制藥工程原理與設備：超臨界流體萃取

第6章蒸發(fā)超臨界流體萃取第6章蒸發(fā)第一節(jié)超臨界流體

當流體的溫度和壓力分別超過其臨界溫度和臨界壓力時，則稱該狀態(tài)下的流體為超臨界流體，以SCF表示。若某種氣體的溫度超過其臨界溫度，則無論壓力多大也不能使其液化，故超臨界流體不同于氣體和液體。

第6章蒸發(fā)第一節(jié)超臨界流體

溫度/℃pc固體區(qū)液體區(qū)氣體區(qū)P/MPaC

當流體所處的狀態(tài)位于陰影區(qū)域時即成為超臨界流體。超臨界流體分別具有氣體和液體的某些性質(zhì)。

超臨界流體區(qū)第6章蒸發(fā)第一節(jié)超臨界流體

流體密度/kg

m-3粘度/Pa

s擴散系數(shù)/m2

s-1氣體(15~30℃)0.6~2(1~3)×10-5(0.1~0.4)×10-4超臨界流體(0.4~0.9)×103(3~9)×10-50.2×10-7有機溶劑(液態(tài))(0.6~1.6)×103(0.2~3)×10-3(0.2~2)×10-13超臨界流體與氣體和液體的某些性質(zhì)

第6章蒸發(fā)第一節(jié)超臨界流體

(1)超臨界流體的密度接近于液體。由于溶質(zhì)在溶劑中的溶解度一般與溶劑的密度成正比，因此超臨界流體具有與液體溶劑相當?shù)妮腿∧芰Α?/p>

(2)超臨界流體的粘度和擴散系數(shù)與氣體的相近，因此超臨界流體具有氣體的低粘度和高滲透能力，故在萃取過程中的傳質(zhì)能力遠大于液體溶劑的傳質(zhì)能力。

第6章蒸發(fā)第一節(jié)超臨界流體

(3)當流體接近于臨界點時，氣化熱將急劇下降。當流體處于臨界點時，可實現(xiàn)氣液兩相的連續(xù)過渡。此時，兩相的界面消失，氣化熱為零。由于超臨界萃取在臨界點附近操作，因而有利于傳熱和節(jié)能。第6章蒸發(fā)第一節(jié)超臨界流體

(4)在臨界點附近,流體溫度和壓力的微小變化將引起流體溶解能力的顯著變化,這是超臨界萃取工藝的設計基礎。第二節(jié)超臨界萃取原理

1-萃取釜；2-節(jié)流閥；3-分離釜；4-加壓泵

第6章蒸發(fā)

第二節(jié)超臨界萃取原理

CO2

泵夾帶劑泵SPE固相萃取萃取物烘箱萃取釜液態(tài)CO2Airsource第6章蒸發(fā)第一節(jié)超臨界流體

泵可靠的空氣驅(qū)動泵10,000psi(680Bar)(1atm=1.0133bar)流速25mL/min(液體)或50L/min(氣體)AppliedSeparations’

Spe-edSFE

烘箱240oC萃取釜:5mLto2Liter同時處理2–4個第6章蒸發(fā)第一節(jié)超臨界流體

第三節(jié)超臨界萃取的特點

(1)超臨界萃取兼有精餾和液液萃取的某些特點。研究表明，溶質(zhì)的蒸氣壓、極性及分子量大小均能影響溶質(zhì)在超臨界流體中的溶解度，組分間的分離程度由組分間的揮發(fā)度和分子間的親和力共同決定。一般情況下，組分是按沸點高低的順序先后被萃取出來；非極性的超臨界CO2流體僅對非極性和弱極性物質(zhì)具有較高的萃取能力。

第三節(jié)超臨界萃取的特點

(2)超臨界流體的萃取能力取決于流體密度,因而可方便地通過調(diào)節(jié)溫度和壓力來控制,這對保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定是非常有利的。

