（化工过程机械专业论文）莲心碱与叶绿素吸附分离的行为研究.pdf

中文摘要 莲心碱是天津达仁堂制药二厂正在开发的舒心降压胶囊中主要的药效成 分。本文以氧化硅型改性多孔微粉( t d 0 2 1 ) 作吸附剂，就吸附分离技术对莲 心碱提纯和叶绿素去除的应用进行了一系列实验研究和吸附机理探索。文中针 对莲心碱和叶绿素的特点，对莲子心醇提液的吸附分离进行正交实验。通过考 察溶液物料浓度和水醇比、p h 值、吸附时间、吸附剂用量、搅拌速度等对叶绿 素分离效果和莲心碱回收率的影响，初步确定了t d 0 2 1 对莲子心醇提液吸附的 适宜操作条件，得出影响吸附的主要因素为：溶液的物料浓度及水醇比、p h 值、 吸附时间和吸附剂用量。实验就此四个主要因素的影响分别进行了细化试验， 得出了莲心碱与叶绿素吸附分离的优化操作条件。 本文还测定了不同温度条件下t d 0 2 1 对莲子心醇提液的等温吸附曲线并 进行了吸附动力学试验，为确定吸附系统中适宜的吸附质浓度和吸附剂用量提 供了理论基础。通过对吸附动力学试验数据的数值分析和模拟得出：此吸附过 程的吸附传质速率是由颗粒内扩散控制的。 实验对不同p h 值溶液处理过的t d 0 2 1 进行了红外光谱分析并和另一种与 t d 0 2 1 元素组成基本相同的微粉t d 1 0 的红外光谱特征进行了对比，初步判断 出t d 0 2 1 中双生和连生的羟基是起主要吸附作用的有效官能团。通过对不同p h 值、水醇比条件下t d 0 2 1z e t a 电位的测定和其表面微观结构的扫描电镜分析， 初步研究了改性剂对改善t d 0 2 1 吸附特性的作用机理。 关键词：莲心碱叶绿素分离吸附动力学等温线 a b s t r a c t l m n s i n i n e1 st h ep r i m a r yp h a r m a c a lc o m p o n e n to f c a p s u l ef o rr e l a x i n gh e a r ta n d s t e p p i n gd o w nb l o o dp r e s s u r e ，w h i c hi sd e v e l o p i n gb yt h es e c o n dp h a r m a c y f a c t o r yo f t i a n j i nd a r e n t a n g i nt h i sp a p e r , t h ea b s o r b e n tc o m p o s e do fm o d i f i e ds i l i c o no x i d e p o w d e ri sa p p l i e dt or e m o v ec h l o r o p h y l lf r o mt h el o t u sa l c o h o l i cl i q u o ri no r d e rt o r e s e a r c ht h ea d s o r p t i o nm e c h a n i c s t h eo r t h o g o n a ls e p a r a t i o ne x p 砸m e n t a t i o nf o u | 1 d e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i c n s i n i n ea n d c h l o r o p h y l li sd o n e f e a s i b l eo p e r a t i o n c o n d i t i o n so fs e p a r a t i n g c h l o r o p h y l lf r o ml i c n s i n i n ew i t ht d 0 21i s d e t e 缸i l i n e d t h r o u g hs t u d y i n go nt h es e p a r a t ee f f e c to fc h l o r o p h y l la n dl i c l l s i i l i n e 世i e c t e db vt l l e c o n c e n t r a t i o no fm a t e r i e la n dt h er a t eo fw a t e ro p p o s i t ee t h a n o l ，p h ，a d s o r p t i o nt i m e a d s o r b e n ta m o u n t ，m i x i n gs p e e d a n da c c o r d i n gt ot h e c o n c l u s i o n ，n l em a i nf a c t o r s w h i c ha f f e c ta d s o r p t i o na r et h ec o n c e n t r a t i o no fm a t e r i e la n dt h er a t eo f w a t e ro p p o s