超临界流体萃取技术课件.ppt
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1、关于超临界流体萃取技术第1页,此课件共38页哦一、超临界流体萃取的几个概念一、超临界流体萃取的几个概念物物质质的的临临界界状状态态:指指物物质质气气态态和和液液态态共共存存的的一一种种边边缘缘状状态态,在在此此状状态态下下,液液态态的的密密度度与与其其饱饱和和蒸蒸汽汽密密度度相相同同,因因此此气气液液两两态态界界面面消消失失。此此状状态态只只有有在在临临界界温温度度和和临临界界压压力力下下才才能能实实现现,如如果果气气体体处于临界温度之上,无论给予多大的压力,都不能将其液化。处于临界温度之上,无论给予多大的压力,都不能将其液化。临界点:临界点:物质处于临界状态下所在的温度、压力点。物质处于临界
2、状态下所在的温度、压力点。超超临临界界流流体体:指指处处于于超超过过物物质质本本身身临临界界温温度度和和临临界界压压力力状状态态时的流体。稳定的纯物质都有固定的临界点。时的流体。稳定的纯物质都有固定的临界点。超超临临界界流流体体萃萃取取:是是利利用用SCF作作为为萃萃取取剂剂,从从液液体体和和固固体体中中萃萃取取出特定成分,以达到某种分离的目的。出特定成分,以达到某种分离的目的。第2页,此课件共38页哦在在临临界界点点附附近近,会会出出现现流流体体的的密密度度、粘粘度度、溶溶解解度度、热热容容量量、介介电电常常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。第3页,
3、此课件共38页哦超临界流体超临界流体(SCF)的特性的特性物质状态物质状态 密度(密度(g/cm3)粘度粘度(g/cm/s)扩散系数扩散系数(cm2/s)气态(0.6-2)10-3(1-3)10-4 0.1-0.4液态0.6-1.6(0.2-3)10-2(0.2-2)10-5 SCF0.2-0.9(1-9)10-4(2-7)10-4 由以上特性可以看出,超临界流体兼有液体和气体的双重特性,扩散系数大,粘度小,渗透性好,与液体溶剂相比,可以更快地完成传质,达到平衡,促进高效分离过程的实现。第4页,此课件共38页哦某些常用流体的物理特征某些常用流体的物理特征第5页,此课件共38页哦第6页,此课件共
4、38页哦利用利用CO2 作为萃取剂主要有以下优点作为萃取剂主要有以下优点:(1)可可以以在在3540的的条条件件下下进进行行提提取取,能能够够防防止止热热敏敏性性物物质质的的变质和挥发性物质的逸散。变质和挥发性物质的逸散。(2)在在CO2气气体体笼笼罩罩下下进进行行萃萃取取,萃萃取取过过程程中中不不发发生生化化学学反反应应;又又由由于于完完全全隔隔绝绝了了空空气气中中的的氧氧,因因此此,萃萃取取物物不不会会因因氧氧化化或或化化学变化而变质。学变化而变质。(3)由由于于CO2不不具具备备可可燃燃性性,且且萃萃取取过过程程中中不不使使用用易易燃燃易易爆爆的的有有机机溶溶剂剂,相对安全。相对安全。(
5、4)CO2是是较较容容易易提提纯纯与与分分离离的的气气体体,因因此此萃萃取取物物几几乎乎无无溶溶剂剂残留残留,也避免了溶剂对人体的毒害和对环境的污染。也避免了溶剂对人体的毒害和对环境的污染。第7页,此课件共38页哦(5)萃萃取取和和分分离离合合二二为为一一,当当饱饱含含溶溶解解物物流流经经分分离离器器时时,由由于于压压力力下下降使得降使得CO2 与萃取物迅速分离与萃取物迅速分离,成为两相成为两相,故能耗较少。故能耗较少。(6)CO2无无味味、无无臭臭、无无毒毒,价价格格便便宜宜,纯纯度度高高,易易得得,且且能能够够循循环环使使用用,降低了成本。降低了成本。(7)具有杀菌和保鲜的作用。具有杀菌和
