中藥超臨界CO2萃取設備及技術應用

靳 杰

（神威藥業(yè)集團有限公司，河北石家莊051430）

0 引言

超臨界流體萃取技術（Supercritical Fluid Extraction，SFE）是近30年發(fā)展起來的一種新型分離技術，由于其具有操作方便、能耗低、無污染、分散能力高、制品純度高、無溶劑殘留等優(yōu)點，被稱為“綠色分離技術”。采取現(xiàn)代化的提取分離技術和制劑工藝等是中藥現(xiàn)代化的一個重要方面。目前，中藥提取的常規(guī)方法有煎煮法、水蒸餾法和溶劑浸提法等，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，超臨界流體萃取的理論和技術日漸完善。超臨界流體萃取技術成熟于20世紀80年代，并逐漸從實驗室研究走向工業(yè)化生產。由于其選擇分離效果好、提取率高、產物沒有有機溶劑殘留，有利于熱敏性物質和易氧化物質的萃取，20世紀80年代中期以來超臨界流體萃取技術逐步應用到中草藥有效成分的提取分離及分析中。

1 超臨界流體萃取技術概述

1.1 超臨界流體萃取技術的概念

超臨界流體（Supercritical Fluid，SCF或SF）是指超臨界溫度（Tc）和臨界壓力（Pc）狀態(tài)下的高密度流體，例如二氧化碳、氨氣、乙烯、丙烷、丙烯、水等。與常溫常壓下的氣體和液體比較，超臨界流體具有2個特性：（1）密度接近于液體，具有類似液體的高密度；（2）黏度接近于氣體，具有類似氣體的低黏度。因此，擴散系數(shù)約比普通液體大100倍。由于同時具有類似液體的高密度和類似氣體的低黏度，故超臨界流體既具有液體對溶質溶解度較大的特點，又具有氣體易于擴散和運動的特性，其傳質速率大大高于液相過程。

物質有其固有的臨界溫度（Tc）和臨界壓力（Pc）。圖1為臨界點附近的P-T相圖。若某物的熱力學狀態(tài)處于臨界點（Tc，Pc）之上時，物質便處于超臨界狀態(tài)。在該狀態(tài)下，它既非氣體又非液體，稱為超臨界流體（SCF）。SCF黏度小，擴散系數(shù)大，具有良好的溶解特性和傳質特征，兼有氣體和液體的優(yōu)點。SCF既有與氣體相當?shù)母邼B透力和低黏度，又兼有與液體相近的密度和對物質優(yōu)良的溶解能力，還具有比液體分子大得多的能量和作用力。超臨界流體能溶解于液相，從而降低與之相平衡的液體的黏度和表面張力，并提高整個平衡液體相的擴散系數(shù)，因而可以方便于調節(jié)溫度、壓力，使超臨界流體的密度連續(xù)變化，使溶解能力在很大范圍內得到調節(jié)。SCF對溶質的溶解度取決于其密度。密度越高，溶解度越大。當改變壓力時，其密度即發(fā)生改變，從而導致溶解度發(fā)生變化。中藥中的許多成分都能被其溶解，并且隨著壓力的增大，溶解度增加。

超臨界流體（SCF）的特性如表1所示。

表1 超臨界流體（SCF）的特性

由以上特性可以看出，超臨界流體兼有液體和氣體的雙重特性，擴散系數(shù)大、黏度小、滲透性好，與液體溶劑相比，可以更快地完成傳質，達到平衡，促進高效分離過程的實現(xiàn)。

