天然产物有效成分的亚临界流体萃取装置的制作方法

专利名称：天然产物有效成分的亚临界流体萃取装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种天然产物功效成分的提取装置，尤其涉及在超声辅助下，利 用亚临界低级烷烃、四氟乙烷或六氟化硫等流体萃取天然产物脂溶性功效成分的装置。
背景技术：
我国地域辽阔，复杂的地理环境与多变的气候条件造就了我国物种的多样性，尤 其是具有医疗保健作用的特种油脂、香精香料、色素等天然资源相当丰富，如银杏、丁香、生 姜、大蒜、洋葱、枸杞籽、沙棘、红辣椒、花椒、桂花、玫瑰花和茉莉花等。天然产物中高附加值的生理活性物质因其热敏性，用常规热回流提取法和有机溶 剂萃取法不仅得率低，而且功能成分受到破坏。超临界C02萃取虽是较为理想的方法，具 有萃取能力强、提取率高、产品品质好等优势，但必须在25MPa以上的超高压状态下才能进 行。极高的压力限制了设备有效容积的放大，同时，较高的设备制造和运行成本制约了该技 术在天然产物有效成分生产中的应用。因此，寻找一种高效提取天然产物中热敏性、易氧化 活性成分，且便于工业化推广的新技术和装备，已成为近年来天然产物提取领域的研究热 点o亚临界流体是指高于沸点，低于临界温度和临界压力，以流体形式存在的物质。亚 临界流体萃取是以亚临界状态的流体或亚临界流体的混合溶液为溶媒，与溶质在系统内相 继经过浸提、蒸发脱溶、压缩、冷凝回收等过程，从天然产物中提取目标组分的一种新技术。 例如，当液化石油气(LPG)、丙烷、丁烷、高纯度异丁烷(R600a)、二甲醚(DME)、1，1，1，2-四 氟乙烷(R134a)和六氟化硫等以亚临界流体状态存在时，分子的扩散性能增强，传质速度 加快，对天然产物中弱极性以及非极性物质的渗透性和溶解能力显著提高。因而，上述亚临 界流体特别适于天然产物中挥发油、油脂或脂溶性成分的萃取。亚临界环境下萃取，不破坏 热敏性成分、目的物完全，被视为绿色环保、前景广阔的一项变革性技术。在国内现有的亚临界相关提取装置中，申请号为ZL200620135969. 0的中国专利，
公开日2006年10月11日，发明创造的名称是“适用于多种溶剂进行极性非极性中间体萃 取的装置”，该申请公开了通过改变萃取溶剂组成以及系统内阀门、管道、设备的动作程序， 满足不同溶剂对萃取温度、压力、时间和流向的要求，完成对动植物原料中有效成分的萃 取。该装置兼顾了非极性、极性有效成分的提取工艺要求，其不足是工艺路线复杂，因而设 备制造成本高；采用手动控制，操作繁琐。申请号为200610070495.0的中国专利，
公开日
2006年12月5日，发明创造的名称是“一种低压超临界萃取工艺及其装置”，该申请公开了 以四氟乙烷作为超临界流体，选择性萃取非极性、弱极性及极性较强的物质。该发明采用超 临界状态下的四氟乙烷，系统压力最高达8MPa，因而设备制造难度较大、成本较高。申请号 为200710032663. 1的中国专利，
公开日2007年12月18日，发明创造的名称是“天然产物有 效成分的超声强化亚临界水萃取方法及装置”，该申请公开了采用亚临界水为萃取介质，通 过改变萃取参量对被提取物进行选择性提取。该发明的不足在于以亚临界水为萃取介质， 萃取压力高达20MPa，因而设备制造难度较大、成本较高。上述国内所公开的亚临界流体萃
3取的相关装置，由于采用的萃取溶剂性质差别大，工艺不同，因此装置的结构各不相同。但 普遍存在结构复杂、制造成本高；工作压力高、设备放大制造困难；且均采用人工控制，操 作繁琐；同时加压溶剂萃取的萃取釜一般采用多个螺栓紧固、密封，装填料和出料非常不方 便，而上述发明均未涉及装料口的具体结构。在国内现有的相关亚临界流体提取方法中，专利号为ZL 01108701.3的中国专 利，
