制药分离工程第四章-超临界流体.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,中药分离工程,中药分离工程,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,固液提取,第一节 超临界流体,什么是超临界,：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。,1822,年，,Cagniard,首次报道物质的临界现象。,1879,年，,Hanny and Hogarth,发现了超临界流体对固体有溶解能力，为超临界流体的应用提供了依据。,1943,年，,Messmore,首次利用压缩气体的溶解力作为分离过程的基础，从此才发展出超临界萃取方法。,1970,年，,Zosel,采用,SC-CO,2,萃取技术从咖啡豆提取咖啡因，从此超临界流体的发展进入一个新阶段。,1992,年，,Desimone,首先报道了,SC-CO,2,为溶剂，超临界聚合反应，得到分子量达,27,万的聚合物,开创了超临界,CO,2,高分子合成的先河。,超临界流体的发展,固液提取,第一节 超临界流体,当流体的温度和压力分别超过其临界温度和临界压力时，则称该状态下的流体为超临界流体,，以,SCF,表示,（,supercritical fluid,）,。,若某种气体的温度处于其临界温度以上，则无论压力多大也不能使其液化，故,超临界流体不同于气体和液体,。,流体,密度,/kg,m,-3,粘度,/Pa,s,扩散系数,/m,2,s,-1,气体,(15,30),0.62,(13),10,-5,(0.10.4),10,-4,超临界,流体,(0.40.9),10,3,(39),10,-5,0.2,10,-7,有机溶剂,(,液态,),(0.61.6),10,3,(0.23),10,-3,(0.22),10,-13,固液提取,第一节 超临界流体,超临界流体与气体和液体的某些性质,固液提取,第一节 超临界流体,(1),超临界流体的密度接近于液体,。由于溶质在溶剂中的溶解度一般与溶剂的密度成正比，因此超临界流体具有与液体溶剂相当的萃取能力。,(2),超临界流体的粘度和扩散系数与气体的相近,，因此超临界流体具有气体的低粘度和高渗透能力，故在萃取过程中的传质能力远大于液体溶剂的传质能力。,超临界流体的四个主要特征：,固液提取,第一节 超临界流体,(3),当流体接近于临界点时，气化热将急剧下降。当流体处于临界点时，可实现气液两相的连续过渡。此时，两相的界面消失，气化热为零。,由于超临界萃取在临界点附近操作，因而有利于传热和节能,。,固液提取,第一节 超临界流体,(4),在临界点附近,流体温度和压力的微小变化将引起流体密度相当大的变化，从而引起流体溶解能力的显著变化,这是超临界萃取工艺的设计基础。,超临界萃取的原理：,利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。,在超临界状态下，超临界流体具有很好的流动性和渗透性，使超临界流体与待分离的物质接触，将成分萃取出来。,借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以在超临界流体萃取过程是由萃取和分离组合而成的。,第二节 超临界萃取原理,固液提取,第二节 超临界萃取原理,1-,萃取釜；,2-,降压阀；,3-,分离釜；,4-,加压泵,固液提取,第三节 超临界萃取的特点,(1),超临界萃取兼有精馏和液液萃取的某些特点,。研究表明，溶质的蒸气压、极性及分子量大小均能影响溶质在超临界流体中的溶解度，组分间的分离程度由组分间的挥发度和分子间的亲和力共同决定。一般情况下，组分是按沸点高低的顺序先后被萃取出来；非极性的超临界,CO,2,流体仅对非极性和弱极性物质具有较高的萃取能力。,固液提取,第三节 超临界萃取的特点,(2),超临界流体的萃取能力取决于流体密度,因而,可方便地通过调节温度和压力来控制,这对保证产品质量的稳定是非常有利的。,(3),萃取剂可循环使用,，其分离与回收方法远比精馏和液液萃取简单，且能耗较低。实际操作中，常采用,等温减压,或,等压升温,的方法，将溶质与萃取剂分离开来。