中药超临界CO2萃取设备及技术应用

靳 杰

（神威药业集团有限公司，河北石家庄051430）

0 引言

超临界流体萃取技术（Supercritical Fluid Extraction，SFE）是近30年发展起来的一种新型分离技术，由于其具有操作方便、能耗低、无污染、分散能力高、制品纯度高、无溶剂残留等优点，被称为“绿色分离技术”。采取现代化的提取分离技术和制剂工艺等是中药现代化的一个重要方面。目前，中药提取的常规方法有煎煮法、水蒸馏法和溶剂浸提法等，随着现代科学技术的发展，超临界流体萃取的理论和技术日渐完善。超临界流体萃取技术成熟于20世纪80年代，并逐渐从实验室研究走向工业化生产。由于其选择分离效果好、提取率高、产物没有有机溶剂残留，有利于热敏性物质和易氧化物质的萃取，20世纪80年代中期以来超临界流体萃取技术逐步应用到中草药有效成分的提取分离及分析中。

1 超临界流体萃取技术概述

1.1 超临界流体萃取技术的概念

超临界流体（Supercritical Fluid，SCF或SF）是指超临界温度（Tc）和临界压力（Pc）状态下的高密度流体，例如二氧化碳、氨气、乙烯、丙烷、丙烯、水等。与常温常压下的气体和液体比较，超临界流体具有2个特性：（1）密度接近于液体，具有类似液体的高密度；（2）黏度接近于气体，具有类似气体的低黏度。因此，扩散系数约比普通液体大100倍。由于同时具有类似液体的高密度和类似气体的低黏度，故超临界流体既具有液体对溶质溶解度较大的特点，又具有气体易于扩散和运动的特性，其传质速率大大高于液相过程。

物质有其固有的临界温度（Tc）和临界压力（Pc）。图1为临界点附近的P-T相图。若某物的热力学状态处于临界点（Tc，Pc）之上时，物质便处于超临界状态。在该状态下，它既非气体又非液体，称为超临界流体（SCF）。SCF黏度小，扩散系数大，具有良好的溶解特性和传质特征，兼有气体和液体的优点。SCF既有与气体相当的高渗透力和低黏度，又兼有与液体相近的密度和对物质优良的溶解能力，还具有比液体分子大得多的能量和作用力。超临界流体能溶解于液相，从而降低与之相平衡的液体的黏度和表面张力，并提高整个平衡液体相的扩散系数，因而可以方便于调节温度、压力，使超临界流体的密度连续变化，使溶解能力在很大范围内得到调节。SCF对溶质的溶解度取决于其密度。密度越高，溶解度越大。当改变压力时，其密度即发生改变，从而导致溶解度发生变化。中药中的许多成分都能被其溶解，并且随着压力的增大，溶解度增加。

超临界流体（SCF）的特性如表1所示。

表1 超临界流体（SCF）的特性

由以上特性可以看出，超临界流体兼有液体和气体的双重特性，扩散系数大、黏度小、渗透性好，与液体溶剂相比，可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。

超临界流体萃取（SFE）是利用超临界状态下的流体作为萃取溶剂，从液体或固体物料中萃取出某种或某些组分的一种新型分离技术。从原料中萃取溶质，然后升高温度或降低压力，使溶质和溶剂分离，从而达到萃取的目的。超临界流体可以是单一的，也可以是复合的。添加适量的夹带剂可以大大增加其溶解性和选择性。由于它能同时完成萃取和蒸馏操作，因此与传统的分离方法相比，具有分离效率高、操作周期短、传质速率快、渗透能力强、蒸发潜热低、选择性易于调节等优点。可作为超临界萃取的溶剂种类有很多，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具有无色无毒、无腐蚀、化学惰性、使用安全、对大多数物质不反应、易制成高纯度的气体、价廉等优点，且临界压力（7.37 MPa）较低、临界温度（31.7℃）接近于常温，因此实用价值最大，是目前首选的清洁型工业萃取剂。

1.2 超临界流体萃取技术的原理

在一定的温度（Tc＝31.3℃）和压强（Pc＝7.158 MPa）以上时，CO2将处于超临界状态，这时CO2的物理性质既不完全与液态相似，也不完全与气态相似，表现为：（1）具有与气态时相当的渗透力和低黏度；（2）具有与液态相近的密度和优良的溶解能力；（3）对溶质的溶解能力取决于密度的大小，压强或温度的微小改变会引起密度发生明显变化，从而导致溶解度发生变化。

