一种超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置与方法

本发明涉及萃取分离领域，尤其涉及一种超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置与方法。

背景技术：

超临界流体状态是指流体处于临界温度和临界压力以上的介于气态和液态之间的状态。亚临界流体状态是指化合物在温度高于其沸点但低于临界温度，且压力低于其临界压力的条件下，以流体形式存在的状态。在食品、医药、香料和天然色素等领域的天然产物功效成分提取分离的应用研究在近年来发展迅速。但单独利用超/亚临界流体提取技术，在提取植物精油、天然色素等对象时，会出现蜡质、重金属、农药、病原体等非目标杂质被同时提取的现象出现，这对提取产品的的质量、品相造成影响。

膜分离技术是利用经特殊制造的具有选择性透过性的薄膜，在外力(如膜两侧的压力差、浓度差、电位差等)推动下对混合物进行分离、分级、提纯、浓缩而获得目标产品的过程。具有分离效率高、自动化、能耗低、成本低、无二次污染等优点。但是膜分离技术在应用过程中，膜污染一直以来是膜分离过程中一个始终需要改善的问题。

因此如何将两种技术结合，既可以减少重金属、农药、病原体等非目标杂质的含量，同时有效降低膜分离的污染是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置与方法。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，包括萃取解析系统、膜分离系统、过滤分离系统、超/亚临界流体回收系统以及加热冷却系统；所述萃取解析系统经截止阀后依次与膜分离系统、过滤分离系统、超/亚临界流体回收系统管路连接；超/亚临界流体回收系统经截止阀后与萃取解析系统管路连接；所述萃取解析系统、膜分离系统、过滤分离系统、超/亚临界流体回收系统均设有入口和出口；所述加热冷却系统用于平衡萃取装置的温度。

进一步地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，所述萃取解析系统包括第一萃取解析釜、第二萃取解析釜、第三萃取解析釜；

第一萃取解析釜的入口经截止阀后与超/亚临界流体回收系统管路连接；第一萃取解析釜的出口经截止阀后与膜分离系统的入口管路连接；

第二萃取解析釜的入口经截止阀后与膜分离系统的出口管路连接；第二萃取解析釜的入口经截止阀后还与超/亚临界流体回收系统管路连接；第二萃取解析釜的出口经截止阀后与膜分离系统的入口管路连接；第二萃取解析釜的出口经截止阀后还与过滤分离系统的入口管路连接；

第三萃取解析釜的入口经截止阀后与膜分离系统的出口管路连接；第三萃取解析釜的入口经截止阀后还与超/亚临界流体回收系统管路连接；第三萃取解析釜的出口经截止阀后与膜分离系统的入口管路连接；第三萃取解析釜的出口经截止阀后还与过滤分离系统的入口管路连接；

进一步地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，所述膜分离系统包括膜分离本体和压力平衡储罐；所述膜分离本体包括膜壳和分离膜；膜分离本体经截止阀后与压力平衡储罐的一侧管路连接；膜分离本体经截止阀分别与萃取解析系统的入口和出口管路连接；压力平衡储罐的另一侧经截止阀后与过滤分离系统的入口连接；所述膜壳为可承受超临界压力的材质。

优选地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，所述分离膜为陶瓷膜，分离膜的截留分子量为200-1000。

进一步地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，所述过滤分离系统包括第一过滤分离釜和第二过滤分离釜；第一过滤分离釜和第二过滤分离釜串联连接；第一过滤分离釜的入口经截止阀与膜分离系统的出口管路连接；第二过滤分离釜的入口经截止阀分别与第一萃取解析釜的出口、第二萃取解析釜的出口、第三萃取解析釜的出口连接。

进一步地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，所述超/亚临界流体回收系统包括第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器、高压泵、储罐以及高压气瓶；所述第一热交换器依次与高压泵、第二热交换器、储罐、第三热交换器管路连接；高压气瓶经截止阀后分别与第二热交换器和高压泵连接；第一热交换器经截止阀后还分别与第一萃取解析釜的入口、第二萃取解析釜的入口和第三萃取解析釜的入口管路连接；第三热交换器经截止阀后与过滤分离系统的出口管路连接。

