超临界CO2萃取除虫菊酯的实验研究

1、第四章 除虫菊酯萃取的工艺研究4.1 超临界CO2萃取除虫菊酯的实验研究4.1.1 实验工艺流程将自然干燥的除虫菊花(已采一年)，粉碎过20目筛（0.84mm），称取100g，置于萃取釜(18)中，CO2流体经过滤器(5)、制冷器(7)，由变频泵(10)加压后进入缓冲釜(13)和加热系统(33)，再从萃取釜底部进入萃取釜，与釜中除虫菊花接触，按要求控制釜内萃取压力和温度。溶解有除虫菊酯的CO2流体由萃取釜顶部流出，经调节阀(21)减压后依次进入一级和二级分离釜，在分离釜内析出除虫菊酯，CO2由分离釜顶部流出，经转子流量计(32)计量后，回制冷器循环使用。稳定萃取4小时后，分离釜内除虫菊酯用正已

2、烷洗涤并定容，用气相色谱仪分析。图(4-1)为实验装置流程简图。图4-1 实验流程装置图Fig.4-1 Flow diagram of experimental device1-carbon dioxide cylinder 2,14,19,24,29-pressure meter 3,9,15,20,25,30-safe valve 4,6,8,11,16,21,26,31-way valve 5-washing vessel 7-cooler 10-frequency conversion pump 12,17,22,27-thermograph 13-buffer vessel 18-e

3、xtractor 23,28-separator 32-rotameter 33-thermostatted water bath 34,35-sampling valve4.1.2 夹带剂的加入方式本实验在相同条件下研究夹带剂水对萃取效果的影响。对于夹带剂的使用有两种方式：一种是直接将夹带剂加入原料中浸渍一段时间后，再通入超临界CO2萃取；另一种是超临界CO2与夹带剂各自经计量泵按比例混合并连续通过装好原料的萃取装置。研究表明，当母体束缚作用是第一位影响时，采用第一种引入方式更有效，因为最初的高浓度极性试剂的浸润利于待萃成分释放；而当待萃物在超临界CO2中的溶解度为主要限制因素时，第二种连续

4、引入方式要比第一种产生更好的萃取效果5。本实验主要是母体束缚作用影响着除虫菊酯的超临界CO2萃取过程，因此，实验采用将夹带剂在萃取前加入粉碎好的一定重量的除虫菊花中，浸渍一段时间后再装入萃取釜中通入超临界CO2萃取。4.1.3 实验设计与实验方法4.1.3.1 实验萃取条件对实验效果影响的研究方法在除虫菊酯萃取工艺研究中本课题主要采用正交试验方法，根据实验及相关资料报道，确定正交表及实验影响因素和水平，考核指标为除虫菊酯浓度C，分别以影响指标的因素变量(温度、压力和CO2流量)设计出L9(34)正交试验表84，详见表(4-1)。表4-1 实验因素和水平Tab.4-1 Factors and l

5、evels of the test水平因素温度/压力/MPa流量/L.h-1123253545813182040604.1.3.2 实验分析方法实验采用与标样谱图相同的色谱柱和分析方法，色谱柱为SE-54，40m0.25mm0.25m,分析方法为：进样温度210，FID检测器温度300，分流比10:1，流量2.5mL.min-1,柱箱80保持2min，然后按每分钟3升温到290。标样为混合物，组分大部分为除虫菊酯，图(4-2)(a)为标样气相色谱图。由于实验仪器和外界条件的不同，使得出峰时间略有偏移，但在相同色谱柱和分析方法下，除虫菊酯各组分的出峰顺序相同。将实验样品的气相色谱图与标样气相色谱

6、图对照，由出峰时间和峰形状来确定样品中除虫菊酯成分。图(4-2)(b)为实验样品气相色谱图。图4-2 除虫菊酯气相色谱图Fig.4-2 Chromatogram of pyrethrins(a) Chromatogram of standard sample (b) Chromatogram of experimental sample4.1.4 实验结果及讨论有、无夹带剂存在的正交试验方案及结果见表(4-2)，表(4-3)为它们的方差分析结果。由方差分析可知，萃取压力和萃取温度对除虫菊酯萃取结果影响高度显著，CO2流量影响显著。各因素对萃取影响的顺序为：萃取压力萃取温度CO2流量。由正交表的

7、综合可比性可得图(4-3)、图(4-4)及图(4-5)各因素对指标影响的趋势图。表4-2 正交试验方案和试验结果Tab.4-2 Program and results of orthogonal experiment 试验号因素除虫菊酯浓度/mg.L-1温度/压力/MPa流量/L.h-1空列无夹带剂 有夹带剂11(25)1(8)1(20)10.04080.0945212(13)2(40)20.14210.1603313(18)3(60)30.11920.131242(35)1230.14040.1646522310.21370.2378623120.28970.326873(45)1320.0

