超临界CO2提取青蒿素的工艺.pdf

第5卷第1期 2006年2月 江 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版) Journal of Southern Yangtze University( Natural Science Edition) Vol. 5 No. 1 Feb. 2006 文章编号:1671 - 7147(2006)01 - 0100 - 04 收稿日期:2004 - 11 - 23 ; 修订日期:2004 - 12 - 16. 基金项目:国家自然科学基金项目(20276058) . 作者简介:胡淼(1979 - ) ,男,湖北武汉人,生物化工专业硕士研究生. 3 通讯联系人:任其龙(1959 - ) ,男,浙江东阳人,教授,博士生导师.主要从事制药工程、 天然产物分离的研究. Email :renql zju. edu. cn 超临界CO2提取青蒿素的工艺 胡 淼, 钱国平, 杨亦文, 吴彩娟, 任其龙 3 (浙江大学 二次资源化工国家专业实验室,浙江 杭州310027) 摘 要:研究了超临界CO2提取青蒿素的工艺,考察了粒度、 压力、 温度、 时间、CO2流量等影响因 素.以萃取率为目标,综合考虑产品收率,优化了超临界萃取工艺条件,得到较佳的操作条件:萃取 压力20 MPa ,萃取温度50,每千克原料CO2质量流量1 kg/ h ,分离器 的温度为60,压力为 14 MPa.在优化条件下萃取4 h ,萃取率达到95 %以上,萃取物纯度在15 %以上. 关键词:青蒿素;超临界二氧化碳;萃取;黄花蒿 中图分类号:TQ 028. 8文献标识码: A The Study of Supercritical CO2Extraction of Artemisinin HU Miao , QIAN Guoping , YANG Yiwen , WU Caijuan , REN Qilong 3 (National Laboratory of Secondary Resources Chemical Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China) Abstract : The supercritical fluid extraction ( SFE) of artemisinin was studied using ground A rtemisia annuaL. as raw material and CO2as solvent. The effect of operation conditions on the extraction yield was analyzed in a series of experiments at temperatures between 313 and 333 K and pressures between 15. 2 and 29. 7 MPa and humidity of raw material between 2. 5 % and 11. 3 %. Furthermore , the effect of CO2flow rate and particle size of raw material was studied in the range of 0. 162 to 1. 968 kg/ h and 40 to 80 meshes. The optimum conditions were pressure of 20 MPa , temperature of 323 K, a solvent ratio of 1 kg of CO2per kg of raw material , and particle size of 6080 mesh. For high yield of artemisinin , the operating conditions of the separator were that the temperature was 323 K and the pressure was 20 MPa. In these conditions , the extraction yield was more than 95 % and the purity of artemisinin of the extract was 15 % for extraction time of 4 h. Key words : artemisinin ; supercritical CO2; extraction ,A rtemisia annuaL 超临界CO2萃取是基于CO2流体在超临界状 态下对某些物质具有特殊增强的溶解度效应而建 立起来的一种新型分离技术.它利用CO2为溶剂在 高压和低温下萃取,具有萃取工艺简单、 效率高、 无 残留溶剂、 有效成分不被破坏等特点,特别适合于 热敏性天然物质的分离,广泛应用于医药、 食品、 日 用香料等工业领域1. 