超臨界CO₂萃取與亞臨界流體萃取的區別

2022-01-08 阿依阿果


隨著科技的進步和社會的發展,萃取技術也在不斷更新,從傳統有機溶劑固液萃取到亞臨界萃取,再到超臨界萃取,傳統工藝方法進步的同時,也使萃取技術具有更好的經濟性和廣泛的適應性。

超臨界CO₂流體萃取(SFE):指在超臨界狀態下,將超臨界流體與待分離的物質接觸,使其有選擇性地把極性、沸點和分子量不同的物質依次萃取出來。其中,不同壓力範圍內所得到的萃取物不是單一的,但可以控制條件得到最佳比例的混合成分,然後藉助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體,被萃取物則完全或基本析出,從而達到分離提出的目的,所以超臨界CO₂流體萃取過程是由萃取和分離過程組合而成的。

物質的溫度和壓力超過其臨界溫度( Tc )與臨界壓力( Pc )時,此時的物質既不是液體,也不是氣體,但卻具有與氣體相似的低黏度以及液體相似的高密度,其性質時介於氣體與液體之間的單一相態,此時物質所處的狀態即為超臨界狀態,時包含氣體和液體的一種特殊狀態,該物質則成為超臨界流體( Supercritical fluid,簡稱SF或SCF )。

常見的超臨界流體中包括CO₂,由於其化學惰性、無毒、無臭、廉價易得、不汙染環境和產品、以及具有較低的臨界溫度(31.3℃)和臨界壓力(7.15 MPa)等性質,可在接近室溫的條件下萃取,並且不會破壞生物活性物質和熱敏性物質,是用於萃取最理想的超臨界流體。超臨界CO₂的密度接近於液體,使其具有良好的溶解性能,另一方面又具有與氣體相近的高滲透能力,使其具又良好的傳質性能。所以邊可以控制二氧化碳的溫度和溶解能力下降,有效成分便與氣態的CO₂分開,從而將有效成分提取分離出來。

研究標明,用超臨界CO₂(SC-CO₂)作溶劑對藥物、食品等的提取分離有以下獨到的優點:

SC-CO₂的臨界溫度(31.3℃)接近室溫,在溫和條件下提取可防止熱敏性物質的降解,使高沸點、低揮發度的物質遠在其沸點之下萃取出來,幾乎不會破壞產品中的有效成分;

CO₂的臨界壓力(7.15 MPa)處於中等壓力,就目前工業水平其超臨界狀態一般易於達到,操作安全;

CO₂無色、無毒、無味、不易燃易爆、不腐蝕,萃取產品無溶劑殘留,故能滿足對食品等溶劑殘留控制質量指標,不造成對人體健康的危害和對環境的汙染;

超臨界CO₂具有抗氧化滅菌作用,有利於保證和提高產品質量;

萃取速度快,效率高,且操作參數易於控制,因而能使產品質量穩定;

耗能低,SC-CO₂與萃取物分離後,只要重新壓縮就可循壞利用,耗能大大降低,節約成本;

工藝流程簡單,耗時少,幾乎不產生新的「三廢」,真正實現生產過程綠色化;

該技術選擇性好,且可通過控制壓力和溫度來改變超臨界CO₂的密度,進而改變其對物質的溶解能力,有針對性的萃取食用植物油原料中的某些成分;

從萃取到分離可一步完成,在加入夾帶劑的情況下,可通過分離或簡單濃縮的方式來實現。

亞臨界流體萃取(Sub-critical fluid extraction technology)是利用亞臨界流體作為萃取劑,在密閉、無氧、低壓的壓力容器內,依據有機物相似相溶的原理,通過萃取劑在萃取物料中的分子擴散過程,使固體物料中的脂溶性成分轉移到液態的萃取劑中,再通過減壓蒸發將萃取劑與目的產物分離,最終得到目的產物的一種新型萃取與分離技術。溶劑在高於其沸點、低於其臨界溫度的區間內,在密閉的容器裡,一定的壓力下,以液化狀態存在,被稱為該溶劑的亞臨界狀態。亞臨界狀態下的分子擴散性能增強,傳質速度加快,在萃取過程中物質的滲透性和溶解能力顯著提高,有一定的萃取選擇性,具有萃取和分離的效果。亞臨界常用溶劑有丙烷、丁烷、二甲醚、四氟乙烷、液氮等,目前用於食品生產加工的亞臨界溶劑有非極性的丁烷、丙烷,以及丁烷和丙烷的混合容積,主要用於提取物料中的脂溶性成分,有時為了增加溶劑的極性,把乙醇等極性溶劑作為夾帶劑加入到溶劑中,添加量在5%~20%。四氟乙烷和R22等溶劑只作為非食品物料的加工使用,其中四氟乙烷對萃取一些物料中的小分子揮髮油有較好的效果。

亞臨界流體萃取工藝有以下特點:

