一种用于制作聚甘油异构脂肪酸酯的设备及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种用于制作聚甘油异构脂肪酸酯的设备及其操作方法。

背景技术

聚甘油异构脂肪酸酯是属于聚甘油脂肪酸酯中的一种，不含PEG成份、是温和，亲水性的乳化剂。它的化学结构中含有较多羟基，能与空气中水分子形成氢键并持久保湿，在保湿的同时还可以起到很好的乳化、黏度调节，控制调整结晶、抗菌等作用。它是由聚甘油和异构脂肪酸在高温下酯化而成的，耐酸碱、耐高温、乳化稳定性均优于其甘油酯及其它乳化剂。

在全球环保趋势下，化妆品行业不管是包材、原料也将会进入“环保”时代。新型原料层出不穷，在市场上的投入使用时间较短。所以天然的、无毒的、无刺激、环保的化妆品原料也将是一种趋势和急需。随着各种视频种草营销和美妆消费者对化妆品原料的认知越发熟悉，在2020年PCHI数据报告中美妆市场原料中增速最快的20个品种里面就有14个植物类成分。

中国专利文献号CN 104902864 A于2015年09月09日公开了一种纳米乳剂或微乳剂形式的化妆品组合物，其包括：a)至少一种油；b)至少一种聚甘油脂肪酸酯，其优选具有衍生自4-6个甘油、更优选5或6个甘油的聚甘油基团；c)至少一种具有-0.7和6之间的logP的水溶助长剂；和d)水。这种化妆品组合物的生产效率比较低。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种生产效率高的用于制作聚甘油异构脂肪酸酯的设备及其操作方法，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种用于制作聚甘油异构脂肪酸酯的设备，包括带有搅拌桨叶的反应釜，其结构特征是所述反应釜的外壁上设置有加热装置，所述加热装置包括缠绕在反应釜的外壁上的导热螺旋管或加热夹套，所述导热螺旋管或加热夹套从反应釜的底部缠绕到反应釜的中上部，其中，第一导热油进口管与导热螺旋管或加热夹套的最低处相连通，第二导热油进口管与导热螺旋管或加热夹套的中部相连通，导热油出口管与导热螺旋管或加热夹套的最高处相连通。

进一步，所述反应釜的上部设置有第一投料口和第二投料口，第一投料口与第二投料口间隔设置。

进一步，所述反应釜靠近第二导热油进口管处设置有插入反应釜内的温度检测器。

进一步，所述反应釜的上部与升气管相接，升气管的内壁上设置有上下间隔且周向间隔的二个以上的塔板，所述塔板与升气管的内壁之间构成储料空间，所述塔板上设置有微孔。

进一步，所述升气管的中间设置有支撑杆，塔板靠近升气管中间的部分抵靠在支撑杆上。

进一步，所述的用于制作聚甘油异构脂肪酸酯的设备，还包括与升气管相连通的气体回收装置，所述气体回收装置包括回收罐和抽真空机，所述回收罐通过回收管与升气管相连通；水冷管套设在回收管外，水冷管与回收管共同构成外水冷夹套，进水管与外水冷夹套的一端相连通，出水管与外水冷夹套的另一端相连通；抽真空机与回收罐相连通。

一种用于制作聚甘油异构脂肪酸酯的设备的操作方法，其特征是包括以下步骤：

步骤一，首先按比例各自称量聚甘油、异硬脂酸、食品级抗氧化剂和碱性催化剂共同混和反应后得到聚甘油异构脂肪酸酯，在投料反应前，在反应釜内，首先充入压力为0.05MPa～0.18MPa的氮气，然后抽真空度为0.06～0.099Mpa的真空，最后再充入压力为0.05MPa～0.18MPa的氮气；

