制药分离 超临界流体萃取技术毕业论文(设计)word格式可编辑.doc
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1、摘 要:超临界流体萃取(简称SFE)是一种新型的萃取分离技术,广泛应用于工业、石油、食品、医药、环保等领域。介绍了超临界流体萃取技术的发展历史、基本原理、性质、应用情况和它的发展前景。关键词:超临界流体; 萃取; 分离; 应用Abstract :The SFE,which is a kind of new extraction and stripping technique,is widely used in the industrial,petroleum,food-stuff,medical,environmental protection and other fields.This pa
2、per introduces the developing history,basic principles,characteristics,applying situation and developing prospect of the SFE technique.Key words :supercritical fluid ;extraction ;separation;application目录前 言41 超临界流体萃取技术的发展史42 超临界流体萃取的基本原理52.1 超临界流体(SCF)的特性52.2 超临界流体萃取分离的原理72.3 超临界流体的性质72.3.1 无毒和不易燃性7
3、2.3.2 有较低的临界温度和临界压力72.3.3 超临界流体的传递性质72.3.4 超临界流体的溶解性72.3.5 超临界流体的萃取选择性82.4 影响萃取的因素83 超临界萃取的特点94 超临界流体萃取过程的典型流程114.1 变压萃取分离( 等温法, 绝热法)114.2 变温萃取分离( 等压法)114.3 在分离槽中使用吸附剂的萃取分离法( 吸附法)115 超临界流体萃取的优缺点125.1 优点125.2 缺点126 超临界流体萃取技术的应用136.1 SFE在环保方面中的应用136.2 SFE在医药工业中的应用136.3 SFE在食品工业中的应用146.4 SFE在石油化工中的应用15
4、6.5 SFE在皮革工业中的应用156.6 在其它领域中的应用167 超临界流体萃取技术的前景168 结束语17参 考 文 献17前 言超临界流体萃取技术(Supercritical Fluid Extractio, SFE) 作为一种新型分离技术, 由于其具有提取率高,选择性好, 无溶剂残留, 能有效萃取热敏性及易氧化和易挥发性物质等优点, 二十多年来, 无论在技术的基本理论还是在应用开发研究方面都取得了很大进展。德国、美国、英国、日本和瑞士等国家都对此作了大量的研究工作, 使SFE 的技术水平有了较大的提高。国内的研究自20世纪80年代末开始就有了较大的发展, 该技术在中药有效成分的萃取、
5、酶的失活、天然香料香精和色素的提取、多不饱和脂肪酸的提取、抗生素药剂中残留有机溶剂的脱除质等方面的研究和应用都取得了长足进步。而且, 该技术已非常成功地应用于啤酒花萃取、咖啡豆和红花脱咖啡因素的工业化生产。某些高附加值产品如高档天然香料、色素和风味物质等已推向市场。超临界流体(Supercritical Fluid Extractio,SCF)是指流体的温度和压力均处于其临界温度(Tc)和临界压力(Pc)之上,性质介于气体和液体之间,以单相形式存在的一种流体状态。处于临界点附近的流体,其温度和压力的微小变化都能导致其密度、粘度、扩散系数等性质的显著变化。超临界流体萃取(Supercritica
6、l Fluid Extractio ,SFE)正是利用超临界流体作为溶剂所具有的一系列特殊理化性质来实施化工分离的一种单元操作,它是近30年才发展起来的一项新兴分离技术。SCF 兼具气、液两重特性,即密度接近液体,而粘度和扩散系数又与气体相似,因而它具有与液体相当的萃取能力和与气体相当的传质性能。SFE 由于其操作参数易于控制、萃取具有选择性、相对能耗低,以及萃取后溶剂易于与被萃取产物分离等特点,使得SFE技术优于传统萃取技术,因而得到了蓬勃的发展。它不仅适用于提取和分离难挥发和热敏性物质,而且对进一步开发利用能源,保护环境,以及食品、医药品原料中菌体的处理等都具有重要意义。1 超临界流体萃取