(3)萃取劑可循環(huán)使用，其分離與回收方法遠比精餾和液液萃取簡單，且能耗較低。實際操作中，常采用等溫減壓或等壓升溫的方法，將溶質(zhì)與萃取劑分離開來。

第三節(jié)超臨界萃取的特點

(4)超臨界流體萃取的操作溫度與萃取劑的臨界溫度有關(guān)。例如，目前最常用的CO2萃取劑的臨界溫度為31.1oC，接近于室溫，因而特別適合于熱敏性組分的提取，且無溶劑殘留。

第三節(jié)超臨界萃取劑

超臨界萃取劑可分為極性和非極性兩大類。二氧化碳、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、環(huán)已烷、苯、甲苯等均可用作非極性超臨界萃取劑，甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、丙酮、氨、水等均可用作極性超臨界萃取劑。在各種萃取劑中，以非極性的CO2最為常用，這是由超臨界CO2所具有的特點所決定的。

第三節(jié)超臨界萃取劑

1.超臨界CO2的特點

CO2的臨界溫度接近于室溫，在此溫度附近進行萃取，可使一些揮發(fā)度較低而沸點較高的易熱解物質(zhì)在遠離其沸點的條件下被萃取出來，從而可防止其氧化和降解。

第三節(jié)超臨界萃取劑

CO2的臨界壓力(7.38MPa)屬中壓范圍,在現(xiàn)有的技術(shù)水平下,比較容易實現(xiàn)工業(yè)化。

CO2具有無毒、無味、無溶劑殘留、不燃燒、不腐蝕、價廉易得且易于精制和回收等優(yōu)點，并具有抗氧化滅菌作用，這對保證和提高天然產(chǎn)品的質(zhì)量是極其有利的。

第三節(jié)超臨界萃取劑

2.溶質(zhì)在超臨界CO2中的溶解性能

許多非極性和弱極性溶質(zhì)均能溶于超臨界CO2，如碳原子數(shù)小于12的正烷烴、小于10的正構(gòu)烯烴、小于6的低碳醇、小于10的低碳脂肪酸均能與超臨界CO2以任意比互溶。

第三節(jié)超臨界萃取劑

高碳化合物在超臨界CO2中可部分溶解，且溶解度隨碳原子數(shù)的增加而下降。強極性化合物和無機鹽難溶于超臨界CO2，如乙二醇、多酚、糖、淀粉、氨基酸和蛋白質(zhì)等幾乎不溶于超臨界CO2。相對分子量超過500的高分子化合物幾乎不溶于超臨界CO2。

第三節(jié)超臨界萃取劑

為提高超臨界CO2對溶質(zhì)的溶解度和選擇性，可適量加入另一種合適的極性或非極性溶劑，這種溶劑稱為夾帶劑。加入夾帶劑的目的，一是為了提高被分離組分在超臨界流體中的溶解度，二是為了提高超臨界流體對被分離組分的選擇性。

第三節(jié)超臨界流程

按溶質(zhì)與萃取劑的分離方法不同，超臨界流體萃取有變壓萃取、變溫萃取和吸附萃取三種典型流程，其中以變壓萃取流程的應用最為廣泛。

第三節(jié)超臨界流程

1.變壓萃取流程操作通常在等溫下進行,萃取后含溶質(zhì)的超臨界流體經(jīng)膨脹閥減壓后，因溶解度降低而析出溶質(zhì)。1-萃取釜；2-節(jié)流閥3-分離釜；4-壓縮機

第三節(jié)超臨界流程

2.變溫萃取流程

操作在等壓下進行，并通過加熱升溫的方法使溶質(zhì)與萃取劑分離開來。5-加熱器；6-循環(huán)泵；7-冷卻器

第三節(jié)超臨界流程

3.吸附萃取流程

在分離釜中放置適當?shù)奈絼?，利用吸附劑吸附萃取相中的溶質(zhì)，從而將溶質(zhì)與萃取劑分離開來。8-吸附器

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

1.萜類和揮發(fā)油的提取萜類化合物是具有廣泛生物活性的一類重要的天然藥物化學成分。植物中揮發(fā)油中多富含單萜和倍半萜化合物。揮發(fā)油是一類可隨水蒸氣蒸餾的油狀液體，居有香氣或其它特異氣味，存在于植物的根、莖等部位，具有廣泛的生物活性。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

