青蒿素的提取

北京化工大学北方学院 NORTH  COLLEGE  OF  BEIJING  UNIVERSITY  OF CHEMICAL  TECHNOLOGY （2013）届本科生天然产物有效成分提取大作业 题目：            青蒿素的提取                学院：      理工院      专业：化学工程与工艺  学号：    090101153    姓名：      马鸿飞      指导教师：                刘雪凌              教研室主任（负责人）：                          2012  年  6 月  5 日 天然色素的提取   ——青蒿素提取 马鸿飞 化学工程与工艺 化工0906班 学号090101153 指导老师：刘雪玲 摘  要 研究了超临界CO2提取青蒿素的工艺 ,考察了粒度、 压力、 温度、 时间、CO2流量等影响因素.以萃取率为目标 ,综合考虑产品收率 ,优化了超临界萃取工艺条件 ,得到较佳的操作条件:萃取压力 20 MPa ,萃取温度50 ℃,每千克原料CO2质量流量1 kg/ h ,分离器 Ⅰ 的温度为60 ℃,压力为14 MPa.在优化条件下萃取 4 h ,萃取率达到 95 %以上 ,萃取物纯度在 15 %以上. 关键词：青蒿素 超临界二氧化碳 萃取 黄花蒿 前  言 超临界流体萃取是利用处于临界温度，临界压力之上的超临界流体具有溶解许多物质的能力的性质，将SCF作为萃取剂，从液体或固体中萃取分离出特定的成分的新型分离技术由于它具有低能耗、无污染和适合于处理易热分解和易氧化物质的特性，因而在化学工业、能源工业和医药工业中引起广泛的兴趣和应用。 SCF 萃取剂特别是超临界CO2 流体与普通的有机溶剂相比，具有明显的优势。它是环境友好型溶剂，对人畜无害，不污染环境，也不会残留在产品中，而且临界温度（31。1度）和临界压力（7.387MPa）较低，故操作条件相对较温和。由于超临界CO2流体密度接近于液体，因而具有很大的溶解能力，而粘度却接近于气体，其扩散能力又比液体大100倍以上。并且，其溶解能力和选择性很方便的通过改变压力和温度进行调节，萃取速率快，操作时间短，所以一直受到大家的重视。 SFE技术在食品、医药、香料和天然色素等领域的天然物提取分离上的应用研究，一直是SFE技术研究最活跃的领域，受历史和传统习惯的影响，国外这方面的研究主要集中在天然香味物、调味品和天然色素的提取上，而国内则多集中在传统中药的有效成分的提取上，以适应中药现代化的发展要求。但萃取原理，都是从天然物中提取有效成分，其中，植物精油的提取占据了主导地位。 传统的植物精油或其它有效成分的提取方法，有水蒸气蒸馏法和有机溶剂萃取法。 它们都有明显的缺陷。 水蒸气蒸馏法由于温度较高，会引起精油中热敏性成分的热分解和易水解成分的水解。所提取的精油还必需除去所夹带的水分，以防止霉变，延长产品的储存和保质期。有机溶剂萃取法除了面临大量的溶剂筛选工作外，萃取所得产品还必需经过一系列的脱溶剂操作，才能得到最终产品。而且，产品中不可避免的会含有残余的有机溶剂，产品的使用范围受到很大的限制。大量的实验研究证实SFE技术在天然物提取上优于传统的提取方法。所以，SFE技术在天然物的提取上有取代上述两种方法的趋势。青蒿素的提取也可以用这种方法。 在过去的十几年中，天然物的SFE无论在技术上，还是在基础理论的研究上，都取得了很大的进展。 葛发欢和萧效良等人对SFE技术在香料工业和医药工业上的应用作过综述，分析了SFE技术在天然物提取上的优势和缺陷。但他们只是对SFE技术在香料工业和医药工业上的各个具体产物提取的情况作了介绍。有关近年来SFE技术提取天然物的实验方法和基础理论的研究进展，未见任何评述。 尽管超临界萃取技术的研究已经进行了二三十年，现在已有工业化的SFE 装置。但仍有许多与之相关的内容有待进一步研究。天然物组分更广泛和更可靠的溶解度数据仍有待测定，有关流体相和固相间的分离因子的数据更是缺乏。 目前，有关SFE 过程的可靠资料十分零碎。 描述过程的数学模型和过程模拟的研究才刚刚起步。 萃取后的天然物有效成分的进一步分离问题是SFE 研究中必须面临的新的领域。 虽然工业化超临界设备的投资过高，使该技术风险较大。 但由于该技术与传统的方法相比，在保证产品的纯天然特征和生产过程中不产生污染物排放以及能耗低等方面，具有明显的优势。 所以，在精细化工和制药等生产高附加值产品的行业受到广泛重视。 