公开日2001年8月2日，发明创造的名称是“亚临界液化石油气萃取除虫菊酯的方法”， 该申请公开了采用亚临界液化石油气为溶剂，在温度为20-90°C，压力为0.3 3. 5MPa工艺 条件下，萃取20-300分钟，又在温度为20 90°C，压力为0. 1 2MPa下，使液化石油气气 化，从而分离出除虫菊酯。专利号为200610104744. 3的中国专利，
公开日2008年4月16日， 发明创造的名称是“亚临界流体萃取溶剂及萃取方法”，该申请公开了一种亚临界流体萃取 溶剂，包含从含化合物或组合物作为组成部分的原料中萃取一种化合物或组合物的萃取溶 剂，其主要特点是以液态六氟化硫为萃取溶剂，该申请还公开了所述的亚临界流体萃取溶 剂的萃取方法。上述国内所公开的亚临界提取方面的相关方法，由于选择的萃取剂不同，采 用的方法也各不相同。但所公开的方法均局限于液化石油气、丙烷、丁烷、高纯度异丁烷、二 甲醚、1，1，1，2_四氟乙烷和六氟化硫等某一种特定亚临界流体；同时当以上述亚临界流体 为萃取介质时，对中等极性和极性化合物萃取效率偏低。上述方法均未涉及两种及两种以 上亚临界流体混合物作为萃取介质、或加入夹带剂选择性萃取目标组分的方法。为克服现有亚临界流体萃取装置自动化程度低、萃取釜装卸料繁琐、设备工作压 力高；同时克服亚临界流体萃取方法仅局限于某一特定亚临界流体、对中等极性和极性化 合物萃取效率低等缺陷，本发明充分利用液化石油气、高纯度异丁烷、二甲醚和六氟化硫等 亚临界流体在相同温度下亚临界压力接近的特点，设计了一套结构简单、萃取釜开启方便、 自动化程度高、且同时适于上述多种亚临界流体萃取的装置，并对利用该装置提取天然产 物脂溶性或中等极性功效成分的方法进行了详细阐述。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种超声辅助亚临界 流体萃取天然产物脂溶性功效成分的装置，该装置能同时适用于低级烷烃、二甲醚、四氟乙 烷、六氟化硫等多种溶媒。本实用新型提供的超声辅助亚临界流体萃取装置通过如下方案实现该装置主要由以下二大部分构成浸出系统部分该部分主要由萃取罐1、蒸发罐2、缓冲罐3、冷凝器4、溶剂罐5、超 声发生装置11、真空泵9、阻火器10、压缩机8、热水泵7、热水箱6等构成。萃取罐1 一端 通过调节阀17、25和管道与溶剂罐5相连接，利用压差将溶剂罐5中的液态溶酶输入萃取 罐1 ；另一端通过调节阀19和管道与蒸发罐2相连接，将提取产物和溶酶的混合物排入蒸 发罐2中。真空泵9 一端通过管道和调节阀13、14、20、21分别与萃取罐1、蒸发罐2、缓冲 罐3连接，用于除去罐中不可压缩气体——空气等；另一端通过管道与阻火器10连接，将空 气和极少量气化的萃取介质排出系统，并起到防火作用。压缩机8的一端通过管道和调节 阀22与缓冲罐3连接，缓冲罐3再通过管道和调节阀14、21与萃取罐1、蒸发罐2相连接， 将液态溶酶进行减压气化；另一端通过管道和调节阀15与冷凝器4连接，将经压缩的气态溶酶冷却液化。冷凝器4的另一端通过管道和调节阀18与溶剂罐5连接，将液化的溶酶注 入溶剂罐5中；球阀33、34分别为循环冷却水的进出口。热水泵7 —端通过管道和调节阀 28分别与热水箱6连接；另一端通过管道和调节阀26、29与萃取罐1、蒸发罐2底部的加热 夹套连接，为萃取罐1、蒸发罐2中液态的溶酶气化提供热量以及用来保证萃取罐处于恒温 状态。