7、技术的发展史 早在19世纪中期就有过关于超临界流体对液体和固体物质有显著溶解能力的报道,但超临界流体萃取技术的提出却是在20世纪中后期。早期人们主要是对超临界流体的相行为变化和性质进行研究,其萃取技术主要是应用于化工、石油等工业领域,由于超临界二氧化碳无毒害、残留少、价格低廉又可在常温下操作,因此在20世纪60年代末到80年代初,超临界二氧化碳流体在食品和医药领域也引起了人们的注意,例如,利用超临界流体萃取咖啡中的咖啡因、啤酒花的萃取、动植物油的萃取及对食品中香料的萃取。随着超临界流体萃取技术的进一步研究,在日本、美国、德国等发达国家陆续建立起了一些中小规模的超临界技术生产厂家,从整个世界来看
8、,超临界流体萃取技术正在向石油、化工、医药等各个领域迈进,并将成为21世纪一门新兴的高新技术。我国在超临界流体萃取技术方面的研究起步比较晚,在20世纪80年代初才被引进我国,在医药、食品和化工领域有较快的发展,尤其在生物资源活性有效成分的提取研究方面比较广泛,但在设备的研究等方面却相对落后。我国于1993年自行研制出第一台超临界流体萃取机,与国外的设备相比,自动化程度不高,而且控制精度不够,但是从总体上说,我国在超临界流体萃取技术方面的研究还是取得了很大的成就。2 超临界流体萃取的基本原理2.1 超临界流体(SCF)的特性 任何一种纯物质都存在气、液、固3相平衡共存的3相点,见图1。由图1可知
9、:液体的饱和蒸汽压随温度的升高而增大,但试验证明,每种液体都存在一个特殊的温度,在该温度以上,无论压力有多大,都不可能使气体液化。我们把这个温度称为临界温度TC。对应的饱和蒸汽压称为临界压力PC。当一种流体,其温度和压力均超过相应的临界点值时,称该状态下的流体为超临界流体(Supercritical Fluid Extractio, SFE),见图1的阴影部分。图1 纯物质的压力-温度相图 SCF 既不同于气体,也不同于液体,是介于液体和气体之间的单一相态,具有许多独特的物理化学性质。表1比较了超临界流体和气体及液体的密度、黏度和扩散系数。由表1可以看出:超临界流体兼具气体和液体的优点,其密度
10、接近于液体,溶解能力较强,而黏度与气体相近,扩散系数远大于一般的液体,有利于传质。另外,超临界流体具有零表面张力,很容易渗透扩散到被萃取物的微孔内。因此,超临界流体具有良好的溶解和传质特性,能与萃取物很快地达到传质平衡,实现物质的有效分离。表1气体、超临界流体、液体性质的对照 在临界点附近,流体的性质有突变性和可调性,即压力和温度的微小变化会显著地影响流体的性质( 如密度、扩散系数等)。图2为CO2压力-温度-密度关系图,由图可以看到,在临界点附近,温度和压力的微小变化,就会导致其密度的较大波动。图2 CO2压力-温度-密度关系图2.2 超临界流体萃取分离的原理 超临界流体萃取分离过程是利用其
11、溶解能力与密度的关系,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,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、沸点高低和分子质量大小的不同成分萃取出来。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,并将萃取分离的2个过程合为一体。2.3 超临界流体的性质2.3.1 无毒和不易燃性 在食品工业中,常用CO2作为萃取剂,这主要是由于CO2无毒、不易燃易爆,有较低的临界温度和临界压力,易于从混合物中分离出溶质,而且价格低廉,有利于推广应用,降低成本。2.3.2 有较低的临界温度和临界压力 CO2的临界温度为
