超临界流体技术原理及其应用

“超临界流体技术原理及其应用”

院选课读书报告 (2012~2013下学期)

题目: SC—CO2流体技术基本原理及其应用前景 系专业名称: 学生姓名:

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SC—CO2流体技术基本原理及其应用前景

摘要

超临界流体是指物质处于极其临界的温度和压强下形成的一种新的流体，它的性质介于液体和气体之间，并且兼具二者的有点。现研究较多的流体包括：二氧化碳等。超临界二氧化碳是一种液态的二氧化碳，在一定的条件，如果达到临界点或者以上，会形成一种新的状态，兼顾气态和液态的部分性质，而且拥有新的性质。超临界二氧化碳萃取技术是一种新型分离技术，超临界CO2萃取是采用CO2作为溶剂，在超临界状态下的CO2流体密度和介电常数较大，对物质溶解度很大，并随压力和温度的变化而急剧变化，因此，不仅对某些物质的溶解度有选择性，且溶剂和萃取物非常容易分离。超临界CO2萃取特别适用于脂溶性，高沸点，热敏性物质的提取，同时也适用于不同组分的精细分离，即超临界精镏。超流体流体应用前景目前应用十分的广泛，目前已应用于食品工业、化妆品香料工业、医药工业、化工工业等方面，超临界流体应用将越来越广泛于各个行业的发展。

关键词：“超临界流体，超临界二氧化碳，超临界二氧化碳萃取，超临界流体应用前景”

一、SC—CO2流体技术基本原理

（一）SC—CO2超流体技术的基本原理概述

超临界流体（SCF）是指处于临界温度和压强的情况下，它的物理性质介于液体和气体之间。⑴这种流体同时据有气态和液态的特点，它既具有与液体相近的密度和其优良的溶解性。溶质在某溶剂中的溶解度与溶剂的密度相关，溶质在超临界流体中的溶解度也与其类似。因此，通过改变超临界流体的压强和温度，改变其密度，便可以溶解许多不同类型的物质。

超临界流体萃取分离过程是利用超临界流体的溶解力和其密度的关系，即利用压强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，其拥有

很好的流动性和渗透性，将超临界流体与待分离的物质接触，使其具有选择性的把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。对应个压强范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件来得到最佳比例的混合成分，然后借助升压降温等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，所以超临界流体萃取过程是由萃取和分离组合而成的。

（二）超临界流体的选择

超临界流体萃取过程能否有效的分离产物或出去微杂质，关键是超临界流体萃取中使用的溶剂必须有良好的选择性。提高溶剂选择信基本原则是：操作温度应和超临界流体的温度相接近；超临界流体的化学性质应和待分离溶质的化学性质相近。

超临界流体的选定是超临界流体萃取的主要关键，应根据分离对象与目的不同，选定超临界流体萃取中使用的溶剂。作为萃取溶剂的超临界流体必须具备以下条件：

1.SCF临界温度要接近工艺中的操作温度（常温） 2.操作温度应低于被萃取物质分解温度或变质温度 3.SCF化学性质要与待萃取成分的化学性质相似 4. SCF化学性质稳定，无毒性和无腐蚀性，不易爆易燃 5.临界温度和临界压力都尽量接近常规条件

6.对于待分离成分要有较高的选择性和较高的溶解度

7.来源广泛，价格便宜，以降低成本常用的SCF：CO2、SO2、C2H4、C3H8、C4H10、CClF3

（三）利用CO2 作为萃取剂主要有以下优点:

1.可以在35～40℃的条件下进行提取,能够防止热敏性物质的变质和挥发性物质的逸散。

2.在CO2气体笼罩下进行萃取,萃取过程中不发生化学反应;又由于完全隔绝了空气中的氧,因此,萃取物不会因氧化或化学变化而变质。

3.由于CO2不具备可燃性,且萃取过程中不使用易燃易爆的有机溶剂,相对安全。

4.CO2是较容易提纯与分离的气体,因此萃取物几乎无溶剂残留,也避免了溶

剂对人体的毒害和对环境的污染。

5.萃取和分离合二为一,当饱含溶解物流经分离器时,由于压力下降使得CO2 与萃取物迅速分离,成为两相,故能耗较少。

6.CO2无味、无臭、无毒,价格便宜,纯度高,易得,且能够循环使用,降低了成本。

7.具有杀菌和保鲜的作用。

8.可以通过改变压力和调节温度来改变溶解性能,对于萃取成分有选择性。 9.扩散系数大而粘度小,大大节省了萃取时间,萃取效率高。

（四）超临界二氧化碳萃取流程图

二、SC—CO2流体的应用前景

（一）在食品工业的应用

超临界二氧化碳在食品工业的应用十分广泛，在很多方面都有涉及。由于超临界流体萃取技术所得萃取液溶剂残留少、低毒、无污染、无致癌性等优点，因此特别适合用于食品工业。

目前在咖啡豆或茶叶中脱除咖啡因、啤酒花有效成分萃取、动植物油脂的萃取、分离和精制、天然香料植物或果蔬中提取天然香精和色素及风味物质等方面的研究和应用，都取得了长足发展

（二）、医药工业的应用

从动、植物中提取有效药物成分仍是目前sfe在医药工业中应用较多的一个方面。目前已对多种中草药有效成分的提取工艺及质量进行了研究，如红景天、灵芝等。近年来，利用超临界流体技术进行药物的干燥、造粒和制作缓释药丸已成为人们关注的一个新热点⑵。