其中，当聚甘油为聚甘油-2，聚甘油-2与异硬脂酸的摩尔比为1：2.8～3.5时，获得的聚甘油异构脂肪酸酯为聚甘油-2三异硬脂酸酯；

当聚甘油为聚甘油-3，聚甘油-3与异硬脂酸的摩尔比为1：1.5～2.2时，获得的聚甘油异构脂肪酸酯为聚甘油-3二异硬脂酸酯；

当聚甘油为聚甘油-10，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：0.8～1.3时，获得的聚甘油异构脂肪酸酯为聚甘油-10异硬脂酸酯；

当聚甘油为聚甘油-10，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：1.5～2.2时，获得的聚甘油异构脂肪酸酯为聚甘油-10二异硬脂酸酯；

当聚甘油为聚甘油-10，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：8.5～10时，获得的聚甘油异构脂肪酸酯为聚甘油-10十异硬脂酸酯；

碱性催化剂的用量为聚甘油的质量与碱性催化剂的质量的总和的0.1％～5％；食品级抗氧化剂的用量为聚甘油的质量与碱性催化剂的质量的总和的0.5％～5％；

步骤二，首先用真空抽取聚甘油到反应釜中，然后分别从第一导热油进口管和第二导热油进口管导入导热油加热反应釜，使得反应釜内的聚甘油的温度达到80℃～150℃；食品级抗氧化剂与聚甘油同时加入到反应釜中；

步骤三，然后依次加入异硬脂酸和碱性催化剂；其中，首先将异硬脂酸和碱性催化剂分别加热溶解，然后将加热后的异硬脂酸通过喷洒方式分别从第一投料口和第二投料口喷进反应釜，按100kg异硬脂酸计，喷洒速率控制在2～10小时内完成；待异硬脂酸全部喷进反应釜后，再将溶解后的碱性催化剂从进料口投入反应釜；最后快速搅拌聚甘油、异硬脂酸、食品级抗氧化剂、碱性催化剂的混和物，使其发生反应；搅拌速率为30～100转/min；

步骤四，保温在180～260℃下充分搅拌，保温时间为6～20小时；保温时的搅拌速率为30～100转/min；

步骤五，在保温过程中，适时测定反应釜内的反应混合物的酸值，当酸值接近零时结束反应。

进一步，所述碱性催化剂NaOH、KOH、LiOH、Na

进一步，所述步骤四，反应结束后对反应物进行保温下的分子蒸馏处理，在氮气的保护下，采用分段保温蒸馏：前期保温180～200℃，中期保温：220～240℃，后期保温240～260℃。

进一步，还包括设置在步骤四与步骤五之间的步骤六，

步骤六，对反应釜抽真空度为0.06～0.099Mpa的真空。

本发明中的反应釜的外壁上设置有加热装置，所述加热装置包括缠绕在反应釜的外壁上的导热螺旋管或加热夹套，所述导热螺旋管或加热夹套从反应釜的底部缠绕到反应釜的中上部，其中，第一导热油进口管与导热螺旋管或加热夹套的最低处相连通，第二导热油进口管与导热螺旋管或加热夹套的中部相连通，导热油出口管与导热螺旋管或加热夹套的最高处相连通；通过二进一出的结构，在保证加热温度的同时，确保反应物不会出现焦化现象，从而提高生产效率的基础上，提升产品品质。

本发明中的反应釜的上部设置有第一投料口和第二投料口，第一投料口与第二投料口间隔设置，将加热后的异硬脂酸通过喷洒方式分别从第一投料口和第二投料口喷进反应釜，通过设置第一投料口和第二投料口能够在确保混和且搅拌均匀的基础上，提高投料速度，从而提供生产效率。

本发明中的反应结束后对反应物进行保温下的分子蒸馏处理，在氮气的保护下，采用分段保温蒸馏：前期保温180～200℃，中期保温：220～240℃，后期保温240～260℃，可以减少包括反应产物在内的物料焦化率，提高产品的品质。