揮發(fā)油的沸點較低，分子量不大，在超臨界CO2流體中有良好的溶解性能，多數(shù)可用純CO2直接萃取而得，所需的操作溫度一般較低，避免了其中有效成分的破壞或分解，故所得的提取物外觀、氣味、產(chǎn)率一般都優(yōu)于傳統(tǒng)方法，是一類最適合于超臨界CO2提取的成分。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

當歸油具有鎮(zhèn)靜大腦、調(diào)經(jīng)止痛等功效。通過比較超臨界CO2萃取和水蒸氣蒸餾法所得當歸揮發(fā)油的收率，發(fā)現(xiàn)前法所得收率約為后法的2倍，超臨界CO2萃取法是目前提取當歸油的較好方法。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

石菖蒲為南星科菖蒲屬植物的根狀莖，其有效成分具有平喘止咳、治療癲癇、助鎮(zhèn)靜、抗驚厥等作用，有效成分之一為α-細辛醚。李斌等人通過單因素實驗獲得了石菖蒲揮發(fā)油超臨界萃取的最佳工藝條件以及最佳萃取效果，結(jié)果表明萃取得到的揮發(fā)油中石菖蒲的活性成分α-細辛醚的萃取率要明顯高于傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

青蒿素是來自菊科植物黃花蒿的一種倍半萜內(nèi)酯類成分，是我國唯一得到國際承認的抗瘧疾新藥。傳統(tǒng)的汽油法存在收率低、成本高、易燃易爆等危險。錢國平等[5]研究了用超臨界二氧化碳從黃花蒿中萃取青蒿素的影響因素，確定了最佳萃取條件，在此條件下萃取率達95％以上。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

2.黃酮類及醌類化合物的提取

黃酮類化合物是基本母核為2-苯基色原酮的一類化合物。大量研究證明黃酮類化合物能夠降壓、降血脂、抑制血小板聚集，有很大的開發(fā)前景。醌類化合物是分子中具有不飽和環(huán)二酮結(jié)構(gòu)的一類有機化合物，表現(xiàn)出了抗菌、抗氧化、抗腫瘤等多種生物活性。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

超臨界CO2萃取對于黃酮類物質(zhì)是一種非常有效的方法，與傳統(tǒng)溶劑法相比，其流程短，萃取分離一步完成，萃取得率高，而操作時間大大縮短。醌及其衍生物多數(shù)極性較大，超臨界CO2萃取時需要采用較高壓力，且通常還需加入適當?shù)膴A帶劑。李軍等人用SFE-CO2來萃取茶葉中的茶多酚，在用乙醇水溶液作夾帶劑的條件下，萃取量提高了10倍，得到相對純度為95.45%的茶多酚。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

丹參是常用的活血通經(jīng)藥，已知的活性成分是以丹參酮ⅡA為代表的丹參酮類脂溶性物質(zhì)和以丹參素、母酚酸、原兒茶酚為代表的水溶性成分。但它們彼此間的性質(zhì)相差懸殊，常規(guī)的水提法、乙醇熱回流法效果都不理想。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

西南化工研究設計院采用不同的表面活性劑和夾帶劑，用超臨界萃取法，結(jié)果丹參酮ⅡA的一次含量＞20%，水溶性提取物的含量＞35%，收率為常規(guī)的2倍以上，而且工藝簡單。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

以大黃素為代表的蒽醌類成分是公認的何首烏中的重要成分，用SFE技術(shù)萃取何首烏，壓力38.5MPa，溫度60℃，流動相0.2%磷酸甲酯水溶液，結(jié)果大黃素平均收率97.31%，整個過程20分鐘完成。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

