当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

超临界流体萃取技术及其应用


超临界流体萃取技术及其应用
摘要:超临界流体萃取作为一种新型的分离技术,越来越受到各行业的关注和重视,
并已广泛应用于医药、食品、化妆品及香料工业等领域。本文对超临界流体萃取技术进行了 评述,主要从超临界流体萃取技术的原理、工业应用及其强化过程等几个方面。介绍了国内 外关于超临界流体分离技术的最新研究动态, 最后针对超临界萃取技术应用现状, 探讨了其 目前存在

的问题及应用前景。

关键词:超临界流体萃取;工业应用;应用前景
Abstract: As a new separation technology, supercritical fluid extraction has get more and more attention from all walks of life, and it has been widely used in pharmaceutical, food, cosmetics, perfume industry and other fields. This article reviewed present application and research status of supercritical fluid extraction technology both at home and abroad, mainly in industrial applications of supercritical carbon dioxide extraction technology and strengthening processes. The latest studies on supercritical fluid extraction technology were introduced. Finally based on Chinese present situations of the technology, the existing problems and application prospects were discussed. Key words: Supercritical fluid extraction;Industrial application;Application prospect

超临界流体( Supercritical Fluid 即 SCF ) 即指的是物体处于其临界温度和临 界压力以上状态时,向该状态气体加压,气体不会液化,只是密度增大,具有类 似液体的性质。同时还保留气体性能。 超临界流体既具有液体对溶质有较大溶解 度的特点,又具有气体易于扩散和运动的特点。更重要的是,超临界流体的许多 性质如黏度、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化很大,因此 对选择性的分离非常敏感。 1943 年出现最早的 SCF 专利是从石油中脱沥青。 20 世纪 70 年代以后, SCF 专利不断涌现,如植物油脱臭、咖啡豆脱除咖啡因等; 到 70 年代末,美国和西 德等国家已有一些 SCF 装置工业化,如西德的 HAG 公司年产 20 万 t 的咖啡豆 脱除咖啡因等。 日本在 20 世纪 80 年代初涉足该领域,但由于这一技术潜在的优 势,起步虽晚,但发展迅速,目前在世界上有后来居上之势。我国着手进行 SCF

领域研究已有 10 余年的历史,国内以清华大学、北京化工大学、浙江大学等单 位的几个重点实验室为首,除了在实际应用上做探索外,还对超临界流体萃取 (SFE)的流体力学特性和传质性能进行了理论分析,并已取得了一定成绩。后来 超临界流体萃取技术不仅仅局限于萃取过程,已迅速地扩展到分离、分析领域。 尤其引人注目的是, 超临界流体萃取可替代传统的广泛使用的索氏溶剂萃取的方 法,可与气相、液相色谱联机进行在线分析。 近二三十年来,随着科技进步和生活水平提高,人们对健康、环境有了新的 认识,对食品、医药、化妆品等有关身心健康的产品及相关生产方法提出了更高 标准和要求。超临界萃取技术即作为一种独特、高效、清洁的新型提取、分离手 段[1-2],在食品工业、精细化工、医药工业、还有环境等领域已展现出良好的应 用前景,成为取代传统化学方法的首选。目前,世界各国都集中人力物力超临界 技术基础理论、萃取设备和工业应用等方面进行系统研究,并取得了长足进展。

1 基本原理
超临界流体萃取分离是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系, 即利用 压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下,将超临界 流体与待分离的物质接触, 使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和相对分 子质量大小不同的成分萃取出来[3-5]。

2 超临界流体萃取的特点
(1)操作温度低。能较好的使萃取物的有效成分不被破坏,不发生次生化,可在 接近常温下完成萃取工艺, 特别适合那些对热敏感应强、容易氧化分解成分的提 取和分离。 (2)在高压、密闭、惰性环境中,选择性萃取分离天然物质精华。在最佳工艺条 件下, 能将提取的成分几乎完全提出,从而大大提高了产品的收率和资源的利用 率。 (3)萃取和分离合二为一,萃取工艺简单,效率高且无污染。

