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超临界流体萃取技术在化工生产中的应用

2024-11-13 112 上传者：管理员

摘要：文章先阐述了超临界流体萃取技术的相关概念，分析该技术的优势特点。在化工领域，超临界流体萃取技术被应用于天然色素、香精香料、生物活性物质、油脂、药物成分等多种化合物的提取和纯化，既能提高产品质量，又能减少环境污染和能源消耗，符合绿色化工和可持续发展的理念。并进一步分析了超临界流体萃取技术在化工生产中的具体应用，展现出该技术强大的实用性和发展潜力。

关键词：
SFE
临界温度
物理萃取分离技术
超临界流体
超临界流体萃取技术
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超临界流体萃取技术作为一种先进的分离纯化方法，在化工生产中有着广泛的应用。该技术利用超临界流体(如二氧化碳)作为溶剂，在特定温度和压力下，通过调控溶剂性质实现对目标化合物的高度选择性提取，所展现出的独特溶解能力和传质特性，有效克服了传统溶剂萃取法中溶剂残留、热稳定性差、能耗高等问题。在化工生产中，无论是食品添加剂、药品原料、化妆品成分还是能源化工原料的提取，超临界流体萃取技术都显示出了巨大优势。文章旨在概述超临界流体萃取技术在化工生产中的具体应用情况，以及其对行业绿色发展和技术创新的影响。

1、超临界流体萃取技术概念

超临界流体萃取技术(Supercritical Fluid Extraction, 简称SFE)是一种新型的物理萃取分离技术。它利用超临界流体，即处于温度高于临界温度、压力高于临界压力的热力学状态的流体作为萃取剂，从液体或固体中萃取出特定成分，以达到分离的目的[1]。作为一种高效的分离与纯化技术，可以用于从固体或液体混合物中提取特定成分。超临界流体指的是物质处于其临界温度和临界压力之上时的状态，这时物质既不完全呈现为气体，也不完全是液体，而是兼具两者的一些特性，比如具有近似气体的高扩散性和类似液体的高溶解度。

目前在使用超临界流体萃取技术时，常用的超临界流体是二氧化碳(CO2),因为它具有临界温度相对较低(约为31.1 ℃),临界压力也相对适中(约为7.38 MPa),而且无毒、不可燃、价格低廉、易于回收的特点[2]。通过调整压力和温度，可以改变超临界流体对目标化合物的溶解能力，从而实现对混合物中有选择性地萃取。

2、超临界流体萃取技术的工艺及特点

2.1 基本原理

超临界流体萃取技术的基本原理是利用物质在超临界状态下所具有的独特物理化学性质来实现分离和萃取目标化合物。超临界流体是指流体处在其临界温度和临界压力以上时的一种状态，此时流体的物理性质介于气体和液体之间，既有气体的良好流动性，又有液体较高的密度和溶解能力。在超临界流体萃取过程中，最常用的超临界流体是二氧化碳(CO2),因为它的临界温度和压力相对较低(约31.1 ℃和7.38 MPa),并且无毒、不易燃、成本低、环境友好。在实际应用中，超临界流体的溶解能力会随着温度和压力的改变而变化。通过调整这两项参数，可以控制超临界流体对不同组分的溶解性能，从而有针对性地提取目标化合物。而且根据目标化合物的极性、沸点、分子量等因素，超临界流体可以有选择性地将它们从复杂混合物中萃取出来。在萃取作业完成之后，可以通过逐步改变系统中的压力和/或温度，使超临界流体转变为常规气体，从而被萃取出来的物质得以析出并分离，实现萃取物的富集和纯化[4]。

2.2 萃取设备构成

萃取器是超临界流体萃取过程中的关键设备，其设计需要满足高压操作的要求，通常设备的压力设计会大于30 MPa。萃取器的设计还需考虑到物料的特点，因为物料大多是固体，且萃取过程中会频繁地开启顶盖进行进出料，所以萃取器的设计需要方便、安全、可靠。萃取釜是萃取器的一种，其结构的一个重要参数是长径比，这需要根据物料的形态来确定。萃取器主要分为以下几个系统：注入系统中有专门储存二氧化碳的储存罐以及高压泵，可以将二氧化碳从储罐中抽取并加压到超临界状态。萃取系统中设置萃取釜防止需要萃取的物料。反应器用于连续萃取。加热和冷却系统中有热交换器，可以用于加热或冷却超临界流体，以便精确控制萃取过程中的温度。分离系统中有分离器，当超临界流体携带溶解的物质经过萃取后，通过改变压力或温度，使得溶解的物质在此处析出并分离。然后通过过滤器对萃取出的产品进行过滤或分离纯化。

