CN101780113A - 一种用超临界技术制备中药有效成分纳米颗粒的方法及装置 - Google Patents

一种用超临界技术制备中药有效成分纳米颗粒的方法及装置 Download PDF

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全灿
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Abstract

本发明为一种用超临界技术制备中药有效成分纳米颗粒的方法及装置。所述的方法是将超临界流体萃取技术与超临界流体快速膨胀流体技术耦合在同一条工艺上进行,所述的中药有效成分先经超临界流体萃取再直接经超临界快速膨胀形成纳米颗粒。本发明的方法具有高度选择性、适用于弱极性或非极性的有效成分,该方法耦合了超临界流体萃取技术和超临界快速膨胀技术,具有操作简便、快捷,研制工艺简单等优点,解决了目前传统中药材有效成分的纳米颗粒制备技术复杂的局限。

Description

一种用超临界技术制备中药有效成分纳米颗粒的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种应用化工分离和纳米技术的中药有效成分提取方法及设备,特别是涉及一种利用超临界流体技术从中药材中直接制备有效成分纳米颗粒制备工艺及其装置。
背景技术
本发明涉及的技术名词如下:
超临界状态:是指流体处于其临界温度和临界压力以上的状态。超临界流体具有许多优良的性质,如相对液体而言粘度低,扩散系数大,而且在近临界区有超常的导热系数。超临界流体萃取的典型区域,即0.95<Tr<1.2,1<Pr<5,CO2在该区域表现高度可压缩性,密度对温度或压力变化敏感。
超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction,SFE):根据相似相溶原理,利用超临界流体密度及溶解能力可以调节的性质,有选择性的溶解目的溶质组分,并可改变条件后将其分离析出:溶质在超临界流体中的溶解度与超临界体的密度正相关,超临界流体的密度与液体密度相当且可根据温度压力调节。利用这一性质,可在较高压力下,使溶质溶解于超临界流体中,然后降压或升温,溶质因超临界流体密度的下降而析出。
超临界溶液快速膨胀技术(Rapid Expansion Supercritical Solution,RESS):主要是利用超临界流体的性质对温度和压力变化十分敏感这一特性,改变温度和压力可以显著的改变超临界流体的溶剂化能力。超临界流体在RESS过程中作为溶剂使用,其基本原理为:先将溶质溶解于一定温度和压力的超临界流体中,然后是超临界溶液在非常短的时间(10-15s)内通过一个特制的喷嘴(25-80μm)进行减压膨胀,并形成一个以音速传递的机械扰动。由于在很短的时间内溶液达到高度过饱和状态,过饱和度可达105-108,使溶质在瞬间形成大量的晶核,并在较短的时间内完成晶核的生长,从而生成大量微小的、粒度分布均匀的超细微粒。
RESS的显著特点是快速推进的机械扰动和快速降压所产生的极高过饱和度,机械扰动和降压使得微粒粒度均一、粒径分布较窄,极高的过饱和度使得微粒粒径很小。RESS过程使用的超临界流体在常态下通常为气体,因而所获得的产品中溶剂的残留极少,它的结晶过程仅通过改变体系的压力而实现,无需添加其他物质,避免了其他杂质对产品的污染;不涉及大量有机溶剂的使用,减少了废水排放和溶剂回收所需要的能耗;超临界流体一般只需再压缩即可循环使用,大大简化了工艺流程;可获得粒度分布狭窄的晶体并且易于调整。影响微粒形态和尺寸的主要因素有:原料的性质和组成、操作温度、压力降、喷嘴大小等,其中RESS过程的喷嘴是决定流体膨胀特性,并最终决定产物形态和质量的关键部件。
Quan【Chinese Journal of Chemical Engineering,17(2)(2009),344-349】等报道了根据目标成分类胡萝卜类的极性,选用不同原理的超临界流体技术即超临界流体抗溶剂结晶技术以及超临界流体快速膨胀技术来分别制备榭皮素以及虾青素两种类胡萝卜素,其中超临界二氧化碳分别起到抗溶剂和溶剂的作用,与传统的结晶技术进行了对比研究,结果表明超临界流体技术制备的纳米颗粒具有尺度小且粒径分布均匀等优点。