本发明中的反应釜的上部与升气管相接，升气管的内壁上设置有上下间隔且周向间隔的二个以上的塔板，所述塔板与升气管的内壁之间构成储料空间，所述塔板上设置有微孔；对反应釜抽真空度为0.06～0.099Mpa的真空；通过真空可以从反应釜内带走一部分物料，通过塔板增大反应面积以及增长反应距离，便于进行回收被真空带走的部分物料，从而提高生产效率；并且，经过升气管内的塔板分离后，使沸点在300℃以下的物质及水分以及其它挥发性气体经真空管道排除，而沸点在300℃以上的物质尽可能留在反应釜内，从而提高产品品质。

本发明还包括与升气管相连通的气体回收装置，所述气体回收装置包括回收罐和抽真空机，所述回收罐通过回收管与升气管相连通；水冷管套设在回收管外，水冷管与回收管共同构成外水冷夹套，进水管与外水冷夹套的一端相连通，出水管与外水冷夹套的另一端相连通；抽真空机与回收罐相连通；通过外水冷夹套能够降低回收管中的气体温度，提高回收率，从而在提高收率的基础上，降低环境污染。

本发明在投料反应前，在反应釜内首先充入压力为0.05MPa～0.18MPa的氮气，然后抽真空度为0.06～0.099Mpa的真空，最后再充入压力为0.05MPa～0.18MPa的氮气；在反应前对反应釜内做处理，彻底把釜体内的氧气除掉；既可以提高反应后得到的产品纯度，还可以加快反应速度。

本发明采用上述的技术方案后，整个工艺简单、反应时间短，所获得的产品纯度高、产品颜色好、产品性能稳定，在同行里面的质量领先，对国内的相关行业的发展具有重要的促进作用。聚甘油异构脂肪酸酯作为一种新型的、高效的非离子性表面活性剂。它是由天然甘油和异构脂肪酸在高温下酯化完成。在代谢的过程中，具有高度的安全性。聚甘油异构脂肪酸酯，其乳化能力强，同时不刺激皮肤和粘膜且无毒无害，十分适合应用于洗涤用品和化妆品。聚甘油异构脂肪酸酯在合成过程中，其中的聚甘油的质量起着重要作用。

本发明采用上述的技术方案所获得的产品，聚甘油异构脂肪酸酯的稳定性好、色泽浅、回收率可达95％以上、灰分和酸值均比较低，并且，有效的解决了产品合成中的分层问题。

综上所述，本发明具有活性物含量高、基本无毒、质量高的效果，并且具有不分层稳定性好、收率高、色泽浅、固含量高、无毒、无刺激的特点。

附图说明

图1为本发明一实施例的反应釜的局部剖切结构示意图。

图2为图1的左视结构示意图。

图3为图2中的反应釜沿竖向顺时针转过90度后的俯视结构示意图。

图4为升气管的局部剖切结构示意图。

图5为图4的俯视结构示意图。

图6为第一塔板的主视结构示意图。

图7为聚甘油-2三异硬脂酸酯的产品外观示意图。

图8为聚甘油-3二异硬脂酸酯的产品外观示意图。

图9为聚甘油-10二异硬脂酸酯的产品外观示意图。

图10为聚甘油-10十异硬脂酸酯的产品外观示意图。

图11为聚甘油-10异硬脂酸酯的产品外观示意图。

图12为聚甘油-2三异硬脂酸酯的红外色谱图。

图13为聚甘油-3二异硬脂酸酯的红外色谱图。

图14为聚甘油-10二异硬脂酸酯的红外色谱图。

图15为聚甘油-10十异硬脂酸酯的红外色谱图。

图16为聚甘油-10异硬脂酸酯的红外色谱图。

图17为聚甘油-10异硬脂酸酯中的脂肪酸甲酯的气相色谱图。

图18为聚甘油-10二异硬脂酸酯中的脂肪酸甲酯的气相色谱图。

图19为聚甘油-2三异硬脂酸酯中的脂肪酸甲酯的气相色谱图。

图20为聚甘油-3二异硬脂酸酯中的脂肪酸甲酯的气相色谱图。

图21为异硬脂酸甲酯标准品的气相色谱图。

图中：1为反应釜，2为导热螺旋管或加热夹套，3为防爆电机，4为减速器，5为搅拌轴，6为桨叶，7为第一导热油进口管，8为第二导热油进口管，9为导热油出口管，10为温度检测器，11为进料口，12为乳化口，13为视镜窗，14为第一投料口，15为第二投料口，20为升气管，20.1为第一塔板，20.2为第二塔板，20.3为第三塔板，20.4为第四塔板，20.5为支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

