多通道可回收型中試亞臨界流體萃取裝置的改造及功能拓展

譚 亮，陳 濤，杲秀珍，趙 靜，賀明珠，李玉林

(1.中國科學院 西北高原生物研究所 公共技術(shù)服務中心，青海 西寧 810001；2.中國科學院 西北高原生物研究所 青海省青藏高原特色生物資源研究重點實驗室，青海 西寧 810001)

亞臨界流體萃取是一種新型的萃取與分離技術(shù)[1]. 其利用亞臨界流體的特殊性質(zhì)，物料在萃取罐內(nèi)注入亞臨界流體浸泡，在一定的料液比、萃取溫度、萃取時間、萃取壓力、萃取劑和夾帶劑及攪拌、超聲波的輔助下，依據(jù)有機物相似相溶的原理，通過萃取物料與萃取劑在浸泡過程中的分子擴散過程，達到固體物料中的脂溶性成分轉(zhuǎn)移到液態(tài)萃取劑中的萃取過程. 萃取混合液經(jīng)過固液分離后進入蒸發(fā)系統(tǒng)，在壓縮機和真空泵的作用下，根據(jù)減壓蒸發(fā)的原理將萃取劑由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)從而得到目標提取物. 該技術(shù)適合于亞臨界萃取的溶劑沸點都低于周圍的環(huán)境溫度，一般沸點在0 ℃以下，20 ℃時的液化壓力在0.8 MPa以下[2]. 目前該技術(shù)已成功應用于天然產(chǎn)物提取、食品工業(yè)、中藥(包括復方中藥)行業(yè)、動植物油脂提取、天然色素行業(yè)、天然香料行業(yè)、特種油脂提取等方面[3-7].

廣州市浩立生物科技有限公司生產(chǎn)的3×10L+1L中試亞臨界流體萃取裝置具有提取產(chǎn)品中溶劑殘留少、不會對物料中的熱敏性成分造成損害等特點，尤其適用于植物色素提取、藥材成分提取、羊毛脫脂等，脫溶過程不必對物料加熱，生產(chǎn)運行成本低. 但同時，其性能方面存在著一些缺陷：(1)萃取罐中只有一個金屬濾筐，萃取溶劑與物料內(nèi)部接觸不充分，提取時間長，由此還導致系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，波動大. (2)由于沒有萃取溶劑回收系統(tǒng)，萃取溶劑被隨意排放. 若使用液化石油氣作為萃取溶劑，存在著火災爆炸的安全隱患. 若使用1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)作為萃取溶劑，同樣存在著污染環(huán)境的問題. 因此，在現(xiàn)有儀器的基礎上，根據(jù)儀器自身的工作原理和性能指標，將金屬濾筐換成由無機材料制備成的多層不對稱結(jié)構(gòu)的復合陶瓷膜濾芯，增加了提取溶劑與物料的接觸面積，極大縮短了提取時間，提取效率提高，同時還解決了萃取溶劑堵塞現(xiàn)象，儀器穩(wěn)定可控. 同時增加萃取溶劑回收系統(tǒng)，物料脫溶氣收集、加壓、凈化后回收，保證回收溶劑的清潔、高效，達到了節(jié)能減排的目的.

1 萃取金屬濾筐改造

在原有萃取金屬濾筐的基礎上，從萃取罐的容積、物料比表面積、濾芯材料、額定進氣量等角度考慮，完成萃取濾芯的設計與選型. 萃取液與物料充分接觸，提高了相同時間內(nèi)的粗提物得率，縮短了提取時間，減少貴重藥材的裝入體積，同時還改善了萃取溶劑的堵塞現(xiàn)象，系統(tǒng)壓力波動變化小，在1.55±0.05 Mpa范圍內(nèi)波動，穩(wěn)定可控.

