利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法
【专利摘要】本发明公开利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，包括如下步骤：（A）使用活性炭对乳酸发酵液经酸解过滤后的料液进行脱色；（B）将脱色后的料液进行离子交换；（C）对离子交换后的料液进行降膜蒸发；（D）将降膜蒸发后得到的乳酸物料进行薄膜蒸发，使物料中水的质量分数小于等于2%；（E）对薄膜蒸发后得到的乳酸物料进行分子蒸馏得到的馏出物为精品乳酸，即为目标产物。本发明生产出的乳酸符合高纯度乳酸的要求，能够直接用来制备聚乳酸。
【专利说明】利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及乳酸的制备方法，特别涉及一种利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法。
【背景技术】
[0002]分子蒸馏是不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。当液体混合物被加热时，轻分子和重分子会分别逸出液面而进入气相，由于轻分子和重分子的自由程不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同；若在距离蒸发器恰当的距离处设置冷凝器，则轻分子达到冷凝器被冷凝排出，而重分子达不到冷凝器随混合液排出，从而达到物质分离的目的。
[0003]目前，分子蒸馏技术多应用在高校和科研院所的实验室内的液一液分离，其生产能力非常小(通常每日分离液体混合物的量为几百克至几千克)，而且存在着设备结构复杂、制造技术要求高、设备投资大等问题。
[0004]在乳酸行业，通常是采用多效降膜浓缩装置对乳酸粗产品进行浓缩而得到食品级乳酸，食品级乳酸大多是作为食品添加剂使用，销售价格较低。对于生产聚乳酸的企业来说，采用多效降膜浓缩装置直接生产出来的食品级乳酸由于存在着纯度不够、杂质含量偏高等缺点而不能作为聚乳酸的生产原料。目前，国外内尚无成熟的工业化生产高纯度乳酸的生产工艺。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，使生产出的乳酸纯度高且杂质含量少，能够直接用来制备聚乳酸。
[0006]本发明的技术方案是这样实现的:利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，包括如下步骤:
[0007](A)使用活性炭对乳酸发酵液经酸解过滤后的料液进行脱色；
[0008](B)将脱色后的料液进行离子交换；
[0009](C)对离子交换后的料液进行降膜蒸发；
[0010](D)将降膜蒸发后得到的乳酸物料进行薄膜蒸发，使乳酸物料中水的质量分数小于等于2% ；
[0011](E)对薄膜蒸发后得到的乳酸物料进行分子蒸馏，得到的馏出物为精品乳酸，即为目标产物。
[0012]上述利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，在步骤(D)中:采用刮膜式薄膜蒸发器进行薄膜蒸发，刮板转`速为20~70转/分钟，蒸汽夹套内部温度为100~150°C，刮膜式薄膜蒸发器内的绝对压力为101325~8000帕。
