純度不夠、雜質含量偏高等缺點而不能作為聚乳酸的生產原料。目前，國外內尚無成熟的工業化生產高純度乳酸的生產工藝。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的不足，本發明的目的在於提供一種利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，使生產出的乳酸純度高且雜質含量少，能夠直接用來製備聚乳酸。
[0006]本發明的技術方案是這樣實現的:利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，包括如下步驟:
[0007](A)使用活性炭對乳酸發酵液經酸解過濾後的料液進行脫色；
[0008](B)將脫色後的料液進行離子交換；
[0009](C)對離子交換後的料液進行降膜蒸發；
[0010](D)將降膜蒸發後得到的乳酸物料進行薄膜蒸發，使乳酸物料中水的質量分數小於等於2% ；
[0011](E)對薄膜蒸發後得到的乳酸物料進行分子蒸餾，得到的餾出物為精品乳酸，即為目標產物。
[0012]上述利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，在步驟(D)中:採用刮膜式薄膜蒸發器進行薄膜蒸發，刮板轉`速為20~70轉/分鐘，蒸汽夾套內部溫度為100~150°C，刮膜式薄膜蒸發器內的絕對壓力為101325~8000帕。
[0013]上述利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，在步驟(D)中:刮板轉速為45轉/分鐘，蒸汽夾套內部溫度為120°C，刮膜式薄膜蒸發器內的絕對壓力為10000帕。[0014]上述利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，在步驟(E)中:採用分子蒸餾器對乳酸物料進行分子蒸餾，分子蒸餾器包括圓筒形加熱夾套、內置冷端物料捕集器和刮膜器，圓筒形加熱夾套上部的外側壁上設置有加熱介質出口，圓筒形加熱夾套頂部設置有乳酸物料入口，圓筒形加熱夾套下部的外側壁上設置有加熱介質入口，薄膜蒸發後得到的乳酸物料自乳酸物料入口進入分子蒸餾器並自圓筒形加熱夾套內側壁向下流動，加熱介質從加熱介質入口進入到圓筒形加熱夾套的夾層內並自加熱介質出口流出，以便對圓筒形加熱夾套內側壁上附著的乳酸物料液膜進行加熱，內置冷端物料捕集器安裝設置在圓筒形加熱夾套的軸向中孔內，刮膜器也安裝設置在圓筒形加熱夾套的軸向中孔內，並且刮膜器的刮板位於圓筒形加熱夾套內側壁與內置冷端物料捕集器之間，在圓筒形加熱夾套下部的軸向中孔內傾斜設置有導流板，導流板的高度向位於圓筒形加熱夾套下部的重相乳酸出口方向逐漸降低，導流板用於承接自圓筒形加熱夾套內側壁上流下來的蒸餾剩餘物並將蒸餾剩餘物導流至圓筒形加熱夾套下部的重相乳酸出口，內置冷端物料捕集器穿過導流板，在導流板上且環繞內置冷端物料捕集器設置有直立圓筒，直立圓筒的高度向圓筒形加熱夾套下部的重相乳酸出口方向逐漸變大；內置冷端物料捕集器的冷凝介質入口和冷凝介質出口均位於內置冷端物料捕集器的底部，精品乳酸出口也位於內置冷端物料捕集器的底部，內置冷端物料捕集器至少包括直立在同一圓周上且相間設置的一組冷凝管，每個冷凝管的上端均與冷凝介質出口流體導通，每個冷凝管的下端均與冷凝介質入口流體導通，沿冷凝管表面流下的乳酸物料從精品乳酸出口流出分子蒸餾器；分子蒸餾採用由水環真空泵、羅茨真空泵和蒸汽噴射真空泵組成的真空系統對分子蒸餾器抽真空，首先將真空系統與分子蒸餾器的連接閥門打開；然後將分子蒸餾器的進料閥門和出料閥門關閉；打開水環真空泵，同時開啟圓筒形加熱夾套以便向圓筒形加熱夾套的夾層內輸入加熱介質，使圓筒形加熱夾套內部溫度提升至70攝氏度；待分子蒸餾器內的絕對壓力降至3300pa時，啟動羅茨真空泵，待分子蒸餾器內的絕對壓力降至700pa時，啟動蒸汽噴射真空泵，將分子蒸餾器內的絕對壓力降至15Pa以下；打開分子蒸餾器的進料閥門和出料閥門；保持分子蒸餾器內負載時的絕對壓力為5Pa — 15Pa。
