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超临界流体萃取技术的原理和应用
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发布者：acr 发布时间：2009-9-1 阅读：97次

中药产品现代化的重点可简单地用8个字来描述，即"有效、量小、安全、可控"。实际上，它涉及范围十分广泛，要解决的问题比较复杂，但首先最关键的问题就是要提取分离工艺、制剂工艺现代化，质量控制标准化、规范化。
     超临界流体萃取技术（SFE）是目前国际上较新的提取分离技术、采用SFE对中药进行提取分离纯化，对实现中药现代化具有重要意义。
超临界流体萃取是国际上最先进的物理萃取技术。在较低温度下，不断增加气体的压力时，气体会转化成液体，当温度增高时，液体的体积增大，对于某一特定的物质而言总存在一个临界温度（Tc）和临界压力（Pc），高于临界温度和临界压力后，物质不会成为液体或气体，这一点就是临界点。再临界点以上的范围内，物质状态处于气体和液体之间，这个范围之内的流体成为超临界流体（SF）。超临界流体具有类似气体的较强穿透力和类似于液体的较大密度和溶解度，具有良好的溶剂特性，可作为溶剂进行萃取。分离单体。

1、超临界流体的性质
     超临界流体（Supercritical Fluid,SF）是处于临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上，介于气体和液体之间的流体。超临界流体具有气体和液体的双重特性。SF的密度和液体相近，粘度与气体相近，但扩散系数约比液体大100倍。由于溶解过程包含分子间的相互作用和扩散作用，因而SF对许多物质有很强的溶解能力。超临界流体对物质进行溶解和分离的过程就叫超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction,简称SFE）。可作为SF的物质很多，如二氧化碳、一氧化亚氮、六氟花硫、乙烷、庚烷、氨、等，其中多选用CO2（临界温度接近室温，且无色、无毒、无味、不易然、化学惰性、价廉、易制成高纯度气体）。
2、CO2-SF的溶解作用
其基本原理为：CO2的临界温度（Tc）和临界压力（Pc）分别为31.05℃和7.38MPa，当处于这个临界点以上时，此时的CO2同时具有气体和液体双重特性。它既近似于气体，粘度与气体相近；又近似于液体，密度与液体相近，但其扩散系数却比液体大得多。是一个优良的溶剂，能通过分子间的相互作用和扩散作用将许多物质溶解。同时，在稍高于临界点的区域内，压力稍有变化，即引起其密度的很大变化，从而引起溶解度的较大变化。因此，超临界CO2可以从基体中将物质溶解出来，形成超临界CO2负载相，然后降低载气的压力或升高温度，超临界CO2的溶解度降低，这些物质就沉淀出来（解析）与CO2分离，从而达到提取分离的目的。
3、夹带剂：在超临界状态下，CO2具有选择性溶解。SFE-CO2对低分子、低极性、亲脂性、低沸点的成分如挥发油、烃、酯、内酯、醚，环氧化合物等表现出优异的溶解性，像天然植物与果实的香气成分。对具有极性集团(-OH，-COOH等)的化合物，极性集团愈多，就愈难萃取，故多元醇，多元酸及多羟基的芳香物质均难溶于超临界二氧化碳。对于分子量高的化合物，分子量越高，越难萃取，分子量超过500的高分子化合物也几乎不溶。而对于分子量较大和极性集团较多的中草药的有效成分的萃取，就需向有效成分和超临界二氧化碳组成的二元体系中加入第三组分，来改变原来有效成分的溶解度，在超临界液体萃取的研究中，通常将具有改变溶质溶解度的第三组分称为夹带剂(也有许多文献称夹带剂为亚临界组分)。一般地说，具有很好溶解性能的溶剂，也往往是很好的夹带剂，如甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯。
4、工艺过程  
 利用 SCF 的溶解能力随温度或压力改变而连续变化的特点，可将 SFE 过程大致分为两类，即等温变压流程和等压变温流程。前者是使萃取相经过等温减压，后者是使萃取相经过等压升（降）温，结果都能使 SCF 有很高的扩散系数，故传质过程很快就到达平衡。此过程维持压力恒定，则温度自然下降，密度必定增加，到状态点 2 ，然后萃取物流进入分离器，进行等温减压分离过程，到状态点 3 ，这时 SCF 的溶解能力减弱，溶质从萃取相中析出， SCF 再进入压缩机进行升温加压，回到状态点 1 ，这样只需要不断补充少量溶剂，过程就可以周而复始。                                                               
CO2-SFE工艺流程示意图
1-     CO2气瓶；2-纯化器；3-冷凝器；4-高压阀；5-加热器；6-萃取器；
7-分离器；8-放油器；9-减压阀；10、11、12-阀门
将需要萃取的摇用植物粉碎，称取约300—700g装入萃取器（6）中，用CO2反复冲洗设备以排除空气。操作时先打开阀（12）及气瓶阀门进气，再启动高压阀（4）升压，当压力升到预定预定压力时再调节减压阀（9），调整好分离器（7）内的分离压力，然后打开放空阀（10）接转子流量计测流量通过调节各个阀门，使萃取压力、分离压力及萃取过程中通过CO2流量均稳定在所需操作条件，半闭阀门（10），打开阀门（11）进行全循环流程操作，萃取过程中从放油阀（8）把萃取液提出。
5、CO2-SFE的特点
用超临界CO2萃取技术进行中药研究开发及产业化，和中药传统方法相比，具有许多独特的优点。
5、1萃取能力强，提取率高。
用超临界CO2提取中药有效成分，在最佳工艺条件下，能将要提取
的成分几乎完全提取，从而大大提高产品收率和资源的利用率。
5、2可以在低温下提取
     超临界CO2临界温度低（35-40℃，操作温度低，能较完好地保存中药有效成分不被破坏，不发生次生化。因此，特别适合那些对热敏感性强、容易氧化分解破坏的成分的提取。
5、3完全没有残留有机溶剂
全过程不使用有机溶剂，所以产品是纯天然的。
5、4超临界CO2还可直接从单方或复方中药中提取不同部位进行药理筛选，开发新药，大大提高新药筛选速度。同时，可以提取许多传统法提不出来的物质，且较易从中药中发现新成分，从而发现新的药理药性，开发新药，进行植物化学的研究，可大大简化提取分离步骤，能提取分离到一些用传统溶剂法得不到的成分，节约大量的有机溶剂。

