超临界萃取技术、分子蒸馏技术在中草药领域中的应用

超临界二氧化碳萃取技术在中草药提取分离中的应用广州中医药大学新药开发研究中心苏子仁研究员实验室：药科楼A104办公室:药科楼A405Tel:[phone]E-mail:[e-mail]超临界流体超临界流体SupercriticalFluid,SCF物质的四种状态：随着它的温度和压力而改变固态：液态：气态：超临界状态：处于临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上，以流体形式存在的物质1．超临界流体的特性(1)物质的临界点我们知道，某些纯物质具有三相点和临界点。纯物质的相图见图20-s1由三相图看出：物质在三相点下，气、液、固三态处于平衡状态。而在物质的超临界温度下，其气相和液相具有相同的密度。当处于临界温度以上，则不管施加多大压力，气体也不会液化。在临界温度和临界压力以上，物质是以超临界流体状态存在。即在超临界状态下，随温度、压力的升降，流体的密度会变化。此时的物质既不是气体也不是液体，却始终保持为流体。临界温度通常高于物质的沸点和三相点。（2）超临界流体的特性超临界流体具有对于分离极其有利的物理性质。它们的这些性质恰好介于气体和液体之间。超临界流体的扩散系数和粘度接近于气体，因此溶质的传质阻力小，可以获得快速高效分离。另一方面，其密度与液体类似，这样就便于在较低温度下分离和分析热不稳定性、相对分子质量大的物质。另外，超临界流体的物理性质和化学性质，如扩散、粘度和溶剂力等，都是密度的函数。因此，只要改变流体的密度，就可以改变流体的性质，从类似气体到类似液体，无需通过气液平衡曲线。超临界流体色谱中的程序升密度相当于气相色谱中程序升温度和液相色谱中的梯度淋洗。通常作为超临界流体色谱流动相的一些物质，其物理性质列在表中.超临界流体的许多物理化学性质介于气体和液体之间，并具有两者的优点，如具有与液体相近的溶解能力和传热系数，具有与气体相近的黏度系数和扩散系数。同时它也具有区别于气态和液态的明显特点：（1）可以得到处于气态和液态之间的任一密度；（2）在临界点附近，压力的微小变化可导致密度的巨大变化。超临界流体的应用化学物质的分离天然产物的萃取化学反应的介质色谱分析的流动相超临界流体萃取（SupercriticalFluidExtraction，SFE）超临界流体萃取（SupercriticalFluidExtraction，SFE）是一项新型提取技术，它是利用超临界条件下的气体作萃取剂，从液体或固体中萃取出某些成分并进行分离的技术。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。液态气态固态升华线熔融线临界点超临界状态区域温度压力超临界流体及固、液、气状态示意图CO2的临界温度（Tc）和临界压力（Pc）分别为31.05℃和7.38MPa超临界流体萃取剂的临界特性密度类似液体；黏度接近气体；其扩散系数比气体小，但比液体高一个数量级；溶解性与温度、压力相关。超临界萃取剂的临界温度越接近操作温度，则溶解度越大。临界温度相同的萃取剂，与被萃取溶质化学性质越相似，溶解能力越大。因此应该选取与被萃取溶质相近的超临界流体作为萃取剂。超临界流体的选择化学性质稳定，对设备没有腐蚀性，不与萃取物发生反应；临界温度应接近常温或操作温度，不宜太高或太低；操作温度应低于被萃取溶质的分解变质温度；临界压力低，以节省动力费用；对被萃取物的选择性高（容易得到纯产品）；纯度高，溶解性能好，以减少溶剂循还用量；货源充足，价格便宜，如果用于食品和医药工业，还应考虑选择无毒的气体。