超臨界流體萃取技術在天然有機物質提取中的應用

超臨界流體萃取技術在天然有機物質提取中的應用

1技術原理及應用干預流采技術（精細精細流采，以下簡稱大堤）是利用超高速分離技術原理對面臨流進行阻塞的一種新的高效分離技術。1.1超臨界流體流體超臨界流體(SupercriticalFluid)指的是物質的一種特殊的流體狀態(tài)。將處于氣液平衡的物質升壓升溫時,熱膨脹會引起液體密度減小,而壓力的升高又使氣相密度變大,當溫度和壓力達到某一點時,氣液兩相的相界面就會消失,成為均相體系。(1)液體的蒸發(fā)潛熱為零,液體和氣體的差別完全消失。(2)超臨界流體溫度和壓力的微小變化,可引起物質密度、擴散系數(shù)、粘度、溶解度等物理性質的顯著變化,導致溶劑和溶質的分離。(3)其密度接近于液體,具有很大的溶解性,能溶解出很多物質。(4)其粘度接近于普通氣體,遠小于液體,具有很強的擴散能力,其擴散系數(shù)比液體要大100~1000倍。目前研究的超臨界流體種類很多,主要有二氧化碳、水、甲苯、甲醇、乙烯、丙酮和氨等。近年來主要還是以使用二氧化碳超臨界流體居多,因為二氧化碳的臨界狀態(tài)易達到,它的臨界溫度(Tc=30.98℃)接近室溫,臨界壓力(Pc=7.377MPa)也不高,具有很好的擴散性能,較低的表面張力,且無毒、無味、不易燃、價廉、易精制等特點。超臨界流體CO2具有一些獨特的優(yōu)點:操作范圍廣,便于調節(jié);選擇性好,可通過控制壓力和溫度,來改變溶解性能,有針對性地萃取所需成份;操作溫度低;提取和分離一步完成;CO2無毒、無味、不燃、價廉易得,且可循環(huán)使用;萃取速度快,萃取效率高。1.2溶解能力的萃取技術超臨界流體萃取正是利用超臨界狀態(tài)下的流體具有的高滲透能力和高溶解能力,在較高壓力下,將溶質溶解在流體中,然后降低流體溶液的壓力或升高流體溶液的溫度,使溶解于超臨界流體中的溶質隨其密度下降、溶解度降低而析出,從而實現(xiàn)特定溶質的萃取。1.3從萃取設備的利用來設計超臨界萃取裝置由下列部分組成:純度為≥99%的CO2氣瓶、制冷裝置、溫度控顯系統(tǒng)、壓力控顯系統(tǒng)、安全保護裝置、攜帶劑罐、凈化器、混合器、熱交換器、貯罐、柱塞泵、萃取缸、分離器、精餾柱、電控柜、閥門、管件及柜架等組成。將萃取原料裝入萃取釜,采用二氧化碳為超臨界溶劑,二氧化碳氣體經熱交換器冷凝成液體,用加壓泵把壓力提升到工藝過程所需的壓力(應高于二氧化碳的臨界壓力),同時調節(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入,與被萃取物料充分接觸,選擇性溶解出所需的化學成分。含溶解萃取物的高壓二氧化碳流體經節(jié)流閥降壓到低于二氧化碳臨界壓力以下進入分離釜(又稱解析釜),由于二氧化碳溶解度急劇下降而析出溶質,自動分離成溶質和二氧化碳氣體二部分,前者為過程產品,定期從分離釜底部放出,后者為循環(huán)二氧化碳氣體,經過熱交換器冷凝成二氧化碳液體再循環(huán)使用。1.4最佳工藝條件的確定(1)操作溫度低。能較好的使萃取物的有效成分不被破壞,不發(fā)生次生化,可在接近常溫下完成萃取工藝,特別適合那些對熱敏感應強、容易氧化分解成分的提取和分離。(2)在高壓、密閉、惰性環(huán)境中,選擇性萃取分離天然物質精華。在最佳工藝條件下,能將提取的成分幾乎完全提出,從而大大提高了產品的收率和資源的利用率。(3)萃取和分離合二為一,萃取工藝簡單,效率高且無污染。1.5干預rje提取技術的影響因素1.5.1萃取區(qū)的選擇萃取溫度一定時,壓力增大,流體密度增大,溶劑強度增強,溶劑的溶解度就增大。根據(jù)萃取壓力的變化,可將SFE分為3類:(1)高壓區(qū)的全萃取。高壓時SCF溶解能力強,可最大限度地溶解所有成;(2)低壓臨界區(qū)的萃取,僅能提取易溶解的成分,或除去有害成分;(3)中壓區(qū)的選擇萃取,在高低壓之間,可根據(jù)物料萃取的要求,選擇適宜的壓力進行有效萃取。當壓力增加到一定程度后,則溶解增加緩慢,這是由于高壓下超臨界相密度隨壓力變化緩慢所致。