CN109731368B - 一种固体膜化学萃取纯化水溶性天然有机物质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体膜化学萃取纯化水溶性天然有机物质的方法，是在超滤‑固体膜萃取耦合技术的基础上，再将化学萃取与之结合，使化学萃取剂与被分离物质的官能团发生化学反应形成可溶解于有机相的萃合物而被转移至有机相，具有很高的分离选择性，由于被分离物质在水相与有机相中的存在形式不同，因此被分离物质在油水两相间的浓度与该物质在两相间的分配系数无关，其萃取率只与萃合物在有机相中的溶解度有关，因此，本发明所涉及的方法可高效率的萃取目标物质浓度极低的植物提取液。本发明采用在膜萃取过程中，超滤料液、反萃取液、萃取剂始终处于循环状态，因此更高效、精确和易于工业化运行。

Description

一种固体膜化学萃取纯化水溶性天然有机物质的方法

技术领域

本发明涉及一种水溶性植物提取液的纯化分离方法，尤其涉及一种固体膜化学萃取纯化分离水溶性天然有机物质的方法，主要用于植物中生物碱、黄酮、蒽醌、有机酸等水中溶解度较大的天然有机物质的分离纯化方法，属于天然物质分离技术领域。

背景技术

植物体内的生物碱、黄酮、蒽醌、有机酸等有机物质往往具有多种利用价值，这些物质从植物体内提取出来后绝大多数情况下需进一步分离纯化提高纯度以便于利用。目前工业上主要采用色谱法、沉淀法、膜分离法、液液萃取法等进行分离纯化。但这些方法均存在一定问题，因此单独使用均无法实现天然物质的高效率、低成本分离纯化。

色谱法根据原理不同分为吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、凝胶色谱等，色谱技术分离纯化天然物质的效果较好，所得物质纯度较高。但吸附色谱、分配色谱分离纯化植物提取液中的天然物质时均需使用有机溶剂分级洗脱，有机溶剂用量大，产品中易残留有机溶剂；离子交换色谱需要再生树脂、工艺流程比较复杂；凝胶色谱制备量较小，产生成本高，工业生产很少使用。

沉淀法根据被分离物质的化学性质不同选择不同的沉淀剂，但所得产品的纯度均较低，而且沉淀剂易进入分离后的产品，目前已很少使用。

液液萃取法应用比较广泛，分为物理萃取和化学萃取。物理萃取利用被分离目标物质在水相与萃取相间的分配系数与其他物质不同，通过两相间的多次分配达到分离目的，该萃取方法在分离水中溶解度较大的有机物时需使用极性较大的有机溶剂，由于极性较大的有机溶剂在水中有一定溶解度，萃取过程中有机相会不断地溶于水相造成有机溶剂的大量浪费和水污染。化学萃取过程中被分离目标物质可与萃取剂通过化学反应生成可溶解于有机相的萃合物，萃取过程中可利用目标物质形成萃合物的化学反应条件不同达到分离目的。化学萃取效率高、选择性好，但在萃取植物提取液时极易形成乳化，在化学萃取剂浓度较高时分相困难，甚至会生成第三相，造成萃取效果下降甚至工艺过程无法继续进行。另外由于液液萃取目前主要采用单级或多级动态逆流萃取工艺，萃取过程溶剂夹带损失现象严重，产品中有机溶剂易残留，生产成较高。

超滤及膜萃取均属于膜分离技术。超滤是以滤过方式分离分子量大小不同物质的技术，用于纯化中药提取液具有精度高、除杂效果好、成本低、环保等特点。但由于植物的提取液成分复杂，膜的污染问题使该技术的应用一度受限，近年来随着制膜技术的发展，膜污染问题逐渐得到解决，超滤在这一领域的应用已得到逐步推广。固体膜萃取技术利用固体膜分隔料液相（水相）和溶剂相（有机相），通过膜上的微孔进行传质，与膜润湿性较好一相的液体充满微孔并到达膜的另一侧，两相液体在膜表面接触发生传质。作为新的分离技术，固体膜萃取具有以下优势：1）可避免传统液液萃取时有机萃取剂以微滴形式夹带在料液中造成的损失；2）在膜萃取过程中两相分别在膜两侧作单相流动，萃取过程不受“返混”影响和“液泛”条件限制，可大幅提高萃取效率；3）萃取与反萃过程可同时进行，实现有机萃取剂的反复密闭使用，既简化操作，有保护环境。但由于植物提取液成分复杂易造成膜污染及堵塞，使该技术无法直接用于植物提取液中物质的分离。

