生物工业下游技术 第五章 超临界萃取

第五章超临界流体萃取

2023/2/61啤酒花模拟麦汁煮沸过程，在1000毫升pH值为5的缓冲水中加人1.5克酒花，煮沸90分钟，产生的水溶液具有抗诱变活性。而波兰《观察家》周刊载文说，波兰医学家认为，用其啤酒花蒸沸15～20分钟制成冲剂，每天饮用两次，每次四分之一杯，可治失眠症、神经衰弱症、月经不调以及消化不良等疾病。另外，用啤酒花泡制成的茶叶有利尿作用，饮用这种茶能辅助治疗肾脏疾病。已经知道酒花有抑制细菌的作用。实际上，日本科学家已经证实，酒花中的蛇麻酮有很高的抗幽门螺旋杆菌的能力。2023/2/622023/2/63啤酒花为多年生草质藤本植物。全株有倒钩刺，茎长约10厘米，中空。叶对生、卵形、有长柄。花序腋生，雄花穗状，具有多数叶状苞片，雌黄10余对，无花被子，果期产生大量黄粉状物。新疆天山、阿尔泰山的山坡林间有大量野生分布，为本品原产地之一。所制啤酒酒液透明度好，有光泽，泡沫细腻洁白，有花香气，味纯柔和，二氧化碳含量丰富。啤酒花是制造啤酒的关键原料，每制造1000升啤酒约需要干啤酒花1.5公斤。2023/2/64啤酒花啤酒花还可用来做面包和治病，药用价值较大，有利尿健胃作用。其松果制剂具有抗癌活性；挥发油对治疗心脏病有较好功效；富有多酚化合物对治疗各类炎症及瓦特金氏病肝感染性损伤有一定作用。巴州是新疆啤酒花主要产地之一。种植面积达520公顷，产量3400多吨。出口的“641”啤酒花香味浓烈，很受欢迎。2023/2/65啤酒花【异名】忽布，香蛇麻，啤瓦古丽(维名)【来源】为桑科植物啤酒花的雌花序。【化学成分】含葎草二烯酮、葎草烯酮-Ⅱ、葎草酮、蛇麻酮、α-考绕咖烯、γ-白菖考烯、9-甲基丁烯-3-醇-2、月桂烯、α-葎草烯、石竹烯等。尚含黄芪甙、异槲皮甙、芸香甙、山柰酚的3-鼠李糖二葡萄糖甙、3-鼠李糖葡萄糖甙和葡萄糖甙、槲皮素的3-鼠李二葡萄糖甙、3-鼠李糖葡萄糖甙和3-葡萄糖甙、五色矢车菊素、无色飞燕草素、鞣质、树脂等。2023/2/662023/2/67第一节超临界的萃取原理

2023/2/68概念将超临界流体作为萃取溶剂的一种萃取技术，兼有传统的蒸馏和液液萃取的特征，应用很广的技术。超临界流体是状态超过气液共存时的最高压力和最高温度下物质特有的点——临界点后的流体。2023/2/69油脂提取物的沸点高而挥发性低，因而在气相中的浓度极低；但在二氧化碳和乙烯等物质的超临界流体溶剂中受到高压后，它们的气相浓度增加了100万倍，甚至增加10亿倍。2023/2/610癸酸(C10H20O2)熔点31℃，沸点269℃冷却至－196℃，用真空泵抽真空，再升温到19.5℃,癸酸的溶解度为3×10-8g/L

（真空溶解物质的能力低）用乙炔(临界温度T=283K,临界压力P=5MPa)作为超临界萃取溶剂,加压至8.2MPa,癸酸的溶解度为7g/L2023/2/611一、超临界流体定义

任何一种物质都存在三种相态-气相、液相、固相。三相成平衡态共存的点叫三相点。液、气两相成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压力。不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。

2023/2/612一、超临界流体定义超临界流体(Supercriticalfluid，SCF)技术中的SCF是指温度和压力均高于临界点的流体,如二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。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，气液两相性质非常相近，以至无法分别，所以称之为SCF。

2023/2/613

这种流体(SCF)兼有气液两重性的特点，它既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力。

相

密度(g/mL)

