二氧化碳超臨界流體萃取技術(shù)培訓(xùn)4

二氧化碳超臨界流體萃取技術(shù)培訓(xùn)4物質(zhì)有三種狀態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)的第四態(tài)：超臨界狀態(tài)流體狀態(tài)第二頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/62臨界溫度：每種物質(zhì)都有一個(gè)特定溫度，在這個(gè)溫度以上，無(wú)論怎樣增大壓強(qiáng)，即使密度與液態(tài)接近，氣態(tài)物質(zhì)也不會(huì)液化。這個(gè)溫度稱(chēng)為物質(zhì)的臨界溫度。臨界壓力：與臨界溫度相對(duì)應(yīng)的壓力稱(chēng)為臨界壓力。臨界點(diǎn)：物質(zhì)處于臨界狀態(tài)下的溫度、壓力點(diǎn)。第三頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/63超臨界區(qū)域：在壓溫圖中，高于臨界溫度和臨界壓力的區(qū)域稱(chēng)為超臨界區(qū)域。超臨界流體：處于超臨界狀態(tài)時(shí)，氣液界面消失，體系性質(zhì)均一，既不是氣體也不是液體，呈流體狀態(tài)，故稱(chēng)為超臨界流體第四頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/64第五頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/65試劑臨界溫度（℃）臨界壓力（MPa）CO231.067.38甲烷-83.04.6丙烷97.04.26二氯二氟甲烷111.73.99甲醇240.57.99乙醚193.63.68第六頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/66超臨界流體的性質(zhì)超臨界流體由于處于臨界溫度和臨界壓力以上，其物理性質(zhì)介于氣體與液體之間。物質(zhì)狀態(tài)

密度（g/cm3）粘度(g/cm/s)擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s)氣態(tài)(0.6-2)×10-3(1-3)×10-4

0.1-0.4液態(tài)0.6-1.6(0.2-3)×10-2

(0.2-2)×10-5

SCF0.2-0.9(1-9)×10-4

(2-7)×10-4

第七頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/67

1密度類(lèi)似液體，因而溶劑化能力很強(qiáng)。密度越大溶解性能越好2粘度接近于氣體，具有很好的傳遞性能和運(yùn)動(dòng)速度擴(kuò)散系數(shù)比氣體小，但比液體高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，具有很強(qiáng)的滲透能力SCF的介電常數(shù)，極化率和分子行為都與氣液兩相均有明顯差別超臨界流體的性質(zhì)第八頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/68總之，超臨界流體不僅具有液體的溶解能力，也具有氣體的擴(kuò)散和傳質(zhì)能力第九頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/69超臨界流體萃?。⊿upercriticalFluidExtraction，SFE）

超臨界流體萃取是利用超臨界流體作萃取劑，從液體或固體中萃取出某些成分并進(jìn)行分離的技術(shù)。第十頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/610超臨界流體萃取技術(shù)原理超臨界萃取技術(shù)是利用流體在超臨界區(qū)內(nèi)，待分離混合物中的溶質(zhì)在溫度和壓力的微小變化時(shí)，其溶解度會(huì)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變動(dòng)，從而達(dá)到分離提純目的。在較高的壓力下，讓溶質(zhì)充分溶解于超臨界流體中，然后使超臨界溶液的壓力降低，溶解于超臨界流體中的溶質(zhì)會(huì)因超臨界流體的密度下降，溶解度降低而析出，從而使混合物分離和提純第十一頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/611超臨界流體萃取過(guò)程將萃取原料裝入萃取釜。采用二氧化碳為超臨界溶劑。二氧化碳?xì)怏w經(jīng)熱交換器冷凝成液體，用加壓泵把壓力提升到工藝過(guò)程所需的壓力(應(yīng)高于二氧化碳的臨界壓力)，同時(shí)調(diào)節(jié)溫度，使其成為超臨界二氧化碳流體。二氧化碳流體作為溶劑從萃取釜底部進(jìn)入，與被萃取物料充分接觸，選擇性溶解出所需的化學(xué)成分。含溶解萃取物的高壓二氧化碳流體經(jīng)節(jié)流閥降壓到低于二氧化碳臨界壓力以下進(jìn)入分離釜(又稱(chēng)解析釜)，由于二氧化碳溶解度急劇下降而析出溶質(zhì)，自動(dòng)分離成溶質(zhì)和二氧化碳?xì)怏w二部分，前者為過(guò)程產(chǎn)品，定期從分離釜底部放出，后者為循環(huán)二氧化碳?xì)怏w，經(jīng)過(guò)熱交換器冷凝成二氧化碳液體再循環(huán)使用。整個(gè)分離過(guò)程是利用二氧化碳流體在超臨界狀態(tài)下對(duì)有機(jī)物有特異增加的溶解度，而低于臨界狀態(tài)下對(duì)有機(jī)物基本不溶解的特性，將二氧化碳流體不斷在萃取釜和分離釜間循環(huán)，從而有效地將需要分離提取的組分從原料中分離出來(lái)。第十二頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/612超臨界流體萃取的工藝流程一般是由萃?。–O2溶解組分）和分離（CO2和組分的分離）兩步組成。