[0013]上述利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，在步骤(D)中:刮板转速为45转/分钟，蒸汽夹套内部温度为120°C，刮膜式薄膜蒸发器内的绝对压力为10000帕。[0014]上述利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，在步骤(E)中:采用分子蒸馏器对乳酸物料进行分子蒸馏，分子蒸馏器包括圆筒形加热夹套、内置冷端物料捕集器和刮膜器，圆筒形加热夹套上部的外侧壁上设置有加热介质出口，圆筒形加热夹套顶部设置有乳酸物料入口，圆筒形加热夹套下部的外侧壁上设置有加热介质入口，薄膜蒸发后得到的乳酸物料自乳酸物料入口进入分子蒸馏器并自圆筒形加热夹套内侧壁向下流动，加热介质从加热介质入口进入到圆筒形加热夹套的夹层内并自加热介质出口流出，以便对圆筒形加热夹套内侧壁上附着的乳酸物料液膜进行加热，内置冷端物料捕集器安装设置在圆筒形加热夹套的轴向中孔内，刮膜器也安装设置在圆筒形加热夹套的轴向中孔内，并且刮膜器的刮板位于圆筒形加热夹套内侧壁与内置冷端物料捕集器之间，在圆筒形加热夹套下部的轴向中孔内倾斜设置有导流板，导流板的高度向位于圆筒形加热夹套下部的重相乳酸出口方向逐渐降低，导流板用于承接自圆筒形加热夹套内侧壁上流下来的蒸馏剩余物并将蒸馏剩余物导流至圆筒形加热夹套下部的重相乳酸出口，内置冷端物料捕集器穿过导流板，在导流板上且环绕内置冷端物料捕集器设置有直立圆筒，直立圆筒的高度向圆筒形加热夹套下部的重相乳酸出口方向逐渐变大；内置冷端物料捕集器的冷凝介质入口和冷凝介质出口均位于内置冷端物料捕集器的底部，精品乳酸出口也位于内置冷端物料捕集器的底部，内置冷端物料捕集器至少包括直立在同一圆周上且相间设置的一组冷凝管，每个冷凝管的上端均与冷凝介质出口流体导通，每个冷凝管的下端均与冷凝介质入口流体导通，沿冷凝管表面流下的乳酸物料从精品乳酸出口流出分子蒸馏器；分子蒸馏采用由水环真空泵、罗茨真空泵和蒸汽喷射真空泵组成的真空系统对分子蒸馏器抽真空，首先将真空系统与分子蒸馏器的连接阀门打开；然后将分子蒸馏器的进料阀门和出料阀门关闭；打开水环真空泵，同时开启圆筒形加热夹套以便向圆筒形加热夹套的夹层内输入加热介质，使圆筒形加热夹套内部温度提升至70摄氏度；待分子蒸馏器内的绝对压力降至3300pa时，启动罗茨真空泵，待分子蒸馏器内的绝对压力降至700pa时，启动蒸汽喷射真空泵，将分子蒸馏器内的绝对压力降至15Pa以下；打开分子蒸馏器的进料阀门和出料阀门；保持分子蒸馏器内负载时的绝对压力为5Pa — 15Pa。
[0015]上述利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，精品乳酸出料量为I~4t/h，分子蒸馏器蒸发热面的温度为110_130°C，分子蒸馏器冷面的温度为55-60°C，刮膜器转子转速为40~150rpm，分子蒸馏器加热表面至冷端物料捕集器的间距为13~30cm。[0016]上述利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，分子蒸馏器产能为2.3t/h，分子蒸馏器蒸发热面的温度为123°C，分子蒸馏器冷面的温度为58°C，刮膜器转子转速为130rpm,内置冷端物料捕集器由第一组冷凝管和第二组冷凝管组成，第一组冷凝管直立在第一圆周上且每个冷凝管相间设置，第二组冷凝管直立在第二圆周上且每个冷凝管相间设置，第一圆周的直径大于第二圆周的直径，第二组冷凝管中的每个冷凝管正对第一组冷凝管的两个相邻冷凝管之间的间隙，第一组冷凝管与分子蒸馏器加热表面的最小距离为20cm、最大距离为25cm，第二组冷凝管与分子蒸馏器加热表面的最小距离为25cm、最大距离为30cm。
[0017]上述利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，在步骤(E)中:蒸馏剩余物为重相乳酸，用降膜蒸发得到的酸水对重相乳酸进行稀释，使得稀释后的溶液中乳酸的质量分数为15-30%，然后输送到颗粒碳柱中进行脱色，经颗粒碳柱脱色后的溶液输送到步骤(C)中进行降膜蒸发，循环分子蒸馏。
[0018]上述利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，薄膜蒸发后得到的酸水输送到步骤(B)中。