扩散系数(cm2/s)粘度(g/cm.s)气体(G)10-3

10-1

10-4

超临界流(SCF)0.3～0.910-3～10-4

10-4～10-3

液体(L)110-5

10-2

超临界流体的性质2023/2/614二、超临界流体萃取的基本原理

超临界流体萃取分离过程是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。当气体处于超临界状态时,成为性质介于液体和气体之间的单一相态,具有和液体相近的密度,

粘度虽高于气体但明显低于液体,扩散系数为液体的10～100倍;

因此对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力,能够将物料中某些成分提取出来。2023/2/615二、超临界流体萃取的基本原理在超临界状态，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、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来。并且超临界流体的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加,极性增大,利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。2023/2/616二、超临界流体萃取的基本原理当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取分离两过程合为一体，这就是超临界流体萃取分离的基本原理。2023/2/617第二节超临界CO2的溶剂特征

2023/2/618超临界流体的选择性超临界流体萃取过程能否有效地分离产物或除去杂质，关键是超临界流体萃取中使用的溶剂必须具有良好的选择性。提高溶剂选择性的基本原则是：①操作温度应和超临界流体的临界温度相接近；②超临界流体的化学性质应和待分离溶质的化学性质相接近。若两条原则基本符合，效果就较理想，若符合程度降低，效果就会递减。2023/2/619流体名称分子式临界压力(bar)临界温度(℃)临界密度(g/cm3)二氧化碳CO272.931.20.433水H2O217.6374.20.332氨NH3112.5132.40.235乙烷C2H648.132.20.203乙烯C2H449.79.20.218氧化二氮N2O71.736.50.450丙烷C3H841.996.60.217戊烷C5H1237.5196.60.232丁烷C4H1037.5135.00.2282023/2/620作为超临界流体必须具备的条件萃取剂需具有化学稳定性，对设备没有腐蚀性；临界温度不能太低或太高，最好在室温附近或操作温度附近；操作温度应低于被萃取溶质的分解温度或变质温度；临界压力不能太高，可节约压缩动力费；选择性要好，容易得到高纯度制品；溶解度要高，可以减少溶剂的循环量；萃取溶剂要容易获取，价格要便宜。2023/2/621一、超临界CO2的相图

2023/2/622精馏操作液相萃取和吸收超临界萃取和色谱吸附分离CO2的p－T－ρ图精馏操作液相萃取和吸收超临界萃取和色谱吸附分离2023/2/623在临界点附近，密度线聚集于临界点周围，压力或温度小范围的变化，就会引起CO2密度大幅度变化。CO2溶解、萃取物质的能力与本身的密度成正比，这就可以通过改变压力或温度来改变CO2密度，从而改变对物质的溶解能力。2023/2/624二、萃取溶剂CO2的性质目前研究较多的超临界流体是二氧化碳，因其具有无毒、不燃烧、对大部分物质不反应、价廉等优点，最为常用。在超临界状态下，CO2流体兼有气液两相的双重特点，既具有与气体相当的高扩散系数和低粘度，又具有与液体相近的密度和物质良好的溶解能力。其密度对温度和压力变化十分敏感，且与溶解能力在一定压力范围内成比例，所以可通过控制温度和压力改变物质的溶解度。2023/2/625第三节SC-CO2萃取以及拖带剂的作用

