超临界流体萃取技术的基本原理,工艺流程,基本特点及主要影响因素

超临界流体(SCF)的特性

超临界流体(SCF)是指物体处于其临界温度(Tc)和临界压力(Pc)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,同时还保留气体的性能

超临界流体兼具气体和液体的优点,其密度接近于液体,溶解能力较强,而黏度与气体相近,扩散系数远大于一般的液体,有利于传质另外,超临界流体具有零表面张力,很容易渗透扩散到被萃取物的微孔内因此,超临界流体具有良好的溶解和传质特性,能与萃取物很快地达到传质平衡,实现物质的有效分离

超临界流体萃取分离的原理

超临界流体萃取分离过程是利用其溶解能力与密度的关系,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,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、沸点高低和分子质量大小的不同成分萃取出来然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体,被萃取物质则自动完全或基本析出,从而达到分离提纯的目的,并将萃取分离的两个过程合为一体

超临界流体萃取的溶剂

超临界流体萃取过程能否有效地分离产物或除去杂质,关键是萃取中使用的溶剂必须具有良好的选择性目前研究的超临界流体种类很多,主要有二氧化碳、水、甲苯、甲醇、乙烯、乙烷、丙烷、丙酮和氨等近年来主要还是以使用二氧化碳超临界流体居多,因为二氧化碳的临界状态易达到,它的临界温度(Tc=3098℃) 接近室温,临界压力(Pc=7377 MPa)也不高,具有很好的扩散性能,较低的表面张力,且无毒、无味、不易燃、价廉、易精制等特点,这些特性对热敏性易氧化的天然产品更具吸引力

超临界流体萃取主要特点

超临界流体技术在萃取和精馏过程中,作为常规分离方法的替代,有许多潜在的应用前景其优势特点是：

（1）使用SFE是最干净的提取方法,由于全过程不用有机溶剂,因此萃取物绝无残留的溶剂物质,从而防止了提取过程中对人体有害物的存在和对环境的污染,保证了100%的纯天然性；

（2）萃取和分离合二为一,当饱和的溶解物的CO2流体进入分离器时,由于压力的下降或温度的变化,使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开,不仅萃取的效率高而且能耗较少,提高了生产效率也降低了费用成本；

（3）超临界萃取可以在接近室温(35～40℃)及CO2气体笼罩下进行提取,有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散

（4）CO2是一种不活泼的气体,萃取过程中不发生化学反应,且属于不燃性气体,无味、无臭、无毒、安全性非常好；

（5）CO2气体价格便宜,纯度高,容易制取,且在生产中可以重复循环使用,从而有效地降低了成本；

（6）压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数,通过改变温度和压力达到萃取的目的,压力固定通过改变温度也同样可以将物质分离开来；反之,将温度固定,通过降低压力使萃取物分离,因此工艺简单容易掌握,而且萃取的速度快

超临界流体萃取过程的主要影响因素

(1)萃取压力的影响

萃取压力是SFE最重要的参数之一,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对于不同的物质,其萃取压力有很大的不同

(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,导致萃取数减少因此,在选择萃取温度时要综合这两个因素考虑

(3)萃取粒度的影响

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

(4)CO2流量的影响

CO2的流量的变化对超临界萃取有两个方面的影响CO2的流量太大,会造成萃取器内CO2流速增加,CO2停留时间缩短,与被萃取物接触时间减少,不利于萃取率的提高但另一方面,CO2的流量增加,可增大萃取过程的传质推动力,相应地增大传质系数,使传质速率加快,从而提高SFE的萃取能力因此,合理选择CO2的流量在SFE中也相当重要

超临界流体萃取的过程是由萃取和分离2个阶段组合而成的根据分离方法的不同,可以把超临界萃取流程分为：等温法、等压法和吸附法,如图2所示

31 等温变压萃取流程

等温条件下,萃取相减压,膨胀,溶质分离,溶剂CO2经压缩机加压后再回到萃取槽,溶质经分离器分离从底部取出如此循环,从而得到被分离的萃取物该过程易于操作,应用较为广泛,但能耗高一些

32 等压变温萃取流程

等压条件下,萃取相加热升温,溶质分离,溶剂CO2经冷却后回到萃取槽过程只需用循环泵操作即可,压缩功率较少,但需要使用加热蒸汽和冷却水

33吸附萃取流程

萃取相中的溶质由分离槽中的吸附剂吸附,溶剂CO2再回到萃取槽中吸附萃取流程适用于萃取除去杂质的情况,萃取器中留下的剩余物则为提纯产品

其中,前两种流程主要用于萃取相中的溶质为需要的精制产品,第三种流程则常用于萃取产物中杂质或有害成分的去除

超临界流体具有许多不同于一般液体溶剂的物理化学特性,基于超临界流体的萃取技术具有传统萃取技术无法比拟的优势,近年来,超临界流体萃取技术的研究和应用从基础数据、工艺流程到实验设备等方面均有较快的发展

但由于对超临界流体本身尚缺乏透彻的认识,对其化学反应、传质理论以及反应中热力学的本质问题研究有待深入,而且超临界流体萃取分离技术需要高压装置,因而对工艺设备的要求往往也比较高,需要有较大的投入等原因的客观存在,因此目前超临界流体的大规模实际应用还存在诸多问题需要进一步解决

