大孔吸附樹脂分離技術(shù)

化工別離工程課程論文論文名稱：大孔吸附樹脂別離技術(shù)摘要大孔吸附樹脂是20世紀(jì)60年代開展起來的繼離子交換樹脂后的別離新技術(shù)之一，已在環(huán)保、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過參考國內(nèi)外的一些關(guān)于大孔吸附樹脂的文獻(xiàn)和書籍，對大孔吸附樹脂的別離原理，最新研究進(jìn)展和應(yīng)用情況以及影響因素進(jìn)行了總結(jié)。并且列舉了一些在中藥別離純化中的應(yīng)用，表現(xiàn)出了其優(yōu)越性，有著廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：大孔吸附樹脂；柱層析；別離原理；工業(yè)應(yīng)用大孔吸附樹脂別離技術(shù)大孔吸附樹脂別離技術(shù)簡介1.1大孔吸附樹脂的簡介和根本產(chǎn)品大孔吸附樹脂是一類不含交換基團(tuán)且有大孔結(jié)構(gòu)的高分子吸附樹脂，是一種不溶于酸、堿及各種有機(jī)溶劑的有機(jī)高分子聚合物，具有良好的大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和較大的比外表積，可以通過物理吸附從水溶液中有選擇地吸附有機(jī)物。是20世紀(jì)60年代開展起來的繼離子交換樹脂后的別離新技術(shù)之一，已在環(huán)保、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)其骨架材料的不同可分為極性、中性和非極性3種類型[1]美國的Kunin教授創(chuàng)造了大孔網(wǎng)狀聚合物吸附,并于1966年研制成功了第一個大網(wǎng)格吸附劑,此后大孔吸附樹脂材料成為一個嶄新的技術(shù)領(lǐng)域,受到歐美及日本等國的高度重視,研制開發(fā)了一批類型不同的、性能良好的吸附樹脂,并形成了商品供給。目前,美、英、法、德及日本等國均有專業(yè)公司研究生產(chǎn)【1】。我國在這方面也在逐步開展，也有很多性能優(yōu)良的產(chǎn)品問世。表1-1常用國產(chǎn)大孔樹脂的型號和主要特性【2】樹脂極性結(jié)構(gòu)粒徑范圍(mm)比外表積(m2/g)平均孔徑(nm)用途S-8極性交聯(lián)聚苯乙烯型0.3～1.25100～12028～30有機(jī)物提取別離AB-8弱極性0.3～1.25480～52013～14有機(jī)物提取，甜菊糖、銀杏葉黃銅提取X-5非極性0.3～1.25500～60029～30抗生素、中草藥提取NKA-2極性0.3～1.25160～200145～155酚類、有機(jī)物去除NKA-9極性0.3～1.25250～29015～16.5膽紅素去除，生物堿別離、黃酮類提取H103非極性0.3～0.61000～110085～95抗生素提取別離，去除酚類，氯化物D-101非極性苯乙烯型0.3～1.25480～52013～14中草藥中皂甙、黃酮、內(nèi)酯、萜類及天然色素的提取HPD100非極性苯乙烯型0.3～1.265090天然物提取別離，如人參皂苷、三七皂苷HPD400中極性苯乙烯型0.3～1.255083中藥復(fù)方提取、氨基酸、蛋白質(zhì)提純HPD600極性苯乙烯型0.3～1.255085銀杏黃酮、甜菊苷、茶多酚、黃芪苷ADS-5非極性500～60020～25別離天然產(chǎn)物中的苷類、生物堿、黃酮等ADS-7強(qiáng)極性含氨基200提取別離糖苷，對甜菊苷、人參皂苷、絞股藍(lán