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超临界流体(supercritical fluid,SCF)是指温度、压力和密度均高于其 临界值的物质。CO2 由于自身的特殊性质而成为倍受研究者所关注的超临界 流体介质。更好的发展和应用 CO2 超临界流体技术必须进行深入的基础研 究,而超临界流体的热力学和物理化学研究是当前基础研究超临界流体技术 的重点。但目前对超临界 CO2 二元体系的临界点性质的研究报道较少,CO2 二元体系的临界数据十分缺乏,对于多元体系就更为稀少,所以测量并系统 研究 CO2 二元体系的临界点性质有着非常重要的意义。 本文实验采用北京化工大学催化研究室自行研制设计的变体积可视化 耐高压容器,利用临界乳光作临界点判据,对 CO2+环己烷,甲苯,正丁醛, 异丁醛,甲醇和乙醇等六组超临界 CO2 二元体系临界点进行了测量。其中 CO2+环己烷,正丁醛和异丁醛的临界点数据未见文献报导。 实验发现:二元体系的临界温度和临界压力随加入的第二组分的性质及 含量不同而变化。即:第二组分的结构及含量对二元体系的临界温度和临界 压力有直接影响。 依据实验数据,对超临界 CO2 二元体系的临界温度和临界压力进行了模 型计算,并对计算混合物临界温度的公式和状态方程引力项混合规则进行了 修正: 1. 对计算混合物临界温度公式中的混合规则进行修正,首次将组成和表 示物质结构的偏心因子引入其中,建立了温度相互作用参数的表达式和新的 混合物临界温度计算公式。 2.对状态方程的引力项混合规则进行了改进,将温度和表示物质结构的 偏心因子引入引力项混合规则中的相互作用参数,建立了引力项相互作用参 数表达式。 对实验数据和文献数据的计算结果令人满意,并按照无约束条件最优化 得到了相互作用参数表达式的系数值,更加说明本文建立的相互作用参数表 达式是正确的和有一定理论基础的。 人工神经网络(artificial neural network,简称 ANN)是近年来发展迅速 的一门新型学科,它起源于医学,目前并且已经在各个学科中进行了渗透。 - 2 - WP=4 申 请 北 京 化 工 大 学 博 士 学 位 论 文 在化学化工方面,国内外研究者对人工神经网络技术应用有一些尝试,在对 物质临界性质的研究中,目前人工神经网络技术应用于研究纯物质的临界性 质、混合物的混合密度和混合物的超额性质,但是利用人工神经网络技术对 超临界 CO2 二元体系临界点进行研究未见相关报道。 本文首次将人工神经网络技术应用到 CO2 二元体系临界点的研究中, 通过神经网络对 CO2 二元体系临界温度和临界压力的研究,提出了关于神 经网络结构选择,传递函数判定和改进算法的比较等问题。 1)依据神经网络设计中的基本原则,设计出不同的神经网络结构应用于 CO2 二元体系临界性质的研究,研究结果表明,神经网络不仅仅可以完成对 一种临界性质的研究(单输出结构),还能还具有对两种临界性质同时进行 研究的能力(2 输出结构)。 2)采用不同的网络结构对 CO2 二元体系的临界性质进行了研究,发现: 研究的体系不同,网络结构不同;研究的对象不同,网络结构也不同。 3)针对不同的网络结构,分别选用了双曲正切函数 tansig、双曲对数函 数 logsig 和线性函数 pureline 等三个具有代表性的传递函数,对它们进行了 组合研究来确定输入层到隐含层、隐含层到输出层之间的传递函数的形式。 经过对实验数据的大量拟合计算,得到结论:研究的体系不同,传递函数形 式不同;对于不同的网络结构,传递函数的形式也不同。 4)采用 BP 法,动量法、自适应法和 L-M 法,对选定的网络结构和传递 函数组合进行了研究。经过比较发现:L-M 法是最好的算法,它具有:简便、 快捷、准确等优点。 本文将人工神经网络技术和实验研究的体系相结合,利用其特殊性和自 身特有的数学模型,直接将体系已知性质和所研究对象(体系的临界温度和 临界压力)相关联进行研究,避免了建立复杂的状态方程和混合规则,对实 验数据拟合计算的结果令人满意。实践证明了人工神经网络应用于混合体系 临界性质研究的可行性,为其应用开辟了一个新的应用领域,同时为混合体 系临界性质的研究提供了一个新方法。