1.1 萃取濾芯材料的制備

工業(yè)無機多孔分離膜主要由三層結(jié)構(gòu)組成，即多孔載體、過渡層和活性分離層. 多孔載體的作用是增加膜的機械強度，需要更大的孔徑和孔隙率，增加滲透性并降低滲透阻力. 在多孔載體和活性分離層之間插入金屬和碳化硅過渡層，以防止顆粒在制備活性分離層期間滲透多孔載體. 活性分離層是通過各種方法支撐在多孔載體或過渡層上的膜層，其分離過程主要發(fā)生在該薄膜層中[8].

無機膜具有機械強度較大、耐高溫且熱穩(wěn)定性強、化學穩(wěn)定性相對較好、使用周期長、抗生物老化能力強等優(yōu)點[9]. 無機陶瓷膜的研究分為膜、支撐體的制備及膜和支撐體的結(jié)合性. 目前，國內(nèi)外眾多研究工作者在多孔陶瓷膜方面展開了一定研究，如李江等[10]以γ-Al2O3為骨料，納米α-Al2O3粉體為添加劑，氧化鎂和二氧化硅為燒結(jié)助劑，采用常壓燒結(jié)工藝制備，可以有效降低支撐體燒結(jié)溫度，降低支撐體的成本. 文獻[11-12]采用干壓成型工藝和固態(tài)粒子燒結(jié)法制成圓板型多孔α-Al2O3無機陶瓷膜支撐體，并使用浸漬提拉法涂膜. 文獻[13]則采用導電涂層的方法在多孔陶瓷膜支撐體上進行了涂層.

實際萃取濾芯的改造前后示意圖如圖1所示. 通過單因素循環(huán)、正交試驗和方差分析，確定：(1)從Al2O3粉末→造粒→壓制→燒結(jié)這個過程的最佳制備條件為：燒結(jié)溫度950 ℃，造粒粒度10 μm，造孔劑加入量30%. (2)從燒結(jié)成的Al2O3多孔陶瓷片→涂敷溶膠→干燥→燒結(jié)→非對稱性微孔復合陶瓷膜這個過程的最佳制備條件為：涂敷次數(shù)為4次，燒結(jié)溫度800 ℃，溶膠濃度0.5 g/mL.

1.2 萃取濾芯的設計定制

1.2.1 微孔復合陶瓷膜萃取濾芯

最終按照“1.1”最佳條件，一共設計了5種不同通道(3～7通道)的微孔復合陶瓷膜萃取濾芯. 濾芯配套不銹鋼固定端頭，可方便拆卸更換. 綜合萃取濾芯的公稱長度等因素，在萃取濾芯放入萃取罐之前事先加墊紫銅圈(外徑12 cm，內(nèi)徑11.3 cm，高度1.8 cm)以增加萃取濾芯與萃取罐底部的空隙，使萃取溶劑順利通過萃取罐體，減小了系統(tǒng)壓力，很好地解決了堵塞現(xiàn)象. 陶瓷膜具體技術(shù)參數(shù)如下：單通道外徑2.5 cm，單通道內(nèi)徑2.0 cm，有效膜面積0.113～0.264 m2(3～7通道)，陶瓷膜材質(zhì)孔徑6 μm，強度：耐內(nèi)壓1.5 MPa，耐外壓1.6 MPa，適用溫度0～400 ℃，單通道公稱長度：60.0 cm.

圖1 萃取濾芯改造前后示意圖Fig. 1 Schematic diagram of extraction filter before and after modification

1.2.2 通道數(shù)對粗提物得率的影響

在確定枸杞籽粗提物得率的最佳提取工藝為提取壓力1.55 Mpa、提取溫度60 ℃、提取時間6 h、夾帶劑為80%乙醇等條件下，考察了微孔復合陶瓷膜濾芯3～7不同通道對枸杞籽粗提物得率的影響，試驗結(jié)果如圖2所示. 由圖2可見，隨著萃取濾芯通道數(shù)逐漸增加，濾芯重量和裝樣量也隨之增加，粗提物得率變化不大，無顯著性差異(P>0.05)，提取時間逐漸延長，但是7通道萃取濾芯的提取時間顯著增加(P<0.05). 分析其原因是7通道濾芯重量和裝樣量均為最大，裝入萃取罐時與萃取罐底部接觸過于緊密，對萃取罐底部造成較大壓力，從而使得萃取溶劑出現(xiàn)一定的堵塞現(xiàn)象，萃取溶劑通過萃取罐體不順暢. 最終通過系統(tǒng)壓力、管路流量的穩(wěn)定性以及萃取時間的長短等因素，確定6通道萃取效果最佳.

