超临界流体萃取.

第三节超临界流体萃取超临界流体萃取（SupercriticalFluidExtraction,SFE）是利用超临界流体(即其温度和压力略超过或靠近临界温度Tc和临界压力Pc，介于气体和液体之间的流体)作为萃取剂，从固体或液体中萃取出待测组分的分离技术。早在1879年，Hannay就发现了超临界流体的独特溶解现象，1986年，超临界流体萃取开始用于环境分析，1988年，国际上推出了第一台商品化的超临界流体萃取仪器。近年来，超临界流体技术得到了迅速发展，目前超临界流体已不仅仅限于在分离方面，而且已经深入到化学工业、食品工业、医药工业、精细化工及环境工程的各方面。超临界流体萃取具有耗时短、污染小、选择性好、易于与其他分析技术联用（主要是与GC联用）等特点，而且改变超临界流体的压力、温度或在超临界流体中加入某些极性有机溶剂，可以改变萃取的选择性和萃取效率，这一点对基体复杂的环境样品尤为重要。一、超临界流体的性质超临界流体(SupercriticalFluid，SCF)是指处于临界温度(Tc)与临界压力(Pc)以上的流体。1.它既不是气体，也不是液体，而是兼有气体和液体双重性质的流体。超临界流体的密度与液体相近，所以它与溶质分子的作用力很强，像大多数液体一样，很容易溶解其他物质；另一方面，它的粘度较小，接近于气体，因此，传质速度很高，加之表面张力小，渗透性好，很容易渗透到样品中去，并保持较大的流速，可以使萃取过程高效、快速完成。2.在临界区的附近，压力和温度的微小变化，引起流体密度大幅度的变化，而非挥发性溶质在超临界流体中的溶解度大致和流体的密度成正比，超临界流体萃取正是利用了这个特性，来进行分离的。超临界流体萃取supercriticalfluidextraction，也叫气体萃取gasextraction、流体萃取fluidextraction、稠密气体萃取或蒸馏萃取。它是利用超临界流体，即其温度和压力略超过或靠近临界温度（Tc）和临界压力（pc），介于气体和液体之间的流体作为萃取剂，从固体或液体中萃取出某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和提纯的目的。超临界流体萃取法任何一种物质都存在三种相态----气相、液相、固相。三相呈平衡态共存的点叫三相点。液、气两相呈平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力。不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。超临界流体(SCF)是指在临界温度和临界压力以上的流体。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。处于超临界状态时，气液两相性质非常接近，以至于无法分辨，故称之为SCF.超临界流体所谓超临界流体(SCF)即处于临界温度、临界压力以上的流体。在临界温度、压力以上，无论压力多高，流体都不能液化但流体的密度随压力增高而增加。特点：密度接近液体溶解能力强粘度接近气体流动性能好二、影响超临界流体萃取的选择性和萃取效率的因素1.压力压力的改变可引起超临界流体对物质溶解能力的很大变化。利用这种特性，只需改变萃取剂的压力，就可以把样品中的不同组分按它们在流体中溶解度的大小不同，先后萃取分离出来。在低压下溶解度大的物质先被萃取，随压力的增加，难溶物质也逐渐从基体中萃取出来。因此，在程序升压下进行超临界萃取，不但可以萃取不同的组分，而且还可以将不同的组分分离。一般来讲，提高压力可以提高萃取效率。例如，对PAH化合物，在7.5MPa是不能被萃取，在10MPa时，可萃取2～3环的PAH，压力提高到20MPa，则可以萃取到5～6环的PAH。2.温度温度的变化也会改变超临界流体萃取的能力。它体现在影响萃取剂的密度和溶质的蒸气压。