i t e e t h a n o l ，p h ，a d s o r p t i o nt i m e ，a d s o r b e n ta m o u n t t h em o r ea c c u r a t e o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n sa r ed r a w nt h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ef o u rm a i n f a c t o r si n d i v i d u a l l y 1 h ei s o t h e r m a l a d s o r p t i o n c u r v e sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s i sd r a w na n d a d s c r p t i o nd y n a m i c se x p e r i m e n ti sd o n e ，t h a to f f e rt h et h e o r e t i c a lb a s i so fc o n f i n n i n g t h em a t e r i a l c o n c e n t r a t i o na n da d s o r b e n ta m o u n ti n t h e a d s o r p t i o ns y s t e m t h e c o n c l u s i o no ft h e a d s o r p t i o nm a s st r a n s f e rs p e e di sc o n t r o l l e d b yp a r t i c l ei n n e r d i f f u s i o ni sd r a w nb u yt h e a d s o r p t i o nd y n a m i c sd a t aa n dc o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a n a l y s i sa n da n a l o g u e t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ea d h e s i o na n dt w i n n i n gh y d r o x y lg r o u pi st h ee f i e c t i v e a d s o 哦l o nf u n c t i o n a lg r o u pi sd r a w nb u yc o m p a r i n gt h ei n f r a r e ds p e c t r u mo ft d 0 2 1 a n dt h ei n f r a 。r e ds p e c t r u mo ft d - 10w h i c hi ss i m i l a rw i t ht d 0 2 1 t h r o u g ha s s a y i n g t h ez e t ap o t e n t i a la td i f f e r e n tp h ，d i f f e r e n tr a t eo fw a t e r o p p o s i t ee t h a n o la n da n a l y z i n g t h e8 c a n m n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ep i c t u r e ，t h ea c t i n gm e c h a n i c eo f m o d i f y i n ga g e n tt o t d 0 2li so b t a i n e d k e y w o r d s ：l i c n s i n i n e ，c h l o r o p h y , s e p a r a t i o n ，a d s o r p t i o nd y l l 锄i c s ，i s o t l l e m a lc u l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：季潋 签字日期： 。口 年。f 月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毒固已采l 导师签名： 签字日期：山的j 年。f 月够曰 签字日期：力矽r 年1 月够 日 第一章文献综述 1 1 吸附理论基础 第一章文献综述 吸附是指在一定条件下，一种物质的分子、原子或离子能自动地附着在某固体表 面上的现象；或者在任意两相之间的界面层中，某物质的浓度不同于体相浓度的现象。 我们把被吸附的物质称为吸附质：具有吸附能力的物质称为吸附剂。 