[0015]上述利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，精品乳酸出料量為I~4t/h，分子蒸餾器蒸發熱面的溫度為110_130°C，分子蒸餾器冷麵的溫度為55-60°C，刮膜器轉子轉速為40~150rpm，分子蒸餾器加熱表面至冷端物料捕集器的間距為13~30cm。[0016]上述利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，分子蒸餾器產能為2.3t/h，分子蒸餾器蒸發熱面的溫度為123°C，分子蒸餾器冷麵的溫度為58°C，刮膜器轉子轉速為130rpm,內置冷端物料捕集器由第一組冷凝管和第二組冷凝管組成，第一組冷凝管直立在第一圓周上且每個冷凝管相間設置，第二組冷凝管直立在第二圓周上且每個冷凝管相間設置，第一圓周的直徑大於第二圓周的直徑，第二組冷凝管中的每個冷凝管正對第一組冷凝管的兩個相鄰冷凝管之間的間隙，第一組冷凝管與分子蒸餾器加熱表面的最小距離為20cm、最大距離為25cm，第二組冷凝管與分子蒸餾器加熱表面的最小距離為25cm、最大距離為30cm。
[0017]上述利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，在步驟(E)中:蒸餾剩餘物為重相乳酸，用降膜蒸發得到的酸水對重相乳酸進行稀釋，使得稀釋後的溶液中乳酸的質量分數為15-30%，然後輸送到顆粒碳柱中進行脫色，經顆粒碳柱脫色後的溶液輸送到步驟(C)中進行降膜蒸發，循環分子蒸餾。
[0018]上述利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，薄膜蒸發後得到的酸水輸送到步驟(B)中。
[0019]本發明的有益效果是:本發明技術方案適合工業化生產，所用原料為食品級乳酸，年產量達到萬噸級(約I一2萬噸/年)，冷凝表面靠近蒸發表面，其間的距離小於氣體分子的平均自由程，使蒸發表面汽化的乳酸蒸氣分子可以不與其他分子碰撞，直接到達冷凝表面而冷凝；製備出來的乳酸中的色度、鐵鹽、砷鹽等大大降低，乳酸的純度大幅提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的工藝流程圖；
[0021]圖2為本發明利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的薄膜蒸發器和分子蒸餾器的結構示意圖；
[0022]圖3為分子蒸餾技術的原理示意圖；
[0023]圖4為分子蒸餾器的內部結構示意圖；
[0024]圖5為第一組冷凝管和第二組冷凝管的相對位置結構示意圖。
[0025]圖中:1-乳酸原料入口，2-進料預熱器，3-蒸汽入口，4-冷凝水出口，5-薄膜蒸發器，6-刮膜轉子，7-出料泵，8-中間儲罐，9-真空泵，10-分子蒸餾器，11-真空系統，12-製冷系統，13-圓筒形加熱夾套，14-內置冷端物料捕集器，15-刮膜器，16-加熱介質出口，17-乳酸物料入口，18-加熱介質入口，19-導流板，20-直立圓筒，21-重相乳酸出口，22-精品乳酸出口，23-冷凝介質入口，24-冷凝介質出口，25-真空系統接口，26-第一組冷凝管，27-第二組冷凝管。`
【具體實施方式】
[0026]本實施例利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，包括如下步驟:
[0027](A)使用活性炭對乳酸發酵液經酸解過濾後的料液(乳酸質量分數為10-20%)進行脫色；
[0028](B)將脫色後的料液進行離子交換；
[0029](C)對離子交換後的料液進行降膜蒸發；濃縮成乳酸質量分數為80%的乳酸溶液，
[0030](D)將降膜蒸發後得到的乳酸物料進行薄膜蒸發，使乳酸物料中水的質量分數等於2% ;本實施例採用刮膜式薄膜蒸發器進行薄膜蒸發，刮板轉速為45轉/分鐘，蒸汽夾套內部溫度為120°C，進料量為3200kg/h，絕對壓力為10000帕；經薄膜蒸發後乳酸質量分數為98%，然後進入分子蒸餾器；
[0031](E)薄膜蒸發的目的是將乳酸物料中含水量降低到2%以下(質量分數)，薄膜蒸發之後的乳酸物料的色度較大(通常大於150APHA)，薄膜蒸發並不能除去乳酸物料中水及少量雜酸以外的其它大部分雜質(如鐵鹽和砷鹽)；因此，要想得到除水及少量雜酸以外的其它雜質含量較小的高純度乳酸，必須對薄膜蒸發後得到的乳酸物料進行分子蒸餾，得到的餾出物即為高純度乳酸一精品乳酸，也就是目標產物。
[0032]分子蒸餾器的結構