进一步地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，所述加热冷却系统包括第一热水机组、第二热水机组、第三热水机组和冷水机组；

第一热水机组用于循环加热萃取解析系统、膜分离系统、第一热交换器；

第二热水机组用于循环加热第一过滤分离釜；

第三热水机组用于循环加热第二过滤分离釜；

冷水机组用于第二热交换器、第三热交换器和储罐循环降温。

其中，第一热水机组的热水依次进入第一热交换器的夹套，第一萃取解析釜的夹套，第二萃取解析釜的夹套，第三萃取解析釜的夹套，膜分离本体的夹套和压力平衡储罐的夹套，随后水流回第一热水机组重新加热；

第二热水机组的热水进入第一过滤分离釜的夹套，随后水流回第二热水机组重新加热；

第三热水机组的热水进入第二过滤分离釜的夹套，随后水流回第三热水机组重新加热；

冷水机组的冷水依次进入第二热交换器的夹套、第三热交换器(43)的夹套和储罐的夹套，随后水流回冷水机组重新降温。

进一步地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，第二萃取解析釜的入口与膜分离系统的出口的连接管路上设置有调节阀。

进一步地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，第三萃取解析釜的出口与第二过滤分离釜的入口的连接管路上设置有调节阀。

进一步地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，压力平衡储罐的出口与第一过滤分离釜连接管路上设置有调节阀。

进一步地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，第一热交换器与高压泵的连接管路上设置有止回阀。

优选地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，连接管路上设置有压力显示装置。

优选地，上述超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，连接管路上设置有温度显示装置。

一种使用上述超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置的萃取方法，包括以下步骤：

步骤(一)：将粉碎好的待萃取原料装入第一萃取解析釜中，开启装置，按照设定的条件通过调节阀平衡第一萃取解析釜、第二萃取解析釜、膜分离系统、过滤分离系统以及超/亚临界流体回收系统的压力，开启加热冷却系统，平衡装置温度；

步骤(二)：平衡装置温度和压力后，开启调节阀，调节膜分离系统两侧的压力差，开始萃取以及膜分离；通过分离膜的物料在第一过滤分离釜中解析，截留的物料在第二萃取解析釜中解析，随后超/亚临界流体都回到储罐中，完成一个循坏，重复循环直至物料提取完毕；

步骤(三)：切换阀门，超\亚临界流体从第二萃取解析釜进行萃取未完全过膜的物料，截留的物料在第三萃取解析釜中解析，重复循环直至物料提取完毕；

步骤(四)：切换阀门，超\亚临界流体从第三萃取解析釜进行萃取未完全过膜的物料，截留的物料在第二萃取解析釜中解析，重复循环直至物料提取完毕；

步骤(五)：完成上述物料的充分提取以及膜分离过程后，清空萃取解析系统中的物料以及过滤分离系统中的精油；关闭进入过滤分离系统以及第二、第三萃取解析釜的所有阀门，开启第一萃取解析釜入口与膜分离本体之间连接的外侧截止阀，开启膜分离本体入口与第一萃取解析釜出口之间的截止阀，开启安全阀边上的截止阀；超/亚临界流体从超/亚临界流体回收系统中流出后，依次经过膜壳、分离膜、第一萃取解析釜，之后流入外界大气中，通过压力显示装置监控膜清洗压力。

优选地，上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置的萃取方法中，所述的超/亚临界流体包括二氧化碳、丁烷、丙烷、乙醇、甲醇、丙酮、水等。

本发明的有益效果为：

(1)将陶瓷膜通过定制的膜组件接入到超临界二氧化碳提取设备当中，利用陶瓷膜的分离能力，高效地分离纯化超临界二氧化碳提取物当中的目标组分并滤去蜡质、重金属、农药、病原体等非目标杂质；

(2)利用超临界二氧化碳流体的低粘度、高扩散能力、提取组分主要为低分子量成分等特性加强原本有一定传质阻力的膜过滤过程；利用超临界二氧化碳提取系统的循环冲洗和灵活流路切换，对分离效率下降的膜进行反冲洗，恢复膜通量，解决膜污染的问题。