青蒿素(artemisinin ,QHS)是中国科学工作者 于20世纪70年代首次从黄花蒿(A rtemisia annua L. ) 中分离出来的含过氧桥的新型倍半萜内酯.青 蒿素结构独特,具有抗疟、 抗菌、 解热、 增强免疫等 药理活性,对恶性疟、 脑型疟有特效,已成为世界卫 生组织推荐的治疗疟疾的首选药品2.传统的青蒿 素提取采用有机溶剂(如汽油和稀醇溶液 ) , 需经多 次萃取浓缩,能耗大,时间长,成本高;而且有机溶 剂对青蒿素的溶解选择性差,致使提取物杂质(腊 状物)含量高;青蒿素精制步骤多、 难度大3 ,4.超临 界CO2具有较高的扩散传质速率和溶解性能,使其 在有效成分含量较低的天然药物等的提取分离方 面具有独特的优势.因此利用超临界CO2萃取技术 提取青蒿素,能充分利用黄花蒿资源,具有很好的 工业应用前景5 ,6. 文中系统研究了超临界CO2萃取过程中各操作 参数对青蒿素收率的共同影响,以期得到优化的操作 条件,为工业生产青蒿素提供一条较好的工艺. 1 材料与方法 1. 1 原料与设备 1. 1. 1 原料 黄花蒿全草,自然晒干,粉碎、 筛分, 4060目和6080目,石油醚索氏抽提法测得青 蒿素质量分数为0. 487 % ,按中国药典(2000)标准 烘干法测得水的质量分数为11. 3 % ,湖南华立(吉 首)青蒿素制药有限公司生产;青蒿素标样,纯度 99. 8 % ,美国Sigma公司提供;CO2,纯度 99. 9 % , 含水率 0. 02 % ,无异味,杭州明星工贸气体有限 公司提供. 1. 1. 2 仪器 HA1215001型超临界萃取装置, 萃取器容积1 L ,设计压力50 MPa ;两级分离器容 积均为0. 6 L ,设计压力30 MPa ,最高操作温度75 ,最大体积流量50 L/ h ,南通华安超临界萃取有 限公司制造. 1. 2 萃取流程 CO2钢瓶 冷却系统 高压泵 萃取釜 分 离器(分离器 和分离器 ) 冷却系统(循环) 黄花蒿草经粉碎筛分后装入萃取器.从钢瓶出来 的CO2冷却成液态,再由高压泵压缩后进入缓冲罐, 经预热器进入萃取器,与原料黄花蒿进行接触和传 质,溶有溶质的超临界CO2经两级预热、 两级减压后 进入分离器 和分离器.从分离器 顶部出来的CO2 (约为5 MPa)经冷却系统循环使用.预热器、 萃取器 和分离器温度均由恒温水浴控制恒定温度. 1. 3 分析方法 采用HPLCUV法测定.由于青蒿素无紫外吸 收,分析前需要和酸、 碱进行衍生化反应,生成最大 吸收波长为260 nm的Q260 ,再进行HPLC分 析7.色谱分析条件为:Waters高效液相色谱仪系 统,包括Waters 510高压泵、Waters 717自动进样 器、C18反相色谱柱(4. 6 mm25 cm ,5m固定 相)、486紫 外 监 测 器;流 动 相: Na2HPO4(0. 9 mmol/ L)NaH2PO4(3. 6 mmol/ L)缓冲溶液 (V (甲醇)V(水)V(乙腈) = 454510 ,p H = 7. 76) ,体积流量:0. 5 mL/ min.进样量:10L ,检测 波长:260 nm.柱温:30.实验测得标准曲线为: A= 3. 43104c,其中:A为青蒿素的峰面积 (AU s) ,c为青蒿素质量浓度(g/ mL) ,线性相关 度R= 0. 999 6 ,相对标准偏差1. 1 %,加样回收率 98.9 %. 2 结果与讨论 2. 1 颗粒度的影响 将原料粉碎,通过分级筛,收集不同粒度的组 分进行萃取实验,结果如图1所示.可以看出,原料 粒度的大小对萃取速度和萃取率有重要影响.青蒿 素为植物细胞内产物,提取时须从胞内释放,扩散 进入超临界CO2中,传质过程受植物细胞内扩散控 制.所以原料必须适当粉碎以增加溶质分子与超临 界CO2的接触,减少固相传质阻力,但如果粉碎太 细会增加超临界CO2通过的阻力,使萃取效率下 降.实验均采用粒度为6080目(即0. 250. 18 mm)的黄花蒿原料进行实验. 萃取条件:萃取压力20 MPa ;萃取温度50;每千克原料CO2 质量流量1 kg/ h 图1 原料粉碎粒度对萃取率的影响 Fig. 1 Effect of particle size of raw material on the extraction yield 2. 2 原料含水量的影响 实验考察了原料中水的质量分数对萃取率的 影响.原料中初始水的质量分数为11. 3 % ,将原料 在50下真空干燥,使得水的质量分数分别为 6. 0 %和2. 5 %作对比实验,结果如图2所示.实验 101 第1期胡淼等:超临界CO2提取青蒿素的工艺 结果表明,在实验范围内原料中水的质量分数越高 萃取率越大.青蒿素具有极性,可能是原料中的水 起 “夹带剂” 的作用,增强了超临界CO2的极性和溶 解能力.水的质量分数对萃取选择性的影响较复 杂,当水的质量分数很低时,青蒿素的萃取率低,使 得提取物中青蒿素纯度不高;水的质量分数增加, 萃取率显著提高,萃取选择性随之增加;水的质量 分数再进一步增加,青蒿素萃取率提高,但极性杂 质的溶解度增大,导致萃取选择性反而下降.