3.生物堿的提取生物堿是生物體內(nèi)一類含氮有機物的總稱,有類似堿的性質(zhì),多有較復雜的含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)和特殊而顯著的生理作用,為重要的中草藥成分。傳統(tǒng)提取方法有溶劑法、離子交換法和沉淀法。由于生物堿往往和植物酸性成分結(jié)合成鹽存在，故用純二氧化碳難以將其有效提出，所以在提取前需要氨水等堿性劑堿化,使之全部轉(zhuǎn)化為游離堿,同時還要使用適當?shù)膴A帶劑以增強流體的溶解能力或提高選擇性。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

益母草為唇形科益母草植物的全草,為我國傳統(tǒng)的婦科良藥。它的有效成分為水蘇堿,益母草堿等多種生物堿。葛發(fā)歡等人對益母草總堿進行了超臨界萃取，研究表明不經(jīng)堿化的生物堿很難萃取,而經(jīng)過堿化后再加入夾帶劑萃取率明顯提高，是常規(guī)方法的10倍。姜繼祖等人采用超臨界流體從光菇子中提取抗腫瘤藥秋水仙堿,用76%乙醇作夾帶劑,提取率為回流提取法的1.25倍,減少提取時間0.45倍。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

4.苯丙素類化合物的提取苯丙素類化合物是一類含有一個或多個C6-C8單位的天然成分，包括香豆素、木脂素等，廣泛存在于植物中，已在很多領(lǐng)域如醫(yī)藥、食品、化妝品等成為重要的原料，其中許多化合物具有各種生物活性，在醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域有廣闊的應用前景。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

超臨界CO2萃取對于苯丙素類化合物的提取時一種非常有效的方法。它們通常為親脂性成分，故可用純超臨界CO2直接萃取。但隨著引入羥基數(shù)增多，極性變大，需增大萃取壓力或加入適當?shù)膴A帶劑以改善萃取效果。通過采用多級分離或與超臨界精餾相結(jié)合可以得到有效成分含量很高的提取物。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

補骨脂為豆科植物補骨脂的干燥成熟果實，有補腎壯陽，健脾止瀉之功效。黃芳等在38.5MPa，70℃對補骨脂進行超臨界萃取，提取分離出了補骨脂素，異補骨脂素，此工藝是補骨脂素工藝上的一大突破。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

5.苷及糖類物質(zhì)的提取

由于糖及苷類化合物分子量較大，羥基多，極性大，難溶于低極性的溶劑，因此用純CO2提取的產(chǎn)率較低，加入夾帶劑或加大壓力則可提高產(chǎn)率。王俊等人在壓力35MPa，溫度40℃，3%乙醇夾帶劑的條件下用超臨界CO2萃取穿山龍中的薯蕷皂苷元，結(jié)果表明提取完全，收率高，且時間短。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

王化田等人將超臨界CO2萃取和乙醇常溫提取浸提法相結(jié)合，可實現(xiàn)紅景天苷和苷元酪醇的有效分離。葛發(fā)歡等人研究并確定了超臨界CO2萃取薯蕷皂素的最佳條件，并進行了中試放大，收率高，生產(chǎn)周期可大大縮短。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

6.超臨界流體萃取技術(shù)在中草藥除雜及提取物精制中的應用隨著社會的進步，人們越來越關(guān)心殘留在食品，藥物中的有毒物問題，許多國家制定了嚴格的法規(guī)和限量標準用于檢測食品，藥物中的農(nóng)藥殘留，有害金屬或其它有毒化合物。超臨界流體萃取除了用于天然產(chǎn)物有效成分的提取外，還可用于有毒、有害成分的去除以及農(nóng)藥、有害溶劑殘留、有毒金屬殘留的去除。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