8、7650.0873832130.22830.2497933210.21070.2318表4-3 正交试验方差分析结果Tab.4-3 The results of variance analysis of orthogonal experiment萃取方差来源偏差平方和自由度方差Fa值显著性无夹带剂温度压力CO2流量误差0.0153260.0208210.0059797.93E-0522220.0076630.0104110.0029893.97E-05193.18262.4575.36* * *有夹带剂温度压力CO2流量误差0.0196590.0233920.0076930.000143222

9、20.0098290.0116960.0038477.15E-05137.45163.5553.79* * *a F0.01(2,2)=99.0， F0.05(2,2)=19.04.1.4.1 温度影响在一定压力下，升温一方面增加了物质的扩散系数和被萃取物的饱和蒸汽压，有利于萃取过程；另一方面却因降低了溶剂密度，使物质的溶解度减小，不利于萃取85。从图(4-3)可知,随着温度升高,除虫菊酯浓度也提高,在35时达到最高,以后随着温度继续升高,浓度反而降低,说明对于除虫菊酯萃取,当温度小于35时,温度升高引起的组分挥发性增大和流体的传质速率加快起主导作用；当温度大于35后,温度升高引起的CO2流体

10、密度下降，使得溶解能力降低起主导作用。而除虫菊酯是热敏性物质,温度太高,除虫菊酯易分解。因此，萃取温度取35为宜。且从实验结果可看出，在25温度下也可以萃取出除虫菊酯，因此，工业上在冬天操作时，为了节省能耗和设备投资费用，在低温操作也是可行的。图4-3 温度对除虫菊酯浓度的影响Fig.4-3 The influence of temperature on consistency of pyrethrins (without co-solvent；with co-solvent)4.1.4.2 压力影响由图(4-4)可知,除虫菊酯萃取浓度与萃取压力呈正相关,萃取压力提高,除虫菊酯浓度也随之增高,

11、这是因为随着萃取压力的增大, CO2流体的密度也增大,从而增大了溶剂的萃取能力，使得除虫菊酯溶解度增加；但溶剂溶解能力与压力并非呈正比例线性关系，当萃取压力较低时，二氧化碳的密度比较小，压缩性比较大，除虫菊酯的浓度随萃取压力升高增加的较快。但当萃取压力增加到一定程度时,除虫菊酯浓度增幅就逐渐减小,这是因为随着萃取压力的继续增大,流体密度虽然也增大,但其扩散系数却逐渐变小,导致了传质速率降低,不利于萃取传质过程,故除虫菊酯浓度提高不明显。虽然从结果分析可得，在实验范围内萃取压力以18MPa为优，但从实验结果可知，在无夹带剂作用的萃取过程中操作压力从8MPa提高到13MPa时，除虫菊酯浓度提高了0

12、.0956mg.L-1，然而当操作压力从13MPa提高到18MPa时，除虫菊酯浓度只提高了0.0118mg.L-1,后者仅占前者的12.4，但其所需的高压设备的耐压等级却要较大的提高，设备投资费用也将大幅增加。目前小合成氨厂高压工段设备的耐压等级均在15MPa以上，经过改造可适应除虫菊酯的萃取。因此，从适应除虫菊酯工业化生产和降低设备投入考虑，操作压力为13MPa也是可取的。图4-4 压力对除虫菊酯浓度的影响Fig.4-4 The influence of pressure on consistency of pyrethrins(without co-solvent；with co-solv

13、ent)4 CO2流量影响二氧化碳流量是实际生产中必须重视的一个参数，CO2流量对超临界CO2萃取能力有两方面的影响。首先，由于CO2流量的增加，超临界CO2在萃取釜中的停留时间相应减少，不利于萃取浓度的提高。但是另一方面，随着流量的增加，SCF通过原料床层速度加快，与物料的接触搅拌作用增强，传质推动力和传质面积都相应增大，传质系数增加，从而提高了传质效率，使之能够较快的达到平衡溶解度，提高萃取能力。但对于像除虫菊酯这样溶质溶解度较小或溶质基体中扩散出来的速度很慢的体系来说，采用过大的流量意义不大。因为在这种情况下，溶质的溶解平衡还远没达到，过量的溶剂也会造成溶剂和动力测量的浪费。由图(4-5

14、)可知，随着CO2流量的增加，除虫菊酯平均浓度减小，这是因为除虫菊酯在超临界CO2中的溶解度不大，且主要存在于细胞基质中，受母体的束缚作用，加大CO2流量不能破坏这种束缚作用，却减少了与除虫菊花的传质接触时间，因此，浓度随着流量的增大而降低。但流量也不能过低，否则不利于相间传质。因此，从本实验结果来看，在实验流量范围内，CO2流量取20L.h-1为宜。图4-5 CO2流量对除虫菊酯浓度的影响Fig.4-5 The influence of flow rate of CO2 on consistency of pyrethrins(without co-solvent；with co-solve

