吴海波;张玉姣;方岩雄;杨祖金;芮泽宝;叶超;禤耀明;纪红兵
【摘 要】本文采用分子蒸馏、薄膜蒸发与精馏耦合技术对肉桂油主要成分的分离进行研究.系统的温度、压力和回流比对 5 种组分的得率和纯度的影响分别进行了研究,实验结果表明这种技术成功地用于分离肉桂油.为了进一步理解分离因素相互之间对分离效果的影响,本文选择肉桂醛为模型化合物,采用中心响应面法对肉桂醛分离的影响因素进行研究.实验结果表明:温度 95℃,压力 50 Pa 时,肉桂醛的得率和纯度最高.实验验证的数值与响应面法模拟的数值一致,表明响应面法可以用于指导肉桂油的生产.%In this study, a triple-integration technology including molecular distillation, thin-film evaporation, and distillation was adopted to separate cinnamon oil. The effects of distillation temperature, pressure and reflux ratio on the yield and purity of five components were investigated. Statistical calculations showed that the technology is successful in the separation of cinnamon oil. In order to understand the effects of separation factors, cinnamaldehyde is selected as a model compound. Based on a central composite design, the statistic model shows that distillation temperature and pr
彩虹原则essure have significant effects on the separation of cinnamaldehyde. The optimal values for highest yield and purity are as follows: temperature 95℃ and pressure 50 Pa. The experimental results are in agreement with the predicted values, indicating a successful application of response surface methodology in the optimization of separation parameters for cinnamon oil.
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2015(066)009
【总页数】7页(P3542-3548)
【关键词】肉桂油;蒸馏;预测;优化;分离
分子生物学名词解释
保加利亚乳杆菌【作 者】吴海波;张玉姣;方岩雄;杨祖金;芮泽宝;叶超;禤耀明;纪红兵
【作者单位】中山大学惠州研究院,广东 惠州 516081;广东工业大学轻工化工学院,广东 广州 510006;广东工业大学轻工化工学院,广东 广州 510006;中山大学惠州研究院,广东 惠州
516081;中山大学化学与化学工程学院,广东 广州 510275;中山大学化学与化学工程学院,广东 广州 510275;中山大学惠州研究院,广东 惠州 516081;佛山汉维科技有限公司,广东 佛山 528244;中山大学惠州研究院,广东 惠州 516081;中山大学化学与化学工程学院,广东 广州 510275
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ654
肉桂(Cinnamomum cassiaPresl)，属樟科常绿乔木，广泛分布于广西、广东、云南、福建等地区。肉桂性辛、甘、热，归肾、脾、心、肝经，具有补火助阳、散热止痛、温通经脉功能，具有很高的药用价值[1-2]。肉桂油简称桂油，一般为黄或琥珀液体，主要化学成分为反式肉桂醛，可用于解热、镇静催眠、抑菌等作用[3-5]。我国各地生产的肉桂油因天气、产季、环境因素等差异肉桂油品质相差较大，其中反式肉桂醛的质量分数在70%～90%。此外，苯甲醛、苯丙醛、邻甲氧基肉桂醛、乙酸肉桂酯等组分也是肉桂油中的主要成分，而这些在食品、医药、香精、香料等方面有广泛应用[6-7]。目前，国内外报道的肉桂油分离纯化技术主要采取分子蒸馏、减压蒸馏等方式[8-9]，然而单极分子蒸馏很难获得
符合应用要求的产品，往往需要多级分子蒸馏串联以提高纯度[10-11]。因此，存在分离效率低、成本高和设备损耗大等缺点；同时，常规的减压蒸馏方法存在物料受热时间长、组分难分离等问题[12]。所以，如何有效地提高肉桂油分离纯化的效率，一直是当前的研究热点。
本文选择具有应用价值的苯甲醛、苯丙醛、肉桂醛、邻甲氧基肉桂醛以及乙酸肉桂酯5种成分为研究对象，提出采用分子蒸馏、薄膜蒸发与精馏集成分离技术分离肉桂油中5种组分，将刮膜式薄膜蒸发器和能够进行温和再沸的多塔板精馏柱结合在一起，低温操作可有效避免肉桂油中热敏性组分被分解或破坏，刮膜蒸发器和精馏柱的联用可实现轻重组分的高效分离，循环进料有助于提高原料的利用率、产品的收率。此外，该集成分离技术还具有操作压力可在分子蒸馏、减压精馏的操作设计值间进行调控，进而提高塔板效率，降低分离成本等特点，可为分离热敏性、分离难度大、市场应用价值高的精细化学品提供一种参考。
1.1 材料与试剂