3 超临界流体萃取技术的影响因素

3.1 萃取条件的影响 (1)萃取压力的影响 萃取温度一定时,压力增大,流体密度增大,溶剂强度增强,溶剂的溶解度 就增大。根据萃取压力的变化,可将 SFE 分为 3 类:(1)高压区的全萃取。高 压时 SCF 溶解能力强,可最大限度地溶解所有成;(2)低压临界区的萃取,仅能 提取易溶解的成分,或除去有害成分; (3)中压区的选择萃取,在高低压之间, 可根据物料萃取的要求, 选择适宜的压力进行有效萃取。当压力增加到一定程度 后,则溶解增加缓慢,这是由于高压下超临界相密度随压力变化缓慢所致。 (2)萃取温度的影响 温度对超临界流体溶解能力影响比较复杂,在一定压力下,升高温度被萃取 物挥发性增加, 这样就增加了被萃取物在超临界气相中的浓度,从而使萃取量增 大; 但另一方面, 温度升高, 超临界流体密度降低, 从而使化学组分溶解度减小, 导致萃取量减少。因此,在选择萃取温度时要综合这两个因素考虑。 (3)萃取时间的影响 在超临界流体萃取过程中,萃取剂流量一定时,萃取时间越长,收率越高。 萃取刚开始时,由于溶剂与溶质未达到良好接触,收率较低。随着萃取时间的加 长,传质达到某种程度,则萃取速率增大,直到达到最大之后,由于待分离组分 的减少,传质动力降低而使萃取速率降低。 (4)CO2 流量的影响 萃取剂的流量主要影响萃取时间。 一般来说, 收率一定时, 流量越大, 溶剂、 溶质间的传热阻力越小,则萃取的速度越快,所需要的萃取时间越短,但萃取回 收负荷大,从经济上考虑应选择适宜的萃取时间和流量。 3.2 物料性质的影响 粒度大小可影响提取回收率, 减小样品粒度, 可增加固体与溶剂的接触面积, 从而使萃取速度提高。不过,粒度如过小、过细,不仅会严重堵塞筛孔,造成萃 取器出口过滤网的堵塞。物料的粒度影响萃取效果,一般情况下,粒度越小,扩 散时间越短,有利于 SCF 向物料内部迁移,增加了传质效果,但物料粉碎过细 会增加表面流动阻力,反而不利于萃取。

4 超临界流体萃取技术的工业化应用
4.1 制药工业 超临界流体萃取技术对环境友好无污染,对有效成分破坏少和提取选择性 高, 利于对易氧化和热不稳定性物质的萃取,已成为一种理想的现代中药提取技 术,主要应用于植物中挥发性成分,如生物碱,木脂素,香豆素,醌类,黄酮类, 皂苷类,甚至多糖类的提取[6]。在益母草的生物碱提取中,超临界流体提取技术 比常规提取法的收率提高了 10 倍。在多糖类的提取方面,盛桂华等[7]以瓜篓多 糖的得率作为评价指标,对超临界 CO2 萃取瓜篓多糖的最佳条件进行确定,得 出萃取压力为 20.1MPa,萃取温度为 55.2℃ ,携带剂乙醇的体积分数为 50.2%, 携带剂用量为 12.0mL/100g,篓多糖收率为 0.95%,较传统方法有所提高。赵子 剑等[8]对流体萃取茯苓多糖提取工艺进行优化,得到最佳多糖提取条件为:萃取 温度 35℃ 、萃取压力 20MPa、萃取时间 4h、夹带剂(水)用量 0.4mL/g。 4.2 生态环境 超临界流体萃取技术的发展对环境保护有双重意义, 一是此技术很少或不造 成污染;二是此技术可以用于环境治理[9]。众所周知,人类的工业活动产生了大 量的 CO2,破坏了生态圈的平衡。最近关于超临界流体萃取的应用开发不仅倾向 于消除有机溶剂,而且也致力于减少人类活动对环境的影响[10]。例如去除土壤、 淤泥、废料中的重金属污染,减少二次废物的生成,活性催化剂的再生等 [11]。 Kumar[12]等人研究了应用超临界流体 CO2 和各种有机膦试剂从薄纸中提取出放 射性金属钍的可能性,得出最佳的萃取条件为:压力 20MPa、温度 60℃ 、CO2 流率为 2mL/min、静置时间 20min、动态萃取时间 20min,最大提取率 68%± 4%。 4.3 食品工业 SFE 在食品工业中的应用发展迅速,并已取得了卓越的成效。目前在啤酒花 有效成分的萃取,天然香料植物中提取香精、色素,动植物中提取动植物油脂, 咖啡豆或茶叶中脱除咖啡因, 烟草脱除尼古丁,奶脂脱胆固醇及食品脱臭等方面 的研究及应用都取得了长足的发展, 其中一些技术已得到工业化应用。 刘小莉[13]