第一实施例

参见图1-图7和图12，本用于制作聚甘油异构脂肪酸酯的设备，包括带有搅拌桨叶的反应釜1，所述反应釜1的外壁上设置有加热装置，所述加热装置包括缠绕在反应釜1的外壁上的导热螺旋管2或加热夹套，所述导热螺旋管2或加热夹套从反应釜的底部缠绕到反应釜1的中上部，其中，第一导热油进口管7与导热螺旋管2或加热夹套的最低处相连通，第二导热油进口管8与导热螺旋管2或加热夹套的中部相连通，导热油出口管9与导热螺旋管2或加热夹套的最高处相连通。

所述反应釜1的上部设置有第一投料口14和第二投料口15，第一投料口14与第二投料口15间隔设置。

所述反应釜1靠近第二导热油进口管8处设置有插入反应釜1内的温度检测器10。

所述反应釜1的上部与升气管20相接，升气管20的内壁上设置有上下间隔且周向间隔的二个以上的塔板，所述塔板与升气管20的内壁之间构成储料空间，所述塔板上设置有微孔。

所述升气管20的中间设置有支撑杆20.5，塔板靠近升气管20中间的部分抵靠在支撑杆20.5上。

一种用于制作聚甘油异构脂肪酸酯的设备的操作方法，包括以下步骤：

步骤一，首先按比例各自称量聚甘油、异硬脂酸、食品级抗氧化剂和碱性催化剂共同混和反应后得到聚甘油异构脂肪酸酯，在投料反应前，在反应釜内，首先充入压力为0.05MPa～0.18MPa的氮气，然后抽真空度为0.06～0.099Mpa的真空，最后再充入压力为0.05MPa～0.18MPa的氮气；

其中，当聚甘油为聚甘油-2，聚甘油-2与异硬脂酸的摩尔比为1：2.8～3.5时，获得的聚甘油异构脂肪酸酯为聚甘油-2三异硬脂酸酯；

当聚甘油为聚甘油-3，聚甘油-3与异硬脂酸的摩尔比为1：1.5～2.2时，获得的聚甘油异构脂肪酸酯为聚甘油-3二异硬脂酸酯；

当聚甘油为聚甘油-10，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：0.8～1.3时，获得的聚甘油异构脂肪酸酯为聚甘油-10异硬脂酸酯；

当聚甘油为聚甘油-10，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：1.5～2.2时，获得的聚甘油异构脂肪酸酯为聚甘油-10二异硬脂酸酯；

当聚甘油为聚甘油-10，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：8.5～10时，获得的聚甘油异构脂肪酸酯为聚甘油-10十异硬脂酸酯；

碱性催化剂的用量为聚甘油的质量与碱性催化剂的质量的总和的0.1％～5％。较佳的，碱性催化剂的用量为聚甘油的质量与碱性催化剂的质量的总和的0.14％～2.98％。食品级抗氧化剂的用量为聚甘油的质量与碱性催化剂的质量的总和的0.5％～5％。

在本实施例中，食品级抗氧化剂可以采用BHA、BHT、TBHQ或维生素E等。较佳的，食品级抗氧化剂采用维生素E。

步骤二，首先用真空抽取聚甘油到反应釜中，然后分别从第一导热油进口管7和第二导热油进口管8导入导热油加热反应釜，使得反应釜内的聚甘油的温度达到80℃～150℃。食品级抗氧化剂与聚甘油同时加入到反应釜中。