6、保鲜的作用。(8)可可以以通通过过改改变变压压力力和和调调节节温温度度来来改改变变溶溶解解性性能能,对对于于萃萃取取成成分分有有选择性。选择性。(9)扩散系数大而粘度小扩散系数大而粘度小,大大节省了萃取时间大大节省了萃取时间,萃取效率高。萃取效率高。利用利用CO2 作为萃取剂主要有以下优点作为萃取剂主要有以下优点:第8页,此课件共38页哦超临界流体萃取技术的特点超临界流体萃取技术的特点第9页,此课件共38页哦二、超临界流体萃取的原理二、超临界流体萃取的原理 超超临临界界流流体体(SCF)是是指指处处于于临临界界温温度度(Tc)和和临临界界压压力力(Pc)以以上上,其其物物理理性性质质介介于于气
7、气体体与与液液体体之之间间的的流流体体。这这种种流流体体(SCF)兼兼有有气气液液两两重重性性的的特特点点,它它既既有有与与气气体体相相当当的的高高渗渗透透能能力力和和低低的的粘粘度度,又又兼兼有有与与液液体体相相近近的的密密度度和和对对许许多多物物质质优优良良的的溶溶解解能能力力。溶溶质质在在某某溶溶剂剂中中的的溶溶解解度度与与溶溶剂剂的的密密度度呈呈正正相相关关,溶溶质质在在SCF中中的的溶溶解解度度也也与与此此类类似似。因因此此,通通过过改改变变压压力力和和温温度度,改改变变SCF的的密密度度,便便能能溶溶解解许许多多不不同同类类型型的的物物质质,达达到到选择性地提取各种类型化合物的目的
8、。选择性地提取各种类型化合物的目的。第10页,此课件共38页哦三、三、超临界流体萃取的优点超临界流体萃取的优点1.提高提高SCF的密度,可以将待分离成分溶出,降低的密度,可以将待分离成分溶出,降低SCF密度,又可密度,又可使该成分从使该成分从SCF中析出;同时,中析出;同时,SCF保持了气体具有的传递特征,比保持了气体具有的传递特征,比液体渗透得更快,能更快到达平衡。因此,超临界流体萃取效率一般液体渗透得更快,能更快到达平衡。因此,超临界流体萃取效率一般都高于液体溶剂萃取。都高于液体溶剂萃取。2.在接近临界点附近,只要温度和压力有微小变化,在接近临界点附近,只要温度和压力有微小变化,SCF的密
9、度和溶解度的密度和溶解度都会发生很大变化,比较容易控制工艺条件。都会发生很大变化,比较容易控制工艺条件。3.SCF容易从分离成分中去除,不会对产品和食品造成污染。容易从分离成分中去除,不会对产品和食品造成污染。4.选用的选用的SCF性质稳定、无腐蚀性,特别适合具有热敏性或易氧化性质稳定、无腐蚀性,特别适合具有热敏性或易氧化性的成分分离纯化。性的成分分离纯化。第11页,此课件共38页哦四、超临界流体的选择四、超临界流体的选择第12页,此课件共38页哦1.SCF临界温度要接近工艺中的操作温度(常温)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操作温度应低于被
10、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,以降低成本来源广泛,价格便宜,以降低成本常用的常用的SCF:CO2、SO2、C2H4、C3H8、C4H10、CClF3作为萃取溶剂的超临界流体必须满足以下条件:作为萃取溶剂的超临界流体必须满足以下条件:第1
11、3页,此课件共38页哦五、超临界流体萃取条件的选择五、超临界流体萃取条件的选择萃取压力:尽可能低,以降低压缩机的动力消耗萃取压力:尽可能低,以降低压缩机的动力消耗萃取温度:应低于待分离成分的分解温度萃取温度:应低于待分离成分的分解温度改性剂:非极性溶质在改性剂:非极性溶质在SCF中的溶解度有限或不溶中的溶解度有限或不溶,可可通过加入一些改性剂或有机配体来增加溶解度。改性剂一般通过加入一些改性剂或有机配体来增加溶解度。改性剂一般可以通过两种方式增加溶解度可以通过两种方式增加溶解度:(1)与溶质配位降低其极性与溶质配位降低其极性;(2)使使SCF与溶质极性相似以能够更好地溶解溶质。与溶质极性相似以
12、能够更好地溶解溶质。萃取时间:萃取时间:萃取条件的优化:萃取条件的优化:第14页,此课件共38页哦六、超临界流体工艺流程六、超临界流体工艺流程及萃取设备及萃取设备超超临临界界萃萃取取装装置置是是由由萃萃取取剂剂供供应应系系统统、低低温温系系统统、高高压压系系统统、萃萃取取系系统统、分分离离系系统统、改改性性剂剂供供应应系系统统、循循环环系系统统组组成成的的,现现代代化化的的生生产产设设备备,一一般般还还有有计计算算机机控控制制系系统统,对对生生产产过过程程实实现现微微机机自自动动监监控控,以以提提高系统的安全可靠性高系统的安全可靠性,并降低运行成本。并降低运行成本。第15页,此课件共38页哦S
