中药分离工程--超声及微博辅助萃取分离 ppt课件

第三章超声及微波辅助萃取分离ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScienceContents超声辅助萃取工程123微波辅助萃取工程应用前景ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience概述 超声波产生的强烈振动、高加速度、强烈空化效应、搅拌作用等都可加速药物有效成分进入溶剂，将细胞壁和细胞膜破碎或溶解，提高药物有效成分或有效部位提取率。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.1超声辅助萃取工程3.1.1基本原理 超声提取：利用超声波具有的机械效应、空化效应及热效应，通过增大介质分子的运动速度，增大介质的穿透力以提取中药有效成分的方法。 其空化效应、热效应和机械作用是超声技术在中药提取中的三大理论依据ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 3.1.1.1空化效应空化现象： 液体中存在小气泡。 超声波作用于液体时，只有尺寸适宜的小泡能发生共振现象。 接近共振尺寸时，声波的稀疏阶段使小泡迅速胀大；在声波的压缩阶段，小泡又突然被绝热压缩，直至湮灭。湮灭过程中，小泡内部可达几千度的高温和几千个大气压的高压。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.1.1.2热效应 由于介质吸收超声波以及内摩擦消耗，分子产生剧烈振动，超声波的机械能转化为介质的内能，引起介质温度升高。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.1.1.3机械效应 超声波是机械振动能量的传播，可在液体中形成有效的搅动与流动，破坏介质的结构，粉碎液体中的颗粒。 超声波可以使常温常压不能发生的化学反应在空化作用下发生，甚至使非常坚硬的固体被粉碎。 空化作用产生的极大压力造成生物细胞壁及整个生物体破裂，而且整个破碎过程在瞬间完成，同时超声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散及溶解。 被浸提的物质在被破碎瞬间生物活性保持不变，同时提高破碎速度和提取率。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 除上述三种作用原理外，还发现超声波能使悬浮于气体或液体中的微粒聚集成较大颗粒而沉淀。 凝聚作用对提高提取率和缩短提取时间均起重要作用。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.1.2超声波提取的特点 (1)超声提取时不用加热，避免了长时间加热对有效成分的不良影响，适用于对热敏物质的提取；同时由于其不需加热，因而也节省了能源。 (2)超声提取提高了药物有效成分的提取率。 (3)溶剂量少，节约溶剂。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience (4)超声提取是一个物理过程，在整个浸提过程中无化学反应发生，不影响大多数药物有效成分的生理活性。 (5)提取物有效成分含量高，有利于进一步精制。 (6)超声波破碎细胞的能力强，可以取得现有的机械或化学方法有时难于取得的理想破碎效果。*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.1.3超声辅助分离工程的种类3.1.3.1固-液萃取 固-液萃取在中药生产中通常被称为提取，即用合适的溶剂从物料中提取有用成分，一般采用热处理或机械搅拌来加强该过程。 应用超声能显著强化和改善提取过程。 超声的微扰效应增大了溶剂进入提取物细胞的渗透性，加强了传质过程；超声的另一作用是超声空化产生的强大剪切力能使植物细胞壁破裂，使细胞容易释放出内含物。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.1.3.2液-液萃取 液-液萃取涉及到两个互不相溶的有机相和水相之间的质量传递过程。 超声波的空化作用所引起的界面效应增加了两相间的接触面积，而空化崩溃时冲击波引起的湍动效应消除了两相交界的阻滞，从而增加了液-液萃取速率。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.2.3.3超声强化结晶 超声既可以使过饱和溶液的固体溶质产生迅速而平缓的沉淀，又可以强化晶体生长。 丘泰球等人成功地研究了超声对蔗糖溶液结晶动力学的影响，他们从超声对过饱和溶液的物理性质、晶核形成、晶体生长三方面的影响对该课题进行了系统的研究。 在外加声场作用下，过饱和溶液的电导率增大、粘度下降、成核诱导期缩短、稳定性下降。从而有利于蔗糖过饱和溶液析出晶体。 