高剪切在加工油中的应用的制作方法
【专利摘要】本文公开了一种加工油的方法，包括：提供高剪切装置，所述高剪切装置包括被构造成将气体与液体混合的至少一个转子和至少一个互补形状的定子；在所述高剪切装置中使气体与油接触，其中所述气体是惰性气体或活性气体；以及形成产物，其中所述产物是溶液、分散体或其组合。本文还公开了一种加工油用的高剪切系统，包括：至少一个高剪切装置，所述高剪切装置具有入口以及构造成将气体与液体混合的至少一个转子和至少一个互补形状的定子；与所述入口流体连接的气体源；与所述入口流体连接的油源；和位于高剪切装置上游的泵，所述泵与所述入口和所述油源流体连接。
【专利说明】高剪切在加工油中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及加工油；具体地涉及利用高剪切装置来加工油。
【背景技术】
[0002] -般来说，油包括植物油、挥发性精油、石化油和合成油。可选择地，油可以分为有 机油和矿物油。存在很多种由植物、动物和其他有机物通过自然代谢过程产生的有机油。 有机油主要含有脂类物质，并且也可以含有诸如蛋白质、蜡和生物碱等其他化合物。另一方 面，矿物油由统称为石化产品的原油或石油以及其精炼组分产生。它们是当今经济中至关 重要的资源。原油源自古化石的有机材料，其经过地球化学作用转化成油。矿物油也可以 指原油的几种特定的馏分。
[0003] 植物脂肪和植物油是源自植物的脂类物质。从物理学上来说，油在室温下是液体， 脂肪是固体。从化学上来说，脂肪和油都由甘油三酸酯组成。它们可以提取自植物的不同 部分；但是主要提取自植物种子。在生产植物油时的一般处理包括提取、脱胶、精炼（化学 和物理）、氢化和除臭。植物油（例如，作为食用油）的共同问题是由氧化导致的酸败或降 解，这可能产生不期望的气味和味道。
[0004] 鸵鸟油广泛地用于化妆品和医药行业。然而，酸败在味道、颜色、气味和营养价值 上产生不期望的化学变化。因此，例如，为了使油稳定和/或提高其质量，需要进一步开发 油加工的方法和系统。
【发明内容】
[0005] 本文公开的是一种加工油的方法。所述方法包括：提供高剪切装置，所述高剪切装 置包括被构造成将气体与液体混合的至少一个转子和至少一个互补形状的定子；在所述高 剪切装置中使气体与油接触，其中所述气体是惰性气体或活性气体；以及形成产物，其中所 述产物是溶液、分散体或其组合。
[0006] 在一些实施方案中，所述溶液用所述气体饱和或过饱和。在一些实施方案中，所 述溶液用所述气体过饱和不少于5%。在一些实施方案中，所述分散体包括平均直径小于 50 μ m的气泡。
[0007] 在一些实施方案中，所述气体包括氮气、惰性气体、二氧化碳、氢气或硫化氢。在一 些实施方案中，所述油包括植物油。在一些实施方案中，所述油包括食用油或非食用油。在 一些实施方案中，所述油包括大豆油。在一些实施方案中，所述油包括鸵鸟油。
[0008] 在一些实施方案中，所述油选自大豆油、葵花籽油、椰子油、玉米油、棉籽油、橄榄 油、棕榈油、花生油（落花生油）、油菜籽油（包括芥花籽油）、红花油、芝麻油、榛子油、杏仁 油、腰果油、澳洲坚果油、蒙刚果坚果油（或曼科缇油）、胡桃油、开心果油、印加果（南美油 藤）油、核桃油、西瓜籽油、葫芦油、水牛葫芦油、南瓜籽油、西葫芦籽油、阿莎伊油、黑加仑 籽油、琉璃苣菜籽油、月见草油、角豆树的种子荚油、苋菜油、杏油、苹果籽油、阿干树油、朝 鲜蓟油、鳄梨油、巴巴苏仁油、山嵛油、婆罗洲牛油果油、好望角美木芸香木油（岩谷油）、角 豆荚油（牧豆树荚果油）、桂皮油、可可油、苍耳子油、羽叶棕油、胡荽籽油、地卡油、亚麻芥 油、亚麻籽油、葡萄籽油、大麻油、木棉籽油、红麻籽油、拉曼油、玛鲁拉油、白芒花籽油、芥子 油、肉豆蘧脂、秋葵籽油、番木瓜籽油、紫苏籽油、佩基油、松籽油、李子核仁油、藜油、盏金花 油、米糠油、罗伊尔油、茶籽油（山茶油）、蓟油、油莎草油（或坚果莎草油）、番茄籽油、麦胚 芽油、蓖麻油、椰子油（椰子壳油）、玉米油、棉籽油、亚麻芥油、大麻油、芥子油、棕榈油、花 生油、萝卜油、油菜籽油、盏金花油、米糠油、红花油、海蓬子油、油莎草油、桐油、海藻油、柯 拜巴脂、洋基油、麻疯树油、荷荷芭油、白乳木、石油坚果油、核桃油、达玛油、亚麻籽油、罂粟 籽油、乌柏油（乌桕脂油）、斑鸠菊油、柠檬油、橙油、葡萄柚籽油、黄波罗果油、卤刺树油、膀 胱荚油、鸦胆子油、牛蒡油（芒壳油）、石栗子油、胡萝卜籽油、蓖麻油、大风子油、海甘蓝油、 萼距花油、婆罗树脂、荷荷芭油、芒果油、罗勒籽脂、印楝油、欧姜油、玫瑰籽油、橡胶籽油、沙 棘油、牛油树脂、雪球籽油（荚莲油）、妥尔油、琼崖海棠油、零陵香豆油（香二翅豆油）和其 组合。
[0009] 在一些实施方案中，所述方法包括利用本公开的方法和现有的油加工方法。在一 些实施方案中，本公开的方法在精炼油和漂白油之间应用。在一些实施方案中，本公开的方 法在使油除臭之后应用。在一些实施方案中，本公开的方法应用超过一次。
[0010] 本文还公开了一种加工油用的高剪切系统，包括：至少一个高剪切装置，所述高剪 切装置具有入口以及构造成将气体与液体混合的至少一个转子和至少一个互补形状的定 子；与所述入口流体连接的气体源；与所述入口流体连接的油源；和位于高剪切装置上游 的泵，所述泵与所述入口和所述油源流体连接。
[0011] 在一些实施方案中，所述气体源被构造成提供氮气、惰性气体、二氧化碳、氢气或 硫化氢。在一些实施方案中，所述系统还包括至少一个换热器，其中所述换热器被构造成预 先加热所述油。在一些实施方案中，所述高剪切装置被构造成形成所述气体在所述油中的 产物，其中所述产物是溶液、分散体或其组合。