萃取用超临界流体的选择二氧化碳超临界流体萃取剂的优点临界温度适宜；安全无毒；惰性气体，操作安全，便于储存和运输价廉易得；萃取特性和极性可通过调节萃取压力、温度、及加入夹带剂。超临界二氧化碳流体的溶解性能亲脂性、低沸点的成分易被萃取；强极性基团的引入，不易被萃取；糖类、氨基酸类在40MPa以上才能被萃取；分子量越大越难萃取，MW300以下易被萃取，500以上难萃取。ＳＦＥ－ＣＯ２的基本原理当CO2处于这个临界点以上时，形成超临界CO2流体，是一个优良的溶剂，能将许多物质溶解。超临界CO2流体可以从基体中将物质溶解出来，形成超临界CO2负载相。然后降低压力至临界点以下，超临界CO2流体变成气体，不是溶剂，溶解的物质析出（解析）与CO2分离，从而达到提取分离的目的。CO2加压泵药材超临界流体萃取基本原理示意图储罐药材超临界流体高压二氧化碳气体萃取釜解析釜ＳＦＥ－ＣＯ２的影响因素夹带剂温度压力药材粉碎粉粒度萃取时间二氧化碳流量工艺流程及操作特征超临界流体萃取的工艺流程一般是由萃取（CO2溶解溶质）和分离（CO2和溶质的分离）2步组成。它包括高压泵及流体系统、萃取池系统和收集系统三个部分工作流程药材粉碎装料CO2和溶质萃取釜分离釜CO2溶质以液相析出产品CO2原料储罐冷冻加压超临界流体相加温CO2流向物料流向超临界CO2流体萃取技术的优越性萃取能力强，提取率高；可以有选择地进行提取；提取温度低，适合热敏性、易氧化成分的提取；提取时间快、生产周期短；工艺稳定；有利于中药现代新药的研制；环保。超临界流体萃取技术应用萃取（溶解萃取有效成分）；去除（有害物质，不纯物）；脱除溶剂（脱溶剂、脱黏合剂）；分馏（ＭＷ分布窄的制品）；催化反应（酶反应，非均相催化反应等）；超临界流体萃取技术应用调整（酶活性的调整，杀菌等）；介质（微粒，薄膜制造等）；添加剂（不溶解领域的增大溶解等）；分析（超临界色谱）；其它（装备，设备，工艺应用）。ＳＦＥ－ＣＯ２在食品工业应用酵母、菌体产物的萃取动植物油萃取食品脱脂；奶脂脱胆固醇咖啡、茶叶脱咖啡；啤酒花萃取植物色素的萃取香辛料萃取含醇饮料软化，香烟除尼古丁脱色、脱臭，灭菌。ＳＦＥ-ＣＯ２在能源工业应用煤中有效成分的萃取（烃焦油、杂酚油）煤液化油的萃取与脱灰。石油渣油的脱沥青、重金属的去除原油重质油的软化原油的三次回收醇的浓缩脱水ＳＦＥ-ＣＯ２在化妆品及香料工业应用天然香料的萃取促成香料的分离与精制化妆品原料萃取与精制。•界面活性剂•脂肪酸酯•甘油单酯等ＳＦＥ-ＣＯ２在医药工业应用酶、维生素的精制与回收动植物中有效成分的萃取化学原料药的浓缩、精制、脱溶剂脂质混合物的分离与精制中药ＳＦＥ-ＣＯ２萃取强亲脂性成分亲脂性成分较大极性成分中药有效成分或中间原料的提取青蒿素的提取贯叶连翘提取物中药化学成分的研究红豆杉中紫杉烷类化学成分的研究姜黄油化学成分的研究及姜黄油提取名优中成药生产工艺改革复方丹参制剂中丹参提取的工艺改革大蒜注射液的工艺改革柴胡注射液的工艺改革穿心莲片的工艺改革单方中药新药的研究与开发蛇床子超临界CO2提取有效部位新药研究苦参总碱的超临界CO2提取及苦参总碱注射液二类新药的研究新复方中药超临界提取及新药研究复方雪莲栓剂二类新药的研究复方香薷三类新药的研究ＳＦＥ-ＣＯ２应用实例ＳＦＥ-ＣＯ２萃取当归挥发油萃取工艺：称取一定重量的粉碎后的益智仁装入萃取器中,系统开始升温至各处要求的温度,然后启动加压泵,将达到临界状态的CO2送入萃取器,超临界状态的CO2在与物料连续接触的过程中,有效成分被萃取到临界液体中,通过等温降压或降温降压进入分离器,由于此处的CO2流体已不再是超临界状态,且携带物料的能力下降,萃取物在分离器中与CO2分开.萃取物从分离器下部取出,而CO2再经缓冲器进入CO2贮罐,可循环使用。