在低温区（仍在临界温度以上），温度升高降低流体密度，而溶质的蒸气压增加不多，因此，萃取剂的溶解能力降低，甚至会使溶质从萃取剂中析出；温度进一步升高到高温区时，虽然萃取剂密度进一步降低，但溶质蒸气压迅速增加起了主要作用，因而挥发度提高，萃取率不但不减少反而有增大的趋势。例如用二氧化碳在200℃萃取土壤、降尘、河底泥中的PAH，证实优于50℃的萃取效率。3.极性有机溶剂（夹带剂或改进剂）在超临界流体中加入少量的极性有机溶剂，可以改变它对溶质的溶解能力。通常加入量不超过10％，而且以极性溶剂如甲醇、异丙醇等居多。例如由CO2和乙醇组成的混合溶剂萃取脂肪酸，可以增加溶解度。少量极性有机溶剂的加入，可以使萃取范围扩大到极性较大的化合物。极性溶剂的加入，可能起到了与分析物争夺基体活性点的作用而有利于萃取。但有机溶剂的使用，可能导致以下几个问题：A、可能削弱萃取系统的捕获能力；B、可能导致共萃取物的增加；C、可能干扰检测，如氯代溶剂会影响ECD检测；D、会增加萃取毒性。因此，极性有机溶剂的加入，要全面的分析、考虑。4.超临界流体萃取剂超临界流体萃取剂的选择随萃取对象的不同而不同，作为萃取剂的超临界流体必须具备以下条件：1.萃取剂需具有化学稳定性，对设备没有腐蚀性；2.临界温度不能太低或太高，最好在室温附近或操作温度附近；3.操作温度应低于被萃取溶质的分解温度或变质温度；4.临界压力不能太高，可节约压缩动力费用；5.选择性要好，容易得到高纯度制品；6.溶解度要高，可以减少溶剂的循环量；7.萃取剂要容易获得，价格要便宜。此外，萃取过程的时间及吸收管的温度，也会影响萃取的效率及吸收效率。萃取时间取决于两个因素：A、被萃取组分在超临界流体中的溶解度。溶解度越大，萃取效率越高，速度度也越快，所需萃取时间就短；B、被萃取组分在基体中的传质速率。速率越大，萃取效率就高，萃取速度就快，萃取所需时间就越短。收集器或吸收管的温度影响回收率是因为萃取出的溶质溶解或吸附在吸收管内，会放出吸附或溶解热，因此，降低温度有利于提高收集率。用得最多超临界流体是二氧化碳，这是因为，它不但临界值相对较低（临界温度：31.1℃，临界压力：7.38MPa），而且具有一系列优点：化学性质不活泼，不易与溶质反应、无毒、无嗅、无味，不会造成二次污染；纯度高、价格适中，便于推广应用；沸点低，容易从萃取后的馏分中除去，后处理比较简单；特别不需加热，极适合于萃取热不稳定的化合物。但是，由于二氧化碳的极性极低，只能用于萃取低极性和非极性的化合物。对于极性较大的化合物，通常用氨或氧化亚氮作为超临界流体萃取剂。但是氨很容易与其他物质反应，对设备腐蚀很严重，而氧化亚氮有毒。常用萃取剂»极性萃取剂：乙醇、甲醇、水（难）»非极性萃取剂：二氧化碳（易）超临界二氧化碳临界点：Tc=31.26℃、Pc=7.38MPa优点：缺点：设备投资大–临界条件温和–产品分离简单–无毒、无害–不燃–无腐蚀性–价格便宜SCF-CO2萃取流程SCF-CO2萃取基本工艺流程超临界萃取工艺过程主要由萃取釜和分离釜二部分组成，并适当配合压缩装置和热交换设备所构成。SCF-CO2萃取技术的应用生物活性物质和生物制品的提取SCF-CO2萃取技术主要应用于有害成分成分的脱除、有效成分的提取、食品原料的处理等几个方面。例如：用超临界萃取从咖啡、茶中脱咖啡因；啤酒花萃取；从植物中萃取风味物质；从各种动植物中萃取各种脂肪酸、提取色素；从奶油和鸡蛋中去除胆固醇等。大量饮食咖啡因对人体有害。以往工业上除咖啡豆中咖啡因采用二氯乙烷萃取。缺点有二：其一，残留二氯乙烷影响咖啡品质；其二，二氯乙烷同时将部分有用香味物质（芳香化合物）带走。超临界萃取除咖啡因：浸泡过的咖啡豆直接置于萃取容器中，连续（循环）用超临界CO2萃取（T＝70－900C；p＝16－20MPa）10小时，气体中的咖啡因用水吸收除去，蒸馏可回收咖啡因。经超临界萃取处理后的咖啡豆中咖啡因含量从0.7-3%降低到0.02%。从咖啡豆中除去咖啡因咖啡因超临界萃取流程SCF-CO2渗透力强，能快速渗入细胞内并达到细胞内外压力平衡。此时如突然降压，由于细胞内外压差较大，细胞剧烈膨大而发生胀裂。