(2)萃取量的影響因素溫度對超臨界流體溶解能力影響比較復雜,在一定壓力下,升高溫度被萃取物揮發(fā)性增加,這樣就增加了被萃取物在超臨界氣相中的濃度,從而使萃取量增大;但另一方面,溫度升高,超臨界流體密度降低,從而使化學組分溶解度減小,導致萃取量減少。因此,在選擇萃取溫度時要綜合這兩個因素考慮。(3)萃取過程溶劑與溶劑的接觸在超臨界流體萃取過程中,萃取劑流量一定時,萃取時間越長,收率越高。萃取剛開始時,由于溶劑與溶質未達到良好接觸,收率較低。隨著萃取時間的加長,傳質達到某種程度,則萃取速率增大,直到達到最大之后,由于待分離組分的減少,傳質動力降低而使萃取速率降低。(4)萃取時間和流量萃取劑的流量主要影響萃取時間。一般來說,收率一定時,流量越大,溶劑、溶質間的傳熱阻力越小,則萃取的速度越快,所需要的萃取時間越短,但萃取回收負荷大,從經濟上考慮應選擇適宜的萃取時間和流量。1.5.2萃取器出口過濾器出口過濾器的堵塞粒度大小可影響提取回收率,減小樣品粒度,可增加固體與溶劑的接觸面積,從而使萃取速度提高。不過,粒度如過小、過細,不僅會嚴重堵塞篩孔,造成萃取器出口過濾網的堵塞。物料的粒度影響萃取效果,一般情況下,粒度越小,擴散時間越短,有利于SCF向物料內部遷移,增加了傳質效果,但物料粉碎過細會增加表面流動阻力,反而不利于萃取。2riol萃取技術的應用2.1醇類飲料的樹體和設備超臨界流體萃取技術應用于食品中的研究有很多,如咖啡、紅茶脫咖啡因,萃取啤酒花,萃取香辛料,萃取植物色素,植物油及其原料脫脂,萃取動物油脂,醇類飲料的軟化脫色、脫臭,油脂的精煉和脫色,煙草的脫尼古丁等。超臨界萃取技術已逐步由實驗室研究走向產業(yè)化,超臨界CO2萃取技術采用的萃取劑具有無燃性、無化學反應、無毒、無污染、無致癌性、安全性高、操作工藝簡單及省時等優(yōu)點,因此在食品工業(yè)中越來越受到重視。超臨界流體萃取技術得到較早大規(guī)模的工業(yè)化應用的是天然咖啡豆的脫咖啡因。超臨界萃取分離天然色素,不僅使用安全,而且常有一定的營養(yǎng)價值,深受消費者喜愛。2.2中草藥有效成分的提取在醫(yī)藥工業(yè)中由于SFE技術具有比傳統(tǒng)分離技術的優(yōu)點而備受關注,從動植物中提取有效成分仍然是目前在醫(yī)藥工業(yè)中的一個很重要的方面,在抗生素生產中的原料藥的濃縮,精制;在脂質混合物中分離脂肪酸,腦磷脂甘油等;中草藥有效成分的提取;銀杏黃酮、紫杉醇、青嵩素、人參皂甙、馬錢子堿、阿托品、甘草等的提取、精制。2.3脫水和回收有機溶劑超臨界流體萃取技術用于脂肪族、芳香族、環(huán)烷族等同系物分離精制已取得了可喜的進展,還成功地用于己內酰胺、己二酸、二甲基色胺等產品的脫水和回收有機溶劑特別是對于分離醇水共沸物具有獨特的優(yōu)點,用于回收烷基鋁等催化劑及活性碳再生方面也有極好的效果。生物堿是動植物中一類具有堿性的含氮物質。它們大多是極有價值的藥物。中草藥含有很多種生物堿,其療效大多是由此而來。由于生物堿往往具有一定的極性,因此在萃取時也需加入少量極性溶劑作夾帶劑,提高生物堿在超臨界CO2中的溶解度,提高和維持萃取的選擇性。2.4可連續(xù)提取技術超臨界流體萃取技術的發(fā)展對環(huán)境保護有雙重意義。一是此技術很少或不造成污染;二是此技術可以用于環(huán)境治理。由于該技術提取速度快、自動化程度高、溶質不易被破壞等特點。使它在某些特殊的環(huán)境研究及控制領域也得到應用,如:在超臨界流體中進行化學反應及催化化學反應、氣體抗溶提取、以及紙、紙漿廠污水、污泥超臨界水氧化處理等。3超臨界流體萃取過程的動力學及模型超臨界萃取作為一種全新的化工分離技術,也存在著一些弊端:分離過程在高壓下進行,設備的一次性投資過大;萃取釜無法連續(xù)操作,造成設備的時空產率較低;過程消耗指標過高。迄今為止,有關超臨界流體萃取過程的熱力學及傳質理論的研究還很不充分,其主要原因是高壓條件下實驗數(shù)據(jù)的測定比較困難。因此,應對現(xiàn)有的實驗測試技術進行改進,以豐富和完善各種中藥體系在超臨界條件下的相平衡及傳熱、傳質數(shù)據(jù),并建立描述超臨界流體萃取過程的熱力學和動力學模型,從而為超臨界