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    超臨界CO2 流體萃取技術優缺點、應用、過程及影響因素

    超臨界CO2 流體萃取技術優缺點、應用、過程及影響因素

    • 分類:行業新聞
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2021-07-21
    • 訪問量:0

    【概要描述】超臨界流體萃取(supercritical fluidextraction,簡稱SFE)是指利用超臨界流體在超臨界狀態下對溶質有很高的溶解能力而在非超臨界狀態下對溶質的溶解能力又很低的特性,從液體或固體中萃取出特定成分,以達到提取和分離的過程。下面隨賢集網小編一起來了解下超臨界CO2 流體萃取技術優缺點、應用、過程及影響因素。

    超臨界CO2 流體萃取技術優缺點、應用、過程及影響因素

    【概要描述】超臨界流體萃取(supercritical fluidextraction,簡稱SFE)是指利用超臨界流體在超臨界狀態下對溶質有很高的溶解能力而在非超臨界狀態下對溶質的溶解能力又很低的特性,從液體或固體中萃取出特定成分,以達到提取和分離的過程。下面隨賢集網小編一起來了解下超臨界CO2 流體萃取技術優缺點、應用、過程及影響因素。

    • 分類:行業新聞
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2021-07-21
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      超臨界流體萃取(supercritical fluidextraction,簡稱SFE)是指利用超臨界流體在超臨界狀態下對溶質有很高的溶解能力而在非超臨界狀態下對溶質的溶解能力又很低的特性,從液體或固體中萃取出特定成分,以達到提取和分離的過程。下面隨賢集網小編一起來了解下超臨界CO2 流體萃取技術優缺點、應用、過程及影響因素。

      任何一種純物質,隨著溫度、壓力的變化,都會相應的呈現為固態、液態和氣態這三種狀態,稱為物質的三態。三態之間互相轉化的溫度和壓力值叫做三相點,每種化學性質穩定的物質都具有一個固有的臨界點,即在該溫度和壓力情況下物質的密度與其處于液態時密度相接近,但又保留了氣體的特質。當溫度和壓力超過了臨界點的溫度和壓力時,該物質就進入了超臨界狀態,超臨界狀態下的物質既非氣體又非液體的狀態,叫做超臨界流體。

      超臨界CO2 流體萃取技術優缺點、應用、過程及影響因素

      可以作為超臨界流體的物質雖然很多,但從廉價易得、臨界溫度和壓力較低、蒸發潛熱較低、安全環保等方面考慮,僅有極少數的溶劑符合要求。臨界溫度在0~100℃以內、臨界壓力在2~10MPa 以內且蒸發潛熱較小的物質有二氧化碳(TC31.1℃、Pc7.15MPa、蒸發潛熱25.25kJ/mol)、丙烷(TC96.8℃、Pc4.12MPa、蒸發潛熱15.1kJ/mol)??紤]到廉價易得、使用安全等因素,所以二氧化碳被作為很適合用作于萃取的超臨界流體。

      超臨界流體的密度對溫度和壓力的變化非常敏感,同時它的溶解能力在一定壓力范圍內與其密度成比例,因此可以通過控制溫度和壓力來改變物質在超臨界流體中的溶解度,特別是在臨界點附近,溫度和壓力的微小變化可導致溶質溶解度發生幾個數量級的突變,這就為SFE 技術可行性提供了研究基礎。

      超臨界CO2 萃取過程及其影響因素

      超臨界CO2 萃取的工藝流程是根據不同的萃取對象和為完成不同的工作任務而設置的。如圖為較簡單的工藝流程,主要分為提取段和分離段,其中提取段指溶質由原料轉移至二氧化碳流體過程,分離段指溶質和二氧化碳分離及不同溶質間的分離。在超臨界二氧化碳萃取的實際操作過程中會受到很多因素的影響,而導致我們采用不同的萃取工藝流程。這些影響主要有:

      (1)萃取壓力的影響

      萃取壓力是SFE 重要的參數之一,萃取溫度一定時,壓力增大,流體密度增大,溶劑強度增強,溶劑的溶解度就增大。對于不同的物質,其萃取壓力有很大的不同。

      (2)萃取溫度的影響

      溫度對超臨界流體溶解能力影響比較復雜,在一定壓力下,升高溫度被萃取物揮發性增加,這樣就增加了被萃取物在超臨界氣相中的濃度,從而使萃取量增大;但另一方面,溫度升高,超臨界流體密度降低,從而使溶解度減小,而導致萃取量降低。因此,在選擇萃取溫度時要綜合這兩個因素考慮。

      (3)原料粒度的影響

      原料粒度大小可影響提取回收率,減小原料粒度,可增加固體與溶劑的接觸面積,從而使萃取速度提高。不過,粒度如過小、過細,不僅會嚴重堵塞篩孔,造成萃取器出口過濾網的堵塞。

