（化学工艺专业论文）膜分离黄蘑多糖的工艺研究.pdf

辽宁科技大学硕士论文 摘要 摘要 黄蘑多糖( h u a n g m op o l y s a e c h a r i d e ，h m p ) 是从黄蘑中提取的真菌多 糖，具有明显的抗癌、抗肿瘤、防辐射等活性功能，但黄蘑多糖的生产工 艺至今未见报道。膜分离技术作为一种迅速发展起来的新型分离技术，具 有常温操作、无相变、无污染、效率高等特点，已广泛引起医药界的重视。 本文用自己组装的膜装置分离出黄蘑多糖，并得到了不同分子量段的黄蘑 多糖产品。本文所做的工作对黄蘑多糖的进一步研究以及膜分离技术在医 药产业等方面的研究与应用都有一定的价值。本文主要内容如下： 第一部分，膜装置的搭建。在未知黄蘑多糖具体分子量的情况下，调 研了大部分真菌多糖的分子量范围，在此基础上选择出达到中试规模的各 级膜元件，设计组装了集微滤、超滤、纳滤于一体的膜装置。 第二部分，黄蘑多糖的浸提。通过单因素实验考察了浸提时间、温度、 液固比及提取次数等对黄蘑多糖提取率的影响，进而通过萨交试验确定出 浸提黄蘑多糖的较优工艺路线。 第三部分，黄蘑多糖的膜分离。先后考察了操作压力、运行温度及进 料质量浓度等因素对膜通量及截留率的影响，确定出了各级膜较优操作参 数。同时得到了各级黄蘑多糖产品。 第四部分，膜的清洗。针对膜材质及膜类型的不同，并根据实际膜污 染的不同阶段，制定出了不同的清洗方案，包括物理清洗和化学清洗，膜 通量恢复率较高。 第五部分，膜分离后的黄蘑多糖料液产品，经必要的醇沉、浓缩及干 燥等处理后得黄蘑多糖产品。并用体积排阻色谱( s i z e e x c l u s i o n ( ：h r o m a t o g r a p h v s e c ) 蚶备段黄蘑多糖，。品进行了分予量测试实验。 关键词：黄蘑多糖( h m p ) ，微滤( m f ) ，超滤( u m ) ，纳滤( n f ) 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t h u a n g m op o l y s a c c h a r i d e e x t r a c t e df r o m h u a n g m o i s e p i p h y t e p o l y s a c c h a r i d e h m pp o s s e s s e st h ea c t i v ef u n c t i o no fa n t i c a n c e r ，r e s t r a i n i n g t u m o u r ，r a d i a t i o np r o t e c t i o n ，a n ds oo n ，b u t ，t h ep r o c e s so fp r o d u c i n gh m p h a sn o tb e e nr e p o r t e du pt on o w t h es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fm e m b r a n ea sa n e wt y p es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e dr a p i d l y ，w h i c hh a sb e e na t t e n d e d i m p o r t a n c e i n p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y t h es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo f m e m b r a n ec a nb eo p e r a t e da tn o r m a lt e m p e r a t u r e ，a n dh a st r a i t so fn o d i s s i m i l a r i t yp h a s e ，n op o l l u t i o na n dh i g he f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r ，h m pi s s e p a r a t e db yt h em e m b r a n ee q u i p m e n ta