本实验所使用肉桂油为化工厂提供的工业级规格。苯甲醛、苯丙醛、乙酸肉桂醛、邻甲氧
基肉桂醛均购自萨恩化学技术有限公司，质量分数≥99%；肉桂醛购自百灵威科技有限公司，质量分数≥99%；乙酸乙酯、萘、联苯均为 AR级别化学品。
1.2 设备及流程
分子蒸馏、薄膜蒸发与精馏集成分离技术实验装置为自主研发产品，设备如图1所示，主要由薄膜蒸发器、精馏塔、塔顶冷凝器等其他辅助部分组成。物料首先加入物料罐 1，在重力作用下进入刮膜式薄膜蒸发器 2，在刮板的旋转作用力下分成轻重两相，重组分流入塔釜3，在物料循环泵11的作用下，重新回到物料罐1；蒸气部分在精馏塔4内经过多次部分蒸发与部分冷凝后，到达塔顶的蒸气在塔顶冷凝器5形成冷凝液，通过回流比控制仪12，部分冷凝液回流至精馏塔4，精馏塔4的气相股和液相股反复地汽化和冷凝，最终塔顶高纯度的轻组分通过冷却器6冷却后作为馏出物收集于产品接收器7内，经物料循环泵11循环多次后导出的组分即为高浓度重组分。此外，为防止挥发性组分被抽进真空泵10，在产品接收器7和真空泵10之间设置了冷阱8和真空罐9。佟星
1.3 分析方法消化道传染病
5种组分提取率的测定采用气相谱内标法，5种组分含量的计算采用面积归一化法。具体分析方法如下：
仪器：安捷伦7890A型气相谱仪；谱柱：DB-WAX毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；载气：氮气；进样口温度：250℃；流速：3 ml·min−1；进样量：0.2 μl；分流比：1:30；程序升温：初始温度100℃，保持2 min，以10℃·min−1升至200℃，保持6 min；FID温度：250℃。
1.4 分离工艺
实验中使用的原料为工业级的肉桂油，其中肉桂醛的含量85%，苯甲醛、苯丙醛含量1%，邻甲氧基肉桂醛、乙酸肉桂酯含量 5%。基于薄膜蒸发与精馏耦合技术和分子蒸馏技术的相通性[13]，因此将实验基础参数确定为刮膜转速设为300 r·min−1，进料速度设定为3 ml·min−1(约每秒一滴)；塔顶采用循环冷凝水制冷温度为−2～0℃。冷阱采用液氮制冷，可以有效保护轻组分不被抽到真空泵中。在得知5种组分的一些性质（表1）之后，主要对蒸发温度、压力、回流比的影响进行考察。随后以肉桂醛的收率和纯度作为指标，利用响应面的中心符合设计方案来进行二因素五水平的实验设计对分离条件进行优化。
2.1 单因素实验
2.1.1 蒸发器温度的影响 在确定好实验设备的基础参数后，将工业级的肉桂油作为原料进行分离纯化。首先，在压力50 Pa，回流比为4∶1的实验条件下进行蒸发温度对组分分离效果的影响，结果见表2。
由表2可得，苯甲醛的纯度及收率随蒸发器温度的升高呈现出先增高后降低的趋势，蒸发温度为85℃时二者达到最高值，纯度为 62.63%，收率为75.17%。苯丙醛的纯度及收率随蒸发温度的变化规律和苯甲醛类似，但对比两处蒸发器温度85和95℃可见，纯度和收率均变化不大，因此苯丙醛纯度和收率最值对应的温度应在85～95℃之间，其值可能高于现有值，纯度36.81%，收率44.47%。
中间组分肉桂醛的纯度和收率随温度升高先增加后降低，蒸发器温度为 95℃时二者达到最大值，纯度为99.18%，收率为85.45%。乙酸肉桂酯、邻甲氧基肉桂醛较难挥发，温度较低时大部分存在于塔釜，因此其收率较高，蒸发器温度为75℃时，釜液的邻甲氧基肉桂醛的收率为85.42%，乙酸肉桂酯的收率为81.01%。随蒸发器温度的升高，蒸发逐渐加剧，95℃时肉桂醛大部分被蒸出，因此釜液中乙酸肉桂酯和邻甲氧基肉桂醛的含量达到最大值
24.26%和30.51%，温度进一步升高，二者在釜液中的纯度和收率不断减小。
2.1.2 压力的影响 在确定蒸发器温度为95℃，回流比为4∶1下进行压力的影响考察实验，结果见表3。
由表3可知，压力较小时，组分的纯度和收率都较低。当压力达到50 Pa时，大部分的肉桂醛分子可以从蒸发面逸出进入精馏塔，因此馏出物中肉桂醛的纯度和收率均达到最大值，分别为99.25%、85.63%；压力达到100 Pa时，苯丙醛的纯度和收率达到最大值，依次为48.43%、46.02%；压力为150 Pa时，苯甲醛的纯度和收率达到最大值，分别为60.61%和71.22%。同时，乙酸肉桂酯和邻甲氧基肉桂醛的收率能够达到最优收率，从表中也可以看出当压力为50 Pa时，二者的纯度达到最优。
2.1.3 回流比的影响 确定蒸发器温度和压力后，改变回流比，对肉桂油进行分离纯化，实验结果见表4。
由表4结果可知，苯甲醛、苯丙醛、肉桂醛的纯度随回流比的增大而逐渐升高，当回流比小于 4时，增速明显，大于4后，增速放缓。苯甲醛、苯丙醛的收率在回流比大于4之后有小
幅度降低，肉桂醛的收率随回流比的增大不断降低。乙酸肉桂酯、邻甲氧基肉桂醛的纯度随回流比的增大不断降低，而其收率则不断升高。考虑肉桂油中肉桂醛的分离，回流比为4∶1时最佳。
2.2 耦合蒸馏纯化肉桂油条件的优化
在单因素实验的基础上，由于回流比对肉桂油的分离工艺影响相差不大。所以采用响应面的中心符合设计方案来只进行二因素五水平的实验设计[14-17]，选取的因素水平结果见表 5。编码值和自变量之间的关系通过以下变换所得
式中，X1、X2为编码值；T、p为实际值，T0、p0为实验的中心点，ΔT、Δp为变化步长，验中：
T0=95℃、p0=60 Pa，ΔT=10℃、Δp=30 Pa。三项制度改革
2.2.1 中心复合设计实验方案及结果 由于肉桂醛在肉桂油中含量最多，分离效果也是最好的，能够更好地反映肉桂油分离的情况。因此，根据响应面法中的中心复合实验以肉桂醛的收率和纯度作为指标设计方案进行薄膜蒸发和精馏耦合纯化肉桂油的实验，实验结果见
表6。
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