超臨界流體萃取（SFE）是利用超臨界狀態(tài)下的流體作為萃取溶劑，從液體或固體物料中萃取出某種或某些組分的一種新型分離技術。從原料中萃取溶質，然后升高溫度或降低壓力，使溶質和溶劑分離，從而達到萃取的目的。超臨界流體可以是單一的，也可以是復合的。添加適量的夾帶劑可以大大增加其溶解性和選擇性。由于它能同時完成萃取和蒸餾操作，因此與傳統(tǒng)的分離方法相比，具有分離效率高、操作周期短、傳質速率快、滲透能力強、蒸發(fā)潛熱低、選擇性易于調節(jié)等優(yōu)點?？勺鳛槌R界萃取的溶劑種類有很多，例如二氧化碳、一氧化氮、六氟化硫、己烷、庚烷、氨、二氯二氟甲烷等，但目前研究最多的是CO2。由于CO2具有無色無毒、無腐蝕、化學惰性、使用安全、對大多數(shù)物質不反應、易制成高純度的氣體、價廉等優(yōu)點，且臨界壓力（7.37 MPa）較低、臨界溫度（31.7℃）接近于常溫，因此實用價值最大，是目前首選的清潔型工業(yè)萃取劑。

1.2 超臨界流體萃取技術的原理

在一定的溫度（Tc＝31.3℃）和壓強（Pc＝7.158 MPa）以上時，CO2將處于超臨界狀態(tài)，這時CO2的物理性質既不完全與液態(tài)相似，也不完全與氣態(tài)相似，表現(xiàn)為：（1）具有與氣態(tài)時相當?shù)臐B透力和低黏度；（2）具有與液態(tài)相近的密度和優(yōu)良的溶解能力；（3）對溶質的溶解能力取決于密度的大小，壓強或溫度的微小改變會引起密度發(fā)生明顯變化，從而導致溶解度發(fā)生變化。

圖2為加有等密度線的CO2相平衡圖。超臨界CO2流體萃?。⊿FE）分離過程的原理是利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關系，即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進行的。在超臨界狀態(tài)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大小、沸點高低和分子量大小的成分依次萃取出來。當然，對應各壓力范圍所得到的萃取物不可能是單一的，但可以通過控制條件得到最佳比例的混合成分，然后借助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體，使被萃取物質完全或基本析出，從而達到分離提純的目的，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。

圖2 加有等密度線的CO2相平衡

1.3 超臨界CO2萃取裝置介紹及工作原理

超臨界CO2流體兼具氣體和液體的特性，溶解能力強，傳質性能好，加之其無毒、惰性、無殘留等一系列優(yōu)點，以CO2為工作介質，廣泛應用于食品、香料、醫(yī)藥等行業(yè)。

萃取裝置的組成設備為二萃二分，是帶尾氣循環(huán)利用的中型生產設備，采用不銹鋼制造容器及管道。萃取裝置主要有萃取罐、預熱器、一級分離器、一級蒸發(fā)器、二級分離器、二級蒸發(fā)器、過濾器、預冷器、中間儲罐、過冷器、二氧化碳加壓泵、尾氣儲罐、冷熱水循環(huán)系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、快開提升裝置、起吊裝置、電控系統(tǒng)、操作平臺、管道等組成。萃取裝置工作原理如圖3所示。二氧化碳氣瓶儲藏的CO2經(jīng)進氣管道進入預冷器，在預冷器內換熱冷凝成液態(tài)CO2流入CO2中間儲罐。中間儲罐設有液位計，可現(xiàn)場觀察儲罐內CO2的貯量，同時也可通過控制室的顯示屏觀察儲罐內CO2的貯量。中間儲罐是內外雙層結構，外層為冷卻保溫夾套，內層為容器主體，內置溫度傳感器，頂部設置壓力傳感器和現(xiàn)場壓力表，儲罐內的壓力可分為現(xiàn)場顯示和控制室顯示。通過控制預冷器冷凍液流量，控制CO2為液態(tài)進入CO2中間儲罐。通過控制儲罐外層水夾套內冷凍液流量，也能確保儲罐內CO2始終為液態(tài)。為充分發(fā)揮二氧化碳加壓泵的效率，儲罐內的CO2在進入加壓泵前，由過冷器再次冷卻，實現(xiàn)過冷后流入加壓泵打出，進入預熱器，液態(tài)的CO2經(jīng)預熱器加熱至32℃左右（按用戶工藝要求執(zhí)行）轉化為超臨界狀態(tài)進入萃取罐。超臨界狀態(tài)的CO2在萃取罐內對物料進行萃取，達到設定的工藝參數(shù)后攜帶萃取物的CO2由調節(jié)閥控制流量進入一級分離器進行分離。在一級分離器內達到設定的工藝參數(shù)后，分離出需要的產品。根據(jù)需要將部分攜帶萃取物的超臨界CO2由調節(jié)閥控制流量大小進入二級分離器進行二次分離。在二級分離器內達到設定的工藝參數(shù)后，氣體CO2進入循環(huán)管路，進行循環(huán)萃取。