s s e m b l e db yo u r s e l v e s ，a n dt h e p r o d u c t so fd i f f e r e n tm o l e c u l ew e i g h t so fh m pw e r eo b t a i n e d f h i sw o r ki s v a l u eo ft h ef u r t h e rs t u d yo fh m pa n dt h e r e s e a r c h i n ga n da p p l i c a t i o no f s e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fm e m b r a n ei n t h em e d i c i n ei n d u s t r y t h em a i n c o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： p a r t1 ，t h em e m b r a n ee q u i p m e n tw a ss e tu p w i t h o u tk n o w i n gt h e m o l e c u l a rw e i g h to fh m pa n dw i t hs t u d y i n gt h em o l e c u l a ro fe p i p h y t e p o l y s a c c h a r i d e si nl o t so fp a p e r s ，s e v e r a ll e v e l sm e m b r a n e sf o rp i l o tw e r e s e l e c t e d ，a n dt h em e m b r a n ee q u i p m e n t si n c l u d i n gm f , u fa n dn fw e r e d e s i g n e da n ds e tu p p a r t2 ，h m pw a se x t r a c t e d t h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t so ft i m e ， t e m p e r a t u r e ，t h er a t i oo fl i q u i d - s o l i da n dt i m e so fe x t r a c t i o nw h i c hh a v ee f f e c t o i lt h ee x t r a c t i o nr a t eo fh m p ，w a ss t u d i e d t h eb e t t e rp r o c e s sf o rh m pw a s d e t e c t e d p a r t3 ，h m pw a ss e p a r a t e db ym e m b r a n e s i nt h i ss e c t i o n ，t h ef a c t o r so f p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dm a s sc o n c e n t r a t i o nw h i c hh a v ee f f e c to np e r m e a t e f l u xa n dr e j e c t i o nr a t i oo fm e m b r a n e s ，w e r ed e t e c t e d t h eb e t t e ro p e r a t i n g p a r a m e t e r so fa l lm e m b r a n e sw e r eo p t i m i z e d a tt h es a m et i m e ，t h ep r o d u c t s o fd i f f e r e n tl e v e l sh m pw e r eg a i n e d p a r t4 ，t h em e m b r a n e sw e r ec l e a n e d o nt h eb a s eo fd i f f e r e n tm a t e r i a l s a n dt y p e so fm e m b r a n e s ，a n dd i f f e r e n tp o l l u t i o ns t a t e so fm e m b r a n e s ，t h e 望主苎垫查兰璺主鲨壅 竺! 