CN103990295B - 一种复频超声空化药物提取装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复频超声空化提取装置，其包括至少1个提取单元，提取单元是在消音壳体内设置空化筒，在空化筒内设置有提取筒，在提取筒上设置有进料控制阀、萃取液进液控制阀、萃取液出液控制阀以及排渣管道，在排渣管道内设置排渣电机和排渣螺旋推进器，在提取筒内设置水平螺旋推进器，水平螺旋推进器与推料电机连接，推料电机、排渣电机、进料控制阀、萃取液进液控制阀以及萃取液出液控制阀分别通过导线与控制器连接，控制器通过导线与计算机相连接；本发明超声分布均匀，空化效果好，能提高药物或有机物的提取率。

Description

一种复频超声空化药物提取装置

技术领域

本发明涉及一种药物、天然有机成分的提取设备，特别是一种复频超声空化药物提取装置。

背景技术

在提取工业中，传统的萃取分离技术，如溶剂浸提法、回流法、渗滤法等具有选择性高,分离效果好,易于实现大规模连续化生产等优点，但存在提取率低、原材料消耗大，废液排放给环境带来严重污染等问题。近年来,超临界流体萃取、微波辅助提取、超声技术提取和液膜萃取等新型分离技术已经逐步被引入到天然有机成分的提取和分离领域。虽然超临界萃取优点是提取物纯度高，适合于化学结构已知、分子量较小的亲脂性物质提取，但缺点是操作压力高、能量消耗大、设备放大时制造成本高。尽管微波提取利用微波使细胞壁破裂，达到加速萃取的目的，但微波辅助提取容易导致对温度敏感材料降解，降低生物活性；在放大生产规模时存在一些工程问题；液膜萃取成本高，不利于大规模工业化生产。

超声波加工和提取工艺已在炼油、化工、食品、制药和环保等诸多领域得到广泛应用。由于超声在液体产生空化而伴随的高温、高压等极端的物理效应与机械振动，加速了化学化工反应过程，强化扩散使溶剂容易浸入固体药物，固体药物的溶质易于从固体内部扩散析出到固液界面，加速了提取速度、提高了提取效率，在天然产物提取中的作用更是引起了研究人员的极大兴趣，将超声波用于中药有效成分提取，促进了传质迅速萃取，加速了萃取过程。与传统的浸提法相比，其提取过程的速度大大提高，且提取液中的杂质较传统方法低。超声空化效应介导提取技术在天然产物有效成份提取方面展现出巨大的应用潜力。

超声波提取方法作为一种新型高效的提取方法，已逐步被应用到中草药和天然有机物质有效成分的提取过程中，取得了不少成果，但从已有的报道反映出，都限于实验室小规模研究，且大都是在单一频率、非连续的单独提取操作，尚缺乏与实际生产线接近的工程应用技术和设备。单频超声波较易产生驻波，使得空化时间减少，无法最大程度发挥超声波辅助功效。与单频超声相比，双频复合超声既可以增大振动振幅，又可以增大传质表面积，可以显著地增加空化事件，减少驻波所成的死角，提高声化学产额，双频复合超声的空化效应提取效果比单频超声更佳。

复频超声提取技术是近十年来发展形成的一种新的物理技术，具有消除驻波形成均匀声场，无环境污染，且能提高萃取率的优点。目前，对复频功率超声的研究已有报道，已有学者设计出一种能产生多个共振频率的弯曲圆盘超声换能器，达到了利用同一尺寸的超声换能器产生多个共振频率的目的，为复频大功率超声的提取方法奠定了技术基础。其后，也有学者做了复频超声的声化学作用的研究，进行了复频超声波清洗器的研制，为复频超声的应用提供了新思路。超声波提取已成为我国二十一世纪食品加工和中药制药现代化推广技术之一。但现有技术中专门用于复频大功率超声提取方法和设备未见报道。

