南农生物分离工程超临界.ppt
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1、,超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction),超临界流体的发展,Michel Perrut 国际超临界流体发展委员会的奠基人,超临界流体的定义,临界状态是物质的气、液两态能平衡共存的一个边缘状态,在这状态下,液体和它的饱和蒸汽密度相同,因而它们的分界面消失,这状态只能在一定温度和压强下实现,此时的温度和压强分别称为“临界温度”和“临界压强”。,SOLID,GAS,LIQUID,SUPERCRITICAL,FLUID,Triple,point,Critical,point,Pressure(bar),Temperature(C),74,31.1C,-56.3C
2、,5.1,Phase diagram for pure CO2,Monterey Bay Aquarium Research Institute,-78 C,1,SOLID,GAS,LIQUID,SUPERCRITICAL,FLUID,Pressure(bar),Temperature(K),303,74,SOLID,GAS,LIQUID,SUPERCRITICAL,FLUID,Pressure(bar),Temperature(K),303,74,SOLID,GAS,LIQUID,SUPERCRITICAL,FLUID,Triple,point,Critical,point,Pressure
3、(bar),Temperature(K),303,74,SOLID,GAS,LIQUID,SUPERCRITICAL,FLUID,Pressure(bar),Temperature(K),303,74,Supercritical Fluid,Both Gas and liquid phases have the same densities in this range.Carbon Dioxide is normally used since its critical point is at 73.8 bar and 31.1 degree Celsius,a very easily reac
4、hed condition,Two Separate phases of Carbon Dioxide,One Supercritical Phase Of Carbon Dioxide,SCFs are intermediate between liquids and gases,纯二氧化碳密度随压力与温度的变化,特点:在临界点附近,密度有很宽的变化范围;温度,压力微调可使密度显著变化g/L,纯二氧化碳在40下的密度,粘度,自扩散系数密度值随压力的变化关系,Variation of solvent power of CO2 with pressure,Density(gml-1),Hilde
5、brand parameter(cal cm-3)0.5,310K=37C320K=47 C330K=57 C,超临界流体的性质,SCF传递特性与气体,液体的特征比较,超临界流体的主要特性,密度类似液体,因而溶剂化能力很强,压力和温度微小变化可导致其密度显著变化压力和温度的变化均可改变相变粘度,扩散系数接近于气体,具有很强传递性能和运动速度SCF的介电常数,极化率和分子行为与气液两相均有着明显的差别,Common supercritical fluids,Supercritical fluids are substances above their critical temperatures
6、and pressures,whose properties are intermediate between those of gases and liquids,and which can be controlled by both temperature and pressure.Carbon dioxideTc=31.1 C Pc=73.8 barFluoroformTc=25.9 C Pc=48.2 bar 三氟甲烷WaterTc=374.0 C Pc=220.6 barAmmoniaTc=132.4 C Pc=113.2 bar 氨EthaneTc=32.2 C Pc=48.7 b
7、ar 乙烷,为什么选用二氧化碳?,温和的临界条件无毒对设备无腐蚀阻燃价廉易得超临界CO2溶解能力强 适用于化工、医药、食品等工业,超临界流体萃取原理: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。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。,Very soluble Sparingly solubleInsolubleNon-polar andChlorophyll,waxes Sugars,proteinsmoderately
8、 polar molecules and carotenoids Tannins,amino500 MW叶绿素 蜡 acids and most 类胡萝卜素 pesticides杀虫剂ExamplesTriterpenoids三萜类,Alkaloids生物碱lipids C22,Supercritical CO2 extraction,二氧化碳超临界萃取的规律:亲脂性、低沸点成分可在10MPa以下萃取,如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧化合物等。天然植物和果实中的香气成分,如桉树脑、麝香草酚、酒花中的低沸点酯类等;化合物的极性基团(如-OH、-COOH等)愈多,则愈难萃取。强极性物质如糖、氨基酸