圖3 萃取裝置工作原理圖

該套設備高壓容器較多，使用過程中必須嚴格控制與其接觸的介質的氯離子含量，氯離子含量不大于25 mg/L，否則會發(fā)生危險。而且，設備使用過程中必須按壓力容器相關標準要求使用，并經(jīng)行業(yè)主管部門的定期檢驗。

2 超臨界CO2萃取技術提取中藥有效成分的特點與應用

2.1 超臨界CO2萃取技術提取中藥有效成分的特點

（1）低溫條件下萃取。超臨界CO2萃取在較低溫度（35～40℃）及CO2氣體籠罩下進行提取，可以有效地防止熱敏性成分的氧化和逸散，能較完好地保存中藥有效成分不被破壞，不發(fā)生次生化。因此，特別適合于對熱敏感性強、容易氧化分解破壞的成分的提取。

（2）使用SFE是最干凈的提取方法。CO2是一種不活潑的氣體，萃取過程中不發(fā)生化學反應，且屬于不燃性氣體，無味、無臭、無毒，而且全過程不用有機溶劑。因此，萃取物絕無殘留溶媒，同時也防止了提取過程中對人體的毒害和對環(huán)境的污染。

（3）超臨界CO2還具有抗氧化、滅菌等作用，有利于保證和提高產品的質量。

（4）提取時間快，生產周期短。超臨界CO2提取循環(huán)一開始，分離便開始進行。一般提取10 min就有成分分離析出，2～4 h左右便可完全提取。同時，它不需濃縮等步驟，即使加入夾帶劑，也可通過分離功能除去，或只需簡單濃縮。

（5）萃取和分離合二為一，當飽含溶解物流經(jīng)分離器時，由于壓力下降使得CO2與萃取物迅速成為兩相（氣液分離）而立即分開，不僅萃取效率高，而且能耗較少，節(jié)約成本。

（6）萃取能力強，提取率高。用超臨界CO2提取中藥有效成分，在最佳工藝條件下，能將所需提取的成分幾乎完全提取，從而大大提高了產品收率及資源的利用率。

（7）超臨界CO2提取工藝流程簡單，操作參數(shù)容易控制，操作方便，能保證有效成分及產品質量的穩(wěn)定性，節(jié)省大量的勞動力和有機溶劑，減少三廢污染，這無疑為中藥現(xiàn)代化提供了一種高效的提取、分離、制備及濃縮的新方法。

（8）CO2價格便宜，純度高，容易取得，且可在生產過程中循環(huán)使用，從而降低了成本。

（9）超臨界CO2還可直接從單方或復方中藥中提取不同的部位或直接提取浸膏進行藥理篩選，開發(fā)新藥，大大提高了新藥的篩選速度。此外，該方法可以提取許多傳統(tǒng)方法提不出來的物質，且較易從中藥中發(fā)現(xiàn)新成分，從而發(fā)現(xiàn)新的藥理藥性，開發(fā)新藥。

（10）超臨界CO2萃取應用于分析或與GC、IR、MS、LC等聯(lián)用成為一種高效的分析手段，將其用于中藥質量分析，能客觀地反映中藥中有效成分的真實含量。