鉴于此，研究声波与物质的相互作用及其效应，开发在最佳条件下超声空化连续提取技术、揭示复频功率超声提取体系中微观动态过程的关系和作用机制，已成为研究的热点。

发明内容

为了解决现有的提取装置所存在的单频声场不均匀、提取率低以及排渣不连续等问题，本发明提供了一种提取率高、超声场均匀、实现连续提取并可减少污染物排放、提高药材资源的利用率的复频超声空化提取装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是其包括至少1个提取单元，所述提取单元是在消音壳体内设置空化筒，在空化筒内设置有提取筒，在提取筒上加工有向外延伸的进料口、萃取液入口、萃取液出口以及排渣口，进料口上设置有进料控制阀，萃取液入口上设置有萃取液进液控制阀，萃取液出口上设置有萃取液出液控制阀，排渣口上设置有排渣管道，在排渣管道内设置有排渣电机以及与排渣电机输出轴连接的排渣螺旋推进器，在提取筒内设置水平螺旋推进器，水平螺旋推进器与推料电机的动力输出轴连接，推料电机、排渣电机、进料控制阀、萃取液进液控制阀以及萃取液出液控制阀分别通过导线与控制器连接，控制器通过导线与计算机相连接；

上述空化筒的横截面为至少3边的正多边形，提取筒的横截面为圆形，在空化筒的每个侧面上设置有超声波振子组，一个超声波振子组与相邻一个超声波振子组的振动频率不相同，超声波振子组是由至少一个超声波振子和与超声波振子连接的多频超声波振荡器组成，多频超声波振荡器通过导线与控制器连接。

上述空化筒的横截面可以是3～6边的正多边形，与提取筒同轴设置。

上述超声波振子组包括2～8个超声波振子，每个超声波振子的频率为20～80KHz、功率为100～1500W。

上述超声波振子组是可以是偶数个，相对设置的两个超声波振子组的频率相同。

上述超声波振子组还可以是奇数个，每个超声波振子组的频率各不相同。

上述排渣管道的中心线与提取筒的中心线之间的夹角优选为15°～45°。

本发明所提供的复频超声空化提取装置，主要具有以下优点：

1、通过改进空化筒与提取筒的结构，将空化筒设计为横截面为正多边形，提取筒的横截面为圆形，并在空化筒的每个外侧壁上设置有不同频率的超声换能振子，从而使超声分布均匀，且提高药物或有机物的提取率，而且在空化筒与提取筒之间有空隙，可以在空隙中通入水，提高空化效果，还能达到冷却目的，降低提取筒的提取温度。

2、通过多频超声波振荡器调整各个超声波振子的振动频率，实现多频振动，避免驻波产生，达到声场均匀，空化效果好，更有助于药物或有机物中有效成分的提取。

3、在提取筒中设置水平螺旋推进器，将提取筒的空间分割成连续的螺旋形带状空间，为双水相提取液与中药材固体两相更好地逆向均匀流动和接触提供空间条件，促进液固相之间更好地扩散和渗透，彻底改变流量较小的提取液在没有螺旋推料装置的样品池简体中分布极不均匀的弊病，实现设备连续生产，提高药物或有机物的提取率。

附图说明

图1为实施例1的装置结构示意图。

图2为图1的截面图。

具体实施方式

现结合附图与实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。

实施例1

本实施例的复频超声空化提取装置是由1个提取单元构成，参见图1，该提取单元是由萃取液进液控制阀1、消音壳体2、超声波振子组3、进料控制阀4、萃取液出液控制阀5、空化筒6、提取筒7、推料电机8、水平螺旋推进器9、排渣电机10、排渣管道11、排渣螺旋推进器12、控制器13以及计算机14连接构成。