圆体表面层的粒子始终受到指向内部的拉力，但因为其分子的不可流动性，就使 它不能像液体那样缩小表面积来降低表面吉布斯函数值，而是自动吸附某些物质，使 其表面张力降低，从而使表面吉布斯函数降低，所咀说，固体表面具有吸附气体或从 溶液中吸附溶质的特性。这就决定了吸附主要分为气体在固体表面上的吸附和固体自 溶液中的吸附。 1 1 1 气体在固体表面上的吸附【8 】 固体表面与液体表面一样，由于表面分子周围的力场不平衡而具有过剩的能量即 表面吉布斯函数。固体表面分子的剩余力场能对接触到固体表面的气体分子产生吸引 力，使气体分子在固体表面上发生相对聚集，其结果能减小剩余力场，降低固体的比 表面吉布斯函数，使具有较大表面的同体系统变得比较稳定。这种在一定条件下，一 种物质的分子、原子和离子能自动地富集在某种固体表面的现象称为气体在固体表面 上的吸附作用。 1 1 2 固体自溶液中的吸附 液相吸附比气相吸附要复杂的多，电解质和非电解质的吸附机理都不相同。除了 温度、浓度外吸附剂和溶剂都会影响吸附等温线的形状。非电解质的溶液可以近似 地采用气相吸附的方法处理，但是溶剂的作用是复杂的，电解质溶液可以看作电荷的 交换或当作离子交换剂的离子的交换，以活性嵌吸附剂为例，吸附质的溶解度和解离 度的大小对吸附也有影响，通常溶解度和解离度小对吸附有利。例如脂肪酸、氨基酸、 酚等有机化合物，加入盐类使p h 值改变，因而溶解度和解离度都减小，有利于吸附。 溶液的酸性、中性、碱性大小对吸附度有定的影响。砂糖为非电解质，p h 值变化 对吸附性能影响小大。带正电荷的物质如迎春红染料，碱性溶液有利于吸附，带负电 荷的物质如碱性蓝染料，酸性溶液对吸附有促进作用。胶体物质、天然色素为两性物 质，溶液的p h 值，即酸性、碱性都会产成影响，以在等电点附近的吸附效果最好。 质，溶液的p h 值，即酸性、碱性都会产成影响，以在等电点附近的吸附效果最好。 第一章文献综述 1 1 3 吸附机理和吸附速率问 1 1 3 1 吸附机理 1 、吸附质被吸附剂吸附的过程可分为三步： 、外扩散：吸附质从流体主体通过扩散( 分子扩散与对流扩散) 传递到吸附剂颗 粒的外表面。因为流体与固体接触时，在紧贴固体表面处有一层滞流膜，所以这一步 的速率主要取决于吸附质以分子扩散通过这一滞流膜的传递速率。 、内扩散：吸附质从吸附剂颗粒的外表面通过颗粒上微孔扩散进入颗粒内部， 到达颗粒的内部表面。 、吸附：吸附质被吸附剂吸附在内表面上。 2 、吸附机理的分类： 对于物理吸附，第三步通常是瞬间完成的，所以吸附过程的速率通常由前二步决 定，据内、外扩散速率的相对大小分为：外扩散控制、内扩散控制和内外扩散联合控 制三种。 1 1 3 2 吸附速率 当含有吸附质的流体与吸附剂接触时，吸附质将被吸附剂吸附，吸附质在单位时 间内被吸附的量称为吸附速率。吸附速率是吸附过程设计与生产操作的重要参量。吸 附速率与体系性质( 吸附剂、吸附质及其混合物的物理化学性质) 、操作条件( 温度、压 力、两相接触状况) 以及两相组成等因素有关。 对于一定体系，在一定的操作条件下，两相接触、吸附质被吸附剂吸附的过程如 下： ( 1 ) 开始时，吸附质在流体相中浓度较高，在吸附剂上的含量较低，远离平衡状 态，传质推动力大，故吸附速率高。 ( 2 ) 过程中期，随着过程的进行，流体相中吸附质浓度降低，吸附剂上吸附质含 量增高，传质推动力降低吸附速率逐渐下降。 ( 3 ) 末期平衡时，经过很长时间，吸附质在两相间接近平衡，吸附速率趋近于零。 吸附过程为非稳态过程，其吸附速率可以表示为吸附剂上吸附质的含量、流体相中吸 附质的浓度、接触状况和时间等的函数。 1 1 3 3 吸附的传质速率方程 根据上述机理，对于某一瞬间，按拟稳态处理，吸附速率可分别用外扩散、内扩 散或总传质速率方程表示。 1 ) 外扩散传质速率方程： 吸附质从流体主体扩散到固体吸附剂外表面的传质速率方程为 第一章文献综述 历o q = k 口f ( c c ，) ( 1 1 ) 式中g 一吸附剂上吸附质的含量，埏吸附质k g 吸附剂； 0 一时间，s ； 熹一每千克吸附剂的吸附速率，k g s k g ； d 口f 一吸附剂的比表面积，m 2 & g ； c 一流体相中吸附质的平均浓度，k g m 3 ； c f 一吸附剂外表面上流体相中吸附质的浓度，k g m 3 ； k 一流体相侧的传质系数，m s 。 k f 与流体物性，颗粒几何形状，两相接触的流动状况以及温度、压力等操作条 件有关。有些关联式可供使用，具体可参阅有关专著。 2 ) 内扩散传质速率方程： 内扩散过程l l 夕i , 扩散过程要复杂得多。按照内扩散机理进行内扩散计算非常困 难，把内扩散过程简单地处理成从外表面向颗粒内的传质过程，内扩散传质速率方程 为 历o q = 尼。口f ( g j g ) ( 1 - 2 ) 式中尼。一吸附剂固相侧的传质系数，k g s m ； q 。一吸附剂外表面上的吸附质含量，k g k g ，此处g ，与吸附质在流体相中的浓度 c 呈平衡； g 一吸附剂上吸附质的平均含量，k g k g 。 七，一与吸附剂的微孔结构性质、吸附质的物性以及吸附过程持续时间等多种因素 有关。k 。值由实验测定。 