[0012] 在一些实施方案中，所述系统还包括油提取单元。在一些实施方案中，所述系统还 包括脱胶单元。在一些实施方案中，所述系统还包括中和单元。在一些实施方案中，所述系 统还包括漂白单元。在一些实施方案中，所述系统还包括氢化单元。在一些实施方案中，所 述系统还包括除臭单元。在一些实施方案中，所述系统还包括蒸汽精炼单元。
[0013] 在以下的【具体实施方式】和附图中将明显地看出这些和其他实施方案、特征和优 点。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 为了对本发明的优选实施方案进行更详细的说明，下面参照附图，其中：
[0015] 图1是根据本发明实施方案的用于加工油的高剪切装置的断面图；
[0016] 图2A示出了根据本发明实施方案的加工油的方法；
[0017] 图2B示出了根据本发明实施方案的高剪切油加工系统的示意图；
[0018] 图3示出了根据本发明实施方案的具有空置端口以嵌入气体分子的油分子；
[0019] 图4是示出通过高剪切处理获得的过饱和油-气产物的真空脱气处理的照片；
[0020] 图5A?5C是示出在高剪切处理后油中的氢气泡的扫描电子显微照片。所示出的 氢气泡的直径为约〇. 5 μ m?约2 μ m。
【具体实施方式】
[0021] 概述
[0022] 在本公开中，说明了加工油的方法。在本公开中，除非另有说明，油都是指有机油。 另外，在本公开中，植物油通常用作有机油的代表。本领域技术人员容易理解，本文所述的 植物油用的高剪切处理方法和系统也适用于其他油。为便于参考，在本公开中所使用的术 语"植物油"包括植物油和植物脂肪。本领域技术人员容易理解，通过调整处理温度以使 固相植物脂肪处于液相植物油的形式，加工植物油（液相）的方法也适用于加工植物脂肪 (固相）。
[0023] 该方法包括在高剪切装置中将气体（例如，氮气）与油混合以形成气体在油中的 产物，其中该产物是溶液、分散体或其组合。为便于参考，在本公开的全文中，油-气产物 也可以被称作分散体/溶液。油-气产物在高剪切处理后更抗氧化，因此更稳定。此外， 油-气产物能够保留更有价值的化合物，例如，ω-3脂肪酸。
[0024] 尽管不希望受到理论的限制，但是认为高剪切作用能够使气体在油中过饱和以使 植物油中存在的氧量减少，因而减少对油产生的氧化作用。此外，在分子水平，气体分子为 不饱和的甘油三酸酯提供内部屏蔽效应，从而进一步防止或推迟氧化/酸败。
[0025] 过饱和
[0026] 在一些实施方案中，施加高剪切作用能够用气体使油过饱和（与当未施加高剪切 作用时相比）并产生稳定溶液。在本公开中，过饱和指的是，当在相同的条件下比较时，溶 液（或溶剂）中所含的溶质量大于在平衡状态时的溶质量。溶质过量的百分数是溶液过饱 和度的量度。
[0027] 在一些实施方案中，过饱和溶液在环境条件下长时间稳定。在一些实施方案中，气 体从溶液释放需要施加真空，例如，参照图4。
[0028] 在一个实施方案中，溶液用气体过饱和。在一些实施方案中，溶液用气体过饱和不 少于5%。在一些实施方案中，溶液用气体过饱和不少于10%。在一些实施方案中，溶液用 气体过饱和不少于15%。在一些实施方案中，溶液用气体过饱和不少于20%。在一些实 施方案中，溶液用气体过饱和不少于25%。在一些实施方案中，溶液用气体过饱和不少于 30%。在一些实施方案中，溶液用气体过饱和不少于35%。在一些实施方案中，溶液用气体 过饱和不少于40%。在一些实施方案中，溶液用气体过饱和不少于45%。在一些实施方案 中，溶液用气体过饱和不少于50%。
[0029] 气体
[0030] 在一个实施方案中，气体选自氮气、二氧化碳、氢气、硫化氢、惰性气体和其组合。
[0031] 油
[0032] 在本公开中，油包括植物油。植物油包括大豆油、葵花籽油、椰子油、玉米油、棉籽 油、橄榄油、棕榈油、花生油、油菜籽油（包括芥花籽油）、红花油、芝麻油、榛子油、杏仁油、 腰果油、澳洲坚果油、蒙刚果坚果油（或曼科缇油）、胡桃油、开心果油、印加果（南美油藤） 油、核桃油、西瓜籽油、葫芦油、水牛葫芦油、南瓜籽油或西葫芦籽油。
[0033] 其他类型的植物油包括阿莎伊油、黑加仑籽油、琉璃苣菜籽油、月见草油、角豆树 的种子荚油、苋菜油、杏油、苹果籽油、阿干树油、朝鲜蓟油、鳄梨油、巴巴苏仁油、山嵛油、婆 罗洲牛油果油、好望角美木芸香木油（岩谷油）、角豆荚油（牧豆树荚果油）、桂皮油、可可 油、苍耳子油和羽叶棕油。植物油的其他例子是胡荽籽油、地卡油、亚麻芥油、亚麻籽油、葡 萄籽油、大麻油、木棉籽油、红麻籽油、拉曼油、玛鲁拉油、白芒花籽油、芥子油、肉豆蘧脂、秋 葵籽油、番木瓜籽油、紫苏籽油和佩基油。
[0034] 其他类型的植物油包括松籽油、李子核仁油、藜油、盏金花油、米糠油、罗伊尔油、 茶籽油（山茶油）、蓟油、油莎草油（或坚果莎草油）、番茄籽油和麦胚芽油。
[0035] 也可以使用本文公开的方法加工生物燃料用的植物油。一些例子是蓖麻油、椰子 油（椰子壳油）、玉米油、棉籽油、亚麻芥油、大麻油、芥子油、棕榈油、花生油、萝卜油、油菜 籽油、盏金花油、米糠油、红花油、海蓬子油、大豆油、葵花籽油、油莎草油和桐油。另外一些 例子是海藻油、柯拜巴脂、洋基油、麻疯树油、荷荷芭油、白乳木和石油坚果油。
[0036] 一些干性油（在标准室温下干燥成硬饰面的植物油）也可以类似地被加工，例如 核桃油、葵花籽油、红花油、达玛油、亚麻籽油、罂粟籽油、乌柏油（也称为乌桕油）、桐油和 斑鸠菊油等。
[0037] 在本公开中的植物油也包括柑桔油，例如柠檬油、橙油、葡萄柚籽油、黄波罗果油、 卤刺树油、膀胱荚油、鸦胆子油、牛蒡油（芒壳油）、石栗子油、胡萝卜籽油、蓖麻油、大风子 油、海甘蓝油、萼距花油、婆罗树脂、荷荷芭油、芒果油、罗勒籽脂、印楝油、欧姜油、玫瑰籽 油、橡胶籽油、沙棘油、牛油树脂、雪球籽油（荚莲油）、妥尔油、琼崖海棠油和零陵香豆油 (香二翅豆油）等。