9、的萃取压力则要在40MPa以上;化合物的分子量愈大,愈难萃取。分子量在200400范围内的组分容易萃取,有些低分子量、易挥发成分甚至可直接用CO2液体提取;高分子量物质(如蛋白质、树胶等)则很难萃取。,超临界流体技术的优缺点,优点溶解度可调节;溶剂与产品易分离;无溶剂残留;溶剂价格便宜,无毒,来源丰富。,缺点操作压力较高;溶剂的压缩成本;设备投资大;可供挑选的溶剂种类少。,影响超临界萃取的主要因素: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。夹带剂:SCF中加入少量夹带剂(如乙醇等)以改变溶剂的极性。粒度:溶质从样品颗粒中的扩散,一般来说,粒度小有利于 S
10、CF萃取。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。,二 氧 化 碳 气 瓶,贮 罐,夹带剂罐,萃 取 釜,解 析 釜,解 析 釜,分 离 柱,箱冷,计量流,泵压高,泵压高,超临界流体萃取的流程,等温变压工艺,工艺流程:由萃取和分离两步组成,萃取塔(T,p1),分离器(T,p2),等压变温工艺,萃取塔(T1,p),换热器,分离器(T2,p),升温,节流阀,减压,超临界流体萃取设备图,大型超临界流体萃取装置,压缩机,萃取釜,制冷MVC-760L,二氧化碳循环泵,超临界流体萃取的应用,医药工业,化学工业,食品工业,化妆品香料,中草药提取酶,纤维素精制,金属离子
11、萃取烃类分离共沸物分离高分子化合物分离,植物油脂萃取酒花萃取植物色素提取,天然香料萃取化妆品原料提取精制,超临界CO2萃取技术在天然药物研制中的应用,国内外采用CO2超临界萃取技术可利用的资源有:紫杉、黄芪、人参叶、大麻、香獐、青蒿草、银杏叶、川贝草、桉叶、玫瑰花、樟树叶、茉莉花、花椒、八角、桂花、生姜、大蒜、辣椒、桔柚皮、啤酒花、芒草、香茅草、鼠尾草、迷迭香、丁子香、豆蔻、沙棘、小麦、玉米、米糠、鱼、烟草、茶叶、等。,超临界CO2萃取技术在食品方面的应用,从葵花籽、红花籽、花生、小麦胚芽、可可豆中提取油脂,比传统的压榨法的回收率高,不存在溶剂法的溶剂分离问题,Extraction using
12、 scCO2,Extensively used for natural coffee decaffeination;Extraction of Hops for Brewing,应用实例:,从啤酒花中提取有效成分(律草酮-酸、蛇麻酮-酸)德国、美国80年代工业化,回收率达97%,从咖啡豆中分离咖啡因 T=70-900C,p=16-20MPa,SCCO2中溶解的咖 啡因用水吸收除去。咖啡因含量可由3%降 至0.02%。,从甘草中提取甘草素 T=40oC,p=35 MPa,采用SCCO2 C2H5OH H2O体系作萃取剂,Hop Extraction-20th Century,1908Ethano
13、lEngland1942DichloromethaneGermany1960TrichloroethaneGermany1961BenzeneEngland1965MethanolEngland1970Hexane USA1980Liquid CO2Australia/UK1982Supercritical CO2Germany,超临界CO2萃取技术在医药保健品方面的应用,在抗生素药品生产中,传统方法常使用丙酮、甲醇等有机溶剂,但要将溶剂完全除去,而不变质非常困难。若采用SCFE法则完全可符合要求。用SCFE法从银杏叶中提取的银杏黄酮,从鱼的内脏,骨头等提取的多烯不饱和脂肪酸(DHA,EPA)
14、,从沙棘籽提取的沙棘油,从蛋黄中提取的卵磷脂等对心脑血管疾病具有独特的疗效。,超临界CO2萃取技术在天然香精香料的提取的应用,用SCFE法萃取香料不仅可以有效地提取芳香组分,而且还可以提高产品纯度,能保持其天然香味,如从桂花、茉莉花、菊花、梅花、米兰花、玫瑰花中提取花香精,从胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料,从芹菜籽、生姜,芫荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油,不仅可以用作调味香料,而且一些精油还具有较高的药用价值。,超临界CO2萃取技术在化工方面的应用,英国应用超临界技术制备液体燃料。以甲苯为萃取剂,在Pc=100atm,Tc=400-440条件下进行萃取,在SCF溶剂分子的 扩散作用下
15、,促进煤有机质发生深度的热分解,能使三分之一的有机质转化为液体产物。此外,从煤炭中还可以萃取硫等化工产品。,Extraction of Ginger Oil with Supercritical Carbon Dioxide,Ginger(姜)is one of the major spices(调味品)used in foods,beverages(饮料)and medicines.,History of Technology,Steam distillation,The vessel is filled with ginger materialSteam was injected to t
16、he bottom of the distillation columnGinger oil accumulated in the condenserOil and water flowed to the flask,DistillationColumn,Condenser,Flask,Steam distillation diagram,Steam Generator,Water,Water,4,Steam Distillation,Low yield 1 to 2.7%High levels of monoterpene hydrocarbon residueHigh energy con
17、sumption,Supercritical Carbon Dioxide Extraction,Size particle effectThe graph shows that smaller particles have a higher yield.,Bhupesh C.Roy,Motonobu Goto,and Tsutomu Hirose,Extraction of Ginger Oil with Supercritical Carbon Dioxide:Experiments and Modeling,Ind.Eng.Chem.Res.1996,35,607-612.,10,Sup