附图说明

图1是本发明一种超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置的系统流程图；

其中，1-萃取解析系统、2-膜分离系统、3-过滤分离系统、4-超/亚临界流体回收系统、5-加热冷却系统、6-截止阀、7-第一调节阀、8-第二调节阀、9-第三调节阀、11-第一萃取解析釜、12-第二萃取解析釜、13-第三萃取解析釜、20-止回阀、21-膜分离本体、22-压力平衡储罐、211-膜壳，212-分离膜、31-第一过滤分离釜、32-第二过滤分离釜、41-第一热交换、42-第二热交换器、43-第三热交换器、44-高压泵、45-储罐、46-高压气瓶、51-第一热水机组、52-第二热水机组、53-第三热水机组、54-冷水机组、61～69-压力显示装置、71～77-安全阀、78～80-温度显示装置

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置的系统，包括以下部分：

萃取解析系统1、膜分离系统2、过滤分离系统3、超/亚临界流体回收系统4、加热冷却系统5、截止阀6、第一调节阀7、第二调节阀8、第三调节阀9、第一萃取解析釜11、第二萃取解析釜12、第三萃取解析釜13、膜壳211、分离膜212、压力平衡储罐22、第一过滤分离釜31、第二过滤分离釜32、第一热交换器41、第二热交换器42、第三热交换器43、高压泵44、储罐45、高压气瓶46、压力显示装置61，62，63，64，65，66，67，68，69、安全阀71，72，73，74，75，76，77、温度显示装78，79，80、止回阀20。

其中萃取解析系统1经截止阀后依次与膜分离系统2、过滤分离系统3、超/亚临界流体回收系统4管路连接；超/亚临界流体回收系统4经截止阀后与萃取解析系统1管路连接；萃取解析系统1、膜分离系统2、过滤分离系统3、超/亚临界流体回收系统4均设有入口和出口；加热冷却系统5用于平衡萃取装置的温度。

萃取解析系统1包括第一萃取解析釜11、第二萃取解析釜12、第三萃取解析釜13；第一萃取解析釜11、第二萃取解析釜12、第三萃取解析釜13均设有入口和出口；

第一萃取解析釜11的入口经截止阀后与超/亚临界流体回收系统4管路连接；第一萃取解析釜11的出口经截止阀后与膜分离系统2的入口管路连接；第二萃取解析釜12的入口经截止阀后与膜分离系统2的出口管路连接；第二萃取解析釜12的入口经截止阀后还与超/亚临界流体回收系统4管路连接；第二萃取解析釜12的出口经截止阀后与膜分离系统2的入口管路连接；第二萃取解析釜12的出口经截止阀还与过滤分离系统3的入口管路连接；第三萃取解析釜13的入口经截止阀后与膜分离系统2的出口管路连接；第三萃取解析釜13的入口经截止阀后还与超/亚临界流体回收系统4管路连接；第三萃取解析釜13的出口经截止阀后与膜分离系统2的入口管路连接；第三萃取解析釜13的出口经截止阀后还与过滤分离系统3的入口管路连接，该连接方式可以实现在不安装分离膜的情况下，进行常规超/亚临界提取的功能；同时第二萃取解析釜12、第三萃取解析釜13和膜分离系统的连接方式可以实现截留的物料在两个萃取解析釜内的交替提取膜分离，实现物料的充分提取以及膜分离。

膜分离系统2包括膜分离本体21和压力平衡储罐22；所述膜分离本体21包括膜壳211，分离膜212；膜分离本体21和压力平衡储罐22均设有入口和出口；膜分离本体21经截止阀后与压力平衡储罐22管路连接，该连接方式可以起到压力缓冲的作用，既能够保证分离膜两侧压力差稳定，也可以使得分离膜两侧压力差波动小，防止分离膜的损坏；膜分离本体21的入口经截止阀后还分别与萃取解析系统1的入口和出口连接，该连接方式可以保证在装置启动时分离膜两侧压力的平衡，防止分离膜损坏；压力平衡储罐22的出口经截止阀后与过滤分离系统3的入口管路连接；所述膜壳211为可承受超临界压力的材质。

