二氧化碳超临界流体萃取技术简介.ppt
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1、超临界流体萃取技术超临界流体萃取技术(SupercriticalFluidExtraction,SFE)物质有三种状态:物质有三种状态:气态、液态、固态气态、液态、固态物质的第四态:物质的第四态:超临界状态超临界状态流体状态流体状态临界温度:临界温度:每种物质都有一个特定每种物质都有一个特定温度,在这个温度以上,无论怎样温度,在这个温度以上,无论怎样增大压强,即使密度与液态接近,增大压强,即使密度与液态接近,气态物质也不会液化。这个温度称气态物质也不会液化。这个温度称为物质的临界温度。为物质的临界温度。临界压力:临界压力:与临界温度相对应的压与临界温度相对应的压力称为临界压力。力称为临界压力。
2、临界点:临界点:物质处于临界状态下的温物质处于临界状态下的温度、压力点。度、压力点。超临界区域:超临界区域:在压温图中,高在压温图中,高于临界温度和临界压力的区域于临界温度和临界压力的区域称为超临界区域。称为超临界区域。超临界流体:超临界流体:处于超临界状态处于超临界状态时,气液界面消失,体系性质时,气液界面消失,体系性质均一,既不是气体也不是液体,均一,既不是气体也不是液体,呈流体状态,故称为超临界流呈流体状态,故称为超临界流体体试剂试剂临界温度(临界温度()临界压力临界压力(MPa)CO231.067.38甲烷甲烷-83.04.6丙烷丙烷97.04.26二氯二氟二氯二氟甲烷甲烷111.73
3、.99甲醇甲醇240.57.99乙醚乙醚193.63.68超临界流体的性质超临界流体的性质超临界流体由于处于临界温度和临超临界流体由于处于临界温度和临界压力以上,其物理性质介于气体界压力以上,其物理性质介于气体与液体之间。与液体之间。物质物质状态状态 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 1密度密度类似液体,因而溶剂化能力很强。类似液体,因而溶剂化能力很强。密度越大溶解性能越
4、好密度越大溶解性能越好2粘度粘度接近于气体,具有很好的传递性接近于气体,具有很好的传递性能和运动速度能和运动速度3扩散系数扩散系数比气体小,但比液体高一到比气体小,但比液体高一到两个数量级,具有很强的渗透能力两个数量级,具有很强的渗透能力4SCF的介电常数,极化率和分子行为的介电常数,极化率和分子行为都与气液两相均有明显差别都与气液两相均有明显差别超临界流体的性质超临界流体的性质 总之,超临界流体不仅具有液体总之,超临界流体不仅具有液体的溶解能力,也具有气体的扩散的溶解能力,也具有气体的扩散和传质能力和传质能力超临界流体萃取超临界流体萃取(SupercriticalFluidExtractio
5、n,SFE)超临界流体萃取是利用超临超临界流体萃取是利用超临界流体作萃取剂,从液体或固体界流体作萃取剂,从液体或固体中萃取出某些成分并进行分离的中萃取出某些成分并进行分离的技术。技术。超临界流体萃取技术原理超临界流体萃取技术原理 超临界萃取技术是利用流体在超临界区内,超临界萃取技术是利用流体在超临界区内,待分离混合物中的溶质在温度和压力的微待分离混合物中的溶质在温度和压力的微小变化时,其溶解度会在相当大的范围内小变化时,其溶解度会在相当大的范围内变动,从而达到分离提纯目的。在较高的变动,从而达到分离提纯目的。在较高的压力下,让溶质充分溶解于超临界流体中,压力下,让溶质充分溶解于超临界流体中,然