3 ) 总传质速率方程： 由于吸附剂外表面处的浓度e 与g ，无法测定，因此通常按拟稳态处理，将吸附 速率用总传质方程表示为： 第一章文献综述 骞嗨( c c + ) = k , a f ( q + - - q ) ( 1 - 3 ) 式中c + 一与吸附质含量为g 的吸附剂呈平衡的流体中吸附质的浓度，k g m 3 ； g + 一与吸附质浓度为c 的流体呈平衡的吸附剂占吸附质的含量，k g k g ； k f 一以a c = c - c + 表示推动力的总传质系数，m s ； k ，一以a q = q + - q 表示推动力的总传质系数， k g s m 2 。 对于稳态传质过程，存在 骞= 砟口f ( c c + ) = k s a v ( q + - q ) = k f a e ( c c ，) = k s a f q ，一g ) ( 1 - 4 ) 如果在操作的浓度范围内吸附平衡为直线， 即： q = m c ， ( 1 - 5 ) 则根据式( 1 - 4 ) 和( 1 - 5 ) 整理可得： 一1 ：土+ 上( 1 - 6 a )一= ：一一 k fk fm k s 一1 ：土+ 土 ( 1 6 b ) k sk fk s 、1 式( 1 6 ) 表示吸附过程的总传质阻力为外扩散阻力与内扩散阻力之和。 若内扩散很快，过程为外扩散控制，q i 接近g ，则k f = k f 。若外扩散很快，过 程为内扩散控制，c 接近于c j 则k s k s 。 1 1 4 吸附平衡1 1 1 1 4 1 吸附平衡及其影响因素 在一定温度和压力下，当流体( 气体或液体) 与固体吸附剂经长时间充分接触后， 吸附质在流体相和固体相中的浓度达到平衡状态，称为吸附平衡。吸附平衡关系决定 了吸附过程的方向和极限，是吸附过程的基本依据。若流体中吸附质浓度高于平衡浓 度，则吸附质将被吸附，若流体中吸附质浓度低于平衡浓度，则吸附质将被脱吸，最 终达吸附平衡，过程停止。单位质量吸附剂的平衡吸附量受到许多因素的影响，如吸 附剂的物理结构( 尤其是表面结构) 和化学组成，吸附质在流体相中的浓度，操作温度 等。 第一章文献综述 1 1 4 2 吸附等温线 1 、吸附平衡关系表示方法，通常用等温下单位质量吸附剂的吸附容量g ；流体 相中吸附质的分压p ( 或浓度c ) 间的关系q = 厂0 ) 表示，称为吸附等温线。由于吸附 剂和吸附质分子间作用力的不同，形成了不同形状的吸附等温线。 2 、以g 对相对压力。作图( p 。为该温度下吸附质的饱和蒸汽压) ，所得曲线为 等温线。 图1 1b r u n s u c r 的五类吸附等温线 f i g 1 - 1f i v ek i n d s o fi s o t h e r m a lc t l l w e so f b r u n s u c r 3 、b r u n s u c r 等将典型的吸附等温线归纳成五类，其中i 、i i 、型对吸附量坐 标方向凸出的吸附等温线，称为优惠等温线，它有利于吸附的完全分离，因为当吸附 质的分压很低时，吸附剂的吸附量仍保持在较高水平，从而保证大量吸附质的脱除。 i 、v 型曲线在开始一段曲线向吸附量坐标方向下凹，属非优惠吸附等温线。 4 、经验方程：吸附作用是固体表面力作用的结果，但这种表面力的性质至今未 被充分了解。为了说明吸附作用，许多学者提出了多种假设或理论，但只能解释有限 的吸附现象，可靠的吸附等温线只能依靠实验测定。至今，尚未得到一个通用的半经 验方程。下面介绍几种常用的经验方程。 f 1 ) l a n g r n u i r 方程 a ) 朗格缪尔吸附模型假定条件为： 吸附是单分子层的，即一个吸附位置只吸附一个分子； 被吸附分子之间没有相互作用力； 第一章文献综述 吸附剂表面是均匀的。 上述假定条件下的吸附称为理想吸附。 b ) l a n g m u i r 吸附等温线方程： g ：竺丛( 1 7 )1 1 + k i p 、 。 式( 1 7 ) 称为朗格缪尔吸附等温线方程。 式中g 。一吸附剂的最大吸附量； q 一实际吸附量， p 一吸附质在气体混合物中的分压； k ，一朗格缪尔常数。 c 1l a n g m u i r 方程的应用：计算吸附剂的比表面积 式( 1 1 ) 还可写成： 旦：旦i l _f1-8)-i-一= i gg 。尼l g 。 如以旦为纵坐标，p 为横坐标作图，可得一直线，从该直线斜率土可以求出 gg 胂 形成单分子层的吸附量，进而可计算吸附剂的比表面积。 d ) 朗格缪尔方程适用范围：仅适用于i 型等温线，如用活性炭吸附n 2 ，心，c h 4 等 气体。 ( 2 ) b e t 方程( b r u n a u e r 、e m m e t t 、t e l l e r ) a ) b e t 模型假定条件 吸附剂表面上可扩展到多分子层吸附； 被吸附组分之间无相互作用力，而吸附层之间的分子力为范德华力； 吸附剂表面均匀； 第一层的吸附热为物理吸附热，第二层以上为液化热； 总吸附量为各层吸附量的总和； 每一层都符合l a n g m u i r 公式。 b ) b e t 模型方程 在以上假设的基础上推导出b e t 二参数方程为 第一章文献综述 g 2 再阿p o 习 m 9 ) q m 一第一层单分子层的饱和吸附量； p 。