泡澡法分離作業(yè)

1、泡沫分離法在皂苷分離中的應(yīng)用摘要：本文分析了泡沫分離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及其分離原理，著重探討了該技術(shù)應(yīng)用于分離皂苷類成分的可行性、優(yōu)越性，分析了該技術(shù)的應(yīng)用前景，并提出了若干需要深入研究的文體。關(guān)鍵字：泡沫分離技術(shù) 皂苷 應(yīng)用1 前言皂苷別稱：堿皂體；皂素；或皂草苷，是一類在水溶液中經(jīng)振搖能產(chǎn)生大量持久泡沫的復(fù)雜分子，由糖鏈與三萜類、甾體或甾體生物堿通過碳鍵相連而成。皂苷主要分布在陸地高等植物中，也少量存在于海星和海參等海洋生物中。它們廣泛存在于植物的莖、葉和根中，如人參、三七、絞股藍(lán)、黃芪、甘草、毛冬青、遠(yuǎn)志、無患子等。經(jīng)大量研究表明，這些皂苷具有廣泛的藥理作用和生物活性如免疫作用、抗腫瘤、抗真

2、菌、滅螺、殺血吸蟲、防治心血管疾病等，而且還可以作為食品天然甜味劑、保護(hù)劑、發(fā)泡劑、增味劑、抗氧化劑等。許多中草藥如人參、原汁、桔梗、甘草和柴胡等的主要成分都含有皂苷1。由于皂苷類化合物極性大、水溶性強(qiáng)，分離、精制有一定難度。近年來，隨著分離手段的顯著進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外除使用經(jīng)典的皂苷分離方法外又發(fā)展了一些對(duì)皂苷有效的新分離技術(shù)，如超臨界流體萃取技術(shù)、半仿生提取法、超聲提取法、大孔吸附樹脂技術(shù)等提取技術(shù)及高效液相層析法、液滴逆流色譜法等分離、精制方法。本文試引用一種新型分離技術(shù)泡沫分離技術(shù)于皂苷成分的提取、分離中。2 泡沫分離技術(shù)的應(yīng)用情況泡沫分離是一項(xiàng)利用物質(zhì)在氣泡表面上吸附性質(zhì)的差異進(jìn)行分離的技

3、術(shù)。 20 世紀(jì)初泡沫浮選就已廣泛應(yīng)用于礦冶工業(yè)2，近30年來又針對(duì)金屬離子、蛋白質(zhì)、酶及微生物細(xì)胞等的分離發(fā)展起新型的泡沫吸附分離技術(shù)3-5。所謂泡沫分離法就是指采用鼓泡的方式，向溶液中通人大量微小氣泡，在一定條件下使呈表面活性的待分離物質(zhì)吸附或粘附于上升的氣泡表面而浮升到液面，從而使某一組分或某些組分得以分離。它是分離和富集痕量物質(zhì)的一種有效方法。溶液中含有表面活性成份是泡沫分離的必要條件之一，而中草藥中的皂苷、蛋白質(zhì)、樹膠以及其它高分子化合物具有表面活性劑的特性，能夠在強(qiáng)烈攪拌或沸騰時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫6，并且泡沫反應(yīng)是皂苷類有效成份定性分析的常用方法7。泡沫分離技術(shù)的研究開發(fā)已經(jīng)有近一個(gè)世

4、紀(jì)的歷史。20世紀(jì)初泡沫浮選就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冶礦工業(yè)；20世紀(jì)70年代以前，泡沫吸附分離技術(shù)主要應(yīng)用于從溶液中吸附分離離子、分子、膠體、沉淀物、表面活性劑和染料等；自80年代中期以來，隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，細(xì)胞培養(yǎng)與發(fā)酵工藝水平的不斷提高與改善，泡沫分離技術(shù)在蛋白質(zhì)、酶提取及發(fā)酵產(chǎn)物的提取、菌物去除等方面的應(yīng)用逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化；近幾年來，有報(bào)道泡沫分離技術(shù)應(yīng)用于中藥有效成分的提取、分離中，主要應(yīng)用于中藥皂苷類成分的提取分離。3 泡沫分離的原理泡沫分離的過程是通過在液相底部通入某種氣體或使用某種裝置產(chǎn)生泡沫 ,收集泡沫就得到了某種產(chǎn)物的濃縮液。泡沫分離技術(shù)是根據(jù)表面吸附原理，基于溶液中溶