包括高壓泵及流體系統(tǒng)、萃取系統(tǒng)和收集系統(tǒng)三個(gè)部分基本工藝流程第十三頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/613超臨界流體萃取的基本流程分離釜

萃取釜CO2熱交換器壓縮機(jī)高壓泵

過(guò)濾器

熱交換器第十四頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/614二氧化碳?xì)馄抠A罐夾帶劑罐萃取釜解析釜解析釜分離柱箱冷計(jì)量流泵壓高泵壓高

超臨界流體萃取的流程第十五頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/615解析方法（一）等溫法壓力高，投資大，能耗高，操作簡(jiǎn)單，常溫萃取

第十六頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/616解析方法（二）等壓法能耗相對(duì)較少，對(duì)熱敏性物質(zhì)有影響

第十七頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/617解析方法（三）吸附法

第十八頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/618

超臨界流體萃取的特點(diǎn)1、具有廣泛的適應(yīng)性

由于超臨界狀態(tài)流體溶解度特異增高的現(xiàn)象是普遍存在。因而理論上超臨界流體萃取技術(shù)可作為一種通用高效的分離技術(shù)而應(yīng)用。第十九頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/619超臨界流體萃取的特點(diǎn)2、萃取效率高，過(guò)程易于調(diào)節(jié)

超臨界流體兼具有氣體和液體特性，因而超臨界流體既有液體的溶解能力，又有氣體良好的流動(dòng)和傳遞性能。并且在臨界點(diǎn)附近，壓力和溫度的少量變化有可能顯著改變流體溶解能力，控制分離過(guò)程第二十頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/620溫度壓力1.21.10.60.70.80.910.20.10.30.5各直線上數(shù)值為CO2密度，g/ml純CO2密度與壓力、溫度的關(guān)系CO2流體密度是溫度與壓力的函數(shù)在超臨界區(qū)域，密度變化幅度達(dá)到3倍以上臨界點(diǎn)附近，壓力或溫度的微小變化可以大幅度改變流體密度第二十一頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/621超臨界流體萃取的特點(diǎn)3、分離工藝簡(jiǎn)單

超臨界萃取只由萃取器和分離器二部分組成，不需要溶劑回收設(shè)備，與傳統(tǒng)分離工藝流程相比不但流程簡(jiǎn)化，而且節(jié)省耗能。第二十二頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/6225、

必須在高壓下操作，設(shè)備及工藝技術(shù)要求高，投資比較大。4、分離過(guò)程有可能在接近室溫下完成(二氧化碳)，特別適用于過(guò)敏性天然產(chǎn)物。第二十三頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/623溶劑萃取和超臨界萃取的對(duì)比

溶劑萃取超臨界萃取溶劑殘留不可避免完全無(wú)溶劑殘留，潔凈存在重金屬無(wú)重金屬溶劑的溶解能力為定值溶解力隨溫度和壓力變化可能使用高溫，導(dǎo)致熱敏物質(zhì)分解通常在較低溫度下，不分解存在無(wú)機(jī)鹽被萃取的問(wèn)題無(wú)無(wú)機(jī)鹽殘留溶劑選擇性差選擇性好需要額外的操作單元來(lái)脫除溶解在線分離，有效物質(zhì)收率高第二十四頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/624超臨界二氧化碳CO2臨界溫度和壓力都較低，易于工業(yè)化。

CO2不可燃、無(wú)毒、化學(xué)穩(wěn)定性好、易分離，不會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)并且廉價(jià)易得。

CO2來(lái)源于化工副產(chǎn)物，應(yīng)用過(guò)程中易于回收，能夠減少溫室氣體的排放。超臨界CO2的溶解能力可通過(guò)流體的壓力來(lái)調(diào)節(jié)。超臨界CO2處理后的產(chǎn)物易純化、無(wú)溶劑殘留。超臨界CO2對(duì)高聚物有很強(qiáng)的溶脹和擴(kuò)散能力。超臨界CO2對(duì)含氟和硅聚合物具有優(yōu)良的溶解性。第二十五頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/625壓縮機(jī)萃取釜熱交換器二氧化碳循環(huán)泵第二十六頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/626萃取釜容積500L第二十七頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/627美國(guó)SupercriticalProcessingInc第二十八頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/628（1）對(duì)脂溶性成分溶解能力較強(qiáng)而對(duì)水溶性成分溶解能力較低；（2）設(shè)備造價(jià)較高而導(dǎo)致產(chǎn)品成本中的設(shè)備折舊費(fèi)比例過(guò)大；（3）更換產(chǎn)品時(shí)清洗設(shè)備較困難。超臨界CO2流體萃取的局限性第二十九頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/629超臨界CO2流體的溶解性能①

