超臨界流體萃取

關于超臨界流體萃取1第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月2§3.1概述

超臨界萃取是70年代興起的一門新興的分離技術。

100多年前，Hannay和Hogarth發(fā)現(xiàn)了處在超臨界狀態(tài)下的CO2無論對液體或固體都有顯著的溶解能力。

20世紀50年代美國科學家率先從理論上提出了將超臨界流體用于萃取分離的可能性，并于70年代，用超臨界CO2(SC-CO2)萃取乙醇獲得成功。第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月3什么是超臨界：任何一種物質(zhì)都存在三種相態(tài)----氣相、液相、固相。三相呈平衡態(tài)共存的點叫三相點。液、氣兩相呈平衡狀態(tài)的點叫臨界點。在臨界點時的溫度和壓力稱為臨界溫度和臨界壓力。不同的物質(zhì)其臨界點所要求的壓力和溫度各不相同。超臨界流體(SCF)是指在臨界溫度（Tc）和臨界壓力(Pc)以上的流體。高于臨界溫度和臨界壓力而接近臨界點的狀態(tài)稱為超臨界狀態(tài)?！?.2超臨界流體萃取的基本原理第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月4超臨界流體萃取(SuperiticalFluidExtraction，以下簡稱SFE)是一項發(fā)展很快、應用很廣的實用性新技術。傳統(tǒng)的提取物質(zhì)中有效成份的方法，如水蒸汽蒸餾法、減壓蒸餾法、溶劑萃取法等，其工藝復雜、產(chǎn)品純度不高，而且易殘留有害物質(zhì)。超臨界流體萃取是利用流體在超臨界狀態(tài)時具有密度大、粘度小、擴散系數(shù)大等優(yōu)良的傳質(zhì)特性而成功開發(fā)的。它具有提取率高、產(chǎn)品純度好、流程簡單、能耗低等優(yōu)點。第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月5超臨界流體技術是近代分離科學中出現(xiàn)的高新技術。超臨界流體(supercriticalfluid,SCF):在臨界點以上物質(zhì)處于既非液體又非氣體的超臨界狀態(tài)。P/PaT/℃SolidGasLiquidSupercriticalfluidTriplepointCriticalpointDensitychangeable三相點臨界點超臨界流體第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月6表3-1流體的一些物理性質(zhì)比較

流體密度(kg/m3)粘度(Pa·s)擴散系數(shù)(m2/s)氣體1.010-6～10-510-5超臨界流體7.0×10210-510-7液體1.0×10310-410-9“超臨界狀態(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)”第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月71.超臨界流體的主要特征：超臨界流體的密度接近于液體。超臨界流體的擴散系數(shù)介于氣態(tài)與液態(tài)之間，其粘度接近氣體。流體接近臨界區(qū)，蒸發(fā)熱急劇下降，至臨界點則氣-液相界面消失，蒸發(fā)焓為零，比熱容也變?yōu)闊o限大。流體在其臨界點附近的壓力或溫度的微小變化都會導致流體密度相當大的變化，從而使溶質(zhì)在流體中的溶解度也產(chǎn)生相當大的變化。第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月8ABA線:同一壓力下不同溫度時超臨界流體的密度差別很顯著A線與B線表示在304.9K時較小的壓力差別帶來顯著的密度差第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月92.超臨界萃取的特點Ep1T1Sp2T21234561—升壓裝置2，6—換熱器3—萃取器4—降壓閥5—分離器第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月10超臨界萃取兼具精餾和液液萃取的特點操作參數(shù)易于控制溶劑可循環(huán)使用特別適合于分離熱敏性物質(zhì)，且能實現(xiàn)無溶劑殘留第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月113.超臨界萃取使用的萃取劑極性、非極性萃取劑第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月12CO2最廣泛：CO2的臨界溫度接近于室溫（31.1oC），可防止熱敏性物質(zhì)的氧化和降解。CO2的臨界壓力（7.38MPa）處于中等壓力，易于達到。CO2具有無毒、無味、不燃、不腐蝕、價格便宜、易于精制、易于回收等優(yōu)點。SC-CO2還具有抗氧化滅菌作用，有利于保證和提高天然物產(chǎn)品的質(zhì)量。第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月13①等溫變壓工藝工藝流程：由萃取和分離兩步組成萃取塔(T,p1)分離器(T,p2)②等壓變溫工藝萃取塔(T1,p)換熱器分離器(T2,p)升溫節(jié)流閥減壓4.超臨界流體萃取-分離過程的基本模式第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月14③恒溫恒壓工藝萃取塔(T,p)吸附塔(T,p)