12、31.10,临界压力为7.3MPa,CO2的临界条件比水更容易达到,因此该技术对设备要求较低,投资较小,易于实现工业化。2.3.3 超临界流体的传递性质 超临界流体的密度接近于液体的密度,而黏度却接近于气体,自扩散能力比液体大100倍,与液体萃取相比,可以更快地完成传质,达到平衡,促进高效分离过程的实现。2.3.4 超临界流体的溶解性 超临界流体的溶解度与密度有很大关系,在临界点附近,压力、温度的微小变化会引起流体密度的大幅度变化,从而影响其溶解能力。在传统的分离方法中,溶剂萃取是利用溶剂和各溶质间的溶解度不同来实现分离的,蒸馏是利用溶液中组分的蒸汽压不同来分离的,而超临界流体萃取则是通过调节
13、溶剂的压力和温度来控制溶解度和蒸汽压而进行分离的,因此,它综合了溶剂萃取和蒸馏的两种功能和特点。2.3.5 超临界流体的萃取选择性超临界流体应具有良好的选择性,根据相似相溶原理,如果超临界流体与萃取物质的化学性质越相似,溶解能力就越大,图3给出了一些超临界萃取剂的临界参数。CO2在食品工业中为最吸引人的萃取剂,主要是由于它有以下特点:第一,分子量大于500道尔顿的物质具有一定的溶解度。第二,中、低分子量的卤化碳、醛、酮、酯、醇、醚非常易溶。第三,低分子量、非极性的脂族烃(20碳以下)及小分子的芳烃化合物是可溶解的。第四,分子量很低的极性有机物(如羧酸)是可溶的。酰胺、脲、氨基甲酸乙酯、偶氮染料
14、的溶解性较差。第五,极性基团(如羧基,羟基、氨)的增加通常会降低有机物的溶解性。第六,脂肪酸及甘油三酯具有较低的溶解度,然而,单酯化作用可增强脂肪酸的溶解性。第七,同系物中溶解度随分子量的增加而降低。第八,生物碱、类胡萝卜素、氨基酸、水果酸和大多数无机盐是不溶的。图3 一些超临界流体的临界性质2.4 影响萃取的因素 影响超临界萃取过程的因素有很多,如萃取压力、温度、超临界流体的极性、超临界流体的流量、物料颗粒大小以及是否加入夹带剂等。这些因素都会对萃取效果(包括萃取速率和萃取产品的成分与纯度)产生影响。3 超临界萃取的特点 超临界流体( SCF) 萃取, 例如SCF-CO2 ( 超临界二氧化碳
15、) 与常规分离法( 水蒸气蒸馏、蒸馏、溶剂萃取法) 相比独具特色。 一般蒸馏法( 常压或真空) 均受物料体系的限制,对不耐热的产品和能产生恒沸混合物的体系不适用。溶剂萃取法在溶剂回收时, 产品损耗和溶剂残留、污染等问题都不可避免。而SCF, 例如SCF-CO2 , 只需改变SCF 的温度和压力, 就可改变SCF 的溶剂性质。据此选择萃取条件, 在不同压力下, 萃取物的范围不同, 低压下可萃取低分子精油成分。随着压力的升高, 可萃取物质的范围也随之扩大, 在30.0 MPa 高压下, SCF-CO2与二氯甲烷具有同样的萃取能力。 因此, 可根据萃取目的, 调节适当的压力( 或温度) 进行选择性萃
16、取。例如:天然物中通常含有大量不同的化学组成。对于一定的溶剂, 这些组成包括易溶的、不易溶的甚至不溶的。因此,用不同溶剂萃取同一天然物, 所得萃取物的组成并不相同。为此, 可将超临界CO2萃取与传统的溶剂萃取和蒸气蒸馏进行比较。图4( a) 表示某种天然物的组成: 纵坐标为组成的相对含量, 横坐标为由挥发度、分子量、极性、化学性质等组成的综合参数与气相色谱保留时间相对应。(a) 一种天然极性物质的典型构成图4 采用各种溶剂萃取天然物质的比较图 在水蒸气蒸馏法中, 严格按物质的挥发度来提取组分。如图4(c) 纵线左侧阴影部分即为提取的组成。用乙醇-水溶剂萃取, 相应的萃取组成见图4(d) 左侧阴
17、影部分。左上端斜线为溶剂和溶质分离时的损失部分。二氯甲烷是溶解能力很强的萃取剂。所以萃取组成范围较广, 如图4( b),但不能萃取出大分子量聚合物。 图4( e) 表示用超临界CO2进行萃取, 温度一定时,萃取组成随萃取压力而变化。小于临界压力,只能萃取出具有挥发性的精油成分。随着压力增加,则萃取组成范围扩大, 高压下萃取组成可接近二氯甲烷的萃取组成。因此,如果选择适宜的萃取压力和分离压力, 便可实现部分萃取。并且SFE 集萃取与回收溶剂为一体, 当饱含溶解物的SCF 流经分离器时,由于压力降低, 使得萃取剂与萃取物迅速成为两相( 气-液分离) 而立即分开, 不需进行溶剂回收和萃取物浓缩, 全
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