尽管超临界技术只是提取分离天然物时的一种选择，对具体的过程也不一定是唯一和最佳的选择。 但是，由于对环境保护的日益重视，而限制有机溶剂的使用；以及人们对纯天然高附加值产品需求的增加，必将大力促进超临界技术的研究开发向前发展。现在以青蒿素的萃取为例进行简介。 黄花蒿又名青蒿，为菊料艾属植物的全草。它具有抗疟、抗菌、解热、免疫等药理活性。青蒿素是我国科学工作者于70年代从黄花蒿中分离鉴定的含有过氧基团的倍半萜内酯类化合物，治疗恶性疟疾及抗氯喹株疟疾等疾病具有高效、速效、低毒等特点，是我国得到国际承认的唯一抗疟新药。以青蒿素为原料衍生而成的蒿甲醚、青蒿酯钠、还原青蒿素、蒿乙醚等也具有较高的抗疟效果。青蒿素结构中有一过氧基团，传统的溶剂提取法由于经过长时间的提取和浓缩，易使青蒿素破坏损失，收率降低，且要浓缩大量的有机溶剂，易燃易爆，污染大，提取周期长，成本高。 1 　 与方法 1. 1 　 原料与设备 1. 1. 1 　 原料　黄花蒿全草 ,自然晒干 ,粉碎、 筛分, 40～60 目和 60～80 目 ,石油醚索氏抽提法测得青蒿素质量分数为 0.487 % ,按中国药典(2000)烘干法测得水的质量分数为 11.3 % ,湖南华立(吉首) 青蒿素制药有限公司生产青蒿素标样 ,纯度99.8 % ,美国 Sigma 公司提供; CO2,纯度 ≥99.9 % ,含水率≤0.02 %,无异味 ,杭州明星工贸气体有限公司提供。 1. 1. 2 　 仪器 　HA121O 50O 01 型超临界萃取装置 ,萃取器容积 1 L ,设计压力 50 MPa ;两级分离器容积均为0. 6 L ,设计压力 30 MPa ,最高操作温度 75℃,最大体积流量 50 L/ h ,南通华安超临界萃取有限公司制造。 1. 2 　 萃取流程 CO2 钢瓶 →冷却系统 →高压泵 →萃取釜 →分离器(分离器Ⅰ 和分离器 Ⅱ) → 冷却系统(循环)黄花蒿草经粉碎筛分后装入萃取器。从钢瓶出来的CO2冷却成液态,再由高压泵压缩后进入缓冲罐,经预热器进入萃取器，与原料黄花蒿进行接触和传质，溶有溶质的超临界CO2经两级预热、 两级减压后进入分离器Ⅰ 和分离器Ⅱ。从分离器Ⅱ 顶部出来的CO2 (约为5 MPa)经冷却系统循环使用。预热器、 萃取器和分离器温度均由恒温水浴控制恒定温度。 1. 3 　 分析方法 采用 HPLCO UV 法测定.由于青蒿素无紫外吸收 ,分析前需要和酸、 碱进行衍生化反应 ,生成最大吸收波长为 260 nm 的 Q260 ,再进行 HPLC 分析。色谱分析条件为:Water s 高效液相色谱仪系统 ,包括 Waters 510 高压泵、 Waters 717 自动进样器、 C18 反相色谱柱(4. 6 mm ×25 cm ,5μm 固定相) 、 486 紫外监测器; 流动相: Na2 HPO4 ( 0. 9mmol/ L)ONaH2 PO4 (3. 6 mmol/ L ) 缓冲溶液 ( V(甲醇) ∶V (水) ∶V (乙腈) = 45 ∶45 ∶10 ,p H =7. 76) ,体积流量:0. 5 mL/ min.进样量:10μL ,检测波长:260 nm.柱温:30 ℃。实验测得标准曲线为:A = 3. 43 ×104 c ,其中: A 为青蒿素的峰面积(AU ·s) , c为青蒿素质量浓度(μg/ mL) ,线性相关度 R = 0. 999 6 ,相对标准偏差 1. 1 %,加样回收率98. 9 %。 2 　 结果与讨论 2. 1 　 颗粒度的影响 将原料粉碎,通过分级筛 ,收集不同粒度的组分进行萃取实验 ,结果如图 1 所示.可以看出 ,原料粒度的大小对萃取速度和萃取率有重要影响。青蒿素为植物细胞内产物 ,提取时须从胞内释放 ,扩散进入超临界CO2中,传质过程受植物细胞内扩散控制.所以原料必须适当粉碎以增加溶质分子与超临界CO2的接触 ,减少固相传质阻力 ,但如果粉碎太细会增加超临界CO2通过的阻力 ,使萃取效率下降.实验均采用粒度为 60～80 目(即 0. 25～0. 18mm)的黄花蒿原料进行实验。 2. 2 　 原料含水量的影响 实验考察了原料中水的质量分数对萃取率的影响。原料中初始水的质量分数为 11. 3 %,将原料在 50 ℃下真空干燥 ,使得水的质量分数分别为6.0 %和 2.5 %作对比实验 ,结果如图 2 所示.实验结果表明 ,在实验范围内原料中水的质量分数越高萃取率越大。 青蒿素具有极性,可能是原料中的水起 “夹带剂” 的作用,增强了超临界CO2 的极性和溶解能力。 