二氧化碳超临界流体萃取概述 二氧化碳是一种很常见的气体，但是过多的二氧化碳会造成"温室效应"，因此充分利用二氧化碳具有重要意义。传统的二氧化碳利用技术主要是用于生产干冰（灭火用）或作为食品添加剂等。目前国内外正在致力于发展一种新型的二氧化碳利用技术——CO2超临界萃取技术。运用该技术可生产高附加值的产品，可提取过去用化学方法无法提取的物质，且廉价、无毒、安全、高效；适用于化工、医药、食品等工业。 二氧化碳在温度高于临界温度Tc=℃、压力高于临界压力Pc=的状态下，性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力。用它可溶解多种物质，然后提取其中的有效成分，具有广泛的应用前景。 传统的提取物质中有效成份的方法，如水蒸汽蒸馏法、减压蒸馏法、溶剂萃取法等，其工艺复杂、产品纯度不高，而且易残留有害物质。超临界流体萃取是一种新型的分离技术, 它是利用流体在超临界状态时具有密度大、粘度小、扩散系数大等优良的传质特性而成功开发的。它具有提取率高、产品纯度好、流程简单、能耗低等优点。CO2- SFE技术由于温度低, 且系统密闭, 可大量保存对热不稳定及易氧化的挥发性成分, 为中药挥发性成分的提取分离提供了目前最先进的方法。用超临界CO2萃取法可以从许多种植物中提取其有效成分，而这些成分过去用化学方法是提取不出来的。这项技术除了用在化工、医药等行业外，还可用在烟草、香料、食品等方面。如食品中，可以用来去除咖啡、茶叶中的咖啡因，可提取大蒜素、胚芽油、沙棘油、植物油以及医药用的鸦片、阿托品、人参素及银杏叶、紫杉中的有价值成分。可见这项技术在未来具有广阔的发展前景。一. 超临界流体萃取的基本原理 (一). 超临界流体定义 任何一种物质都存在三种相态-气相、液相、固相。三相成平衡态共存的点叫三相点。液、气两相成平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界压力。不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。 超临界流体(Supercritical fluid，SCF)技术中的SCF是指温度和压力均高于临界点的流体,如二氧化碳、氨、乙烯、丙烷、丙烯、水等。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。处于超临界状态时，气液两相性质非常相近，以至无法分别，所以称之为SCF。 目前研究较多的超临界流体是二氧化碳，因其具有无毒、不燃烧、对大部分物质不反应、价廉等优点，最为常用。在超临界状态下，CO2流体兼有气液两相的双重特点，既具有与气体相当的高扩散系数和低粘度，又具有与液体相近的密度和物质良好的溶解能力。其密度对温度和压力变化十分敏感，且与溶解能力在一定压力范围内成比例，所以可通过控制温度和压力改变物质的溶解度。(二). 超临界流体萃取的基本原理 超临界流体萃取分离过程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。当气体处于超临界状态时, 成为性质介于液体和气体之间的单一相态, 具有和液体相近的密度, 粘度虽高于气体但明显低于液体, 扩散系数为液体的10～100倍; 因此对物料有较好的渗透性和较强的溶解能力, 能够将物料中某些成分提取出来。 在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来。并且超临界流体的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加, 极性增大, 利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。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，被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取分离两过程合为一体，这就是超临界流体萃取分离的基本原理。