18、ercritical Carbon Dioxide Extraction,Effect of temperatureAt 24.5MPa,the extraction rate is increasing as the temperature increasesAt 10.8MPa,the extraction rate is decreasing as the temperature increases,Bhupesh C.Roy,Motonobu Goto,and Tsutomu Hirose,Extraction of Ginger Oilwith Supercritical Carbo
19、n Dioxide:Experiments and Modeling,Ind.Eng.Chem.Res.1996,35,607-612.,Effect of temperature on different pressure,P=24.5MPa,P=10.8MPa,11,Supercritical Carbon Dioxide Extraction,Effect of temperatureAt pressure 17.6 MPa,there is no effect on extraction rate by increasing the temperatures,Bhupesh C.Roy
20、,Motonobu Goto,and Tsutomu Hirose,Extraction of Ginger Oil with Supercritical Carbon Dioxide:Experiments and Modeling,Ind.Eng.Chem.Res.1996,35,607-612.,P=17.6MPa,12,Supercritical Carbon Dioxide Extraction,Effect of PressureAt temperature 313K,the extraction rate increases at lower pressure At temper
21、ature 343K,the extraction rate increases at higher pressure.,Bhupesh C.Roy,Motonobu Goto,and Tsutomu Hirose,Extraction of Ginger Oil with Supercritical Carbon Dioxide:Experiments and Modeling,Ind.Eng.Chem.Res.1996,35,607-612.,Effect of pressure on different temperatures,T=313K,T=343K,13,超临界流体萃取金属离子,
22、可能取代传统有机溶剂萃取(煤油和磷酸三丁酯)。由于SCCO2的非极性使得金属离子在SCCO2的溶解度有限或不溶,但可通过加入一些改性剂(甲醇)或有机配体(含氮、磷、氧的有机物)来增加溶解度。(1)与金属离子配位降低其极性;(2)增加SCCO2的极性,国内超临界萃取公司与产品,国外超临界萃取公司与产品,超临界流体的应用,超临界萃取,超临界氧化反应 超临界催化反应,超临界聚合反应,SCF,超细颗粒及薄膜材料制备,超临界流体在制备超细颗粒及薄膜中的应用,SCF快速膨胀技术,SCF抗溶剂技术,在超临界状态时,当含有溶质的SCF通过特制喷嘴(25-60m)作快速膨胀,在极短时间内10-5 S),组分过饱
23、和度高达106倍,形成大量晶核,因而得到粒径分布很窄,粒度极细的超细颗粒。主要用于药物、陶瓷原料SiO2,CeO2等超细颗粒的制备.,将含有某种溶质的溶液通过喷入SCF,溶剂与SCF互溶后,降低原溶剂对溶质的溶解度,在短时间内形成较大的过饱和度而使溶质结晶析出,得到纯度高,粒径分布均匀的超细颗粒。该技术用于生化药物的微粒制备.,超临界流体,Supercritical Fluid Assisted Particle Synthesis,Results,A smaller nozzle will yield smaller,less agglomerated particles A pressur
24、e closer to supercritical pressure(78 bar for CO2)will yield smaller particles,so 82 bar had smaller particles than 100 barConcentration of solution,超临界流体在超细颗粒制备中的应用,应用于药物、陶瓷、半导体材料等。材料在超临界流体中与在常用溶剂中制备比较,得到的晶形、颗粒度、抗烧结能力等性质大不相同。在超临界流体中,得到小的、高度微晶化的颗粒;而在常用溶剂中,则得到团聚或非晶态的颗粒,这些颗粒的粒径分布较宽,这对材料的性质是不利的。,超临界流体的
25、高分子聚合反应,超临界CO2中的聚合反应,单体 引发剂 聚合方法 温度()压力(Mp)分子量(*103),1,1-二氢全氟代 AIBN 溶液聚合 60 20.7 270辛基丙烯酸酯丙烯酰胺 AIBN 乳液聚合 60 34.5 4920 7090丙烯酸 AIBN 沉淀聚合 62 12.5 144 149苯乙烯 SnCl2 阳离子聚合 100 24 4正冰片 Ru(H2O)6(TOS)开环聚合 65 30 20,在超临界体系进行高分子合成 与加工特点,1 不使用有害的有机溶剂避免环境污染 2 可改进高分子材料的机械性能及加工性能 3 可按分子量的大小对产品进行分离 4 可通过超临界多元流体对高分子
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- 生物 分离 工程 临界
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