采用sef技术，可避免中药加水煎熬的传统服用方法，对热敏性有效成分受热破坏，从而提高疗效。马熙中⑶等用scf装置分析了中药肉苁蓉的化学成分，并与常规中药研究方法相比，发现sfe法可更有效地提取复杂中药中的挥发性成分。

另外，超临界萃取技术还可以用于抗生素的提取⑷，医药制品的精制、脱杂质，维生素和酶的回收等。

（三）、环保方面

在环保方面，sfe技术用于处理含有机物的废水和固体污染物，改进现行的废水处理过程，还可用于废水与污染物分离并将污染物氧化为小分子的场合。在环境污染监测上，sfe技术也可发挥其高效、准确的特性⑸。高连存等人⑹对炼钢厂炼焦车间土壤进行了sfe研究，比较了温度和压力对超临界流体萃取pah（苯丙胺酸羟化酵素）类化合物的影响，并且用GC—MS法分析结果与索式提取法做了对比结果其回收率远远高于索式提取法的回收率。V Librando等人对超临界流体萃取海洋沉积物和土壤样本中的多环芳烃污染物进行了研究，多环芳烃回收率达到50%以上。目前已经有关于超临界流体萃取技术应用于核废料的处理，从水溶液中提取金属离子的报道。

三、展望

超临界流体是指温度压力均处于其临界点以上的流体，可以利用它对特定物质成分进行分离、测定、提纯和精制，并可创造出新工艺性新材料⑺。

sfe 技术虽然兴起仅仅20多年，但其应用领域与前景却十分诱人，但同时一些基础研究与技术方面的局限又影响了sfe技术的进一步发展。到目前为止，真正可实现工业化的sfe过程还十分有限，这主要是由于缺乏高压物系的非理想性和各种物质的理化数据，以及对溶质与超临界介质之间相互作用本的研究还不够充分，不能建立比较满意的关联式或预测模型。而且，由于溶质间的协同效应，又使已有的一些数据并无太大实际指导意义，导致了目前在工艺设计上的盲目性较大。

此外，sfe过程的操作费用虽然较低，但设备的一次性投资及维修费用过大，也是制约sfe 应用进一步扩大的原因⑻。所以，只有各国科研人员间的相互合作，并加强对基础理论和预测模型的研究。相信随着sfe 理论的不断完善以及超临界条件下平衡数据的积累、高压设备和机械自动化程度的提高，sfe技术将在更广阔的领域中得到实际的应用。

参考文献：

[1] 朱自强．超临界流体技术原理和应用[M]．北京：化学工业出版200l.1．27

[2]汪朝晖\超临界流体技术在医药工业中的应用（II）生化药物的提纯、干燥与造粒［J］化工进展,1996(4),52-57

[3]马熙中，于小兵\分析型超临界流体萃取技术在测定中药肉苁蓉化学成分中的应用［J］ 高等学校化学学报，1991,12(4),1143-1446

[4]Tonthubthimthong P, Chuaprasert S,Douglas P, er al . Supercritical CO2 extractiong of nimbin from neem seeds - an experimental study [J] . Journal of Food Engineering , 2001 ,47: 289-293 [5]朱海\超临界流体萃取技术与环境保护［J］化工环保，1994,14（1）：12-17 [6]高连存，张春阳，崔兆杰，等.炼钢厂炼焦车间土壤PAHs的超临界流体萃取-色质联用分析方法研究［J］.环境学研究，1998.11（1）：36-39

[7]肖建平，范崇政，超临界技术研究进展.化学进展[J].2001年13卷第二期

[8]陈虹，张承红.超临界流体萃取及其在我国的研究应用进展［J］.化学进展，1999.3（11）：235

sfe 技术虽然兴起仅仅20多年，但其应用领域与前景却十分诱人，但同时一些基础研究与技术方面的局限又影响了sfe技术的进一步发展。到目前为止，真正可实现工业化的sfe过程还十分有限，这主要是由于缺乏高压物系的非理想性和各种物质的理化数据，以及对溶质与超临界介质之间相互作用本的研究还不够充分，不能建立比较满意的关联式或预测模型。而且，由于溶质间的协同效应，又使已有的一些数据并无太大实际指导意义，导致了目前在工艺设计上的盲目性较大。

此外，sfe过程的操作费用虽然较低，但设备的一次性投资及维修费用过大，也是制约sfe 应用进一步扩大的原因⑻。所以，只有各国科研人员间的相互合作，并加强对基础理论和预测模型的研究。相信随着sfe 理论的不断完善以及超临界条件下平衡数据的积累、高压设备和机械自动化程度的提高，sfe技术将在更广阔的领域中得到实际的应用。

参考文献：

[1] 朱自强．超临界流体技术原理和应用[M]．北京：化学工业出版200l.1．27

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[4]Tonthubthimthong P, Chuaprasert S,Douglas P, er al . Supercritical CO2 extractiong of nimbin from neem seeds - an experimental study [J] . Journal of Food Engineering , 2001 ,47: 289-293 [5]朱海\超临界流体萃取技术与环境保护［J］化工环保，1994,14（1）：12-17 [6]高连存，张春阳，崔兆杰，等.炼钢厂炼焦车间土壤PAHs的超临界流体萃取-色质联用分析方法研究［J］.环境学研究，1998.11（1）：36-39

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[8]陈虹，张承红.超临界流体萃取及其在我国的研究应用进展［J］.化学进展，1999.3（11）：235

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