从工 业化角度考虑,原料直接进行萃取较合适. 萃取条件:萃取压力20 MPa ;萃取温度50;每千克原料CO2 质量流量1 kg/ h ,原料6080目 图2 含水量对萃取率的影响 Fig. 2 Effect of humidity of raw material on the extrac tion yield 2. 3 流速的影响 在0. 1621. 968 kg/ h范围内考察了CO2质 量流量对萃取率的影响,结果如图3所示.实验结 果表明:在相同的萃取时间下,CO2质量流量增大 萃取率增加.质量流量增加,超临界流体通过料层 的速度加快,因而与料的接触搅拌作用相对增强, 传质系数与传质面积均有增大,从而提高了传质速 率,使萃取能较快达到平衡溶解度,提高了萃取率; 同时质量流量增加使超临界溶剂在萃取柱内停留 时间相应减小,出口处流体不易达到饱和,不利于 提高萃取率,甚至会出现相同时间或相同CO2用量 下,萃取率随质量流量增大反而降低的现象.实验 选择了较为适宜的CO2质量流量:0. 294 kg/ h ,即 每千克原料1 kg/ h. 2. 4 萃取压力的影响 萃取压力是一个关键因素,对萃取率有重要影 响.实验压力范围:15. 229. 7 MPa ,结果如图4所 示.随着压力的增大,超临界CO2的密度和扩散能 力也增加,其溶解能力就提高,萃取率也就越高.在 20 MPa以后继续提高压力,萃取率变化不大.虽然 压力对流体密度的影响最为显著,且密度是影响超 临界流体溶解能力的主要因素,但不能为了提高产 量而无限制地提高压力,致使设备投资成倍增加, 所以选择压力应进行全面的经济衡算.因此,综合 考虑萃取率、 设备费用和能耗几个因素,20 MPa为 较佳的萃取压力. 萃取条件:萃取压力20 MPa ;萃取温度50;原料6080目 图3 流速对萃取率的影响 Fig. 3 Effect of flowrate on the extraction yield 萃取条件:萃取温度50;每千克原料CO2质量流量1 kg/ h; 原料6080目 图4 压力对萃取率的影响 Fig. 4 Effect of pressure on the extraction yield 2. 5 萃取温度的影响 温度是萃取过程的另一个重要参数,萃取温度 提高,分子扩散系数增大,流体粘度下降,致使流体 分子与溶质的结合几率增加,传质效率增加;但温 度升高,流体密度降低,导致超临界CO2的溶解能 力下降.温度对萃取率的影响如图5所示.可以看 出,在一定温度内 (40 60 ) , 温度升高萃取率显 著提高.升高萃取温度,有利于青蒿素的超临界 CO2萃取.但温度上升,杂质溶解度也增大,萃取选 择性下降,萃取物中杂质含量也随之升高;同时温 度过高,青蒿素还会发生热裂解等化学变化.因此, 萃取温度不宜过高,50 较为合适. 2. 6 萃取时间的影响 201 江 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版) 第5卷 随着萃取时间的延长,萃取率增加.由图5可 见,在每千克原料CO2质量流量1 kg/ h ,萃取压力 20 MPa及萃取温度50 下,萃取4 h已基本完成 (萃取率达95 %) ,再增加萃取时间,萃取率提高不 大.从工业化的角度,萃取时间4 h较为适宜. 萃取条件:萃取压力20 MPa ;每千克原料CO2质量流量1 kg/ h ,原料6080目 图5 温度对萃取率的影响 Fig. 5 Effect of temperature on the extraction yield 2. 7 分离器 的温度,压力的影响 在选定的操作条件下进行萃取,得到的萃取物 要经过二级分离.分离器 的温度压力对杂质的析 出有较大影响,从而影响分离器 收集产品的收 率.考察分离器 的温度压力变化结果如图6 所示. 对分离器 在不同温度压力下产品收率比较 可知:同一压力下,随着分离器 温度升高,产品收 率增加;同一温度下,随着分离器 压力升高,产品 收率先升后降,14 MPa时达到最高点.因此选定分 离器 的温度为60,压力为14 MPa时产品收率 最高. 萃取条件:萃取压力20 MPa ;萃取温度50;每千克原料CO2 质量流量1 kg/ h;原料6080目 图6 分离温度对产品收率的影响 Fig. 6 Effect of separate temperature on the product yield 3 结 语 从黄花蒿草萃取青蒿素,其质量传递是受植物 细胞内部扩散控制,因此,对黄花蒿草必须进行粉 碎,粒径以6080目为宜.萃取操作条件对萃取率 有很大影响.在一定萃取温度下,萃取压力升高,萃 取率增大;在一定萃取压力下,随着萃取温度升高, 萃取率增大;CO2流速太大,萃取出流体中青蒿素 浓度远达不到饱和溶解度,浪费CO2和压缩功,而 CO2流速太小,需延长萃取时间;分离器 的温度 压力对产品收率有较大影响.实