操作时，聚甘油可以采用射流方式进料，10kg～100kg/小时。

步骤三，然后依次加入异硬脂酸和碱性催化剂；其中，首先将异硬脂酸和碱性催化剂分别加热溶解，然后将加热后的异硬脂酸通过喷洒方式分别从第一投料口14和第二投料口15喷进反应釜，按100kg异硬脂酸计，喷洒速率控制在2～10小时内完成；待异硬脂酸全部喷进反应釜后，再将溶解后的碱性催化剂从进料口11投入反应釜；最后快速搅拌聚甘油、异硬脂酸、食品级抗氧化剂、碱性催化剂的混和物，使其发生反应；搅拌速率为30～100转/min。

步骤四，保温在180～260℃下充分搅拌，保温时间为6～20小时；保温时的搅拌速率为30～100转/min。

步骤五，在保温过程中，适时测定反应釜内的反应混合物的酸值，当酸值接近零时结束反应。

所述碱性催化剂NaOH、KOH、LiOH、Na

所述步骤四，反应结束后对反应物进行保温下的分子蒸馏处理，在氮气的保护下，采用分段保温蒸馏：前期保温180～200℃，中期保温：220～240℃，后期保温240～260℃。

还包括设置在步骤四与步骤五之间的步骤六，

步骤六，对反应釜抽真空度为0.06～0.099Mpa的真空。

在本实施例中，反应时，先采用分段升温，具体为前期：180℃～200℃，中期：220℃～240℃，后期240℃～280℃，这样可以减少物料焦化，由于反应时采用0.096～0.1MPa高真空会带走一部分物料，则利用物质的沸点差，通过升气管20内的塔板分离来增大反应面积以及增长反应距离进行回收被真空带走的部分物料，以提高回收率。

在本实施例中，当聚甘油为聚甘油-2，聚甘油-2与异硬脂酸的摩尔比为1：2.8～3.5时，获得聚甘油-2三异硬脂酸酯。较佳的，聚甘油-2与异硬脂酸的摩尔比为1：2.82～3.39。食品级抗氧化剂的用量为聚甘油的质量与碱性催化剂的质量的总和的0.75％～2.25％。

经过上述反应后，获得的聚甘油-2三异硬脂酸酯的具体指标见表一。

表一

表一的最后一栏为日清奥利友集团株式会社的相同产品的具体指标，从表一基本可以得出，本发明获得聚甘油-2三异硬脂酸酯的具体指标与日清奥利友集团株式会社的相同产品的具体指标基本相同。

聚甘油-2三异硬脂酸酯的颜色可以参见图7。

接下来，对上述获得的聚甘油-2三异硬脂酸酯进行酯基和羟基两个官能团的进行红外色谱的检测，检测结果见图12。

关于检测结果的分析见表二。

表二

在本实施例中，UN-164是产品编号，具体为：UN-164对应聚甘油-10异硬脂酸酯；UN-168对应聚甘油-10二异硬脂酸酯；UN-169对应聚甘油-10十异硬脂酸酯；UN-117对应聚甘油-2三异硬脂酸酯；UN-125对应聚甘油-3二异硬脂酸酯。

第二实施例

参见图8和图13，在本实施例中，所述聚甘油为聚甘油-3，当聚甘油-3与异硬脂酸的摩尔比为1：1.5～2.2时，获得聚甘油-3二异硬脂酸酯。较佳的，聚甘油-3与异硬脂酸的摩尔比为1：1.56～2.2。食品级抗氧化剂的用量为聚甘油的质量与碱性催化剂的质量的总和的0.54％～3.25％。

经过混和反应后，获得的聚甘油-3二异硬脂酸酯的具体指标见表三。

表三

聚甘油-3二异硬脂酸酯的颜色可以参见图8。

接下来，对上述获得的聚甘油-3二异硬脂酸酯进行酯基和羟基两个官能团的进行红外色谱的检测，检测结果见图13。

关于检测结果的分析见表二。

其余未述部分见第一实施例，不再赘述。

第三实施例

参见图9和图14，当聚甘油为聚甘油-10，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：1.5～2.2时，获得聚甘油-10二异硬脂酸酯。较佳的，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：1.55～2.15。食品级抗氧化剂的用量为聚甘油的质量与碱性催化剂的质量的总和的0.83％～4.62％。