,固液提取,第三节 超临界萃取的特点,(4),超临界流体萃取的操作温度与萃取剂的临界温度有关,。例如，目前最常用的,CO,2,萃取剂的临界温度为,31.1,o,C,，接近于室温，因而特别适合于热敏性组分的提取，且无溶剂残留。,固液提取,第四节 超临界萃取剂,超临界萃取剂可分为,极性,和,非极性,两大类。二氧化碳、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、环已烷、苯、甲苯等均可用作,非极性超临界萃取剂,，甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、氨、水等均可用作,极性超临界萃取剂,。在各种萃取剂中，以,非极性的,CO,2,最为常用,，这是由超临界,CO,2,所具有的特点所决定的。,常用的流体介质,二氧化碳：,临界温度：,31.1,；临界压力：,7.2MPa,临界条件容易达到、化学性质不活泼、无色无味无毒、安全性好、价格便宜、纯度高、容易获得等优点,固液提取,第四节 超临界萃取剂,1.,超临界,CO,2,的特点,CO,2,的临界温度接近于室温,，在此温度附近进行萃取，可使一些挥发度较低而沸点较高的易热解物质在远离其沸点的条件下被萃取出来，从而可防止其氧化和降解。,固液提取,第四节 超临界萃取剂,CO,2,的临界压力,(7.38MPa),属中压范围,在现有的技术水平下,比较容易实现工业化,。,CO,2,具有无毒、无味、无溶剂残留、不燃烧、不腐蚀、价廉易得且易于精制和回收等优点，并具有抗氧化灭菌作用,，这对保证和提高天然产品的质量是极其有利的。,固液提取,第四节 超临界萃取剂,2.,溶质在超临界,CO,2,中的溶解性能,许多非极性和弱极性溶质均能溶于超临界,CO,2,，如碳原子数小于,12,的正烷烃、小于,10,的正构烯烃、小于,6,的低碳醇、小于,10,的低碳脂肪酸均能与超临界,CO,2,以任意比互溶。,固液提取,第四节 超临界萃取剂,高碳化合物在超临界,CO,2,中可部分溶解，且溶解度随碳原子数的增加而下降。,强极性化合物和无机盐难溶于超临界,CO,2,，如乙二醇、多酚、糖、淀粉、氨基酸和蛋白质等几乎不溶于超临界,CO,2,。,相对分子量超过,500,的高分子化合物几乎不溶于超临界,CO,2,。,固液提取,第五节 使用夹带剂的超临界,CO,2,萃取,为提高超临界,CO,2,对溶质的溶解度和选择性，可适量加入另一种合适的极性或非极性溶剂，这种溶剂称为,夹带剂,。加入夹带剂的目的，一是为了提高被分离组分在超临界流体中的溶解度，二是为了提高超临界流体对被分离组分的选择性。,一般地讲，辅助溶剂具有以下几方面作用,:,大大增加被分离组分在气相中的溶解度，例如，气相中含有白分之几的辅助溶剂，使溶质溶解度的增加可与增加数百个大气压的作用相当。,加入与溶质起特定作用的辅助剂，可使溶质的分离因子大大提高。,增加溶质溶解度对温度、压力的敏感程度，使被萃取组分在操作压力不变的情况下，适当提高温度就可使其溶解度大大降低。,辅助溶剂可用作反应物。,能改变溶剂的临界参数。,CO,2,泵,夹带剂泵,SPE,固相萃取,萃取物,测微阀,烘箱,萃取釜,液态,CO,2,Air source,24,/36,固液提取,第六节 超临界萃取流程,按溶质与萃取剂的分离方法不同，超临界流体萃取有,变压萃取,、,变温萃取,和,吸附萃取,三种典型流程，其中以变压萃取流程的应用最为广泛。,固液提取,第六节 超临界萃取流程,1.,变压萃取流程,操作通常在等温下进行,萃取后含溶质的超临界流体经膨胀阀减压后，因溶解度降低而析出溶质。,1-,萃取釜；,2-,节流阀,3-,分离釜；,4-,压缩机,T,1,T,2,p,1,p,2,固液提取,第六节 超临界萃取流程,2.,变温萃取流程,操作在等压下进行，并通过加热升温的方法使溶质与萃取剂分离开来。,5-,加热器；,6-,循环泵；,7-,冷却器,p,1,p,2,；,T,1,T,2,固液提取,第六节 超临界萃取流程,3.,吸附萃取流程,在分离釜中放置适当的吸附剂，利用吸附剂吸附萃取相中的溶质，从而将溶质与萃取剂分离开来。,8-,吸附器,T,1,T,2,p,1,p,2,固液提取,第七节 超临界萃取的影响因素,1.,密度,：溶剂强度与,SCF,的密度有关。