超声空化的聚能效应能给过饱和溶液提供能量，提高整个系统的振动能，并且界面效应降低了结晶能，结果是蔗糖过饱和溶液在介稳区就可以实现初级成核。*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 与其他剌激起晶法和投种起晶法相比，超声成核所要求的过饱和度较低，所得的晶核较均匀、完整、光洁，晶核和成品晶体尺寸分布范围较小，变异系数较低。 蔗糖晶体生长过程中应用超声辐照有正反两方面的作用： 一方面超声空化产生的湍动效应能减薄边界层厚度，提高传质速率； 另一方面超声空化泡崩溃时产生的微射流对晶体表面有凹蚀作用，强度过大还会击碎晶体。 因此当晶体尺寸比空化泡半径小时，超声促进晶体生长；而当晶体尺寸大于空化泡半径时，超声破坏晶体生长。*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.2.3.4超声凝聚 当超声波通过有悬浮粒子的流动介质时，其中的悬浮粒子开始与介质一起振动， 但由于大小不同的粒子具有不同的相对振动速度，粒子将会相互碰撞、粘合，体积和重量均增大； 其后由于粒子变大已不能跟随声振动运动了，而只能作无规则的运动，继续碰撞、粘合、变大，最后沉淀下来。*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.1.3.5超声强化过滤和脱水 常规的过滤方法往往会导致微小颗粒堵塞过滤器，必须经常更换过滤膜。 超声辐照有两个特殊的效应有利于改善过滤技术。 其一是声场凝聚效应可以引起细小粒子的聚集，从而加速了过滤速率； 其二是超声聚能效应为系统提供了足够的振动能，使部分粒子在滤液中处于悬浮状态，从而为洗涤提供了更自由的通道。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.2.3.6声场强化吸附与脱附 吸附与脱附是一对互逆过程，在超声空化作用下，声场一方面增加了吸附质向吸附剂扩散的速率； 另一方面降低了吸附质与吸附剂之间的范德华力。 前者具有正效应，强化吸附；后者具有负效应，强化脱附。 因此选择适宜的声场参数可以分别强化吸附与脱附。*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.1.4超声分离过程的设备及操作 (1)将物料破碎到一定程度，使超声波尽量渗透物料内部； (2)将物料与适宜的萃取剂混合，置于超声设备中，接受超声； (3)从萃取相中分离除去残渣； (4)获得目标产物。如有需要，可做进一步分离。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.5.1影响中药超声提取分离的因素1.超声波频率 超声波的热效应、机械作用、空化效应是相互关联的。 控制超声波的频率与强度，可以突出其中某个作用，减小或避免另一个作用，以达到提高有效成分提取率的目的。 超声频率越低，产生的空化效应、粉碎、破壁等作用越强。 强烈空化效应影响：使溶剂中瞬时产生的空化泡迅速崩溃，促使植物组织中的细胞破裂，溶剂渗透到植物细胞内部，使细胞中的有效成分进入溶剂，加速相互渗透、溶解。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 超声波清洗的基本原理是基于液体的空化效应。 事实上空化效应的强度直接跟频率有关，频率越高，空化气泡越小，空化强度越弱，且其减弱的程度非常大。 举例说，如将25KHz时的空化强度比作1，40KHz时的空化强度则为1/8，到了80KHz时，空化强度就降到0.02。所以如果频率选择正确，超声波损伤工件的问题就不存在了。*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience超声波强度 超声波的频率越高越容易获得较大的声强。 超声强度为0.5W/cm2时，就已经能产生强烈空化作用。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience功率和频率 在精密清洗中，当一定频率的超声清洗后达不到清洁的效果时，如果工件上要去除的杂质颗粒较大，可能是超声功率不足，增加超声功率就可以解决该问题；但如果工件上要去除杂质颗粒非常小，那么无论功率怎么增大，都无法达到清洁的要求。 从物理上分析其原因当液体流过工件表面时，会形成一层粘性膜。低频时该层粘性膜很厚，小颗粒埋藏在里面，无论超声的强度多大，空化气泡都无法与小颗粒接触。故无法把小颗粒除去：而当超声频率升高时，粘性膜的厚度就会减少，空化泡就可以接触到小颗粒，将他们从工件表面剥落。 由此可见，低频的超声清除大颗粒杂质的效果很好，但清除小颗粒杂质效果很差。相对而言，高频超声对清除小颗粒杂质则特别有效。*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.超声时间 超声提取法最大的优点是收率高，不用加热，还能大大缩短提取时间。 ①一些有效成分提取率，随超声作用时间增加而增大； ②提取率随超声时间的增加逐渐增高，一定时间后，超声时间再延长，提取率增加缓慢； ③提取率随超声作用时间增加，在某一时刻达到一个极限值后，提取率反而减小。*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience溶剂浸渍时间往往需要用一定溶剂将药材浸渍一段时间，再进行超声处理，这样可以增加有效成分在溶剂中的溶解度，提高提取率。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience5.溶剂的选择 中药中有效成分的提取与提取溶剂有一定的关系，加之用超声提取，无需加热，因此选择提取所用的溶剂，最好结合欲提取的有效成分的性质选择适宜的溶剂。*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience一、微波简介 微波（Microwave） 微波是一种波长为1mm～1m的电磁波，以直线方式传播，并具有反射、折射、衍射等光学特性。微波遇到金属物质会被反射，但遇到非金属物质则能穿透或被吸收。微波的电场频率介于300MHz~300GHz之间，常用的微波频率为2450MHZ。3.2微波辅助萃取工程ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience一、微波简介微波是一种电磁辐射，被辐射物质的极性分子在微波电磁场中可快速转向并定向排列，由此产生的撕裂和相互摩擦将引起物质发热，即将电能转化为热能，从而产生强烈的热效应。因此，微波加热过程实质上是介质分子获得微波能并转化为热能的过程。 ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience微波加热与传统加热*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience一、微波简介������������������������������������������������������������������1���������������������ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 1-搅拌器；2-磁控管； 3-反射板；4-腔体； 5-塑料盘磁控管是微波发生器，能产生每秒钟振动频率为24.5亿次的微波。这种肉眼看不见的微波，能穿透食物达5cm深，并使食物中的水分子也随之运动，剧烈的运动产生了大量的热能，于是食物“煮”熟了。一、微波简介微波炉的工作原理ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience微波最早应用于通讯和军事，是一种波长为1mm~1m的非电离的电磁波，被辐射物质的极性分子在微波电磁场中快速转向,并定向排列，从而产生撕裂和相互摩擦而引起发热，同时可保证能量的快速传递和充分利用。一、微波简介ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience微波萃取（Microwave-assistedExtraction，MAE)是指在目标化合物的提取过程中(或提取的前处理)加入微波场，利用微波场的特点来强化有效成分浸出的新型提取技术。利用吸收微波能力的差异可使基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使被萃取物质从基体或体系中分离出来，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的萃取剂中。二、微波辅助萃取及影响因素微波萃取ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 天然植物中的有效成分往往包埋在有表皮保护的内部薄壁细胞或液泡内，破壁非常困难。 微波加热导致水分子吸收微波能，产生大量的热量，使胞内温度迅速升高，液态水汽化产生的压力将细胞膜和细胞壁冲破，形成微小的孔洞，进一步加热，导致细胞内部和细胞壁水分减少，细胞收缩，表面出现裂纹。 孔洞或裂纹的存在使胞外液容易进入细胞内，溶解并释放胞内产物。*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience微波萃取流程图 ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 微波辅助萃取的优势ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 微波萃取仅适用于热稳定性物质的提取，对于热敏性物质如蛋白质、多肽等物质，微波加热可能使其变性或失活。 微波萃取过程中目标化合物因受热而分解，一些不希望得到的组分也会溶解于溶剂中，从而使微波萃取的选择性显著降低。 