塑璺一 d i f f e r e n tc l e a n i n gs c h e m e so fm e m b r a n e si n c l u d i n gp h y s i c a lc l e a n i n ga n d c h e m i c a lc l e a n i n gw e r ed e s i g n e d t h ec o m e b a c kr a t eo ft h em e m b r a n e sw a s h i g h p a r t5 ，t h el i q u i d p r o d u c t s o fh m ps e p a r a t e db ym e m b r a n e sw e r e p r e c i p i t a t e db ye t h a n o l ，c o n c e n t r a t e da n dd r i e d t h ep r o d u c t so fh m p w e r e o b t a i n e d t h em o l e c u l a rw e i g h t so ft h ep r o d u c t so fh m p w e r em e n s u r a t e db y s i z e e x c l u s i o nc h r o m a t o g r a p h y k e y w o r d s ：h u a n g m op o l y s a c c h a r i d e ( h m p ) ，m i c r o t l l t r a t i o n ( m f ) ， u l t r a f i l t r a t i o n ( u f ) ，n a n o f i l t r a t i o n ( n f ) i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得辽宁科技大学或其它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。 签名：垄至灞 日期：2 竺2 ：墨兰l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄垂溢导师签名：三逊日期：坦2 ：z z 2 ， 前盲 1 1 黄蘑及黄蘑多糖 1 1 i 黄蘑 第一章前言 黄蘑是真菌的一种，其学名根掘子实层上有无囊状体而称为侧耳和亚侧耳，俗 称，亡蘑或黄蘑，因其喜爱生f 秋术较寒季节，又称冻磨。黄蘑主要分布于河北、 内蒙古、占林、黑龙江等地，是著名的土特产品。黄蘑性甘、温，能祛风活络， 清热燥湿。在民间用于治疗癫痫、肝硬化腹水、风湿痛、肌肉痛和目赤痛等症。 据有关资料报道，黄蘑也是一种菌根菌。黄蘑子实体中等大小，菌盖6 - 1 2 锄，半 球形至平整，表面光滑，带白色或淡黄色至上红色，边缘内卷。菌肉白色，肥厚。 菌褶白色或稍带黄色，稠密，弯生不等长。黄蘑为野生食用菌，香气浓郁、味道 鲜美、营养丰富，被誉为口蘑中的珍品。它所含蛋白质约为其干重的3 0 一4 5 ，是 常用蔬菜的3 - 6 倍，其质量之高是其他植物蛋白无法比拟的，尤其富含人类自身 不能合成的8 种必需氨基酸。黄蘑中还含有丰富的真菌多糖、多种维生紊、众多 的矿物质和微最元素及其它一些生理活性物质。故为真菌的营养价值已达植物性 食品的顶峰”- 2 1 。 1 1 2 黄蘑多糖活性功能 黄蘑多糖是从黄蘑中提取出来的真菌多糖，具有疏风活络、强筋壮骨的效用， 具有明显的抗癌、抗肿瘤、防辐射等活性功能【2 。1 。黄蘑多糖提取物作为一种生物 调节剂，有可能成为种抗肿瘤的新药。黄蘑多糖提取物的成分复杂，其确切的 增强免疫功能的药理学机制有待于进一步的研究和探讨。 前言 1 2 多糖的分离现状 1 2 1 沉淀法 1 2 1 1 分级沉淀法 不同多糖在不同浓度的低级醇或酮中具有不同溶解度，按比例大小由小到大 加入这些醇或酮( 常用甲醇、乙醇和丙酮) 分部沉淀。适宜于分离各种溶解度相 差较大的多糖。王卫国1 4 1 等刈香菇水提物用甲醇分级纯化得到3 种多糖。 