等人用超临界 CO2 流体萃取黑莓籽油,所得黑莓籽油中含有丰富的亚油酸,其 质量分数达 58.04%。王莉娟等人[14]采用超临界 CO2 装置研究了被孢霉油脂萃取 工艺,确定了超临界萃取被孢霉油脂的最佳条件:温度 40℃ ,压力 20Mpa,时 间 120min,原料粒度 380~830μm,油脂得率为 46.08%。经气相色谱检测其油脂 的质量分数,其中棕榈酸为 24.2%,油酸 54.2%,亚油酸 11.3%,1-亚麻酸 2.8%。

5 超临界流体萃取技术的强化
5.1 夹带剂的使用 超临界流体作为萃取剂最主要的缺点是其极性低, 解决此问题的方法是加入 极性共溶剂,增加其溶剂化能力。此极性共溶剂称为夹带剂。 夹带剂是在纯超临界流体中加入的一种少量的可以与之混溶的挥发性介于 被分离物质与超临界组分之间的物质。夹带剂可以是一种纯物质,也可以是两种 或多种物质的混合物。 夹带剂对超临界流体的作用有: 提高超临界流体的选择性、 增加溶质溶解度对温度、 压力的敏感程度、增加被萃取组分在超临界流体中的溶 解度等。如 Shirish M Harde[15]等人在温度为 40℃ 、压力为 25MPa、萃取时间为 1h 的条件下,利用超临界 CO2 流体从毛喉鞘蕊花根中萃取出毛猴素,最佳回收 率为 50.32%,但在此条件下,当加入甲醇作为夹带剂后,回收提高到 74.29%。 5.2 超声波强化 超声波是频率高于 20kHz 的声波,由一系列疏密相间的纵波组成,在物质 介质中传播时导致介质粒子的机械振动,从而引起与介质的相互作用。超声波强 化萃取的研究已涉及食品、医药、化工等领域。如 Ai-jun Hu[16]等利用超临界流 体从薏米中提取出薏苡仁酯,无超声波下获得高收率的最佳条件为:温度 45℃ 、 压力 25MPa、萃取时间 4h、CO2 流率为 3.5L/h;而采用超声波辅助后萃取的最 佳条件为:温度 40℃ 、压力 20MPa、萃取时间 3.5h、CO2 体积流量为 3.0L/h。实 验表明,采用超声波强化超临界流体萃取过程,各工艺参数均有所降低,达到了 节能省时的目的。 5.3 微波强化

微波是一种频率在 300MHz~300GHz 的电磁波,具有高频性、波动性、热特 性和非热特性大特性。 在微波场中,吸收微波能力的不同导致萃取体系中的某些 区域被选择性加热,被萃取物质从体系中分离,进入到微波吸收能力相对较弱, 介电常数较小的萃取剂中。Yardfon 等[17]研究了用微波萃取技术从卷心菜中提取 萝卜硫素的可行性,结果表明,相比于传统的萃取技术,微波萃取技术能在更短 的萃取时间内得到更大的萝卜硫素的萃取率。 5.4 与其它分离技术的耦合互补 超临界流体萃取可以与其它技术相耦合互补,如超临界流体结晶技术,其方 法主要有 3 种,即快速膨胀法、抗溶剂法、压缩抗溶剂法,用于超细颗粒材料的 制备。 Hadi Baser 等研究出未被处理的二甲苯氧庚酸平均粒子大小为(30±2.5)μm, 经快速膨胀法微粉化后的平均粒子大小为(0.8±0.03)μm 到(2,2±0.057)μm。其它如 超临界流体色谱技术、超临界流体膜分离技术、超临界流体络合萃取技术等,因 为其大大提高产物分析的实用性和高效性,实用性强等特点,已成为我国大力研 究开发的重点。 除上述强化方法外,还有诸如采用高压电场、利用磁场强化、增加流量、搅 拌及采用流动床等方法。 这些方法的使用都能提高超临界流体的萃取能力和增加 产率,降低操作压力,缩短萃取时间,降低能耗等。