本实施例的消音壳体2内水平安装一个空化筒6，该空化筒6的横截面是正六边形，在空化筒6的每个外侧面上用螺纹紧固件安装固定超声波振子组3，每个超声波振子组3是由4个相同的超声波振子和多频超声波振荡器组成，4个超声波振子两两一排，前后排列成2排，本实施例的超声波振子采用普通市售的由超声换能器与变幅杆组成的超声波振子，相对的两个面上的超声波振子,的频率相同，相邻的两个面上的超声波振子各不相同，即第一个面与第四个面上的超声波振子的超声频率为20KHz，功率400W，第二个面与第五个面的超声波振子的超声频率为30KHz，功率400W，第三个面与第六个面上的超声波振子的超声频率为60KHz，功率400W，这样可相互叠加，使声场分布均匀，避免产生驻波死角。每个超声波振子均与多频超声波振荡器连接，多频超声波振荡器通过导线与控制器13连接，通过控制器13调整选择需要使用的超声波功率数量和频率范围。在空化筒6内安装一个提取筒7，提取筒7的中心线与空化筒6的中心线在同一条直线上，该提取筒7的横截面为内切于空化筒6横截面的圆形结构，在提取筒7的顶壁左侧加工有有进料口和萃取液出口，进料口上安装有延伸至消音壳体2外的进料管，在进料管上安装有进料控制阀4，通过该进料控制阀4与自动进料器连通，萃取液出口上安装有延伸至消音壳体2外部的萃取液出液管，在萃取液出液管上安装有萃取液出液控制阀5，在提取筒7的顶壁右侧加工有萃取液入口，在萃取液入口上安装有延伸至消音壳体2外部的萃取液进液管，萃取液进液管上安装有萃取液进液控制阀1，在提取筒7的底部右侧加工排渣口，排渣口上通过连接法兰与排渣管道11连通，在排渣管道11内用螺纹紧固件紧固安装有排渣电机10，该排渣电机10也是转速可调的普通市售调速电机，其通过导线与控制器13连接，由控制器13控制其动力输出轴的转速，该排渣电机10的动力输出轴用联轴器与排渣螺旋推进器12的螺旋轴连接，排渣螺旋推进器12也是普通市售的螺旋推进器，其同轴设置在排渣管道11内，为了保证废渣连续而顺利地排出，本实施例的排渣管道11的中心线与提取筒7的中心线形成15°的夹角。在提取筒7内安装有水平螺旋推进器9，本实施例的水平螺旋推进器9采用市售的普通螺旋推进器，其螺旋轴用联轴器与推料电机8的动力输出轴连接，推料电机8是普通市售的转速可调的调速电机，其通过导线与控制器13连接，通过控制器13调整推料电机8的动力输出轴的转速进而调整水平螺旋推进器9的旋转速度，通过水平螺旋推进器9旋转将提取后的药物推送至排渣口。

上述的进料控制阀4、萃取液进液控制阀1、萃取液出液控制阀5均是市售的电磁阀，其分别通过导线与控制器13相连接，控制器13通过导线与计算机14连接，计算机14向控制器13发送控制命令，实现整个系统的自动控制。

本实施例的复频超声空化提取装置的工作原理是：

首先开启进料控制阀4和水平螺旋推进器9，打开萃取液进液控制阀1将双水相萃取液放入提取筒7中；然后将待处理的物料从进料口定量地投入到水平螺旋推进器9中，开启多频超声波振荡器，选择适合的超声波频率，并确定频率的范围或选择不同的频率交变或复合作用，物料由旋转的水平螺旋推进器9缓慢而平稳推向提取筒7的排渣口，再由排渣螺旋推进器12将药材废渣排出，同时双水相萃取液逆着药材流动方向移动，均匀地流向萃取液出口端，水平螺旋推进器9将提取筒7的内腔分割成一条连续的螺旋形带状空间，为萃取液与中药材固液相更好地逆向均匀流动和接触提供空间条件，促进液固相之间更好地扩散和渗透，克服了传统的流量较小的萃取液在普通市售的不带推料器的提取筒7中分布极不均匀的缺陷，在此过程中，超声波振荡器向周围的逆流发出扫射式超声波束，超声波在溶液中的空化作用产生的瞬间巨大压力可破坏原料的细胞壁，加快其内部成分的浸出过程，所产生的机械振动效应，可加快溶质在溶液中的扩散速度，并阻止原料结块现象产生。

实施例2

本实施例的空化筒6横截面是正三角形，在三个面上分别安装有超声波振子组3，其中一个超声波振子组3的超声频率是20KHz，功率是600W，第二个超声波振子组3的超声频率是30KHz，功率为500W，第三个超声波振子组3的超声频率为60KHz，功率为400W，其超声频率各不相同。每个超声波振子组3是由6个相同的超声波振子组3成，两两一排，前后排列成3排，分布在空化筒6上。