1 2 1 2 季铵盐沉淀法 酸性多糖能与季铵赫形成不溶性化合物，可分离酸性及中性多糖。常用的季 铵特是卜六烷基一甲基溴化铵( c t a b ) 及其减( c t a o h ) 和十六烷基吡啶( c p c ) 。 黄民权5 1 等研究了铁皮石斛多糖的十六烷基三甲基澳化铵( c t a b ) 络合精制。此 外还有盐析法及金属络合物法。 1 2 2 柱层析法 1 2 2 1 凝胶柱层析法 常用的凝胶有葡萄糖凝胶( s e p h a d e x ) 和琼脂糖凝胶( s e p h a r o s e ) ，以不同浓 度的盐溶液和缓冲溶液作为洗脱剂，从而使不同大小的多糖分子得到分离纯化， 但不适宜粘多糖的分离。一般生物提取物得以分离多用s e p h a r o s e 、 d e a e t o y o p e a r l 、s e p h a c r y l 、s e d p h a d e x 精制得到各种多糖。张晓静1 6 1 等介绍了灵 芝多糖、白术多糖、山药多糖等的凝胶柱层析精制分离纯化。 1 222 纤维素阴离子交换剂柱层析法 常用的交换剂为d e a e 纤维索和e c t e o l a 纤维素，分类硼砂型和碱型两种， 洗脱可用不同浓度碱溶液、硼砂溶液、盐溶液，其优点可吸附杂质、纯化多糖， 并适用于分离各种酸性、中性多糖和粘多糖。赵国华 7 1 等研究了百合多糖的纯化分 辽宁科技大学硕士论x前言 禺。 1 2 3 超滤法 超滤法提取、纯化多糖具有简单、回收率高、产品纯度高等特点。超滤除了 脱盐、分离、纯化等作用外，还同时具有浓缩功能，是纯化多糖的一种较理想的 方法。目前这种方法在国外应用较多，近几年也在国内得到了部分的应用，特别 是用于某些需要保持生物活性多糖的分离、纯化中【引。 1 2 4 其他方法 7 0 年代发展起柬的亲和色谱技术是多糖分离纯化的主要方法之一，酶法和超 离心法在多糖分离和纯化中也十分有效。此外还有透析、区带电泳等方法( 9 】。 f 3 黄蘑多糖的分离现状 叶红 1 0 】等介绍了关于黄蘑多糖的分离纯化，该文中介绍：黄蘑先于7 0 通风 干燥2 4 小时，用w i l l e y 型粉碎器研磨，过l 毫米网筛，并制成冻干粉，用8 5 乙 醇对黄蘑粉进行预处理以去掉低分子量物质，后依次用水( 1 0 0 ) 、草酸铵( 9 8 ) 和氢氧化钠( 3 0 ) 提取黄蘑多糖，所得水溶性黄蘑多糖用t o y o p e a r lh w 6 5 f 做凝胶过滤，用d e a e - 纤维素( c 1 ) 做离子交换层析，用c o n a a f f o r m y l t o y o p e a r l 6 5 0 m 进行亲和层析，对于水1 溶性多糖，则采用p h 调定含水甲醇沉淀，再用 t o y o p e a r l h w 6 5 f 进行凝胶过滤，经过以上处理得到了若干黄蘑多糖产品。除了叶 红等报道的关于从黄蘑中提取的黄蘑多糖韵分离等的研究以及黄蘑多糖的结构等 的研究之外，目前未见其他报道。 1 4 多糖的膜分离现状 近年来，随着对多糖等生物大分子物质研究和应用的不断深入，糖类作为支 持组织和能量来源的传统观念已被突破，多糖在抗肿瘤、抗炎、抗病毒、降血糖、 抗衰老、抗凝血及调节免疫等方面部发挥着重要的生物活性作用 1 1 - 1 3 1 。膜分离技 术山了其具有常温操作、无桐交、设率高等特点，已广泛应用到多糖的研究中。 叶跷i ”1 等，l j 微滤、超滤及纳滤对姬松茸、枸杞多糖、茶树菇多糖及狄树花多 辽宁科技大学硕士论文 前言 糖进行了分级纯化研究，结果显1 i 二膜联用町对分子黾宽分缸多糖进行有效分级， 且分离效果主要受多糖本身分子量分布和膜组件的截留分子最影响。左勇【l 习等对 超滤浓缩银耳多糖进行了研究，表明超滤浓缩方法较传统的浓缩方法产率提高 2 2 4 。李亚娜等用超滤技术对羊栖菜粗多糖浸提液浓缩纯化，结果显示，灰分 脱除率达至i j 7 9 8 5 ，脱盐率大于9 8 9 ，脱色率达n i j 9 1 ，多糖的截留率达到了 9 09 6 ，多糖制品的纯度达到了8 6 4 。吴建中【l7 】等采用超滤技术对南瓜多糖进行 了提纯浓缩，结果显示南瓜多糖截留率达到9 4 5 ，脱色率达到6 8 6 ，还原糖脱 除率达至1 j 8 2 9 。范云鹏【】8 】等用超滤法对香菇多糖进行了分离、纯化研究，所得香 菇多糖的相对纯度达到8 0 4 ，在超滤过程中加入渗滤操作后，产品纯度提高了 8 1 。