实验8 超临界CO2萃取茶籽油实验

实验8 超临界CO2萃取茶籽油实验二氧化碳是一种很常见的气体，但是过多的二氧化碳会造成“温室效应”，因此充分利用二氧化碳具有重要意义。

传统的二氧化碳利用技术主要是用于生产干冰（灭火用）或作为食品添加剂等。

目前国内外正在致力于发展一种新型的二氧化碳利用技术──CO2超临界萃取技术。

运用该技术可生产高附加值的产品，可提取过去用化学方法无法提取的物质，且廉价、无毒、安全、高效；适用于化工、医药、食品等工业。

二氧化碳在温度高于临界温度Tc=31.26℃、压力高于临界压力Pc=7.2MPa的状态下，性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力。

用它可溶解多种物质，然后提取其中的有效成分，具有广泛的应用前景。

传统提取物质中有效成份的方法，如水蒸汽蒸馏法、减压蒸馏法、溶剂萃取法等，其工艺复杂、产品纯度不高，而且易残留有害物质。

超临界流体萃取是一种新型的分离技术，它是利用流体在超临界状态时具有密度大、粘度小、扩散系数大等优良的传质特性而成功开发的。

它具有提取率高、产品纯度好、流程简单、能耗低等优点。

CO2- SFE技术由于温度低，系统密闭，可大量保存对热不稳定及易氧化的挥发性成分，为中药挥发性成分的提取分离提供了目前最先进的方法。

一、实验目的与要求1．通过实验了解超临界CO2萃取的原理和特点；2．熟悉超临界萃取设备的构造，掌握超临界CO2萃取中药挥发性成分的操作方法。

3. 掌握用正交实验来设计实验方案。

二、实验原理1、超临界流体定义任何一种物质都存在三种相态-气相、液相、固相。

三相成平衡态共存的点叫三相点。

液、气两相成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。

超临界流体(Supercritical fluid，SCF)技术中的SCF是指温度和压力均高于临界点的流体，如二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。

高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。

处于超临界状态时，气液两相性质非常相近，以至无法分别，所以称之为SCF。

目前研究较多的超临界流体是二氧化碳，因其具有无毒、不燃烧、对大部分物质不反应、价廉等优点，最为常用。

在超临界状态下，CO2流体兼有气液两相的双重特点，既具有与气体相当的高扩散系数和低粘度，又具有与液体相近的密度和物质良好的溶解能力。

其密度对温度和压力变化十分敏感，且与溶解能力在一定压力范围内成比例，所以可通过控制温度和压力改变物质的溶解度。

2、超临界流体萃取的基本原理超临界流体萃取分离过程是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。

当气体处于超临界状态时，成为性质介于液体和气体之间的单一相态，具有和液体相近的密度，粘度虽高于气体但明显低于液体，扩散系数为液体的10～100倍；因此对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力，能够将物料中某些成分提取出来。

在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来。

并且超临界流体的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加，极性增大，利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。

当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过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，被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取分离两过程合为一体，这就是超临界流体萃取分离的基本原理。

（1）超临界CO2的溶解能力超临界状态下，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性、沸点和分子量密切相关，一般来说有以下规律：1) 亲脂性、低沸点成分可在低压萃取(104Pa)，如挥发油、烃、酯等。

2) 化合物的极性基团越多，就越难萃取。

3) 化合物的分子量越高，越难萃取。

（2）超临界CO2的特点超临界CO2成为目前最常用的萃取剂，它具有以下特点：1) CO2临界温度为31.26℃，临界压力为7.2MPa，临界条件容易达到。

2) CO2化学性质不活波，无色无味无毒，安全性好。

3) 价格便宜，纯度高，容易获得。

因此，CO2特别适合天然产物有效成分的提取。

（3）超临界CO2萃取的特点萃取和分离合二为一，当饱含溶解物的二氧化碳超临界流体流经分离器时，由于压力下降使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开，不存在物料的相变过程，不需回收溶剂，操作方便；不仅萃取效率高，而且能耗较少，节约成本。

压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数。

临界点附近，温度压力的微小变化，都会引起CO2密度显著变化，从而引起待萃物的溶解度发生变化，可通过控制温度或压力的方法达到萃取目的。

压力固定，改变温度可将物质分离；反之温度固定，降低压力使萃取物分离；因此工艺流程短、耗时少。

对环境无污染，萃取流体可循环使用，真正实现生产过程绿色化。

萃取温度低，CO2的临界温度为31.265℃，临界压力为7.18MPa，可以有效地防止热敏性成分的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸点，低挥发度、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来。

临界CO2流体常态下是气体，无毒，与萃取成分分离后，完全没有溶剂的残留，有效地避免了传统提取条件下溶剂毒性的残留。

同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，100%的纯天然。

超临界流体的极性可以改变，一定温度条件下，只要改变压力或加入适宜的夹带剂即可提取不同极性的物质，可选择范围广。

三、工艺条件的选择在超临界CO2萃取工艺中，影响萃取率的主要因素有萃取压力、萃取温度、萃取时间、CO2流量、原料中水分含量、原料粒度及其堆积度、夹带剂等。

为简化实验，我们仅考虑主要影响因素：压力、温度、时间。

参考有关资料现选取的工艺条件为萃取压力：20~30Mpa,萃取温度40~60℃，萃取时间90~150Min.依此，设计三因素三水平正交实验表。

正交实验设计表水平因素A压力/Mpa B温度/℃C时间/Min1 20 40 902 25 50 120四、实验装置、流程与试剂1、实验原料和仪器原材料：食用CO2，食用酒精，油茶籽仁仪器: 江苏南通HA21-50-06型超临界萃取装置该装置的主要构成HA21-50-06型超临界萃取装置由下列部分组成: 气瓶(用户自备)、制冷装置、温度控显系统、安全保护装置、携带剂罐、净化器、混合器、热交换器、贮罐、最大流量为50L/h的双柱塞泵(主泵)，最大流量为4L/h的双柱塞泵(副泵)、5L/50Kpa 1L/50MPa萃取缸、1L/30Mpa、2L/30Mpa分离器、精馏柱、电控柜、阀门、管件及柜架等组成，具体流程见后面示意图。