（11）經(jīng)藥理、臨床證明，超臨界CO2提取中藥，不僅工藝上優(yōu)越，質量穩(wěn)定，且標準容易控制，其藥理、臨床效果能夠得到保證。

2.2 超臨界流體萃取技術的使用范圍

其使用范圍有：（1）萃取速度高于液體萃取，特別適合于固態(tài)物質的分離提??；（2）在接近常溫的條件下操作，能耗低于一般精餾蒸發(fā)，適合于熱敏性物質和易氧化物質的分離；（3）適合于揮發(fā)性物質的分離。

2.3 超臨界流體萃取技術在中藥提取中的應用

近年來，超臨界流體萃取研究開發(fā)仍主要集中于單味藥，而復方的研究與開發(fā)僅有少量報道。

2.3.1 在單味藥提取分離中的應用

西德Saarland大學的Stahl教授對許多藥用植物采用SFE法對其有效成分（如各種生物堿、芳香性及油性組分）實現(xiàn)了滿意的分離。日本學者宮地洋等從藥用植物蛇床子、桑白皮、甘草根、紫草、紅花、月見草中提取了有效成分。目前，為實現(xiàn)對中藥的生物堿、黃酮、皂苷類等極性大的有效成分的提取，通過添加夾帶劑及增加壓力而改善流體溶解性質的研究亦受到重視。

2.3.2 在復方提取分離中的應用

傳統(tǒng)中醫(yī)藥理論是以整體觀念為指導思想，中藥在臨床上的應用主要以復方形式給藥，復方應混合提取。復方中有效成分或有效部位組成復雜，提取難度較大，鑒別困難，如何將超臨界流體萃取應用到中藥復方的提取過程中還有一系列問題待進一步研究和探討。葛發(fā)歡等研究了復方丹參、降香的超臨界CO2萃取方法。郁威等研究了在不同工藝條件下用超臨界CO2萃取法分別對單味當歸、單味川芎和復方當歸、川芎進行萃取，結果發(fā)現(xiàn)復方產物的提取率明顯高于單味產物的提取率之和。

3 提高萃取效率的方法

提高萃取效率的方法除了適當提高萃取壓力、選取合適的萃取溫度和增大超臨界流體流量之外，還可以采用加入適量的夾帶劑、利用高壓電場和超聲波等措施。此外，還有一些強化措施，包括攪拌、增加流量或采用移動床等，都是為了達到減少萃取中外擴散阻力的目的。

3.1 超臨界流體的輔助溶劑效應

在超臨界液體的萃取加工過程中，如果使用單一組分的純氣體，比如CO2、二氧化硫、氯氟烴等，往往會遇到物料在超臨界態(tài)流體中溶解度太低、選擇性不高、溶解度對溫度、壓力變化不敏感等問題，從而使分離操作的能耗增加，時間延長，產品純度不高。因此，單一組分作為超臨界流體，在實踐中表現(xiàn)出很大的局限性。所以，在實際操作中，往往在超臨界流體中添加輔助溶劑（entrainer，又稱助溶劑或夾帶劑）以提高溶解度，增加物質溶解度的選擇性。一般情況下，少量輔助溶劑對溶劑密度的影響不大，但是加入輔助溶劑對臨界參數(shù)的改變則非常顯著。

表2為幾個超臨界流體萃取輔助劑的實例。

在選擇萃取劑時應注意以下幾點：（1）在萃取階段，夾帶劑與溶質的相互作用是首要的，即夾帶劑的加入能使溶質的溶解度較大幅度提高。（2）在溶質再生（分離）階段，夾帶劑應易于與溶質分離。（3）在分離涉及人體健康的產品時，如藥品、食品等，還需注意夾帶劑的毒性問題。

表2 常見的超臨界流體萃取輔助劑

3.2 利用高壓電場

高壓脈沖電場可顯著改善萃取溶質與膜脂等成分的互溶速率及通過細胞壁物質的傳質能力，從而提高萃取效率。寧正祥等用高壓脈沖電場強化超臨界CO2萃取荔枝種仁精油，在300 MPa以下時，高壓脈沖處理可明顯改善超臨界萃取效率，尤其是在萃取率低于80%時，高壓脈沖電場效果顯著。