温度一定时，密度,(,压力,),增加，可使溶剂强度增加，溶质的溶解度增加。,2.,夹带剂,：适用于,SFE,的大多数溶剂是极性小的溶剂，这有利于选择性的提取，但限制了其对极性较大溶质的应用。因此可在这些,SCF,中加入少量夹带剂（如乙醇等）以改变溶剂的极性。加一定夹带剂的,SFE-CO2,可以创造一般溶剂达不到的萃取条件，大幅度提高收率。,固液提取,第七节 超临界萃取的影响因素,3.,粒度,：溶质从样品颗粒中的扩散，可用,Fick,第二定律加以描述。粒子的大小可影响萃取的收率。一般来说，粒度小有利于,SFE-CO2,萃取。,4.,流体体积,：提取物的分子结构与所需的,SCF,的体积有关。增大流体的体积能提高回收率。,固液提取,1.,萜类和挥发油的提取,萜类化合物是具有广泛生物活性的一类重要的天然药物化学成分。植物中挥发油中多富含单萜和倍半萜化合物。挥发油是一类可随水蒸气蒸馏的油状液体，居有香气或其它特异气味，存在于植物的根，茎等部位，具有广泛的生物活性。,第八节 超临界萃取在制药工业中的应用,固液提取,挥发油的沸点较低，分子量不大，在超临界,CO,2,流体中有良好的溶解性能，多数可用纯,CO,2,直接萃取而得，所需的操作温度一般较低，避免了其中有效成分的破坏或分解，故所得的提取物外观、气味、产率一般都优于传统方法，是一类最适合于超临界,CO,2,提取的成分。,第八节 超临界萃取在制药工业中的应用,固液提取,2.,黄酮类及醌类化合物的提取,黄酮类化合物是指基本母核为,2,苯基色原酮的一类化合物。大量研究证明黄酮类化合物能够降压、降血脂、抑制血小板聚集，有很大的开发前景。醌类化合物是分子中具有不饱和环二酮结构的一类有机化合物，表现出了抗菌、抗氧化、抗肿瘤等多种生物活性。,第八节 超临界萃取在制药工业中的应用,2,黄酮类化合物的提取,用超临界,CO,2,萃取银杏叶，得深黄色膏状提取物，鉴定出,15,种成分，主要为,酚类,和,酸类,化合物。而极性较大的黄酮类化合物含量较低。,超临界流体萃取银杏叶有效成分,银杏黄酮,和,内酯,，流程短，萃取分离一步完成，得率高，有效成分的质量高于国际现行公认的质量标准。,超临界,CO,2,提取银杏叶中,黄酮类,化合物，得到黄绿色精提物，得率为,4.1,，黄酮为,35,以上，回收率为,87,。,3,.,生物碱的提取,生物碱为中草药中重要的有效成分，但往往在植物体内以盐的形式存在，仅有少数碱性极弱的生物碱以游离态存在。,传统提取方法除极少数具挥发性的生物碱可用,水蒸气蒸馏,法,提取外，一般用,溶剂法,、,酸水提取法,等。,根据超临界,CO,2,的原理，用超临界,CO,2,流体很难萃取出以盐或苷形式存在的生物碱。有两个办法：,对于游离生物碱，使其极性降低,使用夹带剂，增强萃取能力。,尽管这样提取生物碱不十分有效且应用不广泛，但有一点可以肯定，就是超临界,CO,2,流体萃取可大大减少酸或碱的用量，其提取效率也较高。,超临界流体萃取,中草药,成分,温度,/,压力,/MPa,夹带剂,时间,/h,马兰,菘蓝,蓼蓝,靛玉红,100,34.473,氯仿,洋金花,东莨菪碱,40,34.924,马钱子,士的宁,110,47,丙酮,光菇子,秋水仙碱,45,10,76%,乙醇,9,部分,生物碱的,超临界,CO,2,萃取条件,举 例,固液提取,4.,苯丙素类化合物的提取,苯丙素类化合物是一类含有一个或多个,C,6,-C,8,单位的天然成分，包括香豆素、木脂素等，广泛存在于植物中，已在很多领域如医药、食品、化妆品等成为重要的原料，其中许多化合物具有各种生物活性，在医药、生物等领域有广阔的应用前景。,第八节 超临界萃取在制药工业中的应用,固液提取,5.,苷及糖类物质的提取,由于糖及苷类化合物分子量较大，羟基多，极性大，难溶于低极性的溶剂，因此用纯,CO,2,提取的产率较低，加入夹带剂或加大压力则可提高产率。,第八节 超临界萃取在制药工业中的应用,皂苷及多糖的提取,皂苷及多糖的极性较大，用纯超临界,CO,2,无法萃出，应使用夹带剂，必要时可用梯度超临界,CO,2,萃取。,如萃取藏药,雪灵芝,时，用四种方法比较：,传统溶剂法；,不带夹带剂的超临界,CO,2,萃取法；,加不同极性夹带剂；,加不同夹带剂进行梯度萃取,。,此外,还有应用超临界,CO,2,萃取技术提取人参皂苷、黄山药中薯蓣皂苷元的研究。