15、nt)4 夹带剂影响由图(4-3)、图(4-4)及图(4-5)可看出，夹带剂的存在可以提高除虫菊酯萃取浓度，这主要是因为夹带剂的加入一方面使能促进了溶剂向植物组织内渗透、扩散、溶解的过程，且水对原料的预先浸渍使植物细胞膨胀，减小了内扩散阻力；另一方面增强了溶质与夹带剂分子间的相互作用，有利于萃取进行86。这样水的加入将从一定程度起到克服母体束缚作用和增强超临界CO2极性、提高除虫菊酯在超临界CO2中溶解度的双重作用。但从实验结果看出，水对萃取的强化效果并不是非常明显，因此，还要对夹带剂的种类和用量上进行进一步的研究。4.1.5 小结 实验结果表明，影响超临界CO2萃取除虫菊酯因素的主次顺序为：

16、萃取压力萃取温度CO2流量。在研究范围内优化的萃取条件为：压力(1318)MPa，温度35，CO2流量20L.h-1。由于除虫菊酯萃取可在较低压力下进行，因此可利用现有的小合成氨厂闲置的高压设备，开发除虫菊酯生产，且为了节省能耗和设备投资费用，操作温度可以在常温下进行。通过在原料中加入夹带剂，提高了除虫菊酯的萃取效率。但由实验结果可看出，夹带剂对超临界CO2萃取除虫菊酯萃取的强化效果并不太明显，因此，需要寻求新的途径以增强萃取效果。在超临界CO2萃取除虫菊酯时，由于母体对除虫菊酯的束缚作用，使得在超临界流体中传质速率慢，萃取时间长，萃取效果低，而在高压下用传统的搅拌等方法来强化传质比较困难，而

17、夹带剂也不能完全破坏这种束缚作用。有关研究表明77，用超临界流体萃取固体物料时，使萃取压力处于一种波动状态，造成超临界流体的交替膨胀，迫使被萃取组分从颗粒内部排出，可有效加快萃取速率。因此本课题将超声场引入到超临界流体中，利用超声波在媒质中造成的压力波动以及媒质质点的振动，引起流体的湍动，以使固体表面的传质边界层减薄，并有可能使固体内的微孔扩散得以强化，由此来强化传质过程，加快物质的传递速率。4.2 超声强化超临界CO2萃取除虫菊酯的实验研究4.2.1实验工艺流程将自然干燥的新鲜除虫菊花粉碎后过20目筛（0.84mm），称取100g，将其装入萃取釜(15)内的原料吊筒中，打开CO2钢瓶阀门，使

18、CO2流体流经洗涤釜(5)，过滤其中的杂质和水分。经洗涤后的CO2气体进入制冷器(6)使其冷却至液态，再由高压变频泵(8)加压后进入缓冲釜(11)，同时打开加热系统(34)。再从高压萃取釜底部进入萃取釜，并与萃取釜中的除虫菊花接触，按要求控制釜内萃取压力和萃取温度，当达到所需操作压力和温度后，打开超声波发生器(需超声作用时)，向釜内引入超声波。溶解有除虫菊酯的CO2流体由萃取釜顶部流出，经调节阀(18)减压后进入分离釜(19)中，在分离釜内因溶剂溶解能力下降而析出除虫菊酯。CO2流体由分离釜顶部流出，经缓冲罐(23)后，由转子流量计和湿式气体流量计计量后，回冷却器(38)循环使用。稳定萃取3小

19、时后，分离釜内除虫菊酯用分析纯正已烷多次洗涤干净后定容，采用气相色谱仪分析溶液组分和浓度。图(4-6)为实验流程装置简图。图4-6 带超声波实验流程装置图Fig.4-6 Flow diagram of experimental device with ultrasound1-carbon dioxide cylinder 2,12,16,20-pressure meter 3,9,13,17,21-safe valve 4,7,10,14,18,22,24,26,36-way valve 5-washing vessel 6-cooler 8-frequency conversion pump

20、 11-buffer vessel 15-extractor with ultrasound 19-separator 25-buffer vessel 25-rotameter 27-wet-test meter 28-U-tube pressure gauge 29,30,31,32-thermograph 33-ultrasonic generator 34-thermostatted water bath 35-sampling valve 4.2.2 实验设计方法本实验选用L16(4423)正交表84安排实验，以除虫菊酯浓度C作为考核指标，探讨了操作压力、温度、CO2流量、夹带剂(水