)皂苷等具高選擇性，去除色素ADS-8中極性450～55025.0別離生物堿，如喜樹堿、苦參堿ADS-17中極性124高選擇別離銀杏黃酮苷和銀杏內(nèi)酯表1-2國外HP、SP系類大孔樹脂的型號和主要特性【2】樹脂極性結(jié)構(gòu)粒徑范圍(mm)比外表積(m2/g)平均孔徑(nm)用途HP-20非極性聚苯乙烯0.2～0.660046皂苷、黃酮、萜類、天然色素、蛋白質(zhì)〔相對分子質(zhì)量〉1000〕HP-207非極性聚苯乙烯0.2～0.663010.5HP2MG中極性甲基丙烯酸酯0.2～0.647017SP825非極性聚苯乙烯0.2～0.610005.7生物堿、黃酮、內(nèi)酯、酚性苷〔相對分子質(zhì)量〉1000〕SP850非極性聚苯乙烯0.2～0.610003.8SP70非極性聚苯乙烯0.2～0.68007.0SP700非極性聚苯乙烯0.2～0.612009.3XAD-1非極性苯乙烯10020別離甘草類黃酮、甘草酸、葉綠素XAD-2非極性苯乙烯3309人參皂苷提取，去除色素XAD-4非極性苯乙烯7505麻黃堿提取，除去小分子非極性物XAD-6中極性丙烯酸酯4986.3別離麻黃堿XAD-9極性亞砜2508揮發(fā)性香料成分別離XAD-11強(qiáng)極性氧化氮類17021提取別離合歡皂苷XAD-16000.408000.15提取小分子抗生素和植物有效成分XAD-11800.537000.40提取大分子抗生素、維生素、多肽XAD-7HP0.565000.45提取多肽和植物色素、多酚類物質(zhì)大孔吸附樹脂的分類按極性大小分類1.非極性大孔吸附樹脂如苯乙烯、二乙烯苯聚合物，也稱為芳香族吸附劑。2.中等極性大孔吸附樹脂此類樹脂中存在酯基一類的基團(tuán)，整個分子具有一定的極性。3.極性大孔吸附樹脂在此類樹脂中含有一些極性較大的基團(tuán)，如酰胺基、亞砜、氰基等基團(tuán)，極性大于酯基。4.強(qiáng)極性大孔吸附樹脂含有強(qiáng)極性基團(tuán)，如吡啶基、氨基、氮氧基團(tuán)。按其骨架類型分類1.聚苯乙烯型大孔吸附樹脂大局部樹脂為此骨架，它可以引入各種極性不同的基團(tuán)。2.聚丙烯酸型大孔吸附樹脂分為聚甲基丙烯酸甲酯型樹脂、聚丙烯酸甲酯型交聯(lián)樹脂和局丙烯酸丁酯交聯(lián)樹脂等。因?yàn)楹絮セ?，屬中等極性吸附劑。3.其他類型聚乙烯醇、聚丙烯晴、聚酰胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺、纖維素衍生物等也可以作為大孔吸附樹脂的骨架。1.3大孔吸附樹脂別離柱層析技術(shù)樹脂別離在工業(yè)上應(yīng)用最多的還是柱層析技術(shù)。其機(jī)理如圖1-1所示。圖1-1親和柱層析機(jī)理圖在運(yùn)用打孔吸附樹脂柱色譜進(jìn)行別離精制時，其操作步驟為樹脂的預(yù)處理→樹脂裝柱→藥液上柱吸附→樹脂的解析→樹脂的清洗、再生。其大致過程如圖1-2。1.樹脂的預(yù)處理由于樹脂出廠前沒有經(jīng)過徹底清洗，經(jīng)常殘留一些致孔劑、小分子聚合物、原料單體、分散劑以及防腐劑等有機(jī)殘留物。另外樹脂也常因失水而縮孔。因此用前必須進(jìn)行預(yù)處理。可將新購的樹脂用乙醇浸泡24h，充分溶脹，裝柱，用適量乙醇沖洗，而后改用大量清水沖洗備用。2.樹脂裝柱通常以水為溶劑濕法裝柱。先在樹脂柱的底部放一些脫脂棉或玻璃絲，厚度1-2cm即可，用玻璃棒壓平。在樹脂中加少量水，攪拌后倒入保持垂直的色譜柱中，使其自然沉降，讓水流出，注意不要干柱，以免氣泡進(jìn)入，影響別離效果。3.