3、超临界流体萃取技术在化工生产中的具体应用

3.1 天然香精香料的提取

超临界流体萃取技术在天然香精香料的提取领域具有显著优势，这是因为超临界流体(通常为超临界二氧化碳)能够在接近室温的条件下进行操作，这极大地保留了热敏感和易挥发的芳香组分，使之在萃取过程中不受热破坏，从而保持原始原料的天然香味特征。

在具体应用中，如从桂花、茉莉花、菊花等花卉中提取花香精时，超临界流体能够穿透植物组织细胞壁，选择性地溶解并带走芳香化合物，这些化合物可能是单萜类、倍半萜类、酚类等各种类型的香味物质。通过精确调控超临界流体的压力和温度，可以根据不同的香味成分特性和溶解度差异，实现不同组分的分级萃取，从而提高产品的纯度和香气质量。

对于香辛料的提取，如胡椒、肉桂等，超临界流体萃取不仅能高效萃取其中的精油，而且能最大限度地保留其辛辣和清凉感，这在传统溶剂萃取方法中往往难以兼顾。另外，从芹菜籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取的精油除了具有强烈的香味外，往往还富含生物活性成分，具有一定的药理活性和保健功能。

啤酒花的萃取，超临界流体萃取技术解决了传统方法导致的风味损失和有机溶剂残留问题。通过超临界二氧化碳萃取，能够完整地获取啤酒花中的精油、树脂和苦味物质，生成的啤酒花浸膏不仅保持了原有的香气和苦味平衡，而且安全性更高，无溶剂残留风险，符合现代食品工业对高品质、安全和环保的要求。

欧美地区的SKW公司证明了超临界流体萃取技术在大规模生产啤酒花油上的可行性和经济效益，这也推动了该技术在全球范围内啤酒花及其他香精香料行业的广泛应用和发展。同时，由于超临界流体萃取过程相对温和，能耗较低，且大部分超临界流体(如二氧化碳)可在提取后通过减压简单转化为气体并回收再利用，因此被誉为“绿色分离技术”,在提倡可持续发展的今天更具竞争力。

3.2 天然色素的提取

由于现阶段国际市场对高品质、无污染天然色素需求的增长以及对合成色素使用的限制趋势的影响下，超临界流体萃取技术的优势也被进一步放大。该技术突破了传统溶剂法提取色素存在的诸多问题，比如纯度不高、可能带有溶剂异味以及存在溶剂残留等安全隐患。超临界流体萃取天然色素的核心在于其卓越的选择性和高效性。超临界流体(如超临界二氧化碳，SC-CO2)在临界点附近具有类似于气体的高扩散性和类似于液体的高溶解度，这意味着它可以快速渗透到植物组织内部，溶解并携带出色素分子，大大提高提取效率。由于超临界流体萃取通常在接近常温的条件下进行，特别适合于提取热敏感的天然色素，可以最大程度地保留色素的生物活性和天然色泽，避免传统高温蒸煮或有机溶剂提取造成的颜色淡化或结构破坏[5]。

以辣椒红色素为例，利用超临界二氧化碳作为萃取剂，因其具有良好的溶解能力和易于调整的物理性质(通过改变压力和温度),能够准确地选择性提取目标色素分子，同时避免对其他非目标组分的干扰，进而产出纯度高、色泽鲜艳、无残留的天然色素产品，满足严格的食品安全标准和市场需求。目前该技术不仅仅局限于天然色素的提取，还涉足能源与化工原料转化。例如，在特定高压和高温条件下，使用超临界甲苯可以促使煤炭中的有机质发生深度热分解，部分转化为液体燃料，实现煤炭资源的高效利用和清洁转化。