经过混和反应后，获得的聚甘油-10二异硬脂酸酯的具体指标见表五。

表四

表五的最后一栏为日光化学贸易(上海)有限公司的相同产品的具体指标，从表四基本可以得出，本发明获得聚甘油-10二异硬脂酸酯的具体指标与日光化学贸易(上海)有限公司的相同产品的具体指标基本相同。

聚甘油-10二异硬脂酸酯的颜色可以参见图9。

接下来，对上述获得的聚甘油-10二异硬脂酸酯进行酯基和羟基两个官能团的进行红外色谱的检测，检测结果见图14。

关于检测结果的分析见表二。

其余未述部分见第一实施例，不再赘述。

第四实施例

参见图10和图15，当聚甘油为聚甘油-10，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：8.5～10时，获得聚甘油-10十异硬脂酸酯。较佳的，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：8.67～9.82。食品级抗氧化剂的用量为聚甘油的质量与碱性催化剂的质量的总和的0.78％～3.68％。

经过混和反应后，获得的聚甘油-10十异硬脂酸酯的具体指标见表五。

表五

聚甘油-10十异硬脂酸酯的颜色可以参见图10。

接下来，对上述获得的聚甘油-10十异硬脂酸酯进行酯基和羟基两个官能团的进行红外色谱的检测，检测结果见图15。

关于检测结果的分析见表二。

其余未述部分见第一实施例，不再赘述。

第五实施例

参见图11和图16，当聚甘油为聚甘油-10，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：0.8～1.3时，获得聚甘油-10异硬脂酸酯。较佳的，聚甘油-10与异硬脂酸的摩尔比为1：0.98～1.3。食品级抗氧化剂的用量为聚甘油的质量与碱性催化剂的质量的总和的0.88％～3.32％。

经过混和反应后，获得的聚甘油-10异硬脂酸酯的具体指标见表六。

表六

表四的最后一栏为日光化学贸易(上海)有限公司的相同产品的具体指标，从表四基本可以得出，本发明获得聚甘油-10异硬脂酸酯的具体指标与日光化学贸易(上海)有限公司的相同产品的具体指标基本相同。

聚甘油-10异硬脂酸酯的颜色可以参见图10。

接下来，对上述获得的聚甘油-10异硬脂酸酯进行酯基和羟基两个官能团的进行红外色谱的检测，检测结果见图15。

关于检测结果的分析见表二。

其余未述部分见第一实施例，不再赘述。

接下来，将上述获得的各种产品进行下列各项检测。

一、细胞毒性检测。

根据细胞存活率对不同组别的细胞毒性进行分级，其中高浓度下细胞毒性大于80％设置为0级，随着上述各种产品浓度的降低，产品的细胞毒性增大，安全评级升高。依次评级如下：

细胞毒性评价标准见表七

表七

上述各种产品的样品细胞毒性见表八。

表八

二、眼刺激评检测

眼刺激评分标准：根据小鼠抓挠眼部次数，将其刺激程度分为无刺激性、轻度刺激性、中度刺激性和强度刺激性，并以此对样品刺激性进行评价。眼刺激分级评价标准见表九

表九

上述各种产品的样品细胞毒性见表十。

表十

以上，关于细胞毒性检测和眼刺激评检测数据，均由2020年10月12日，佛山市康伲爱伦生物技术有限公司提供。

以下为各种产品的活性物含量数据以及与日清公司的相关对比表，见表十一。

表十一

参见图17-图21，通过比较图17和图21、比较图18和图21、比较图19和图21、以及比较图20和图21、可以得知：通过上述技术方案分别获得的聚甘油-10异硬脂酸酯、聚甘油-10二异硬脂酸酯、聚甘油-2三异硬脂酸酯、聚甘油-3二异硬脂酸酯，均分别含有异硬脂酸甲酯。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。