萃取器和分离器的温度由夹套水温控制。结果分析：结果分析：结果分析：结果分析：ＳＦＥ-ＣＯ２萃取当归挥发油粗粉：２０目萃取压力：15ＭＰa萃取温度：40℃CO2流量：22L/h解析压力：5.5ＭＰa解析温度：40℃项目SFE-CO2水蒸汽蒸馏95%乙醇提取当归600kg4800元600kg4800元600kg4800元CO2＼乙醇300kg450元02400kg12000元电＼蒸汽1200元2000元2000元工资与设备1500元1200元1300元总成本7210元8000元20100元总产物9.35kg油0.6kg油90kg浸膏单位成本800元/kg油13000元/kg油200元/kg浸膏性状红棕色澄清油红棕色油棕褐色稠膏耗时４小时１２小时２０小时杂质少少多大黄丹参厚朴连翘乌药苍术肉桂乳香当归木香青蒿没药白芷香附辛夷益智独活姜黄野菊花川芎干姜丁香防风高良姜花椒羌活降香蛇床子紫草牡丹皮旱芹中药SFE-CO2实例超临界流体技术展望分离技术化学反应设备研发分子蒸馏技术在中草药提取分离中的应用概述分子蒸馏(moleculardistillation)是一种特殊的、非平衡的、液-液分离技术,是在高真空度条件下进行非平衡分离操作的连续蒸馏过程。特别适合于分离低挥发度、高沸点、热敏性和具有生物活性的物料。分子的特性及其分离的基本原理分子运动自由程的含义λ＝√∏2kTd2p分子运动自由程公式温度、压力及分子有效直径是影响分子平均运动自由程的主要因素。分子运动自由程的含义当压力一定时,物质的分子运动平均自由程随空间温度增加而增大;当温度一定时,平均自由程L与空间压力P成反比,真空度越高(空间压力越小)L越大,分子之间碰撞几率越小。分子蒸馏的分离作用正是依据分子平均自由程不同这一性质来实现的。分子蒸馏的基本原理实现分子蒸馏分离的要求（1）轻、重分子的平均自由程必须要有差异，且差异越大越好；（2）蒸发面与冷凝面间距必须小于轻分子的平均自由程。分子蒸馏的四个过程(1)物料分子从液相主体向蒸发表面扩散,在这里液相中的扩散速度是控制分子蒸馏速度的主要因素;(2)物料分子在液层上自由蒸发速度随温度升高而增大,但是,分离因素却随温度升高而降低;分子蒸馏的四个过程(3)分子从蒸发面向冷凝面飞射。在飞射过程中可能与残存的空气分子碰撞,也有可能相互碰撞,但是,只要真空度合适,使蒸发分子的平均自由程大于或等于蒸发面与冷凝面之间的距离即可,过分提高真空度在工程上是毫无必要的;(4)轻分子在冷凝面上冷凝。如果冷凝面的形状合理而且光滑并迅速转移,则可以认为冷凝是瞬间完成的。分子蒸馏的特点(1)操作温度低,可大大节省能耗；(2)蒸馏压强低,要求在高真空度下操作；(3)受热时间短,降低热敏性物质的热损伤；(4)分离程度及产品收率高。分子蒸馏产品的优势分子蒸馏产品的优势(1)产品品质高；(2)产品能耗小；(3)产品成本低。分子蒸馏装置及操作工艺要点分子蒸馏装置及操作工艺要点分子蒸馏操作工艺要点(1)工作压力；(2)蒸馏温度；(3)进料速度；(4)旋转速度。分子蒸馏技术应用实例肉桂油分子蒸馏技术纯化研究超临界萃取技术和分子蒸馏技术联合应用实例香附油的精制工艺研究工艺研究路线结果：结论：在一定真空度下,经70～110℃分子蒸馏后的挥发油含量均可达50%以上,但馏出物以90℃时为最多,且含量也最高。曾用此方法对香附油中α-香附酮、苍术油中苍术素、藿香油中藿香酮等成分进行富集,均获得理想结果。可以说用分子蒸馏法富集超临界萃取物中某些成分也是一种较为理想的选择。现代提取分离技术对中医药现代化的促进提高原有中草药的质量开发中草药新产品清除中草药中不良物质使中药的生产科学化、现代化