3.3 医药化工材料提取

通过对超临界流体萃取技术的创新研究，科研界也揭示了该技术在药用植物有效成分分离方面的巨大潜力，包括生物碱、芳香性及油性组分等复杂化合物。这种技术能够根据各组分在超临界流体中的溶解度差异，实现高效、选择性分离，提高药材的利用率和产品质量。

比如在抗生素药品的生产方面，通过SFE技术从发酵液中提取抗生素，如青霉素、头孢菌素等，避免传统方法中有机溶剂的大量使用和难去除问题，提高产品质量和生产安全性。从微生物发酵产物中提取具有药理活性的小分子化合物，如抗肿瘤肽、免疫调节剂、抗生素前体等，利用超临界流体的温和性和选择性，有效保护热敏感或易失活的生物活性物质。

利用该技术还可以从鱼油和浮游植物中萃取的ω-3脂肪酸，不仅保留了其生物活性，而且避免了传统萃取中可能产生的胆固醇污染和溶剂残留问题。

通过SCFE法从银杏叶提取银杏黄酮、鱼类组织提取多烯不饱和脂肪酸(DHA,EPA)、沙棘籽提取沙棘油、蛋黄提取卵磷脂等，均为心血管疾病的预防和治疗提供了优质的保健品原料。

还可以用于蛋白质与多肽的分离，尽管超临界流体直接提取生物大分子尚有挑战，但通过与亲和层析、离子交换等技术联用，可实现对生物活性蛋白质和多肽(如胰岛素、抗体片段、酶制剂)的高效、温和分离，减少对活性的损害。

3.4 农药残留分析

超临界流体萃取技术在农药残留分析中的应用是近年来分析化学领域的一个重要进展，该技术利用超临界二氧化碳在临界点附近的特殊溶解性能和传输特性，能够在相对温和的条件下高效、快速地从各种基质(如粮食、蔬菜、水果、土壤等)中萃取出痕量的农药残留物。超临界流体对许多农药具有较好的溶解能力，能够快速渗透样品基质，实现农药残留的高效提取，尤其是对于疏水性和非极性农药效果尤为明显。通过精确调控超临界流体的压力、温度以及加入适当的夹带剂，可以实现对不同极性农药的分级提取，提高提取物的纯度和分析的准确性。相比于传统的溶剂提取方法，超临界流体萃取对样品的热损伤小，更有利于保护农药残留物的化学结构和生物活性，保证后续检测的可靠性。目前已经被应用到农药残留的现场采样、实验室分析以及监控网络中，能够显著提高农药残留检测的速度和精度，确保食品安全和环境保护。

4、结语

超临界流体萃取技术在化工生产中起着举足轻重的作用，不仅成功应用于天然色素、香料、药物活性成分等精细化学品的高效提取和纯化，还拓展到煤炭资源的清洁利用、石油制品的深加工等多个领域。这项技术的成功应用，不仅提升了产品品质，降低了生产成本，更重要的是促进了化工产业向着更加绿色、环保和可持续的方向转型。展望未来，随着技术的不断创新和设备的不断完善，超临界流体萃取技术在化工生产中的应用将更加广泛，为解决传统化工生产面临的挑战提供强有力的解决方案，同时也将进一步推动全球化工产业的绿色可持续发展。

参考文献:

[1]郑晨明,徐庆松,李春胜,等.超临界CO2流体萃取技术应用综述[J].低温与特气,2024,42(1):12-16,23.

[2]杨科.超临界流体萃取技术在化工生产中的应用[J].山西化工,2023,43(8):109-111.

[3]李丰,毓志超,闵曼,等.超临界流体技术研究进展及在中药检测中的应用[J].广东化工,2021,48(12):106-107.

[4]诸葛成.超临界CO2流体萃取在化学工业中的应用研究[J].石化技术,2020,27(6):55-56.

[5]任文鑫,李甜甜,王愚.超临界流体萃取分离技术概述[J].现代食品,2019(22):162-163.

文章来源:王淑敏.超临界流体萃取技术在化工生产中的应用[J].聚酯工业,2024,37(06):89-91.