微波辅助萃取的局限性ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience常压法微波萃取方法高压法连续流动相法ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience新仪MAS-3普及型微波合成反应仪常压微波回流装置示意图1.微波炉2.瓶架3.蒸馏瓶4.搅拌器5.铜管6.冷凝管7.监视器8.控制面板 常压法装置���������������1�7�8�6�5�2�4�3�ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 高压法装置ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience流动萃取装置图1.萃取剂2.泵3.微波炉4.萃取单元5.温度控制器6.热电偶7.监视器8.记录仪9.限流器10.收集瓶 连续流动法装置�5�7�8�9�3�4�6�2�1�10���12�Magnus�������������������������������1.������2.��3.������4.��������5.�����������6.������7.������8.������9.������10.�������ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience萃取溶剂萃取温度粒径微波功率萃取时间微波萃取的影响因素314542二、微波辅助萃取及影响因素**ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 1、萃取溶剂 根据目标化合物在溶剂中的溶解性能差异，选用对目标化合物溶解度大，而对基体溶解度小的溶剂。溶剂应有一定极性。微波萃取所选用的溶剂必须对微波透明或半透明，介电常数应在8-28的范围内。溶剂对萃取成分的后续测定干扰少。 二、微波辅助萃取及影响因素ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*水是吸收微波的最好的介质，任何含水的非金属物质或各种生物体都能吸收微波。因此，样品的含水量对提取率影响显著。 在含水的溶剂萃取极性化合物时，微波辅助提取显示出较大优势。因被萃取物细胞内含水及极性有效成分的存在，在微波场中吸收大量能量，从而在内部产生热效应，被萃取物的细胞结构因产生的热效应而破裂。 非极性溶剂则很少或不吸收微波能，没有自热现象，它可以起到冷却和溶解双重作用。细胞内部的物质因细胞的破裂直接与相对冷的溶剂接触，由于内外温度差加速目标产物由细胞内转移到萃取剂中，从而强化有效成分的提取。ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 2、萃取温度 萃取温度应低于萃取溶剂的沸点，不同的物质最佳萃取温度不同。 3、粒径 与传统提取方法一样,被提取物经过适当破碎，可以增大接触面积,有利于萃取过程的进行。 二、微波辅助萃取及影响因素ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience4、微波功率 当时间一定时，功率越高，萃取的效率就越高，萃取就越完全。但是如果超过一定限度，则会使萃取体系压力升高到冲开容器安全阀。一般所选用的微波功率在200-1000W范围内 5、萃取时间萃取率会随着时间增长而提高，之后趋于稳定。最佳萃取时间与物质种类、样品量、含水量、溶剂体积和加热功率等有关。一般情况下为10-15min。二、微波辅助萃取及影响因素ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience3.3超声及微波萃取在中药分离中的应用前景及展望 利用超声波具有的机械效应、空化效应及热效应，通过增大介质分子的运动速度，增大介质的穿透力以提取中药有效成分的方法。 超声波这种强化提取法需增加产生超声波的动力消耗. 超声时间太长，杂质可随有效成分一起被提取出来.*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience 在中药的分离工程中，微波分离提取具有穿透力强、选择性高、加热效率高等显著特点. 在实际生产过程中具有体现了操作简便、快速、高效的优点，具有安全、节能的潜力，是一种快速、高效、安全、节能的提取胞内耐热物质的新工艺。 另外作为吸收微波最好介质的水也是中药提取的主要溶剂，因此微波萃取技术在中药提取中有良好的应用前景。 富含热敏性成分的中药材不适合使用微波干燥.*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience超声波逆流提取设备*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience*ZhejiangUniversityofTechnologyCollegeofPharmaceuticalScience****