所述天然产物有效成分的亚临界流体萃取装置的萃取罐1顶部设有超声发生装 置11，超声发生装置11与萃取罐1顶部相连，超声发生器11置于所述萃取罐1的外面，超 声发生器11的换能头置于萃取罐1的上部。该部分将超声引入到亚临界流体萃取过程中， 利用超声波在液体介质传播时所特有的空化效应，加上超声波传播产生的机械振动、微射 流等多极效应，使功效物质更容易被提取出来。所述萃取罐1为耐高温、高压的不锈钢材质的圆柱状装置，萃取罐盖采用萃取罐 快开门装置12，方便浸出物料的装卸，以聚四氟乙烯材料作为密封环，保证系统的气密性。 萃取罐底部有一不锈钢滤网，以防粉末原料堵塞管道出口，下端有一出口通过管道与蒸发 罐相连；所述蒸发罐2、缓冲罐3、溶剂罐5为不锈钢材质的圆柱状或矩形状容器；所述热水 箱6为不锈钢材质或塑料材质的圆柱形或矩形装置；所述冷凝器4为一管式冷却器，通过不 断通入冷却水进行冷却，冷却器下侧设有一冷却水进口，上侧有一冷却水出口。所述压缩机8为隔膜压缩机，可调节和显示压力大小，压力范围为0 20MPa。萃 取罐1根据实际需要可设计成各种体积，其它部分按萃取工艺要求配置成相应大小。控制系统部分包括浸出温度调节控制、浸出时间控制、浸出次数控制、料溶比控 制、脱溶温度调节控制、脱溶压力反馈控制、整个装置的电器控制、以及超温超压和泄漏报 警等。该部分采用PLC设计，通过控制面板35上的参数设定，自动完成整个萃取过程。为便于工作温度和压力的自动控制，该装置在萃取罐1、蒸发罐2、缓冲罐3、冷凝 器4和溶剂罐5设有压力测定器，在萃取罐1、蒸发罐2、缓冲罐3设有电接点式的温度测定 器，压力测定器和温度测定器均有一端设于罐内部。首先由人工在控制面板35上设定浸出 温度、浸出时间、浸出次数、料溶比和脱溶温度等萃取参数，通过系统的压力测定器和温度 测定器反馈给PLC信号，再由PLC发出指令，控制各个阀门的开启，直至完成整个萃取过程。本装置的工作过程如下(1)首先将物料装入料筒，再放入萃取罐内，用真空泵将容器中的空气抽尽；(2)利用压差将溶剂罐内亚临界流体打入萃取罐内，采用循环热水对萃取罐进行 加热，同时打开超声发生装置辅助萃取；(3)物料经一定时间萃取后，将液态的混合油(含有脂溶性成分的亚临界流体)， 从萃取罐底部放出，进入蒸发罐中进行减压蒸发，将混合油中的亚临界流体充分气化，蒸发 过程中通过夹层的热水加热，以补充亚临界流体从液态到气态转化过程所需的热量，气化 后的气体经压缩机压缩后在冷凝器中变为液体，回流到溶剂罐后循环使用；(4)萃取结束后，用压缩机将萃取罐内物料中的残留亚临界流体进行减压蒸发，待 萃取罐压力到OMpa后，再用真空泵进行负压蒸发，直至将压力降为-0. 09MPa以下，打开萃 取罐口，将残渣取出；(5)混和油经压缩机减压蒸发到OMpa后，同样转换为用真空泵进行负压蒸发，至 蒸发罐压力为-0. 09MPa以下，将所提取的脂溶性物质从蒸发罐低部放出；[0023](6)以上过程除装卸物料由人工完成外，其它步骤均采用PLC程序设定、自动完成 整个萃取过程。本实用新型提供的超声辅助亚临界流体萃取装置的萃取方法通过如下方案实现 将脂溶性物料放入萃取罐内，然后注入亚临界流体，在一定压力条件下，脂溶性物料在亚临 界流体中，经过一定时间的超声辅助萃取，再辅以容器夹层的热水加热，使固态物料中的脂 溶性成份逐渐向液态的亚临界流体中扩散，并最终达到一个平衡。然后将含有脂溶性成分 的亚临界流体(混合油)从萃取罐底部排到气液分离容器(蒸发罐)中，通过压缩机进行 减压蒸发，将亚临界流体从混合油液体中不断转化为气态，并在压缩机的作用下，再由气态 压缩为液态，回流到溶剂罐循环使用。