2023/2/6262023/2/627一、SC-CO2萃取

天然产物中通常含有许多不同的化学成分，对同一天然产品用不同方法或不同萃取剂得到的制品，其组分是不同的。2023/2/628二、拖带剂的作用

单一组分的超临界溶剂有较大的局限性，其缺点包括：某些物质在纯超临界流体中溶解度很低，如超临界CO2只能有效地萃取亲脂性物质，对糖、氨基酸等极性物质，在合理的温度与压力下几乎不能萃取；选择性不高，导致分离效果不好；溶质溶解度对温度、压力的变化不够敏感，使溶质与超临界流体分离时耗费的能量增加。2023/2/629在纯流体中加入少量与被萃取物亲和力强的组分，以提高其对被萃取组分的选择性和溶解度，添加的这类物质称为夹带剂，有时也称为改性剂(Modifer)或共溶剂(Cosolvert)。夹带剂的添加量一般不超过临界流体的15％(物质的量比)。除了甲醇外，夹带剂还有水、丙酮、乙醇、苯、甲苯、二氯甲烷、四氯化碳、正已烷和环己烷等。夹带剂的概念也不仅包括通常的液体溶剂。还包括溶解于超临界气体中的固态化合物，如萘也可作为夹带组分。2023/2/6302023/2/631第四节超临界流体萃取的基本过程2023/2/6322023/2/6332023/2/634依靠压力变化的萃取分离法，在一定温度下，使超临界流体和溶质减压，经膨胀后分离，溶质由分离器下部取出，气体经压缩机返回萃取器循环使用。等温法或绝热法2023/2/635等压法依靠温度变化的萃取分离法。经加热、升温使气体和溶质分离，从分离器下部取出萃取物，气体经冷却、压缩后返回萃取器循环使用。2023/2/636吸附法用吸附剂进行的萃取分离法。在分离器中，经萃取出的溶质被吸附剂吸附，气体经压缩后返回萃取器循环使用。2023/2/637压缩机

萃取釜

制冷MVC-760L

二氧化碳循环泵

2023/2/638超临界流体萃取条件的选择萃取流体萃取压力萃取温度改性剂萃取时间萃取条件的优化2023/2/639超临界萃取的技术原理

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，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、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。

2023/2/640第五节超临界萃取技术的应用

2023/2/641超临界流体萃取特点

临界温度低，适用于热敏性化合物的提取和纯化。超临界萃取可以在接近室温(35～40℃)及CO2气体包裹下进行提取，有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散，从而在萃取物中保持着原料的有效成分，把高沸点、低挥发性、易热解的物质在远低于其沸点温度下萃取出来。

2023/2/642使用SFE是最干净的提取方法，由于全过程不用有机溶剂，萃取过程中不发生化学反应，因此萃取物绝无残留的溶剂物质，从而防止了提取过程中对人体有害物的存在和对环境的污染，无溶剂残留，无硝酸盐和重金属离子。2023/2/643CO2是一种不活泼的气体无臭、无毒、不易燃，无味、使用安全，不污染环境，可提供惰环境，避免产物氧化，不影响萃取物的有效成份。CO2气体价格便宜，纯度高，容易制取，且在生产中可以重复循环使用，从而有效地降低了成本。2023/2/644

萃取速度快，萃取和分离合二为一，当饱和的溶解物的CO2流体进入分离器时，由于压力的下降或温度的变化，使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开，不仅萃取的效率高而且能耗较少，提高了生产效率也降低了费用成本。

2023/2/645压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数，通过改变温度和压力达到萃取的目的，压力固定通过改变温度也同样可以将物质分离开来；反之，将温度固定，通过降低压力使萃取物分离，因此工艺简单容易掌握，而且萃取的速度快。

2023/2/646主要缺点由于高压带来的高昂设备投资和维护费用，所以目前应用面还不宽，但是对于高经济价值的产品以及精馏和液相萃取操作应用不妥的情况，还是应该考虑使用超临界流体萃取工艺。2023/2/647生化成分的提取

用超临界流体萃取技术提取深水鱼油（EPA、DHA即脑黄金）、维生素E、维生素C等保健成分，具有天然、绿色、无毒、无残留、产品纯度高等特点，且萃取收率高，效益好。同样利用此项技术可提取紫杉醇、黄酮类化合物、糖及其苷类、生物碱类化合物。这些分离后的成分用于制备药物，可为医药界带来巨大的变革和进步，如DHA具有降血脂，防血栓及健脑益智作用，而紫杉醇为目前唯一治疗某些癌症的特效良药。已完成的提取技术包括：深水鱼油（EPA、DHA即脑黄金）；维生素E；维生素C等。