过滤分离系统3包括第一过滤分离釜31和第二过滤分离釜32；第一过滤分离釜31和第二过滤分离釜32均设有入口和出口；第一过滤分离釜31和第二过滤分离釜32串联连接；第一过滤分离釜31的入口经截止阀后与膜分离系统2的出口管路连接；第二过滤分离釜32的入口经截止阀后分别与第一萃取解析釜11的出口、第二萃取解析釜12的出口、第三萃取解析釜13的出口连接。

超/亚临界流体回收系统4包括第一热交换器41、第二热交换器42、第三热交换器43、高压泵44、储罐45以及高压气瓶46；第一热交换器41依次与高压泵6、第二热交换器42、储罐45、第三热交换器43管路连接；高压气瓶46经截止阀分别与第二热交换器42和高压泵44管路连接；第一热交换器41经截止阀后还分别与第一萃取解析釜11、第二萃取解析釜12的入口和第三萃取解析釜13的入口管路连接；第三热交换器43经截止阀与膜分离系统的出口管路连接。

加热冷却系统5包括第一热水机组51、第二热水机组52、第三热水机组53和冷水机组54；第一热水机组51用于循环加热萃取解析系统1、膜分离系统2、第一热交换器41；第二热水机组52用于循环加热第一过滤分离釜31；第三热水机组53用于循环加热第二过滤分离釜32；冷水机组54用于第二热交换器42、第三热交换器43和储罐45循环降温。

其中，在上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，第二萃取解析釜12的入口与膜分离系统2的出口的连接管路上设置第一调节阀7；第三萃取解析釜13的入口与膜分离系统2的出口的连接管路上设置第二调节阀8；压力平衡储罐22的出口与第一过滤分离釜31连接管路上设置有调节阀9；第一热交换器41与高压泵44的连接管路上设置有止回阀20。

其中，在上述的超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置，连接管路上设置有压力显示装置和温度显示装置。

实施例2

按照实施例1所述的一种超/亚临界流体提取系统耦合膜分离系统的萃取装置的系统，不包括分离膜212。

实施例3

使用实施例1的萃取装置的萃取方法，包括以下步骤：

步骤(一)：将粉碎好的待萃取原料装入第一萃取解析釜11中，开启装置，打开截止阀6，按照设定的条件通过调节阀7、9，平衡萃取第一萃取解析釜11、第二萃取解析釜12、膜分离系统2、过滤分离系统3以及超/亚临界流体回收系统4的压力，开启加热冷却系统5，平衡装置温度；

步骤(二)：平衡装置温度和压力后，关闭截止阀6，开启调节阀9，调节膜分离系统2两侧的压力差，超临界二氧化碳开始萃取以及膜分离；通过分离膜212的物料在第一过滤分离釜31中解析，截留的物料在第二萃取解析釜12中解析，随后超临界二氧化碳都回到储罐45中，完成一个循坏，重复循环直至物料提取完毕；

步骤(三)：切换阀门，超临界二氧化碳从第二萃取解析釜12进行萃取未完全过膜的物料，截留的物料在第三萃取解析釜13中解析，按照步骤(一)和步骤(二)的方式调节装置的压力和温度，重复循环直至物料提取完毕；

步骤(四)：切换阀门，超临界二氧化碳从第三萃取解析釜13进行萃取未完全过膜的物料，按照步骤(一)和步骤(二)的方式调节装置的压力和温度，截留的物料在第二萃取解析釜12中解析，重复循环直至物料提取完毕；

步骤(五)：完成上述物料的充分提取以及膜分离过程后，清空萃取解析系统中的物料以及过滤分离系统中的精油。关闭进入过滤分离系统以及第二、第三萃取解析釜的所有阀门，开启第一萃取解析釜11入口与膜分离本体21的膜壳211之间连接的外侧截止阀，开启膜分离本体21入口与第一萃取解析釜11出口之间的截止阀，开启安全阀76边上的截止阀。超临界二氧化碳从超临界流体回收系统4中流出后，依次经过膜壳211、分离膜212、第一萃取解析釜11，之后流入外界大气中，通过压力显示装置64、68监控膜清洗压力。

