超臨界二氧化碳流體萃取技術(shù)實(shí)驗(yàn)

超臨界CO2流體萃取技術(shù)實(shí)驗(yàn)王江一、超臨界流體萃取的幾個(gè)概念

物質(zhì)的臨界狀態(tài)：指物質(zhì)氣態(tài)和液態(tài)共存的一種邊緣狀態(tài)，在此狀態(tài)下，液態(tài)的密度與其飽和蒸汽密度相同，因此氣液兩態(tài)界面消失。此狀態(tài)只有在臨界溫度和臨界壓力下才能實(shí)現(xiàn)，如果氣體處于臨界溫度之上，無(wú)論給予多大的壓力，都不能將其液化。臨界點(diǎn)：物質(zhì)處于臨界狀態(tài)下所在的溫度、壓力點(diǎn)。超臨界流體：指處于超過(guò)物質(zhì)本身臨界溫度和臨界壓力狀態(tài)時(shí)的流體。穩(wěn)定的純物質(zhì)都有固定的臨界點(diǎn)。超臨界流體萃?。菏抢贸R界流體（SCF）作為萃取劑，從液體和固體中萃取出特定成分，以達(dá)到某種分離的目的。

在臨界點(diǎn)附近，會(huì)出現(xiàn)流體的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數(shù)等所有流體的物性發(fā)生急劇變化的現(xiàn)象。超臨界流體（SCF）的特性由以上特性可以看出，超臨界流體兼有液體和氣體的雙重特性，擴(kuò)散系數(shù)大，粘度小，滲透性好，與液體溶劑相比，可以更快地完成傳質(zhì)，達(dá)到平衡，促進(jìn)高效分離過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。二、超臨界流體萃取的原理超臨界流體(SCF)是指處于臨界溫度(Tc)和臨界壓力(Pc)以上，其物理性質(zhì)介于氣體與液體之間的流體。這種流體(SCF)兼有氣液兩重性的特點(diǎn)，它既有與氣體相當(dāng)?shù)母邼B透能力和低的粘度，又兼有與液體相近的密度和對(duì)許多物質(zhì)優(yōu)良的溶解能力。溶質(zhì)在某溶劑中的溶解度與溶劑的密度呈正相關(guān)，溶質(zhì)在SCF中的溶解度也與此類似。因此，通過(guò)改變壓力和溫度，改變SCF的密度，便能溶解許多不同類型的物質(zhì)，達(dá)到選擇性地提取各種類型化合物的目的。三、超臨界流體萃取的優(yōu)點(diǎn)1.提高SCF的密度，可以將待分離成分溶出，降低SCF密度，又可使該成分從SCF中析出；同時(shí)，SCF保持了氣體具有的傳遞特征，比液體滲透得更快，能更快到達(dá)平衡。因此，超臨界流體萃取效率一般都高于液體溶劑萃取。2.在接近臨界點(diǎn)附近，只要溫度和壓力有微小變化，SCF的密度和溶解度都會(huì)發(fā)生很大變化，比較容易控制工藝條件。3.SCF容易從分離成分中去除，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品和食品造成污染。4.選用的SCF性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)腐蝕性，特別適合具有熱敏性或易氧化性的成分分離純化。超臨界流體萃取技術(shù)的特點(diǎn)四、超臨界流體的選擇1.SCF臨界溫度要接近工藝中的操作溫度（常溫）2.操作溫度應(yīng)低于被萃取物質(zhì)分解溫度或變質(zhì)溫度3.SCF化學(xué)性質(zhì)要與待萃取成分的化學(xué)性質(zhì)相似4.SCF化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒性和無(wú)腐蝕性，不易爆易燃5.臨界溫度和臨界壓力都盡量接近常規(guī)條件6.對(duì)于待分離成分要有較高的選擇性和較高的溶解度7.來(lái)源廣泛，價(jià)格便宜，以降低成本常用的SCF：CO2、SO2、C2H4、C3H8、C4H10、CClF3（氯三氟甲烷）某些常用流體的物理特征利用CO2作為萃取劑主要有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可以在35～40℃的條件下進(jìn)行提取,能夠防止熱敏性物質(zhì)的變質(zhì)和揮發(fā)性物質(zhì)的逸散。(2)在CO2氣體籠罩下進(jìn)行萃取,萃取過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng);又由于完全隔絕了空氣中的氧,因此,萃取物不會(huì)因氧化或化學(xué)變化而變質(zhì)。(3)由于CO2不具備可燃性,且萃取過(guò)程中不使用易燃易爆的有機(jī)溶劑,相對(duì)安全。(4)CO2是較容易提純與分離的氣體,因此萃取物幾乎無(wú)溶劑殘留,也避免了溶劑對(duì)人體的毒害和對(duì)環(huán)境的污染。(5)萃取和分離合二為一,當(dāng)飽含溶解物流經(jīng)分離器時(shí),由于壓力下降使得CO2與萃取物迅速分離,成為兩相,故能耗較少。(6)CO2無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)毒,價(jià)格便宜,純度高,易得,且能夠循環(huán)使用,降低了成本。(7)具有殺菌和保鮮的作用。(8)可以通過(guò)改變壓力和調(diào)節(jié)溫度來(lái)改變?nèi)芙庑阅?對(duì)于萃取成分有選擇性。(9)擴(kuò)散系數(shù)大而粘度小,大大節(jié)省了萃取時(shí)間,萃取效率高。五、超臨界流體萃取條件的選擇物料粒度：減小了物料粒度，增加顆粒的比表面積，從而增加了傳質(zhì)面積；顆粒半徑過(guò)小，增加物料的堆積密度，出現(xiàn)“溝流”現(xiàn)象，影響產(chǎn)率。萃取壓力：盡可能低，以降低壓縮機(jī)的動(dòng)力消耗萃取溫度：應(yīng)低于待分離成分的分解溫度改性劑：非極性溶質(zhì)在SCF中的溶解度有限或不溶,可通過(guò)加入一些改性劑或有機(jī)配體來(lái)增加溶解度。(1)與溶質(zhì)配位降低其極性;(2)使SCF與溶質(zhì)極性相似以能夠更好地溶解溶質(zhì)。萃取時(shí)間：萃取時(shí)間應(yīng)考慮綜合效率問(wèn)題六、超臨界流體工藝流程