根据物料中脂溶性成分含量的多少，通过多次萃取， 最终将物料的脂溶性成分充分提取。本实用新型提供的超声辅助亚临界流体萃取装置的萃取方法，包括有如下步骤(1)首先将原料进行预处理，制成30 120目的颗粒，包括去杂、粉碎、制粒等。 然后将预处理的物料装入料筒，再放入萃取罐内，用真空泵将容器中的空气抽尽，真空度 为-0. IMPa以下。(2)利用压力差将溶剂罐内亚临界流体注入萃取罐内，料溶比为1 1 5，其中 所述的亚临界流体可以是甲烷、乙烷、丙烷、异丙烷、丁烷、高纯度异丁烷、液化石油气、二甲 醚、四氟乙烷、六氟化硫等的一种或者其中两种及两种以上的混合物。(3)对于原料中的中等极性功能团的萃取，可在步骤(2)中加入以质量计1 10%萃取夹带剂，其中所述的萃取夹带剂可以是乙醇或丙酮，从而将混合溶剂调整为弱极 性溶媒，以便实现中等极性成分的萃取和分离。(4)采用循环热水对萃取罐进行加热，温度控制在20 80°C之间，压力控制在 0. 2 2. OMPa。采用超声辅助萃取，超声功率为50-2500W，超声频率20_50KHz。(5)经过5 180min的超声辅助萃取后，将液态的混合油(含有脂溶性成分的亚 临界流体)从萃取罐低部放出，进入蒸发罐进行减压蒸发，将混合油中的溶酶充分气化，蒸 发过程中通过夹层的热水加热，补充溶酶从液态到气态转化过程中所需的热量，气化后的 气体经压缩机压缩后在冷凝器中变为液体，回流到溶剂罐后循环使用。(6)根据原料中脂溶性成分含量，萃取次数选择1 5次，每遍重复上述2、3和4 的过程即可。也可通过增加1 3个缓存罐方式，实现2 4次的逆流萃取。(7)萃取结束后，用压缩机将萃取罐内物料中的残留溶酶进行减压蒸发，蒸发过程 中通过夹层的热水加热，补充溶酶从液态到气态转化过程中所需的热量，待萃取罐压力降 到OMpa后，再用真空泵进行负压蒸发，直至将压力降为-0. 09MPa以下，打开萃取罐口，将残 渣取出。(8)混和油经压缩机减压蒸发到OMpa后，同样转换为用真空泵进行负压蒸发，至 蒸发罐压力为-0. 09Mpa以下，将所提取的脂溶性物质从蒸发罐低部排出即可。(9)以上参数在控制面板上进行设置后，装置可按照工艺要求自动完成萃取过程； 上述各步骤也可通过手工操作完成萃取过程。本实用新型的优点(1)本实用新型装置能满足多种亚临界流体萃取工艺要求，并可根据需要制作不 同规模的实验装置或中试装置；采用PLC控制，自动化程度高；罐体采用快开门结构设计，操作、维护非常简便。(2)本实用新型的装置属于中、低压压力容器范围，大幅度降低了装置制造过程的 工艺难度和工程造价；且运行成本低廉，相对产量大，适于多种物料的萃取实验和研究，易 于在高校、研究所、企业推广应用。(3)基于本实用新型的方法利用亚临界流体沸点较低的特性，通过提高工艺过程 的真空度，使萃取溶剂在10 50°C的温度下快速蒸发，提高了溶媒回收率，减少了溶媒损 失，降低了能源消耗；且萃取是在密闭条件下进行，因而“热敏性”成份不变性、不氧化，是天 然产物功效成分保质萃取的理想工艺。(4)基于本实用新型的方法根据萃取对象不同，可以灵活选择不同的亚临界萃取 介质；同时也可根据原料目标物质的含量大小，灵活选择多种萃取方式。(5)基于本实用新型的方法加工流程均处在比较安全的中、低压状态下完成，设备 的有效容积受加工工艺的制约小，系统的安全性能指标相对提高，同时，生产中无“三废污 染”，属环保工程。(6)本发明的装置和方法将亚临界流体萃取技术与超声提取技术相结合，能明显 提高萃取率、缩短提取时间、不破坏功效成分，是一种高效、低耗、环保、具有广阔应用前景 的天然产物有效成分提取的新技术。


