21世纪的溶剂萃取技术——超临界Co2
超临界流体萃取( SFE)是近30年来在国际上兴起的一种新型化工分离技术。尽管早在100多年前 Hannay(1897)就发现了超临界流体(SF)的独特溶解现象，但直到20世纪70年代才引起人们的普遍重视。近年来 ,在德国、日本、美国等发达国家，超临界流体萃取技术的发展极为迅速,其应用领域有食品、医药、化妆品 ,并进而发展到化工、石油化工和煤化工领域,甚至也引起了陶瓷等硅酸盐工业的极大关注,掀起了一场21世纪的绿色产业革命。
长期以来，我国中成药的生产基本上是靠水、醇或其它有机溶剂提取，经沉淀、过滤、浓缩、干燥等一系列繁杂的工序来完成，存在着诸如因长时间加热、提取、浓缩而导致的药材利用率不高，提取分离选择性差且杂质多，有效成分损失严重，提取率低，生产过程长，工艺不稳定，能源消耗高及环境污染等种种问题；且大量使用有机溶剂会导致产品的残留溶剂、残留农药和重金属超标，从而严重影响了中成药的疗效及其在国际市场上的竞争力。
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超临界CO2萃取无毒、无残留溶剂、无污染，并可将萃取分离(精制)和去除溶剂等多个单元过程合为一体，大大简化了工艺流程，提高了生产效率。同时，整个萃取过程在常温下即可进行，克服了传统的溶剂分离、水蒸气蒸馏、压榨等分离方法对中药中某些热敏性或不稳定成分的破坏，保存了中药的有效成分，因此，近年来在中药生产过程中得到了逐步的推广和应用，并被列入《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》。
有人预言，超临界CO2萃取技术将会给中药这一传统产业带来历史性的变革，对我国中药产业的发展具有深远的战略意义。那么什么是超临界CO2萃取呢？在此，就让我们一起来了解这一神奇的领域。
一、解读“超临界”
众所周知，每一种纯物质都有固体、液体、气体三种状态。在不同的温度和压力条件下，这三种状态可以互相转换。而液体与气体互相转换时的温度Tc(临界温度)和压力Pc(临界压力)的交点，就是临界点。此时，气体和液体的物理性质就会趋于相同。在临界点附近,压力和温度的微小变化都会引起气体密度的极大变化。随着向超临界气体加压,气体密度就会增大,逐渐达到液态性质,这种状态的流体兼有液体和气体的优点，因而被称为超临界流体(SCF)。
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超临界流体因其密度相对接近液体而有着较高的溶解度,又因其扩散系数和粘度接近气体，而拥有较强的流动性和渗透性。这种兼备气体和液体的“特异功能”使进入超临界流体的溶质更容易被溶解与分离，因此，超临界流体既是一种良好的分离介质,又是一种良好的反应介质。一般来讲,超临界流体的密度越大,其溶解力就越强,反之亦然。也就是说,超临界流体中物质的溶解度在恒温下随压力P( P>Pc 时 )升高而增大；而在恒压下,其溶解度随温度T( T>Tc时 )增高而下降。而超临界流体的高流动性和扩散能力,则有助于所溶解的各成分之间的分离,并能加速溶解平衡,提高萃取效率。因此可以说，只要选择合适的超临界流体，就能从固体或粘稠的原料中快速萃取有效成分。
常见的超临界流体有CO2、SO2、乙烯、丙烷、丁烷等，它们的Tc(临界温度)、Pc(临界压力)和临界密度各不相同。而在这些流体中，CO2又因其卓越的性能而备受关注。首先，它的临界温度低，为常温(31.4℃)，因此不会对热敏性和挥发性成分带来破坏；再者，而它的临界压力为72.9×103Pa，易于达到；同时，CO2无色、无臭、无毒，易于得到且化学性质稳定，所以操作安全，且不会造成污染。
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二、夹带剂