陈正行1 1 叫做了用膜分离技术提取米糠脂多糖的研究，结果表明，经超滤后， 米糠脂多糖提取液中蛋白和杂质含量分别降低8 5 5 , d 8 9 6 0 2 0 ，采用彳i 加水循环纳 滤的方式，浓缩倍数可达8 倍，同时米糠脂多糖浓缩液中8 7 4 的无机盐可除去。 孙玲新i - 2 0 l 等介绍了在低聚糖的分离与精制中通常采用高效液相色谱法( h p l c ) ， 但是h p l c 法处理量小耗资大，稀释倍数高，后续浓缩过程能耗高，而采用纳滤膜 技术来处理可以达到h p l c 法同样的效果，甚至在很高的浓度区域实现三糖以上的 低聚糖同葡萄糖、蔗糖的分离和精制，而且可大大降低操作成本。 1 5 黄蘑多糖的膜分离及其意义 由于活性多糖产品所具有的丰富的内涵及其“天然、营养、保健”食品的营 销理念，使其产品具自巨人的丌发潜力。活性多糖已成为天然药物学和保健食品 学的研究热点，它既是寻找天然无毒副作用约物的有效途径，也是保健食品功能 因子的研究项目之一。国内外大量研究资料表明，多糖类化合物不仅是一种非特 异性免疫调节剂( 增强剂) ，它能激活免疫细胞，提高机体的免疫功能，而对i f 常 细胞没有毒副作用，还具有抗病毒、抗肿瘤、抗衰老、抗凝血、抗炎、降血糖、 降血压等多种生理活性川。作为一种大型食用( 药用) 真菌活性多糖，黄蘑多糖 具有一般多糖的多种生物活性功能。 目前多糖提取方法主要采用传统酒精沉淀法提取，此法提取的多糖粗液通常 是混合物、多分散性。研究表明多糖的药理活性与其分予量和多级结构有着密刎 的关系，因此剥其进行分级纯化是非常必要的。膜分离技术具有过程简单、无相 变、分离系数大、节能、商效、7 己二次污染。可在常温下连续操作、可直接放大、 。j 专配膜等优点，在生物活性物质分离中可以防止杂菌污染和热敏性物质失活 等特点，在多糖分离中的应用研究越来越受到重视。 辽宁科技大学硕士论文 前言 本课题中选择用达到中试规模的膜分离技术对黄蘑多糖进行提取、分离、分 级、纯化等研究，无论从黄蘑多糖等应用研究来说，还是从现代化膜分离技术在 医药生产等产业方面的研究与应用都具有一定的实际价值及意义。 1 6 本课题的研究内容 黄蘑作为一种种植面积广泛的大型食用( 药用) 真菌，其开发前景十分广阔， 但关于黄蘑多糖的浸提、分离、分级、纯化等工艺的研究报道很少，这主要是由 f 黄蘑多糖的结构直没有统一的定论，给工艺研究带来巨大的困难。黄蘑多糖 的提取、分离、纯化工艺和其结构分析二者相辅相成，研究出优秀的提取分离纯 化工艺，也能推进黄蘑多糖结构分析等研究工作的开展。 本文先用热水浸提黄蘑中的粗多糖，后经纱布粗过滤，再应用自己组装的集 微滤、超滤、纳滤与一体的膜装置对其进行处理，实现了黄蘑多糖纯化、分离、 分级及浓缩，得到了不同分子量区间的黄蘑多糖产品，黄蘑多糖的膜分离尚无报 道。实验中的各级膜均达到了中试规模，对于膜分离投术用于天然药物等的规模 化生产有一定借鉴意义。 本课题研究的研究内容具体主要包括如下几个方面： i 集微滤、超滤、纳滤于一体的膜分离装置的设计、组装及调试等； 2 黄蘑多糖的提取工艺的研究： 3 黄蘑多糖的膜分离、分级、纯化等： 艺的研究； 4 经膜分级纯化后黄蘑多糖的排阻色谱鉴定、分析。 本文研究了用膜分离技术对黄蘑多糖进行提取、分离、分级、纯化等的工艺， 对黄蘑多糖的药用、药理等基础研究有定的价值，且对黄蘑多糖的规模化生产 及应用具有一定的参考价值。 辽宁科技大学硕士论文基本理论 2 1 多糖的结构 第二章基本理论 糖类是生物大分子，具有十分复杂的结构。图2 1 列举了寡糖p - d 纤维二糖( a ) 和b d 龙胆二糖( b ) 的结构口2 1 。 文斑s 渊 o h0 ， ”“ 、硼 图2 i 寡糖的结构 f i 9 21 s t r u c t u r eo f o l i g o s a c c h a r i d e s 糖的结构分类沿用了对蛋白质和核酸的分析方法，单糖是糖类的组成单元， 单糖之间脱水形成糖苷键，并阻糖苷键线性或分技连接成寡糖和多糖。一般将少 于2 0 个糖基的糖链称为寡糖，多于2 0 个糖基的糖链称为多糖。多糖的结构可分 为一级、二级、三绒和四级结构( 2 2 j 。多糖的结构形态是各个单糖残基在空间相对 定他的综合，解析这些定化，对于理解多糖的生物学功能有极深刻的意义。 2 1 1 一级结构 多糖的一级结构包括糖基的组成、糖基排列顺序、相邻糖基的连接方式、异 头物构型以及糖链有无分支、分支的位置与长短等。与蛋白质、核酸相比，糖的 一级结构非常复杂。 