超临界CO2的溶解能力 超临界状态下，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性、沸点和分子量密切相关，一般来说由一下规律：1． 亲脂性、低沸点成分可在低压萃取(104Pa), 如挥发油、烃、酯等。2． 化合物的极性基团越多，就越难萃取。3． 化合物的分子量越高，越难萃取。 超临界CO2的特点 超临界CO2成为目前最常用的萃取剂，它具有以下特点：1．CO2临界温度为℃，临界压力为，临界条件容易达到。 2．CO2化学性质不活波，无色无味无毒，安全性好。 3．价格便宜，纯度高，容易获得。 因此，CO2特别适合天然产物有效成分的提取。二、超临界流体萃取的特点 1．萃取和分离合二为一，当饱含溶解物的二氧化碳超临界流体流经分离器时，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，不存在物料的相变过程，不需回收溶剂, 操作方便；不仅萃取效率高，而且能耗较少，节约成本。 2．压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数。临界点附近，温度压力的微小变化，都会引起CO2密度显著变化，从而引起待萃物的溶解度发生变化，可通过控制温度或压力的方法达到萃取目的。压力固定，改变温度可将物质分离；反之温度固定，降低压力使萃取物分离；因此工艺流程短、耗时少。对环境无污染，萃取流体可循环使用，真正实现生产过程绿色化。 3．萃取温度低, CO2的临界温度为℃ ,临界压力为 , 可以有效地防止热敏性成分的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸点，低挥发渡、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来。 4. 临界CO2 流体常态下是气体, 无毒, 与萃取成分分离后, 完全没有溶剂的残留, 有效地避免了传统提取条件下溶剂毒性的残留。同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染, 100%的纯天然。 5．超临界流体的极性可以改变, 一定温度条件下, 只要改变压力或加入适宜的夹带剂即可提取不同极性的物质, 可选择范围广。三、超临界流体萃取技术的应用 (一).超临界流体技术在国内天然药物研制中的应用 目前，国内外采用CO2超临界萃取技术可利用的资源有：紫杉、黄芪、人参叶、大麻、香獐、青蒿草、银杏叶、川贝草、桉叶、玫瑰花、樟树叶、茉莉花、花椒、八角、桂花、生姜、大蒜、辣椒、桔柚皮、啤酒花、芒草、香茅草、鼠尾草、迷迭香、丁子香、豆蔻、沙棘、小麦、玉米、米糠、鱼、烟草、茶叶、煤、废油等。 在超临界流体技术中，超临界流体萃取技术(Supercritical fluid extraction，SFE)与天然药物现代化关系密切。SFE对非极性和中等极性成分的萃取，可克服传统的萃取方法中因回收溶剂而致样品损失和对环境的污染，尤其适用于对温热不稳定的挥发性化合物提取；对于极性偏大的化合物，可采用加入极性的夹带剂如乙醇、甲醉等，改变其萃取范围提高抽提率。(二). 超临界CO2萃取技术在中药开发方面的优点 用超临界CO2萃取技术进行中药研究开发及产业化，和中药传统方法相比，具有许多独特的优点： 1、二氧化碳的临界温度在℃ ,能够比较完好地保存中药有效成分不被破坏或发生次生化, 尤其适合于那些对热敏感性强、容易氧化分解的成分的提取。 2、流体的溶解能力与其密度的大小相关, 而温度、压力的微小变化会引起流体密度的大幅度变化, 从而影响其溶解能力。 所以可以通过调节操作压力、温度, 从而可减小杂质使中药有效成分高度富集，产品外观大为改善, 萃取效率高, 且无溶剂残留。 3、根据中医辨证论治理论, 中药复方中有效成分是彼此制约、协同发挥作用的。超临界二氧化碳萃取不是简单地纯化某一组分, 而是将有效成分进行选择性的分离, 更有利于中药复方优势的发挥。 4. 超临界CO2还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，大大提高新药筛选速度。