Quan【Chromatographia,70(2009),247-251】还等报道了利用加速溶剂萃取技术选择性萃取虾皮中有效成分虾青素的方法,并与传统有机溶剂萃取技术进行了对比研究,结果表明加速溶剂萃取具有快速、溶剂用量小、绿色环保等优点。
Reverchon【J.of Supercritical Fluids,37(2006),1-22】综合报道了各种不同原理的超临界流体技术应用于纳米颗粒的制备研究,并对各种技术进行了对比。
发明内容
本发明要解决的问题就是传统中药材有效成分的纳米颗粒制备技术复杂问题。本发明的纳米颗粒收集器,将超临界流体萃取技术与超临界流体快速膨胀结晶技术耦合起来,实现在一套装置上从中药材中直接制备得到有效成分的纳米颗粒制备。
本发明之一的用超临界技术制备中药有效成分纳米颗粒的方法是这样实现的:
所述的方法通过超临界流体萃取技术和超临界流体快速膨胀技术组合制备中药材中有效成分的纳米颗粒。
在实施中:
①所述的超临界流体的溶剂是处于超临界流体状态的二氧化碳;
②所述的有效成分包括中药材中非极性或弱极性的脂溶性有效成分;
③所述的有效成分在超临界状态下可溶于超临界二氧化碳流体中或加入一定比例的有机溶剂的超临界二氧化碳流体中;
④所制备的纳米颗粒具备超临界快速膨胀技术的尺寸小,且粒径分布窄的特征。
所述的方法是将超临界流体萃取技术与超临界流体快速膨胀流体技术耦合在同一条工艺上进行,所述的中药有效成分先经超临界流体萃取再直接经超临界快速膨胀形成纳米颗粒;该方法包括如下步骤:
a.对中药材进行预处理,预处理的步骤包括脱水、干燥、粉碎;
b.将经过步骤a处理后的原料加入到超临界CO2流体中,使用超临界流体萃取技术萃取原料中的有效成分;
c.经过步骤b后,对含有有效成分的超临界CO2流体通过纳米喷嘴进行超临界流体快速膨胀技术处理,得到中药有效成分纳米颗粒。
所述的纳米喷嘴的喷嘴孔径为1~100纳米。
在具体操作中:
所述的纳米喷嘴可以选用色谱用的毛细管柱,也可以按照孔径的要求自制;
所述的步骤a中的预处理方法为低温风干、冷冻干燥的方法,并将经脱水、干燥、粉碎预处理后的中药材粉料放入高压釜中。
所述的步骤b中,二氧化碳原料依次经过冷冻机降温、高压泵加压后成为超临界的二氧化碳流体,进入高压釜对中药材粉料进行超临界流体萃取;
在步骤c中,将步骤b的超临界流体萃取得到的有效成分,经纳米喷嘴雾化后,在纳米颗粒收集器上部通过压力降低快速析出、在纳米收集器上部成核结晶,再经过滤在纳米收集器底部收集得到有效成分纳米颗粒;
所述的纳米收集器为立式的封闭容器,设置在容器中部的过滤器将其内部分为上下两部分,上部连接所述的纳米喷嘴,下部连接尾气收集部分;中部过滤器的孔径为50~500纳米。
本发明之二的制备中药有效成分纳米颗粒的装置,是这样实现的:
所述的设备依次包括
二氧化碳冷冻机2,高压泵4,高压釜6,纳米喷嘴12,纳米颗粒收集釜9,恒温箱10;
所述的高压釜6、纳米喷嘴12和纳米颗粒收集釜9放置在恒温箱10中。
本发明的方法详细说明如下:
①中药材原材料的预处理:中药材中大量水分的存在,会影响该工艺的整体效果,对于含水量较高的中药材原料需要经干燥处理大部分水分。为加快整个过程的速度,还需要对中药材进行粉碎处理。
②超临界流体输送:该工艺过程主要的溶剂是超临界状态下的二氧化碳,为此需要使用高压泵、高压釜、冷冻机、加热控温等装置,确保可以调节超临界流体的温度、压力以及溶剂的极性。
③有效成分的超临界萃取:中药材中目标有效成分在超临界流体中经选择性萃取。
④有效成分纳米颗粒的制备:经过步骤③萃取得到的有效成分,经纳米喷嘴雾化并在纳米收集器上部快速成核结晶,形成纳米颗粒。
⑤有效成分纳米颗粒的收集:在纳米收集器上部成核结晶形成的纳米颗粒,经过滤在纳米收集器底部收集,得到有效成分的纳米颗粒。
⑥超临界流体废气的排空:超临界流体经过纳米收集底部出口后,在快速流体的作用下,仍会夹带少量的有效成分排空,经废气收集后,可进行检测分析。
在具体实施中,
所述的步骤①中,采用低温风干、冷冻干燥等技术,除去中药材中较高含量的水分,同时避免有效成分的损失;
所述的步骤②中,采用流速稳定、精密可控的高压泵,输送二氧化碳,同时利用低温冷冻机冷却二氧化碳,使系统中的二氧化碳为液态。
所述的步骤③中,通过控制温度、压力,保证中药材中的目标有效成分能够溶解于二氧化碳中并被萃取出来。