[0038] 在某些情况下，在本公开中的油包括任意的不饱和甘油三酸酯油。这包括大豆、玉 米、棕榈和鱼油。其也包括鸵鸟油。
[0039] 高剪切装置
[0040] 诸如高剪切混合器和高剪切研磨器等高剪切装置（HSD) -般基于其混合流体的 能力来归类。混合是在流体内使不均匀的物种或颗粒的尺寸减小的过程。混合度或混合完 全的一个度量是混合装置产生以使流体打乱的每单位体积的能量密度。基于传递的能量 密度来归类。存在三类具有足够的能量密度以连续形成颗粒或气泡尺寸约〇. 001 μ m?约 50 μ m的分散体的工业混合器。
[0041] 均质阀系统通常归类为高能装置。将要处理的流体在高压条件下经由窄间隙阀泵 送或注入低压环境中。通过阀门的压力梯度以及所产生的湍流和汽蚀起到打碎并轻度剪切 流体中的任意颗粒、长链分子、气泡、微团或不同相的作用。这些阀系统最常用于牛奶均化 并可以得到约0. 01 μ m?约1 μ m的平均粒径。在分类谱的另一端是归类为低能装置的流 体混合器系统。这些系统通常具有在将要处理的流体的贮存器中以高速转动的桨叶或流体 转子，该流体在许多更常用的应用中为食物产品。当在所处理的流体中平均尺寸大于20 μ m 的颗粒、小球体或气泡可以接受时，通常使用这些系统。
[0042] 就传递到流体的混合能量密度方面而言，在低能、高剪切混合器和均质阀系统之 间的是归类为中能装置的胶体研磨机。典型的胶体研磨机构造包括锥形或盘形转子，该 锥形或盘形转子与互补的、液体冷却的定子隔开精密控制的转子-定子间隙，该间隙可以 为约0.25μπι?10.0mm。例如，转子可以由电动机经由直接驱动来驱动，或可选择地经由 皮带机构来驱动。许多经过适当调整的胶体研磨机可以在所处理的流体中实现尺寸为约 0. 001 μ m?约25 μ m的平均颗粒或气泡。这些能力使胶体研磨机适于多种应用，包括但不 限于：胶体和油/水基分散体处理。在某些情况下，胶体研磨机可以应用于诸如化妆品、蛋 黄酱、有机硅/银汞合金、屋顶浙青混合物和某些涂料产品的制备等处理中。
[0043] 下面参照图1，其示出了高剪切装置200的示意图。高剪切装置200包括至少一个 转子-定子组合。转子-定子组合也可以没有限制地被称为发生器220、230、240或各级。 高剪切装置200包括至少两个发生器，最优选地，高剪切装置包括至少三个发生器。第一发 生器220包括转子222和定子227。第二发生器230包括转子223和定子228 ;第三发生器 包括转子224和定子229。对于各发生器220、230、240,转子被输入部250可旋转地驱动。 发生器220、230、240被构造成绕着轴260在旋转方向265上旋转。定子227与高剪切装置 壁255固定连接。
[0044] 发生器包括在转子和定子之间的间隙。第一发生器220包括第一间隙225 ;第二 发生器230包括第二间隙235 ;第三发生器240包括第三间隙245。间隙225、235、245为约 0· 25 μ m(l(T5in)?10. 0mm(0. 4in)宽。可选择地，间隙 225、235、245 为约 10. 0 μ m?10. Omm 宽。可选择地，加工包括利用其中间隙225、235、245为约0. 5mm(0. 02in)?约2. 5mm(0. Iin) 的高剪切装置200。在某些情况下，间隙保持在约I. 5mm (0. 06in)。可选择地，各发生器220、 230、240的间隙225、235、245不同。在某些情况下，用于第一发生器220的间隙225约大于 用于第二发生器230的间隙235,用于第二发生器230的间隙235约大于用于第三发生器 240的间隙245。
[0045] 另外，间隙225、235、245的宽度可以包括与间隙225、235、245的尺寸减小相互关 联的粗、中、细和超细特性。转子222、223和224以及定子227、228和229可以是齿形设计。 如本领域已知的，各发生器可以包括两组以上转子-定子齿。转子222、223和224可以包 括绕着各转子的圆周周向隔开的多个转子齿。定子227、228和229可以包括绕着各定子的 圆周周向隔开的多个定子齿。
[0046] 在特定的实施方案中，转子齿绕着各转子222、223和224的圆周具有均匀的间 距。例如，各齿之间的距离可以为约0.5mm(0.02in)?约2.5mm(0. lin)，可选择地，为约 0· 5mm(0. 02in)?约I. 5mm(0. 06in)。在某些情况下，间隙保持在约I. 5mm(0. 06in)。在某 些情况下，各转子222、223和224上的各齿之间的距离可以不同。尽管不受理论限制，但是 改变转子222、223和224的齿的间隙可以使剪切速率随着转子的转动有节奏地跳动。
[0047] 在特定的实施方案中，定子齿绕着各定子227、228和229的圆周具有均匀的间 距。例如，各齿之间的距离可以为约0.5mm(0.02in)?约2.5mm(0. lin)，可选择地，为约 0· 5mm(0. 02in)?约I. 5mm(0. 06in)。在某些情况下，间隙保持在约I. 5mm(0. 06in)。在某 些情况下，在各定子227、228和229上的各齿之间的距离可以不同。尽管不受理论限制，但 是改变齿的间隙可以使定子227、228和229构造成使剪切速率随着转子的转动有节奏地跳 动。