5、質(zhì) (或顆粒) 間表面活性的差異，表面活性強(qiáng)的物質(zhì)優(yōu)先吸附于分散相與連續(xù)相的界面處，通過鼓泡使溶質(zhì)選擇性的聚集在氣-液界面并借助浮力上升至溶液主體上方形成泡沫層，從而分離、濃縮溶質(zhì)或凈化液相主體的過程8。另外，還有一個(gè)原理(待分離組分的傳質(zhì)過程)，即泡沫在上升過程中，水分與皂苷等組分均要從泡沫相中析出。但水流出的速度比皂苷快，因此可以在泡沫液中富集皂苷等組分。4 泡沫分離技術(shù)應(yīng)用于皂苷分離的可行性泡沫分離在其他行業(yè)(如冶礦業(yè)、化工、生物工程等)已經(jīng)是一種成熟、可行的技術(shù)。它的研究歷史已接近一個(gè)世紀(jì)，對(duì)泡沫分離的機(jī)理探討、裝置研發(fā)、工藝研究等都比較成熟。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，泡沫分離是從極稀溶液中分

6、離或濃縮表面活性物質(zhì)及能與表面活性物結(jié)合的成分的一種可行的技術(shù)。因此，我們完全可以借鑒在化工等領(lǐng)域應(yīng)用較成熟的泡沫分離技術(shù)，并將之成功應(yīng)用于皂苷等天然表面活性成分的提取、分離中。泡沫分離必須具備兩個(gè)基本條件。首先 ,目標(biāo)溶質(zhì)是表面活性物質(zhì)，或者是可以和某些活性物質(zhì)相絡(luò)合的物質(zhì)，它們都可以吸附在氣-液界面上；其次，富集質(zhì)在分離過程中借助氣泡與液相主體分離，并在塔頂富集。因此，它的傳質(zhì)過程在鼓泡區(qū)中是在液相主體和氣泡表面之間進(jìn)行，在泡沫區(qū)中是在氣泡表面和間隙液之間進(jìn)行。所以，表面化學(xué)和泡沫本身的結(jié)構(gòu)和特征是泡沫分離的基礎(chǔ)。中草藥中的皂苷及其它高分子化合物具有表面活性劑的特性，能夠在強(qiáng)烈攪拌或沸騰時(shí)

7、產(chǎn)生泡沫，因此中藥水提液具備了泡沫分離的必要條件。但至今將泡沫分離技術(shù)應(yīng)用于中藥有效成分提取、分離的報(bào)道甚少，目前只有兩篇：其中一篇報(bào)道了將該技術(shù)應(yīng)用于三七總皂苷和多糖的分離9；另一篇是將該技術(shù)應(yīng)用于人參皂苷的分離10。人參皂苷和三七皂苷均屬于三萜皂苷，具有天然表面活性。文獻(xiàn)報(bào)道表明，泡沫分離技術(shù)應(yīng)用于三萜皂苷類成分的提取、分離具有很好的效果，且無須添加表面活性劑，較之該技術(shù)在處理廢水、污水等領(lǐng)域有較大的優(yōu)勢(shì)。下面從原理、工藝、設(shè)備等方面著手，分析泡沫分離技術(shù)應(yīng)用于皂苷提取、分離的可行性。(1) 泡沫分離技術(shù)的原理根據(jù)泡沫分離的原理，表面活性劑極性的一端向著水相，非極性的一端向著氣相，含有待分

8、離的離子、分子的水溶液中的表面活性劑的極性端與水相中的離子或其極性分子通過物理(如靜電引力)或化學(xué)(如配位反應(yīng))作用連接在一起。當(dāng)通入氣泡時(shí)，表面活性劑就將這些物質(zhì)連在一起定向排列在氣-液界面，被氣泡表面吸附，并在浮力作用下氣泡被帶到液面形成泡沫層，從而達(dá)到分離的目的。皂苷具有親水性的糖體和疏水性的皂苷元，是一種優(yōu)良的天然非離子型表面活性成分，具有良好的起泡性。一些三萜類皂苷已經(jīng)作為表面活性劑用于高級(jí)洗滌用品、滅火劑、乳化劑等。因此，運(yùn)用泡沫分離技術(shù)分離、提純中草藥中的皂苷是合理、可行的。(2) 泡沫分離技術(shù)的提取工藝傳統(tǒng)的水煮法和水醇法提取皂苷等有效成分所制得的制劑總是又黑、又大、又粗，服用