6、后使超临界溶液的压力降低,溶解于超然后使超临界溶液的压力降低,溶解于超临界流体中的溶质会因超临界流体的密度临界流体中的溶质会因超临界流体的密度下降,溶解度降低而析出,从而使混合物下降,溶解度降低而析出,从而使混合物分离和提纯分离和提纯超临界流体萃取过程超临界流体萃取过程 将萃取原料装入萃取釜。采用二氧化碳为超临界溶剂。二氧化碳气将萃取原料装入萃取釜。采用二氧化碳为超临界溶剂。二氧化碳气体经热交换器冷凝成液体,用加压泵把压力提升到工艺过程所需的体经热交换器冷凝成液体,用加压泵把压力提升到工艺过程所需的压力压力(应高于二氧化碳的临界压力应高于二氧化碳的临界压力),同时调节温度,使其成为超临,同时调
7、节温度,使其成为超临界二氧化碳流体。二氧化碳流体作为溶剂从萃取釜底部进入,与被界二氧化碳流体。二氧化碳流体作为溶剂从萃取釜底部进入,与被萃取物料充分接触,选择性溶解出所需的化学成分。含溶解萃取物萃取物料充分接触,选择性溶解出所需的化学成分。含溶解萃取物的高压二氧化碳流体经节流阀降压到低于二氧化碳临界压力以下进的高压二氧化碳流体经节流阀降压到低于二氧化碳临界压力以下进入分离釜入分离釜(又称解析釜又称解析釜),由于二氧化碳溶解度急剧下降而析出溶质,由于二氧化碳溶解度急剧下降而析出溶质,自动分离成溶质和二氧化碳气体二部分,前者为过程产品,定期从自动分离成溶质和二氧化碳气体二部分,前者为过程产品,定期
8、从分离釜底部放出,后者为循环二氧化碳气体,经过热交换器冷凝成分离釜底部放出,后者为循环二氧化碳气体,经过热交换器冷凝成二氧化碳液体再循环使用。整个分离过程是利用二氧化碳流体在超二氧化碳液体再循环使用。整个分离过程是利用二氧化碳流体在超临界状态下对有机物有特异增加的溶解度,而低于临界状态下对有临界状态下对有机物有特异增加的溶解度,而低于临界状态下对有机物基本不溶解的特性,将二氧化碳流体不断在萃取釜和分离釜间机物基本不溶解的特性,将二氧化碳流体不断在萃取釜和分离釜间循环,从而有效地将需要分离提取的组分从原料中分离出来。循环,从而有效地将需要分离提取的组分从原料中分离出来。超临界流体萃取的工艺流程一
9、般是超临界流体萃取的工艺流程一般是由萃取(由萃取(CO2溶解组分)和分离溶解组分)和分离(CO2和组分的分离)两步组成。和组分的分离)两步组成。包括高压泵及流体系统、萃取系统包括高压泵及流体系统、萃取系统和收集系统三个部分和收集系统三个部分 基本工艺流程基本工艺流程 超临界流体萃取的基本流程超临界流体萃取的基本流程分分离离釜釜 萃萃取取釜釜CO2热交换器热交换器压缩机压缩机高压泵高压泵 过滤器过滤器 热热交交换换器器二二氧氧化化碳碳气气瓶瓶贮贮罐罐夹夹带带剂剂罐罐萃萃取取釜釜解解析析釜釜解解析析釜釜分分离离柱柱箱箱冷冷计计量量流流泵泵压压高高泵泵压压高高 超临界流体萃取的流程超临界流体萃取的流
10、程 解析方法(一)解析方法(一)等温法等温法压力高,压力高,投资大,投资大,能耗高,能耗高,操作简单,操作简单,常温萃取常温萃取 解析方法(二)解析方法(二)等压法等压法能耗相能耗相对较少,对较少,对热敏对热敏性物质性物质有影响有影响 解析方法(三)解析方法(三)吸附法吸附法 超临界流体萃取的特点超临界流体萃取的特点1 1、具有广泛的适应性具有广泛的适应性 由于超临界状态流体溶解度特异增高的现象是普遍存在。因而由于超临界状态流体溶解度特异增高的现象是普遍存在。因而理论上超临界流体萃取技术可作为一种通用高效的分离技术而理论上超临界流体萃取技术可作为一种通用高效的分离技术而应用。应用。超临界流体萃
11、取的特点超临界流体萃取的特点2 2、萃取效率高,过程易于调节萃取效率高,过程易于调节 超临界流体兼具有气体和液体特性,因而超临界流体既有液体超临界流体兼具有气体和液体特性,因而超临界流体既有液体的溶解能力,又有气体良好的流动和传递性能。并且在临界点的溶解能力,又有气体良好的流动和传递性能。并且在临界点附近,压力和温度的少量变化有可能显著改变流体溶解能力,附近,压力和温度的少量变化有可能显著改变流体溶解能力,控制分离过程控制分离过程温度温度压压力力1.21.10.60.70.80.910.20.10.30.5各直线上数值为各直线上数值为CO2密度,密度,g/ml纯纯CO2密度与压力、温度的关系密
