超临界流体萃取技术简介

2. 萃取温度
温度对超临界流体溶解度的影响： ① 温度升高，SCF密度降低，溶解力下降； ② 温度升高使被萃取溶质的挥发性增加，
增大了在SCF中的浓度。
9.0MPa
溶 解 度
温度
萃取温度的设置
温度对溶解度的影响还 与压力有密切的关系：在压 力相对较低时，温度升高溶 解度降低；而在压力相对较 高时，温度升高超临界CO2 的溶解能力提高。
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2020/4/15
超临界流体萃取技术
（Supercritical Fluid Extraction，SFE）
第一部分 前言
第二部分 临界和超临界简介
第三部分 超临界流体萃取技术
第四部分 超临界流体萃取的特点
第五部分 超临界CO2流体萃取部分装置
实物图
第六部分 超临界CO2萃取的影响因素
甲烷
-83.0
4.6
丙烷
97.0
4.26
二氯二氟
甲烷
111.7
3.99
甲醇
240.5
7.99
乙醚
193.6
3.68
超临界流体由于处于临界温度和临 界压力以上，其物理性质介于气体 与液体之间。
物质 密度（g/cm3） 粘度(g/cm/s) 扩散系数(cm2/s ) 状态
气态 液态 SCF
(0.6-2) ×10-3 0.6-1.6 0.2-0.9
超临界流体萃取原理
超临界萃取技术是利用流体在超临界 区内，待分离混合物中的溶质在温度和压 力的微小变化时，其溶解度会在相当大的 范围内变动，从而达到分离提纯目的。在 较高的压力下，让溶质充分溶解于超临界 流体中，然后使超临界溶液的压力降低， 溶解于超临界流体中的溶质会因超临界流 体的密度下降，溶解度降低而析出，从而 使混合物分离和提纯。
4 、分离过程有可能在接近室温下完成(二 氧化碳)，特别适用于过敏性天然产物。
5、 必须在高压下操作，设备及工艺技术
要求高，投资比较大。
6、 萃取剂原料易得，并可回收利用。对产品 无毒、无害、无污染、无有机溶剂残留。可以 达到纯天然的目标。
溶剂萃取和超临界萃取的对比
溶剂萃取
溶剂残留不可避免
超临界萃取
4 SCF的介电常数，极化率和分子行为 都与气液两相均有明显差别
•总之，超临界流体不仅具有液 体的溶解能力，也具有气体的 扩散和传质能力
第三部分 超临界流体萃取技术
超临界流体萃取定义
（Supercritical Fluid Extraction，SFE）
超临界流体萃取是利用超临 界流体作萃取剂，从液体或固体 中萃取出某些成分并进行分离的 技术。
临界点：物质处于临界状态下的温 度、压力点。
超临界区域：在压强温度图中， 高于临界温度和临界压力的区 域称为超临界区域。
超临界流体：处于超临界状态 时，气液界面消失，体系性质 均一，既不是气体也不是液体， 呈流体状态，故称为超临界流 体
试剂 临界温度（℃） 临界压力（MPa）
CO2
31.06
7.38
纯CO2密度与压力、温度的关系
1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6
CO2流体密度是温度 与压力的函数
0.5
在超临界区域，密度
压 力
0.3
变化幅度达到3倍以上
0.2
wk.baidu.com
0.1
临界点附近，压力或
温度的微小变化可以
大幅度改变流体密度
温度
各直线上数值为CO2密度，g/ml
3、分离工艺简单
超临界萃取只由萃取器和分离器 二部分组成，不需要溶剂回收设 备，与传统分离工艺流程相比不 但流程简化，而且节省耗能。
5. 粒度
原料颗粒愈小，溶质从原料向SCF 传输的路径愈短，与SCF的接触的表 面积愈大，萃取愈快，愈完全，粒度 也不宜太小，容易造成过滤网堵塞而 破坏设备。
6. 夹带剂(携带剂)
超临界CO2流体对亲脂类物质的 溶解度较大，对较大极性的物质溶 解较小，限制了其对极性较大溶质 的应用。可在SCF中加入极性溶剂 （如乙醇等）以改变溶剂的极性， 拓宽其适用范围。如丹参中的丹参 酮难溶于CO2流体，在CO2中添加 一定量乙醇可大大增加其溶解度。
夹带剂的作用：
① 增加目标组分在CO2中的溶解度 ② 增加溶质在CO2中的溶解度对温
