超临界流体萃取技术在制药领域的应用

田龙（S0610207）（制药 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学专业）Ⅰ引言早在1879年，Hannay等就发现超临界流体（supercriticalfluid,SCF）具有显著的溶解能力，但超临界流体萃取（supercriticalfluidextraction,SFE）却是在近30年来迅速发展起来的一种分离技术。所谓超临界流体(SCF)是指处于临界温度和临界压力之上的物质，它是一种单一的相态，在这种状态下，流体的性质介于气体和液体之间，既具有和液体相近的密度，这就使得其对液体、固体物质的溶解能力与液体溶剂相当；又具有和气体相近的黏度和扩散系数，从而其运动速度和溶解过程的传质速率比液体溶剂提高很多。超临界流体还具有很强的可压缩性,在临界点附近,温度和压力的微小变化会引起超临界流体密度的较大变化,由此可调节其对物质的溶解能力。另外，超临界流体的表面张力几乎为零，因此它们可以进入到任何大于超临界流体分子的空间。Ⅱ超临界萃取的原理和特点超临界流体萃取技术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。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、沸点高低和相对分子质量大小不同的成分萃取出来。与一般液体相比，SFE的萃取速率和范围更为扩大，具有以下特点：①超临界萃取兼有精馏和液液萃取的某些特点。研究表明，溶质的蒸气压、极性及分子量大小均能影响溶质在超临界流体中的溶解度，组分间的分离程度由组分间的挥发度和分子间的亲和力共同决定。一般情况下，组分是按沸点高低的顺序先后被萃取出来；非极性的超临界CO2流体仅对非极性和弱极性物质具有较高的萃取能力。②超临界流体的萃取能力取决于流体密度，因而可方便地通过调节温度和压力来控制,这对保证产品质量的稳定是非常有利的。③萃取剂可循环使用，其分离与回收 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 远比精馏和液液萃取简单，且能耗较低。实际操作中，常采用等温减压或等压升温的方法，将溶质与萃取剂分离开来。④超临界流体萃取的操作温度与萃取剂的临界温度有关。例如，目前最常用的CO2萃取剂的临界温度为31.1℃，接近于室温，因而特别适合于热敏性组分的提取，且无溶剂残留。Ⅲ超临界萃取的主要影响因素超临界流体萃取是一个溶解、分离和收集的过程，因此影响超临界萃取的主要因素有：（1）被分离物质在超临界流体中的溶解度，溶解度表示流体溶解溶质的能力。溶解度的大小直接关系到超临界流体萃取的可行性。而溶解度取决于萃取介质、萃取温度和压力。①萃取介质的影响：目前最常用于超临界萃取的介质为非极性的CO2，因其临界温度（31.1℃）接近于室温，适合于热敏性组分的提取；萃取压力（7.38MPa）处于中等压力，就目前的工业水平来说一般易于实现；同时CO2具有无毒、无味、不燃、不腐蚀、价格便宜、易于精制、易于回收等优点，所以超临界CO2萃取物溶剂残留问题，属于环境无害工艺；另外，超临界CO2还具有抗氧化灭菌作用，有利于保证天然产品的质量。这一切决定了CO2作为超临界流体的优势，但是，超临界CO2不能萃取剂性较强或者是大分子量的物质，这时就要用一些畸形的萃取介质，如水、乙醇、氨、丙酮等，当然，这些机型物质也可以作为夹带剂，加入到超临界CO2中，这样就可以改善CO2的溶解能力，同时可以发挥CO2的优势。②萃取温度的影响：温度对萃取效果的影响较为复杂。例如，对于CO2在临界点附近的低压区，升高温度虽然可提高分离组分的挥发度和扩散能力，但临界二氧化碳的密度随温度升高而急剧下降，从而导致其溶解能力下降。此阶段称为“温度的负效应阶段”。在高压区，超临界二氧化碳的密度大，可压缩性小，此时升高温度CO2密度降低较少，但却显著提高了待分离组分的蒸汽压和扩散系数，从而提高了溶质的溶解能力，称为“温度正效应阶段”。对于不同组分，温度效应的范围是不同的，因此应综合考虑温度的影响，寻找最佳温度。③萃取压力的影响：萃取过程中超临界流体密度的变化直响萃取效果，萃取压力是影响超临界相密度的重要参数。根据萃取压力的变化，可将(SFE)分为三类。即高压时，（SFE）的溶解能力强，可最大限度地溶解所有成分，低压临界区仅能提取易溶解的成分或除去有害成分，中压区的选择萃取在高低压之间，可根据物料萃取的要求选择适宜的压力进行有效萃取。