及萃取設(shè)備超臨界萃取裝置是由萃取劑供應(yīng)系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、萃取系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、改性劑供應(yīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)組成的,現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備,一般還有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)監(jiān)控,以提高系統(tǒng)的安全可靠性,并降低運(yùn)行成本。SFE的基本流程是：由鋼瓶提供高純液體（CO2）經(jīng)高壓泵系統(tǒng)，流入保持在一定溫度（高于Tc）下的萃取池。在萃取池中可溶于SCF的溶質(zhì)擴(kuò)散分配溶解在SCF中，并隨SCF一起流出萃取池，經(jīng)阻尼器減壓獲升溫后進(jìn)入收集器，多余的SCF排空或循環(huán)使用。大型超臨界流體萃取裝置工作系統(tǒng)操作作面壓縮機(jī)

控制系統(tǒng)

制冷機(jī)

CO2七、提高萃取效率的方法提高萃取效率的方法除了適當(dāng)提高萃取壓力、選取合適萃取溫度和增大超臨界流體流量之外,還可以采用加入適量的夾帶劑,利用高壓電場(chǎng)和超聲波等措施。此外,還有一些強(qiáng)化措施包括攪拌、增加流量或采用移動(dòng)床等,這些措施都是為了達(dá)到減少萃取中外擴(kuò)散阻力的目的。1.超臨界流體的輔助溶劑效應(yīng)在超臨界液體的萃取加工過(guò)程中,如果使用單一組分的純氣體,比如CO2、二氧化硫、氯氟烴等,往往會(huì)遇到物料在超臨界態(tài)流體中溶解度太低,選擇性不高,溶解度對(duì)溫度、壓力變化不敏感等問(wèn)題,使分離操作的能耗增加,時(shí)間延長(zhǎng),產(chǎn)品純度不高。因此,單一組分作為超臨界流體,在實(shí)踐中表現(xiàn)出很大的局限性。所以,在實(shí)際操作中,往往在超臨界流體中添加輔助溶劑(entrainer,又稱助溶劑或夾帶劑)以提高溶解度,增加物質(zhì)溶解度的選擇性。輔助溶劑可以多方面影響超臨界流體的溶解度與選擇性,以及其他操作性能。它首先改變了溶劑的密度,一般情況下,少量輔助溶劑對(duì)溶劑密度的影響不大,但是加入輔助溶劑對(duì)臨界參數(shù)的改變則非常顯著。下表是幾個(gè)超臨界流體萃取輔助劑的實(shí)例。常見(jiàn)臨界流體萃取輔助劑在使用輔助溶劑時(shí)應(yīng)當(dāng)注意,雖然CO2是無(wú)毒的,但是有些輔助溶劑如甲醇、丙酮等都是有毒的,如果輔助溶劑殘留在產(chǎn)品中,不僅會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品中易揮發(fā)成分的損失,還會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品質(zhì)量上的問(wèn)題。因此,在實(shí)際操作中,應(yīng)合理選擇輔助溶劑,不要一味追求提高溶解度與萃取效率,有些時(shí)候,還需要對(duì)輔助溶劑進(jìn)行分離。在選擇萃取劑時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)在萃取階段,夾帶劑與溶質(zhì)的相互作用是首要的,即夾帶劑的加入能使溶質(zhì)的溶解度較大幅度提高;(2)在溶質(zhì)再生(分離)階段,夾帶劑應(yīng)易于與溶質(zhì)分離;(3)在分離涉及人體健康的產(chǎn)品時(shí),如藥品、食品和化妝品等,還需注意夾帶劑的毒性問(wèn)題。