用吸附劑除去有害物質(zhì)第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月15(a)等溫法T1＝T2，P1＞P21.萃取釜2.減壓閥3.解吸釜4.壓縮機萃取釜解吸釜P1P21．等溫變壓工藝第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月161．等溫變壓工藝等溫變壓工藝，即超臨界CO2的萃取和分離在同一溫度下進行。萃取完后，通過節(jié)流降低操作壓力進入分離系統(tǒng)。此時CO2流體對被萃取物的溶解力逐步減小，從而使被萃取物溶解出來得以分離，該工藝由于沒有溫度的變化，從而操作簡單，可實現(xiàn)對高沸點、熱敏性、易氧化物質(zhì)的接近常溫的萃取，特別適合于從天然產(chǎn)物中提香料，辛香料和藥用有效成份。第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月17

(b)等壓法T1<T2，P1=P21.萃取釜2.加熱器3.解析釜4.高壓泵5.冷卻器萃取釜冷卻器加熱器解吸釜T1T2第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月182．等壓變溫工藝等壓變溫工藝，即超臨界CO2流體的萃取和分離在同一壓力下進行。萃取完后，通過熱交換升高操作溫度。CO2流體在特定的壓力下，其溶解力隨溫度的升高而迅速減小，從而使溶解在其中的物質(zhì)脫溶析出，得以分離。該工藝由于分離和萃取采用同一特點高壓，分離系統(tǒng)的投資相對增加，且由于分離中要提高溫度，對熱敏性物質(zhì)會有一定的影響。其優(yōu)點是壓縮能耗較少。第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月19第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月20(c)吸附法T1=T2，P1=P21.萃取釜，2.吸附劑，3.解析釜4.高壓泵吸附劑第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月213．恒溫恒壓工藝（吸附劑法）恒溫恒壓萃取工藝，即萃取和分離在同樣的溫度和壓力下進行。該工藝分離萃取取物需要持殊的吸附劑(如離于交換樹脂、活性炭等)進行吸脫，一般用于去除有害物質(zhì)，如從茶葉中脫除咖啡因。有時也稱吸附劑法。該工藝CO2流體始終處于恒定的超臨界狀態(tài)，十分節(jié)能。但若采用較貴的吸附劑，則要在生產(chǎn)中增加吸附劑再生系統(tǒng)。第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月22§3.3超臨界CO2萃取的特性1.超臨界CO2的溶劑功能溶解度參數(shù)說明：第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月232.溶質(zhì)在超臨界CO2的溶解度與選擇性溶質(zhì)在亞臨界與超臨界兩種狀態(tài)CO2中的溶解度行為具有連續(xù)性。CO2有極強的均一化作用，液態(tài)的及超臨界態(tài)的CO2能與眾多非極性、弱極性溶質(zhì)相混溶。脂肪烴和低極性的親脂性化合物的分子量增加，其在液體及超臨界CO2中的溶解度逐漸下降。強極性官能團（-OH、-COOH）的引入會使化合物溶解度降低。液態(tài)及超臨界的CO2對于大多數(shù)礦物無機鹽、極性較強的物質(zhì)幾乎不溶。液態(tài)及超臨界態(tài)的CO2對相對分子質(zhì)量超過500的高分子化合物幾乎不溶。第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月243.使用夾帶劑的超臨界CO2萃取夾帶劑（entrainer，改性劑，modifier）：為提高單一組分的超臨界溶劑對溶質(zhì)的萃取能力，依待萃溶質(zhì)的不同，適量加入適當?shù)姆菢O性或極性溶劑做共同試劑（co-solvent）。作用機理：增加被分離組分在超臨界流體中的溶解度；在加入與溶質(zhì)起特定作用的適宜夾帶劑時，可使該溶質(zhì)的選擇性（或分離因子）提高。類型：混溶的超臨界溶劑，其中含量少的被視為夾帶劑。亞臨界態(tài)的有機溶劑加入到純超臨界流體中。第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月25影響：溶劑的密度溶質(zhì)與夾帶劑分子間的相互作用。選擇：萃取段，夾帶劑與溶質(zhì)的相互作用能改善溶質(zhì)的溶解度和選擇性；分離段，夾帶劑與超臨界溶劑能較易分離，同時夾帶劑與目標產(chǎn)物也較易分離；食品、醫(yī)藥工業(yè)中考慮夾帶劑的毒性等問題。第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月26§3.5超臨界萃取過程的質(zhì)量傳遞1.超臨界流體萃取固體溶質(zhì)中的傳質(zhì)——內(nèi)擴散和外擴散之和控制溶質(zhì)遷移到超臨界流體步驟：溶質(zhì)從內(nèi)核表面脫附溶質(zhì)通過基體有機層擴散至基體和SCF相界面溶質(zhì)在基體周圍的SCF滯留膜內(nèi)溶解溶質(zhì)擴散通過SCF滯留膜到達SCF主體中A：脫附/動力學過程控制B：溶解/洗脫過程控制第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月27第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月28超臨界流體萃取模型：超臨界流體擴散進入天然母體的微孔結構被萃取成分在天然母體內(nèi)與超臨界流體發(fā)生溶劑化作用溶解在超臨界流體中的萃取物隨超臨界流體經(jīng)多孔的母體擴散至流動著的超臨界流體主體萃取物與超臨界流體主體在萃取區(qū)進行質(zhì)量傳遞控制步驟2.傳質(zhì)模型核心收縮浸取模型擴散理論模型第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月29§3.6超臨界流體萃取技術的應用1.超臨界萃取工藝流程的設計與設備壓縮機、高壓泵間歇式、連續(xù)并流/逆流萃取操作參數(shù)：萃取壓強、溫度、萃取時間、溶劑與物料量比或溶劑流速分離操作參數(shù)：分離溫度、壓強、相分離要求及過程中溶劑的回收和處理第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月302.超臨界萃取在天然產(chǎn)物加工中的應用第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月31第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月32第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月33超臨界CO2萃取技術已應用于許多領域，其中較為成熟地用于大規(guī)模：