ZL 201310047146.7公开了一种超滤和膜萃取耦合技术纯化几类天然物质的系统及方法（本课题组前期研究成果），将超滤和固体膜萃取技术耦合，创建了一种分离纯化天然物质的系统和分离纯化方法，该方法用于生物碱、黄酮、蒽醌、有机酸等水溶性有机物的分离具有的优点有：1）将超滤作为前置工艺与固体膜萃取耦合使用，可有效提高传质速率；2）可用于含表面活性剂的提取液的分离纯化，有效解决液液萃取过程的乳化现象；3）可通过更换萃取剂和改变料液、反萃取液pH值实现天然有机物的精确分离；4）当采用同级萃取反萃取方案时，可实现萃取剂密封循环使用，保护环境。用水作为反萃取剂可解决提取物中有机溶剂残留问题；5）工艺过程传质面积大、膜萃取效率高、占用空间小，工艺简单，周期短，成本低。该发明与传统液液萃取相比有明显的优势，能比较好地分离纯化从植物中提取的这几类天然物质。但在本发明人的后续研究中发现，该萃取方法尚存在以下问题：由于生物碱、黄酮、蒽醌、有机酸等为水溶性有机物，总体极性较大，为使被分离物质在水相与有机萃取相间的分配系数适宜，该萃取方法需使用极性较大的有机溶剂，如乙酸乙酯、氯仿、正丁醇、乙醚等，这些有机溶剂在水中均有一定的溶解度，在固体膜萃取过程中有机相会在两相接触的膜界面不断地溶入水相中，造成循环使用的有机溶剂不断减少，不但浪费有机溶剂、污染提取物而且产生含萃取剂的工业废水。同时这些有机溶剂的沸点均较低，在使用过程中易挥发在成安全隐患。另外，由于乙酸乙酯、正丁醇等溶剂会对使萃取用固体膜的表面发生亲水性改性，减小跨膜压差，在萃取过程中容易造成有机相和水相的互穿，使得固体膜萃取过程中对膜两侧的压差稳定性控制要求极高，影响膜萃取过程的正常进行。因此需要改进该发明的固体膜萃取部分，解决极性有机萃取剂溶入水相损失、有机萃取剂剂挥发、极性有机萃取剂使固体膜表面改性提高工艺控制难度等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供给一种固体膜化学萃取纯化水溶性天然有机物质的方法。

本发明固体膜化学萃取纯化水溶性天然有机物质的方法，是在超滤-固体膜萃取耦合技术的基础上，再将化学萃取与之结合，提供一种更高效、精确和易于工业化运行的水溶性天然物质分离纯化方法。具体包括以下系统设备和工艺流程：

1、系统设备

包括超滤料液储罐、萃取膜组件、萃取剂储罐、反萃取膜组件、反萃取剂储罐；

超滤料液储罐经管线及泵联通萃取膜组件顶部的料液入口；萃取膜组件底部的料液出口联通超滤料液储罐；萃取膜组件上部的萃取剂出口联通萃取剂储罐；

萃取剂储罐通过泵联通反萃取膜组件下部的萃取剂入口；反萃取膜组件上部的反萃取剂出口联通萃取膜组件下部的萃取剂入口；

反萃取剂储罐联通反萃取膜组件顶部的萃取剂入口；反萃取膜组件底部的料液出口经经泵联通反萃取剂储罐联。

上述萃取膜组件、反萃取膜组件管程为空纤维微孔膜。

为了提高萃取效率，在膜萃取过程中，必要时可在反萃取膜组件的管壳外部加装超声波发生器或微波发生器。

2、工艺流程

（1）先将超滤料液经超滤所得超滤液注入超滤料液储罐，经泵输送入萃取膜组件的料液入口，进入萃取膜组件管程，再经料液出口送回超滤料液储罐，膜萃取过程中超滤料液始终处于循环状态；

（2）将反萃取液注入反萃取液储罐，经泵输送入反萃取膜组件的料液入口，进入反萃取膜组件管程，再经料液出口送回反萃取液储罐；膜萃取过程中反萃取液始终处于循环状态；

（3）待超滤料液充满萃取膜组件管程、反萃取液充满反萃取膜组件管程后，将萃取剂注入萃取剂储罐，经泵输送入反萃取膜组件的萃取剂入口进入反萃取膜组件壳程；待充满反萃取膜组件壳程后经反萃取膜组件的萃取剂出口进入萃取膜组件的萃取剂入口；充满萃取膜组件壳程后经萃取膜组件萃取剂出口流出，进入萃取剂储罐；膜萃取过程中萃取剂始终处于循环状态；