      (4)CO2 流量的影響

      CO2 的流量的變化對超臨界萃取有兩個方面的影響。CO2 的流量太大,會造成萃取器內CO2 流速增加,CO2 停留時間縮短,與被萃取物接觸時間減少,不利于萃取率的提高。但另一方面,CO2 的流量增加,可增大萃取過程的傳質推動力,相應地增大傳質系數,使傳質速率加快,從而提高SFE 的萃取能力。因此,合理選擇CO2 的流量在SFE 中也相當重要。

      (5)夾帶劑的選擇

      超臨界流體萃取的溶劑大多數是非極性或弱極性,對親脂類物質的溶解度較大,對較大極性的物質溶解度較小。針對這一問題,在純的超臨界CO2 中加入一定量的極性成分(即夾帶劑)可顯著地改變超臨界CO2 流體的極性,拓寬其適用范圍。

      超臨界CO2 萃取技術的優缺點

      超臨界CO2 作為在萃取技術現今使用廣泛的流體,并不僅僅是因安全、無毒、廉價等特性,而是因為和常規萃取方法比較,超臨界CO2 萃取具有如下的顯著優點:

      (1)操作接近室溫(34~39℃),整個萃取過程在CO2 氣體籠罩下,有效地防止了熱敏性物質的氧化和降解。能完整的保留生物活性,而且能把高沸點、低揮發性、易熱解的物質在遠低于其沸點的溫度下萃取出來;

      (2)是綠色的提取方法,全過程不含有機溶劑,因此萃取物無溶劑殘留,從而防止了提取過程中對人體有害物的存在和對環境的污染,保證了100%的純天然;

      (3)萃取和分離合二為一,當飽含溶解物的CO2 流體進入分離器時,經過調節壓力或溫度,使得CO2 與萃取物迅速成為兩相(氣液分離)而立即分開,不僅萃取的效率高而且能耗較少,提高了生產效率也降低了費用成本;

      (4)CO2 是一種惰性氣體,萃取過程中不發生化學反應,且屬于不燃性氣體,無味、無臭、無毒、安全性非常好;

      (5)萃取能力強,提取率高;提取時間快,生產周期短。

      (6)壓力和溫度都可以成為調節萃取過程的參數,只通過改變萃取溫度和壓力就可以達到萃取的目的,改變分離壓力或溫度就可以達到分離的目的,因此工藝簡單容易掌握,而且萃取的速度快。

      (7)超臨界CO2 還具有抗氧化、滅菌作用,有利于保證和提高產品的質量;當然,超臨界CO2 萃取技術也不是一種萬能的萃取技術,同其他任何技術一樣,也有其適用的范圍。我們需要根據其對不同物質的溶解能力的大小來確認是否適合采用。

      一般來說,超臨界CO2 對不同物質的溶解能力存在以下的規律:

      (a)親脂性、低沸點成分可在10MPa 以下萃取,如天然植物和果實中的香氣成分。

      (b)當混合物中的組分間的相對揮發度或極性有較大差別時,可以在不同壓力下使混合物得到分餾。

      (c)強的極性基團(-OH,-COOH)的引入,使得萃取變得困難。在苯的衍生物范圍內,具有三個羥基酚類的物質,以及具有一個羧基和兩個羥基的化合物仍然可以被萃取,但那些具有一個羰基和三個以上羥基的化合物是不能被萃取的。

      (d)更強的極性物質,如糖類在40MPa 以下很難被萃取出來。

      (e)化合物的相對分子質量越高,越難被萃取。

      超臨界CO2 萃取技術在植物提取物的應用

      近年來,隨著各種天然概念化妝品的逐漸面市,含天然成分的個人護理品的消費需求持續增長,植物提取物在化妝品中占有的位置也越來越重,這也使得各類植物提取物需在安全性和功效性等方面進一步的優化。超臨界CO2 萃取技術不僅脫酸、脫色、脫臭在萃取器內可以一次性完成,而且利用CO2 作為萃取劑可以保證無污染、無殘留、純天然的特點。與傳統的提取方法相比,SFE 在植物提取物及精油的提取應用中,在植物提取物的純度、得率、活性成分含量、精油的色澤香氣等方面具有很大的優勢。

      (1)在提取物產品的純度方面:厚樸是我國重要的傳統中藥材,其中主要的有效成分是厚樸酚,和厚樸酚。因其具有顯著的抗菌、抗氧化的效果可作為食品、保健品、醫藥和日化產品的功效成分。傳統提取工藝存在得率不高,純度低和顏色深的缺點。羅安東等人利用超臨界CO2 提取得到的厚樸提取物,經簡單精制后,其有效成分的純度均可達98%以上[4]。目前,利用超臨界CO2 提取的植物提取物如虎杖提取物、蛇床子提取物、丹皮酚等,經過簡單精制后,純度均可達98%以上,這些提取物產品的工業化生產已經相當成熟。