[0019]本发明的有益效果是:本发明技术方案适合工业化生产，所用原料为食品级乳酸，年产量达到万吨级(约I一2万吨/年)，冷凝表面靠近蒸发表面，其间的距离小于气体分子的平均自由程，使蒸发表面汽化的乳酸蒸气分子可以不与其他分子碰撞，直接到达冷凝表面而冷凝；制备出来的乳酸中的色度、铁盐、砷盐等大大降低，乳酸的纯度大幅提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的工艺流程图；
[0021]图2为本发明利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的薄膜蒸发器和分子蒸馏器的结构示意图；
[0022]图3为分子蒸馏技术的原理示意图；
[0023]图4为分子蒸馏器的内部结构示意图；
[0024]图5为第一组冷凝管和第二组冷凝管的相对位置结构示意图。
[0025]图中:1-乳酸原料入口，2-进料预热器，3-蒸汽入口，4-冷凝水出口，5-薄膜蒸发器，6-刮膜转子，7-出料泵，8-中间储罐，9-真空泵，10-分子蒸馏器，11-真空系统，12-制冷系统，13-圆筒形加热夹套，14-内置冷端物料捕集器，15-刮膜器，16-加热介质出口，17-乳酸物料入口，18-加热介质入口，19-导流板，20-直立圆筒，21-重相乳酸出口，22-精品乳酸出口，23-冷凝介质入口，24-冷凝介质出口，25-真空系统接口，26-第一组冷凝管，27-第二组冷凝管。`
【具体实施方式】
[0026]本实施例利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，包括如下步骤:
[0027](A)使用活性炭对乳酸发酵液经酸解过滤后的料液(乳酸质量分数为10-20%)进行脱色；
[0028](B)将脱色后的料液进行离子交换；
[0029](C)对离子交换后的料液进行降膜蒸发；浓缩成乳酸质量分数为80%的乳酸溶液，
[0030](D)将降膜蒸发后得到的乳酸物料进行薄膜蒸发，使乳酸物料中水的质量分数等于2% ;本实施例采用刮膜式薄膜蒸发器进行薄膜蒸发，刮板转速为45转/分钟，蒸汽夹套内部温度为120°C，进料量为3200kg/h，绝对压力为10000帕；经薄膜蒸发后乳酸质量分数为98%，然后进入分子蒸馏器；
[0031](E)薄膜蒸发的目的是将乳酸物料中含水量降低到2%以下(质量分数)，薄膜蒸发之后的乳酸物料的色度较大(通常大于150APHA)，薄膜蒸发并不能除去乳酸物料中水及少量杂酸以外的其它大部分杂质(如铁盐和砷盐)；因此，要想得到除水及少量杂酸以外的其它杂质含量较小的高纯度乳酸，必须对薄膜蒸发后得到的乳酸物料进行分子蒸馏，得到的馏出物即为高纯度乳酸一精品乳酸，也就是目标产物。
[0032]分子蒸馏器的结构
[0033]采用分子蒸馏器10对乳酸物料进行分子蒸馏，分子蒸馏器10包括圆筒形加热夹套13、内置冷端物料捕集器14和刮膜器15，圆筒形加热夹套13上部的外侧壁上设置有加热介质出口 16，圆筒形加热夹套顶部设置有乳酸物料入口 17，圆筒形加热夹套13下部的外侧壁上设置有加热介质入口 18，薄膜蒸发后得到的乳酸物料自乳酸物料入口 17进入分子蒸懼器10并自圆筒形加热夹套内侧壁向下流动,加热介质从加热介质入口 18进入到圆筒形加热夹套13的夹层内并自加热介质出口 16流出，以便对圆筒形加热夹套内侧壁上附着的乳酸物料液膜进行加热，内置冷端物料捕集器14安装设置在圆筒形加热夹套13的轴向中孔内，刮膜器15也安装设置在圆筒形加热夹套13的轴向中孔内，并且刮膜器15的刮板位于圆筒形加热夹套内侧壁与内置冷端物料捕集器14之间，在圆筒形加热夹套13下部的轴向中孔内倾斜设置有导流板19，导流板19的高度向位于圆筒形加热夹套下部的重相乳酸出口 21方向逐渐降低，导流板19用于承接自圆筒形加热夹套内侧壁上流下来的蒸馏剩余物并将蒸馏剩余物导流至圆筒形加热夹套13下部的重相乳酸出口 