超临界二氧化碳萃取,超临界二氧化碳萃取技术

('超臨界二氧化碳萃取實驗ㄧ、目的：了解超臨界二氧化碳萃取原理，並經由實驗探討溫度及壓力對超臨界二氧化碳萃取功效之影響。二、原理：單一物質通常具有大家所熟悉的氣、固、液三相，當未達臨界點(criticalpoint)前常可藉由溫度與壓力的增減使物質產生液相與氣相之間的轉變，且相與相之間會有明顯的界面存在。但是一旦壓力到達或超過其臨界壓力(criticalpressure,Pc)且溫度到達或超過其臨界溫度(criticaltemperature,Tc)時，此液氣兩相的界面不復存在，整個系統呈現一均勻狀態即此物質之超臨界流體(SuperCriticalFluid,SCF)狀態(圖一)。圖一：一般純物質之平衡相圖在超臨界狀態下，物質的一些基本性質與特性會有所改變。一般而言，超臨界流體的物理性質是介於氣、液相之間的，例如其黏度接近氣體而密度則接近液體。因密度高，可輸送較氣體更多的超臨界流體，因黏度低，輸送時所需的功率則較液體為低。又其擴散係數(diffusioncoefficient)高於液體10至100倍以上，亦即質量傳遞阻力(masstransferresistance)遠較液體為小，此外超臨界流體有如氣體幾乎無表面張力，因此很容易滲入多孔性組織中，在質量傳遞上遠較液體為快。除物理性質外，在化學性質上亦與氣、液態時有所不同。例如二氧化碳在氣體狀態下不具萃取能力，但當進入超臨界狀態後，二氧化碳變成親有機性因而具有溶解有機物的能力，且因其密度接近液體因而具有很好的媒合能力(solvatingpower)，使得超臨界流體容易進入萃取物中將溶質帶出而成為一個相當優良的溶劑，具有絕佳的萃取效果。當一溶質分子處於超臨界流體中，若此分子與溶劑間之引力大於溶劑與溶劑間之引力時，該分子會被周圍的溶劑分子所包圍，稱之為群聚效應(clusteringeffect)；群聚現象目前已被認為是超臨界流體增加溶解能力的主要原因之一。超臨界流體的溶解能力與其密度有直接的關係，而其密度則隨著溫度或壓力的改變而有所變化，也因此超臨界流體的溶解能力可藉由溫度與壓力之調整來改善，以達到選擇性萃取或區分之目的，這也是一般傳統溶劑萃取所沒有的特性。圖二為一般流體之壓力-密度平衡相圖；其中壓力是以還原壓力Pr(Pr=P/Pc,reducedpressure)，溫度是以還原溫度Tr(Tr=T/Tc,reducedtemperature)，密度則是以還原密度ρr(ρr=ρ/ρc,reduceddensity)來表示，其中Pc、Tc及ρc分別代表此物質在其臨界點之臨界壓力、臨界溫度以及臨界密度。一般超臨界流體萃取的操作溫度約在1～1.4Tr之間，壓力則在1～6Pr之範圍內；亦即圖中的SCF的陰影部份。由圖中可知在此範圍只要溫度或壓力稍為加以改變，還原密度ρr就會有很明顯的變化亦即超臨界流體的溶解能力也會有很明顯的變化。因此此陰影部份也是超臨界流體最常使用的操作區域。表一則為CO2的密度與溫度、壓力的關係數據表。超臨界流體經常應用在萃取、層析、反應、清洗、染色、分離與造粒等各方面。較常見的超臨界流體有二氧化碳、二氧化硫、乙烯、已烷、丙烷、丁烷、庚烷、六氟化硫及氨等，他們的臨界壓力、臨界溫度以及臨界密度各不相同。而其中又以二氧化碳(CO2)為目前最常使用的超臨界流體，因為CO2具有以下的特點：1.臨界溫度(304.4K)與臨界壓力(72.9bar)皆不算高，可以在節省操作成本及能源的條件下輕易就可達其超臨界狀態。2.臨界溫度低使得操作溫度可以維持在相對低溫的範圍，可減少對熱敏感物質的破壞。