[0048] 在一个实施方案中，转子的内径为约11.8cm。在一个实施方案中，定子的外径为 约15. 4cm。在其他实施方案中，转子和定子可以是转子的外径为约60mm，定子的外径为 约64_。可选择地，例如在商业规模装置中，为了提高尖端速度和剪切压力，转子和定子 可以构造成具有交替的直径。尽管不受理论限制，但是商业规模的转子和定子可以具有 相当大的直径，例如，以米为测量单位。在特定的实施方案中，三级中的各级都用包括约 0. 025_?约3_的间隙的超细发生器操作。当通过高剪切装置200传送包括可分散相和 连续相的料流205时，预先设定间隙宽度以实现所需要的分散体。
[0049] 料流205包括在高剪切混合后形成分散体用的连续相和可分散相。在某些情况 下，料流205的连续相包括例如油等液流。连续相还可以没有限制地包括溶剂、载液或反应 物载体。料流205的可分散相包括用于分散到连续相中的气体或诸如水蒸汽等蒸汽。可选 择地，可分散相包括溶解在不轻易与连续相混合和/或不轻易溶解在连续相中的载液中的 气体。在料流205将要与气体反应的情况下，可分散相包括：气泡、气体粒子、蒸汽滴、小球 体、微团或其组合。料流205可以在可分散相中包括例如催化剂等粒状固体组分。如本文 中所使用的，包含气体、液体和固体的可分散相包括颗粒。在某些情况下，料流205包括可 分散相在连续相中的不均匀混合物。不均匀混合物可以是诸如浆或糊等高粘性液体。如本 文中所使用的，不均匀混合物在可分散相中包含包括油流的连续相。尽管不受任何特定理 论限制，但是包括不均匀混合物的料流205在引入高剪切装置200之前或同时具有连续相 和可分散相。
[0050] 通过发生器220、230、240泵送引入高剪切装置200中的料流205,从而形成产物分 散体210。产物分散体210包括在连续相中均匀分布的可分散相的颗粒。在各发生器中， 转子222、223、224相对于固定的定子227、228、229以高速旋转。转子的旋转强制转子222 的外表面和定子227的内表面之间的诸如料流205等流体形成局部高剪切条件。间隙225、 235、245产生处理料流205的高剪切力。转子和定子之间的高剪切力形成可分散相颗粒在 连续相中的更均匀的分散以形成产物分散体210。另外，高剪切力降低平均粒径。高剪切 装置200的各发生器220、230、240都具有用于产生所需要的粒径的窄分布的可互换的转 子-定子组合。尽管不受理论限制，但是选择转子-定子组合以形成所需要的分散体和粒 径。
[0051] 产物分散体210具有小于约1. 5 μ m的平均粒径；在某些情况下，颗粒具有亚微米 级的直径。在某些情况下，平均粒径为约1. 〇 μ m?约0. 1 μ m。可选择地，平均粒径小于约 400nm(0. 4 μ m)，最优选地小于约100nm(0. 1 μ m)。优选地，小球体至少是微米级的。在某些 情况下，高剪切装置200被构造成产生在油中的微米级蒸汽分散体。在一个实施方案中，发 生器220、230、240被构造成产生平均颗粒或小球体尺寸是直径为约1 μ m?约500 μ m的蒸 汽分散体。在特定的实施方案中，小球体尺寸的直径为约50 μ m。小球体尺寸可受施加到流 体上的剪切量和如前所述的发生器220、230、240的构造控制。
[0052] 尖端速度是向高剪切装置中的内容物传递能量的一个以上回转元件的端部的速 度（m/sec)。对于回转元件来说，尖端速度是转子的尖端每单位时间运行的周向距离，并通 常由方程式V(m/ Sec) = π ·?·η限定，其中V是尖端速度，D是以米为单位的转子的直径， η是转子的转速，以每秒钟的转数计。因而，尖端速度是转子直径和转速的函数。在特定的 实施方案中，改变直径或转速可以提高高剪切装置200中的剪切速率。
[0053] 对于胶体研磨机，典型的尖端速度超过23m/sec(4500ft/min)并可以超过40m/ sec(7900ft/min)。为了本公开的目的，术语'高剪切'指的是尖端速度能够超过lm/ sec (200ft/min)并需要外部机械驱动动力装置以将能量驱动到高剪切装置中的内容物 的诸如研磨器或混合器等机械转子-定子装置。高剪切装置将高尖端速度与非常小的剪 切间隙组合以在将要处理的材料上产生显著摩擦。因此，在操作过程中，在尖端处产生约 IOOOMPa(约145, OOOpsi)?约1050MPa(152, 300psi)的局部压力和高温。在特定的实施方 案中，局部压力至少为约l〇34MPa(约150, OOOpsi)。局部压力还取决于在操作过程中的尖 端速度、流体粘度和转子-定子间隙。
[0054] 剪切速率是尖端速度除以剪切间隙宽度（转子和定子之间的最小间隙）。输入流 体（kW/1/min)中的能量近似值可以通过测量电动机能量（kW)和流体输出（Ι/min)来得 至IJ。在一个实施方案中，高剪切装置的能量耗费大于l〇〇〇W/m 3。在一个实施方案中，能量耗 费为约 3000W/m3 ?约 7500W/m3。
[0055] 高剪切装置200将高尖端速度与非常小的剪切间隙组合以在材料上产生显著剪 切。剪切量通常取决于流体的粘度和剪切间隙。高剪切装置200中产生的剪切速率可 以大于20, OOOs'在一个实施方案中，产生的剪切速率为20, OOOs4?100, OOOs'在 HSD 40中产生的剪切速率可以大于100, OOOs'在一些实施方案中，剪切速率至少为 500, OOOs'在一些实施方案中，剪切速率至少为1，000, OOOs'在一些实施方案中，剪 切速率至少为1,600,000s-1。在一个实施方案中，由HSD 40产生的剪切速率为20s-1? 100, OOOs'例如，在一个应用中，转子尖端速度为约40m/s (7900ft/min)，剪切间隙宽度为 0. 0254mm(0. OOlinch)，产生的剪切速率为1，600, OOOs'在另一个应用中，转子尖端速度 为约22. 9m/s (4500ft/min)，剪切间隙宽度为0. 0254mm(0. OOlinch)，产生的剪切速率为约 901, 600s_1〇