水的质量分数对萃取选择性的影响较复杂 ,当水的质量分数很低时 ,青蒿素的萃取率低 ,使得提取物中青蒿素纯度不高；水的质量分数增加 ,萃取率显著提高 ,萃取选择性随之增加;水的质量分数再进一步增加 ,青蒿素萃取率提高 ,但极性杂质的溶解度增大 ,导致萃取选择性反而下降。从工业化角度考虑 ,原料直接进行萃取较合适。 2. 3 　 流速的影响 在0. 162～1. 968 kg/ h 范围内考察了CO2 质量流量对萃取率的影响 ,结果如图 3 所示。 实验结果表明:在相同的萃取时间下 , CO2质量流量增大萃取率增加。 质量流量增加 ,超临界流体通过料层的速度加快 ,因而与料的接触搅拌作用相对增强 ,传质系数与传质面积均有增大 ,从而提高了传质速率 ,使萃取能较快达到平衡溶解度 ,提高了萃取率；同时质量流量增加使超临界溶剂在萃取柱内停留时间相应减小 ,出口处流体不易达到饱和 ,不利于提高萃取率 ,甚至会出现相同时间或相同CO2用量下 ,萃取率随质量流量增大反而降低的现象.。实验选择了较为适宜的CO2质量流量:0. 294 kg/ h ,即每千克原料 1 kg/ h。 2. 4 　 萃取压力的影响 萃取压力是一个关键因素 ,对萃取率有重要影响.实验压力范围:15. 2～29. 7 MPa ,结果如图 4 所示.随着压力的增大 ,超临界CO2的密度和扩散能力也增加 ,其溶解能力就提高 ,萃取率也就越高。在20 MPa 以后继续提高压力 ,萃取率变化不大.虽然压力对流体密度的影响最为显著 ,且密度是影响超临界流体溶解能力的主要因素 ,但不能为了提高产量而无限制地提高压力 ,致使设备投资成倍增加所以选择压力应进行全面的经济衡算。 因此 ,综合考虑萃取率、 设备费用和能耗几个因素 ,20 MPa 为较佳的萃取压力。 2. 5 　 萃取温度的影响 温度是萃取过程的另一个重要参数 ,萃取温度提高 ,分子扩散系数增大 ,流体粘度下降 ,致使流体分子与溶质的结合几率增加 ,传质效率增加；但温度升高 ,流体密度降低 ,导致超临界CO2的溶解能力下降. 温度对萃取率的影响如图 5 所示. 可以看出 ,在一定温度内(40～60 ℃) ,温度升高萃取率显著提高. 升高萃取温度 ,有利于青蒿素的超临界CO2 萃取.但温度上升 ,杂质溶解度也增大 ,萃取选择性下降 ,萃取物中杂质含量也随之升高；同时温度过高 ,青蒿素还会发生热裂解等化学变化.因此 ,萃取温度不宜过高 ,50 ℃ 较为合适。 2. 6 　 萃取时间的影响 随着萃取时间的延长 ,萃取率增加。 由图 5 可见 ,在每千克原料CO2质量流量 1 kg/ h , 萃取压力20 MPa 及萃取温度 50 ℃下 ,萃取 4 h 已基本完成(萃取率达 95 %) ,再增加萃取时间 ,萃取率提高不大.从工业化的角度 ,萃取时间 4 h 较为适宜。 2. 7 　 分离器Ⅰ 的温度,压力的影响 在选定的操作条件下进行萃取,得到的萃取物要经过二级分离.分离器 Ⅰ的温度压力对杂质的析出有较大影响 ,从而影响分离器 Ⅱ收集产品的收率.考察分离器 Ⅰ的温度压力变化结果如图 6所示。 对分离器 Ⅰ在不同温度压力下产品收率比较可知:同一压力下 ,随着分离器 Ⅰ温度升高,产品收率增加;同一温度下 ,随着分离器 Ⅰ压力升高 ,产品收率先升后降 ,14 MPa 时达到最高点.因此选定分离器 Ⅰ 的温度为 60 ℃,压力为 14 MPa 时产品收率最高。 结　 论 从黄花蒿草萃取青蒿素 ,其质量传递是受植物细胞内部扩散控制 ,因此 ,对黄花蒿草必须进行粉碎 ,粒径以 60～80 目为宜.萃取操作条件对萃取率有很大影响.在一定萃取温度下 ,萃取压力升高 ,萃取率增大;在一定萃取压力下 ,随着萃取温度升高 ,萃取率增大；CO2 流速太大 ,萃取出流体中青蒿素浓度远达不到饱和溶解度 ,浪费CO2 和压缩功 ,而CO2 流速太小 ,需延长萃取时间;分离器 Ⅰ的温度压力对产品收率有较大影响。实验优化得到较佳工艺条件为:萃取压力 20 MPa ,萃取温度 50 ℃,每千克原料CO2 质量流量1 kg/ h ,萃取时间4 h。原料中存在一定比例的水起到夹带剂的作用 ,对萃取有利.用超临界CO2从黄花蒿草萃取青蒿素 ,可以得到纯度 15 %以上的萃取物 ,萃取率达到 95 %以上。 参考文献 [1] 王旭. 超临界CO2萃取工艺的研究[ J ] . 辽宁化工 ,2000 ,29 (4) :191 - 193. 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