圖2 不同通道微孔復合陶瓷膜濾芯重量、裝樣量、粗提物得率和提取時間曲線圖Fig. 2 Curve graph of filter weight, sample loading quantity, yield of crude extract and extraction time from different channels of microporous composite ceramic membrane filter element

2 增加萃取溶劑回收系統(tǒng)

在原有萃取工藝流程中的溶劑、萃取和分離這3部分系統(tǒng)的基礎上，新增加了萃取溶劑回收系統(tǒng)，實現(xiàn)了萃取溶劑的回收利用，達到節(jié)能減排的目的. 對于使用液化石油氣這種易燃易爆的萃取溶劑，可以極大地降低由液化石油氣排放而引起的火災爆炸的安全隱患. 此外，在溶劑回收使用前增加了氣體過濾凈化裝置，以保證回收萃取溶劑的清潔、高效. 改造后新增加的萃取溶劑回收系統(tǒng)設計示意圖如圖3所示，其中重要的部件包括驅(qū)動空氣壓縮機、氣體驅(qū)動壓縮泵、氣體過濾凈化裝置、氣體回收管路以及管路切換閥等.

圖3 改造后新增加的萃取溶劑回收系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of new added extraction solvent recovery system after modification(1) 萃取氣瓶, (2) 冷凝裝置降溫, (3) 萃取氣體儲罐, (4) 加壓泵, (5) 萃取釜串并聯(lián)系統(tǒng), (6) 換熱裝置升溫, (7) 室外驅(qū)動空氣壓縮機, (8) 氣體驅(qū)動壓縮泵, (9) 氣體過濾凈化裝置, (10) 室外真空泵組, (11) 氣體回收管路

2.1 回收系統(tǒng)中各重要部件技術(shù)參數(shù)

(1)驅(qū)動空氣壓縮機：主要包括開關(guān)總成、接線盒、全銅電機、網(wǎng)狀安全罩4部分. 型號：0.9-8/12.5，功率：7.5 KW，轉(zhuǎn)速：980 r/min，壓力：0.8 MPa，電壓：380 V，容積流量：0.9 m3/min，凈量：172 kg，儲氣罐：170 L，外形尺寸：151×56×100 cm，性能：低噪音、防爆.

(2)氣動驅(qū)動壓縮泵：其特點是自動保壓，補充泄露壓力. 操作安全，壓縮氣體驅(qū)動，無電弧和火花，可用于易燃易爆場合，且輸出壓力高. 型號：GD4，材質(zhì)：不銹鋼，驅(qū)動方式：氣液增壓，增壓比：4∶1，出口壓力：3.2 MPa，驅(qū)動接口尺寸：G 1/2，入口、出口接口尺寸： NPT 1/2，用途：特殊石油氣防爆氣體增壓泵.

(3)氣體過濾凈化裝置：全不銹鋼加強型設計，耐高壓耐腐蝕. 特殊快拆結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)圓形平蓋的快速裝卸. 結(jié)構(gòu)部件制造方便、重量輕、密封可靠、能夠簡易地更換針對石油氣雜質(zhì)以及水分的吸收材料等特點，設計示意圖如圖4所示. 殼體：不銹鋼材質(zhì)，濾網(wǎng)、排污堵頭、螺栓/螺母：304不銹鋼材質(zhì)，密封件：金屬纏繞.

(4)氣體回收管路、閥門：全304不銹鋼高壓專用無縫管、高壓專用多級閥陣.