图2为加有等密度线的CO2相平衡图。超临界CO2流体萃取（SFE）分离过程的原理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，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。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，使被萃取物质完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以超临界CO2流体萃取过程是由萃取和分离过程组合而成的。

图2 加有等密度线的CO2相平衡

1.3 超临界CO2萃取装置介绍及工作原理

超临界CO2流体兼具气体和液体的特性，溶解能力强，传质性能好，加之其无毒、惰性、无残留等一系列优点，以CO2为工作介质，广泛应用于食品、香料、医药等行业。

萃取装置的组成设备为二萃二分，是带尾气循环利用的中型生产设备，采用不锈钢制造容器及管道。萃取装置主要有萃取罐、预热器、一级分离器、一级蒸发器、二级分离器、二级蒸发器、过滤器、预冷器、中间储罐、过冷器、二氧化碳加压泵、尾气储罐、冷热水循环系统、清洗系统、快开提升装置、起吊装置、电控系统、操作平台、管道等组成。萃取装置工作原理如图3所示。二氧化碳气瓶储藏的CO2经进气管道进入预冷器，在预冷器内换热冷凝成液态CO2流入CO2中间储罐。中间储罐设有液位计，可现场观察储罐内CO2的贮量，同时也可通过控制室的显示屏观察储罐内CO2的贮量。中间储罐是内外双层结构，外层为冷却保温夹套，内层为容器主体，内置温度传感器，顶部设置压力传感器和现场压力表，储罐内的压力可分为现场显示和控制室显示。通过控制预冷器冷冻液流量，控制CO2为液态进入CO2中间储罐。通过控制储罐外层水夹套内冷冻液流量，也能确保储罐内CO2始终为液态。为充分发挥二氧化碳加压泵的效率，储罐内的CO2在进入加压泵前，由过冷器再次冷却，实现过冷后流入加压泵打出，进入预热器，液态的CO2经预热器加热至32℃左右（按用户工艺要求执行）转化为超临界状态进入萃取罐。超临界状态的CO2在萃取罐内对物料进行萃取，达到设定的工艺参数后携带萃取物的CO2由调节阀控制流量进入一级分离器进行分离。在一级分离器内达到设定的工艺参数后，分离出需要的产品。根据需要将部分携带萃取物的超临界CO2由调节阀控制流量大小进入二级分离器进行二次分离。在二级分离器内达到设定的工艺参数后，气体CO2进入循环管路，进行循环萃取。

图3 萃取装置工作原理图

该套设备高压容器较多，使用过程中必须严格控制与其接触的介质的氯离子含量，氯离子含量不大于25 mg/L，否则会发生危险。而且，设备使用过程中必须按压力容器相关标准要求使用，并经行业主管部门的定期检验。

2 超临界CO2萃取技术提取中药有效成分的特点与应用

2.1 超临界CO2萃取技术提取中药有效成分的特点

（1）低温条件下萃取。超临界CO2萃取在较低温度（35～40℃）及CO2气体笼罩下进行提取，可以有效地防止热敏性成分的氧化和逸散，能较完好地保存中药有效成分不被破坏，不发生次生化。因此，特别适合于对热敏感性强、容易氧化分解破坏的成分的提取。

（2）使用SFE是最干净的提取方法。CO2是一种不活泼的气体，萃取过程中不发生化学反应，且属于不燃性气体，无味、无臭、无毒，而且全过程不用有机溶剂。因此，萃取物绝无残留溶媒，同时也防止了提取过程中对人体的毒害和对环境的污染。

（3）超临界CO2还具有抗氧化、灭菌等作用，有利于保证和提高产品的质量。

（4）提取时间快，生产周期短。超临界CO2提取循环一开始，分离便开始进行。一般提取10 min就有成分分离析出，2～4 h左右便可完全提取。同时，它不需浓缩等步骤，即使加入夹带剂，也可通过分离功能除去，或只需简单浓缩。

（5）萃取和分离合二为一，当饱含溶解物流经分离器时，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，不仅萃取效率高，而且能耗较少，节约成本。