21、)及超声场对除虫菊酯超临界萃取过程的影响。操作压力和温度水平范围参考了无超声作用下的正交试验水平，夹带剂固定用量50mL。试验因素、水平如表(4-4)所示。 表4-4 实验因素和水平表Tab.4-4 Factors and levels of the test水平因 素压力/MPa温度/流量/L.min-1超声夹带剂12348121620303540452468无有无有4.2.3 实验结果及讨论实验结果如表(4-5)所示，表(4-6)为实验结果的方差分析，由方差分析表可知，萃取压力和超声波对除虫菊酯萃取结果影响高度显著，萃取温度与夹带剂对萃取结果影响显著，CO2流体流量影响不显著。各因素对萃取

22、过程影响的顺序为：萃取压力超声波萃取温度夹带剂CO2流体流量。由正交表的综合可比性可得图(4-7)图(4-10)各因素对指标影响的趋势图。表4-5 正交试验方案和试验结果Tab.4-5 Program and results of orthogonal experiment试验号因素除虫菊酯浓度/mg.L-1压力/MPa温度/CO2流量/L.min-1空列超声波夹带剂空列11(8)1(30)1(2)11(无)1(无)10.2013212(35)2(4)212(有)20.2476313(40)3(6)32(有)120.2908414(45)4(8)42210.226152(12)1232210.

23、3079622142120.3192723411220.2994824321110.243793(16)1341220.31061032431110.28261133122210.47391234212120.4021134(20)1422120.32211442312210.44621543241110.37801644131220.3752表4-6 正交试验方差分析结果Tab.4-6 The results of variance analysis of orthogonal experiment方差来源偏差平方和自由度方差F值Fa显著性压力温度CO2流量超声波夹带剂误差0.0512210

24、.0116660.0084190.0126510.0038160.0018733331140.0170740.0038890.0028060.0126510.0038160.00046836.488.315.9927.038.15F0.05(3,4)=6.59 F0.05(1,4)=7.71F0.01(3,4)=16.69F0.01(1,4)=21.2* * *4.2.3.1 压力影响随着压力的增大,超临界CO2流体的密度也增大,使得除虫菊酯溶解度增加；但随着压力继续增大,流体密度虽大,但其扩散系数变小,导致传质速率降低,不利于萃取,故除虫菊酯浓度提高不明显。由图(4-7)可知,除虫菊酯浓度与

25、压力并非呈正比例线性关系，压力较低时，二氧化碳的密度小，压缩性大，提高压力可明显增大溶剂密度，因此除虫菊酯浓度提高比较明显。但随着压力的继续增大，流体密度虽大,但其扩散系数变小,导致传质速率降低,不利于萃取，因此当压力增加到一定程度,除虫菊酯浓度增幅锐减。虽然从结果分析可得，在实验范围内萃取压力以20MPa为优，但从图(4-7)-1-1,后者仅占前者的10.4，高压设备的耐压等级却要较大提高，设备投资将大幅增加。因此，从降低设备投入考虑，操作压力为16MPa也是可取的。图4-7 超声作用下压力对除虫菊酯浓度的影响Fig.4-7 The influence of pressure on cons

26、istency of pyrethrins with ultrasound4 温度影响萃取温度是影响SFE过程的一个重要参数。在一定压力下，升温一方面提高了待分离组分的蒸汽压和扩散系数，降低了流体粘度，使传质系数增加，分子运动加剧，溶质与溶剂缔合机会增多，有利于萃取过程；另一方面却因减小了溶剂分子间距离，降低了溶剂密度，分子间作用力减小，使得物质的溶解度减小，不利于萃取。因此，温度对萃取效果的影响决定于哪一方面的影响起主导作用。从图(4-8)可知,随着温度升高,除虫菊酯浓度也在提高,在40时达到最高,以后随着温度继续升高,浓度反而降低,说明对于除虫菊酯萃取,当温度小于40时,温度升高引起的组分

27、挥发性增大和流体的传质速度加快起主要作用；温度大于40后,温度升高引起的流体密度下降，使得溶解能力降低起主要作用。除虫菊酯是热敏性物质,温度高,除虫菊酯易分解。因此，萃取温度取40为宜。图4-8 超声作用下温度对除虫菊酯浓度的影响Fig.4-8 The influence of temperature on consistency of pyrethrins with ultrasound4 CO2流量影响由图(4-9)可知，随着CO2流量的增加，除虫菊酯平均浓度减小，这是因为CO2流量的加大，减少了流体与除虫菊花的传质接触时间，而且过大的流量也导致能耗增加。但流量也不能过低，否则不利于相间传质。因此，从本实验结果来看，CO2流量取2L.min-1为宜。图4-9 超声作用下CO2流量对除虫菊酯浓度的影响Fig.4-9 The influence of flow rate of CO2 on consistency of pyrethrins with ultrasound4 超声波/夹带剂影响从图(4-10)-1-1,提高了将近20%，表明超声