本实施例的排渣管道11的中心线与提取筒7的中心线形成30°的夹角。

其他的部件及其连接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例的空化筒6横截面是正五边形，在五个面上分别安装有超声波振子组3，相邻两个面上的超声波振子组3的超声频率不相同，即第一个与第三个面的超声波振子组3的超声频率是20KHz，功率是1500W，第二个面的超声波振子组3的超声频率是40KHz，功率是1000W，第四个面上的超声波振子组3的超声频率是60KHz,功率是600W，第五个面上超声波振子组3的超声频率是80KHz，功率是100W。每个超声波振子组3是由2个相同的超声波振子组3成。

其他的部件及其连接关系与实施例1相同。

实施例4

本实施例的空化筒6横截面是正四边形，在四个面上分别安装有超声波振子组3，相邻的两个面上的超声波振子组3的频率不相同，相对两个面的超声波振子组3的频率相同，即第一、三个面的超声波振子组3中每个超声波振子的超声频率是20KHz，功率600W，第二个与第四个面的超声波振子组3的超声频率是80KHz，功率400W。每个超声波振子组3是由2个相同的超声波振子组3成。

本实施例的排渣管道11的中心线与提取筒7的中心线形成45°的夹角。

其他的部件及其连接关系与实施例1相同。

实施例5

本实施例的复频超声空化提取装置是由2个串联的提取单元构成，一个提取单元的排渣管道11出口与另一个提取单元的进料口通过管道连通，实现药物的连续提取。

上述提取单元的具体结构与上述实施例1～4任意一个相同。

上述实施例中的超声波振子的数目、频率以及水平螺旋推动器与排渣螺旋推动器的规格、转速均可根据实际使用情况进行调整。

Claims (6)

1.一种复频超声空化提取装置，包括至少1个提取单元，所述提取单元是在消音壳体(2)内设置空化筒(6)，在空化筒(6)内设置有提取筒(7)，在提取筒(7)上加工有向外延伸的进料口、萃取液入口、萃取液出口以及排渣口，进料口上设置有进料控制阀(4)，萃取液入口上设置有萃取液进液控制阀(1)，萃取液出口上设置有萃取液出液控制阀(5)，排渣口上设置有排渣管道(11)，在排渣管道(11)内设置有排渣电机(10)以及与排渣电机(10)输出轴连接的排渣螺旋推进器(12)，在提取筒(7)内设置水平螺旋推进器(9)，水平螺旋推进器(9)与推料电机(8)的动力输出轴连接，推料电机(8)、排渣电机(10)、进料控制阀(4)、萃取液进液控制阀(1)以及萃取液出液控制阀(5)分别通过导线与控制器(13)连接，控制器(13)通过导线与计算机(14)相连接；其特征在于：

所述空化筒(6)的横截面为至少3边的正多边形，提取筒(7)的横截面为圆形，在空化筒(6)与提取筒(7)之间的空隙中填充有水，在空化筒(6)的每个侧面上设置有超声波振子组(3)，一个超声波振子组(3)与相邻一个超声波振子组(3)的振动频率不相同，超声波振子组(3)是由至少一个超声波振子和与超声波振子连接的多频超声波振荡器组成，多频超声波振荡器通过导线与控制器(13)连接。

2.根据权利要求1所述的复频超声空化提取装置，其特征在于：所述空化筒(6)的横截面为3～6边的正多边形，与提取筒(7)同轴设置。

3.根据权利要求1或2所述的复频超声空化提取装置，其特征在于：所述超声波振子组(3)包括2～8个超声波振子，每个超声波振子的频率为20～80KHz、功率为100～1500W。

4.根据权利要求1或2所述的复频超声空化提取装置，其特征在于：所述超声波振子组(3)是偶数个，相对设置的两个超声波振子组的频率相同。

5.根据权利要求1或2所述的复频超声空化提取装置，其特征在于：所述超声波振子组(3)是奇数个，每个超声波振子组的频率各不相同。

6.根据权利要求1所述的复频超声空化提取装置，其特征在于：所述排渣管道(11)的中心线与提取筒(7)的中心线之间的夹角为15°～45°。