一吸附温度下吸附质气体的饱和蒸汽压； k 。一与吸附热有关的常数。 c ) b e t 模型方程的适用范围 式( 1 - 9 ) 的适用范围为告p 2 0 0 5 o 3 5 ， mb e t 模型方程与l a n g m u i r 方程的联系 b e t 吸附模型是在l a n g m u i r 模型基础上建立起来的。l a n g m u i r 模型的前提条件 层吸附：若吸附质的平衡分压远小于其饱和蒸汽压，即p 远远小于p 。则： - 令k i = 冬p 则式( 1 1 。) 即为l a n g m u i r 方程，所以b e t 方程是广泛的l a i l g m u i r 方 程可适用于i 、i i 、i 型等温线。 ( 3 ) f r e u n d l i c h 方程 a ) 表达式为： q = k l p ” ( 1 - 1 1 ) 式中k ，一与吸附剂的种类、特性、温度等有关的常数 托一与温度有关的常数，且n l 。k ，和，z 都由实验测定。 堕哪 旦 第一章文献综述 b 1 参数的计算： 将式( 1 11 ) 两边取对数得 l g q = - l g p + l g k l ( 1 1 2 ) 在对数坐标系中，以g 为纵坐标，p 为横坐标作图可得一直线，该直线截距为k ， 斜率为。若。o 1 o 5 之间，表示吸附容易进行，超过2 时，则表示吸附很难 进行。式( 1 1 2 ) 在中压部分与实验数据符合得很好，但在低压和高压部分则有较大偏 差。对液相吸附，式( 1 1 2 ) 常能给出较满意的结果。 1 1 4 3 液相吸附平衡【2 】 1 、溶剂的种类对吸附平衡的影响： 液相吸附的机理比气相吸附复杂，对于同种吸附剂，溶剂的种类对溶质的吸附亦 有影响。因为吸附质在溶剂中的溶解度不同，吸附质在不同溶剂中的分子大小不同以 及溶剂本身的吸附对吸附质的吸附都有影响。一般说溶质被吸附量随温度升高而降 低，溶质的溶解度越大，被吸附量亦越大。 2 、溶质的相对吸附量或表观吸附量： 液相吸附时，溶质和溶剂都可能被吸附。因为总吸附量难以测量，所以只能以溶 质的相对吸附量或表观吸附量来表示。用已知质量的吸附剂来处理己知体积的溶液， 以v 表示单位质量吸附剂处理的溶液体积，由于溶质优先被吸附，溶液中溶质浓度由 初始值c 。降到平衡浓度c + ，若忽略溶液体积变化，则溶质的表观吸附量为 v ( c 。一c + ) 埏。对于稀溶液，溶剂被吸附的分数很小，用这种方法表示吸附量是可行 的。 3 、液相吸附平衡的表示： 对于稀溶液，在较小温度范围内，吸附等温线可用f r e u n d l i c h 经验方程式表示： c + = 七卜( c o c + 劳或q = 勋 ( 1 1 3 ) 式中七和挖为体系的特性常数。以c + 为纵坐标，v ( c 。一c + ) 为横坐标，在双对数坐标 上作图，式( 1 8 ) 表示斜率为二，截距为k 的一条直线。应用f r e u n d l i c h 式须有适宜的 浓度范围3 1 。 l a n g u m i r 等温式用于液相吸附平衡可用下式表示： g ：筹或一c ：去+ ( 1 - 1 4 ) g2 蒜或i 2 而+ 7 第一章文献综述 式中q + 为饱和吸附量，b 为常数，c 为平衡浓度。 1 1 5 红外光谱分析 用红外光照射试样分子，引起分子中振动能级的跃迁所测得的吸收光谱为红外吸 收光谱，简称红外光谱。红外光谱是以波长入或波数o 为横坐标，表示吸收峰的峰位； 以透射比t ( 以百分数表示) 为纵坐标，表示吸收强度。 所有的有机化合物都有其特征的红外光谱。根据红外吸收曲线吸收峰的位置、强 度以及形状可以判断化合物中是否存在某些官能团，并进而推断未知物结构。对于复 杂的分子结构的测定，还需结合紫外、核磁、质谱以及其他的理化数据综合分析。 1 1 6 双电层和毛电位【1 0 j 实验得知，多数天然颗粒或人工颗粒的表面均带有净电荷，一般为负电荷( 如各 种矿务和粘土) ，但有的颗粒( 如污水中的颗粒带正电荷) 。固体颗粒上的净电荷通过 电泳现象得到证明。 ( 一) 双电层 ma c 图1 - 2 双电层示意图图1 3 双电层异电离子分布示意图 f i g 1 - 2t h es k e t c ho fd o u b l ee l e c t r i cl a y e r f i g 1 - 3t h es k e t c ho fd o u b l el a y e ro p p o s i t ei o nd i s t r i b u t e 固体与液体接触时，二者之间有电位产生。固体表面带一种电荷，液体带电性相 第一章文献综述 反的电荷。这种现象称为双电层。双电层的产生理论上有以下几种解释： 1 固体与液体接触后，固体表面的分子起电离作用，遣送一种离子到液体中去， 因为这种损失而带电荷，液体则带相反的电荷。 2 液体中的一种离子被吸附到固体表面，使固体带电荷，液体因失去这种离子 而带相反的电荷。例如，a s 2 s 3 悬浮系统中，a s 2 s 3 颗粒吸附液相中的h s 一离子后带负 电荷，液相中h + 过剩而带正电荷。 