所述步骤④的有效成分纳米颗粒的制备:利用该工艺中的纳米颗粒收集器,经纳米喷嘴雾化并在纳米收集器上部快速成核结晶,形成纳米颗粒。纳米颗粒收集器下部设计一个过滤装置,该装置可用于收集目标有效成分的纳米颗粒。
综上所述,本发明的利用超临界流体技术从中药材中直接制备有效成分纳米颗粒的技术具有高度选择性、适用于弱极性或非极性的有效成分,该工艺耦合了超临界流体萃取技术和超临界快速膨胀技术,具有操作简便、快捷,研制工艺简单等优点,解决了目前传统中药材有效成分的纳米颗粒制备技术复杂的局限。
附图说明
图1本发明流程示意图
其中,1:二氧化碳钢瓶;2:冷冻机;3:入口阀;4:高压泵;5:出口阀;6:高压釜;7:出口阀;8:背压阀;9:纳米颗粒收集釜;10:恒温箱;11:废气收集;12:纳米喷嘴。
图2制备的典型有效成分纳米颗粒扫描电镜图
具体实施方式
本发明主要内容:
中药材中有效成分纳米颗粒的直接制备:利用该工艺中的纳米颗粒收集器,将经处理好的中药材原材料放入其中,利用高压泵输入超临界二氧化碳溶剂,可选择性快速超临界萃取出中药材中的有效成分,萃取后的有效成分经纳米颗粒收集器纳米喷嘴雾化,在纳米颗粒收集器上端成核结晶,在其下部经过滤收集,得到目标有效成分的纳米颗粒。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述:利用超临界流体技术从中药材中直接制备有效成分纳米颗粒工艺及其装置。
该制备工艺及其核心装置的实验设备主要包括:压缩机升压系统、CO2冷却系统、样品萃取系统以及纳米颗粒收集系统。来自钢瓶的CO2经吸附净化柱净化后,进入冷冻系统(冷却剂为乙二醇),压缩机提供压力驱动CO2输送泵,将一定压力CO2送入萃取系统与原料接触,高压下溶解其中的萃取物经背压阀降压析出,然后被适当的纳米颗粒收集器中收集。主要操作步骤如下。
①开启冷冻机使其冷却温度降至-10℃左右;
②检查并确保恒温箱进口阀关闭;
③操作前约15-20分钟开启恒温箱主电源并设定出口阀温度;
④开启压缩机升压,观察压力表确认压力符合要求;
⑤打开CO2钢瓶阀,升压至6MPa左右,开启恒温箱进口阀,稍放气以便确认CO2气路通畅,再关闭进口阀;
⑥将装填好经过预处理的中药材粉料物料的高压釜放入恒温箱支架上并接好连接管路(注意螺纹方向及密封),卡好热电偶棒;装填物料时在高压釜的两端放上玻璃棉以防物料被CO2带出,装填时应压实物料,如物料用量小时,须用玻璃棉等惰性材料填充高压釜空余体积尽量减少死体积提高传质效率,如图1所示。
⑦设定好高压釜温度,开启升温按钮,使高压釜温度稳定达到设定温度;
⑧开启进口阀使CO2进入高压釜中;
⑨缓慢升压至实验设定压力,同时注意恒温箱温度的变化,确保实验压力与温度均在期望值;
⑩待压力与温度稳定在期望值适当时间,待静态萃取完成后,打开背压阀前的出口阀,然后小心调节背压阀至期望的SC-CO2流速(观察流量计小球),萃取后的有效成分,经纳米喷嘴雾化后,动态收集纳米颗粒过程即开始;
□待过程完成后,关闭升温升压系统以及CO2进口阀,并用有机溶剂将出口管路清洗干净至样品瓶中以备分析。
实施例1
超临界流体技术从迷迭香中直接制备鼠尾草酸
①开启冷却槽使其冷却温度降至-10℃左右;
②检查并确保恒温箱进口阀关闭;
③操作前约15-20分钟开启恒温箱主电源并设定出口阀温度;
④开启压缩机升压,观察压力表确认压力符合要求;
⑤打开CO2钢瓶阀,升压至6MPa左右,开启恒温箱进口阀,稍放气以便确认CO2气路通畅,再关闭进口阀;
⑥将装填好实验原料的高压釜放入恒温箱支架上并接好连接管路(注意螺纹方向及密封),卡好热电偶棒;装填迷迭香物料时在高压釜的两端放上玻璃棉以防物料被CO2带出,装填时应压实物料,如物料用量小时,须用玻璃棉等惰性材料填充高压釜空余体积尽量减少死体积提高传质效率,如图1所示。
⑦设定好高压釜温度,开启升温按钮,使高压釜温度稳定达到设定温度;
⑧开启进口阀使CO2进入高压釜中;
⑨缓慢升压至实验设定压力,同时注意恒温箱温度的变化,确保实验压力与温度均在期望值;
⑩待压力与温度稳定在期望值适当时间,待静态萃取完成后,打开背压阀前的出口阀,然后小心调节背压阀至期望的SC-CO2流速(观察流量计小球),动态收集纳米颗粒过程即开始;
待过程完成后,关闭升温升压系统以及CO2进口阀,并用有机溶剂将出口管路清洗干净至样品瓶中以备分析。