研究表明,SFE-CO2對非極性或低極性的農(nóng)殘,如有機氯農(nóng)藥,有較高溶解度。而對中等極性的有機磷農(nóng)藥及其它強極性的農(nóng)藥,其在CO2的溶解度一般較低,需用夾帶劑來回收極性農(nóng)殘。Quan等人用SFE除去高麗參中的有機氯殺蟲劑,與索氏提取法相比,更快,更高效。Kim.DH等人將SFE用于花粉中有機磷農(nóng)藥殘留的測定，與有機溶劑萃取法相比，超臨界流體萃取法可簡化樣品預處理，加快樣品的測定速度。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——總論

新型的超臨界絡合萃取技術(shù)，結(jié)合了溶劑萃取和超臨界流體萃取的優(yōu)點，可以用于消除重金屬的污染，除去重金屬的雜質(zhì)及用于重金屬的含量檢測等。崔洪友等人研究了超臨界絡合萃取去除中成藥中的Pb、Hg、As、Cu等及絡合萃取的動力學研究。β-側(cè)柏酮是洋艾花的有毒成分，與有效成分洋艾素和阿他布新共存于揮發(fā)油中，用超臨界CO2萃取可將兩者分別萃出。

第六節(jié)在制藥工業(yè)中的應用——實例

超臨界CO2萃取牛至揮發(fā)油的工藝研究研究背景牛至(OriganumvulgareL.)唇形科牛至屬多年生草本植物

味辛性涼無毒香氣濃烈

鎮(zhèn)痛抗菌抗氧化調(diào)節(jié)免疫影響呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)

揮發(fā)油藥理活性成分(麝香草酚和香荊芥酚等酚類化合物)

醫(yī)藥

疏肝利膽健脾益氣利濕解毒用于肝郁脾虛、濕毒內(nèi)阻所致的急、慢性肝炎。作用

用途

研究背景傳統(tǒng)提取方法水蒸氣蒸餾法

有機溶劑提取法

新型環(huán)保的高效分離技術(shù)

超臨界CO2萃取技術(shù)

提取時間長有溶劑殘留提取率低揮發(fā)油成分易損失

克服以上缺點

有效地保證揮發(fā)油產(chǎn)品中有效成分的含量提高揮發(fā)油的提取收率使之符合現(xiàn)代醫(yī)藥生產(chǎn)和產(chǎn)品的嚴格要求對牛至揮發(fā)油資源的進一步開發(fā)及應用具有十分重要的意義研究工作單因素實驗正交實驗數(shù)學模型夾帶劑萃取壓力萃取溫度萃取時間CO2流量最佳的萃取工藝條件質(zhì)量守恒方程神經(jīng)網(wǎng)絡理論1－CO2鋼瓶2－低溫循環(huán)器3－高壓泵4－壓力表5－壓力調(diào)節(jié)閥6－進氣閥7－混合器8－萃取柱9－恒溫箱10－溫度控制面板11－出氣閥12－微調(diào)閥13－接收器14－轉(zhuǎn)子流量計15－夾帶劑儲槽16－高壓泵實驗裝置

準確稱取15g粉碎后的牛至藥材裝入50mL萃取釜中，待達到預設實驗條件后開始萃取計時，并接收產(chǎn)品至預定時間。產(chǎn)品精密稱重，用乙酸乙酯充分溶解，加少量無水Na2SO4干燥12h，取上清液用微孔濾膜過濾后，進行氣相色譜分析。實驗方法

色譜儀：SHIMADZUGC-2010型氣相色譜儀；毛細管柱：RTX-5型石英毛細管柱(30m×0.32mm×0.25μm)；載氣：氮氣(N2)；進樣量：1μl；分流比：20:1；流速：3mL·min-1；柱前壓：50KPa，保持32min，以3KPa·min-1的速率升至80KPa并保持28min；進樣口溫度：260℃；檢測器溫度：280℃；程序升溫條件：柱起始溫度50℃，保溫2min，以10℃·min-1的速率升至80℃并保溫2min，再以2℃·min-1的速率升至110℃并保溫2min，再以5℃·min-1的速率升至200℃并保溫2min，再以2℃·min-1的速率升至240℃并保溫6min。實驗中，考察70min內(nèi)樣品的色譜分離情況，記錄氣相色譜圖。氣相色譜分析麝香草酚