3.超臨界二氧化碳對許多較低極性之有機物質具有良好的溶解能力，且其溶解能力可以很方便的經由壓力和溫度的改變，或者添加少量的修飾劑(modifierorco-solvent)來調整。4.二氧化碳(CO2)無毒性、無腐蝕性、不可燃、化學安定性佳，可降低製程之工安危險性。5.二氧化碳來源取得容易(一般為合成氨廠和天然氣井副產物的回收或者是液化空氣時之產物之一)且具高度揮發性，在常壓下為氣體，萃取後只須降壓即可有效將CO2與產物分離，可省去一般溶劑萃取後冗長的溶劑分離步驟。由於上述的優點，超臨界二氧化碳除了被用來作天然物藥物以及食品的萃取及精製之外，在其他領域；如半導體、化學、化工以及材料，均有越來越多的應用且被認為是符合環境保護的綠色製程。超臨界CO2流體萃取的過程中，雖然可以藉由調整溫度及壓力(亦即調整SCFCO2的密度)來改變它對溶質的溶解能力，但是溶劑對溶質有高溶解度的基本規則是「極性溶於極性，非極性溶於非極性」，由於CO2本身為非極性的分子，因此對低極性(親脂性)溶質會表現出較高的親和力；而對於一些極性較大的分子─帶有極性基團(如–OH、–COOH等)的化合物，它的溶解能力及萃取效率就會降低，此時可藉由添加少量極性有機溶劑當做修飾劑(modifier；又稱共溶劑：co-solvent)來增加對極性溶質的溶解度，以提高極性溶質的萃取效率。溶解度及萃取效率的改善主要是藉著修飾劑分子群聚於溶劑分子周圍而提高他們在超臨界二氧化碳流體中的溶解度。此等修飾劑有許多種類，須視萃取之系統及目標溶質來做適當的選取，其中又以甲醇及乙醇最為普遍。超臨界流體萃取方式主要可區分為三種：1.靜態萃取方式：主要步驟是將超臨界溶劑加壓封入萃取槽後做靜置萃取一段時間，待系統達平衡後再打開閥門將萃取物沖出並同時與溶劑分離。2.動態萃取方式：主要步驟是於萃取槽的入口加裝一背壓控制器以保持程序中萃取槽的壓力，並控制超臨界流體以一定的流速流經萃取槽，不斷的以新鮮的超臨界流體進行連續萃取。3.靜態--動態萃取方式：主要步驟為先做一段時間的靜態萃取，而後進行動態萃取。如此一來，萃取效率會比靜態萃取高且流體的消耗量會比動態萃取的方式少。本實驗將採取此方式。一般以超臨界流體進行萃取時，必須清楚知道我們的目標成分是什麼以及其定量方法(如應用HPLC,GC等等)，再以少量樣品作萃取條件的篩選，復以篩選得到的條件做大量樣品的萃取操作。本實驗因無法做特定成分之分析定量檢測，因此只探討溫度與壓力對萃出物總量的關係。圖二、為一般流體之壓力-密度平衡相圖；其中壓力是以還原壓力Pr(Pr=P/Pc,reducedpressure)，溫度是以還原溫度Tr(Tr=T/Tc,reducedtemperature)，密度則是以還原密度ρr(ρr=ρ/ρc,reduceddensity)來表示，其中Pc、Tc及ρc分別代表此物質在其臨界點之臨界壓力、臨界溫度以及臨界密度。其中的SCF區域為一般超臨界操作的區域，NCL區域則代表近臨界液體狀態(NearCriticalLiquid)。計算Tr時必須以絕對溫度來計算。表一、為CO2的密度與溫度、壓力的關係數據表。三、實驗裝置：本實驗所用的設備為美國AppliedSeparations公司所製造的超臨界萃取裝置(SFE)，使用壓力最高可達10000psi(680baroratm)溫度則可達250℃。此萃取系統主要可分成以下幾個大部分﹕(1)CO2加壓pump裝置；此為利用壓縮空氣作動之氣動pump，使CO2的壓力達到所需之萃取壓力。