干法分提工藝的結(jié)晶原理介紹

2024-12-04

干法分提工藝中的結(jié)晶原理主要基于油脂中不同甘油三酯成分在物理性質(zhì)，尤其是熔點上的差異。

一、甘油三酯的結(jié)構(gòu)與熔點差異

• 油脂是由甘油和脂肪酸組成的甘油三酯的混合物。甘油三酯的結(jié)構(gòu)特點決定了其熔點的不同。脂肪酸的鏈長、飽和度以及脂肪酸在甘油骨架上的位置都會影響甘油三酯的熔點。例如，飽和脂肪酸的鏈長越長，其組成的甘油三酯熔點越高。像硬脂酸（C18:0）組成的甘油三酯熔點就比油酸（C18:1）組成的甘油三酯高很多。這是因為飽和脂肪酸的碳鏈能夠緊密排列，分子間作用力強，主要是范德華力，這種緊密排列使得晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，需要更高的溫度才能使其從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。

• 而不飽和脂肪酸含有雙鍵，雙鍵的存在會使脂肪酸鏈產(chǎn)生彎曲，不能像飽和脂肪酸那樣緊密排列。以油酸為例，其分子中的雙鍵使碳鏈產(chǎn)生一個約30°的彎曲，這種彎曲結(jié)構(gòu)阻止了分子間的緊密堆積，從而降低了分子間作用力，使得含有不飽和脂肪酸的甘油三酯熔點降低。

二、結(jié)晶的成核過程

• 在干法分提的結(jié)晶過程中，首先是成核階段。當(dāng)油脂的溫度降低到某一甘油三酯的熔點以下時，該甘油三酯分子的熱運動能量降低，分子間的作用力開始起主導(dǎo)作用。在這個過程中，一些微小的局部區(qū)域內(nèi)，甘油三酯分子會聚集在一起，形成晶核。這些晶核是結(jié)晶的核心，就像雪花形成的最初核心一樣。

• 成核可以分為均相成核和異相成核。均相成核是指在純凈的油脂體系中，甘油三酯分子自身聚集形成晶核。不過這種情況相對較少，因為在實際的油脂體系中很難達(dá)到絕對純凈的狀態(tài)。異相成核更為常見，它是指油脂中的雜質(zhì)顆粒、容器壁表面的微小不平處等作為晶核形成的中心。例如，油脂中的微量金屬離子、未完全去除的磷脂顆粒等都可以作為異相成核的位點。

三、晶體生長過程

• 一旦晶核形成，周圍的甘油三酯分子就會在晶核表面不斷沉積，使晶體逐漸生長。這個過程類似于建造房屋，晶核是基礎(chǔ)，甘油三酯分子是建筑材料。在晶體生長過程中，分子的擴散和表面反應(yīng)是兩個關(guān)鍵步驟。

• 分子擴散是指周圍的甘油三酯分子向晶核表面擴散的過程。這個過程的速度受到溫度、攪拌等因素的影響。溫度越低，分子的熱運動越慢，擴散速度也會減慢，但同時低溫有利于分子在晶核表面的沉積。攪拌可以促進(jìn)分子的擴散，使更多的甘油三酯分子能夠接觸到晶核表面，但如果攪拌過于劇烈，可能會破壞已經(jīng)形成的晶核和小晶體。

• 表面反應(yīng)是指甘油三酯分子在晶核表面沉積并排列成規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的過程。在這個過程中，甘油三酯分子需要按照一定的晶格結(jié)構(gòu)排列，以形成穩(wěn)定的晶體。分子的形狀和結(jié)構(gòu)決定了它們在晶核表面的排列方式。例如，長鏈飽和脂肪酸組成的甘油三酯分子更容易形成緊密堆積的晶體結(jié)構(gòu)，而含有不飽和脂肪酸的甘油三酯分子在排列過程中會受到雙鍵的影響，排列相對疏松。

四、結(jié)晶的平衡狀態(tài)

• 在結(jié)晶過程中，隨著晶體的生長，溶液（這里指液態(tài)的油脂部分）中的甘油三酯濃度會逐漸降低。當(dāng)溶液中的甘油三酯濃度達(dá)到一定的平衡狀態(tài)時，結(jié)晶過程就會停止。這個平衡狀態(tài)受到溫度、甘油三酯的種類和比例等因素的影響。

• 從熱力學(xué)角度來看，在一定溫度下，甘油三酯在固態(tài)和液態(tài)之間存在一個平衡常數(shù)。當(dāng)固態(tài)甘油三酯的化學(xué)勢和液態(tài)甘油三酯的化學(xué)勢相等時，就達(dá)到了平衡狀態(tài)。如果溫度發(fā)生變化，這個平衡常數(shù)也會改變，從而導(dǎo)致結(jié)晶或者溶解的過程發(fā)生。例如，當(dāng)溫度升高時，平衡向溶解方向移動，晶體就會逐漸溶解；當(dāng)溫度降低時，平衡向結(jié)晶方向移動，更多的甘油三酯會結(jié)晶析出。

五、結(jié)晶形態(tài)對分離的影響

• 結(jié)晶形態(tài)對于后續(xù)的分離過程至關(guān)重要。理想的結(jié)晶形態(tài)應(yīng)該是顆粒較大、形狀規(guī)則且大小均勻的晶體。大顆粒的晶體在過濾或者離心分離過程中更容易被分離出來，因為它們不容易堵塞過濾介質(zhì)或者在離心力的作用下能夠更好地與液態(tài)油分離。

• 如果結(jié)晶過程中形成的是細(xì)小結(jié)晶體，它們可能會堵塞過濾介質(zhì)的孔隙，導(dǎo)致過濾速度變慢，甚至無法正常過濾。而且細(xì)小結(jié)晶體在離心分離時也可能會因為其較小的尺寸和不規(guī)則的形狀，不能很好地與液態(tài)油分離，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和收率。例如，在棕櫚油的干法分提中，如果結(jié)晶過程控制不當(dāng)，形成了大量的細(xì)小結(jié)晶體，在過濾分離固態(tài)脂和液態(tài)油時，固態(tài)脂中的液態(tài)油含量會增加，液態(tài)油的透明度也會受到影響。