超临界流体萃取的基本原理（课堂PPT）

1、1超临界流体萃取的基本原理超临界流体萃取的基本原理2超临界流体萃取的基本原理超临界流体萃取的基本原理超临界流体萃取的主要影响因素超临界流体萃取的主要影响因素目录目录超临界的有关概念超临界的有关概念超临界流体的性质超临界流体的性质3有关概念什么是超临界什么是超临界：任何一种物质都存在三种相态-气相、液相、固相。三相呈平衡态共存的点叫三相点。气、液两相呈平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力。不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。超临界状态超临界状态：当物质所处的温度高于临界温度，压力大于临界压力时，该物质处于超临界状态。超临界流体超临界流体(SCF) ：是指物

2、质处在临界温度（Tc）和临界压力(Pv)以上时形成的一种特殊状态的流体。超临界流体萃取超临界流体萃取(SFE) ：是以超临界流体作为萃取剂，从固体或液体中萃取出某种溶质的单元操作过程。4当一种流体处于其当一种流体处于其临界点临界点的温度和压力之下，的温度和压力之下，则称之为超临界流体。则称之为超临界流体。无论压力多高，无论压力多高，流体都不流体都不能液化，流体的密度随压能液化，流体的密度随压力增高而增加力增高而增加超临界流体的性质超临界流体的性质 物质在三相点时，气、液、固三态处于平衡状态。 在临界点时，气、液两相呈平衡状态。 在物质的临界温度时，其气相和液相具有相同的密度。 物质处于临界点时

3、，向该状态气体加压，气体不会液化，只是密度增大，具有类似液体性质，同时还保留有气体性能6超临界流体的传递性质数据的比较超临界流体具有气体和液体的双重特性，它既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力，而且扩散系数约是液体的100倍。由于溶解过程包含分子间的相互作用和扩散作用，因而SF对许多物质有很强的溶解能力。这些特性使得超临界流体成为一种好的萃取剂。物质状态物质状态 密度（密度（g/cm-3）粘度粘度(Pa*s)扩散系数扩散系数(cm2*s-1)气态气态(0.6-2) 10-3(1-3) 10-5 0.1-0.4液态液态0.6-2(0.2-3) 1

4、0-3 (0.2-2) 10-2SCF0.2-0.5(1-3) 10-5 10-4-10-37超临界流体的性质传递性质密度接近液体萃取能力强密度接近液体萃取能力强，因为，因为溶剂化能力溶剂化能力 强，压力和温度的微小变化可导致其密度显著变化。强，压力和温度的微小变化可导致其密度显著变化。粘度接近气体传质性能好粘度接近气体传质性能好，具有很强的传递性具有很强的传递性能和运动速度。能和运动速度。超临界流体是溶解能力强、黏度低、扩散系数高的易流动的相8压力温度流体密度溶解能力溶解能力超临界流体的性质溶质在某溶剂中的溶解度与溶剂的密度呈正相关，SCF也与此类似。因此，通过改变压力和温度，改变SCF的密

5、度，便能溶解许多不同类型的物质。由于组成混合物的各个组分在SCF中溶解度的差异，达到选择性地提取各种类型化合物的目的。9超临界流体的选择相似相溶相似相溶温度温度选用的超临界流体与被萃取物质的化学性质越相似，溶解能力就越大。从操作角度看，使用超临界流体为萃取剂时的操作温度越接近临界温度，溶解能力也越大。10超临界流体的选择选择萃取剂的主要因素选择萃取剂的主要因素溶解度高，选择性好临界压力不能太高临界温度在室温附近价格便宜，容易获得化学稳定，无毒，不腐蚀设备11超临界流体的临界数据化合物化合物沸点沸点/临界临界温度温度临界压临界压力力MPa化合物化合物沸点沸点/临界临界温度温度/临界临界压力压力/

6、MPa二氧化碳二氧化碳氨氨甲烷甲烷乙烷乙烷丙烷丙烷n-丁烷丁烷n-戊烷戊烷n-己烷己烷2,3-二甲基丁烷二甲基丁烷乙烯乙烯丙烯丙烯二氯二氟甲烷二氯二氟甲烷二氯氟甲烷二氯氟甲烷-78.5-33.4-164.0-88.0-44.5-0.536.569.058.0-103.7-47.7-29.88.931.06132.3-83.032.497152.0196.6234.2226.09.592111.7178.57.3911.284.64.894.263.803.372.973.145.074.673.995.17三氯氟甲烷三氯氟甲烷一氯三氟甲烷一氯三氟甲烷1,2-二氯四氟乙烷二氯四氟乙烷甲醇甲醇乙醇

7、乙醇异丙醇异丙醇一氧化二氮一氧化二氮甲乙醚甲乙醚乙醚乙醚苯苯甲苯甲苯六氟化硫六氟化硫水水23.7-81.43.564.778.282.5-89.07.634.680.1110.6-63.8100196.628.8146.1240.5243.4235.336.5164.7193.6288.931845374.24.223.953.67.996.384.767.234.43.684.894.113.7622.0012超临界CO2流体的性质二氧化碳临界点：二氧化碳临界点：Tc=31.26、Pc=7.2MPa13超临界CO2流体的性质14超临界CO2流体的性质在临界点附近，密度有很宽的变化范围；稍微改