3 固体表面吸附一些液体分子，这些分子发生电离，遣送一种离子返回液体， 产生双电层。 依照盖姆荷茨( h e l m h o l t z ) 理论，若无热运动，则双电层的构造与简单的电容 器十分相似，如图1 2 所示，一层在固体表面，另一层在液体中，两层之间的距离6 约与离子的大小相等。这种双电子层的电位即为固体与液体间的电位e 。实际上，由 于热运动的缘故，液相中的异电离子不是整齐排列在与固体表面等距离的面上，其中 一部分离子向溶液中扩散，形成离子浓度的分布如图1 3 所示。若固体表面带净负电 荷，则越靠近固体表面，液体中正离子的浓度就越高，液相中正离子浓度将随着与界 面距离加大逐渐衰减，直到距固体表面距离为d 时，过剩的正离子浓度为零，即处于 分散介质 一+ v 一 、 0 一 - ：_ 心一 ， = 、 ：j 一j 冠电荷颗粒 二 乡 ： = ：17 ：岁 7 ：y ， +一 么再 刀 l 势7 | t 图1 4 净负电荷球形颗粒的双电层模型 f i g 1 - 4t h ed o u b l ee l e c t r i cl a y e rm o d e lo fs p h e r i c a lp a r t i c l ew i t hn e g a t i v ec h a r g e 正负离子浓度相等。在截面到d 的距离范围内，正离子过剩。距离d 的大小随着热运 第一章文献综述 动的强弱而变 ( 二)电位 当固体对液体作相对运动时，可将双电层分为两部分，第一部分紧靠固体表面、 随颗粒一起运动的液层( 即图1 3 中a b 面到固体之间的液层) 称为吸附层。吸附 层的厚度约等于离子大小，a b 面为滑动面。第二部分即图1 3 从a b 面到c d 面之间的液层，这部分液体不能随颗粒运动，称为流动层或扩散层。距固体表面不同 距离的电位如图1 3 中的曲线所示。在c d 液层处，电位为零。固体表面m n 的电位 与c d 处电位差最大，称为总电位e 。而滑动面a b 的电位与c d 处的电位差，称为 毛电位。因为a b 面为滑动面，所以毛电位又称为电动电位。 斯特恩( s t e m ) 提出净负电荷球形粒子扩散双电层模型( 图1 4 ) ，负电荷被正 电荷包围形成双电层。图上的能斯特( n e m s t ) 电位即总电位e ，粒子表面与滑动面 ( 剪切面) 之间的液层称为斯特恩层( 相对应吸附层) ，电位存在于剪切面与分散 介质之间。电位的大小可以测定，且随悬浮液中电解质的浓度而变。 1 2 吸附分离技术在中药行业中的应用 在我国制药行业中，随着中药向国际市场的进军，对中药有效成分的纯度要求越 来越高，而且尽可能地降低无效或有害成分的含量，这在中药现代化过程中是个重要 的研究内容。近期的目标应该是把有效成分提取出来，把无效的成分分离出去，再根 据提取物有效成分的含量制成符合标准的新剂型。但是，中草药成分复杂，提取分离 技术实际上是一个世界性的难题【4 3 1 。近年来的初步研究证明，吸附在大多数情况下是 有效的。这是因为吸附剂类型比较多，对各种中草药成分有很好的适应性和吸附选择 性，可以使提取工艺变得简单，生产成本较低。 中国科学院化工冶金研究所，生化工程国家重点实验室的赵东旭、王云山、查丽 杭、苏志国等人j 利用树脂对麻黄碱进行了吸附分离。研究了强酸型阳离子交换树脂 对盐酸麻黄碱的交换吸附与脱吸作用发现在弱碱和酸性溶液中树脂对盐酸麻黄碱的 亲和力很强，强碱性环境则不利于同树脂的亲和；用2 0m o l l 的n a o h 或2 0 m o l l 的 h c l 作为脱吸液时的脱吸效果优于2 0m o l l 的n a o h 溶液的脱吸液效果；温度对脱 吸的影响不是很大，在室温条件下即可得到较好的脱吸效果；选用了有机溶剂乙醇、 乙二醇、乙睛和四氨呋喃作为脱吸增强剂，以乙醇较为合适，且其浓度在1 5 左右时 较好；在给定离子交换柱中的脱吸情况，用含2 0 m o l l 的h c l 的1 5 乙醇洗脱时， 回收率为9 1 。 清开灵制剂中含有人工牛黄和水牛角，其中分别含有未除尽且可能致敏的淀粉和 蛋白质；丹参注射液中的大量鞣酸作为半抗原可引起机体变态反应。鞣酸进入静脉、 第一章文献综述 回流入心脏后与心肌细胞结合，可引起心律失常，诱发并加重心力衰竭而致死。因此， 必须除去中药制剂中的鞣酸以及蛋白质等杂质。马勇、王恩德、邵悦【4 5 】根据膨润土可 以吸附阳离子，壳聚糖在酸性溶液中带有正电荷的特性，先将壳聚糖负载在膨润土上， 制成固体吸附剂，然后再应用于中药液，既可以除去鞣酸，还可以除去蛋白质。试验 结果表明：膨润土负载壳聚糖对鞣酸的吸附作用迅速、明显，可以脱除中药注射液中 的鞣酸。对于含有o 5 的鞣酸溶液，脱吸率可达到5 0 。利用膨润土负载壳聚糖吸 附鞣酸，操作简便、易行，壳聚糖使用量小。按丹参注射液计，仅需要1 0 的壳聚 糖；按丹参水煎液计，仅需0 0 5 0 1 的壳聚糖。 苦豆子是我国西北地区常见的中药材，资源十分丰富。有效成分生物碱含量相当 高。生物碱具有广泛而显著的生物活性，其独特的抗癌、免疫调节作用己为医药界所 瞩目。但该生物碱的提取分离技术尚不太成熟。