藥液的上柱吸附藥液上柱前應(yīng)為澄清溶液，否那么會影響樹脂吸附，一般要從上部參加，流速也要控制好，太快會不利于吸附，太慢效率太低。4.樹脂的解析樣品滴加完畢后就可以洗脫，通常用水洗脫，繼而用醇-水洗脫，逐步加大醇的濃度，同時配合檢測，相同純度者合并，流速要適當(dāng)，一般1-2BV/h。5.樹脂的再生樹脂經(jīng)屢次使用后吸附能力會有所減弱，在外表和內(nèi)部殘留一些雜質(zhì)，需再生后才能繼續(xù)使用。圖1-2柱層析原理圖大孔吸附樹脂別離技術(shù)原理及影響因素2.1大孔吸附樹脂吸附原理大孔吸附樹脂為吸附性和篩選性原理相結(jié)合的別離材料。大孔吸附樹脂的吸附實(shí)質(zhì)為一種物體高度分散或外表分子受作用力不均等而產(chǎn)生的外表吸附現(xiàn)象，

這種吸附性能是由于范德華引力或生成氫鍵的結(jié)果。同時由于大孔吸附樹脂的多孔結(jié)構(gòu)使其對分子大小不同的物質(zhì)具有篩選作用。通過上述這種吸附和篩選原理，有機(jī)化合物根據(jù)吸附力的不同及分子量的大小，在大孔吸附樹脂上經(jīng)一定溶劑洗脫而到達(dá)別離、純化、除雜、濃縮等不同目的。吸附樹脂的外表發(fā)生吸附作用后，會使樹脂外表上溶質(zhì)的濃度高于溶劑內(nèi)溶質(zhì)的濃度，其結(jié)果引起體系內(nèi)放熱和自由能的下降。一般說來，吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附兩大類。圖2-1親和層析法的原理圖2.2影響吸附率的因素吸附樹脂對有機(jī)物的去除效果與樹脂本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、吸附質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及吸附處理過程中的操作條件有著密切的關(guān)系。1．大孔吸附樹脂極性的影響遵從類似物吸附類似物的原那么，根據(jù)吸附物質(zhì)的極性大小選擇不同類型的大孔吸附樹脂。極性較大的化合物一般適用于在中極性的樹脂上別離；極性小的化合物適用于在非極性的樹脂上別離。極性大小是一個相對概念，要根據(jù)分子中基團(tuán)(如羥基)與非極性基團(tuán)(如烷基、苯環(huán)、環(huán)烷母核等)的數(shù)量與大小來確定；對于未知化合物，可通過一定的預(yù)試驗(yàn)及TLC而大致確定。2．大孔吸附樹脂孔徑的影響大孔吸附樹脂是多孔性物質(zhì)，其孔徑特性可用比外表積(S)、孔體積(V)和計算所得的平均半徑(r)來表征。假定孔道為圓柱形，那么三者關(guān)系r=2V/S，V可由壓汞儀測得，S可由比外表積測定儀測得。被別離成分通過樹脂的孔道而擴(kuò)散到樹脂的內(nèi)外表而被吸附。大孔吸附樹脂孔徑的大小，直接影響不同大小的分子自由進(jìn)入，從而使樹脂具有選擇性。因此，只有當(dāng)孔徑對于被別離成分足夠大時，比外表積才能充分發(fā)揮作用，即大孔吸附樹脂比外表積越高，而平均孔徑小。其吸附速度越慢，解吸越不夠集中，雜質(zhì)的別離效果也就越差。3．大孔吸附樹脂強(qiáng)度的影響大孔吸附樹脂強(qiáng)度與孔隙率有直接關(guān)系，也和制備工藝有關(guān)。這類樹脂在酸堿中體積變化不大，在溶媒中那么有一定程度的溶脹。一般大孔吸附樹脂孔隙率越高，孔體積越大，那么強(qiáng)度越差。大孔吸附樹脂的強(qiáng)度直接影響樹脂的使用壽命，從而影響著大孔吸附樹脂法工藝的本錢。4．吸附流速的影響對于同一濃度的上樣溶液，吸附流速過大，樹脂的吸附量就會降低。