2 1 2 二级结构 多糖二级结构指多糖骨架链问以氢键结合形成的各种聚合体，只关系到多糖 分子中主链的构象，不涉及侧链的空间排布【2 3 1 。多糖二级结构形式主要依赖于一 坚! 翌垫奎芏璺主堡墨：墨查堡笙。 缴结构排布2 4 1 。在多糖链中，糖环的几何形状几乎是硬性的，各个单糖残基绕糖 苷键旋转而相对定位，可决定多糖的整体构象。 2 1 3 兰级和四级结构 多糖链一级结构的重复顺序，由于糖单位的羟基、羧基、氨基以及硫酸基之 间的非共价相互作用，导致有序的二级结构空间有规则而粗大的构象，即为多糖 链的三级结构f 2 习。多糖的四级结构指多聚链间非共价链结合形成的聚集体。多糖 链的聚集作用可在相同的分子间进行，也可在不同的多糖链间进行p 6 。多糖的结 构形态是各个单糖残基在空间相对定位的综合。解析这些定位，同样对于理解多 糖的生物学功能有极深刻的意义。 2 2 黄蘑多糖的结构 叶纠i | 0 j 等报道中介绍了从黄蘑中提取出来的水溶性中性黄蘑多糖不吸附到 d e a f _ ：纤维素( c 1 ) 上，所以是一种葡聚糖和含半乳耱的杂聚糖混合物，并且其 与其他食用菌多糖不同的是其所含b d ，葡聚糖很少；所得水溶性酸性多糖主要耱 组分是核糖；所得草酸铵提取的多糖所含的糖组分含有少量的半乳糖、甘露糖， 其主要糖组分是葡萄糖；氢氧化钠提取的多糖是一种b d 葡聚糖络合物。关于黄 蘑多糖的结构研究，除此文献外尚未发现其他报道。 2 3 多糖的浸提 23 1 多糖的浸提方法 从不同材料中提取多糖，首先应根据具体情况以小量样品模索，观察哪种方 法提取分离效果好。按多糖的个性，提取采用水提取法、中性盐溶液提取法、碱 提取法、水解酶消化提取法、蛋白酶水解提取法等。 多糖难溶于冷水但在热水中可溶，故一般用热水提取。对于香菇、灵芝等 菌类，含有较多的细胞内多糖，采用热水提取可获取较高得率。但以根茎为主的 植物体，细胞壁多糖含量高，用热水直接提取的效果不好。采用酶解或弱碱溶解， 则可以破坏细胞壁，增加多糖的溶出。水提取或中性盐溶液提取较温和，适用于 透明质酸等不含硫酸基多糖的提取。提取中要防止多糖的降解，用稀酸提取时， 辽宁科技大学硕士论文 基本理论 常通氮气或加入硼氢化钠或硼氢化钾以防降解。含有糖醛酸或硫酸基团等的多糖， 可在盐类或稀酸溶液中直接醇析，使多糖以盐或游离的形式析出。 ( 1 ) 热水浸提法 热水浸提法是多糖提取的传统方法，用水作为溶剂浸提多糖，温度一般控制 在5 0 9 0 。c 左右，在恒温水浴上回流浸提2 4 h ，过滤后得滤液和滤渣。再用水在相 同条件下将滤渣反复浸提2 3 次，最后合并滤液，将其在恒温水浴上浓缩使绝大部 分水挥发除去，然后边搅拌边加体积相当于余下溶液2 5 倍的9 5 乙醇，多糖星絮 状沉淀析出，而大部分蛋白质和其它成分保留在溶液中，离心分离 ( 3 0 0 0 6 0 0 0 r m i n ) 2 0 r a i n 左右，用适量丙酮或乙醇洗涤脱水，然后进行真空干燥 或直接冷冻干燥即得到粗多糖。此法操作简单，但由于水作为溶剂难以完全溶出 其中的多糖物质，所以需要多次浸提，操作时i 、u j 长，收率低，对于易溶于水的多 糖，如水溶性螺旋藻多糖，不宜用热水浸提法27 1 。随着科技的发展，现在又发展 了微波与超声波辅助浸提法，但均处于实验室阶段。 ( 2 ) 酸浸提法 该法的浸提过程是在酸性条件下完成的，实际操作过程如下：向原料中加盐 酸溶液使其最终浓度为o 3 m o l ，然后置于9 0 。c 恒温水浴中浸提1 1 4 h ，用碱中和后 过滤，滤渣加盐酸溶液反复浸提2 3 次，最后合并滤液，浓缩、用9 5 乙醇沉淀、 分离、洗涤脱水、干燥得粗多糖。 ( 3 ) 碱浸提法 向原料中加氢氧化钠溶液并使其浓度为o 5 m o l ，然后于室温或9 0 ( 2 恒温水浴 中浸提1 4 h ，用酸中和后过滤，滤渣加氢氧化钠溶液浸提2 3 次，最后合并滤液， 浓缩、9 5 乙醇沉淀、分离、洗涤脱水、十燥得粗多糖。 ( 4 ) 酶法 酶法从原理上小同r 上面二种方法，该法是先用蛋白酶分解除去大部分蛋白 质，然后再从溶液中浸提多糖，其过程为：固液比( 原料：水) 为1 ：1 0 到1 ：2 0 ，调 整适当的p h 值，加入1 3 蛋白酶或复合酶制和，置于5 0 6 0 。c 的水浴中酶解 1 3 h ，然后过滤、浓缩、用9 5 乙醇沉淀、分离、洗涤脱水、干燥得粗多糖，此种 方法可以使浓缩工艺和后续的脱蛋白工艺操作变的简易、省时，提高粗多糖的得 率和蛋自质的脱除率1 2 引。 