6 超临界流体萃取装置
超临界流体萃取技术的工业化应用关键在于设备。 超临界高压萃取设备操作 压力高、开关频繁,缺乏设计经验和有效的设计方法,密封元件无法反复使用, 且国内尚无该种设备的设计,生产标准,无法大规模标准化生产,工业化发展受 到了制约。尽管如此,我国目前仍在用心致力于该装置的研究开发。如温州市成 药机有限公司与浙江大学合作开发的 TH 系列超临界 CO2 流体萃取装置可广泛用 于制药、食品、香精香料等行业。此装置的萃取釜采用快开盖结构,可以快速启 闭、 自锁、 快速提升。 生产型装置的萃取釜盖的启闭均采用液压缸进行自动操作, 工作效率有所提高,在快开盖机构中设置有安全联锁装置,可连续工作,并自动 装料、自动出渣,方便可靠。采用计算机系统对整个工艺流程进行控制,根据工

艺设定各项工艺参数,自动控制,自动调节并将其反馈给计算机进行储存等[18]。 国外在超临界流体萃取技术方面的研究和应用较我国来说相对成熟。 例如美 国 ASI 公司生产的 Spe-ed SFE-2/4 超临界流体萃取装置, 可独立控制各斧的流速, 平行处理 2 个或者 4 个萃取斧,并且可以在线收集萃取物,。又如美国 SFT-1000 超临界萃取/反应设备,其是一种全自动的超临界中试设备,实现了阀门自动化 和节流器自动化,通过可编程逻辑控制器全自动操作。在过压保护方面,装置了 安全膜和 PLC 安全联动装置,并且安装有内嵌式微处理器,可以控制所有温度、 萃取时间、萃取模式、搅拌强度、操作压力等。

7 结束语
超临界流体萃取技术克服了传统萃取法费时费力、回收率低、污染严重、操 作繁琐等问题,特别是消除了有机溶剂对人体和环境的危害,被喻为“绿色环保 技术”,具有广泛的应用前景。香料工业方面,此技术用于烟草脱烟碱、合成香 料的分离精制、化妆品原料的萃取精制等;医药方面可用于酶、维生素等的精制 回收,脂质混合物的分离精制,医药品原料的浓缩、精制,酵母、菌体生成物的 萃取等;化学工业方面用于共沸物的分离、反应的原料回收等;除此之外,超临 界流体萃取技术还可用于煤炭工业,海水淡化,污水处理等各个方面。但目前我 国超临界流体萃取技术的发展较国外来说相对薄弱,应致力于此技术设备的研 究,萃取过程的强化和其工业化应用。

参考文献
[1] WERNER H, HAUTHA L. Advances with supercritical fluids [J]. Chemo-phre, 2001, 43 : 123-135. [2] MARR R, GAMSE T. Use of supercritical fluids for different processes including new developments a review [J]. Chemical Engineering and Processing, 2000, 39 : 19-28. [3] 丁一刚, 霍旭明. 超临界流体的技术与应用 [J]. 医药工程设计, 2002, 23(4) : 3-6. [4] 郝常明, 黄雪菊. 浅谈超临界流体萃取技术及其应用 [J]. 医药工程设计 , 2003, 24(6) : 1-4. [5] 廖劲松, 郭勇. 超临界流体萃取的应用技术研究 [J]. 食品科技, 2002, (12) :12-15. [6] 周雪晴, 冯玉红. 超临界 CO2 萃取技术在中药有效成分提取中的应用新进展[J]. 海南大 学学报: 自然科学版 (1) : 101-105. [7] 盛桂华, 周泉城. 超临界萃取瓜篓多糖工艺研究[J]. 食品工业科技, 2008(5) : 208-209. [8] 赵子剑, 连琰, 王国全, 等. 正交实验法优化二氧化碳超临界流体萃取茯苓多糖工艺参