親脂性、低沸點(diǎn)成分可在10MPa以下萃取。②引入強(qiáng)極性基團(tuán)（如-OH，-COOH），造成萃取困難。

如揮發(fā)油、烴、酯、內(nèi)酯、醚、環(huán)氧化合物等，尤其天然植物中的香氣成分

在苯的衍生物范圍內(nèi)，有一個(gè)羰基和三個(gè)以上羥基的化合物是不能被萃取的第三十頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/630③更強(qiáng)的極性物質(zhì)，如糖類(lèi)、氨基酸類(lèi)在40Mpa以下是不能被萃取的。④化合物的相對(duì)分子量越高，越難萃取。

分子量在200～400范圍內(nèi)的組分容易萃取，有些低相對(duì)分子質(zhì)量、易揮發(fā)成分甚至可以直接用二氧化碳液體提??；高分子量物質(zhì)（如樹(shù)膠、蠟等）則很難萃取。超臨界CO2流體的溶解性能第三十一頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/631

超臨界CO2是非極性溶劑，在許多方面類(lèi)似于己烷，對(duì)非極性的脂溶性成分有較好的溶解能力，對(duì)有一定極性的物質(zhì)（如黃酮、生物堿等）的溶解性就較差。其對(duì)成分的溶解能力差別很大，主要與成分的極性有關(guān)，其次與沸點(diǎn)、分子量也有關(guān)。第三十二頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/632超臨界CO2萃取的影響因素1.萃取壓力在臨界壓力附近，壓力的微小提高會(huì)引起密度的急劇增大，而密度增加引起溶解度提高。第三十三頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/633萃取壓力的設(shè)置對(duì)于碳?xì)浠衔?、酯等弱極性物質(zhì)，萃取壓力一般為7～10MPa；對(duì)于含-OH，-COOH強(qiáng)極性基因的物質(zhì)，萃取壓力一般20MPa；對(duì)于強(qiáng)極性的配糖體以及氨基酸類(lèi)物質(zhì)，萃取壓力要求50MPa以上。第三十四頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/6342.萃取溫度溫度對(duì)超臨界流體溶解度的影響：①溫度升高，SCF密度降低，溶解力下降；②溫度升高使被萃取溶質(zhì)的揮發(fā)性增加，增大了在SCF中的濃度。超臨界CO2萃取的影響因素9.0MPa溫度溶解度第三十五頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/635萃取溫度的設(shè)置溫度對(duì)溶解度的影響還與壓力有密切的關(guān)系：在壓力相對(duì)較低時(shí)，溫度升高溶解度降低；而在壓力相對(duì)較高時(shí)，溫度升高超臨界CO2的溶解能力提高。第三十六頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/6363、萃取時(shí)間超臨界CO2萃取的影響因素第三十七頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/637①CO2流速提高，增加溶劑對(duì)原料的萃取次數(shù)，強(qiáng)化萃取過(guò)程的傳質(zhì)效果，可縮短萃取時(shí)間；②CO2流速加快，CO2與被萃取物接觸時(shí)間減少，溶質(zhì)含量降低。4.CO2流量超臨界CO2萃取的影響因素第三十八頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/638

原料顆粒愈小，溶質(zhì)從原料向SCF傳輸?shù)穆窂接蹋cSCF的接觸的表面積愈大，萃取愈快，愈完全，粒度也不宜太小，容易造成過(guò)濾網(wǎng)堵塞而破壞設(shè)備。5.粒度超臨界CO2萃取的影響因素第三十九頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/639

超臨界CO2流體對(duì)親脂類(lèi)物質(zhì)的溶解度較大，對(duì)較大極性的物質(zhì)溶解較小，限制了其對(duì)極性較大溶質(zhì)的應(yīng)用?？稍赟CF中加入極性溶劑（如乙醇等）以改變?nèi)軇┑臉O性，拓寬其適用范圍。如丹參中的丹參酮難溶于CO2流體，在CO2中添加一定量乙醇可大大增加其溶解度。6.夾帶劑(提攜劑)超臨界CO2萃取的影響因素第四十頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/640①增加目標(biāo)組分在CO2中的溶解度②增加溶質(zhì)在CO2中的溶解度對(duì)溫度、壓力的敏感性，有可能單獨(dú)通過(guò)降溫來(lái)解析③提高溶質(zhì)的選擇性④可改變CO2的臨界參數(shù)夾帶劑的作用：第四十一頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/641提攜劑的種類(lèi)及用量