5、5提取时间快、生产周期短。
超临界CO2提取（动态）循环一开始，分离便开始进行。一般提取10分钟便有成分分离析出，2-4小时左右便可完全提取。同时，它不需浓缩步骤，即使加入夹带剂，也可通过分离功能除去或只是简单浓缩。
5、6超临界CO2提取，操作参数容易控制，因此，有效成分及产品质量稳定。
5、7超临界流体萃取应用于中药质量分析，能客观地反映中药中有效成分的真实含量。
5、8超临界CO2还具有抗氧化、灭菌作用，有利于保证和提高产品质量。
5、9经药理、临床证明，超临界CO2提取中药，不仅工艺上优越，质量稳定且标准容易控制，其药理、临床效果能够保证或更好。
5、10超临界CO2萃取工艺，流程简单，操作方便，节省劳动力和大量有机溶剂，减小三废污染，这无疑为中药现代化提供了一种高新的提取、分离、制备及浓缩新方法。
6、 装置的设计和规模
超临界流体萃取装置设计的总体要求是：1)工作条件下安全可靠，能经受频繁开、关盖(萃取釜)，抗疲劳性能好；2)一般要求一个人操作，在10 min内就能完成萃取釜全膛的开启和关闭一个周期，密封性能好；3)结构简单，便于制造，能长期连续使用(即能三班运转)；4)设置安全联锁装置。高压泵有多种规格可供选择，国产三柱塞高压泵能较好地满足超临界CO2萃取产业化的要求。
　　超临界CO2萃取装置宜以中小型较为实际。大型装置如单釜大于1 000 L规模的就不宜盲目上马。每套装置配置2～3个萃取釜效率会高一些。日本几家拥有超临界CO2萃取装置的公司，其中大部分是中小型装置，只有一家是大于1 000 L容积的。
　日本有关公司超临界CO2萃取装置设置情况
公司名
设备制造厂
萃取釜
萃取对象物
容积
(L)
设计压力
(MPa)
富士香料
伍德公司
(德国)
200×1
300×1
29.4
29.4
香烟用香料
食品用香料
YASUMA
三菱化工机
100×1
34.3
辣椒油树脂
高砂香料
三菱化工机
300×1
34.3
天然香料
长谷川
香　料
伍德公司
(德国)
300×2
34.3
香料、色
素、医药
茂利制油
克虏伯公司
(德国)
500×1
200×1
37.73
29.4
食品香料、色
素、抗氧化剂
住友精化
住友精化
50×2
29.4
精油
武田药
品工业
住友重机
1200×1
—
医药品、脱溶剂
7、 应用概况及前景
自Hanay和Hogarth发现SFE原理以来以近百年了。从50年代开始进入实验阶段，如从石油中脱沥青等。70年代末，SFE技术在食品工业中应用日益广泛，其中从啤酒花中提取酒花精已经形成了生产规模。80年代以来，SFE技术广泛
应用于香精和香辛料风味成分的提取（从玫瑰花、米兰花、菊花等提取天然花香剂；从薄荷、胡椒等提取香辛料；对绿茶、红茶进行全成分提取等）。
从药用植物中提取药效成分，是近五六年开始的（如日本学者宫地洋从干草根、紫草根中提取有效成分）。美国有超临界公司，德国有专利（3133032）CO2-SFE提取设备等.1998年3月底，来自全国及香港20多个单位的60多位专家学者聚集厦门大学，探讨了中药现代化问题，特别超临界流体技术、。东宇集团率先在全国制造完成自动化大型超临界机组，从而实现了超临界机组的远程监控及微机管理，并已在青岛安装完毕。
目前中科院大连化学物理所、北京华工学院、北京中医学院等研究CO2-SFE技术已经成熟。

