超临界二氧化碳萃取的过程及设备

3.2 超临界流体萃取过程的设计与开发

除了在一些食品提取工业中实现超临界流体萃取的工业化外，其在高附加值产品分离中也展现出新的活力，特别是在制药工业中，其重要性也日显增加。尤其是随着有关毒性物质排放越来越受到严格限制，SCFE的使用范围也会日渐扩大。但是SCFE的使用可行性是与过程的规模、产品的价值、是否需用无毒溶剂的一些因素有关。因此，只有进行周密的设计后，才能定量权衡上面提出的种种因素。一旦得出具有可行性的设计，便会吸引到企业界和研究者的重视和关注。

当前，不仅仅是国外的一些学者和专家作了扼要而实用的综述[1]，而且在国内召开的“超临界流体技术学术及应用研讨会”上有多篇论文专门讨论了SCFE 的工艺与设备设计。早八十年代就出现了SCFE过程设计和开发的报告，近30年间，有关SCFE的设计研究还在不断进展，逐渐完善。有些产品，如真菌脂质的提取，不仅要作SCFE的过程设计，而且还要作其他单元操作，如对液液萃取的设计进行比较，从经济上确定何种过程有优势，从而便于在进一步的投资中作出判断。可以说，目前SCFE已如其他比较成熟的单元操作一样,设计、仿真和优化(design,simulation and optimization)的工作已全面开展，这也从-个侧面表明SCFE的实用性正在受到越来越多的科技工作者的关注。

3.2.1 超临界流体萃取工业装置的开发步骤

图3-16示出了任一扩散分离过程科学开发的流程示意图。在步骤2中确定所涉及物料的特征后，一般情况下，若选用传统的分离单元操作，如蒸馏、液液萃取等，往往是凭设计者的经验来选定，较少采用预设计的方法。在开发过程中直接进行实验研究。但SCFE是新技术，对其了解不多。为了能和其他分离过程作出比较，必须在此前作出预设计或过程仿真、优化，其流程如图3-16所描述。按照科学开发的原则，不管采用何种分离过程，理应先进行仿真，再作实验验证，有利于省时省力。随着计算机的快速发展，图3-16的开发流程，更为开发研究者乐于采用。Lira[2]指出，图3-16中的步骤4和6是决定最终SCFE是否成功的关键。但是没有步骤3和5，更多的优化工作要在实验验证(步骤7)后进行，这就延缓开发进程和花费更多的人力、物力。

图3-16 一个扩散分散过程科学开发的流程示意图

1-要处理（分离）物料的给定；2-物料的表征；3-组分的热力学性质；

4-溶剂或混合溶剂的选择；5a-平衡性质的模型化；5b-传递性质的模型化；

6-过程设计；7-实验验证；

随着工业化的SCFE装置的投产，达到设计规模的正常操作，得出符合要求的产品是工艺、工程、设备、仪表与控制等诸多方面的共同合作和总体水平的体现。要确实保证SCFE装置的可靠性、安全性和操作的合理性和足够的便捷性等，设备也是其中的关键组成部分。在2002年和2004年分别召开的第四届和第五届全国超临界流体技术学术及应用研讨会论文集中都设有“超临界设备”的栏目。也报道了不少我国在研究、开发和制造超临界流体萃取设备的有关看法、经验和成果。下面是几个国内外关于SCFE设备的例子。

3.2.1.1 国外的工业化装置的实例

1978年德国的HAG公司的大型工业化咖啡豆脱咖啡因装置投产后，还有其他的工业化SCFE装置也相继建成。

表3-1 德国和美国的SCFE工业化装置

表3-2 日本的SCFE实用化装置

根据报道，日本已有SCFE工业化装置约20个，过去主要是生产香料和色素等，这和表3-2多数内容基本符合，但最近新的装置主要是向食品和制药行业扩展，其主要意图是调节、减少有机溶剂在上述行业中的应用，力求符合环保要求。还透露日本已试图用SC-CO2从藻类中提取虾青素(astaxanthin) 的研究。

意大利的学者也十分重视研究和开发超临界流体技术，并在推动其工业化的进程，例如位在Salerno的Essences香精厂，用SCFE和分级分离生产精油，用4×300L的萃取釜，后面有4级分离，后面的三个分离器用的是专利技术旋流式分离器（cyclonic separation vessel)。

到目前为止，SCFE应该还是一种化工的新技术，用的又是高压技术和设备。从事此项技术的研究和开发人员以及企业界人士对其工业化过程的成果是十分关注的，但是有关SCFE工业化的资料很少，不易收集。但只能介绍一些已见诸于期刊，专利中的信息，再做些分析。

Maxwell House咖啡的工业化是以Katz等的专利为根据的。图3-17示出了用该专利提出生产约50000t/y脱除咖啡因的咖啡豆的萃取塔。在萃取塔的顶部和底部分别安装了带闭锁装置的布料器（Lock hopper vessels)。SC-C02 不断从6进入，从4排出萃取后的流动相。当固体物料从萃取塔通过出口阀7排出到布料器8中，与此同时带水分的绿咖啡豆从顶部的布料器2通过阀门3进入萃取塔，始终保持萃取塔中的咖啡豆体积不变。且阀门3和7是联动的。一旦出料停止，进料也立即停止，阀门3和7同时关闭，及时把布料器8中的的固体物料排空，又把原料加到布料器2中，做好下一次出料与进料的准备。

图3-17 Maxwell House咖啡脱咖啡因工艺中的萃取塔

1，3，7，9-阀门；2，8-布料塔；

4-萃取后的液体相出口；

5-萃取塔体；6-SC-CO2进口

根据该专利设定，每当进行一个半连续脉冲后，萃取塔体中的全部物料都得到了更新。约15%要萃取的物料有所交替，换言之，因此，已不是完全间歇式的操作，不再需要每次操作都要打开萃取塔，进行出料和进料，这是该专利技术的萃取塔和中小型间歇萃取釜的一个主要不同所在，该萃取塔直径2.13m，塔高21.37m，内部体积约70.8m3，绿咖啡豆的堆积密度为640.8kg/m3。在萃取塔内可装45.368t咖啡豆，每次出料量约为6.81t，若每小时出料一次，若年开工达310日，则每年产量可达约50630t的脱除了咖啡因的咖啡豆。

德国SKW Trosberg 厂从茶叶中脱除茶碱(theophylline) ，茶碱与咖啡因都是黄嘌呤(xanthine)的衍生物，该厂年产约6000t脱除茶碱的茶叶，厂内有三台6.5m3的萃取釜，每个萃取循环加入的茶叶量约910kg。茶的堆积密度约为140kg/m3。采用活性炭吸附茶碱的工艺。

从以上介绍的内容结表和表中列出的萃取釜规模来看，除了Maxwell House，HAG和SKW等厂具有几十立方米以上的萃取塔（釜）以外，其余的规模都比