压力增加到一定程度后，其溶解能力增加缓慢，这是由于高压下超临界相密度随压力变化缓慢所致；另外，压力对萃取效果的影响还与溶质的性质有关。如采用CO2萃取时，对于烃类和极性低的脂溶性有机化合物，在7MPa—10MPa低压时即可进行，而对于包含羟基和氨基酸等极性功能基的有机化合物，则需提高萃取压力。（2）动力学因素，如流体流量、流体流向、固态被萃取物颗粒尺寸等。①超临界流体的流量由萃取釜内的流体和萃取釜内径决定。流量提高有利于萃取效率的提高，但流量太高，可能造成细粉的夹带、堵塞管道。因此萃取过程存在合适的流量范围；②多数文献报道，流体总是由萃取釜的底部进入，从萃取釜的顶部流出。固体颗粒在重力的作用下，自然下沉，而与流体分离。也有研究者认为流体向下流有利于萃取，因为在流体向下流的过程中，随着萃取地进行，含有溶质的流体密度增大，自动下流，含溶质的高密度流体易于从萃取釜底部流出，得到富集。③从理论上讲，颗粒越小，越有利于传质。但颗粒太小一方面易于造成细粉夹带，另一方面，颗粒细化困难和颗粒细化时产生高温，可能破坏热敏性物质。因此萃取物的具体颗粒大小通常由实验确定。Ⅳ超临界流体萃取制药领域的应用如上所述，超临界流体兼有气体和液体的优良特性，有它作为分离介质（萃取剂）的超临界萃取被认为在一定程度上综合了精馏和液液萃取两个单元操作的优点，因此SFE成为一种发展很快、应用面很广的实用新技术，可应用于食品、香料、药物有效成分的提取和药物除杂等，在此指讨论其在中药有效成分的提取和中草药除杂方面的应用。1．超临界流体萃取技术在中药有效成分提取中的应用1.1莪术挥发油的SFE提取 莪术是一味重要的中药。具有破血祛瘀、行气止痛之效。莪术油是莪术中具有药用价值的主要成分。莪术中挥发油的提取方式基本上是采用传统方法、水蒸气蒸馏法，ChenS.L等发现：与索氏提取、水蒸气蒸馏法相比，SFE萃取能力更强，效率更高。周欣等研究发现：SFE不仅比SD萃取能力更强、效率更高、提取时间短，同时还发现采用SFE提取蓬莪术中的莪术酮、莪术烯醇莪术二酮等提取率远大于SD，而这些化合物是莪术油具有抗癌作用的有效活性成分。刘娜等采用超临界CO2萃取莪术挥发油，并用GC-MS分析测定了挥发油中16种化合物；杨虎等采用了正交实验考察超临界CO2萃取莪术挥发油的萃取压、萃取温度、CO2流量对萃取率的影响，并对结果进行优化，寻找最佳工艺条件。1.2生物碱的SFE提取 生物碱是生物体内一类含氮有机物的总称，多数生物碱具有较复杂的含氮杂环结构和特殊而显著的生理作用，是中药中的重要成分之一。在植物体中，生物碱往往和植物酸性成分结合成盐存在，只有少数碱性十分弱的可以以游离态存在，或以酯或酐的形式存在。基于这些特点，用纯超临界CO2往往难以将其有效提出，故在提取前需用氨水等碱性剂碱化，使之全部转化为游离碱，同时还要使用适当的夹带剂以增强流体的溶解能力或提高选择性。近年来,有关超临界流体萃取技术提取中药中的生物碱的报道很多。原永芳等以苯作夹带剂，Ca(OH)2作碱性剂，采用超临界CO2流体对延胡索中的延胡索乙素进行萃取，整个过程只需20min即可完成。卞俊等用超临界CO2萃取洋金花中的有效成分东莨菪碱，在40℃、34.9MPa下，以0.1mL氨水作碱性剂，0.2mL作甲醇作夹带剂等条件下萃取，并用反向离子对HPLC对其定量。结果表明，不仅萃取完全而且只含较少杂质。1.3黄酮类化合物的SFE提取 中草药中的黄酮类化合物是指具有两个芳香环并成C12-C3-C6形式联结的一系列化合物。它具有降压、降血脂和抑制血小板聚集等功能，在大部分中药中均存在。黄酮类化合物的传统提取方法中较常用的有醇提取、碱水或碱醇提取、热水提取等。这些传统的提取方法都存在明显的排污量大、有效成分损失多、提取效率低、成本高等一系列缺点。超临界CO2萃取对于黄酮类化合物是一种非常有效的提取分离方法，与传统的方法相比，其流程短、萃取分离一步完成，萃取得率高，而操作时间大大缩短。干草是一种分布广泛的中草药，具有重要的药理作用。传统的萃取方法为煎煮法，由于其有效成分多为有机化合物，加热容易使其有效成分中的热敏性成分破坏，降低药效。李国钟等研究了用超临界CO2流体萃取甘草中甘草素、异甘草素、甘草查耳酮A及甘草查耳酮B有效成分，结果表明，用SFE大大提高萃取得率；银杏叶制剂因对心血管疾病的治疗和保健作用而受到广泛关注，因此对其活性成分的提取分离研究很多，邓启焕和高勇以银杏叶有效成分（银杏黄酮和内酯）的分离为对象，建立了一套超临界流体萃取用的小试、中试的实验装置和实验方法。