[0056] 转子被设定为以与在上文所述的转子的直径和所需要的尖端速度相适应的速度 旋转。尽管不受理论的限制，但是通过组合高剪切装置200减少了传输阻力，从而提高了蒸 汽在油中的分散。可选择地，高剪切装置200包括由于由在旋转的高剪切装置的尖端处瞬 时出现的高压和高温形成的自由基而用于加快下游和反应器中的反应的高剪切胶体研磨 机。在某些情况下，加快高剪切装置200下游的反应可以利用单级或分散室。另外，在加快 下游的反应的可选构造中，可以包括多个直排装置，例如至少包括2级。
[0057] 高剪切装置200的选择取决于生产能力的要求和出口分散体210的所需粒 径。在某些情况下，高剪切装置200包括IKA? Works, Inc. Wilmington, NC和APV North America, Inc. Wilmington, MA 的 Dispax Reactor?。例如，Model DR 2000/4 包括皮带传动 器、4M发生器、PTFE密封环、入口法兰I (卫生级卡箍）、出口法兰3/4 (卫生级卡箍）、2HP功 率、7900rpm的输出速度、约3001/h?约7001/h的过流能力（取决于发生器）以及9. 4m/ s?约41m/s以上（约1850ft/min?约8070ft/min以上）的尖端速度。存在具有各种入 口 /出口连接、马力、尖端速度、输出转速和流量的几种可选型号。在其他情况下，高剪切装 置200包括构造成产生用于形成产物分散体的高剪切速率和生产能力的任意装置。
[0058] 尽管不希望受到任意特定理论限制，但是认为高剪切装置中的高剪切混合度足以 提高传质速率。另外，基于吉布斯自由能的预测，高剪切装置可能产生能够形成自由基并使 不期望发生的反应发生的局部不理想条件。另外，这些反应在低剪切混合参数下不会发生。 据认为，在高剪切装置内会出现局部不理想条件，导致高温和压力，最显著的升高被认为是 局部压力。在高剪切装置内的压力和温度的升高是瞬时的和局部的。在某些情况下，一旦离 开高剪切装置，温度和压力升高就回复到主体或平均系统条件。在某些情况下，高剪切-混 合装置包括足够强度的汽蚀以使一种以上反应物分离成自由基，这可以增强化学反应或可 以允许在与所需要的条件相比不太严格的条件下反应发生。汽蚀也可以通过产生局部湍流 和液体微循环（声流）来增大传输过程的速率。化学/物理加工应用中的汽蚀现象的应用 的概述由Gogate等提供，"Cavitation:A technology on the horizon，'，Current Science 91 (No. I) : 35?46 (2006)。对于油和气体的高剪切处理，高剪切作用能够将气体分子结合 到形成内部惰性屏蔽的油分子中，从而产生生成的分散体用的稳定化效应。
[0059] 油的高剪切处理
[0060] 在如图2A所示的实施方案中，在高剪切装置（HSD)中混合油和气体以形成油-气 分散体/溶液。在一些实施方案中，油-气分散体/溶液含有直径小于约50 μ m的气泡，如 图5A?5C所不。在一些实施方案中，油-气分散体/溶液含有直径小于约20 μ m的气泡， 如图5A?5C所不。在一些实施方案中，油-气分散体/溶液含有直径小于约10 μ m的气 泡，如图5A?5C所不。在一些实施方案中，油-气分散体/溶液含有直径小于约5 μ m的气 泡，如图5A?5C所不。在一些实施方案中，油-气分散体/溶液含有直径小于约2 μ m的 气泡，如图5A?5C所示。在各个实施方案中，油-气分散体/溶液包含气体的纳米气泡。 如本文中所使用的纳米气泡"指的是直径在亚纳米级至1000纳米范围内的气泡。在一些 实施方案中，剪切装置产生平均气泡尺寸为直径小于约5 μ m的分散体/溶液。在一些实施 方案中，在生产的分散体/溶液中的气泡的直径是亚微米级。在一些实施方案中，平均气泡 尺寸是直径为约〇. 1 μ m?约5 μ m。在一些实施方案中，剪切装置产生平均气泡尺寸为直径 小于400nm的分散体/溶液。在一些实施方案中，剪切装置产生平均气泡尺寸为直径小于 IOOnm的分散体/溶液。
[0061] 参照图2B，将油5和气体8引入剪切装置40中（在图1中的入口 205处）。气体 在油中分散成纳米气泡。在一些实施方案中，设置泵10以控制进入剪切装置40中的油的 流量。泵10被构造成连续或半连续操作，并可以是任意合适的泵送装置。在一些实施方案 中，使用泵来控制进入剪切装置40中的气体的流量（图2B中未示出）。在某些情况下，油 5和气体8在引入HSD 40之前混合在一起。在另一些情况下，油5和气体8直接引入HSD 40中（图2B中未示出）。
[0062] 在一些实施方案中，在图2B中所示的高剪切系统（HSS)中包括储存容器50以从 HSD 40接收产生的分散体/溶液。使用泵45来从容器50提取分散体/溶液并且该泵被 构造成控制分散体/溶液的流量。泵45或泵10被构造成连续或半连续操作，并可以是能 够提供大于约202.65kPa(2atm)的压力（优选大于约303.975kPa(3atm)的压力）的任意 合适的泵送装置，以允许经过HSD 40的受控的流动并流过整个HSS。优选地，泵的所有接 触部分都包括不锈钢（例如，316不锈钢）。除了泵10和泵45之外，在图2B所示出的HSS 中还可以包括一个以上附加泵（未示出）。例如，在HSD 40和容器50之间可以包括增大 压力用的可以与泵45相似的增压泵。作为另一个例子，可以包括向HSD 40引入额外的气 体或油用的可以与泵10相似的补充进给泵。Roper Pump Company(Commerce Georgia)的 Roper Type 1 齿轮泵（Dayton Pressure Booster Pump Model 2P372E)，Dayton Electric Co (Niles，IL)是图2B中所示的HSS的一个例子。