（4）膜萃取过程完成后先停输送萃取剂的泵，将萃取膜组件和反萃取膜组件中的萃取剂排入萃取剂储罐；待两个组件中的萃取剂空后，再停止输送超滤料液的泵和输送反萃取剂的泵，萃取后的超滤料液排入超滤料液储罐；反萃取液排入反萃取液储罐中，再经浓缩、干燥，收集分离目标物质。

上述超滤料液为经过超滤后的植物水提液，如葛根提取液，大黄提取液，甘草提取液、苦参提取液。

萃取剂为磷酸三丁酯、三烷基氧膦、三辛基氧膦、二（2-乙基己基）硫酸、磺化煤油中的至少一种。

反萃取剂为质量浓度0.05~0.5%的氨水溶液、氢氧化钠溶液或盐酸溶液。

超滤液、萃取剂、反萃取液的流动速度分别为1.0~2.0m/min、0.25~0.3m/min、0.65~1m/min；膜萃取及反萃取的总时间为10~12小时。

本发明分离纯化方法水溶性天然物质具有如下优点：

1、本发明采用磷酸三丁酯、三烷基氧膦、三辛基氧膦、二（2-乙基己基）硫酸、磺化煤油等为萃取剂，该类萃取剂均在水中几乎不溶解（<10mg/L），沸点均在100℃以上，可有效解决萃取剂溶解损失和挥发造成的安全隐患，减少工业废水排放。在固体膜萃取的温度条件下该类萃取剂即使混合使用也可长时间保持固定的混合比例，有效地提高工艺的重现性，保证提取物质量稳定；

2、磷酸三丁酯、三烷基氧膦、三辛基氧膦、二（2-乙基己基）硫酸等化学萃取剂在传统的液液萃取过程中一般与稀释剂混合使用，但在传统的液液萃取过程中随着该类化学萃取剂在混合萃取剂中浓度的提高会引起严重的乳化现象，甚至会出现第三相，造成萃取效果及效率下降，甚至使工艺过程无法进行。本发明将该类混合萃取剂与固体膜萃取技术结合消除了乳化现象，使上述化学萃取剂在混合萃取剂中的使用浓度不受乳化现象的限制，使分离效率和效果得到大幅提高；

3、本发明采用化学萃取剂，其萃取原理为化学萃取剂与被分离物质的官能团发生化学反应形成可溶解于有机相的萃合物而被转移至有机相，由于被分离物质在水相与有机相中的存在形式不同，因此被分离物质在油水两相间的浓度与该物质在两相间的分配系数无关，其萃取率只与萃合物在有机相中的溶解度有关，因此，本发明所涉及的方法可高效率的萃取目标物质浓度极低的植物提取液。另外化学萃取剂与被分离物质的官能团反应具有选择性，可有效地除去杂质提高被分离物质的纯度，得到比物理萃取纯度更高的提取物；

4、由于采用固体膜萃取反萃取技术，有机相中的萃合物可用反萃取剂水溶液反萃取进入水相，实现高沸点混合化学萃取剂的重复使用，防止了高沸点有机溶剂在提取物中的残留，提高了产品的安全性；

5、在萃合物的反萃取剂过程中，为提高固体膜反萃取效率，可在反萃取膜组件的外部安装超声波发生器或微波发生器，将反萃取膜组件置于超声或微波场中，通过超声波的空化作用和微波对极性溶剂的活化作用及热效应，使反萃取时间大大缩短。

附图说明

图1为本发明分离纯化水溶性天然物质的系统设备及工艺流程图。

具体实施方式

本发明所用料液为经过超滤后的植物水提取液，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一、系统设备

参见附图，包括超滤料液储罐、萃取膜组件、萃取剂储罐、反萃取膜组件、反萃取剂储罐；

超滤料液储罐经管线及泵1联通萃取膜组件顶部的料液入口；萃取膜组件底部的料液出口联通超滤料液储罐；萃取膜组件上部的萃取剂出口联通萃取剂储罐；

萃取剂储罐通过泵2联通反萃取膜组件下部的萃取剂入口；反萃取膜组件上部的反萃取剂出口联通萃取膜组件下部的萃取剂入口；

反萃取剂储罐联通反萃取膜组件顶部的萃取剂入口；反萃取膜组件底部的料液出口经经泵3联通反萃取剂储罐联。

二、工艺流程

（1）先将超滤料液经超滤所得超滤液注入超滤料液储罐，经泵输送入萃取膜组件的料液入口，进入萃取膜组件管程，再经料液出口送回超滤料液储罐，膜萃取过程中超滤料液始终处于循环状态；