,固液提取,6.,超临界流体萃取技术在中草药除杂及提取物精制中的应用,随着社会的进步，人们越来越关心残留在食品，药物中的有毒物问题，许多国家制定了严格的法规和限量标准用于检测食品，药物中的农药残留，有害金属或其它有毒化合物。超临界流体萃取除了用于天然产物有效成分的提取外，还可用于有毒、有害成分的去除以及农药、有害溶剂残留、有毒金属残留的去除。,第八节 超临界萃取在制药工业中的应用,固液提取,研究表明,SFE-CO,2,对非极性或低极性的农残,如有机氯农药,有较高溶解度。而对中等极性的有机磷农药及其它强极性的农药,其在,CO,2,的溶解度一般较低,需用夹带剂来回收极性农残。,Quan,等人用,SFE,除去高丽参中的有机氯杀虫剂,与索氏提取法相比,更快,更高效。,Kim.DH,等人将,SFE,用于花粉中有机磷农药残留的测定，与有机溶剂萃取法相比，超临界流体萃取法可简化样品预处理，加快样品的测定速度。,第八节 超临界萃取在制药工业中的应用,超临界萃取的应用实例,超临界萃取在石油残渣中油品的回收、咖啡豆中脱除咖啡因、啤酒花中有效成分的提取等过程中已成功地应用于大规模生产。,超临界,CO,2,分离提取天然产物中的有效成分,超临界,CO,2,萃取操作温度较低，能避免天然产物中有效成分的分解。可用于,咖,啡,豆,水洗塔,精馏塔,CO,2,+,咖啡因,咖啡因,CO,2,(90,o,C,1622MPa),脱气罐,水,咖啡豆中脱除咖啡因,名贵香花中提取精油,啤酒花及胡椒等物料中提取香味成分或香精,大豆中提取豆油等,超临界萃取的应用实例,许多反应产物中有效成分的浓度很低，用精馏或蒸发进行浓缩的能耗很大。用超临界,CO,2,萃取可将有机物从水相转入,CO,2,相，以达到节能的目的。,超临界萃取在生化工程中的应用,稀水溶液中有机物的分离,用超临界,CO,2,萃取氨基酸、去除链霉素生产中的甲醇等有机溶剂以及从单细胞蛋白游离物中提取脂类等。,活性炭的再生,用超临界,CO,2,萃取法可解决传统的高温再生或化学再生中存在的高费用、吸附剂损失以及二次污染等问题。,补充,CO,2,再,生,器,再,生,器,压缩机,吸附质,换热器,固液提取,目前，超临界萃取技术已成为实现中药现代化的关键技术之一。从中药现代化的角度，今后的研究方向主要有以下四个方面。,第九节 今后的主要研究方向,固液提取,1.,超临界萃取的工艺研究,目前有关超临界萃取技术在中药提取中的应用主要局限于单味中药有效成分的提取，这显然与传统中药以复方为主的事实极不相称。因此，加强中药复方超临界提取工艺的研究将是今后有待解决的重要课题。此外，将超临界流体技术与结晶、超细粉碎等过程结合起来用于中药新剂型的开发，以推动中药制剂的现代化，也是今后的一个重点研究方向。,第九节 今后的主要研究方向,固液提取,2.,超临界萃取过程的强化研究,就机理而言，超临界萃取过程是一类传质分离过程。因此，一些传统分离技术的某些强化措施有可能用于超临界萃取过程。例如，一些研究者通过超声波来强化超临界萃取过程取得了一定的进展。目前，有关超临界萃取过程的强化研究少有报道，这方面尚有许多工作要做。,第九节 今后的主要研究方向,固液提取,3.,超临界萃取过程的基础理论研究。,迄今为止，有关超临界萃取过程的热力学及传质理论研究还很不充分，其主要原因是高压条件下实验数据的测定较为困难。因此，应对现有的实验测试技术进行改进，以丰富和完善各种中药体系在超临界条件下的相平衡及传热、传质数据，并建立描述超临界萃取过程的热力学和动力学模型，从而为超临界萃取过程的设计和优化提供理论依据。,第九节 今后的主要研究方向,固液提取,4.,超临界萃取过程的工程化研究,虽然有关超临界萃取技术用于中草药有效成分提取的报道很多，但其中能够实现工业规模生产的仅是少数。超临界萃取装置属高压设备，其工程化面临着基础研究薄弱，以及设备压力高、投资大等问题。因此，加强超临界萃取过程的放大研究及其配套设备的开发，以推动超临界萃取过程的工程化，也是今后的一个重点研究方向。,第九节 今后的主要研究方向,思考题,P275,：,4-3,，,4-5,，,4-11,，,4-12,1.,什么是超临界流体？超临界流体萃取技术有何特点？,2.,简述超临界,CO,2,萃取的基本原理？,