由于超临界 CO2是一种非极性的溶剂,因此其对低分子、低极性、亲脂性、低沸点的成分如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧化合物等表现出较高的亲和力。但对于一些带有极性基团(-OH、-COOH等)的化合物，如多元醇、多元酸及多羟基的芳香物质，它的萃取率就会降低。此外，对于分子量超过500的高分子化合物几乎不溶。这时就需要在超临界
CO2 中加入少量其它物质，如低分子量醇类化合物作为调节剂,以增强其溶解力和选择性,这些添加的溶剂就称为夹带剂(改性剂)。这类物质多数在分子结构上既有亲脂基团，又有亲CO2基团，因此可增加对某些组分的洗脱能力。夹带剂的加入，还能降低操作温度和压力，缩短萃取时间。目前比较常用的夹带剂有甲醇、丙酮、乙醇、乙酸乙酯等，其中以甲醇使用最为广泛。但必须指出，夹带剂的作用是有限的，它在改善超临界流体溶解性的同时，也会削弱萃取系统的捕获作用，导致共萃物的增加，因此它的使用量要小，一般不要超过5%mol。
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三、超临界CO2萃取流程
整个萃取过程主要由两部分组成，即溶质萃取及被萃取的溶质与超临界流体分离。而具体来讲，又可以根据温度与压力的变化分为等温变压分离和等压变温分离。此外还可以在等温等压的条件下通过使用不同的吸附剂来对不同物质进行分离。
先将原料装入萃取釜中，然后打开高压泵把CO2加热、升压，使之达到超临界状态后送入萃取釜中。此时，超临界状态的CO2就会对原料中的不同成分进行萃取。经过一定的时间后，打开节流阀减压，此时溶有有效成分的CO2就会从萃取釜中流入分离釜。这时再通过调节温度与压力，使有效成分与CO2分离。分离后的CO2可通过过滤器、流量计，并经冷却后重新加温加压循环使用。由此可见，萃取釜是超临界萃取装置系统中的关键设备。根据萃取原料性质的不同，选用的萃取釜不同。而分离釜则可根据分离目的的不同设置为一级或多级分离。对于中草药，有时要三级、四级分离。分离同时还可结合精馏、吸附等多种工序，以达到提取、分离与纯化的目的。
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四、超临界CO2萃取的十大优势
与传统的分离技术相比，超临界CO2萃取技术有以下十大优势。
1.有效地防止了热敏性物质的氧化和散逸。由于整个操作是在接近室温(35～40℃)及CO2气体的笼罩下进行的，因此，能较完好地保存中药有效成分不被破坏，不发生次生化，因此尤其适宜于对热敏感、易氧化分解成分的萃取。
2.纯天然、无污染。由于在萃取过程中不使用有机溶剂，因此无残留的溶剂物质，同时也可防止提取过程中对人体有害物质的存在和对环境的污染，且萃取流体可循环使用。
3.将萃取和分离合二为一，不仅萃取的效率高而且能耗较少，提高了生产效率也降低了费用成本。
4. 提取率高。用超临界CO2提取中药有效成分，在最佳的工艺条件下，几乎能将要提取的成分完全提取，从而大大提高产品收率和资源的利用率。
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5.萃取范围广，并可进行选择性分离。随着SFE技术的不断进步和全氟聚醚碳酸铵(PEPE)的应用，SFE技术已从对中药化学成分中非极性、中等极性物质的提取扩展到强极性—水溶液体系中有效成分或部位的提取；此外通过对温度或压力的改变及与其它技术结合，可实现中药各有效成分或有效部位的完整分离，真正实现中药有效成分的高度富集，便于减小剂量，从而改善产品外观。
6.提取时间快，一般提取10分钟便有成分分离析出，2～4小时左右便可完全提取。同时操作参数相对较少且易控制，因此有利于保证产品质量稳定。