   根据研究开发实践，认为超临界流体萃取技术应用于中药提取分离及中药现代化，具有较大的潜力和可观前景。SFE应用于中药，结合几个典型的研究开发实例，可将其分为如下几个方面。
     7．1 SFE与中药有效成分或中间原料的提取
     已具备质量标准的单体或有效部位的提取,SFE技术应用于该领域中,较容易进行。
     7．2 SFE与中药化学成分的研究
     这里主要是指超临界CO2萃取分离技术应用于中药有效成分的研究或中药化学成分的系统研究，即植物化学范畴。它是新药研究的基础。用超临界CO2萃取技术进行植物化学的研究，可大大简化提取分离步骤，能提取分离到一些用传统溶剂法得不到的成分，节约大量的有机溶剂。
     7．3 复方中药及新药研究
     中药复方是传统中药的最主要的部分，也是中药与国际接轨难度最大的部分。超临界流体技术被推荐为中药复杂体系中中药产业现代化的新技术之一。中药复方的研究与开发可以应用SFE新技术。
     7．4 SFE技术与中药质量标准
     质量标准是影响中药进入国际市场的又一重要因素。采用先进、准确的分析方法进行中药质量控制有利于中药现代化。分析型超临界CO2流体萃取技术用于药物分析具有省时、样品用量少、条件易于控制、不分解也不污染样品等优点，特别是能从复杂基体中分离、鉴定痕量组分。

8、结论
8．1 超临界CO2萃取新技术完全可用于改造传统中药产业，和传统中药生产工艺比，具有极大优越性和市场潜力。这一领域将是超临界CO2萃取技术的主要方向。
     8．2 超临界萃取技术应用于中药或天然药物要从单纯的进行中间原料的提取转向于兼顾单味、复方中药新药的开发应用或二次开发上。
     8．3 中药化学成分复杂，可分为非极性、中等极性和强极性三部分，对于前二类可以在不加或加入夹带剂下提取。但对强极性化合物如蛋白质、多糖类，曾经认为用超临界CO2提不出来，随着研究的不断深入，用全氟聚醚碳酸铵（PFPE）使CO2与水形成了分散性很好的微乳液，把超临界CO2应用扩展到水溶液体系，已成功用于强极性生物大分子如蛋白质的提取，为超临界CO2提取中药中一类具有特殊活性水溶性成分提供了新方法。这一研究提示，原来认为难以提取的成分只要加强类似的应用基础研究，包括国产设备工作压力提高的研究等还是可以解决的。
     8．4 加强分析型超临界流体萃取或超临界色谱在中药分析中的应用，不断改革传统经典的分析方法。
     8．5 虽然SFE技术在应用过程中面临设备一次性投资较大的问题，但和传统溶剂提取法相比，由于它在生产过程中投资较小，以及具有很多优越性，因此在实现中药现代化和国际接轨的战略行动中将会发挥较大的作用。