[0063] 在各实施方案中，在HSS中可以包括温度控制系统30。该温度控制系统被构造成 控制HSD 40和/或储存容器50的温度，以确保在油为液相并且气体具有足够的溶解度以 组合在油中的温度下发生气体和油的混合从而产生稳定效应。在某些情况下，温度控制系 统包括换热器。可以使用本领域技术人员已知的任意方法来加热或冷却油料流5。也可以 设想使用用于改变油料流5的温度的外部加热和/或冷却传热装置。这种换热器的一些例 子是本领域已知的壳、管、板和线圈换热器。
[0064] 在一个实施方案中，HSD 40包括多个高剪切发生器以形成分散体/溶液。HSD 40 至少包括串联对齐的构造成具有三个转子与定子的高剪切、三级分散装置。例如，可以将分 散器IKA? model DR 2000/4用作HSD 40以形成气体在油中的分散体/溶液。例如，转 子-定子组可以具有如图1所示的构成。HSD 40的转子可以设定为以与转子的直径和所需 要的尖端速度相适应的速度旋转。如上所述，高剪切装置（例如，胶体研磨机或齿形转子） 在定子和转子之间具有固定的间隙或具有可调节的间隙。通过减少转子-定子间隙或提高 转子的转速来提高在HSD 40中转子-定子处的混合和剪切，反之亦然。HSD 40以尖端速度 至少为4500ft/min (其可以超过7900ft/min(40m/s))来至少传送300L/h。高剪切混合在 包括油的连续液相中产生微米或亚微米级气泡的分散体/溶液。另外，HSD 40可以包括可 配置和可操作以在转子-定子之间实现所需要的剪切的任意部件和操作条件。
[0065] 在HSD 40中，各级的转子和定子可以分别具有周向隔开的第一级转子齿和定子 齿。在特定构造中，转子-定子间隙逐级下降。可选择地，转子-定子间隙被构造成各级恒 定。另外，HSD 40可以包括换热器。在非限制性例子中，HSD 40用的换热器包括用于引导 与装置的导热部分接触的热流体的导管。更具体地，HSD 40包括可以使用本领域已知的任 意合适的技术冷却的PTFE密封件。
[0066] HSD 40被构造成使HSD料流流过转子-定子各级以形成分散体/溶液。在某些情 况下，HSD料流进入第一级转子-定子组合并经历第一级的混合和剪切。离开第一级的粗 分散体/溶液进入第二转子-定子级，并经历增大的混合和剪切。从第二级脱离的进一步 减小的或者中间气泡尺寸的分散体/溶液进入第三级转子-定子组合。第三级转子-定子 被构造成产生相对来说最高的混合和剪切条件。如此构成，HSD 40在各级顺序地升高混合 和剪切条件。可选择地，剪切速率沿着流动方向基本恒定，各级的剪切速率基本上相同。在 另一种构造中，在第一转子-定子级的剪切速率大于在后面各级的剪切速率。
[0067] HSD料流在HSD中经历高剪切条件。HSD料流的气流8和油流5在HSD 40中混合， 这用于形成气体在油中的精细分散体/溶液。HSD 40用以在高剪切条件下紧密地混合气体 和油。在HSD 40中，气体和油高度分散，从而在油中形成气体的纳米气泡、亚微米级气泡和 /或微米气泡。产生的分散体/溶液具有小于约1. 5 μ m的平均气泡尺寸。因此，离开HSD 40的分散体/溶液包括微米级和/或亚微米级的气泡。在一些实施方案中，产生的分散体 /溶液具有小于1 μ m的平均气泡尺寸。在一些实施方案中，平均气泡尺寸为约0. 4μ m? 约1.5μπι。在一些实施方案中，平均气泡尺寸小于约400nm，并且在某些情况下可以为约 100nm。气泡尺寸取决于局部压力和温度并可以由理想气体定律估算。在一个实施方案中， 分散体/溶液能够在大气压力下保持分散至少约15分钟。
[0068] 尽管不希望受理论的限制，但是气体可以结合或嵌入到油分子中，从而使油过饱 和。换句话说，通过高剪切作用增大气体在油中的溶解度。油分子的例子如在图3中所示。 在图3中，分子300是三硬脂酸甘油酯（或1，3-二（十八烷氧基）丙-2-基十八碳酯或三 硬脂酸甘油酯或顺6-十八碳烯酸单甘油酯或甘油三硬脂酸酯醚或三硬脂酸甘油酯），其为 源自脂肪的甘油三酸酯、硬脂酸甘油酯。分子300具有骨架301、支链302和空置端口 303。 此外，分子300能够绕着轴Y或轴Z自由转动。气体分子尤其在高剪切作用下经由空置端 口 303锁存到油分子（300)上。在油分子和气体分子之间形成的这种结合促进稳定化效应， 从而防止和/或推迟油的氧化。
[0069] 在一些实施方案中，油在通过高剪切装置之前在真空下脱气以除去在油中溶解的 空气部分。在一些实施方案中，在通过高剪切装置之前加热或冷却油。在某些情况下，例如， 将油加热或冷却到正好在该油的凝固温度之上的温度。在某些情况下，加热油以帮助流动 或使油溶解。
[0070] 使气体与油混合的温度取决于油的熔点以及气体溶解度与温度之间的关系。由于 大多数植物油在室温下是液体，并且随着温度降低气体往往具有高的溶解度，所以在许多 情况下，在不大于室温/环境温度的温度下进行高剪切处理。如前面所述，植物脂肪可以按 相同的方式处理。取决于将要处理的植物脂肪的性质可以改变操作温度。一般来说，植物油 /脂肪在油/脂肪为液相并赋予气体足够的溶解度的温度下进行处理以进行高剪切混合。
[0071] 在一个实施方案中，油和气体的高剪切混合在催化剂的存在下发生。在某些情况 下，催化剂是亚铬酸铜催化剂。在某些情况下，催化剂是活性炭。催化剂的使用取决于所需 要的处理或反应。在一些实施方案中，油被烧基化、氧化、氢化或脱氢。这些反应都由合适 的催化剂催化，催化剂是本领域技术人员已知的。加工温度不大于在进行加工的压力下的 油沸点。在一个实施方案中，催化剂不需要提供油的饱和或过饱和。