1.4皂苷类化合物的SFE提取 皂苷类是具有复杂结构的大分子式化合物。研究表明，苷元结构对皂苷的生物活性起决定作用，皂苷类生物活性的程度，取决于从中草药材中提取皂苷类化合物的质量，采用超临界CO2萃取方法提取皂苷物质，可以在较低的温度下，提取最高浓度的产品，与常规方法提取相比，含苷成分高，无溶剂残留等。由于皂苷分子量大、极性大，一般在萃取工艺中需使用极性夹带剂，而且萃取压力和温度都高于其他中药成份的提取。张建中等用超临界CO2流体萃取技术研究了从人参中提取人参皂苷的影响因素，萃取物中人参皂苷的含量可达30%；史庆龙等探讨并确定了超临界CO2流体萃取薯蓣皂素的最佳条件，并进行了中试放大，收率高，生产周期可大大缩短；王俊等以3%的乙醇为夹带剂，在压力为35MPa、温度为40℃的条件下，用超临界CO2萃取穿山龙中的薯蓣皂苷元，结果表明该法具有速度快、收率高、提取完全等优点；何春茂等用超临界CO2萃取技术对植物黄花蒿进行了萃取研究，并考察分析了萃取压力、萃取温度、时间对产品收率的影响。1.5醌类化合物的SFE提取 醌类化合物是一类分子中具有不饱和环二酮结构的有机化合物，具有抗菌、抗氧化、抗肿瘤等多种生物活性。研究表明，超临界流体萃取技术可用于中药中醌类化合物的提取。由于多数醌及其衍生物的极性较大，因而提取时常需加入适当的夹带剂。袁海龙等以甲醇为夹带剂，利用超临界CO2萃取技术提取何首乌中的醌类活性成分，结果表明超临界CO2萃取法具有速度快、收率高、后处理简单等优点；夏开元等用超临界CO2流体萃取技术从新疆软紫草中提取了萘醌色素，全程仅2h，避免了用石油醚、甲醇等有机溶剂，且较溶剂法含较多成分。1.6香豆素和木脂素的SFE提取 香豆素是具有苯并α-吡喃酮母核的一类化合物，广泛分布于高等植物中，木脂素是一类有双分子苯丙素聚合成的天然化合物，绝大多数通过侧链β-碳原子聚合而形成，广泛分布于植物界，超临CO2萃取的技术是提取药材中香豆素和木质素的一种有效方法。香豆素和木质素通常为亲脂性成分，一般可用纯的超临CO2作为萃取剂，但对于相对分子质量较大或极性较强的成分，则需加入适当的夹带剂。王海波等用超临界CO2流体萃取法提取蛇床子的有效部位，工艺上表现出有效成分收率高，提取时间短及有效成份高度浓缩等优越性，从蛇床子中萃取出淡黄色有装液体，收率达10%。1.7其他化合物的SFE提取 除了上述的研究体系外，一些脂溶性的种子油、天然维生素、植物甾醇、酚类等药用有效成分的提取也得到了详细的研究。有关的研究实例有：科属名称药用部位提取成分豆科苦马豆种子脂肪酸木犀科连翘果实脂溶性成分菊科黄花蒿全草十八醇及谷甾醇姜科生姜根茎姜酚2．超临界流体萃取技术在中草药除杂中的应用超临界流体萃取技术除用于提取中药有效成分外，还可用于中药中有毒、有害成分的去除。Quan等利用超临界流体萃取技术去除高丽参中的有机氯杀虫剂，结果表明超临界流体萃取法比传统的索氏提取法更快、更有效。Kim等利用超临界流体萃取技术测定花粉中的有机磷农药残留，结果表明超临界流体萃取法可简化样品的预处理工艺，加快样品的测定速度。Ⅴ超临界萃取技术的展望上面的诸多实例已向人们显示，超临界萃取技术是一种符合当代绿色潮流的洁净的高效提取技术，超临界萃取技术在中药提取方面取代传统的提取分离技术确实具有诱人的应用前景。超临界萃取技术早已实现工业化，目前的趋势是向大规模、高附加值和套装工艺方向发展。目前各类报道颇多，但产业化的技术却为数不多，希望在不久的将来能形成规模生产，得到实际应用。另外，超临界CO2萃取作为一种全新的化工分离技术，也存在着一些弊端：分离过程在高压下进行，设备的一次性投资过大；萃取釜无法连续操作，造成设备的时空产率较低；过程消耗指标过高。因此在今后的研究开发中，应充分考虑过程的经济性能，充分发挥该技术的固有优点，才能真正实现工业化应用。迄今为止，有关超临界流体萃取过程的热力学及传质理论的研究还很不充分，其主要原因是高压条件下实验数据的测定比较困难。因此，应对现有的实验测试技术进行改进，以丰富和完善各种中药体系在超临界条件下的相平衡及传热、传质数据，并建立描述超临界流体萃取过程的热力学和动力学模型，从而为超临界流体萃取过程的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和优化提供理论依据。超临界流体技术以绿色、环保而受到人们的关注，它为绿色化学提供了全新的反应体系，相信随着新的技术和新的方法不断出现，新的体系不断建立，超临界流体技术必将得到迅速发展，拥有广阔的应用前景。