SCF-CO2的以下一些性质有利于细胞破碎：①在近临界点，SCF-CO2的微小压力变化导致其体积变化很大，其能量变化很大，所以SCF-CO2可破坏较厚的细胞壁，如常见的酵母等。②SCF-CO2对细胞壁中的少量脂类有萃取作用，会破坏细胞壁的化学结构，造成细胞壁在某些位置上的损坏。这种方式破坏的细胞壁碎片较大，使下游分离过程易于进行。③CO2节流膨胀是吸热降温过程，这个性质可防止通常破碎过程的升温而引起的热敏性物质的破坏。SCF-CO2的细胞破壁技术三、超临界流体萃取操作1.超临界流体萃取的装置超临界流体萃取装置一般包括：A、超临界流体发生源，由萃取贮槽、高压泵及其他附属装置组成。其功能是将萃取剂由常温、常压转变为超临界流体。高压泵通常采用注射泵，其最高压力为10MPa至几十兆帕。B、超临界流体萃取部分，包括萃取管及附属装置。C、溶质减压吸附分离部分。由喷口及吸收管组成。2.超临界流体萃取的流程（1）恒压升温流程利用不同温度下物质溶解度的差别进行物质的萃取或反萃。所谓恒压是指在萃取器和分离器中流体的压力基本一致。如附图(a)所示,超临界流体在萃取柱中萃取了产物后，在加热器升温使流体密度减小，溶解度降低。析出的萃取产物从分离器底部排出，而超临界流体以压缩机加压，经换热器冷却至适宜的萃取温度，再去萃取柱循环使用。（2）恒温降压流程利用不同压力下超临界流体萃取能力的不同进行物质的萃取或反萃。所谓恒温是指在萃取器和分离器中流体的温度基本相同。如附图(b)所示,负载超临界流体从萃取柱顶部流出后,在节流阀处膨胀做功,压力和温度均降低,再在加热器中加热至萃取温度。压力降低,溶解度减小,析出的被萃取物从分离器的底部排出,在换热器中超临界流体冷却并冷凝成液体,用高压泵升至所规定的萃取压力,在第二换热器中将流体再次加热至超临界状态及适宜的萃取温度,进入萃取器再次萃取。萃取的流程是，先把样品加入样品管，然后处于超临界态的萃取剂进入样品管，待测物从样品的基体中被萃取至超临界流体中。再通过流量限制出口进入收集器中。萃取出来的溶质及流体，由超临界态喷口减压降温转化为常温常压，此时流体挥发逸出，而溶质吸附在吸收管内多孔填料表面。用合适溶剂淋洗吸收管就可把溶质洗脱收集备用。3.超临界流体的操作方式超临界流体的操作方式可分为动态、静态及循环萃取3种。动态法是超临界流体萃取剂一次性直接通过样品管，使被萃取组分直接从样品中分离出来进入吸收管的方法。特别适合于萃取那些在超临界流体萃取剂中溶解度很大的物质，而且样品基质有很容易被超临界流体渗透的被测样品。静态法是将待萃取的样品“浸泡”在超临界流体内，经过一段时间后，再把含有被萃取溶质的超临界流体送至吸收管。它没有动态法那样快速，但适合于萃取那些与样品基体较难分离或在超临界流体内溶解度不大的物质，样品基体较为致密，超临界流体不易渗透的样品。循环法其本质是动态法和静态法的结合。它首先将超临界流体充满样品萃取管，然后用循环泵使样品萃取管内的超临界流体反复、多次经过管内的样品进行萃取，最后进入吸收管，因此，它比静态法萃取效率高，又能萃取动态法不适用的样品，适用范围广。四、应用1.超临界流体萃取最适合于固体和半固体样品的萃取。水在超临界CO2中有较高的溶解度（约0.3％），除少量液态样品可直接萃取外，大多数液体及气体应首先进行固相吸附或膜预处理，然后再按固态样品方式进行萃取。2.超临界流体特别适合于萃取烃类及非极性脂溶化合物。如醚、酯、酮及其他分子量达300～400道尔顿的化合物。能进行族选择性萃取。3.可萃取金属离子。可将金属离子衍生为金属螯合物后再进行萃取。4.与其他仪器分析方法联用。目前使用最普遍且较成熟的联用技术是与气相色谱联用。5.其他应用。A、SC-CO2几乎可以萃取各种油类，制取低含油量食品时，使SC-CO2从中通过，则含油量可降低到符合食品卫生要求的范围。用SC-CO2脱除尼古丁的香烟,，现在美国大量试销。B、用SCF可从植物中提取有效成分，从长春花中提取长春碱和羟基长春碱(用于治疗急性淋巴细胞性白血病)。