在CO2進入加壓pump之前，須先經過冷卻以確保CO2維持在液態以避免pump運轉不順，因此另外有一套低溫循環水槽與此連結。壓力設定及顯示均在一壓力調控箱(pumpmodule)上，系統之總電源開關則在此箱的右下角。(2)Oven萃取裝置；本實驗將使用兩支50ml之萃取槽分別置於oven內，再利用oven的加溫控溫功能，可使萃取槽內之樣品以及CO2達到萃取所需的溫度。Oven內有一根thermalcouple是用來貼附在萃取槽表面以顯示萃取槽的溫度，此溫度與oven的溫度在加熱階段並不一致。溫度的設定與調整(包括萃出物收集模組)均在oven下方的溫度調控箱進行。面向oven其左面下方有兩個入口閥(inletvalves)，上方有兩個洩壓閥(ventvalves)，右面上方則有兩個出口閥(outletvalves)均是用來控制CO2的進出萃取槽。(3)萃取物收集裝置；此裝置位於oven右面兩個出口閥的下方，具有兩個微調閥(Micro-MeteringValves)，用來在萃取完畢後將萃出物與CO2分離收集之用，主要利用微調閥的流量控制將萃取室內的高壓流體降壓排出於一個收集瓶中，由於壓力大幅降低使得CO2由超臨界狀態回復到氣態，萃出物在氣態CO2中的溶解度大幅度下降而析出來達到分離的效果。由於氣體降壓膨脹會造成冷卻降溫效應，因此微調閥有加熱溫控裝置以避免因降溫效應而造成管路結凍阻塞，此加熱溫控裝置亦位於在oven下方的溫度調控箱。請注意：微調閥最多只能闗至刻度極限處不可超過紅線處，再往下闗將造成微調閥之損壞！(4)修飾劑pump；在壓力調控箱(pumpmodule)上另有一個修飾劑pump用來將修飾劑加壓打入萃取槽以修飾超臨界CO2的極性，此pump在使用前須先將管線前端及pump內的空氣排出以避免空轉造成損傷，惟本實驗並不會使用到此修飾劑pump。圖三和圖四為此裝置的示意圖，圖五則為一般超臨界萃取的流程示意圖。圖三、為此裝置的示意圖。圖四、為此裝置的萃取槽與烘箱的示意圖。圖五、為一般超臨界萃取的流程示意圖。四、實驗步驟本實驗藉由靜態–動態萃取方式在不同溫度(50、70℃)與壓力(300、400bar)下利用SCFCO2萃取市售咖啡粉末，使同學了解超臨界萃取之操作並探討壓力與溫度對萃出物數量的影響。A組作50℃兩個壓力，B組作70℃兩個壓力，兩組數據共用，結果報告分開各自寫。實驗步驟如下：1.先確認CO2進氣閥(INLET)、出氣閥(OUTLET)、洩壓閥(VENT)、出氣微調閥(METERINGVALVES)(上述四閥順時針旋轉為關閉,逆時針為開啟)、壓力調控閥(AIRPRESSUREREGULATOR,逆時針旋轉為關閉,順時針為加壓)，均處於關閉狀態。鋼瓶內必須為液態CO2，故CO2出口閥必須連接一細長管抵達鋼瓶底部。2.打開系統之總電源開關(MAINPOWER位置)，並打開壓力調控箱(AIRPRESSUREREGULATOR所在機組)、烘箱(VALVE、OVEN-HEATER)、以及循環水槽(COOLER、POWER)的電源開關。(空壓機電源老師在實驗前應該會先打開)。循環水槽之水溫設定5℃以確保加壓前之CO2仍為液態。3.設定烘箱(50,或70℃為萃取溫度)及收集器溫度(150℃)。收集器溫度約"萃取溫度+100℃"。4.打開CO2鋼瓶開關，以壓力調控閥(AIRPRESSUREREGULATOR)調整二氧化碳壓力值，建議先設定為實驗壓力的一半(150bar,或200bar)[因為當烘箱溫度上升時，壓力會再上升]，直到到達設定溫度才調至目標壓力(300bar,或400bar)。