图1是本实用新型天然产物有效成分的亚临界流体萃取装置的结构示意图，其中 1为萃取罐，2为蒸发罐，3为缓冲罐，4为冷凝器，5为溶剂罐，6为热水箱，7为热水泵，8为 压缩机，9为真空泵，10为阻火器，11为超声发生装置，12为萃取罐快开门装置，13 34为 调节阀门。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作详细说明。实施例1亚临界液化石油气萃取天然青刺果油取天然青刺果2. 5kg，原料经预处理后含杂0. 3%、胚片厚度0. 35mm、含水量为 8.5%、温度451。然后以亚临界液化石油气为溶酶萃取青刺果油，萃取温度45°C、萃取 时间45min、萃取次数5次。混合油减压气化，达到OMpa(表压)后抽真空脱溶，当表压 为-0. 09MPa，在温度45°C下保温30min。湿料胚减压气化，压缩回收溶酶。青刺果油主要品 质指标测定结果油中残溶0. 85ppm ；含杂0. 1% ；粕中含油2. 0% ；粕中残溶222ppm。实施例2超声辅助亚临界丙烷萃取天然青刺果油取天然青刺果2. 5kg，原料经预处理后含杂0. 3%、胚片厚度0. 35mm、含水量为 8. 5 %、温度45°C。然后以亚临界丙烷为溶酶，超声辅助萃取青刺果油，萃取温度45°C、萃 取时间30min、萃取次数3次、超声功率为1500W、超声频率20KHz。混合油减压气化，达到 OMpa (表压)后抽真空脱溶，当表压为-0. 09MPa，在温度45°C下保温30min。湿料胚减压气 化，压缩回收溶酶。青刺果油主要指标测定结果油中残溶0.85ppm;含杂0. 1%;粕中含油 1.2% ；粕中残溶195ppm。实施例3亚临界丙烷和丁烷萃取小麦胚芽油取小麦胚芽2. 5kg，经清理、微波干燥等预处理后含杂0. 15%、含水量为7. 5%。采用亚临界丙烷和丁烷，按逆流三浸工艺进行萃取，第一遍、第二遍分别用上一罐浸出的第 二遍、第三遍混合油萃取，每遍浸泡35分钟。第一遍浸出的混合油打到蒸发罐内，其余二 遍打到缓存罐。浸出温度为室温，压力为0.4MPa，料溶比1 2.5，丙烷与丁烷的比例为 3 1。混合油蒸发时循环热水温度控制在50°C以下，达到OMpa (表压)后抽真空脱溶，当 表压为-0. 09MPa，在温度45°C下保温30min。湿粕脱溶控制加热温度在50°C以下，所得麦 胚蛋白，是一种高级食品添加剂。小麦胚芽油主要指标测定结果油中残溶0. 75ppm ；含杂 0. 2% ；粕中含油0. 9% ；粕中含溶402ppm。实施例4亚临界四氟乙烷逆流萃取番茄籽油取番茄籽2. 5kg，经清理、软化、轧胚等预处理后含杂0. 15%、胚片厚度0. 30mm、 含水量为9.5%。采用亚临界四氟乙烷，按逆流四浸工艺进行萃取，第一遍、第二遍、第三 遍分别用上一罐浸出的第二遍、第三遍、第四遍混合油萃取，每遍浸泡35分钟。第一遍浸 出的混合油打到蒸发罐内，其余三遍打到缓存罐。浸出温度为室温，压力为1.25MPa，料溶 比1 1.5，并加入1.5%的无水乙醇。混合油蒸发时循环热水温度控制在60°C以下，达到 OMpa (表压)后抽真空脱溶，当表压为-0. 09MPa，在温度45°C下保温30min。湿粕脱溶控制 加热温度在50°C以下，所得番茄籽粕是一种高级食品添加剂。番茄籽油主要指标测定结果 油中残溶0. 85ppm;含杂0. 1% ；粕中含油1.2% ；粕中含溶314ppm。
