超临界流体萃取技术.ppt

超临界流体萃取技术及应用第三组目录1.超临界流体萃取技术概述2.超临界流体萃取技术的发展史3.超临界流体的概念及性质4.超临界流体萃取的原理及特点5.超临界流体萃取技术的应用6.超临界流体萃取的优缺点7.超临界流体萃取的展望概述超临界流体萃取(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。超临界条件下的气体，也称为超临界流体（SF），是处于临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上，以流体形式存在的物质。通常有二氧化碳（CO2）、氮气（N2）、氧化二氮（N2O）、乙烯（C2H4）、三氟甲烷（CHF3）等超临界流体萃取技术的发展●早在一百多年前超临界状态就被人们注意了，但一直到近30年来，超临界流体作为溶剂用来有选择性的溶解液体或固体混合物中的溶质，作为一种分离技术才得以快速发展。●最早用于分离提取的应用可追溯到1879年，JBHannay等发现用超临界的乙醇可溶解金属卤化物，而且压力越高溶解力越强。●1962年超临界二氧二氟甲烷被成功应用于从血液中分离铁卟啉。超临界流体萃取技术的发展●1966年开始用超临界CO2和超临界正戊烷来萃取多环芳烃、染料和环氧树脂等。●1978年超临界流体技术被应用于从聚合物中提取各类添加剂。●20世纪80年代，超临界流体的溶解能力及高扩散的性能逐步得到认可，于是被作为一种优良的萃取溶剂用于萃取过程。●现在随着人们环保意识的增强，而超临界流体正是“绿色化学”倡导的清洁溶剂，正逐渐取代一些实验室里常用的高毒、高污染的有机溶剂。超临界流体的概念及性质什么是超临界流体(SCF)？就一般物质而言，根据温度和压力的不同，呈现出液体、气体、固体等状态变化，如果提高温度和压力，那么就会发现当达到特定的温度、压力，会出现液体于气体界面消失的现象，该点被称之为临界点。然而，当温度及压力均处于临界点以上的液体成为超临界流体（SupercriticalFluid）。性质介于液体和气体之间，既具有和液体相近的密度，又具有良好的扩散系数，其粘度高于气体但明显低于液体。超临界流体的溶剂化能力于液体相近，超临界流体分子之间以及其于目标分析物分子之间的相互作用较强，可保持高流速，使得目标分析物易于溶于超临界流体。超临界流体的扩散性和粘度则接近气体，目标分析物在超临界流体中可以获得很高的传质速率。同时其也较容易透入基体，大大提高了萃取的效率。及超临界流体萃取技术的原理及特点原理：超临界流体萃取技术（SFE）是利用超临界流体的溶解能力与其密度的密切关系，通过改变压力或温度使超临界流体的密度大幅改变。在超临界状态下，将超临界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、沸点高低和相对分子质量大小不同的成分萃取分离出来。特点与一般液体相比,SFE的萃取速率和范围更为扩大,具有以下特点。(1)通过调节温度和压力可提取纯度较高的有效成分或脱出有害成分。(2)选择适宜的溶剂(如CO2),可在较低温度或无氧环境下操作,分离、精制热敏性物质和易氧化物质。(3)SFE具有良好的渗透性和溶解性,能从固体或黏稠的原料中快速提取有效成分。(4)通过降低超临界流体的密度,容易使溶剂从产品中分离,无溶剂污染,且回收溶剂无相变过程，能耗低。(5)兼有萃取和蒸馏的双重功效,可用于有相物的分离和精制。影响超临界流体萃取的因素压力的影响根据萃取压力的变化,可将SCF分为3类:①高压时,SCF的溶解能力强,可最大限度地溶解所有成分;②低压临界区仅能提取易溶解的成分或除去有害成分;③中压区的选择萃取在高低压之间,可根据物料萃取的要求选择适宜的压力进行有效萃取。温度的影响温度对萃取效果的影响较为复杂。例如,对于CO2在临界点附近的低压区,升高温度虽然可提高分离组分的挥发度和扩散能力,但不足以补充超临界CO2的密度随温度升高而急剧下降所导致溶解能力的下降。如在压力10MPa下,CO2由37℃升温到61℃时,其密度减小1倍,结果导致溶解能力下降。此阶段称为“温度的负效应阶段”;在高压区,超临界CO2的密度大,可压缩性小,此时升高温度时的CO2密度降低较少,但却显著提高了待分离组分的蒸汽压和扩散系数,从而提高了溶质的溶解能力,称为“温度正效应阶段”。对于不同组分,温度效应的范围是不同的。萃取时间和流量的影响SFE中,萃取剂流量一定时,萃取时间越长,收率越高。萃取刚开始时,由于溶剂与溶质未充分接触,收率较低。随着萃取时间的加长,传质达到某种程度,则萃取速率增大,直到达到最大之后,由于待分离组分的减少,传质动力降低而使萃取速率降低。萃取剂的流量大小主要影响萃取时间。一般来说,收率一定时,流量越大,溶剂、溶质间的传热阻力越小,则萃取的速度越大,所需要的萃取时间越短,但萃取回收负荷大。