5.安裝試料至萃取槽內(一開始可先將兩個萃取槽均安裝試料)：a.打開萃取槽一端的鎖頭(標示”下”字之一端)，並把另一端的鎖頭用手鎖緊(無標示”下”字之一端)。b.將PP棉放入萃取槽並用棒子將之壓緊(位置為標示”下”字之一端朝上)。c.放入預稱重之樣品(15g之咖啡粉末)並使分布均勻d.再放入PP棉並用棒子將之壓緊。e.把無標示”下”字之一端鎖緊。6.把萃取槽置入烘箱中(標示”下”字之一端朝下)，小心把萃取槽兩端與管線接頭旋轉接上。(注意：接頭若有對準則可輕鬆旋緊，若未對準千萬不可勉強用力旋緊否則會造成螺牙損傷)。將溫度偵測器夾在萃取槽表面以測萃取槽溫度。7.裝置取樣瓶[1號位置，注意：以八字型插入]，並架上透明防護罩8.當壓力達到設定值以下50bar(即250bar)及溫度到達設定值以下3℃(即47℃)時(例如A組做50℃，B組作70℃)，即打開所選定之萃取槽的進氣閥(INLET，1號位置)，此時CO2之壓力與溫度會因絕熱壓縮而再上升一些；然後，再調整壓力至300bar，開始靜態萃取，請自行計時20分鐘。(此時若有聽到氣體洩漏聲音，請馬上關閉進氣閥並請老師前往處理)9.靜態萃取20分鐘後再進行4分鐘的動態萃取；先開粗調出氣閥(OUTLET，1號位置)30-60度，再開微調出氣閥(METREINGVALVES，1號位置)，流量設定在大約3-4L/min，約7分鐘(收集瓶的出氣口不再有固形物出現)的動態萃取結束後關閉進氣閥(INLET，1號位置)，並讓殘存於萃取槽內的CO2流盡。將取樣瓶取下並秤重紀錄之10.打開此萃取槽的洩壓閥(VENT，1號位置)。11.重複上訴步驟5至步驟10，(步驟8之壓力改為400bar，1號位置改為2號位置)。12.實驗結束後，關二氧化碳鋼瓶、並將壓力調控閥依反時鐘方向調鬆。13.打開烘箱降溫14.將樣品倒出萃取槽並清潔之；將萃取槽兩端的內鎖塊(內有金屬網需用超音波清洗)包含每個鎖塊上的兩個O-ring一起拿給老師。15.清洗萃取槽：將萃取槽拿至水槽以刷子及清潔劑將槽內清洗乾淨並擦乾交給老師。16.清洗管路：先清洗1號位置的管路，打開粗調出氣閥(OUTLET，1號位置)以及微調出氣閥(METREINGVALVES，1號位置)，關閉洩壓閥(VENT，1號位置)，將烘箱內頂端之管路與管路連接器(銅製品，約為4cm長)接上，並以注射器吸取酒精由此連接器注入以清洗管路，並在微調出氣閥(METREINGVALVES，1號位置)位置出口端以小燒杯承接洗出液直到洗出液澄清為止，同上述步驟，再清洗2號位置的管路(1號位置改為2號位置)。17.確認所有閥皆在“關”的位置18.關閉烘箱、加壓器、循環水槽的電源19.關閉空壓機電源並將空壓機內壓縮空氣洩壓。記得填寫實驗紀錄簿！五、數據整理與計算範例A.萃取結果數據表壓力(bar)300bar400bar溫度(℃)收集後重-收集前重=g收集後重-收集前重=g50℃70℃B.萃取條件之CO2密度壓力(bar)300bar400bar溫度(℃)CO2密度(g/ml)CO2密度(g/ml)50℃70℃六、結果與討論1.將萃出率(y軸)與萃取溫度(x軸)作圖並討論之(3個壓力分屬3條曲線)2.將萃出率(y軸)與萃取壓力(x軸)作圖並討論之(2個溫度分屬2條曲線)3.由表一去查得各個萃取條件的CO2密度，4.將萃出率(y軸)與由表一所查得的萃取條件的CO2密度(x軸)作圖並討論之(2個溫度分屬2條曲線)5.請對本實驗結果做個綜合結論＊萃出率：每單位質量試料之萃出物質量',)