3.3 利用超聲波

在超臨界流體萃取天然生物資源活性有效成分的過程中，采用強化措施減少萃取的外擴散阻力往往能取得很好的萃取效果。方瑞斌等用超聲波強化超臨界CO2萃取紫杉醇。

4 超臨界流體萃取技術存在的問題

超臨界CO2萃取技術并非是完美的，也存在著自身不可克服的問題，具體表現(xiàn)為：

（1）對極性大、分子量超過500的物質，需要夾帶劑或在很高的壓力下進行萃取，這就需要選擇合適的夾帶劑或增加高壓設備。

（2）對于成分復雜的原料，單獨采用SPE-CO2技術往往滿足不了純度的要求，需要與其他分離手段聯(lián)用。

（3）從設備上講，SFE裝置需要高壓設備，從安裝到投入使用，再到使用過程中的維護，整個過程對工程技術的要求較高，安全問題十分突出，且價格較昂貴。

（4）盡管目前實驗室進行了大量的研究，積累了一些經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，但是有關SFE技術的工業(yè)化研究還比較薄弱。要想應用到工業(yè)化大生產中，還有大量的基礎研究和化學工程方面的問題需要解決。

（5）SC-CO2萃取裝置在更換產品時清洗比較困難，萃取產物的收集必須在無菌箱中進行，存在裝卸料的連續(xù)化問題及設備一次性投資較大的問題等。

（6）超臨界萃取技術是近幾十年才發(fā)展起來的一項新技術，技術理論尚不成熟，尤其是還沒有公認的萃取過程的熱力學模型。而且工藝技術要求較高，相關的技術人員還有待培養(yǎng)，經(jīng)驗和技術資料都有待積累。

5 超臨界流體萃取技術的發(fā)展方向

超臨界流體萃取技術是近20年來國際上迅速發(fā)展的化工分離高新技術，雖然其在許多方面已得到應用，但還遠沒有發(fā)揮其應有的作用。這主要是因為目前對超臨界流體性質的認識還遠遠不夠。隨著人們認識的深入，SFE技術在中藥領域的應用正日益受到重視，從理論和應用上都已經(jīng)證明了其在中藥領域有著越來越廣泛的應用前景。

近些年來，出現(xiàn)了一些SFE技術與其他技術的在線耦合方法，如超臨界CO2流體萃取—氣相色譜聯(lián)用、超臨界CO2流體萃取—液相色譜聯(lián)用，這些聯(lián)用技術使得萃取物萃取后不用轉移即可進行直接分析，將氣相色譜或液相色譜用作檢測手段，可以充分發(fā)揮這些現(xiàn)代分析技術的優(yōu)點，對萃取效率、萃取物組分、有效成分含量以及萃取物純度等進行深入研究，進而進行準確的定量分析，并以直觀的色譜圖反映出來。除此之外，還出現(xiàn)了超臨界CO2流體萃取—紅外聯(lián)用、超臨界CO2流體萃取—質譜聯(lián)用等技術，SFE法還可以與各種分離手段聯(lián)用，出現(xiàn)了超聲強化SFE技術。這些聯(lián)用技術可以解決單獨采用SFE法萃取中藥時，由于中藥成分復雜、近似化合物多、萃取物純度不高等問題。這些新技術對于促進超臨界CO2萃取技術應用的發(fā)展具有重要意義，也是今后研究中草藥分析的發(fā)展方向之一。

超臨界CO2萃取分離技術是一項獲得健康、安全、高品質產品和對環(huán)境友好的高新技術。隨著人們對自身健康的重視和環(huán)境保護意識的日益加強，以及世界各地對藥品、食品管理衛(wèi)生越來越嚴格，預計超臨界CO2萃取分離技術在今后將得到廣泛的應用，超臨界CO2萃取產品也將成為人們首選的健康產品。

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