但吸附流速過小，吸附時間就會增加，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮來確定最正確吸附流速，既要使大孔吸附樹脂的吸附效果好，又要保證較高的工作效率。5．溫度的影響物理吸附和化學(xué)吸附都是放熱過程，所以只要吸附已經(jīng)到達(dá)平衡，增加溫度無論是物理吸附量還是化學(xué)吸附量都會降低。但是由于化學(xué)吸附在低溫時往往末到達(dá)平衡，而升高溫度會使吸附速度增快，所以對于化學(xué)吸附來說，在低溫時常會出現(xiàn)吸附量隨溫度升高而增加的情況，直到真正到達(dá)平衡以后，吸附量才又隨溫度升高而下降。6．其它組分存在時的影響當(dāng)溶液中存在二種以上溶質(zhì)時，往往會引起一種溶質(zhì)易吸附而使另一種溶質(zhì)的吸附量降低，一般來講，對混合溶質(zhì)的吸附較純?nèi)苜|(zhì)的吸附效果差。3.大孔吸附樹脂的應(yīng)用3.1對中草藥有效成分的提取3.1.1黃酮(甙)類最有代表性的是銀杏葉提取物(GBE)。國外用溶劑萃取法提取[3]，工藝步驟較長，溶劑消耗量大，其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是黃酮甙含量≥24%,萜內(nèi)酯含量≥6%[4]。陳沖等[5]應(yīng)用大孔樹脂提取GBE,既到達(dá)其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又降低了本錢。他們將銀杏葉用65%乙醇回流提取，減壓濃縮，加ZTC澄清劑水沉降后，再將水沉降液上大孔樹脂柱，用pH=3水洗滌13倍量，pH=3的25%乙醇洗滌7.5倍量，然后用70%乙醇洗脫，減壓濃縮，噴霧干得到淡黃色的銀杏葉提取物，其黃酮含量穩(wěn)定在26%以上，內(nèi)酯含量穩(wěn)定在6%以上。史作清等[6]又研制出ADS-17、ADS-21、ADS-F8等大孔樹脂，使GBE的生產(chǎn)具有更大的靈活性，其中ADS-17對黃酮類化合物具有很好的選擇性，可得到黃酮甙含量較高的3.1.2皂甙類和其它甙類此類物質(zhì)應(yīng)用大孔樹脂提取別離的文獻(xiàn)報道比擬多。劉中秋等[7]研究了用大孔樹脂富集純化毛冬青總皂甙的工藝條件及參數(shù)，他們?nèi)∶鄻悠芬?7ml(6.43g/ml)上大孔樹脂柱，用蒸餾水100ml，50%乙醇100ml依次洗脫，毛冬青總皂甙富集于50%乙醇洗脫液中，且除雜質(zhì)能力強(qiáng)，洗脫率達(dá)95%，50%乙醇洗脫液枯燥后總固物中毛冬青總皂甙純度可達(dá)57.5%3.1.3生物堿類生物堿的提取可用陽離子交換樹脂，但酸、堿或鹽類洗脫劑會給后面的別離造成麻煩，用大孔樹脂可防止引入外來雜質(zhì)的問題[8]。如用AB-8大孔樹脂提取喜樹堿，可直接得到含量約50%左右的產(chǎn)品，重結(jié)晶后喜樹堿的含量可達(dá)90%[8]。生物堿的提取還可以采用醇沉法、澄清法和超濾法，張保獻(xiàn)等[9]采用這三種方法與大孔樹脂法對苦參水提取液進(jìn)行了精制，其中大孔樹脂法為：取苦參水提液上清液900ml，均分為9份，每份100ml，相當(dāng)于100g生藥，分別離心(2500r/min)后傾出上清液，加適量蒸餾水返溶沉淀局部，離心，合并兩次離心液，參加適量蒸餾水，混勻后上大孔樹脂柱。待藥液流完后，參加一倍生藥量蒸餾水沖柱，待蒸餾水流完后，用4倍生藥量的不同濃度乙醇洗脫，乙醇濃度分別為50%、60%、70%，每一濃度平行各做3份。洗脫液回收乙醇，濃縮并真空枯燥成干浸膏。