9、極不方便，且有效成分損失嚴(yán)重；有機(jī)溶劑萃取的方法，溶劑耗費(fèi)量大，且易造成環(huán)境污染，因此不宜采用。隨著新型分離技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，超臨界流體萃取技術(shù)、超聲提取技術(shù)、半仿生提取法、大孔吸附樹脂技術(shù)等紛紛應(yīng)用于皂苷成分的提取、分離當(dāng)中。這些技術(shù)的引用，尤其是大孔吸附樹脂技術(shù)用于提取皂苷取得了很好的效果，提高了分離效率。但這些新技術(shù)都存在著各自的缺陷，并不是不可替代的最佳工藝。超臨界流體萃取技術(shù)設(shè)備的一次性投資太大，提高了成本；超聲提取技術(shù)目前仍局限于中藥質(zhì)量分析和少量提取中，用于大規(guī)模生產(chǎn)還有待進(jìn)一步對(duì)其設(shè)備等作摸索；半仿生提取法在應(yīng)用當(dāng)中，要獲得穩(wěn)定可行的工藝，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)仍需做大量實(shí)驗(yàn)研究，目前

10、該技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。大孔吸附樹脂技術(shù)存在吸附選擇性差、技術(shù)難度較大、樹脂再生困難等缺點(diǎn)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，泡沫分離用于人參皂苷及三七皂苷的分離工藝穩(wěn)定、可行、分離效果好，且成本低(3)泡沫分離設(shè)備泡沫分離器，又稱蛋白質(zhì)分離器。國(guó)內(nèi)外已有不少單位，已成功研制出了泡沫分離裝置。目前，用于離子浮選、礦物浮選的是選礦機(jī)，工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備及相關(guān)技術(shù)已成熟。用于廢水、污水處理工業(yè)的泡沫分離器也已成功開發(fā)，也實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。用于濃縮、分離蛋白質(zhì)的泡沫分離裝置目前基本上實(shí)現(xiàn)了由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化，而用于提取、分離中藥有效成分皂苷等的泡沫分離器目前尚未見報(bào)道。但從它在其它行業(yè)的研發(fā)與工業(yè)化應(yīng)用規(guī)模來看，泡沫分離法用于

11、中藥有效成分提取、分離具有可行性，完全可以開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備來支持該技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化、規(guī)范化生產(chǎn)。在間歇泡沫分離操作系統(tǒng)中，泡沫連續(xù)從設(shè)備中輸出，初始溶液中所含的發(fā)泡劑(通常為某種表面活性劑) 逐漸耗盡。設(shè)備的泡沫層中無外加料液引入，全塔近似為一個(gè)理論級(jí)。在連續(xù)操作的泡沫分離設(shè)備中，料液連續(xù)進(jìn)入泡沫分離塔中，同時(shí)，泡沫相和殘留液相連續(xù)從塔內(nèi)排出。為提高分離塔的分離效率，目前常采用兩種模型：提餾模型和精餾模型。在提餾模型中 ,料液從泡沫相中加入 ,料液在到達(dá)塔底之前先通過泡沫相，實(shí)現(xiàn)部分分離。在精餾模型中 ,通過將部分泡沫的破沫液回流到塔頂，從而提高分離程度。很多學(xué)者對(duì)泡沫分離設(shè)備進(jìn)行了局部的改

12、進(jìn)。例如，杜建新、胡華等提出了一種新型的泡沫分離設(shè)備，即環(huán)流泡沫塔11-12 。通過分析液相區(qū)的流體力學(xué)行為和實(shí)驗(yàn)13，在理論和實(shí)踐上都得到了較理想的結(jié)果。環(huán)流泡沫塔的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的氣升式環(huán)流反應(yīng)器，不同之處在于：裝有導(dǎo)流筒的液相區(qū)所占整塔高度的比例比較小 ,且塔的頂端有引出泡沫的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的用于泡沫分離的鼓泡塔相比，環(huán)流泡沫塔的最大優(yōu)點(diǎn)在于:氣泡隨液體循環(huán)流動(dòng)，氣泡的平均停留時(shí)間比鼓泡塔中長(zhǎng)。環(huán)流泡沫塔的上述特點(diǎn)保證了泡沫分離過程氣泡表面與液相間的充分接觸和有效傳質(zhì)。有關(guān)這種泡沫塔的流體力學(xué)行為和傳質(zhì)行為，還可繼續(xù)加以考察 ,以發(fā)展高效的泡沫分離設(shè)備。5 泡沫分離技術(shù)用于皂苷分離的優(yōu)越性