[0072] 多个高剪切混合装置
[0073] 在某些情况下，使用两个以上高剪切装置来进一步加强气体对油的稳定化效应。 它们的操作可以是批量模式或连续模式。在某些情况下，高剪切处理系统包括构造和工艺 流程变化以得到实施多个高剪切装置配置的益处。
[0074] 集成方法和系统
[0075] 在一些实施方案中，高剪切处理方法和系统与现有的油生产方法和系统集成一 体。
[0076] 气体与油在高剪切作用下的混合可以应用于现有的油精炼或精炼后过程的任何 地方。在某些情况下，是在油精炼之后（通常被称作R油）。在某些情况下，是在油漂白之 后（通常被称作RB油），在某些情况下，是在油除臭之后（通常被称作RBD油）。在另一些 情况下，是在油氢化之后。在另一些情况下，氢气与气体组合以提供氢化和内部惰性屏蔽。 在某些情况下，高剪切装置与汽提组合使用以促进蒸汽分散在全部油中并加强提取以及吸 收的氧的去除，这进一步使不饱和的油稳定。
[0077] 大豆油的加工是所使用的大多数植物油的典型。直接来自破碎操作的原油首先 与苛性钠混合。皂化作用使甘油三酸酯变为肥皂。肥皂用离心机去除。中和的干皂原料 (NDSS)通常用于动物饲料。剩余的油通过在近乎完美的真空下加热并喷水来除臭。更具体 地，油在真空下加热到发烟点附近，并且水在油的底部引入。水立即转化成水蒸汽，在油中 冒气泡，该气泡携带可溶于水的任何化学物质。蒸汽喷射除去赋予油不想要的味道和气味 的杂质。冷凝物被进一步处理从而成为维生素 E食品增补剂，而油可以出售给制造商和消 费者。
[0078] 在某些情况下，进一步处理其中一些油。通过在接近冰点的温度下仔细过滤油，产 生"冬用油〃。该油可以制成色拉味调料。在另一些情况下，油被部分氢化以产生各种成分 油。轻度氢化的油具有与常规大豆油非常相似的物理特性，但是更抗酸败或氧化。轻度氢 化的油可以经历本文所述的高剪切处理以增强其的抗酸败/氧化的能力。对于从植物油产 生的炒油，需要大量的氢化以防止油（例如，大豆油）的多不饱和物酸败。氢化的植物油与 同样饱和的其他油相比在两个主要方面不同。在氢化过程中，氢更容易在甘油三酸酯的端 部与脂肪酸接触，对于它们来说不太容易与中心脂肪酸接触。在氢化过程中形成反式脂肪 酸（经常称为转脂肪酸），并且反式脂肪酸可以达到部分氢化的油的重量的40%。反式脂 肪酸（或转脂肪酸）越来越被认为是不健康的。本文所述的高剪切处理在生产需要高稳定 性或高抗酸败/氧化能力的油时尤其有用。在某些情况下，通过本文所述的高剪切处理的 油不需要被氢化到相同的程度，从而减小油中转脂肪酸的浓度。
[0079] 在一些实施方案中，油生产系统包括脱胶单元、中和单元、漂白单元和除臭单元。 此外，高剪切处理可以与用于除去油可溶性杂质的任意已知的处理结合。常规方法包括精 炼、漂白和除臭的步骤。碱炼处理包括使植物油脱胶、精炼、漂白和除臭。物理精炼过程包 括使植物油脱胶、漂白和除臭（蒸汽精炼）。高剪切处理方法或系统可以与植物油生产所用 的一个以上处理或单元结合。高剪切处理可以应用到植物油在提取后的生产过程中的任意 地方。在某些情况下，是在油除臭之后。在另一些情况下，是在油被氢化之后。油生产用的 方法和系统（系统部件）是本领域已知的。
[0080] 在一个实施方案中，在现有的油精炼或精炼后过程中，油和气体的高剪切处理进 行超过一次。例如，高剪切处理在精炼和漂白之间进行，并且在油除臭之后也进行。鉴于上 述公开，本领域技术人员能够想到将高剪切处理/系统与现有的油生产过程/系统集成一 体的许多构造。如此，所有的这些构造都在本公开的范围之内。
[0081] 优点
[0082] 在各实施方案中，高剪切处理提高油稳定性，推迟或防止氧化，保留油中所含的有 价值的化合物，例如，ω-3脂肪酸。
[0083] 稳定性提高
[0084] 所有的脂肪和油都很容易氧化。氧化速率取决于不饱和度、有无抗氧化剂和先期 存储条件。油的稳定性指数（OSI)是美国石油化学家学会（AOCS)批准的确定脂肪和油样 品氧化的相对抗性的方法。它取代了落后的基于确定脂肪和油的诱导时间来测量过氧化值 的AOM (活性氧法）。
[0085] 在OSI分析中，在对氧化的任意抗性被克服之前氧化速率很慢。这个时间被称作 氧化诱导期。在诱导期之后，氧化速率急剧升高。过氧化值和游离脂肪酸分析给出了在特 定时间时油有多好或多坏的一个判断标准，OSI分析具有预测价值。OSI可以用来比较各种 油以预测它们的各自的保质期。OSI分析也可以用来评价抗氧化剂的有效性或确定炒油在 酸败之前能用多久。
[0086] OSI方法总的来说能够应用于所有的脂肪和油。分析的最常用油是精炼的植物油 (即，大豆、棕榈、花生、葵花籽、玉米、椰子和芥花籽）。OSI时间可以为从小于2小时至超过 100小时。
[0087] RBD大豆油（色拉油）用氮气和二氧化碳高剪切处理（仅一次）。未处理的油在 IKTC下具有5小时的OSI ;而氮气处理的油在IKTC下具有5. 95小时的0SI，二氧化碳处 理的油在IKTC下具有6. 85小时的0SI。未处理的油具有10-12小时的AOM ;而氮气处理 的油具有13. 93小时的Α0Μ，二氧化碳处理的油具有16. 11小时的Α0Μ。
[0088] 虽然示出和说明了本发明的优选实施方案，但是本领域技术人员可以在不超出本 发明的精神和教导的情况下对其进行修改。本文所述的实施方案仅仅是示例性的，不旨在 限制本发明。本文公开的本发明的许多修改和变形都是可以的并且属于本发明的范围内。 虽然明文规定了数值范围或限定，但是这样的表达范围或限定应当理解为包括落在明文规 定范围或限定内的这种大小的迭代范围或限定。对于所请求保护的任意元件所使用的术 语"任选地"是指需要所述元件，或可选择地，不需要所述元件。两种选择都在所请求保护 的范围内。诸如包括、包含、具有等开放式术语的使用应当理解为对诸如由…构成、基本上 由…构成、基本上由…组成等封闭式术语提供支持。