圖4 改造后氣體過濾凈化裝置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of gas filtration and purification device after modification(91) 氣體回收管路, (92) 兩側(cè)螺栓, (93) 端蓋, (94) 螺絲, (95) 彈簧, (96) 不銹鋼板, (97) 不銹鋼微孔濾網(wǎng), (98) 吸附劑(活性炭和5A分子篩), (910) 不銹鋼微孔過濾板, (911) 不銹鋼筒體

2.2 回收系統(tǒng)中各重要部件的安裝與調(diào)試

委托廣州市浩立生物科技有限公司按照項目技術(shù)要求對儀器進行了整體安裝與調(diào)試. 經(jīng)測試,非對稱性微孔復合陶瓷膜濾芯、管路切換閥、氣體回收管路、驅(qū)動空氣壓縮機、氣動驅(qū)動壓縮泵和氣體過濾凈化裝置等各主要部件運行情況良好，部件之間的密封性好無泄露，萃取過程中的制冷、萃取和分離溫度到達時間短，系統(tǒng)壓力、管路流量穩(wěn)定可控，驅(qū)動空氣壓縮機和氣體驅(qū)動壓縮泵運行良好，并經(jīng)過氣體過濾凈化裝置能很好地將萃取溶劑回收至低溫溶媒儲罐中. 低溫溶媒儲罐的液位計靈敏，可以開展功能驗證試驗.

3 應用實例

3.1 植物中小極性粗提物得率試驗

提取壓力、提取溫度、提取時間、夾帶劑種類和濃度是粗提物得率的主要影響因素，為保證提取率高效、穩(wěn)定，更好地滿足提取要求，項目完成安裝后對上述影響提取的主要因素進行了測試. 分別采用紅果枸杞(枸杞果肉、枸杞籽)、沙棘籽和沉香等樣品，對改造完成的儀器設備開展功能驗證試驗. 參照儀器改造后我們自己制定的《3×10L+1L多通道可回收型中試亞臨界流體萃取裝置操作規(guī)程》，對上述試驗材料進行粗提物的提取，改造前后粗提物得率結(jié)果如表1所列.

表1 改造前后在相同時間內(nèi)不同試驗材料粗提物得率測定結(jié)果Table 1 Yield results of crude extract from different test materials in the same time before and after modification

結(jié)果表明：(1)改造前在相同的時間內(nèi)，枸杞果肉、枸杞籽、沙棘籽和沉香中粗提物得率依次為26.68%、11.02%、6.67%、2.57%，提取率依次為73.1%、70.7%、74.3%、69.0%，完全提取所需總時間依次為26.5、30.0、24.0、23.3 h. (2)改造后在相同的時間內(nèi)，枸杞果肉、枸杞籽、沙棘籽和沉香中粗提物得率依次為35.10%、14.87%、8.73%、3.57%，提取率依次為96.2%、95.4%、97.3%、95.7%，完全提取所需總時間依次為5.5、6.0、5.8、6.5 h. (3)與改造前相比，改造后提取時間依次縮短了79.2%、80.0%、75.8%、72.1%，在相同的時間內(nèi)提取率依次增加了31.6%、34.9%、30.9%、38.7%，提取效率由原來不到75%提高到95%以上.

3.2 儀器的穩(wěn)定性考察試驗

依據(jù)參考文獻[14]測定了不同時間點枸杞籽和沙棘籽中油分含量，依據(jù)參考文獻[15]測定了不同時間點枸杞果皮和枸杞果肉中類胡蘿卜素的含量，以考察改造后儀器的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖5～6所示.

圖5 不同時間點油分含量測定結(jié)果圖Fig. 5 Figure of oil content determination results at different time points(1) 枸杞籽, (2) 沙棘籽

圖6 不同時間點類胡蘿卜素含量測定結(jié)果圖Fig. 6 Figure of carotenoid content determination results at different time points(1) 枸杞果肉, (2) 枸杞果皮

結(jié)果顯示：枸杞籽和沙棘籽中油分含量的RSD低于2%，枸杞果皮和枸杞果肉中類胡蘿卜素含量的RSD低于1.5%，表明改造后的多通道可回收型中試亞臨界流體萃取裝置在2個月內(nèi)提取穩(wěn)定性良好.