2利用高壓電場(chǎng)高壓脈沖電場(chǎng)可顯著改善萃取溶質(zhì)與膜脂等成分的互溶速率及通過(guò)細(xì)胞壁物質(zhì)的傳質(zhì)能力,從而提高萃取效率。寧正祥等用高壓脈沖電場(chǎng)強(qiáng)化超臨界CO2萃取荔枝種仁精油,在300MPa以下時(shí),高壓脈沖處理可明顯改善超臨界萃取效率;尤其是在萃取率低于80%時(shí),高壓脈沖電場(chǎng)效果顯著。3利用超聲波在超臨界流體萃取天然生物資源活性有效成分的過(guò)程中,采用強(qiáng)化措施減少萃取的外擴(kuò)散阻力往往能取得很好的萃取效果。方瑞斌等用超聲波強(qiáng)化超臨界CO2萃取紫杉醇。研究表明,如要完全萃取紫杉醇,未強(qiáng)化超聲超臨界CO2的萃取時(shí)間是強(qiáng)化超聲超臨界CO2的3倍。在對(duì)1.1%紫杉醇浸膏的萃取實(shí)驗(yàn)中,強(qiáng)化超聲的超臨界CO2很快達(dá)到100%萃取,而未強(qiáng)化超聲的超臨界萃取在3倍時(shí)間及用量相同條件下只達(dá)到41%的萃取率,這充分顯示了超臨界萃取與超聲技術(shù)并用的優(yōu)越性。Ai-junHu等對(duì)超聲強(qiáng)化超臨界流體萃取薏苡種子中的薏苡油和薏苡仁酯的研究也表明,超聲強(qiáng)化技術(shù)可以很大程度地提高萃取效率。八、超臨界流體技術(shù)的應(yīng)用SFE-CO2技術(shù)的主要應(yīng)用范圍1食品工業(yè)2醫(yī)藥、化妝品(1)在生物活性物質(zhì)和天然藥物提取中的應(yīng)用(EPA、DHA沙棘油、γ-亞麻酸、β-胡蘿卜素等)(2)在手性藥物合成中的應(yīng)用(3)在藥劑學(xué)中的應(yīng)用(4)在藥物分析中的應(yīng)用3化學(xué)工業(yè)超臨界流體萃取技術(shù)的應(yīng)用超臨界萃取技術(shù)在食品行業(yè)的研究和應(yīng)用1植物油脂的萃?。河筒枋俏覈?guó)重要的木本食用油料,我國(guó)傳統(tǒng)的茶油制取一般采用壓榨法和浸出法,前者殘油率高,后者味差色深。如用超臨界CO2萃取,所得油的顏色、外觀,理化指標(biāo)均優(yōu)于溶劑法,且提取率高,雜質(zhì)少,水分低,無(wú)需精煉。與此相類似的還有利用超臨界萃取豆油、菜籽油、米糠油、棕櫚油、茶籽油、玉米胚芽油、杏仁油、紫蘇油、花生油、山蒼子油。另外,采用超臨界萃取技術(shù)提取微生物油脂也是近年來(lái)研究的熱點(diǎn),如孢霉菌絲體油脂提取的研究已取得進(jìn)展。2啤酒花有效成分的提?。?982年,西德HEG公司建造的工業(yè)規(guī)模超臨界萃取啤酒花生產(chǎn)線投入生產(chǎn)。用有機(jī)溶劑萃取的啤酒花萃取液,色澤暗綠,成分復(fù)雜,且殘留有機(jī)溶劑。如采用CO2超臨界萃取,萃取液顏色為橄欖綠色,不僅萃取率高,芳香成分也不被氧化,而且可避免萃取農(nóng)藥。3咖啡中咖啡因的脫除：超臨界流體萃取技術(shù)最早應(yīng)用于食品領(lǐng)域是從咖啡中脫除咖啡因。由于健康理念的改變,西方國(guó)家對(duì)脫咖啡因的咖啡需求增加了,1979年,西德的HAG公司率先建成了處理2萬(wàn)t的生產(chǎn)線,采用CO2萃取,然后用活性炭吸附以分離咖啡因。與此相類似的還有從煙草中脫除尼古丁,從紅茶中脫