21，内置冷端物料捕集器14穿过导流板19，在导流板19上且环绕内置冷端物料捕集器14设置有直立圆筒20，直立圆筒20的高度向圆筒形加热夹套13下部的重相乳酸出口 21方向逐渐变大；内置冷端物料捕集器14的冷凝介质入口 23和冷凝介质出口 24均位于内置冷端物料捕集器14的底部，精品乳酸出口 22也位于内置冷端物料捕集器14的底部，内置冷端物料捕集器14至少包括直立在同一圆周上且相间设置的一组冷凝管组成，每个冷凝管的上端均与冷凝介质出口 24流体导通，每个冷凝管的下端均与冷凝介质入口 23流体导通，沿冷凝管表面流下的乳酸物料从精品乳酸出口 22流出分子蒸馏器10。
[0034]本实施例中抽真空系统的优化选择
[0035]目前分子蒸馏装置多为实验室装置，抽真空系统能够比较容易地使分子蒸馏装置达到小于IOPa的真空度(绝对压力，负载时的真空度，空载时小于IPa)。而在工业化生产时，分子蒸馏装置及其附属设备进行了数百倍至数千倍的放大，因此设备存在一定的泄露率，采用实验室中使用的真 空系统无法达到实验室装置的真空度水平。而真空度的高低直接影响物料的沸点，采用分子蒸馏技术对乳酸原料进行蒸馏过程中，沸点的高低直接影响着产品的质量(蒸馏乳酸过程中，沸点越高，则产品色度越高，得到的乳酸的品质就越差)。因此，在利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的工艺中，如何保持高真空度对于大型的分子蒸馏器是十分关键的技术难题。
[0036]本法实施例在生产能力达到1.25吨/h时,分子蒸懼器达到小于0.1mbarL/s的泄漏率的情况下，对真空机组进行了优化(参见表1)。
[0037]表1不同真空机组的对比试验
[0038]
【权利要求】
1.利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，其特征在于，包括如下步骤: (A)使用活性炭对乳酸发酵液经酸解过滤后的料液进行脱色； (B)将脱色后的料液进行离子交换； (C)对离子交换后的料液进行降膜蒸发； (D)将降膜蒸发后得到的乳酸物料进行薄膜蒸发，使乳酸物料中水的质量分数小于等于2% ； (E)对薄膜蒸发后得到的乳酸物料进行分子蒸馏，得到的馏出物为精品乳酸，即为目标产物。
2.根据权利要求1所述的利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，其特征在于，在步骤(D)中:采用刮膜式薄膜蒸发器进行薄膜蒸发，刮板转速为20~70转/分钟，蒸汽夹套内部温度为100~150°C，刮膜式薄膜蒸发器内的绝对压力为101325~8000帕。
3.根据权利要求2所述的利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，其特征在于，在步骤(D)中:刮板转速为45转/分钟，蒸汽夹套内部温度为120°C，刮膜式薄膜蒸发器内的绝对压力为10000帕。
4.根据权利要求1-3任一所述的利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，其特征在于，在步骤(E)中:采用分子蒸馏器对乳酸物料进行分子蒸馏，分子蒸馏器包括圆筒形加热夹套、内置冷端物料捕集器和刮膜器，圆筒形加热夹套上部的外侧壁上设置有加热介质出口，圆筒形加热夹套顶部设置有乳酸物料入口，圆筒形加热夹套下部的外侧壁上设置有加热介质入口，薄膜蒸发后得到`的乳酸物料自乳酸物料入口进入分子蒸馏器并自圆筒形加热夹套内侧壁向下流动，加热介质从加热介质入口进入到圆筒形加热夹套的夹层内并自加热介质出口流出，以便对圆筒形加热夹套内侧壁上附着的乳酸物料液膜进行加热，内置冷端物料捕集器安装设置在圆筒形加热夹套的轴向中孔内，刮膜器也安装设置在圆筒形加热夹套的轴向中孔内，并且刮膜器的刮