Claims (10)

1.一种用超临界技术制备中药有效成分纳米颗粒的方法,其特征在于:
所述的方法通过超临界流体萃取技术和超临界流体快速膨胀技术组合制备中药材中有效成分纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的制备中药有效成分纳米颗粒的方法,其特征在于:
①所述的超临界流体的溶剂是处于超临界流体状态的二氧化碳;
②所述的有效成分包括中药材中非极性或弱极性的脂溶性有效成分;
③所述的有效成分在超临界状态下溶于超临界二氧化碳流体中或加入一定比例的有机溶剂的超临界二氧化碳流体中;
④所制备的纳米颗粒具备超临界快速膨胀技术的尺寸小,且粒径分布窄的特征。
3.如权利要求2所述的制备中药有效成分纳米颗粒的方法,其特征在于:
所述的方法是将超临界流体萃取技术与超临界流体快速膨胀流体技术耦合在同一条工艺上进行,所述的中药有效成分先经超临界流体萃取再直接经超临界快速膨胀形成纳米颗粒;该方法包括如下步骤:
a.对中药材进行预处理,预处理的步骤包括脱水、干燥、粉碎;
b.将经过步骤a处理后的原料加入到超临界CO2流体中,使用超临界流体萃取技术萃取原料中的有效成分;
c.经过步骤b后,对含有有效成分的超临界CO2流体通过纳米喷嘴进行超临界流体快速膨胀技术处理,得到中药有效成分纳米颗粒。
4.如权利要求3所述的制备中药有效成分纳米颗粒的方法,其特征在于:
所述的纳米喷嘴的喷嘴孔径为1~100纳米。
5.如权利要求4所述的制备中药有效成分纳米颗粒的方法,其特征在于:
所述的步骤a中的预处理方法为低温风干、冷冻干燥的方法,并将经脱水、干燥、粉碎预处理后的中药材粉料放入高压釜中。
6.如权利要求4所述的制备中药有效成分纳米颗粒的方法,其特征在于:
所述的步骤b中,二氧化碳原料依次经过冷冻机降温、高压泵加压后成为超临界的二氧化碳流体,进入高压釜对中药材粉料进行超临界流体萃取。
7.如权利要求4所述的制备中药有效成分纳米颗粒的方法,其特征在于:
在步骤c中,将步骤b的超临界流体萃取得到的有效成分,经纳米喷嘴雾化后,在纳米颗粒收集器上部通过压力降低快速析出、在纳米收集器上部成核结晶,再经过滤在纳米收集器底部收集得到有效成分纳米颗粒。
8.如权利要求5所述的制备中药有效成分纳米颗粒的方法,其特征在于:
所述的纳米收集器为立式的封闭容器,设置在容器中部的过滤器将其内部分为上下两部分,上部连接所述的纳米喷嘴,下部连接尾气收集部分;中部过滤器的孔径为50~500纳米。
9.如权利要求5所述的制备中药有效成分纳米颗粒的方法,其特征在于:
所述的步骤b中,二氧化碳原料依次经过冷冻机降温、高压泵加压后成为超临界的二氧化碳流体,进入高压釜对中药材粉料进行超临界流体萃取;
在步骤c中,将步骤b的超临界流体萃取得到的有效成分,经纳米喷嘴雾化后,在纳米颗粒收集器上部通过压力降低快速析出、在纳米收集器上部成核结晶,再经过滤在纳米收集器底部收集得到有效成分纳米颗粒;
所述的纳米收集器为立式的封闭容器,设置在容器中部的过滤器将其内部分为上下两部分,上部连接所述的纳米喷嘴,下部连接尾气收集部分;中部过滤器的孔径为50~500纳米。
10.如权利要求1~9之一所述的制备中药有效成分纳米颗粒的装置,其特征在于:
所述的设备依次包括
二氧化碳冷冻机(2),高压泵(4),高压釜(6),纳米喷嘴(12),纳米颗粒收集釜(9),恒温箱(10);
所述的高压釜(6)、纳米喷嘴(12)和纳米颗粒收集釜(9)放置在恒温箱(10)中。
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