產品中溶劑殘留少。目前國內外大規模生產食用油所用的己烷萃取溶劑在油和粕中殘留的分別為50mg/kg和700mg/kg,而丁烷在油和粕中殘留分別為1mg/kg和100mg/kg。

相較於亞臨界流體萃取,超臨界CO₂具有以下優勢:

可以更好地提取揮發性物質、熱敏性物質等,且不會造成氧化酸敗,熱降解等不可逆的損傷。最大程度的保留目標物的營養價值,降低損失率,提高完整性。

超臨界狀態的CO₂兼備流體和氣體的雙重性質,依據密度變化改變其溶解性,滲透性和溶質擴散能力,並且高度選擇性的特點在一定程度上提高了各種成分的提取率。CO₂作為大氣成分,無毒無害,在實驗過程中,不存在有機溶劑的殘留問題,極大的提高了目標析出物的純淨度,防止有機溶劑對食品、人體、環境三方面的不良影響。

該項技術在密閉環境中進行,工藝流程簡單,可操作性強,理論上溶劑可源源不斷進入系統當中,也無需回收處理,降低生產期限,提高生產效率,節約成本和人力資源。

超臨界與亞臨界萃取技術的優缺點對比見上表,有研究人員通過對比超臨界與亞臨界提取紫蘇籽油的感官與理化評價及GC-MS分析其活性成分,發現超臨界萃取溫度較低,原料顆粒度更小,在萃取率相同時萃取時間更短,因此從整體來看,超臨界萃取紫蘇籽油的理化質量較好,從而也為超臨界萃取其他食用植物油奠定了基礎。

綜上所述,超臨界CO₂萃取技術具有更多的優勢,在現代更具廣闊的發展前景。

相關焦點

  • 超臨界流體萃取技術
    超臨界流體狀態,即當流體溫度和壓力處於它的臨界溫度和臨界壓力以上時,稱該流體處於超臨界狀態。換句話說,超臨界流體是物質處於其臨界點以上狀態時所呈現出的一種高壓、高密度,具有氣液兩重性的液體。超臨界流體萃取(supercritical fluid extraction)簡稱SCFE,是利用超臨界狀態的流體具有強溶解能力而對物質進行提取分類的技術。
  • 什麼是超臨界流體萃取技術?
    超臨界流體萃取是一種新型萃取分離技術。它利用超臨界流體,即處於溫度高於臨界溫度、壓力高於臨界壓力的熱力學狀態的流體作為萃取劑,從液體或固體中萃取出特定成分,以達到分離目的。超臨界流體萃取的特點是: 可調節壓力、溫度和引人夾帶劑等調整超界流體的溶解能力,並可通過逐漸密度交溫度和壓力把萃取組分引人到希望的產品中。超臨界萃取的特點決定了其應用範圍十分廣闊。
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  • 何為超臨界萃取技術
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  • 兼具液體和氣體特性的超臨界流體
    通常把處於溫度超過臨界溫度而不論其壓力和密度是否超過臨界值狀態的流體都歸之為超臨界流體。所以在超臨界狀態下溶劑的極性和溶劑化能力可以通過調節壓力而連續變化,不用改變溶劑的成分。   反應性 當溶劑的極性改變會影響其反應速率和選擇性的化學反應在超臨界流體中進行時,可以方便地通過改變壓力調控反應速率和選擇性。超臨界流體的黏度比液體小,那些受物質傳輸速率控制的液相反應在超臨界流體中進行時,反應速率會增加。
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    物理學中通常把處於溫度超過臨界溫度而不論其壓力和密度是否超過臨界值狀態的流體都歸之為超臨界流體。它基本上仍是一種氣態,但又不同於一般氣體,是一種稠密的氣態。其密度比一般氣體要大兩個數量級,與液體相近。它的粘度比液體小,但擴散速度比液體快(約兩個數量級),所以有較好的流動性和傳遞性能。
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  • 乾貨 | 快速溶劑萃取的原理和應用
    ,例如,自動索氏萃取、微波消解、超聲萃取和超臨界萃取等。值得注意的是,以上各法無論是自動索氏萃取,還是超臨界流體萃取······等,都有一個共同點,即與溫度有關。在萃取過程中,通過適當提高溫度,可以獲得較好的結果。例如,在自動索氏萃取中,由於萃取時是將樣品浸入沸騰的溶劑之中,因此,其萃取速度和效率較常規索氏萃取法快且溶劑用量少。超臨界流體萃取可通過提高萃取時的溫度使其回收率得到改善。
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    超臨界水氧化技術(點擊這裡查看詳細介紹)是指在溫度和壓力高於水的臨界溫度(374.3℃)和壓力(22.1MPa)之上的反應條件下,以超臨界水為反應介質,以空氣或氧氣為氧化劑,將水中有機汙染物徹底氧化成CO2和H2O的過程。該技術適用於處理含有機汙染物的任何廢液及廢棄固體。