目前国际上超临界流体萃取与造粒技术的研究和应用正方兴未艾,技术发展应用范围包括了：萃取(extraction),分离(separation),清洗(cleaning),包覆(coating),浸透(impregnation),颗粒形成(particle formation)与反应(reaction)德国,日本和美国已处于领先地位,在医药,化工,食品,轻工,环保等方面研究成果不断问世,工业化的大型超临界流体设备有5000L～10000L的规模,日本已成功研制出超临界色谱分析仪,而台湾亦有五王粮食公司运用超临界二氧化碳萃取技术进行食米农药残留及重金属的萃取与去除

目前国际上超临界流体萃取的研究重点已有所转移,为得到纯度较高的高附加值产品,对超临界流体逆流萃取和分馏萃取的研究越来越多超临界条件下的反应的研究成为重点, 特别是超临界水和超临界二氧化碳条件下的各类反应,更为人们所重视超临界流体技术应用的领域更为广泛,除了天然产物的提取,有机合成外还有环境保护,材料加工,油漆印染,生物技术和医学等；有关超临界流体技术的基础理论研究得到加强,国际上的这些动向值得我们关注

由于超临界二氧化碳萃取技术在萃取后能将二氧化碳再次利用,把对环境的污染降至最低,所以未来传统工业若是能以超临界二氧化碳当作主要溶剂,那现在我们这颗唯一的地球,便能得到舒缓

21世纪的化学工业,医药工业等必须通过调整自身的产业结构和产品结构,研究开发清洁化生产和绿色工业的新工艺和新技术超临界流体技术就是近30年来迅速发展起来的这样一种新技术我们应当从这个战略高度来认识超临界流体技术研究和推广应用的重要性,制定研究规划,加大投入,加强对该技术的基础和应用研究,使它真正用于工业化生产,造福于人类,造福于社会

常用的超临界流体有：二氧化碳、乙烯、乙烷、丙烷、三氯甲烷等。

超临界流体是温度、压力高于其临界状态的流体，通常把处于温度超过临界温度而不论其压力和密度是否超过临界值状态的流体都归之为超临界流体。超临界流体具有许多独特的性质，如粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感：粘度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力接近液体。

A、超临界二氧化碳与二氧化碳气体的成分相同，状态不同，所以物理性质不同，化学性质相同，故A正确；

B、超临界二氧化碳是由CO2分子构成的，是分子晶体，不是原子晶体，故B错误；

C、二氧化碳对环境无污染，所以用超临界二氧化碳溶解萃取物质，符合绿色化学的思想，故C正确；

D、二氧化碳对臭氧层无响应，所以用超临界二氧化碳代替氟氯代烷可减轻对臭氧层的破坏，故D正确；

故选B．

超临界流体萃取法适用于提取中草药。

一、超临界流体萃取法的定义:

采用超临界流体为溶剂对中药材进行萃取的方法。所谓超临界流体(SF)，是指处于临界温度(Tc)和临界压力(Pc)以上，介于气体和液体之间的、以流动形式存在的单一相态物质。密度与液体相近，而黏度与气体相近，扩散能力强。

二、超临界流体萃取的特点：

1、简便、高效、无有机溶剂残留。

2、安全，无污染。

3、因萃取温度低，适用于对热不稳定物质的提取。

4、萃取介质的溶解特性容易改变，在一定温度下只需改变其压力。

5、适于极性较大和分子量较大物质的萃取。

6、萃取介质可循环利用，成本低。

7、可与其他色谱技术联用及IR、MS联用，可高效快速地分析中药及其制剂中的有效成分。

三、超临界流体萃取的局限性

1、对脂溶性成分溶解能力强，而对水溶性成分溶解能力弱，适用成分为脂溶性成分。

2、设备造价高，成本高。

3、更换产品时设备清洗困难。

定义：

超临界为超临界流体，是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物态，这种物质只能在其温度和压力超过临界点时才能存在。超临界流体的密度较大，与液体相仿，而它的粘度又较接近于气体。因此超临界流体是一种十分理想的萃取剂。

原理：

超临界流体的溶剂强度取决于萃取的温度和压力。利用这种特性，只需改变萃取剂流体的压力和温度，就可以把样品中的不同组分按在流体中溶解度的大小，先后萃取出来，在低压下弱极性的物质先萃取，随着压力的增加，极性较大和大分子量的物质与基本性质，所以在程序升压下进行超临界萃取不同萃取组分，同时还可以起到分离的作用。

因素：

影响萃取主要有两个因素温度和压力，比如用超临界二氧化碳萃取酒精，在压力低于10MPa温度低于40度的时候二氧化碳对酒精的携带能力只有百分之几（质量比）萃取效率是十分低的，当压力提高到13MPa温度提高到80度的时候二氧化碳对酒精的携带能力会一下提升到30%以上，萃取一下提高很多。

由于液体与气体分界消失，是即使提高压力也不液化的非凝聚性气体。超临界流体具有独特的理化性质，密度接近于液体，粘度接近于气体。另外，根据压力和温度的不同，这种物性会发生变化。因此，在提取、精制、反应等方面，越来越多地被用来作代替原有有机溶剂的新型溶剂使用，分离效果较好，是很好的溶剂 。

例如，水的密度、离子、介电常数等以临界温度374℃为分界，发生急剧的变化。特别是在常温状态下极性溶剂－水的介电常数到了临界点以上会急剧减小，超临界水的介电常数减小到与有机溶剂相同的水平

由于这种特性，水在超临界状态，便具有与有机溶剂相同的特性，变成了可以与有机物完全混合的状态

热容量值有较大变化，这也是临界点非常独特的特性之一。临界点的热容量值急剧上升，几乎达到了无限大，然后再减小，如果恰当地利用这种特性，将能够得到一种非常优秀的热媒体

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