13、從前面的可行性分析可以看出，泡沫分離技術(shù)應(yīng)用于皂苷類成分的提取、分離不僅工藝穩(wěn)定、可行、分離效果好，而且設(shè)備簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)工程放行、分離效果好，而且設(shè)備簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)工程放大。該技術(shù)在中草藥皂苷類成分的提取中相對(duì)于其它分離方法有一系列優(yōu)點(diǎn)：(1)特別適合于對(duì)低濃度的產(chǎn)品進(jìn)行分離，如低濃度的皂苷、蛋白質(zhì)等的粗提液。(2)富集率高。(3)運(yùn)行成本低。由于此過程不使用無機(jī)鹽或有機(jī)溶劑，僅僅是有一些動(dòng)力消耗，它的運(yùn)行成本一般要比其它方法低。(4)操作簡(jiǎn)便，技術(shù)難度低。(5)設(shè)備簡(jiǎn)單，制造及維修的費(fèi)用都低，且無工程放大的障礙，有利于普及使用該技術(shù)，可望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模14.泡沫分離法適合于對(duì)低濃度的產(chǎn)

14、品進(jìn)行分離。如低濃度的酶溶液，用常規(guī)的方法進(jìn)行沉淀是行不通的，如果使用泡沫法對(duì)產(chǎn)品先進(jìn)行濃縮，就可以用沉淀法進(jìn)行提取。它是根據(jù)分離物的表面活性而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分離,因此可以高選擇性地濃縮某種成分。由于此過程不使用無機(jī)鹽或有機(jī)溶劑，僅僅是有一些動(dòng)力消耗 ,它的運(yùn)行成本一般要比其它方法低。6 思考與展望泡沫分離技術(shù)是一種新型的分離技術(shù)。在化工，生化、醫(yī)藥、污水處理等領(lǐng)域 ,它的應(yīng)用和發(fā)展前景都十分廣闊。因此，對(duì)泡沫分離技術(shù)分離效率的影響因素及其影響程度的研究就顯得十分重要。此外 ,分離設(shè)備的創(chuàng)新和改善對(duì)于泡沫分離技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用也起到了重要作用。為提高泡沫分離的效率 ,改善泡沫分離設(shè)備的性能，有關(guān)各種

15、表面活性劑在氣-液界面處發(fā)生分離的吸附機(jī)理以及吸附特性還有待于繼續(xù)研究，尤其是吸附動(dòng)力學(xué)、以及表面活性物質(zhì)混合物的競(jìng)爭(zhēng)吸附。有關(guān)吸附動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)行為目前還沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。此外，由于吸附而引起的溶液粘度等物性的變化，也可能會(huì)影響到泡沫排液和泡沫穩(wěn)定性。聚并對(duì)分離效率有顯著的作用，所有會(huì)影響聚并的因素也應(yīng)加以研究。單級(jí)、半間歇及連續(xù)操作的泡沫塔的分離能力已有較詳細(xì)的論述，而多級(jí)逆流或錯(cuò)流模型還需進(jìn)一步考察。有效的泡沫分離和破沫模型的放大，對(duì)于多級(jí)泡沫塔的操作也是非常重要的。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，一種物質(zhì)的分離往往需要幾種分離方法才能達(dá)到分離的要求，泡沫分離常常與萃取、沉降、生化等方法共同應(yīng)用

16、于廢水處理、染布等生產(chǎn)工藝中。近年來人們對(duì)泡沫分離模型等方面的研究，使這種方法的工業(yè)化又前進(jìn)了一步。泡沫分離的模型已被成功應(yīng)用于廢水處理、慶大霉素的提取、低濃度磷酸三丁酯的回收、大豆蛋白質(zhì)的分離等過程中。泡沫分離的主要缺點(diǎn)是表面活性物質(zhì)大多是高分子化合物，消化量較大，有時(shí)也難以回收。泡沫塔內(nèi)的返混嚴(yán)重影響分離的效率，溶液中的表面活性物質(zhì)的濃度難以控制等等。最近有關(guān)泡沫分離模型的報(bào)導(dǎo)，只是針對(duì)具體的幾個(gè)體系，還沒有更為普遍的泡沫分離數(shù)學(xué)模型。另外，在影響泡沫分離的諸多因素中，氣泡的類型對(duì)分離過程的影響，到目前為止還沒有有關(guān)報(bào)導(dǎo)，有待于今后的進(jìn)一步研究中。參考文獻(xiàn)1劉正美，郭忠武.皂苷研究新進(jìn)展。

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