2023/2/648天然香料的提取

超临界流体萃取技术一个非常成功的应用领域是天然香料的萃取，如对名贵香料茉莉浸膏、玫瑰精油、丁香油、迷迭香料的提取等。因为超临界流体溶解能力强、萃取效率高、所得精油收率高且生产过程常用CO2作萃取剂，所得产品无毒、无残留、成品颜色和香味纯正，因此有其独到之处，品质比溶剂法优良，具有天然香气，天然感、新鲜感良好，因含挥发成分，香色完全，售价比普通提取法高20-25%，提取率也比起高出20～100％。同时提高了产品市场竞争力能为企业带来更大的经济效益。2023/2/649天然香料的提取已完成的提取物质包括：香料茉莉浸膏、玫瑰精油、丁香油、迷迭香、桂花浸膏、树兰、零陵香草（又名灵香草）等等。2023/2/650天然食品的制备

采用超临界流体萃取技术，从辣椒中萃取辣红素、以及胡萝卜素、番茄红素的萃取、大豆油的精制、啤酒花的提取、咖啡因的脱除等，均是成熟的工艺技术，且产品成色好、收率高、无毒副作用，是天然的食用色素和营养成分。采用超临界流体萃取技术还可以从烟草中脱除尼古丁，生产不含尼古丁的香烟，这些技术深受生产厂家欢迎。已提取的产品有：辣红素、胡萝卜素、番茄红素、大豆油、小麦胚油、红花籽油等。2023/2/651纳米材料制备

采用超临界流体萃取技术，将物质颗粒溶解于超临界流体中，利用抗溶剂法或快速膨胀法，将流体膨胀而处于低于临界压力状态，溶质晶核来不及成长，而在10-7～10-5秒内被迅速结晶析出，可以制得10～50纳米的超细颗粒。目前已拥有多种纳米颗粒和纳米材料制备技术，但超临界流体萃取技术可以在常温下进行操作，不需深度低温进行。因此能耗低，运行经济合理，这一方法是目前制造纳米颗粒的最有竞争力的技术之一。2023/2/652超临界流体制备纳米材料的另一种方法是将待处理的物质饱和溶解在溶剂中，当将该溶液中通入超临界流体时，由于原溶剂部分溶入超临界流体而原固体溶质不溶于该流体，造成溶剂富裕而析出，得到纳米级固体溶质。2023/2/653环境保护当将排放的有机废料与氧置于超临界水中时，氧化反应进行的非常快，常常在几分钟将有机物完全转化为二氧化碳和水。在处理难转换的酚类化合物、氯烃类化合物、含氮化合物、有机氧化物、军事材料等方面的废弃物污染方面，超临界流体技术都显示了其无与伦比的优越性。尤其是对二恶英的清理更是如此。

2023/2/654

二恶英发源于20世纪60年代的美国越南战争以后，是一种危害人体神经系统的多环化合物，一般存在于焚烧后的飞灰中，即用焚烧的方法都不能将其除去。它可以长期积累于人、鱼和其它动物体内而不能充分分解，但实验表明，在超临界水中二恶英几乎可以100％的分解，从而证实了这项技术在环保方面的优势。另外，采用超临界流体萃取技术，可以有效地降解高分子材料，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、尼龙－66等等，从而为人类彻底解决白色污染带来了希望。

2023/2/655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。

2023/2/656开发实例2023/2/657青蒿素从黄花中提取青蒿素（Artemisinin）的新工艺。青蒿素来自菊科植物黄花蒿（Artemisiaannua）的一种倍半萜内酯类成分，是我国唯一得到国际承认的抗疟新药。然而本应属于中国的东西，中国仅占国际市场份额的0.5%。传统的汽油法存在收率低、成本高、存在易燃易爆等危险，用SFE工艺，从0.1升、5升设备小试到25升、50升设备中试放大，一直到200升设备的工业化生产证明，超临界CO2萃取工艺可用于青蒿素的生产，青蒿素产品符合中国药品标准。2023/2/658超临界CO2萃取工艺比传统法（如汽油法）优越，产品收率提高1.9倍，生产周期缩短约100小时，成本降低447/Kg，可节省大量的有机溶剂汽油，避免易燃易爆的危险，减少三废污染，大大简化生产工艺。该新工艺已取得发明专利证书。在最近召开的中国青蒿素成果产业化发展战略研讨会上，已初步决定推广这种新工艺，以达到占国际市场份额的3-5%的目标。2023/2/659贯叶连翘提取物贯叶连翘提取物是目前国际流行的十大植物提取物之一，主要用于治疗忧郁症。提取物是用贯叶连翘药材经水煮或醇提、浓缩、干燥而得。采用超临界CO2萃取工艺，达到出口标准，比传统工艺优越。