（6）萃取能力强，提取率高。用超临界CO2提取中药有效成分，在最佳工艺条件下，能将所需提取的成分几乎完全提取，从而大大提高了产品收率及资源的利用率。

（7）超临界CO2提取工艺流程简单，操作参数容易控制，操作方便，能保证有效成分及产品质量的稳定性，节省大量的劳动力和有机溶剂，减少三废污染，这无疑为中药现代化提供了一种高效的提取、分离、制备及浓缩的新方法。

（8）CO2价格便宜，纯度高，容易取得，且可在生产过程中循环使用，从而降低了成本。

（9）超临界CO2还可直接从单方或复方中药中提取不同的部位或直接提取浸膏进行药理筛选，开发新药，大大提高了新药的筛选速度。此外，该方法可以提取许多传统方法提不出来的物质，且较易从中药中发现新成分，从而发现新的药理药性，开发新药。

（10）超临界CO2萃取应用于分析或与GC、IR、MS、LC等联用成为一种高效的分析手段，将其用于中药质量分析，能客观地反映中药中有效成分的真实含量。

（11）经药理、临床证明，超临界CO2提取中药，不仅工艺上优越，质量稳定，且标准容易控制，其药理、临床效果能够得到保证。

2.2 超临界流体萃取技术的使用范围

其使用范围有：（1）萃取速度高于液体萃取，特别适合于固态物质的分离提取；（2）在接近常温的条件下操作，能耗低于一般精馏蒸发，适合于热敏性物质和易氧化物质的分离；（3）适合于挥发性物质的分离。

2.3 超临界流体萃取技术在中药提取中的应用

近年来，超临界流体萃取研究开发仍主要集中于单味药，而复方的研究与开发仅有少量报道。

2.3.1 在单味药提取分离中的应用

西德Saarland大学的Stahl教授对许多药用植物采用SFE法对其有效成分（如各种生物碱、芳香性及油性组分）实现了满意的分离。日本学者宫地洋等从药用植物蛇床子、桑白皮、甘草根、紫草、红花、月见草中提取了有效成分。目前，为实现对中药的生物碱、黄酮、皂苷类等极性大的有效成分的提取，通过添加夹带剂及增加压力而改善流体溶解性质的研究亦受到重视。

2.3.2 在复方提取分离中的应用

传统中医药理论是以整体观念为指导思想，中药在临床上的应用主要以复方形式给药，复方应混合提取。复方中有效成分或有效部位组成复杂，提取难度较大，鉴别困难，如何将超临界流体萃取应用到中药复方的提取过程中还有一系列问题待进一步研究和探讨。葛发欢等研究了复方丹参、降香的超临界CO2萃取方法。郁威等研究了在不同工艺条件下用超临界CO2萃取法分别对单味当归、单味川芎和复方当归、川芎进行萃取，结果发现复方产物的提取率明显高于单味产物的提取率之和。

3 提高萃取效率的方法

提高萃取效率的方法除了适当提高萃取压力、选取合适的萃取温度和增大超临界流体流量之外，还可以采用加入适量的夹带剂、利用高压电场和超声波等措施。此外，还有一些强化措施，包括搅拌、增加流量或采用移动床等，都是为了达到减少萃取中外扩散阻力的目的。

3.1 超临界流体的辅助溶剂效应

在超临界液体的萃取加工过程中，如果使用单一组分的纯气体，比如CO2、二氧化硫、氯氟烃等，往往会遇到物料在超临界态流体中溶解度太低、选择性不高、溶解度对温度、压力变化不敏感等问题，从而使分离操作的能耗增加，时间延长，产品纯度不高。因此，单一组分作为超临界流体，在实践中表现出很大的局限性。所以，在实际操作中，往往在超临界流体中添加辅助溶剂（entrainer，又称助溶剂或夹带剂）以提高溶解度，增加物质溶解度的选择性。一般情况下，少量辅助溶剂对溶剂密度的影响不大，但是加入辅助溶剂对临界参数的改变则非常显著。

表2为几个超临界流体萃取辅助剂的实例。

在选择萃取剂时应注意以下几点：（1）在萃取阶段，夹带剂与溶质的相互作用是首要的，即夹带剂的加入能使溶质的溶解度较大幅度提高。（2）在溶质再生（分离）阶段，夹带剂应易于与溶质分离。（3）在分离涉及人体健康的产品时，如药品、食品等，还需注意夹带剂的毒性问题。