7.SFE技术可直接从单方或复方中药中提取不同部位或直接提取浸膏进行药理筛选、开发新药，大提高了筛选速度。同时，还可以提取许多传统方法提不出的物质，且较易从中发现新成分，从而发现新的药理药性。
8.SFE应用于分析或与GC、IR、MS、LC等联用可成为一种高效的中药质量分析手段，客观地反映出中药的“含金量”。
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9.超临界CO2还具有抗氧化、灭菌作用，且原料中的重金属、无机物和尘土等也不会被CO2溶解带出，有利于提高产品质量。
10.超临界流体结晶技术中的RESS过程、GAS过程等可制备粒径均匀的超细颗粒，用于生产如缓释和控释小丸等剂型，从而促进中药剂型改革。
五、应用现状及前景
目前超临界CO2萃取已广泛应用多种单味中药如砂仁、厚朴、补骨脂、灵芝、茵陈、紫草、肉桂、胡椒、姜黄、丹参、蛇床子、苦参、金银花、红豆杉、桑白皮、穿心莲、紫苏子以及月见草油、薄荷油、青蒿素、大麻醇、姜黄油、宽叶缬草油、杏仁脂肪油、薯蓣皂甙等的提取分离或二次开发及新药研究中；并在中药复方制剂如丹参酮及大蒜注射液的工艺改革中有所作为，已初步形成了一个新业的产业，成为21世纪溶剂萃取技术的先导。
还有研究显示，用超临界CO2处理人体骨骼及血液，可解决骨移植和输血过程中的安全性问题。另外经超临界CO2循环处理，可对人体血液进行脱脂，并灭杀血液中的病毒及寄生虫卵，这对于一些疑难重症的治疗也显示出美好的前景。
当然，超临界CO2萃取技术也有其局限性，如购置萃取装置的前期投资过大；目前国内还不能制造太大的压力容器，所以生产规模尚有限；此外，清洗也有相当的难度。因此有人认为，今后应在以下几个方面加大力度：1)加强基础研究工作力度，特别是硬件制造工艺及质量的提高；2)开发出更具有市场价值的产品，如抗癌药，实践证实，采用超临界CO2萃取技术从温莪术中提取的榄香烯和从长春花中提取的长春新碱有更佳的生理活性；
3)采用超临界CO2萃取技术进行分馏萃取、反向萃取并拓宽夹带剂范围，从而做到充分利用中草药资源。, http://www.100md.com(汪 洋)
长期以来，我国中成药的生产基本上是靠水、醇或其它有机溶剂提取，经沉淀、过滤、浓缩、干燥等一系列繁杂的工序来完成，存在着诸如因长时间加热、提取、浓缩而导致的药材利用率不高，提取分离选择性差且杂质多，有效成分损失严重，提取率低，生产过程长，工艺不稳定，能源消耗高及环境污染等种种问题；且大量使用有机溶剂会导致产品的残留溶剂、残留农药和重金属超标，从而严重影响了中成药的疗效及其在国际市场上的竞争力。
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超临界CO2萃取无毒、无残留溶剂、无污染，并可将萃取分离(精制)和去除溶剂等多个单元过程合为一体，大大简化了工艺流程，提高了生产效率。同时，整个萃取过程在常温下即可进行，克服了传统的溶剂分离、水蒸气蒸馏、压榨等分离方法对中药中某些热敏性或不稳定成分的破坏，保存了中药的有效成分，因此，近年来在中药生产过程中得到了逐步的推广和应用，并被列入《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》。
有人预言，超临界CO2萃取技术将会给中药这一传统产业带来历史性的变革，对我国中药产业的发展具有深远的战略意义。那么什么是超临界CO2萃取呢？在此，就让我们一起来了解这一神奇的领域。
一、解读“超临界”
众所周知，每一种纯物质都有固体、液体、气体三种状态。在不同的温度和压力条件下，这三种状态可以互相转换。而液体与气体互相转换时的温度Tc(临界温度)和压力Pc(临界压力)的交点，就是临界点。此时，气体和液体的物理性质就会趋于相同。在临界点附近,压力和温度的微小变化都会引起气体密度的极大变化。随着向超临界气体加压,气体密度就会增大,逐渐达到液态性质,这种状态的流体兼有液体和气体的优点，因而被称为超临界流体(SCF)。