2023/2/660紫杉烷类化学成分

红豆杉中紫杉烷类成分的提取分离，传统的植物化学分离要得到单体纯品难度较大，步骤较为繁琐，原料经多次浸提浓缩后，有机溶剂多次萃取，再进行多次柱层析，此过程中，要用多种有毒的有机溶剂，如氯仿或二氯甲烷等。云南红豆杉（Taxusyunnensis）经超临界CO2提取3小时所得粗浸膏，含杂质较少，较易分离到单体，该浸膏只需进行一次硅胶柱层析就能得到6个紫杉烷类单体和2个其它单体。2023/2/661姜黄油

超临界CO2提取姜黄油，其收油率是水蒸汽的1.4倍，生产周期只是旧工艺的1/3。对所得的姜黄油进行GC/MS分离鉴定，其化学组成主要由姜黄酮等26个成分组成，其组成与水蒸汽的差不多。姜黄油的超临界CO2提取已应用于生产中。用超临界CO2进行中药挥发油或脂肪油化学成分的研究较为简单，只要1-2个小时提取油后，直接进行GC-MS-计算机联用技术分析，即可鉴定油中化学成分。2023/2/662姜黄油

超临界CO2提取姜黄油，其收油率是水蒸汽的1.4倍，生产周期只是旧工艺的1/3。对所得的姜黄油进行GC/MS分离鉴定，其化学组成主要由姜黄酮等26个成分组成，其组成与水蒸汽的差不多。姜黄油的超临界CO2提取已应用于生产中。用超临界CO2进行中药挥发油或脂肪油化学成分的研究较为简单，只要1-2个小时提取油后，直接进行GC-MS-计算机联用技术分析，即可鉴定油中化学成分。2023/2/663复方丹参制剂中丹参提取丹参酮类是从唇形科植物丹参（Salviamiltiorrhiza）中提取的总酮类及其它成分的总称，是制备各种丹参制剂如复方丹参片，丹参酮IIA磺酸钠注射液（主要用于心脑血管病）和丹参酮胶囊（主要用于抗菌消炎）原料主要成分，其中，丹参酮IIA是药典规定用于质量控制的有效成分。各药厂的提取方法主要是乙醇热回流提取，然后浓缩成浸膏，用于各种制剂。由于提取能力差和长时间加热提取或浓缩，有效成分损失严重，往往浸膏中丹参酮IIA含量在0.15%-1%左右，再做成制剂，往往丹参酮IIA检测不出或含量太小，药典标准都难以达到，近几年国家取消不少药厂的复方丹参片制剂的生产批文，原因大多与此有关。2023/2/664复方丹参制剂中丹参提取用超临界CO2萃取法对此进行了工艺改革，从小试到中试直到生产证明，收率比旧工艺高，生产周期缩短，有效成分丹参酮IIA高度浓缩，含量平均≥20%，最高可达80%左右，此工艺已应用于多个药厂的复方丹参制剂（如复方丹参片）的生产，并保持了应有的临床效果。

2023/2/665大蒜注射液的工艺改革大蒜注射液为临床上广泛应用的中药制剂，传统的生产工艺是水蒸汽蒸馏配制而成。用超临界CO2萃取法对此工艺进行改革，并应用于临床。结果证明，不仅工艺优越，而且还能提高疗效。SFE制剂对粘膜真菌感染性疾病，总效率提高18.42%；对深部真菌感染性疾病，总有效率提高33.34%。2023/2/666蜂胶类黄酮物质（皮素，鼠李素等）：已被证明抗癌有效的12种类黄酮化合物中作为蜂胶成分的有7种（皮素，山奈素，高良姜，芹菜素，木犀草，密桔黄素和福桔黄素。某些类黄酮化合物能抑制细胞增生，如木犀草素和皮素都具有抗增生活性，多氧基类黄酮福桔黄素和密桔黄素也具有抗癌活性。Ban等（1983）观察到蜂胶对Hela细胞有杀灭作用，其中Hela细胞对皮素和鼠李素较敏感，对高良姜素的敏感性差。2023/2