度、压力的敏感性，有可能单独 通过降温来解析 ③ 提高溶质的选择性 ④ 可改变CO2的临界参数
夹带剂（提携剂）的种类及用量
提携剂一般选用挥发度介于超临 界溶剂和被萃取溶质之间的溶剂
中草药：乙醇、水、丙酮、EtOAc 提携剂的用量是相对于CO2流量而 言，太多或太少都不好 一般用量：1%~5%（质量）
第七部分 超临界流体萃取的应用
第一部分 前言
高中教材有机化 学选修5结束语中 用很长篇幅介绍了 超临界流体萃取， 并从绿色溶剂的角 度叙述了其运用、 优点和发展前景。 结合教材的其他内 容，我根据自身经 历，整理出一些基 础知识，希望对同 事、同学们有所帮 助。
高中教材选修5 Page 75 资料卡片 鱼油 EPA 和 DHA两种不饱和脂肪酸。DHA和EPA即二十碳 五烯酸以及二十二碳六烯酸，其烯键即碳碳双键化 学结构很不稳定，容易被氧化。EPA和DHA同属于Ω3系列多不饱和脂肪酸，是人体自身不能合成但又不 可缺少的重要营养素，因此称为人体必需脂肪酸。 DHA是大脑细胞形成发育及运作不可缺少的物质基础 ，起补脑健脑以及提高视力，防止近视眼的作用。 DHA还是母乳中必要成分，能增强人体免疫能力。。 EPA被称为“血管清道夫”，包括高血压、高胆固醇 、高血脂、脑血管障碍、心肌梗塞、动脉硬化、青 光眼、白内障等症状有效，它具有疏导清理心脏血 管的作用，从而防止多种心血管疾病。
(1-3) ×10-4 (0.2-3) ×10-2 (1-9) ×10-4
0.1-0.4 (0.2-2) ×10-5 (2-7) ×10-4
超临界流体的性质
1 密度类似液体，因而溶剂化能力很强。 密度越大溶解性能越好
2 粘度接近于气体，具有很好的传递性 能和运动速度
3 扩散系数比气体小，但比液体高一到 两个数量级，具有很强的渗透能力
， 国内配套设计由中国科学院山西煤炭化学研究所
刘黎（研究员）、董桂燕 （总工程师）等设计完成 。笔者当时作为山西省洪洞飞马集团公司（原洪洞 县洗煤厂）项目技术负责人全程参与了项目的前期 考察、设计、引进、安装、调试、试生产等全部工 作，为期3年。
近年来，山西省在太原、运城芮城、临汾大宁等 地，建成了多条超临界流体生产线。
第五部分 超临界CO2流体萃取部分装置
实物图
压缩机
萃取釜
热交换器
二氧化碳循环泵
萃取釜 容积500L
美国Supercritical Processing Inc
第六部分 超临界CO2萃取的影响因素
超临界CO2流体萃取的局限性
（1）对脂溶性成分溶解能力较强而 对水溶性成分溶解能力较低； （2）设备造价较高而导致产品成本 中的设备折旧费比例过大； （3）更换产品时清洗设备较困难。
第四部分 超临界流体萃取的特点
超临界流体萃取的特点
1、 具有广泛的适应性
由于超临界状态流体溶解度特异增高 的现象是普遍存在。因而理论上超临 界流体萃取技术可作为一种通用高效 的分离技术而应用。
2、 萃取效率高，过程易于调节
• 超临界流体兼具有气体和液体特性，因 而超临界流体既有液体的溶解能力，又 有气体良好的流动和传递性能。并且在 临界点附近，压力和温度的少量变化有 可能显著改变流体溶解能力，控制分离 过程
常见临界流体萃取辅助剂
被萃取物 • 咖啡因
单甘酯 亚麻酸 青霉素G钾盐
乙醇 豆油 菜子油 棕榈油 EPA ,DHA
超临界流体
CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2
❖ 基本工艺流程
超临界流体萃取的工艺流程一般是 由萃取（CO2溶解组分）和分离 （CO2和组分的分离）两步组成。
包括高压泵及流体系统、萃取系统 和收集系统三个部分
超临界流体萃取的简单流程
萃
分
取
离
釜
釜
热 交 换 器
CO2
热交换器 压缩机 过滤器 高压泵
超临界流体萃取的工艺流程
流量计
萃
高压泵
取
二 氧
超临界CO2流体的溶解性能
① 亲脂性、低沸点成分可在10MPa以下萃取。 如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧
化合物等，尤其天然植物中的香气成分
② 引入强极性基团（如-OH，-COOH）， 造成萃取困难。