[0033]採用分子蒸餾器10對乳酸物料進行分子蒸餾，分子蒸餾器10包括圓筒形加熱夾套13、內置冷端物料捕集器14和刮膜器15，圓筒形加熱夾套13上部的外側壁上設置有加熱介質出口 16，圓筒形加熱夾套頂部設置有乳酸物料入口 17，圓筒形加熱夾套13下部的外側壁上設置有加熱介質入口 18，薄膜蒸發後得到的乳酸物料自乳酸物料入口 17進入分子蒸懼器10並自圓筒形加熱夾套內側壁向下流動,加熱介質從加熱介質入口 18進入到圓筒形加熱夾套13的夾層內並自加熱介質出口 16流出，以便對圓筒形加熱夾套內側壁上附著的乳酸物料液膜進行加熱，內置冷端物料捕集器14安裝設置在圓筒形加熱夾套13的軸向中孔內，刮膜器15也安裝設置在圓筒形加熱夾套13的軸向中孔內，並且刮膜器15的刮板位於圓筒形加熱夾套內側壁與內置冷端物料捕集器14之間，在圓筒形加熱夾套13下部的軸向中孔內傾斜設置有導流板19，導流板19的高度向位於圓筒形加熱夾套下部的重相乳酸出口 21方向逐漸降低，導流板19用於承接自圓筒形加熱夾套內側壁上流下來的蒸餾剩餘物並將蒸餾剩餘物導流至圓筒形加熱夾套13下部的重相乳酸出口 21，內置冷端物料捕集器14穿過導流板19，在導流板19上且環繞內置冷端物料捕集器14設置有直立圓筒20，直立圓筒20的高度向圓筒形加熱夾套13下部的重相乳酸出口 21方向逐漸變大；內置冷端物料捕集器14的冷凝介質入口 23和冷凝介質出口 24均位於內置冷端物料捕集器14的底部，精品乳酸出口 22也位於內置冷端物料捕集器14的底部，內置冷端物料捕集器14至少包括直立在同一圓周上且相間設置的一組冷凝管組成，每個冷凝管的上端均與冷凝介質出口 24流體導通，每個冷凝管的下端均與冷凝介質入口 23流體導通，沿冷凝管表面流下的乳酸物料從精品乳酸出口 22流出分子蒸餾器10。
[0034]本實施例中抽真空系統的優化選擇
[0035]目前分子蒸餾裝置多為實驗室裝置，抽真空系統能夠比較容易地使分子蒸餾裝置達到小於IOPa的真空度(絕對壓力，負載時的真空度，空載時小於IPa)。而在工業化生產時，分子蒸餾裝置及其附屬設備進行了數百倍至數千倍的放大，因此設備存在一定的洩露率，採用實驗室中使用的真 空系統無法達到實驗室裝置的真空度水平。而真空度的高低直接影響物料的沸點，採用分子蒸餾技術對乳酸原料進行蒸餾過程中，沸點的高低直接影響著產品的質量(蒸餾乳酸過程中，沸點越高，則產品色度越高，得到的乳酸的品質就越差)。因此，在利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的工藝中，如何保持高真空度對於大型的分子蒸餾器是十分關鍵的技術難題。
[0036]本法實施例在生產能力達到1.25噸/h時,分子蒸懼器達到小於0.1mbarL/s的洩漏率的情況下，對真空機組進行了優化(參見表1)。
[0037]表1不同真空機組的對比試驗
[0038]
【權利要求】
1.利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，其特徵在於，包括如下步驟: (A)使用活性炭對乳酸發酵液經酸解過濾後的料液進行脫色； (B)將脫色後的料液進行離子交換； (C)對離子交換後的料液進行降膜蒸發； (D)將降膜蒸發後得到的乳酸物料進行薄膜蒸發，使乳酸物料中水的質量分數小於等於2% ； (E)對薄膜蒸發後得到的乳酸物料進行分子蒸餾，得到的餾出物為精品乳酸，即為目標產物。
2.根據權利要求1所述的利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，其特徵在於，在步驟(D)中:採用刮膜式薄膜蒸發器進行薄膜蒸發，刮板轉速為20~70轉/分鐘，蒸汽夾套內部溫度為100~150°C，刮膜式薄膜蒸發器內的絕對壓力為101325~8000帕。
3.根據權利要求2所述的利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，其特徵在於，在步驟(D)中:刮板轉速為45轉/分鐘，蒸汽夾套內部溫度為120°C，刮膜式薄膜蒸發器內的絕對壓力為10000帕。