2 3 2 浸提过程及其基本理论 浸提是在一定条件下用某种溶剂处理样品，使欲分离的物质充分释放到溶剂 堑主登垫查兰堕主塑圣 鲞查塞塑 的过程。浸提是最常用的分离过程之一，广泛应用于食品、医药、化工等工业中， 以获得有效成分或除去不溶性固体中的可溶性物质，这里提到的浸提主要指固液 浸提。固液浸提是使用溶剂从固体原料中提取所需成分的一种操作过程，浸提原 料多是溶质与不溶性固体组成的体系，所用的溶剂必须具备与所提取的溶质互溶 的特性，得到的产物为浸出液。浸出液中除了含有大量的目标溶质外，还含有一 些与溶剂相溶的杂质部分。 浸提时始终存在时削长、温度高、能耗大等问题，因此。优化剜液浸提过程， 提高得率及提取率成了研究的关键。影响浸提的主要因素是欲提取的物质在所用 溶剂中的溶解度大小及该物质向溶剂相扩散的难易。一种物质在某种溶剂中的溶 解度大小和该物质的分子结构及所用溶剂的理化性质有密切关系。般来说，极 性物质易溶于极性溶剂中，非极性物质易溶于非极性溶齐e 牛，酸性物质易溶于碱 性溶剂中，碱性物质易溶于酸性溶剂中；温度升高，溶解度一般增大；两性电解 质在等电点时，溶解度最小。 固体溶解于液体的扩散速度与温度、溶液粘度、扩散面积、扩散距离以及两 相界面之浓度差密切相关。一般增加温度、降低溶液粘度、增加扩散面积、减少 扩散距离、保持两相界面的最大浓度差，延长扩敝时间等都有利于提高扩散速度 从而使提取效果增加。研究证实，当固相和液相接触时，在固体表面必有一个液 膜层，这层膜的厚度可以随着液相混合程度的增加而减少，但不管怎样，这层膜 是不会消失的。因此，从某种意义上说，对于固液浸提中的固液传质问题的研究 实际上是以液膜理论为基础的固液扩散分析。固液两相的接触面积、液膜层厚度 和浸提时间与固体物质预处理情况以及浸提过程运行情况直接相关的变量，因此， 圃液浸提过程是一个牵涉到多个因素影响的传质过程i z 圳。 2 4 膜分离技术的基本理论 2 4 胰分离技术 膜分离技术是利用天然或人工合成的、具有选择透过性的薄膜，以外界能量 或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的技 术。膜分离过程在常温下操作，被分离的物质能保持原来的性质，并能保持生物 物质的活性，且具有选择性强，设备简单，操作方便，容易控制，适用范围广等 特点。又由于在大多数的膜分离过程中，物质不发生相变化，分离系数较大，有 趣宁科扳 学聪沦文基本理论 明显的节能效果，是解决当代人类面临的能源、资源、环境等重大问题的重要新 技术。尤其适宜于加热易变性的热敏性物质。膜技术作为一项新兴的分离技术， 已经被国际公认为是未来最有前途的一项蘑大的高新技术。由于膜技术具有诸多 的优点和重要性，存1 午着巨大的生产潜力和应用前景，己被广泛的应用于食品工 业、水处理、医药工业、乳制品工业等诸多方面1 3 0 j 。 但是，实际医药生产中，膜技术并未被推j “应用。这宅要受到如下几个方面 的影响：一是作为一种迅速发展起来的新型分离技术，膜分离过程本身仍存在许 多技术问题有待解决，如高分离因子及高渗透通量膜的制备。高稳定性、耐污染、 易清洗膜组件的研制等；二是某些方面的研究工作做的不够也使该技术离工业应 用尚有一定距离，如膜分离技术用于抗生素提炼中应用的研究多以人工合成或配 制的组分单一的抗生素溶液为考察对象，而实际发酵液是一种复杂的介质，使得 研究结果与实际应用之问还存在一定的差距；三是医药行业对卫牛要求极为严格， 由于膜的污染，需要经常杀菌、清洗等处理，使得该技术的应用受到一定影响； 最后，膜组件由自制向标准化的转变、膜价格的降低、性能的提高等有待解决的 越都制约了膜技术的实际推广嘘刖i ”3 “。 虽然膜分离技术有缺点和不足，但是这都是暂时的，相信随着膜分离技术的 发展完善，其可行性会进一步提高，其推广应用前景广阔。 2 4 2 膜的分类 膜传递过程的推动力可以是压力差、浓度差、电位差或温度差。膜的种类很 多，基于不同的研究目的和观察角度，需要不同的分类标准。如根据膜的结构可 分为致密膜、多孔膜和纤维质膜：根据被分离物质性质不同，可分为气体分离膜、 液体分离膜、固体分离膜、离子分离膜、微生物分离膜：按照膜材质的不同，可 分为有机膜和无机膜。对于压力推动膜分离技术米晓，按截留分子量高低，可分 为微滤法m f 、超滤法u f 、纳滤法n f 、反渗透法r o ，图2 2 位膜的分离特性p 2 j 。 