（2）将反萃取液注入反萃取液储罐，经泵输送入反萃取膜组件的料液入口，进入反萃取膜组件管程，再经料液出口送回反萃取液储罐；膜萃取过程中反萃取液始终处于循环状态；

（3）待超滤料液充满萃取膜组件管程、反萃取液充满反萃取膜组件管程后，将萃取剂注入萃取剂储罐，经泵输送入反萃取膜组件的萃取剂入口进入反萃取膜组件壳程；待充满反萃取膜组件壳程后经反萃取膜组件的萃取剂出口进入萃取膜组件的萃取剂入口；充满萃取膜组件壳程后经萃取膜组件萃取剂出口流出，进入萃取剂储罐；膜萃取过程中萃取剂始终处于循环状态；

（4）膜萃取过程完成后先停输送萃取剂的泵2，将萃取膜组件和反萃取膜组件中的萃取剂排入萃取剂储罐；待两个组件中的萃取剂空后，再停止输送超滤料液的泵1和输送反萃取剂的泵3，萃取后的超滤料液排入超滤料液储罐；反萃取液排入反萃取液储罐中，再经浓缩、干燥，收集分离目标物质。

实施例1

取葛根50kg，加水12倍量回流提取，每次提取1.5小时，提取2次，合并得提取液1100kg；将提取液用孔径10nm的陶瓷膜超滤，收集超滤透过液约1000kg；用10%三烷基氧膦-磺化煤油为萃取剂，0.05%NaOH溶液为反萃取剂，将超滤透过液按本发明具体实施步骤进行萃取反萃取，膜萃取温度20℃，反萃取温度35℃；超滤透过液、萃取剂、反萃取液的流动速度分别为1.0m/min、0.25m/min、0.65m/min，膜萃取时间12小时；收集反萃取液约1000kg；将反萃取液用HCl调ph值至4，过聚酰胺树脂柱，用70%乙醇洗脱，收集洗脱液减压回收乙醇，浓缩至相对密度1.30后，真空干燥，得葛根总黄酮，含量90.5%，膜萃取过程收率88.4%（ZL201310047146.7 中收率71.6%）。

实施例2

取大黄50kg，加20倍量水回流提取，每次提取30min，提取2次，合并得提取液900kg；将水提取液用孔径20nm的陶瓷复合膜超滤，得超滤液；将超滤透过液用20%盐酸溶液调pH至3.0，用5%三烷基氧膦-磺化煤油为萃取剂，0.5%氨水为反萃取剂，将超滤透过液按本发明具体实施步骤进行萃取反萃取，膜萃取温度25℃，反萃取温度30℃；超滤液、萃取剂、反萃取液的流动速度分别为2.0m/min、0.3m/min、1.0m/min，膜萃取时间8小时；收集反萃取液约800kg；将反萃取液减压浓缩至50kg，用盐酸调ph值至2，沉淀，将沉淀用水洗至中性，干燥，得大黄总蒽醌，纯度87%。

实施例3

取甘草50kg，加0.75% 氨水24倍量回流提取，每次提取1小时，提取3次，合并得提取液1100kg；将提取液用孔径10nm的陶瓷膜超滤，收集超滤透过液约1050kg，用盐酸调pH值至6，用20%三烷基氧膦-磺化煤油为萃取剂，0.07%NaOH溶液为反萃取剂，将超滤透过液按本发明具体实施步骤进行萃取反萃取，膜萃取温度25℃、反萃取温度40℃，超滤液、萃取剂、反萃取液的流动速度分别为1.0m/min、0.3m/min、0.65m/min，膜萃取及反萃取液总时间12小时，得反萃取液约1000kg；将反萃取液用盐酸调pH值至4，过聚酰胺柱，用70%乙醇洗脱，得洗脱液150kg，减压回收乙醇，浓缩至相对密度1.30后，真空干燥，得甘草总黄酮，含量89.6%，膜萃取过程收率97.5%（ZL收率63.2%）；将萃余液用稀盐酸调pH至3.5，用20%三烷基氧膦-磺化煤油为萃取剂，0.07%NaOH溶液为反萃取剂，将超滤透过液按本发明方法中的步骤3进行萃取反萃取，萃取条件甘草总黄酮，萃取总时间8小时，得反萃取液约1000kg；将反萃取液用盐酸调pH值至2，用分子截留量200道尔顿的纳滤膜纳滤浓缩至200kg，弃去透过液。将截留液缩至相对密度1.30后，真空干燥，得甘草酸铵盐，含量98.2%，膜萃取过程收率93.3%（ZL201310047146.7 中收率78.2%）；。