13、FESFE的基本流程是:的基本流程是:由由钢瓶提供高纯液体钢瓶提供高纯液体(COCO2 2)经高压泵系统,)经高压泵系统,流入保持在一定温度流入保持在一定温度(高于(高于TcTc)下的萃取)下的萃取池。在萃取池中可溶池。在萃取池中可溶于于SCFSCF的溶质扩散分的溶质扩散分配溶解在配溶解在SCFSCF中,并随中,并随SCFSCF一起流出萃取池,一起流出萃取池,经阻尼器减压或升温经阻尼器减压或升温后进入收集器,多余后进入收集器,多余的的SCFSCF排空或循环使用。排空或循环使用。第16页,此课件共38页哦压缩机萃取釜制冷MVC-760L二氧化碳循环泵第17页,此课件共38页哦大型超临界流体萃取装
14、置第18页,此课件共38页哦七、提高萃取效率的方法七、提高萃取效率的方法提高萃取效率的方法除了适当提高萃取提高萃取效率的方法除了适当提高萃取压力压力、选取合适萃取、选取合适萃取温度温度和和增大超临界流体增大超临界流体流量流量之外之外,还可以采用加入适量的还可以采用加入适量的夹带剂夹带剂,利利用用高压电场高压电场和和超声波超声波等措施。等措施。此外此外,还有一些强化措施包括搅拌、增加流量或采用移动床还有一些强化措施包括搅拌、增加流量或采用移动床等等,这些措施都是为了达到减少萃取中外扩散阻力的目的。这些措施都是为了达到减少萃取中外扩散阻力的目的。第19页,此课件共38页哦1.超临界流体的辅助溶剂效
15、应超临界流体的辅助溶剂效应在超临界液体的萃取加工过程中在超临界液体的萃取加工过程中,如果使用单一组分的纯气体如果使用单一组分的纯气体,比如比如CO2、二氧化硫、氯氟烃等、二氧化硫、氯氟烃等,往往会遇到物料在超临界态流体中往往会遇到物料在超临界态流体中溶解度太低溶解度太低,选择性不高选择性不高,溶解度对温度、压力变化不敏感等问题溶解度对温度、压力变化不敏感等问题,使使分离操作的能耗增加分离操作的能耗增加,时间延长时间延长,产品纯度不高。因此产品纯度不高。因此,单一组分作单一组分作为超临界流体为超临界流体,在实践中表现出很大的局限性。在实践中表现出很大的局限性。所以所以,在实际操作中在实际操作中,
16、往往往往在超临界流体中添加辅助溶剂在超临界流体中添加辅助溶剂(entrainer,又称助溶剂或夹带剂又称助溶剂或夹带剂)以提高溶解度以提高溶解度,增加物质溶解度增加物质溶解度的选择性。的选择性。第20页,此课件共38页哦辅助溶剂可以多方面影响超临界流体的溶解度与选择性辅助溶剂可以多方面影响超临界流体的溶解度与选择性,以及以及其他操作性能。它首先其他操作性能。它首先改变了溶剂的密度改变了溶剂的密度,一般情况下一般情况下,少量辅少量辅助溶剂对溶剂密度的影响不大助溶剂对溶剂密度的影响不大,但是加入辅助溶剂但是加入辅助溶剂对临界参数的改对临界参数的改变变则非常显著。下表是几个超临界流体萃取辅助剂的实例
17、。则非常显著。下表是几个超临界流体萃取辅助剂的实例。第21页,此课件共38页哦被萃取物被萃取物超临界流体超临界流体辅助剂辅助剂咖啡因咖啡因CO2水水单甘酯单甘酯CO2丙酮丙酮亚麻酸亚麻酸CO2正己烷正己烷青霉素青霉素G钾盐钾盐CO2水水乙醇乙醇CO2氯化锂氯化锂豆油豆油CO2己烷己烷,乙醇乙醇菜子油菜子油CO2丙烷丙烷棕榈油棕榈油CO2乙醇乙醇EPA,DHACO2尿素尿素常见临界流体萃取辅助剂常见临界流体萃取辅助剂第22页,此课件共38页哦在选择萃取剂时应注意在选择萃取剂时应注意以下几点以下几点:(1)在萃取阶段在萃取阶段,夹带剂与溶质的相互作用是首要的夹带剂与溶质的相互作用是首要的,即夹带剂
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