提攜劑的用量是相對(duì)于CO2流量而言，太多或太少都不好一般用量：1%~5%（質(zhì)量）

提攜劑一般選用揮發(fā)度介于超臨界溶劑和被萃取溶質(zhì)之間的溶劑中草藥：乙醇、水、丙酮、EtOAc第四十二頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/642被萃取物超臨界流體輔助劑咖啡因CO2水單甘酯CO2丙酮亞麻酸CO2正己烷青霉素G鉀鹽CO2水乙醇CO2氯化鋰豆油CO2己烷,乙醇菜子油CO2丙烷棕櫚油CO2乙醇EPA,DHACO2尿素常見(jiàn)臨界流體萃取輔助劑

第四十三頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/643超臨界流體的選擇性超臨界萃取劑的臨界溫度越接近操作溫度，則溶解度越大。臨界溫度相同的萃取劑，與被萃取溶質(zhì)化學(xué)性質(zhì)越相似，溶解能力越大。因此應(yīng)該選取與被萃取溶質(zhì)相近的超臨界流體作為萃取劑。第四十四頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/644超臨界流體的選擇原則用作萃取劑的超臨界流體應(yīng)具備以下條件:化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)設(shè)備沒(méi)有腐蝕性，不與萃取物反應(yīng)；臨界溫度應(yīng)接近常溫或操作溫度，不宜太高或太低；操作溫度應(yīng)低于被萃取溶質(zhì)的分解變質(zhì)溫度；臨界壓力低，以節(jié)省動(dòng)力費(fèi)用；對(duì)被萃取物的選擇性高（容易得到純產(chǎn)品）；純度高，溶解性能好，以減少溶劑循還用量；貨源充足，價(jià)格便宜，如果用于食品和醫(yī)藥工業(yè)，還應(yīng)考慮選擇無(wú)毒的氣體。第四十五頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/645超臨界流體萃取的熱力學(xué)基礎(chǔ)簡(jiǎn)介

固體溶質(zhì)在超臨界流體中的溶解度固體溶質(zhì)在氣相中的溶解度可由下式推算yi=(psi/p)E，lnE＝(Vsi－2Bi1)/V

E——增強(qiáng)因子

psi

——純固態(tài)組分i的飽和蒸汽壓

Vsi

——純固態(tài)組分i的摩爾體積式中Bi1為第二維里系數(shù)，表示組分i與超臨界流體(組分1）相互作用能的大小，作用能越大，Bi1（為負(fù)值）的絕對(duì)值越大，E也就越大第四十六頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/646液體溶質(zhì)在超臨界流體中的溶解度

液體溶質(zhì)在氣相中的溶解度與氣液相的平衡有關(guān)，當(dāng)氣液兩相平衡時(shí)，各相的逸度相同。得到：fvi=fLip*i

xiriφ*i＝pyiφixi

——液相中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)

ri——液相中組分i的活度系數(shù)

φi——組分i的逸度系數(shù)φ*i——純組分i飽和蒸氣的逸度系數(shù)P——總壓

p*i——純組分i的飽和蒸汽壓第四十七頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/647超臨界流體萃取的應(yīng)用中草藥提取酶，纖維素精制金屬離子萃取烴類(lèi)分離共沸物分離高分子化合物分離植物油脂萃取酒花萃取植物色素提取天然香料化妝品原料食品工業(yè)醫(yī)藥工業(yè)化學(xué)工業(yè)化妝品、香料第四十八頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/648應(yīng)用范圍品種功能性油脂沙棘油、小麥胚芽油、魚(yú)油、葡萄籽油、耐鵲油中藥提取物鴉膽子油、穿心蓮提取物、當(dāng)歸油、丹參提取物、厚樸提取物、薄荷油、五味子油、車(chē)前子油、柴胡油、川穹油、姜黃色素、菟絲子油、枸杞子油、天然咖啡因、紫草素、丹皮酚、乳香提取物、野菊花油、蒼術(shù)油、莪術(shù)油、香附油、青蒿素、霍香油、紫蘇葉油、熊果酸調(diào)味品姜油、辣素、辣椒色素、花椒油、胡椒油香料、香精辛夷花精油、煙葉精油第四十九頁(yè)，共54頁(yè)。2021/2/649超臨界流體萃取除咖啡因：先用機(jī)械法清洗咖啡豆，去除灰塵和雜質(zhì);接著加蒸汽和水預(yù)泡，提高其水分含量達(dá)30%~50