2、实验方法（1）开机前的准备工作1) 首先检查电源、三相四线是否完好无缺。

2) 冷冻机及贮罐的冷却水源是否畅通，冷箱内为30%乙二醇+70%水溶液。

3) CO2气瓶压力保证在5-6Mpa的气压，且食品级纯度99.9％，净重≥22Kg。

4) 检查管路接头以及各连接部位是否牢靠。

5) 将各热箱内加入净化水、去氯离子(蒸馏水)，不宜太满，离箱盖2公分左右，每次开机前都要查水位。

6) 萃取原料装入料筒，原料不应安装太满，离过滤网2-3公分左右。

7) 将料筒装入萃取缸，盖好压环及上堵头。

8) 如果萃取液体物料或需加入夹带剂时，将液料放入携带剂罐，可用泵压入萃取缸内。

9) 萃取缸、分离器的探头孔内需加入一定量的甘油，以提高控温的准确性。

10) 萃取缸，分离器、精馏柱加热时，萃取缸温度设定应比实际所需温度低一些，而分离器、精馏柱温度设定应比实际所需工作温度高一些。

（2）开机操作程序1) 先送空气开关，如三相电源指示灯都亮，则说明电源已接通，再起动电源的(绿色)按钮。

2) 接通制冷开关。

3) 开始加温，先将萃取缸Ⅰ或萃取Ⅱ、分离Ⅰ、分离Ⅱ的加热开关接通，将各自控温仪拨到设定位置，调整到各自所需的设定温度后，再拨到测温位置，萃取、预热器、分离Ⅰ、分离Ⅱ均有电压指示时，表明各相对应的水箱开始加热，接通贮罐水循环开关。

如果精馏柱也参加整机循环时，还需打开与精馏相应的加热开关。

4) 待冷冻机温度降到0℃左右，且萃取、预热、分离Ⅰ、分离Ⅱ、精馏柱温度接近设定的要求后，进行下列操作。

5) 将阀门2、32，23，24，25，4(6)打开，其余阀门关闭，再打开气瓶阀门(气瓶压力应达5Mpa以上)，让CO2气瓶气进入萃取缸，等压力平衡后，打开萃取缸放空阀门3或(阀门11)，慢慢放掉残留的空气，降一部分压力后关好。

6) 萃取缸可以并联使用，也可以交替使用，并联使用时，打开阀门5，阀门6，阀门4，阀门7；交替使用时，打开阀门4，阀门5，关闭阀门6，阀门7或打开阀门6，阀门7，关闭阀门4，阀门5。

7) 加压力:先将电极点拨到需要的压力(下限)，启动泵Ⅰ绿色按钮，再手按数位操作器中的绿色触摸开关RUN，如果反转时，按一下触摸开关FWD/PEV，如果流量过小时，手按触摸开关▲，泵转速加快，直至流量达到要求时松开，如果流量过大，可手按触摸开关▼，泵转速减少，直至流量降到要求时松开，数位操作器按键的详细说明，可参照变频器使用手册。

当压力加到接近设定压力(提前1Mpa左右)，开始打开萃取缸后面的节流阀门，具体怎样调节，根据下面不同流向：8) 萃取缸→分离Ⅰ→分离Ⅱ→回路9) 关闭阀门9，阀门10，阀门17，阀门20，打开阀门12，阀门16，调节阀门8可控制萃取缸的压力，微调阀门14可控制分离Ⅰ压力，调节阀门18可控制分离Ⅱ的压力。

10) 萃取缸→分离Ⅰ→分离Ⅱ→精馏柱→回路11) 关闭阀门9，阀门10 阀门18 打开阀门12 阀门16，微调阀门8可控制萃取缸的压力，微调阀门14可控制分离Ⅰ的压力，微调阀门17可控制分离Ⅱ的压力，微调阀门20可控制精馏柱的压力。

12) 萃取缸→精馏柱→分离Ⅰ→分离Ⅱ→回路13) 关闭阀门8 阀门17 阀门20，打开12 阀门16，微调阀门9可控制萃取缸的压力，微调阀门10可控制精馏柱的压力，微调阀门14可控制分离Ⅰ的压力，微调阀门18可控制分离Ⅱ的压力。

14) 中途停泵时，只需按数位操作器上的STOP键15) 萃取完成后，关闭冷冻机，泵各种加热循环开关，再关闭总电源开关，萃取缸内压力放入后面分离器或精馏柱内，待萃取缸内压力和平面平衡后，再关闭萃取缸周围的阀门，打开放空阀门3和阀门a1或打开放空阀门11和阀门a2待没有压力后，打开萃取缸盖，取出料筒为止，整个萃取过程结束。

萃取率(%)=萃取液质量(g)/原料质量(g)×100%五、实验数据处理（1）实验数据记录表实验数据表序号压力/Mpa 时间/Min 温度/℃萃取率/%1 20 90 40 38.62 20 120 50 38.83 20 150 60 38.44 25 120 40 39.55 25 150 50 37.66 25 90 60 35.27 30 150 40 36.78 30 90 50 35.79 30 120 60 37.8注意：萃取率一般为35-42%之间的某一个数字，但是9个数据一般不会相同。