实施例4

使用实施例1的萃取装置的萃取方法，包括以下步骤：

步骤(一)：将粉碎好的待萃取原料装入第一萃取解析釜11中，开启装置，打开截止阀6，按照设定的条件通过调节阀7、9，平衡萃取第一萃取解析釜11、第二萃取解析釜12、膜分离系统2、过滤分离系统3以及超/亚临界流体回收系统4的压力，开启加热冷却系统5，平衡装置温度；

步骤(二)：平衡装置温度和压力后，关闭截止阀6，开启调节阀7，调节膜分离系统2两侧的压力差，亚临界丙烷开始萃取以及膜分离；通过分离膜212的物料在第一过滤分离釜31中解析，截留的物料在第二萃取解析釜12中解析，随后亚临界丙烷都回到储罐45中，完成一个循坏，重复循环直至物料提取完毕；

步骤三：切换阀门，亚临界丙烷从第二萃取解析釜12进行萃取未完全过膜的物料，截留的物料在第三萃取解析釜13中解析，按照步骤(一)和步骤(二)的方式调节装置的压力和温度，重复循环直至物料提取完毕；

步骤四：切换阀门，亚临界丙烷从第三萃取解析釜13进行萃取没过膜的物料，按照步骤(一)和步骤(二)的方式调节装置的压力和温度，未过膜的物料在第二萃取解析釜12中解析，重复循环直至物料提取完毕；

步骤(五)：完成上述物料的充分提取以及膜分离过程后，清空萃取解析系统中的物料以及过滤分离系统中的精油。关闭进入过滤分离系统以及第二、第三萃取解析釜的所有阀门，开启第一萃取解析釜11入口与膜分离本体21的膜壳211之间连接的外侧截止阀，开启膜分离本体21入口与第一萃取解析釜11出口之间的截止阀，开启安全阀76边上的截止阀。亚临界丙烷从超/亚临界流体回收系统4中流出后，依次经过膜壳211、分离膜212、第一萃取解析釜11，之后流入外界大气中，通过压力显示装置64、68监控膜清洗压力。

实施例5

使用实施例2的萃取装置的萃取方法，包括以下步骤：

步骤(一)：将粉碎好的待萃取原料装入第一萃取解析釜11中，开启装置，打开截止阀6，按照设定的条件通过调节阀8，平衡萃取第一萃取解析釜11、第一过滤分离釜31、第二过滤分离釜32以及超/亚临界流体回收系统4的压力，开启加热冷却系统5，平衡装置温度；

步骤(二)：平衡装置温度和压力后，超临界二氧化碳开始萃取原料；除去的物料在第一过滤分离釜31以及第二过滤分离釜32中解析，随后超临界二氧化碳都回到储罐45中，完成一个循坏，重复循环直至物料提取完毕。

实验数据

以生姜粉为萃取原料，使用不同的萃取装置进行萃取，对生姜粉原料的质量、生姜粉原料中6-姜酚的含量、萃取后的固形物的质量以及萃取后固形物中6-姜酚的百分含量进行记录，分别得到如下实验数据。表1为使用实施例1的萃取装置按照实施例3的萃取方法萃取生姜粉的实验数据。表2为以实施例2的萃取装置按照实施例5的萃取方法进行萃取生姜粉的实验数据。

表1

表2

对比表1和表2可知，在使用两种萃取装置萃取生姜粉原料前，所萃取的生姜粉原料中的6-姜酚含量百分比无明显差别，使用本发明的萃取装置，采用超/亚临界流体提取系统与膜分离系统共同作用后，得到的固形物中6-姜酚的百分比可达到29.73％，而单一超/亚临界流体提取系统萃取得到的固形物中6-姜酚的百分比仅为15％，由此可见，本申请具有更好的萃取效果。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。