天津大学的秦学功、元英进m 】用大孔 吸附树脂提取苦豆子中的生物碱，通过对不同类型的树脂、溶液p h 值、n a c l 浓度、 不同的乙醇一水配比等影响因素的考察得出最佳操作条件为：树脂筛选用d f 0 1 非极 性树脂，在室温、吸附液p h 为1 0 ，n a c l 浓度为1 0m o l l ，吸附流速为5 b v h 条件 下，对于苦豆子浸出液中总生物碱的吸附量可达到1 7 m g m l 以上。在室温、5 b v h 的 脱吸流速下，以p h 为3 0 ，8 0 ：2 0 的乙醇一水为解吸液，可使解吸率达到9 6 以上。 而且，该树脂对于本体系中的生物碱具有吸附快、脱吸易( 小于4 倍树脂体积的脱附液 即可获得满意的解吸率) 、流体流动性能好，树脂寿命长，对环境、产品无污染等独特 优势，有利于规模化生产。 1 3 靶点吸附技术简介 吸附剂表面常具有某些活性基团，这些基团使吸附剂具有表面活性、吸附性。当 吸附剂与溶液中某种成分结合时，会使吸附剂表面能降低，形成比较稳定的结合物， 因此可以使分散在溶液中的微小物质被吸附凝聚，从而简化并改善后续的分离过程。 所谓靶点吸附，就是针对被分离物系分子特殊官能基团之间的差异，对微细多孔 结构粉体进行表面改性，从而获得具有相当大比表面积和高选择性的特殊吸附剂。相 对于与其他物质的结合，吸附剂与含有对应官能基团物质结合后的表面能很低，从而 可在多种物质的混合物系中，将含有此种基团的物质有选择地吸附出来。此种基团称 之为靶点。 目前提纯分离多采用萃取法、醇沉法和膜分离等技术。萃取法和醇沉法溶剂消耗 量大、并且会引入杂质。膜分离技术不适于有效成分和杂质分子量差别不大的物系分 离。靶点吸附膜分离技术不受分子量差别大小的限制，在分子量相近的情况下仍能很 好的进行分离。 第一章文献综述 对于特定混合物系而言，影响靶点吸附效果的主要因素有：吸附剂的种类、吸附 剂用量、溶液p h 值、剪切流速、操作温度、吸附时间，物系中物质浓度等。 靶点吸附技术是一个新的研究领域，它解决了分子量相差不大的混合物系中的物 质分离问题。它替代了以前复杂、耗能的分离方法，使生产工艺得以大大简化，节约 了能源，在能源短缺的今天，将会有光明的前景。 1 4 莲心碱与叶绿素分离的应用研究 1 4 1 概述 本课题为天津达仁堂制药二厂的“舒心降压胶囊 的研制提供技术支持。“舒心 降压胶囊”为单方制剂，其原料药材在我国临床医学上已经应用了数千年，历代本草 文献中均有记载，为治疗高血压病的常用药。且被收载于中华人民共和国药典1 9 9 5 年版。其主要成分为莲心碱。 莲子心为睡莲科植物莲n e l u m b on u c i f e r ag a e r t n 种子中的绿色幼叶及胚根1 4 j 。文 献记载有“苦、寒、清心安神、交通心肾、涩精止血”之功能。莲心碱( l i c n s i n i n el i e ) 系从莲子心中提取的一种双苄基四氢异喹啉类生物碱，分子量在6 0 0 道尔顿。研究表 明、它有降压和抗心律失常等多种作用。 1 4 2 莲心碱的提取、分离 文献报道【2 8 】，莲心碱的提取方法有离子交换树脂法、甲( 乙) 醇溶剂冷浸法及甲醇 溶剂回流法。常用方法是甲醇溶剂冷浸法。 将干燥的莲子心碾成粗粉后加适量甲醇浸泡，然后回收甲醇并将残留液用3 盐 酸调p h 到3 ；过滤酸液，将其滤液用乙醚脱脂后用浓氨水调p h 到9 以上，再用乙醚 萃取，从乙醚相可得到非水溶性总碱。 将非水溶性总碱溶于适量氯仿后过滤，其滤液用3 氢氧化钠提取酚性成分，分离碱 水层。将碱水层用1 0 硫酸调p h 到4 5 - - 5 0 ，过滤后，滤液用饱和氨水调p h 到9 以上。再用乙醚萃取，回收乙醚后得酚性总碱； 取酚性总碱适量，上硅胶柱配合薄层层析( 以标准品作对照) 检查。合并同类成分， 减压浓缩后用5 盐酸提取，分离水层、将水层用浓氨水调p h 到9 ，此时有大量絮状 沉淀析出，用乙醚萃取，并水洗乙醚至中性，减压回收乙醚，经真空干燥得白色松散 无定形粉末即为莲心碱。 第一章文献综述 1 4 3 测定莲心碱量的方法： 1 4 3 1 双波长薄层扫描法 用硅胶c c m c n a 薄层板、以氯仿、二乙胺( 9 ：1 ) 为展开剂分离、在紫外灯 下( 3 6 5 n m ，波长处) 定位，用2 2 3 n m 、3 0 0 r i m 扫描。 1 4 3 2 紫外分光光度法 以无水乙醇作溶剂，使用紫外分光光度计在2 8 2 n m 波长处测定吸光度，根据用 标准品标定过的标准曲线，便可测得莲心碱的含量。 1 4 3 3 高效液相色谱法 以二氯甲烷一异丙醇一二乙胺( 7 5 ：2 5 ：0 2 ) 为流动相，紫外检测波长2 8 2 n m 。 1 4 4 叶绿素的性质 叶绿素类中常见的色素有a 、b 、c 、d4 种【2 引。高等植物仅有叶绿素a 和b ，在高 等植物的叶绿体中，叶绿素的含量可占全部色素的2 3 ，而叶绿素a 又占叶绿素含量 的3 4 。叶绿素的分子量为9 0 0 多道尔顿，它是一种双羧酸的酯，它的一个羧基为甲 醇所酯化，另一个羧基为叶绿醇所酯化。它们不大溶于水，但能溶于乙醇、丙酮和石 油醚等有机溶剂。