表2 常见的超临界流体萃取辅助剂

3.2 利用高压电场

高压脉冲电场可显著改善萃取溶质与膜脂等成分的互溶速率及通过细胞壁物质的传质能力，从而提高萃取效率。宁正祥等用高压脉冲电场强化超临界CO2萃取荔枝种仁精油，在300 MPa以下时，高压脉冲处理可明显改善超临界萃取效率，尤其是在萃取率低于80%时，高压脉冲电场效果显著。

3.3 利用超声波

在超临界流体萃取天然生物资源活性有效成分的过程中，采用强化措施减少萃取的外扩散阻力往往能取得很好的萃取效果。方瑞斌等用超声波强化超临界CO2萃取紫杉醇。

4 超临界流体萃取技术存在的问题

超临界CO2萃取技术并非是完美的，也存在着自身不可克服的问题，具体表现为：

（1）对极性大、分子量超过500的物质，需要夹带剂或在很高的压力下进行萃取，这就需要选择合适的夹带剂或增加高压设备。

（2）对于成分复杂的原料，单独采用SPE-CO2技术往往满足不了纯度的要求，需要与其他分离手段联用。

（3）从设备上讲，SFE装置需要高压设备，从安装到投入使用，再到使用过程中的维护，整个过程对工程技术的要求较高，安全问题十分突出，且价格较昂贵。

（4）尽管目前实验室进行了大量的研究，积累了一些经验和数据，但是有关SFE技术的工业化研究还比较薄弱。要想应用到工业化大生产中，还有大量的基础研究和化学工程方面的问题需要解决。

（5）SC-CO2萃取装置在更换产品时清洗比较困难，萃取产物的收集必须在无菌箱中进行，存在装卸料的连续化问题及设备一次性投资较大的问题等。

（6）超临界萃取技术是近几十年才发展起来的一项新技术，技术理论尚不成熟，尤其是还没有公认的萃取过程的热力学模型。而且工艺技术要求较高，相关的技术人员还有待培养，经验和技术资料都有待积累。

5 超临界流体萃取技术的发展方向

超临界流体萃取技术是近20年来国际上迅速发展的化工分离高新技术，虽然其在许多方面已得到应用，但还远没有发挥其应有的作用。这主要是因为目前对超临界流体性质的认识还远远不够。随着人们认识的深入，SFE技术在中药领域的应用正日益受到重视，从理论和应用上都已经证明了其在中药领域有着越来越广泛的应用前景。

近些年来，出现了一些SFE技术与其他技术的在线耦合方法，如超临界CO2流体萃取—气相色谱联用、超临界CO2流体萃取—液相色谱联用，这些联用技术使得萃取物萃取后不用转移即可进行直接分析，将气相色谱或液相色谱用作检测手段，可以充分发挥这些现代分析技术的优点，对萃取效率、萃取物组分、有效成分含量以及萃取物纯度等进行深入研究，进而进行准确的定量分析，并以直观的色谱图反映出来。除此之外，还出现了超临界CO2流体萃取—红外联用、超临界CO2流体萃取—质谱联用等技术，SFE法还可以与各种分离手段联用，出现了超声强化SFE技术。这些联用技术可以解决单独采用SFE法萃取中药时，由于中药成分复杂、近似化合物多、萃取物纯度不高等问题。这些新技术对于促进超临界CO2萃取技术应用的发展具有重要意义，也是今后研究中草药分析的发展方向之一。

超临界CO2萃取分离技术是一项获得健康、安全、高品质产品和对环境友好的高新技术。随着人们对自身健康的重视和环境保护意识的日益加强，以及世界各地对药品、食品管理卫生越来越严格，预计超临界CO2萃取分离技术在今后将得到广泛的应用，超临界CO2萃取产品也将成为人们首选的健康产品。

［1］郑卫.超临界流体萃取技术与中药现代化［J］.海峡药学，2006（3）

［2］徐东翔.植物资源化学［M］.长沙：湖南科学技术出版社，2004

［3］林敬明，许寅超，邦玉华，等.超临界CO2流体萃取草豆蔻挥发油成分分析［J］.中药材，2000（2）

［4］邓琴.超临界流体萃取技术在中药有效成分提取分离中的应用［J］.广州医药，2001（4）

［5］王欣雨.超临界CO2萃取技术在中药提取中的应用［J］.中医研究，2010（4）