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超临界流体因其密度相对接近液体而有着较高的溶解度,又因其扩散系数和粘度接近气体，而拥有较强的流动性和渗透性。这种兼备气体和液体的“特异功能”使进入超临界流体的溶质更容易被溶解与分离，因此，超临界流体既是一种良好的分离介质,又是一种良好的反应介质。一般来讲,超临界流体的密度越大,其溶解力就越强,反之亦然。也就是说,超临界流体中物质的溶解度在恒温下随压力P( P>Pc 时 )升高而增大；而在恒压下,其溶解度随温度T( T>Tc时 )增高而下降。而超临界流体的高流动性和扩散能力,则有助于所溶解的各成分之间的分离,并能加速溶解平衡,提高萃取效率。因此可以说，只要选择合适的超临界流体，就能从固体或粘稠的原料中快速萃取有效成分。
常见的超临界流体有CO2、SO2、乙烯、丙烷、丁烷等，它们的Tc(临界温度)、Pc(临界压力)和临界密度各不相同。而在这些流体中，CO2又因其卓越的性能而备受关注。首先，它的临界温度低，为常温(31.4℃)，因此不会对热敏性和挥发性成分带来破坏；再者，而它的临界压力为72.9×103Pa，易于达到；同时，CO2无色、无臭、无毒，易于得到且化学性质稳定，所以操作安全，且不会造成污染。
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二、夹带剂
由于超临界 CO2是一种非极性的溶剂,因此其对低分子、低极性、亲脂性、低沸点的成分如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧化合物等表现出较高的亲和力。但对于一些带有极性基团(-OH、-COOH等)的化合物，如多元醇、多元酸及多羟基的芳香物质，它的萃取率就会降低。此外，对于分子量超过500的高分子化合物几乎不溶。这时就需要在超临界
CO2 中加入少量其它物质，如低分子量醇类化合物作为调节剂,以增强其溶解力和选择性,这些添加的溶剂就称为夹带剂(改性剂)。这类物质多数在分子结构上既有亲脂基团，又有亲CO2基团，因此可增加对某些组分的洗脱能力。夹带剂的加入，还能降低操作温度和压力，缩短萃取时间。目前比较常用的夹带剂有甲醇、丙酮、乙醇、乙酸乙酯等，其中以甲醇使用最为广泛。但必须指出，夹带剂的作用是有限的，它在改善超临界流体溶解性的同时，也会削弱萃取系统的捕获作用，导致共萃物的增加，因此它的使用量要小，一般不要超过5%mol。
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三、超临界CO2萃取流程
整个萃取过程主要由两部分组成，即溶质萃取及被萃取的溶质与超临界流体分离。而具体来讲，又可以根据温度与压力的变化分为等温变压分离和等压变温分离。此外还可以在等温等压的条件下通过使用不同的吸附剂来对不同物质进行分离。
先将原料装入萃取釜中，然后打开高压泵把CO2加热、升压，使之达到超临界状态后送入萃取釜中。此时，超临界状态的CO2就会对原料中的不同成分进行萃取。经过一定的时间后，打开节流阀减压，此时溶有有效成分的CO2就会从萃取釜中流入分离釜。这时再通过调节温度与压力，使有效成分与CO2分离。分离后的CO2可通过过滤器、流量计，并经冷却后重新加温加压循环使用。由此可见，萃取釜是超临界萃取装置系统中的关键设备。根据萃取原料性质的不同，选用的萃取釜不同。而分离釜则可根据分离目的的不同设置为一级或多级分离。对于中草药，有时要三级、四级分离。分离同时还可结合精馏、吸附等多种工序，以达到提取、分离与纯化的目的。