从经济上考虑,应选择适宜的萃取时间和流量超临界流体萃取技术的应用由于超临界流体的众多优势，在进20年来被广泛的应用于生物样品分析、天然产物提纯分析、药物分析、环境样品分析等领域。超临界流体对于处理复杂体系、组分易变的样品有特殊的优势。其主要针对固体样品的萃取方式，包括岩石、泥土、大气颗粒物、生物组织等。被萃取的物质主要有农药、PCBs、PAHs、烃类、酚类等非极性到中等极性的有机物。食品中的应用伴随着人类社会的进步,饮食文化的内涵不断丰富,人们对食品提出了营养性、方便性、功能性等更高的要求,同时还越来越强调其安全性。我国食品工业应用超临界萃取技术已逐步由实验室研究走向产业化,超临界CO2萃取技术采用的萃取剂具有无燃性、无化学反应、无毒、无污染、无致癌性、安全性高、操作工艺简单及省时等优点,因此在食品工业中越来越受到重视。超临界萃取主要在以下几个方面应用广泛。脱降咖啡因咖啡因是一种较强的中枢神经系统兴奋剂,富含于咖啡豆和茶叶中。许多人饮用咖啡或茶时,不喜欢咖啡因含量过高,而且从植物中脱除下的咖啡因可药用,常作为药物中的掺合剂。因此咖啡豆和茶叶脱咖啡因的研究应运而生。脱除咖啡因的传统方法为溶剂萃取法,但这种方法存在产品纯度低、工艺复杂繁琐、提取率低、残留溶剂等缺点。因为超临界CO2对咖啡因的选择性高,同时还有较大的溶解性,无毒、不燃、廉价易得等优点,因此格外受到人们的青睐。超临界CO2法脱除咖啡因的过程大致为:先用机械法清洗鲜咖啡豆,去除灰尘和杂质,然后加蒸汽和水预泡,提高其水分含量,再将其装入萃取器中,不断往萃取器中送入CO2而将咖啡因逐渐萃取出来。啤酒花有效成分的萃取啤酒花是雌性啤酒花成熟时在叶和枝之间生成的籽粒。啤酒花中,对酿酒有用的部分是挥发性油和软树脂中的律草酮。挥发油赋予啤酒特有的香气,而律草酮是造成啤酒苦味的重要物质。早期采用啤酒花直接酿酒,存在于啤酒花中的律草酮只能利用25%左右,后来改进为二氯甲烷或甲酸等有机溶剂萃取法,可使其利用率提高到60%~80%,但萃取物还需进一步提纯和精制。采用超临界CO2萃取技术提取律草酮的萃取率可达95%以上,并能得到安全的高品质、富含啤酒花风味物质的浸提液,因而成为最早实现工业化生产的超临界萃取技术之一。采用超临界CO2萃取时,首先把啤酒花磨成粉末状,使之更易与CO2接触,然后装入萃取器,密封后通入超临界CO2进行萃取。达到萃取要求后,经石流降压,萃出物随CO2一起被送至分离釜,得到黄绿色产品。植物油脂的萃取超临界CO2萃取对植物油脂的应用比较广泛成熟,植物种子富含油脂,传统的提取采用压榨法或溶剂萃取法。用压榨法提取,油脂得率低;用有机溶剂提取时,油脂的收率大大提高,但存在溶剂回收和产品中溶剂残留等问题。目前两种方法都不能有效进行物质成分的选择性萃取。超临界CO2萃取对植物油脂的应用比较广泛和成熟。大量研究表明,超临界CO2萃取得到的油品,油收率高,杂质含量低,色泽浅,并可省去后续的减压蒸馏和脱臭等精制工序。与传统方法相比,提油脂后的残粕仍保留了原样,可以很方便地用于提取蛋白质、掺入食品或用作饲料。因此,超临界CO2萃取技术广泛用于开发那些具有高附加值的保健用油品上,如米糠油、小麦胚芽油、沙棘油和葡萄籽油等,并取得了工业应用成果。色素的分离超临界CO2流体萃取技术还可以分离天然色素,随着合成色素的不安全性日益受到人们的重视,世界各国使用合成色素的种类日趋减少。天然色素不仅使用安全,而且常有一定的营养价值,深受消费者喜爱。超临界流体萃取的优缺点超临界流体萃取技术的优点概括为以下几点：1超临界流体具有比较低的粘度和较高的扩散系数，比液体溶剂更容易穿过多孔性基体，提高了萃取的速率。2温度或压力的改变可以调节超临界流体的溶解能力，因此可以通过对温度和压力的调节得到适当溶解能力的超临界流体，进而建立选择性比较高的萃取方法。3超临界流体提取的分析物可以通过压力的调节来进行分离，省去了传统萃取过程中得样品浓缩过程，节省了时间，避免了挥发性分析物的损失。4超临界流体萃取常用二氧化碳作为超临界流体萃取剂，减少了对环境的污染。5超临界流体萃取技术可以与色谱技术直接进行联用，有利于挥发性有机化合物的定性定量分析。超临界流体萃取技术的不足有以下几点：1超临界流体萃取技术是近几十年来才发展起来的一项高新技术，技术理论不成熟，尤其是还没有公认的萃取过程的热力学模型。2超临界流体萃取的工艺技术要求较高，相关技术人员还有待培养，经验和技术资料都有待积累。3由于萃取过程在高压下进行，所以对设备和整个系统的耐压性要求较高。超临界流体萃取的展望超临界流体与气体和液体相比,可以说兼具后两者的优点而又克服了它们的不足,而且超临界流体萃取操作条件温和,所以超临界流体萃取技术相比其它分离方法优势非常明显。目前,超临界流体萃取技术在各领域应用过程中还有很多问题有待解决,相信通过国内外专家的共同努力,该技术在各领域的应用必将深入,而且会不断拓宽,其在工业生产上的作用也将随之日益凸显。