:22.097min牛至揮發(fā)油的氣相色譜圖香荊芥:22.775min根據(jù)所得氣相色譜圖，采用面積歸一化法計算出揮發(fā)油產(chǎn)品中兩種主要有效成分的百分含量之和，再根據(jù)去除夾帶劑后的揮發(fā)油產(chǎn)品總質(zhì)量得出產(chǎn)品中兩種主要有效成分的質(zhì)量總和。單因素實驗

夾帶劑種類對萃取效果的影響

夾帶劑乙醇濃度對萃取效果的影響

少量極性的水能調(diào)節(jié)乙醇的極性，進而能更好地調(diào)節(jié)超臨界CO2的極性，得到質(zhì)量和品質(zhì)都非常高的揮發(fā)油產(chǎn)品。

夾帶劑流量對萃取效果的影響

適量的夾帶劑能增大超臨界流體的極性，有利于產(chǎn)品的萃出；但流體極性過大，不利于產(chǎn)品中極性小的組分的萃出。過多的夾帶劑會增加產(chǎn)品后處理的難度和成本。

萃取壓力對萃取效果的影響

增大萃取壓力，相當于增加了超臨界流體的密度，提高了其對萃取物的溶解能力；但壓力過大，CO2擴散系數(shù)下降，阻礙了傳質(zhì)，萃取能力也隨之下降。

萃取溫度對萃取效果的影響

在50℃之前，溫度增加，組分蒸汽壓上升占優(yōu)，傳質(zhì)速率隨溫度的增加而增加，有利于萃取的進行；超過50℃后，超臨界流體密度減小占優(yōu)，萃取物溶解度下降，萃取效果下降。

萃取時間對萃取效果的影響

產(chǎn)品總質(zhì)量和兩種主要有效成分的質(zhì)量總和會逐漸增大，但增大的趨勢漸緩。考慮到：萃取時間延長會使產(chǎn)品中雜質(zhì)含量增加，大大影響產(chǎn)品的品質(zhì)。

CO2流量對萃取效果的影響

CO2流量適當增大時，相當于增加了超臨界CO2與被萃取物的質(zhì)量比，被萃取物易于向溶劑擴散，傳質(zhì)推動力加大、傳遞系數(shù)增加，有利于溶質(zhì)的萃出。但夾帶劑流量一定時，加大CO2流量相應地減小了夾帶劑與超臨界流體的體積比，減小了超臨界流體的極性，不利于萃取的進行。在單因素實驗的基礎上，以揮發(fā)油產(chǎn)品中兩種主要有效成分的質(zhì)量總和為考察指標，選定CO2流量為1L·min-1，選取萃取壓力、萃取溫度、萃取時間、夾帶劑濃度、夾帶劑流量5個因素，每個因素設4個水平，設計L16(45)正交實驗。萃取時間＞萃取壓力＞萃取溫度＞夾帶劑流量＞夾帶劑濃度。最佳工藝條件：萃取壓力25MPa；萃取溫度55℃；75%濃度乙醇做夾帶劑；萃取時間2.5h；夾帶劑流量0.02mL·min-1。正交實驗

為進一步驗證正交實驗結(jié)果的可靠性和重現(xiàn)性，稱取同批次粉碎后的牛至藥材15g，選取最佳實驗條件進行三次平行實驗，所得揮發(fā)油產(chǎn)品中兩種主要有效成分的質(zhì)量總和的平均值為0.14124g，相對標準偏差為1.14934%，說明得到的最佳萃取工藝可靠、穩(wěn)定性好。驗證實驗組分數(shù)百分含量總和/%產(chǎn)品總質(zhì)量/g兩種主要有效成分的質(zhì)量總和/g超臨界CO2萃取法