[0089] 因此，保护范围不限于上述说明，而是仅由所附的权利要求书限定，该范围包括所 请求保护的主题的所有等同物。各个以及每一项权利要求都作为本发明的实施方案结合在 说明书中。因而，权利要求是本发明优选实施方案的进一步说明和补充。参考文件的纳入 或讨论不是承认其是本发明的现有技术，尤其是其
【公开日】可能在本申请 优先权日:之后的任 意参考文件。本文所引用的所有专利、专利申请和出版物的公开特此通过引用的方式以它 们提供【背景技术】或对本文所述的那些技术内容提供示例性、程序上或其他细节的补充的程 度结合在本文中。
【权利要求】
1. 一种生产油的方法，包括： 提供高剪切装置，所述高剪切装置包括被构造成将气体与液体混合的至少一个转子和 至少一个互补形状的定子； 在所述高剪切装置中使气体与油接触，其中所述气体是惰性气体或活性气体；以及 形成产物，其中所述产物是溶液、分散体或其组合。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述溶液用所述气体饱和或过饱和，任选地所述溶 液用所述气体过饱和不少于5%。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中所述分散体包括平均直径小于50 μ m的气泡。
4. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述气体包括氮气、惰性气体、二氧化 碳、氢气或硫化氢。
5. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述油包括植物油，任选地食用油或非 食用油，任选地大豆油，任选地鸵鸟油。
6. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述油选自大豆油、葵花籽油、椰子油、 玉米油、棉籽油、橄榄油、棕榈油、花生油（落花生油）、油菜籽油（包括芥花籽油）、红花油、 芝麻油、榛子油、杏仁油、腰果油、澳洲坚果油、蒙刚果坚果油（或曼科缇油）、胡桃油、开心 果油、印加果（南美油藤）油、核桃油、西瓜籽油、葫芦油、水牛葫芦油、南瓜籽油、西葫芦籽 油、阿莎伊油、黑加仑籽油、琉璃苣菜籽油、月见草油、角豆树的种子荚油、苋菜油、杏油、苹 果籽油、阿干树油、朝鲜蓟油、鳄梨油、巴巴苏仁油、山嵛油、婆罗洲牛油果油、好望角美木芸 香木油（岩谷油）、角豆荚油（牧豆树荚果油）、桂皮油、可可油、苍耳子油、羽叶棕油、胡荽 籽油、地卡油、亚麻芥油、亚麻籽油、葡萄籽油、大麻油、木棉籽油、红麻籽油、拉曼油、玛鲁拉 油、白芒花籽油、芥子油、肉豆蘧脂、秋葵籽油、番木瓜籽油、紫苏籽油、佩基油、松籽油、李子 核仁油、藜油、盏金花油、米糠油、罗伊尔油、茶籽油（山茶油）、蓟油、油莎草油（或坚果莎草 油）、番茄籽油、麦胚芽油、蓖麻油、椰子油（椰子壳油）、玉米油、棉籽油、亚麻芥油、大麻油、 芥子油、棕榈油、花生油、萝卜油、油菜籽油、盏金花油、米糠油、红花油、海蓬子油、油莎草 油、桐油、海藻油、柯拜巴脂、洋基油、麻疯树油、荷荷芭油、白乳木、石油坚果油、核桃油、达 玛油、亚麻籽油、罂粟籽油、乌柏油（乌桕脂油）、斑鸠菊油、柠檬油、橙油、葡萄柚籽油、黄波 罗果油、卤刺树油、膀胱荚油、鸦胆子油、牛蒡油（芒壳油）、石栗子油、胡萝卜籽油、蓖麻油、 大风子油、海甘蓝油、萼距花油、婆罗树脂、荷荷芭油、芒果油、罗勒籽脂、印楝油、欧姜油、玫 瑰籽油、橡胶籽油、沙棘油、牛油树脂、雪球籽油（荚莲油）、妥尔油、琼崖海棠油、零陵香豆 油（香二翅豆油）和其组合。
7. -种包括利用前述权利要求中任一项所述的方法和现有的油加工方法来生产油的 方法。
8. 如权利要求7所述的方法，其中权利要求1?6中任一项所述的方法在精炼油和漂 白油之间应用，任选地权利要求1?6中任一项所述的方法在使油除臭之后应用，任选地权 利要求1?6中任一项所述的方法应用超过一次。
9. 一种加工油用的高剪切系统，包括； 至少一个高剪切装置，所述高剪切装置具有入口以及构造成将气体与液体混合的至少 一个转子和至少一个互补形状的定子； 与所述入口流体连接的气体源； 与所述入口流体连接的油源；和 位于高剪切装置上游的泵，所述泵与所述入口和所述油源流体连接。
10. 如权利要求9所述的系统，其中所述气体源被构造成提供氮气、惰性气体、二氧化 碳、氢气或硫化氢。
11. 如权利要求9或10所述的系统，还包括至少一个换热器，其中所述换热器被构造成 预先加热所述油。
12. 如权利要求9?11中任一项所述的系统，其中所述高剪切装置被构造成形成所述 气体在所述油中的产物，其中所述产物是溶液、分散体或其组合。
13. 如权利要求9?12中任一项所述的系统，还包括油提取单元或脱胶单元或中和单 元或漂白单元或氢化单元或除臭单元或蒸汽精炼单元。
14. 如权利要求9?13中任一项所述的系统，其中所述高剪切装置包括隔开剪切间隙 的齿形转子-定子，任选地其中剪切间隙宽度为10. 〇 μ m?10. 0mm，任选地所述高剪切装置 产生大于20. OOOs4的剪切速率。
15. -种包括如权利要求9?14中任一项所述的系统和现有的油加工系统的系统。
【文档编号】C11B1/00GK104271719SQ201380023282
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2012年4月6日
【发明者】阿巴斯·哈桑, 阿齐兹·哈桑, 雷福德·G·安东尼 申请人:H R D公司