同时，可以提取许多传统法提不出来的物质，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。 5、二氧化碳无毒、无害、不易燃易爆、粘度低 ,表面张力低、沸点低, 不易造成环境污染。 6、通过直接与GC、IR、MS、LC等联用 ,客观地反映提取物中有效成分的浓度,实现中药提取与质量分析一体化。 7. 提取时间快、生产周期短。超临界CO2提取（动态）循环一开始，分离便开始进行。一般提取10分钟便有成分分离析出，2一4小时左右便可完全提取。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是简单浓缩。 8. 超临界CO2萃取，操作参数容易控制，因此，有效成分及产品质量稳定。 9. 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，而且其药理、临床效果能够得到保证。 10. 超临界CO2萃取工艺，流程简单，操作方便，节省劳动力和大量有机溶剂，减小三废污染，这无疑为中药现代化提供了一种高新的提取、分离、制备及浓缩新方法。 另外，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，从而可制备控释小丸等剂型，可用来制备中药新剂型。 超临界萃取技术除了在中药有效成分的提取方面有着明显的优势之外，它还在食品、化工和生物工程方面有着广泛的应用。(三).超临界流体技术在其他方面的应用 1. 在食品方面的应用 目前已经可以用超临界二氧化碳从葵花籽、红花籽、花生、小麦胚芽、可可豆中提取油脂，这种方法比传统的压榨法的回收率高，而且不存在溶剂法的溶剂分离问题。 2. 在医药保健品方面的应用 在抗生素药品生产中，传统方法常使用丙酮、甲醇等有机溶剂，但要将溶剂完全除去，又不是要变质非常困难。若采用SCFE法则完全可符合要求。 另外，用SCFE法从银杏叶中提取的银杏黄酮，从鱼的内脏，骨头等提取的多烯不饱和脂肪酸（DHA，EPA），从沙棘籽提取的沙棘油，从蛋黄中提取的卵磷脂等对心脑血管疾病具有独特的疗效 3. 天然香精香料的提取 用SCFE法萃取香料不仅可以有效地提取芳香组分，而且还可以提高产品纯度，能保持其天然香味，如从桂花、茉莉花、菊花、梅花、米兰花、玫瑰花中提取花香精，从胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料，从芹菜籽、生姜，莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油，不仅可以用作调味香料，而且一些精油还具有较高的药用价值。 啤酒花是啤酒酿造中不可缺少的添加物，具有独特的香气、清爽度和苦味。传统方法生产的啤酒花浸膏不含或仅含少量的香精油，破坏了啤酒的风味，而且残存的有机溶剂对人体有害。超临界萃取技术为酒花浸膏的生产开辟了广阔的前景。4. 在化工方面的应用 在美国超临界技术还用来制备液体燃料。以甲苯为萃取剂，在Pc=100atm, Tc=400-440℃条件下进行萃取，在SCF溶剂分子的扩散作用下，促进煤有机质发生深度的热分解，能使三分之一的有机质转化为液体产物。此外，从煤炭中还可以萃取硫等化工产品。 美国最近研制成功用超临界二氧化碳既作反应剂又作萃取剂的新型乙酸制造工艺。俄罗斯、德国还把SCFE法用于油料脱沥青技术。 此外，朝临界萃取还可以用于提取茶叶中的茶多酚；提取银杏黄酮、内酯；提取桂花精和米糖油。四、超临界流体萃取技术的展望 中药为我国传统医药，用中药防病治病在我国具有悠久的历史。由于化学药品的毒副作用逐渐被人们所认识及合成一个新药又需巨大的投资，西医西药对威胁人类健康的常见病、疑难病的治疗药物还远远不能满足临床的需要，因此，全世界范围内掀起了中医中药热。 中药在我国作为天然药物不但应用历史悠久。产量又居世界第一，然而，就目前世界天药物的贸易额看．我国仅占18％左右。究其原因，主要是产业现代化工程技术水平不高，制备工艺和剂型现代化水平还很落后等因素所制约。为此，要改变现状必需从提取分离工艺、制剂工艺现代化。