12、度与压力、温度的关系CO2流体密度是温度流体密度是温度与压力的函数与压力的函数在超临界区域,密度在超临界区域,密度变化幅度达到变化幅度达到3倍以上倍以上临界点附近,压力或临界点附近,压力或温度的微小变化可以温度的微小变化可以大幅度改变流体密度大幅度改变流体密度超临界流体萃取的特点超临界流体萃取的特点3 3、分离工艺简单分离工艺简单 超临界萃取只由萃取器和分离器二部分组成,不需要溶剂回收超临界萃取只由萃取器和分离器二部分组成,不需要溶剂回收设备,与传统分离工艺流程相比不但流程简化,而且节省耗能。设备,与传统分离工艺流程相比不但流程简化,而且节省耗能。5、必须在高压下操作,设备及工艺技术要求高,投
13、资比较大。4 4、分离过程有可能在接近室温下完成分离过程有可能在接近室温下完成(二氧化二氧化 碳碳),特别适用于过敏性天然产物。,特别适用于过敏性天然产物。溶剂萃取和超临界萃取的对比溶剂萃取和超临界萃取的对比 溶剂萃取超临界萃取溶剂残留不可避免溶剂残留不可避免完全无溶剂残留,洁净完全无溶剂残留,洁净存在重金属存在重金属无重金属无重金属溶剂的溶解能力为定值溶剂的溶解能力为定值溶解力随温度和压力变化溶解力随温度和压力变化可能使用高温,导致热敏物质分解可能使用高温,导致热敏物质分解通常在较低温度下,不分解通常在较低温度下,不分解存在无机盐被萃取的问题存在无机盐被萃取的问题无无机盐残留无无机盐残留溶剂
14、选择性差溶剂选择性差选择性好选择性好需要额外的操作单元来脱除溶解需要额外的操作单元来脱除溶解在线分离,有效物质收率高在线分离,有效物质收率高超临界二氧化碳超临界二氧化碳CO2CO2临界温度和压力都较低,易于工业化。临界温度和压力都较低,易于工业化。CO2CO2不可燃、无毒、化学稳定性好、易分离,不不可燃、无毒、化学稳定性好、易分离,不 会产生副反应并且廉价易得。会产生副反应并且廉价易得。CO2CO2来源于化工副产物,应用过程中易于回收,来源于化工副产物,应用过程中易于回收,能够减少温室气体的排放。能够减少温室气体的排放。超临界超临界CO2CO2的溶解能力可通过流体的压力来调节。的溶解能力可通过
15、流体的压力来调节。超临界超临界CO2CO2处理后的产物易纯化、无溶剂残留。处理后的产物易纯化、无溶剂残留。超临界超临界CO2CO2对高聚物有很强的溶胀和扩散能力。对高聚物有很强的溶胀和扩散能力。超临界超临界CO2CO2对含氟和硅聚合物具有优良的溶解性。对含氟和硅聚合物具有优良的溶解性。压缩机压缩机 萃取釜萃取釜 热交换器热交换器二氧化碳循环泵二氧化碳循环泵 萃取釜萃取釜容积容积500L美国美国SupercriticalProcessingInc(1)对脂溶性成分溶解能力较强而)对脂溶性成分溶解能力较强而对水溶性成分溶解能力较低;对水溶性成分溶解能力较低;(2)设备造价较高而导致产品成本)设备造
16、价较高而导致产品成本中的设备折旧费比例过大;中的设备折旧费比例过大;(3)更换产品时清洗设备较困难。)更换产品时清洗设备较困难。超临界超临界CO2流体萃取的局限性流体萃取的局限性超临界超临界CO2流体的溶解性能流体的溶解性能亲脂性、低沸点成分可在亲脂性、低沸点成分可在10MPa以下萃取。以下萃取。引入强极性基团(如引入强极性基团(如-OH,-COOH),),造成萃取困难。造成萃取困难。如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧化合物等,尤其天然植物中的香气成分化合物等,尤其天然植物中的香气成分在苯的衍生物范围内,有一个羰基和在苯的衍生物范围内,有一个羰基和三个以上羟基的化
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