      (2)在提高提取物得率方面:中藥甘草為豆科多年生草本植物的根及根狀莖,其提取成分甘草酸和甘草黃酮類在化妝品中均為首選的功效成分,而這兩種產品的高售價卻令工程師在部分化妝品中不得不采用其他原料對這兩個產品進行替代。超臨界CO2 萃取技術與傳統萃取方法對比發現,超臨界CO2 萃取技術萃取甘草酸的得率是傳統萃取方法的8-12 倍[5],而甘草黃酮類的萃取得率也提高1-1.5 倍[6,7],這也為這兩種原料的大規模應用打下了堅實的基礎。

      (3)在去除植物提取物異味方面:螺旋藻含豐富的蛋白質和多種生物活性成分,在化妝品中有較好的護膚能力,不但有很好的潤膚,護扶效果,同時由于螺旋藻有清除和抑制自由基的能力,故能起到防皺、防曬、抗幅射、祛斑、抗衰老的作用[8]。使用傳統方法提取的螺旋藻有較重腥味,除味后其活性成分降低,從而限制了其深加工發展。而超臨界CO2 萃取技術與其他萃取技術相結合的方法能夠很好的解決在不降低其活性成分的情況下,去除其腥味[9,10]。

      (4)植物油脂中有效成分和活性物提?。簠窝┍蟮热死贸R界技術萃取石榴籽油,石榴酸含量在80%以上[11],該結果表明超臨界CO2 萃取的石榴籽油中含有豐富的共軛不飽和脂肪酸,油脂無溶劑殘留、色澤淺,營養價值高等優點,滿足食品、醫藥保健、化妝品等行業對高品質油脂的需求。同樣通過超臨界CO2 技術萃取的川芎油和當歸油,其有效成分藁本內酯含量可以高達70%[12]。

      (5)揮發油(精油)的提取方面:精油提取一般使用溶劑浸提法,但應用傳統的提取方法會導致部分不穩定的香氣成分受熱變質,溶劑殘留以及低沸點頭香成分的損失,從而影響產品的香氣。無毒、無殘留的超臨界CO2 萃取可在室溫操作條件下將精油和特殊的香味成分同時抽出,由于揮發油沸點較低、分子量不大、極性小,在超臨界CO2 流體中有良好的溶解性能,很適于用超臨界CO2 流體提取。 張鏡澄等人通過超臨界CO2 萃取的茉莉精油 [13],其得率高于傳統的浸提法,并且香氣具有天然茉莉花花香,香氣比常用品更清新,天然感和透發性更強。

      (6)天然色素的提?。弘S著合成色素的不安全性日益受到人們的重視,世界各國使用合成色素的種類日益減少。天然色素不僅使用安全,而且具有一定的營養價值,深受消費者喜愛。以辣椒紅色素為例,采用超臨界CO2 可除去辣椒油樹脂中臭味、殘余溶劑,同時將辣椒色素分成紅、黃兩種色素且損失較少,與傳統的脫辣工藝相比,具有明顯的優勢。超臨界流體CO2 萃取技術還可以分離其它天然色素,如蕃茄紅素、可可色素和β-胡蘿卜素等[14]。

      (7)天然抗氧化劑的提?。簭拿缘闳~子中提取物的迷迭香提取物,是一種高效的天然抗氧化劑,其抗氧化效果高于VC、VE、茶多酚,以及化學抗氧化劑BHA 和BHT。由于它是天然植物來源,可以滿足消費者對干凈標簽和天然安全的需求。羅安東等人通過超臨界CO2 技術萃取迷迭香提取物[15],其有效成分(鼠尾草酸、迷迭香酸)含量高,具有抗氧化、保濕、祛斑、修復皮膚的作用,是化妝品中優良的添加劑。

      超臨界CO2 萃取技術不僅在化妝品工業中有相對廣泛的應用,在其他行業也有較大應用,如在食品工業中,對各種天然抗菌或抗氧化萃取物的加工,啤酒花的提取,色素的提取等;在醫藥工業中,對抗瘧疾新藥青蒿素的提取,生物堿類的提取等。

      超臨界CO2 流體萃取技術前景展望

      目前,國內外對SFE 技術的應用正全面開展。日本、美國等發達國家處于領先地位,在各領域不斷有新的研究成果問世。國外SFE 設備大型化,超臨界色譜分析儀也已經于日本問世。為得到更高純度的高附加值產品,對超臨界逆流萃取和分流萃取的研究日趨增多。

      以上就是關于超臨界CO2 流體萃取技術優缺點、應用、過程及影響因素的介紹,超臨界CO2 萃取作為一種新興的化工分離技術,盡管在應用過程中面臨設備一次性投資較大的問題,在操作成本上比傳統的水蒸汽蒸餾法和有機溶劑萃取法都高,但因其具有純凈、安全、保持有效成分活性、不易受熱分解、穩定性強及提取率高等優點而成為日化、食品、醫藥工業中一種具有相當發展潛力的高新提取分離方法。

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