4.根據權利要求1-3任一所述的利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，其特徵在於，在步驟(E)中:採用分子蒸餾器對乳酸物料進行分子蒸餾，分子蒸餾器包括圓筒形加熱夾套、內置冷端物料捕集器和刮膜器，圓筒形加熱夾套上部的外側壁上設置有加熱介質出口，圓筒形加熱夾套頂部設置有乳酸物料入口，圓筒形加熱夾套下部的外側壁上設置有加熱介質入口，薄膜蒸發後得到`的乳酸物料自乳酸物料入口進入分子蒸餾器並自圓筒形加熱夾套內側壁向下流動，加熱介質從加熱介質入口進入到圓筒形加熱夾套的夾層內並自加熱介質出口流出，以便對圓筒形加熱夾套內側壁上附著的乳酸物料液膜進行加熱，內置冷端物料捕集器安裝設置在圓筒形加熱夾套的軸向中孔內，刮膜器也安裝設置在圓筒形加熱夾套的軸向中孔內，並且刮膜器的刮板位於圓筒形加熱夾套內側壁與內置冷端物料捕集器之間，在圓筒形加熱夾套下部的軸向中孔內傾斜設置有導流板，導流板的高度向位於圓筒形加熱夾套下部的重相乳酸出口方向逐漸降低，導流板用於承接自圓筒形加熱夾套內側壁上流下來的蒸餾剩餘物並將蒸餾剩餘物導流至圓筒形加熱夾套下部的重相乳酸出口，內置冷端物料捕集器穿過導流板，在導流板上且環繞內置冷端物料捕集器設置有直立圓筒，直立圓筒的高度向圓筒形加熱夾套下部的重相乳酸出口方向逐漸變大；內置冷端物料捕集器的冷凝介質入口和冷凝介質出口均位於內置冷端物料捕集器的底部，精品乳酸出口也位於內置冷端物料捕集器的底部，內置冷端物料捕集器至少包括直立在同一圓周上且相間設置的一組冷凝管，每個冷凝管的上端均與冷凝介質出口流體導通，每個冷凝管的下端均與冷凝介質入口流體導通，沿冷凝管表面流下的乳酸物料從精品乳酸出口流出分子蒸餾器；分子蒸餾採用由水環真空泵、羅茨真空泵和蒸汽噴射真空泵組成的真空系統對分子蒸餾器抽真空，首先將真空系統與分子蒸餾器的連接閥門打開；然後將分子蒸餾器的進料閥門和出料閥門關閉；打開水環真空泵，同時開啟圓筒形加熱夾套以便向圓筒形加熱夾套的夾層內輸入加熱介質，使圓筒形加熱夾套內部溫度提升至70攝氏度；待分子蒸餾器內的絕對壓力降至3300pa時，啟動羅茨真空泵，待分子蒸餾器內的絕對壓力降至700pa時，啟動蒸汽噴射真空泵，將分子蒸餾器內的絕對壓力降至15Pa以下；打開分子蒸餾器的進料閥門和出料閥門；保持分子蒸餾器內負載時的絕對壓力為5Pa — 15Pa。
5.根據權利要求4所述的利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，其特徵在於，精品乳酸出料量為I~4t/h，分子蒸餾器蒸發熱面的溫度為110-130°C，分子蒸餾器冷麵的溫度為55-60°C，刮膜器轉子轉速為40~150rpm，分子蒸餾器加熱表面至冷端物料捕集器的間距為13~30cm。
6.根據權利要求5所述的利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，其特徵在於，分子蒸餾器產能為2.3t/h，分子蒸餾器蒸發熱面的溫度為123°C，分子蒸餾器冷麵的溫度為58°C，刮膜器轉子轉速為130rpm，內置冷端物料捕集器由第一組冷凝管和第二組冷凝管組成，第一組冷凝管直立在第一圓周上且每個冷凝管相間設置，第二組冷凝管直立在第二圓周上且每個冷凝管相間設置，第一圓周的直徑大於第二圓周的直徑，第二組冷凝管中的每個冷凝管正對第一組冷凝管的兩個相鄰冷凝管之間的間隙，第一組冷凝管與分子蒸餾器加熱表面的最小距離為20cm、最大距離為25cm，第二組冷凝管與分子蒸餾器加熱表面的最小距離為25cm、最大距離為30cm。
7.根據權利要求1-3任一所述的利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，其特徵在於，在步驟(E)中:蒸餾剩餘物為重相乳酸，用降膜蒸發得到的酸水對重相乳酸進行稀釋，使得稀釋後的溶液中乳酸的質量分數為15-30%，然後輸送到顆粒碳柱中進行脫色，經顆粒碳柱脫色後的溶液輸送到步驟(C)中進行降膜蒸發，循環分子蒸餾。
8.根據權利要求1-3任一所述的利用分子蒸餾技術工業化生產乳酸的方法，其特徵在於，薄膜蒸發後得 到的酸水輸送到步驟(B)中。
【文檔編號】C07C51/44GK103724183SQ201310692379
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月16日 優先權日:2013年12月16日
【發明者】張鵬, 於培星, 穆鵬宇, 廉潔, 崔耀軍, 劉喆, 王新, 楊清翔, 顧永華, 葛大森, 張國宣, 張樹銀, 王浩, 師媛媛, 邢曉霞, 李豔坤, 崔紅梅, 周冰輝, 劉恆軍, 張 傑, 楊鋒, 劉曉東, 劉清華 申請人:河南金丹乳酸科技股份有限公司