1．以天然植物中提取香料植物中的香味成份是揮發(fā)性芳香精油，易揮發(fā)，易受熱變性．這些成份的精油在超臨界CO2中的溶解度很大，而超臨界CO2萃取更為其提供了一個重要的低溫加工環(huán)境，十分有利于高收率地提取高純度的香料油。因此，超臨界萃取正逐步取代傳統(tǒng)的水蒸汽蒸餾和有機溶劑工藝而廣泛用于植物香科萃取提取工業(yè)中。日本、美國、德國和英國等國在80年代均巳建成工業(yè)裝置，單個高壓萃取釜的容積大多在300升以上，基本采用等溫變壓工藝。產(chǎn)品主要包括玫瑰花精油、薄荷精油、熏衣草精油和甜橙皮精油達幾十種。第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月342．從沙棘中提取沙棘油這是我國從事超臨界CO2萃取研究與開發(fā)的科技工作者取得的該技術成功應用的領域之一。沙棘是一種抗早叢生植物，在我國黃河中上游流域及東北和新疆地區(qū)有大面積人工種植或野生區(qū)。對防風固沙，改良土纓起到很好的作用。沙棘果中含油，是一種有藥療效果的高級油。傳統(tǒng)的提取工藝是以氮仿或植物油為萃取刑，存在時間長、收率低，純度低的缺點。用超監(jiān)界CO2進行常溫萃取，萃取溫度在32—45℃、，壓力為10—30MPa，收率可達90％以上。目前在東北和內(nèi)蒙古等地已建成工業(yè)生產(chǎn)裝置，單釜容積最大的為300t。其工藝是等溫分級降壓分離，CO2循環(huán)使用。第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月35

3．制取啤酒花浸膏從啤酒花中提取浸是膏國際上超臨界CO2萃取技術應用最成功的項目。啤酒花是啤酒配制工業(yè)中重要的原料之一，其主要成份是含萍草圖類的酸和含蛇麻酮類的

-酸，使啤酒擁有特殊口感的苦味。-酸和

-酸在常溫下極不穩(wěn)定，易受光、熱、氧和細菌的作用而變質(zhì)失效，一般的酒花成品(散花和顆粒酒花)常溫下貯存一年即失去其使用價值。第35頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月36用超臨界CO2從酒花中萃取有效物質(zhì)制成罐裝浸膏可以大大減少酒花的體積，延長貯存期長達5年，有利地促進了啤酒工業(yè)向大型化和自動化方向發(fā)展。自80年代以來，德國、美國、英國等國家均已建成年處理酒花5000噸的大型超臨界CO2萃取工業(yè)裝置，其-，

-酸收率可達90％以上。整個工藝是半連續(xù)的，有若干臺萃取器供切換使用，基本上是等溫變壓過程。目前，我國新疆正在從國外引進這一技術建設小型工業(yè)裝置。第36頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月37超臨界流體技術展望