实施例4

取苦参50kg，加0.2%盐酸水溶液12倍量回流提取，提取2次，每次1小时，合并得提取液1100kg；将水提取液用截留分子量10000nm的中空纤维超滤膜滤过，收集超滤透过液约1100kg；将超滤透过液用NaOH溶液调pH至8.0，用15%二（2-乙基己基）硫酸-磺化煤油为萃取剂，0.5%盐酸为反萃取剂，将超滤透过液按本发明具体实施步骤进行萃取反萃取，膜萃取温度25℃、反萃取温度35℃，超滤液、萃取剂、反萃取液的流动速度分别为1.0m/min、0.3m/min、0.65m/min，膜萃取及反萃取液总时间12小时，得反萃取液约1000kg。将反萃取液用NaOH溶液调pH至8.0，用分子截留量200道尔顿的纳滤膜纳滤浓缩至100kg，弃去透过液，将截留液减压浓缩至相对密度1.30后，真空干燥，得苦参总碱，含量89.6%，膜萃取过程转收率96.2%（ZL 201310047146.7中收率83.2%）。

Claims (3)

1.一种固体膜化学萃取纯化水溶性天然有机物质的方法，由以下系统设备和工艺完成：

系统设备：包括超滤料液储罐、萃取膜组件、萃取剂储罐、反萃取膜组件、反萃取剂储罐；超滤料液储罐经管线及泵联通萃取膜组件顶部的料液入口；萃取膜组件底部的料液出口联通超滤料液储罐；萃取膜组件上部的萃取剂出口联通萃取剂储罐；萃取剂储罐通过泵联通反萃取膜组件下部的萃取剂入口；反萃取膜组件上部的反萃取剂出口联通萃取膜组件下部的萃取剂入口；反萃取剂储罐联通反萃取膜组件顶部的萃取剂入口；反萃取膜组件底部的料液出口经泵联通反萃取剂储罐联；萃取膜组件、反萃取膜组件为空纤维微孔膜；

工艺流程包括：

（1）将超滤料液经超滤后所得超滤液注入超滤料液储罐，经泵输送入萃取膜组件的料液入口，进入萃取膜组件管程，再经料液出口送回超滤料液储罐，膜萃取过程中超滤料液始终处于循环状态；

（2）将反萃取液注入反萃取液储罐，经泵输送入反萃取膜组件的料液入口，进入反萃取膜组件管程，再经料液出口送回反萃取液储罐；膜萃取过程中反萃取液始终处于循环状态；

（3）待超滤料液充满萃取膜组件管程、反萃取液充满反萃取膜组件管程后，将萃取剂注入萃取剂储罐，经泵输送入反萃取膜组件的萃取剂入口进入反萃取膜组件壳程；待充满反萃取膜组件壳程后经反萃取膜组件的萃取剂出口进入萃取膜组件的萃取剂入口；充满萃取膜组件壳程后经萃取膜组件萃取剂出口流出，进入萃取剂储罐；膜萃取过程中萃取剂始终处于循环状态；

（4）膜萃取过程完成后先停输送萃取剂的泵，将萃取膜组件和反萃取膜组件中的萃取剂排入萃取剂储罐；待两个组件中的萃取剂空后，再停止输送超滤料液的泵和输送反萃取剂的泵，萃取后的超滤料液排入超滤料液储罐；反萃取液排入反萃取液储罐中，再经浓缩、干燥，收集分离目标物质；

超滤料液为经过超滤后的植物水提取液；萃取剂为磷酸三丁酯、三烷基氧膦、三辛基氧膦、二（2-乙基己基）硫酸、磺化煤油中的至少一种，反萃取剂为质量浓度0.05~0.5%的氨水溶液、氢氧化钠溶液或盐酸溶液；超滤液、萃取剂、反萃取液的流动速度分别为1.0~2.0m/min、0.25~0.3m/min、0.65~1m/min；所述植物水提取液为葛根水提液、大黄水提液、干草水提液，苦参水提液。

2.如权利要求1所述一种固体膜化学萃取纯化水溶性天然有机物质的方法，其特征在于：系统设备：所述反萃取膜组件的管壳外部加装超声波发生器或微波发生器。

3.如权利要求1所述一种固体膜化学萃取纯化水溶性天然有机物质的方法，其特征在于：膜萃取及反萃取的总时间为10~12小时。

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