数[J]. 时珍国医国药. 2008, 19(7) : 1628-1629. [9] 赵胜利 , 等 . 超临界流体技术在环境保护中的应用 [J]. 石油化工高等学校学报 . 1999, 12(1) : 48-53. [10] M D A Saldana, V Nagpal, S E Guigard. Remediation of contaminated soils using supercritical fluid extraction:a review (1994-2004) [J]. Environ Technol, 2005, 26(9) : 1013. [11] J Sunarso, S Ismadji. Decontamination of hazardous substances from solid matrices and liquids using supercritical fluids extration: a review [J]. Hazard Mater, 2009,161(1) : 1-20. [12] P Kumar, A Pal, M K Saxena, et al. Supercritical fluid extration of thorium from tissue paper matrix employing organophosphorus rearents[J]. Proceedings in Radiochemistry, 2007, 95(12) : 701-708. [13] 刘小莉, 黄开红, 周剑忠, 等. 黑莓籽油的超临界萃取及脂肪酸成分分析 [J]. 农业工程 学报. 2011, 27(2) : 312-315. [14] 王莉娟, 王卫卫, 张前, 等. 超临界二氧化碳法萃取丝状真菌油脂及其成分测定[J]. 微 生物学杂志. 2009, 29(5) : 95-99. [15] Shirish M Harde, Lalit D Kagliwal, et al. Supercritical fluid extration of forskolin from Coleus forskohliiroots [J]. Journal of Food Engineering. 2013, 117(4) : 443-449. [16] Ai-jun Hu, Shuna Zhao, et al. Ultrasound assisted supercritical fluid extration of oil and coixenolide from adlay seed [J]. Science Direct ,2007, 14(2) :219-224. [17] Yardfon, tanongkankit, et al. Microwave-assisted extration of sulforaphane from white cabbages: effects of extration condition, solvent and sample pretreatment [J].Journal of Food Engineering. 2013, 117(1) : 151-157. [18] 王成东, 杨华登. 工业化超临界 CO2 萃取装置自控系统设计制造[J]. 机电信息. 2012(8) : 46-48.


相关文章:
超临界流体萃取技术及其应用
本文对超临界流体萃取技术进行了 评述,主要从超临界流体萃取技术的原理、工业应用及其强化过程等几个方面。介绍了国内 外关于超临界流体分离技术的最新研究动态, 最后...
超临界流体萃取的应用
流体萃取的应用 超临界流体萃取的应用 萃取前言超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction,SFE)是 20 世纪 70 年代末发展起来的 一种新型物质分离、精制技术。...
超临界萃取技术应用及发展
超临界萃取技术应用及发展_能源/化工_工程科技_专业资料。石河子大学 分离工程课程论文 《超临界萃取技术的应用及发展》学院:化学化工学院 专业:生物化工 学号: 姓名...
超临界流体萃取技术的原理及其工业应用
超临界流体萃取技术的原理及其工业应用_理学_高等教育_教育专区。超临界流体萃取的原理及其工业应用新型分离技术— 新型分离技术—超临界流体萃取摘 要:介绍了超临界流...
超临界流体萃取技术在石油化工中的应用研究进展
8 -2- 西南石油大学高等分离工程论文 超临界流体萃取技术在石油化工中的应用研究进展摘要:超临界流体萃取是一种新型的萃取分离技术,它广泛应用于工业、石油、食品、...
超临界萃取技术的应用
超临界流体萃取技术的应用 1.原理 : 原理: 原理 超临界流体萃取分离过程的原理是 超临界流体 超临界流体萃取 分离过程的原理是超临界流体 对脂 分离过程的原理是...
超临界流体萃取的工作原理及应用
超临界流体萃取的工作原理及应用高等生化分离技术 112300003 林兵 一、超临界流体萃取的概念 超临界流体(SCF)是指状态超过气液共存时的最高压力和最高温度下物质特...
超临界流体萃取技术的综述
关键词:超临界流体萃取技术;超临界 CO2 流体萃取;食品工业;应用; 前言:超临界流体萃取技术就是利用溶剂在超临界状态下的超群溶解物质的能力,溶解 出人们希望的组...
超临界流体萃取技术的应用与发展
超临界流体萃取技术的应用与发展 摘要:介绍了超临界流体萃取技术(SFE)的原理、特点及工艺。阐述了 超临界流体萃取技术的发展与研究应用概况, 并对超临界流体萃取...
更多相关标签:
超临界流体萃取技术 | 超临界萃取技术的应用 | 超临界流体萃取 | 超临界co2流体萃取 | 超临界流体萃取法 | 超临界流体萃取的视频 | 超临界流体萃取设备 | 超临界流体萃取原理 |