3.3 萃取溶劑回收率試驗

以體積為10 L的萃取罐為例，裝入6通道無機非對稱復合陶瓷膜濾芯，6個濾芯通道的總體積為0.001 13 m3. 萃取結(jié)束后：(1)待低溫溶媒儲罐液位表指示低于30 mm時，關(guān)閉變頻器和高壓柱塞泵停止. (2)停止制冷和加熱，關(guān)閉恒溫槽和冷水機總開關(guān)，關(guān)閉防爆動力配電箱總開關(guān). (3)關(guān)閉分離罐與低溫溶媒儲罐之間管路切換閥，并關(guān)閉低溫溶媒儲罐與萃取罐進氣口之間管路切換閥，打開氣體驅(qū)動壓縮泵和凈化罐的流路開關(guān)，然后打開驅(qū)動空氣壓縮機(先打開最前端流路開關(guān)使其增加壓力，然后調(diào)節(jié)分閥使壓力約為30 kg/cm2)，完全放松萃取罐與分離罐之間的旋鈕以控制二者之間的壓力. 罐體剩余空間氣體為280 mm，管路中氣體為20 mm，共計300 mm，通過驅(qū)動空氣壓縮機和氣體驅(qū)動壓縮泵共同作用，可將萃取罐(此時可關(guān)閉萃取罐的加熱恒溫槽)和分離罐中280 mm的氣體回收至低溫溶媒儲罐中，計算得萃取溶劑回收率達到93.3%.

3.4 回收溶劑凈化完全程度試驗

采用文獻[14]中第一法索氏提取法對枸杞果皮、枸杞果肉、枸杞籽和沙棘籽粗提物中的油分提取后進行脂肪酸分析，以考察回收溶劑的凈化完全程度，是否存在著上述不同油料樣品提取之間的交叉污染情況. 按文獻[16]進行供試品溶液的制備，并按照標準中的色譜條件進樣測定，采用面積歸一化法計算不同樣品中脂肪酸含量，結(jié)果如表2所列，標準品和樣品的色譜圖如圖7所示.

表2 沙棘籽油、枸杞果皮油、枸杞果肉油和枸杞籽油中脂肪酸測定結(jié)果(面積百分比)Table 2 Determination results of fatty acids contents in seabuckthorn seed oil, wolfberry peel oil, wolfberry puree oil and wolfberry seed oil (area percentage) /%

注：-表示未檢出.

圖7 混合標準品(a)、沙棘籽油(b)、枸杞果皮油(c)、枸杞果泥油(d)和枸杞籽油(e)的GC色譜圖Fig. 7 GC chromatograms of mixed reference substances (a), seabuckthorn seed oil (b), wolfberry peel oil (c), wolfberry puree oil (d) and wolfberry seed oil (e)(1) 肉豆蔻酸, (2) 棕櫚酸, (3) 棕櫚油酸, (4) 硬脂酸, (5) 油酸, (6) 亞油酸, (7) 花生酸, (8) α-亞麻酸, (9) 11-二十碳一烯酸, (10) 二十碳二烯酸, (11) 二十二碳酸, (12) 芥酸, (13) 二十二碳五烯酸, (14) 二十四碳酸, (15) 二十四碳一烯酸, (16) 二十二碳五烯酸, (17) 二十二碳六烯酸

由表2結(jié)果可知：(1)沙棘籽油中含有13種脂肪酸，主要含有棕櫚酸、油酸、亞油酸和α-亞麻酸，其中含量最高為亞油酸(30.6%). (2)枸杞果皮油中含有15種脂肪酸，主要含有棕櫚酸、油酸、亞油酸、α-亞麻酸，其中含量最高為油酸(29.3%). (3)枸杞果泥油中含有13種脂肪酸，主要含有棕櫚酸、油酸、亞油酸、α-亞麻酸，其中含量最高為棕櫚酸(33.1%). (4)枸杞籽油中含有17種脂肪酸，主要含有棕櫚酸、油酸、亞油酸、α-亞麻酸，其中含量最高為油酸(30.0%). 通過使用新溶劑和回收后溶劑提取后的粗提物中的脂肪酸測定進行比較，結(jié)果表明各油料樣品中脂肪酸成分無變化，沒有增加本身不該有的脂肪酸情況，說明回收溶劑凈化完全，不存在不同樣品提取之間的交叉污染情況.