在苯的衍生物范围内，有一个羰基和 三个以上羟基的化合物是不能被萃取的
超临界CO2流体的溶解性能
③ 更强的极性物质，如糖类、氨基酸类 在40Mpa以下是不能被萃取的。
冷箱
夹 带
釜
化 碳
贮
剂 罐
气
瓶罐
高压泵
分
解
解
析
析
离
釜
釜
柱
流程简介
•将萃取原料装入萃取釜。采用二氧化碳为超临界溶剂。二氧化碳 气体经热交换器冷凝成液体，用加压泵把压力提升到工艺过程所 需的压力(应高于二氧化碳的临界压力)，同时调节温度，使其成 为超临界二氧化碳流体。二氧化碳流体作为溶剂从萃取釜底部进 入，与被萃取物料充分接触，选择性溶解出所需的化学成分。含 溶解萃取物的高压二氧化碳流体经节流阀降压到低于二氧化碳临 界压力以下进入分离釜(又称解析釜)，由于二氧化碳溶解度急剧 下降而析出溶质，自动分离成溶质和二氧化碳气体二部分，前者 为过程产品，定期从分离釜底部放出，后者为循环二氧化碳气体 ，经过热交换器冷凝成二氧化碳液体再循环使用。整个分离过程 是利用二氧化碳流体在超临界状态下对有机物有特异增加的溶解 度，而低于临界状态下对有机物基本不溶解的特性，将二氧化碳 流体不断在萃取釜和分离釜间循环，从而有效地将需要分离提取 的组分从原料中分离出来。
超临界CO2萃取的影响因素
1.萃取压力 在临界
压力附近， 压力的微小 提高会引起 密度的急剧 增大，而密 度增加引起 溶解度提高。
萃取压力的设置
对于碳氢化合物、酯等弱极性物质，萃 取压力一般为7～10MPa；对于含 -OH， -COOH强极性基因的物质，萃取压力一 般20MPa；对于强极性的配糖体以及氨基 酸类物质，萃取压力要求50MPa以上。
④ 化合物的相对分子量越高，越难萃取。
分子量在200～400范围内的组分容易萃 取，有些低相对分子质量、易挥发成分甚 至可以直接用二氧化碳液体提取；高分子 量物质（如树胶、蜡等）则很难萃取。
超临界CO2是非极性溶剂，在许 多方面类似于己烷，对非极性的脂 溶性成分有较好的溶解能力，对有 一定极性的物质（如黄酮、生物碱 等）的溶解性就较差。其对成分的 溶解能力差别很大，主要与成分的 极性有关，其次与沸点、分子量也 有关。
完全无溶剂残留，洁净
存在重金属
无重金属
溶剂的溶解能力为定值
溶解力随温度和压力变化
可能使用高温，导致热敏物质分解 通常在较低温度下，不分解
存在无机盐被萃取的问题
无无机盐残留
溶剂选择性差
选择性好
需要额外的操作单元来脱除溶解
在线分离，有效物质收率高
总结：二氧化碳作为萃取剂的优点
✓CO2临界温度和压力都较低，易于工业化。 ✓ CO2不可燃、无毒、化学稳定性好、易分离，不
意大利Fedgari公司超临界CO2萃取装置
第二部分 临界和超临界简介
物质有三种状态： 气态、液态、固态 流体状态
物质的第四态：超临界状态
临界温度：每种物质都有一个特定 温度，在这个温度以上，无论怎样 增大压强，即使密度与液态接近， 气态物质也不会液化。这个温度称 为物质的临界温度。
临界压力：与临界温度相对应的压 力称为临界压力。
EPA(二十碳五烯酸)是有五个双键的多元
不饱和脂肪酸（C20H30O2）
DHA(二十二碳六烯酸)是有六个双键的多元
不饱和脂肪酸（C22H32O2）
山西省洪洞飞马集团公司（原洪洞县洗煤厂）
与中国科学院山西煤炭化学研究所合作，于1998年
投资4000万元，引进意大利Fedgari公司超
临界CO2萃取装置，制备DHA和EPA等生物活性物质
会产生副反应并且廉价易得。 ✓ CO2来源于化工副产物，应用过程中易于回收，
能够减少温室气体的排放。 ✓ 超临界CO2的溶解能力可通过流体的压力来调节。 ✓ 超临界CO2处理后的产物易纯化、无溶剂残留。 ✓ 超临界CO2对高聚物有很强的溶胀和扩散能力。 ✓ 超临界CO2对含氟和硅聚合物具有优良的溶解性。
萃 取 物 收 率 /%
3、萃取时间
5 4 3 2 1 0
0 60 120 180 240 300 360 420
时间/min
4. CO2流量
① CO2流速提高，增加溶剂 对原料的萃取次数，强化萃 取过程的传质效果，可缩短 萃取时间； ② CO2流速加快，CO2与被 萃取物接触时间减少，溶质 含量降低。