质量控制标准化、规范化上下手。面对科学技术，特别是医药工业的迅猛发展，国际间医药学术交流活动的日益频繁以及药品市场竞争越来越激烈，实现中药现代化，与国际接轨，已成为中医药工作者的共识。 在现代社会，中药生产中的大桶煮提、大锅蒸熬及匾、勺、缸类生产器具当家的状况大为改善，进而出现不锈钢多功能提取罐、外循环蒸发、多效蒸发器，流化干燥器等设备，中成药的剂型也有较大的发展，由丸、散、膏、丹剂为主发展成为具有颗粒剂、片剂、胶囊剂、口服液及少量粉针等剂型。然而，我国现阶段创制的中成药还难以在国外注册、合法销售与使用。从目前全世界天然药物的贸易额来看，中国仅占l%左右，与天然药物主产国的地位极不相称。其原因主要是产业现代工程技术水平不高，制备工艺和剂型现代化方面还很落后；生产过程的许多方面缺乏科学的、严格的工艺操作参数，不仅导致了消耗高、效率低，而且还出现有效成分损失、疗效不稳定、剂量大服用不方便、产品外观颜色差、内在质量不稳定；同时还出现缺少系统的量化指标，大多数产品缺乏疗效基本一致的内在质量标准；许多复方制剂还难以搞清楚其作用的物质基础。"丸、散、膏、丹，神仙难辨" 的状况尚未根本改变。要改变这种现状，让西方医药界接受中药，增强中药在国际市场上的竞争地位，主要途径是，以中药理论为指导，采用先进的技术，实现中药现代化。中药产品现代化的重点可简单地用8个字来描述，即"有效、量小、安全、可控"。实际上，它涉及范围十分广泛，要解决的问题比较复杂，但首先最关键的问题就是要提取分离工艺、制剂工艺现代化，质量控制标准化、规范化。为此，许多医药专家多次提出要采用超临界流体技术、膜分离技术、冷冻干燥技术、微波辐射诱导萃取技术、缓控释制剂技术、各种先进的色谱、光谱分析等先进技术，进行中药研究开发及产业化。 中药生产现代化和质量标准科学化是发展中药，走向世界的关键．在中药研制和开发中，必须遵循“三效“(速效、高效、长效)，"三小"(剂量小、副作用小、毒性小)，"五方便"(生产、运输、储藏、携带、使用方便)为目的之原则．为此，必须选用一些现代高新工艺技术．近年发展的SFE技术用于提取天然药物中的有效成分，特别适合对湿热不稳定的物质，又无残留溶剂、无回收溶剂造成环境污染的缺陷，而且提取速度快、可缩短生产周期。无疑是既可提高收率及产品纯度、又可降低成本的一种高新技术可推广使用．但是因为本法采取的萃取剂均为脂溶性，所以对极性偏大或分子量偏大(一般大于500时)的有效成分提取收率较差，今后必须在选用合适夹带剂加入方面下功夫．当然，国外已有报道应用全氟聚醚碳酸铵可使SFE法扩展到水溶性体系，使难以提取的强极性化合物如蛋白等成分由SFE法萃取．近年来SFE技术又与色谱、质谱、高压液相色谱等高新分析仪器联用，成为一种有效的分离、分析手段，能高效、快速地进行药物成分的分析。使一些中药制剂能借此制订出能指导生产操作和反映产品内在质量均一性、有效性、稳定性、重现性的可控指标，实施质量标推科学化． 目前 SFE主要用在天然药物中有效成分的萃取，而且多用于单个药物中纯天然成分提取．我们认为对我国应用历 史悠久的古方中一些中成药复方制剂，以及许多中药中具很强药理活性，参与生命功能活动的多糖成分．也应该进行采用SFE提取工艺的研究与新药开发，这也是使中药与国际接轨，实现中药现代化的必经之路。 在超临界流体技术中，研究及开发应用较多的是超临界流体萃取技术，由于其自身的特点，国内外已广泛应用于食品、香料等领域。我国有丰富的自然资源，超临界萃取技术有极大的推广价值。有些交通不发达的山区，特产资源十分丰富，尤其盛产中草药材。处理这些药材，要用相当大的装置，且运输不便，如能在这些山区建立CO2超临界萃取设备，可用以提取中药中最为有用的精华部分，这不仅减少了大量的运输成本，而且大大增强了重要的附加值。 而目前的中药领域，国外或国内大多数从事SFE技术的单位研究开发应用虽有报道，但缺乏系统性，大多只停留在中药有效成分或中间原料提取方面，这仅仅是用于中药的一个方面。中药的研究与开发具有特殊性，即必须具有药理临床效果，因此，SFE技术用于中药必须结合药理临床研究。只有工艺上优越，药理临床效果又保证或更好，SFE技术在该领域的生命力或潜力才能真正体现。