3.5 亞臨界流體R134a提取沉香油最佳工藝研究

水蒸氣蒸餾法、纖維素酶輔助提取法、動態(tài)-微波輔助法、溶劑回流提取法和超臨界CO2萃取法等已經(jīng)應用到沉香精油的提取工藝中，有亞臨界流體萃取技術(shù)應用于沉香精油的文獻報道[17]，然而對于用亞臨界流體1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)提取沉香油的最佳工藝條件考察未見有相關(guān)文獻報道. 采用亞臨界流體R134a從沉香中提取出沉香油，在單因素試驗的基礎上，通過正交試驗考察了各因素的主次關(guān)系和它們之間的綜合效應，從而優(yōu)化了萃取工藝. 利用分子分離技術(shù)對沉香油進一步精制獲得揮發(fā)性沉香和液體沉香精油，為沉香質(zhì)量控制及其資源的研究與開發(fā)利用提供了試驗依據(jù).

試驗結(jié)果表明：以沉香油提取率為指標，通過單因素試驗和五因素三水平L27(35)正交試驗的考察，確定了影響沉香油提取率的各因素主次順序：料液比>提取壓力>乙醇濃度> 提取時間>提取溫度. 在料液比1∶30、提取時間6 h、提取壓力1.55 MPa、提取溫度60 ℃、加入夾帶劑80%乙醇為最佳提取工藝條件下，沉香油提取率最高. 通過分子蒸餾的方式，得到揮發(fā)性沉香精油1.45%，液體沉香精油0.87%. 同時也說明了亞臨界流體R134a對于油分這一類極性小的物質(zhì)具有良好的選擇性和萃取率.

4 結(jié)論

對3×10L+1L中試亞臨界流體萃取裝置進行改造:(1)將金屬濾芯改造為3～7通道的非對稱性微孔復合陶瓷膜濾芯，其中單通道濾芯長度60.0 cm，外徑2.5 cm，內(nèi)徑2.0 cm，有效膜面積0.036～0.084 m2(3～7通道)，陶瓷膜材質(zhì)孔徑6 μm，強度耐內(nèi)壓1.5 MPa，耐外壓1.6 MPa，適用溫度0～400 ℃. 最終通過系統(tǒng)壓力、管路流量的穩(wěn)定性以及萃取時間的長短，確定6通道萃取效果最佳. 萃取液在膜管內(nèi)或膜外側(cè)流動與物料充分接觸，小分子的萃取液透過膜，物料被膜截留，提取率增加了30%以上，平均提取時間縮短了75%左右，提取效率由原來的不到75%提高到95%以上. 在提取效率提高的同時，多通道萃取濾芯使得物料內(nèi)部與萃取溶劑接觸良好，隨著萃取的不斷進行，萃取溶劑滲透到物料內(nèi)部的速度比較恒定，系統(tǒng)壓力波動變化小，在1.55±0.05 Mpa范圍內(nèi)波動，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定可控. (2)在萃取系統(tǒng)中新增加了由驅(qū)動空氣壓縮機、氣體驅(qū)動壓縮泵、管路切換閥、氣體回收管路等部件組成的萃取溶劑回收系統(tǒng)，實現(xiàn)了萃取溶劑的回收利用，節(jié)能減排，平均回收率在93%左右. 對于像使用液化石油氣這種易燃易爆的萃取溶劑，可以極大地降低由液化石油氣排放而引起的火災爆炸的安全隱患. 此外，在溶劑回收使用前增加了氣體過濾凈化裝置，以保證回收萃取溶劑的清潔、高效，從而實現(xiàn)了儀器的多通道可回收型升級改造，為天然產(chǎn)物有效成分的萃取與分離提供強有力的支撐.