8、变温度、压力可使密度发生显著变化，进而大大影响溶解能力。15超临界CO2流体的性质 CO2萃取剂优点 临界温度和临界压力低(Tc=31.1，Pc=7.38MPa)，操作条件温和。CO2可看作是与水相似的无毒、廉价的有机溶剂。 CO2在使用过程中稳定、无毒、不燃烧、安全、不污染环境，且可避免产品的氧化。 CO2的萃取物中不含硝酸盐和有害的重金量，并且无有害溶剂的残留。 4. 在超临界CO2萃取时，被萃取的物质通过降低压力，或升高温度即可析出，萃取流程简单。 因此用超临界萃取方法提取天然产物时，一般用CO2作萃取剂。16超临界流体萃取夹带剂的使用在超临界状态下， CO2具有选择性溶解。SFE- C

9、O2对低分子、低极性、亲脂性、低沸点的成分表现出优异的溶解性。而对于分子量较大和极性集团较多的成分的萃取，就需加入第三组分（夹带剂），来改变原来有效成分的溶解度。常用的夹带剂有丙酮、乙醇、甲醇等。夹带剂的作用1、可以大大地增加其溶度和选择性。2、降低所需要的操作温度和压力。3、增加产量，缩短加工时间。4、提高目的物纯度。17超临界流体萃取的基本原理超临界流体萃取分离过程的原理：将超临界流体与待分离的物质接触，使待分离的物质充分溶解在超临界流体中。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，从而达到分离提纯的目的所以超临界流体萃取

10、过程是由萃取和分离组合而成的。18超临界流体萃取的传质机理用超临界 CO2从草本植物中萃取精油的研究为例来说明传质机理： 把全部植物颗粒认为是同等大小的球形颗粒。在从植物中萃取精油时， 研究发现内扩散是萃取传质的控制步骤， 还发现外扩散传质阻力模型能较好地模拟萃取过程。所以我们认为传质阻力不完全是内扩散阻力，外扩散阻力对传质也有影响。 19超临界流体萃取的传质机理超临界流体萃取固体颗粒的传质过程： (1)假设原先球形固体溶质的含量是均匀的。 (2)固体溶质与周围超临界流体接触，紧接溶剂面的那些固体上的溶质就发生溶解，固体内层仍旧保持原来的溶质含量。 (3)超临界流体向着固体扩散，溶质以扩散的方

11、式向球表面传递， 然后再以对流的方式在球的外表面上传递给超临界流体主体。20超临界流体色谱(SFC)超临界流体色谱 是指以超临界流体为流动相，以固体吸附剂(如硅胶)或键合到载体(或毛细管壁)上的高聚物为固定相的色谱。超临界流体色谱兼有气相色谱和液相色谱的特点。操作温度主要决定于所选用的流体。超临界流体容易控制和调节，在进入检测器前可以转化为气体、液体或保持其超临界流体状态，因此可与现有任何液相或气相的检测器相连接，能与多种类型检测器相匹配，扩大了它的应用范围和分类能力，在定性、定量方面有较大的选择范围。21超临界流体的主要影响因素萃取压力的影响 萃取压力是SFE最重要的参数之一，萃取温度一定时

12、，压力增大，流体密度增大，溶剂强度增强，溶剂的溶解度就增大。对于不同的物质，其萃取压力有很大的不同。22超临界流体的主要影响因素萃取温度的影响 温度对超临界流体溶解能力影响比较复杂，在一定压力下，升高温度被萃取物挥发性增加，这样就增加了被萃取物在超临界气相中的浓度，从而使萃取量增大；但另一方面，温度升高，超临界流体密度降低，从而使化学组分溶解度减小，导致萃取数减少。因此，在选择萃取温度时要综合这两个因素考虑。23超临界流体的主要影响因素 物理形态 被萃取原料可能是固体、液体或气体。气体原料一般要用固体吸附剂吸附后再进行萃取。少数液体原料能直接进行超临界二氧化碳萃取，大多数仍需首先用固体吸附剂吸

13、附。24超临界流体的主要影响因素萃取颗粒大小 粒度大小可影响提取回收率，减小样品粒度，可增加固体与溶剂的接触面积，从而使萃取速度提高。不过，粒度如过小、过细，不仅会严重堵塞筛孔，造成萃取器出口过滤网的堵塞。25CO2的流量 CO2的流量的变化对超临界萃取有两个方面的影响。 CO2的流量太大，会造成萃取器内CO2流速增加， CO2停留时间缩短，与被萃取物接触时间减少，不利于萃取率的提高。但另一方面， CO2的流量增加，可增大萃取过程的传质推动力，相应地增大传质系数，使传质速率加快，从而提高SFE的萃取能力。因此，合理选择CO2的流量在SFE中也相当重要。超临界流体的主要影响因素26超临界流体萃取与溶剂萃取相比有以下超临界流体萃取与溶剂萃取相比有以下突出的优点：突出的优点： (1)可以在接近室温可以在接近室温(35-4