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权利要求天然产物有效成分的亚临界流体萃取装置，由控制系统部分和浸出系统部分构成，其特征在于所述浸出系统部分由萃取罐(1)、蒸发罐(2)、缓冲罐(3)、冷凝器(4)、溶剂罐(5)、超声发生装置(11)、真空泵(9)、阻火器(10)、压缩机(8)、热水泵(7)、热水箱(6)构成；其中萃取罐(1)一端通过调节阀(17)、(25)和管道与溶剂罐(5)相连接，利用压差将溶剂罐(5)中的液态溶酶输入萃取罐(1)；另一端通过调节阀(19)和管道与蒸发罐(2)相连接，将提取产物和溶酶的混合物排入蒸发罐(2)中；真空泵(9)一端通过管道和调节阀(13)、(14)、(20)、(21)分别与萃取罐(1)、蒸发罐(2)、缓冲罐(3)连接，另一端通过管道与阻火器(10)连接；压缩机(8)的一端通过管道和调节阀(22)与缓冲罐(3)连接，缓冲罐(3)再通过管道和调节阀(14)、(21)与萃取罐(1)、蒸发罐(2)相连接，将液态溶酶进行减压气化；另一端通过管道和调节阀(15)与冷凝器(4)连接，将经压缩的气态溶酶冷却液化；冷凝器(4)的另一端通过管道和调节阀(18)与溶剂罐(5)连接，将液化的溶酶注入溶剂罐(5)中；球阀(33)、(34)分别为循环冷却水的进出口；热水泵(7)一端通过管道和调节阀(28)分别与热水箱(6)连接；另一端通过管道和调节阀(26)、(29)与萃取罐(1)、蒸发罐(2)底部的加热夹套连接，为萃取罐(1)、蒸发罐(2)中液态的溶酶气化提供热量以及用来保证萃取罐处于恒温状态；其中萃取罐(1)顶部设有超声发生装置(11)，超声发生器(11)置于所述萃取罐(1)的外面，超声发生器(11)的换能头置于萃取罐(1)的上部；其中所述萃取罐(1)为耐高温、高压的不锈钢材质的圆柱状装置，萃取罐盖采用萃取罐快开门装置(12)，以聚四氟乙烯材料作为密封环，萃取罐(1)底部有一不锈钢滤网，下端有一出口通过管道与蒸发罐(2)相连；所述蒸发罐(2)、缓冲罐(3)、溶剂罐(5)为不锈钢材质的圆柱状或矩形状容器；所述热水箱(6)为不锈钢材质或塑料材质的圆柱形或矩形装置；所述冷凝器(4)为一管式冷却器，通过不断通入冷却水进行冷却，冷却器下侧设有一冷却水进口，上侧有一冷却水出口。
2.根据权利要求1所述的天然产物有效成分的亚临界流体萃取装置，其特征在于所述 压缩机(8)为隔膜压缩机，可调节和显示压力大小，压力范围为0 20MPa。
3.根据权利要求1所述的天然产物有效成分的亚临界流体萃取装置，其特征在于萃取 罐(1)、蒸发罐(2)、缓冲罐(3)、冷凝器(4)和溶剂罐(5)设有压力测定器，萃取罐(1)、蒸 发罐(2)、缓冲罐(3)还设有电接点式的温度测定器，压力测定器和温度测定器均有一端设 于罐内部。
专利摘要本实用新型天然产物有效成分的亚临界流体萃取装置，由控制系统部分和浸出系统部分构成，其中浸出系统部分由萃取罐、蒸发罐、缓冲罐、冷凝器、溶剂罐、超声发生装置、真空泵、阻火器、压缩机、热水泵、热水箱构成；萃取罐一端通过调节阀和管道与溶剂罐相连接；真空泵一端通过管道和调节阀分别与萃取罐、蒸发罐、缓冲罐连接，另一端通过管道与阻火器连接；压缩机的一端通过管道和调节阀与缓冲罐连接，缓冲罐再通过管道和调节阀与萃取罐、蒸发罐相连接，萃取罐顶部设有超声发生装置，超声发生器置于所述萃取罐的外面。本实用新型根据萃取对象不同，将亚临界流体萃取技术与超声提取技术相结合，能提高萃取率、缩短提取时间。
文档编号B01D11/02GK201578881SQ20092023115
公开日2010年9月15日 申请日期2009年9月3日 优先权日2009年9月3日
发明者任晓锋, 冯娟, 姜松, 徐斌, 朱新亮, 董英, 蔡健荣 申请人:江苏大学;安阳漫天雪食品制造有限公司