在颜色上，叶绿素a 呈蓝绿色，而叶绿素b 呈黄绿色，它们的分子 式如下： 叶绿素a 叶绿素b c12 h 3 0 0 n 4 m g c12 h 2 8 0 2 n 4 m g c o o c h 3 c o o c 2 0 h 3 9 c o o c h 3 c 0 0 c 2 0 h 3 9 叶绿素a 和叶绿素b 的基本结构相同，都具有一个卟啉环的“头部和一条叶醇链的 第一章文献综述 尾部，见图1 5 ，其头部的卟啉环是由4 个吡咯环和4 个甲烯基( 一c h 一) 连接而 成，在环的中央有一个镁原子与氮原子结合。镁原子偏向于带正电荷，而与其相连的 氮原子则偏向于带负电荷，因此卟啉环呈极性，是亲水的，可以和蛋白质结合。其尾 部的叶醇基( c 2 0 h 3 卜) 是由4 个异戊二烯基单位所组成的长链状碳氢化合物，以 酯链与在第吡咯环侧键上的丙酸相结合。叶醇基具有亲脂性，可以和脂类结合。叶 绿素分子的头部和尾部相互垂直，分别具有亲水性和亲脂性的特点。 c h 3 c h 3 c h 3 3 h c h 2 一c h 2 一c h 2 3 h c h 2 一c h 2 一c h 2 一s = c h c h 2 一 i c h 2 一c h 2 _ 一c h 2 _ 一c h c h 3 8 h ， 图1 5 叶绿素结构图 f i g 1 5t h e s t r u c t u r a lp a t t e r no fc h l o r o p h y l l 叶绿素卟啉环中的m g 可被旷或c u 2 + 所取代。当m g 被旷取代后，可以形成褐 色的去镁叶绿素。当铜置换了叶绿素分子中的镁，形成更稳定的去镁叶绿素，使组织 在死亡之后仍呈绿色。 叶绿素a 和叶绿素b 的吸收光谱较为接近，二者在蓝紫光( 4 3 0 4 5 0 n m ) 和红光 区( 6 4 0 6 6 0 n m ) 都有一定的吸收高峰，但叶绿素a 在红光区的吸收带偏长波方向， 在蓝紫光区的吸收则带偏短波方向。叶绿素a 和叶绿素b 对绿光的吸收都很少。叶绿 素溶液在透射光下呈绿色，而在反射光下呈红色，这种现象叫做荧光现象。叶绿素除 产生荧光外，当去掉光源后，用精密仪器还能继续测量到微弱的红光，这个现象称为 磷光现象。荧光和磷光的产生都是由于叶绿素分子吸收光能后，重新以光的形式释放 出来的能量。 根据叶绿素的吸收光谱，常用的叶绿素测定方法有分光光度计法，由于所用提取 叶绿素的溶剂不同，有丙酮法、乙醚法、二甲基亚矾法、无水乙醇法、丙酮乙醇混合 液法等方法。近来又发展了光声光谱法。 第一章文献综述 1 5 达仁堂制药二厂现有制药工艺 达仁堂制药二厂的“舒心降压胶囊 为单方制剂，其主要的药效成分就是莲心碱。 其现有的提取工艺为实验室中试阶段，还没有投入实际生产： l 、将莲子心按1 ：6 ( 质量) 的比例加9 0 的乙醇，回流醇提两个小时，将醇提 液倒出； 2 、每次加入等量的9 0 乙醇，回流醇提两个小时，将醇提液倒出，与第一次醇 提液合并，得到原料液； 3 、将得到的醇提液在真空度0 0 8 m p a ，温度为6 0 。c 的条件下按照l o ：l 的比例 浓缩，得到浓缩液； 4 、将浓缩液加酸调p h 后，离心分离后用滤纸过滤； 5 、将滤液用乙酸乙酯逆流萃取脱脂，直至乙酸乙酯不带绿色； 6 、将脱脂液加入氨水，有沉淀产生，过滤，取滤渣得到粗品； 7 、将滤液用乙酸乙酯萃取； 8 、将粗品和萃取液合并，用索式萃取提取； 9 、提取液经减压干燥，得到成品。 1 6 现有工艺存在的问题及本课题研究的意义 莲子心的醇提液里含有大量的叶绿素，而叶绿素是一种脂，如果叶绿素的含量很 大，在最后减压干燥的工序中将很难把莲心碱干燥成粉末，影响该药的药效，因此需 要去除叶绿素。 在达仁堂制药二厂现有制药工艺中，第3 5 步就是为了去处叶绿素。现有去除 叶绿素的工艺存在耗时长；有机溶剂消耗量大；操作复杂和产品质量不易控制等缺点。 因此，需要寻找其它方法来简化其现有工艺，以提高其生产效率及莲心碱的收率和叶 绿素的除去率。我们所做的工作属于这个课题的后续研究，在前一阶段的工作中，王 晓静老师、李世强等人采用膜分离技术来实现莲心碱与叶绿素的分离，结果比较理想， 在最佳状态下莲心碱的收率可以达到9 4 ，叶绿素除去率可达8 6 i 5 j 。这种膜分离方 式确实简化了工艺流程，也达到了不错的分离效果，但膜的污染比较严重，而且通过 溶剂沉析得到的叶绿素絮团也不稳定，增加了膜分离的操作负荷。本文试图通过添加 吸附剂然后再次膜分离的方式来进一步提高分离效果，于是作了下面的研究。 第二章实验原理与实验设计 2 1 实验原理 第二章实验原理与实验设计 随着科学技术的发展，吸附分离技术也得到了长足的发展，一些新型吸附剂 的推出和条件控制的日益精确，使得一些以前通过吸附分离难以实现的操作现在 可以实现。在这种条件下，我们考虑通过添加吸附剂然后过滤的方式来实现莲心 碱与叶绿素的分离。 莲心碱与叶绿素均为有机化合物，前者是一种双苄基四氢异喹啉类生物碱， 分子量为6 0 0 多道尔顿；后者是一种双羧酸的酯，分子量为9 0 0 多道尔顿【2 引。分 子量比较接近，这将