他們以苦參總生物堿的含量為指標(biāo)，對4種精制方法進(jìn)行了比擬研究，結(jié)果4種方法精制后，苦參總生物堿的含量的上下順序?yàn)椋捍汲练?10.61mg/g)>澄清法(4.40mg/g)>超濾法(3.05mg/g)>大孔樹脂法(2.11mg/g)，因此3.1.4其它有效成分的提取膽紅素：劉榮華等研究了CDA-40大孔樹脂提取膽紅素的工藝。他們采用正交試驗(yàn)法，以膽紅素的提取率為考查指標(biāo)，對提取工藝進(jìn)行了篩選，得出最正確工藝流程為3.2其他方面的應(yīng)用對于甜菊糖的別離純化，國外有很多利用XAD-7樹脂去除色素的報道[11]。此外，大孔吸附樹脂在血液灌流、酶的固定化、氨基酸蛋白質(zhì)的別離[12]、抗生素的別離提純、廢水處理、升化物質(zhì)的別離、葡萄糖的別離[13]、醫(yī)療衛(wèi)生、食品應(yīng)用等也有很多應(yīng)用。4.大孔吸附樹脂別離技術(shù)的展望大孔樹脂吸附別離工藝所得提取物體積小、不吸潮，容易制成外型美觀的各種劑型，尤其適用于顆粒劑、膠囊劑和片劑，使中藥的粗、大、黑制劑升級換代為現(xiàn)代制劑。就大孔樹脂吸附技術(shù)自身而言，它工藝操作簡便，不十分繁瑣，難度不大，并且樹脂可屢次使用，也可再生反復(fù)使用，本錢不是很高，設(shè)備較簡單，而且這種工藝可以節(jié)約大量的能耗、輔料、包裝材料、貯藏、運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用。目前，大孔樹脂吸附技術(shù)廣泛地應(yīng)用于西藥的生產(chǎn)中，在我國，中藥研究和生產(chǎn)中探索應(yīng)用大孔樹脂吸附技術(shù)企業(yè)也越來越多，像四川泰華堂制藥，成都地奧制藥股份就已應(yīng)用。揚(yáng)子江藥業(yè)集團(tuán)也運(yùn)用該技術(shù)生產(chǎn)銀杏制劑。北京市生產(chǎn)西藥的廠家應(yīng)用較為普遍，同仁堂制藥廠也正在試用。應(yīng)該有很廣闊的推廣前景。參考文獻(xiàn)[1]王躍生王洋.大孔吸附樹脂研究進(jìn)展[J].中國中藥雜志,2006，31〔12〕：961-965[2]周晶,馮淑華.中藥提取別離新技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2023[3]SchwabeW,KlossP.VasoactivedrugsfromGinkgobilobaleaves[P].DE：1767098，1971-10-12[4]TerisA,VanBeek.AnalysisandqualitycontrolofGink-gobilobaleavesandstandarisedextracts[A].Proceed-ingsof97internationalseminaronGinkgo[C].China:beijing,1997.158.[5]陳沖,羅思齊.銀杏葉提取物的生產(chǎn)工藝條件研究[J].中草藥,1997,(07)[6]史作清,施榮富,范云鴿,王春紅,孫江曉.樹脂吸附法在中草藥有效成分提取中的應(yīng)用[J].中草藥,2001,(07)[7]劉中秋,蔡雄,賴小平,王培訓(xùn),劉良.大孔吸附樹脂富集純化毛冬青總皂苷工藝研究[J].中藥新藥與臨床藥理,2001，(01)[8]張紅，童明容，潘繼倫，俞耀庭，王永耀，黃杏林，黃加斗，胡雄軍.大孔吸附樹脂提取喜樹堿的研究[J].離子交換與吸附，1995，(02)[9]張保獻(xiàn),逵應(yīng)坤,馮青然,趙小妹,臧琛,聶其霞,馬振山,王元瑜.不同精制方法對苦參水提取液中苦參總生物堿含量的影響[J].中國