板位于圆筒形加热夹套内侧壁与内置冷端物料捕集器之间，在圆筒形加热夹套下部的轴向中孔内倾斜设置有导流板，导流板的高度向位于圆筒形加热夹套下部的重相乳酸出口方向逐渐降低，导流板用于承接自圆筒形加热夹套内侧壁上流下来的蒸馏剩余物并将蒸馏剩余物导流至圆筒形加热夹套下部的重相乳酸出口，内置冷端物料捕集器穿过导流板，在导流板上且环绕内置冷端物料捕集器设置有直立圆筒，直立圆筒的高度向圆筒形加热夹套下部的重相乳酸出口方向逐渐变大；内置冷端物料捕集器的冷凝介质入口和冷凝介质出口均位于内置冷端物料捕集器的底部，精品乳酸出口也位于内置冷端物料捕集器的底部，内置冷端物料捕集器至少包括直立在同一圆周上且相间设置的一组冷凝管，每个冷凝管的上端均与冷凝介质出口流体导通，每个冷凝管的下端均与冷凝介质入口流体导通，沿冷凝管表面流下的乳酸物料从精品乳酸出口流出分子蒸馏器；分子蒸馏采用由水环真空泵、罗茨真空泵和蒸汽喷射真空泵组成的真空系统对分子蒸馏器抽真空，首先将真空系统与分子蒸馏器的连接阀门打开；然后将分子蒸馏器的进料阀门和出料阀门关闭；打开水环真空泵，同时开启圆筒形加热夹套以便向圆筒形加热夹套的夹层内输入加热介质，使圆筒形加热夹套内部温度提升至70摄氏度；待分子蒸馏器内的绝对压力降至3300pa时，启动罗茨真空泵，待分子蒸馏器内的绝对压力降至700pa时，启动蒸汽喷射真空泵，将分子蒸馏器内的绝对压力降至15Pa以下；打开分子蒸馏器的进料阀门和出料阀门；保持分子蒸馏器内负载时的绝对压力为5Pa — 15Pa。
5.根据权利要求4所述的利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，其特征在于，精品乳酸出料量为I~4t/h，分子蒸馏器蒸发热面的温度为110-130°C，分子蒸馏器冷面的温度为55-60°C，刮膜器转子转速为40~150rpm，分子蒸馏器加热表面至冷端物料捕集器的间距为13~30cm。
6.根据权利要求5所述的利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，其特征在于，分子蒸馏器产能为2.3t/h，分子蒸馏器蒸发热面的温度为123°C，分子蒸馏器冷面的温度为58°C，刮膜器转子转速为130rpm，内置冷端物料捕集器由第一组冷凝管和第二组冷凝管组成，第一组冷凝管直立在第一圆周上且每个冷凝管相间设置，第二组冷凝管直立在第二圆周上且每个冷凝管相间设置，第一圆周的直径大于第二圆周的直径，第二组冷凝管中的每个冷凝管正对第一组冷凝管的两个相邻冷凝管之间的间隙，第一组冷凝管与分子蒸馏器加热表面的最小距离为20cm、最大距离为25cm，第二组冷凝管与分子蒸馏器加热表面的最小距离为25cm、最大距离为30cm。
7.根据权利要求1-3任一所述的利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，其特征在于，在步骤(E)中:蒸馏剩余物为重相乳酸，用降膜蒸发得到的酸水对重相乳酸进行稀释，使得稀释后的溶液中乳酸的质量分数为15-30%，然后输送到颗粒碳柱中进行脱色，经颗粒碳柱脱色后的溶液输送到步骤(C)中进行降膜蒸发，循环分子蒸馏。
8.根据权利要求1-3任一所述的利用分子蒸馏技术工业化生产乳酸的方法，其特征在于，薄膜蒸发后得 到的酸水输送到步骤(B)中。
【文档编号】C07C51/44GK103724183SQ201310692379
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2013年12月16日
【发明者】张鹏, 于培星, 穆鹏宇, 廉洁, 崔耀军, 刘喆, 王新, 杨清翔, 顾永华, 葛大森, 张国宣, 张树银, 王浩, 师媛媛, 邢晓霞, 李艳坤, 崔红梅, 周冰辉, 刘恒军, 张 杰, 杨锋, 刘晓东, 刘清华 申请人:河南金丹乳酸科技股份有限公司