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四、超临界CO2萃取的十大优势
与传统的分离技术相比，超临界CO2萃取技术有以下十大优势。
1.有效地防止了热敏性物质的氧化和散逸。由于整个操作是在接近室温(35～40℃)及CO2气体的笼罩下进行的，因此，能较完好地保存中药有效成分不被破坏，不发生次生化，因此尤其适宜于对热敏感、易氧化分解成分的萃取。
2.纯天然、无污染。由于在萃取过程中不使用有机溶剂，因此无残留的溶剂物质，同时也可防止提取过程中对人体有害物质的存在和对环境的污染，且萃取流体可循环使用。
3.将萃取和分离合二为一，不仅萃取的效率高而且能耗较少，提高了生产效率也降低了费用成本。
4. 提取率高。用超临界CO2提取中药有效成分，在最佳的工艺条件下，几乎能将要提取的成分完全提取，从而大大提高产品收率和资源的利用率。
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5.萃取范围广，并可进行选择性分离。随着SFE技术的不断进步和全氟聚醚碳酸铵(PEPE)的应用，SFE技术已从对中药化学成分中非极性、中等极性物质的提取扩展到强极性—水溶液体系中有效成分或部位的提取；此外通过对温度或压力的改变及与其它技术结合，可实现中药各有效成分或有效部位的完整分离，真正实现中药有效成分的高度富集，便于减小剂量，从而改善产品外观。
6.提取时间快，一般提取10分钟便有成分分离析出，2～4小时左右便可完全提取。同时操作参数相对较少且易控制，因此有利于保证产品质量稳定。
7.SFE技术可直接从单方或复方中药中提取不同部位或直接提取浸膏进行药理筛选、开发新药，大提高了筛选速度。同时，还可以提取许多传统方法提不出的物质，且较易从中发现新成分，从而发现新的药理药性。
8.SFE应用于分析或与GC、IR、MS、LC等联用可成为一种高效的中药质量分析手段，客观地反映出中药的“含金量”。
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9.超临界CO2还具有抗氧化、灭菌作用，且原料中的重金属、无机物和尘土等也不会被CO2溶解带出，有利于提高产品质量。
10.超临界流体结晶技术中的RESS过程、GAS过程等可制备粒径均匀的超细颗粒，用于生产如缓释和控释小丸等剂型，从而促进中药剂型改革。
五、应用现状及前景
目前超临界CO2萃取已广泛应用多种单味中药如砂仁、厚朴、补骨脂、灵芝、茵陈、紫草、肉桂、胡椒、姜黄、丹参、蛇床子、苦参、金银花、红豆杉、桑白皮、穿心莲、紫苏子以及月见草油、薄荷油、青蒿素、大麻醇、姜黄油、宽叶缬草油、杏仁脂肪油、薯蓣皂甙等的提取分离或二次开发及新药研究中；并在中药复方制剂如丹参酮及大蒜注射液的工艺改革中有所作为，已初步形成了一个新业的产业，成为21世纪溶剂萃取技术的先导。
还有研究显示，用超临界CO2处理人体骨骼及血液，可解决骨移植和输血过程中的安全性问题。另外经超临界CO2循环处理，可对人体血液进行脱脂，并灭杀血液中的病毒及寄生虫卵，这对于一些疑难重症的治疗也显示出美好的前景。
当然，超临界CO2萃取技术也有其局限性，如购置萃取装置的前期投资过大；目前国内还不能制造太大的压力容器，所以生产规模尚有限；此外，清洗也有相当的难度。因此有人认为，今后应在以下几个方面加大力度：1)加强基础研究工作力度，特别是硬件制造工艺及质量的提高；2)开发出更具有市场价值的产品，如抗癌药，实践证实，采用超临界CO2萃取技术从温莪术中提取的榄香烯和从长春花中提取的长春新碱有更佳的生理活性；
3)采用超临界CO2萃取技术进行分馏萃取、反向萃取并拓宽夹带剂范围，从而做到充分利用中草药资源。, http://www.100md.com(汪 洋)