i 瓣辞 承 图2 2 膜分离特性示意圈 f i 9 2 2s k e t c hm a po fm e m b r a n es e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c 1 0 辽宁科技大学硕士论文 基本理论 本文主要研究膜在分离、分级、浓缩、富集及纯化等方面的应用，因此主要 研究具有选择性透过能力的基本特性的分离膜，具体来说主要是微滤、超滤及纳 滤等。表2 ，l 列出了要研究的几种常见压力差推动型膜分离过程的操作性能m 1 。 表2 1 膜分离过程的操作性能 t a b 2 1o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f m e m b r a n ep r o c e s s 2 4 3 膜分离技术工作原理 膜分离技术的工作原理如图2 _ 3 所示，溶液进入膜过滤器，在与膜表面接触的 同时，一部分物质透过滤膜为透过液( 或渗透液) ，而另一部分物质被截留排出系 统外或循环回原料罐，该部分为截留液( 或浓缩液) 。图2 3 中：1 原料罐，2 泵， 3 缓冲罐，4 一t 力表，5 膜组件，6 调节阀，7 - 流量计例。 图2 3 膜分离的原理 f i 9 2 3t h e o r yo f s e p a r a t i o no f m e m b r a n e 24 4 膜的传质机理及模型 膜种类不同，n n n , 亦n n 。表2 2 列出了部分膜分离法的原理( 3 3 l 。 辽宁科技大学硕士论文基本理论 微滤( m f ) 超滤( u f ) 纳滤( n f ) 反渗透( r o ) 透析( d s ) 电渗析( e d ) 渗透气化( p v ) 乐羞0 0 5 0 2 m p a 乐筹0 1 05 m p a 压芹0 3 0 8 m p a 压差1 o - 1 0 h 口a 浓筹 电位差 压差、温差 筛分 筛分 1 简单筛分 溶解扩散 筛分 荷电、筛分 溶质与膜的亲和作用 2 4 4 1 徽滤膜的传质机理及模型 在微滤、超滤、纳滤、反渗透四种膜分离技术巾，微滤的应用最广，经济价 值最大。微滤技术在2 0 世纪2 0 年代木得到了快速发展，已在污水处理、饮用水 净化、医药、电子、食品等行、止达到了广泛的应用。微滤是利用微孔膜的筛分作 用，在静压差推动下，将滤液中大于膜孔径的微粒、细菌及悬浮物质等截留下来， 达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的。因影响微滤过程因素的复杂性以及物料 体系的多样性，仍未有通用的可描述微滤过程的数学模型，目前常用的微滤模型 主要有：孔模型、扩展的浓差极化模型( 扩展的扩散模型) 、覆盖层模型等p ”。 2 4 4 2 超滤膜的传质机理及模型 超滤的筛分过程一般认为是，在一定的压力作用下，含有大、小分子溶质的 溶液流过超滤膜表面时，溶剂和小分子物质( 如无机盐类) 透过膜，作为透过液 被收集起柬，丽大分，溶质( 如有机胶体) 则被膜截留而作为浓缩液被回收。在 超滤中，超滤膜对溶质的分离过程主要有：在膜表面及微孔内吸附( 一次吸附) ； 在孔内停留而被去除( 阻塞) ：在膜面的机械截留( 筛分) 。超滤膜选择性表面层 的主要作用是形成具有一定大小和形状的孔，它的分离机理主要是靠物理筛分作 用。但是实际应用中发现，膜表面的化学特性对大分子溶质的截留有着重要的影 响，因此在考虑超滤膜的截目性能时，必须兼顾膜表面的化学特性。超滤过程中 常用的模型有：孔模型、筛子模型、凝胶极化模型等【3 “。 盟宁科技大学硕士论又基本理论 2 4 4 3 纳滤膜的传质机理及模型 纳滤类似于反渗透和超滤，均属于压力驱动的膜过程，但其传质机理却有所 不同。一般认为纳滤膜一般是荷电型膜，其对无机盐的分离不仅受化学势控制同 时也受电势梯度的影响，对中性不带电荷的物质的截留则是由膜的纳米级微孔的 分子筛效应引起的，但其确切传质机理至今尚无定论。目静的纳滤膜传质机理可 分成两类：( 1 ) 当纳滤膜分离对象为非电解质溶液时，其传质模型不考虑电解质与 膜表面电荷的静电作用，主要有摩擦模型、空间位阻- 孑l 道模型、溶解扩散模型、 小完全溶解一扩散模型和扩散一细孔流模型等：( 2 ) 当纳滤膜的分离对象为电解质溶液 时，其传质过程受膜表面电荷与电解质电荷作用的影响很大，此时静电作用不能 忽略，其代表性的传质模型有固定电荷模型、空l 日j 电荷模型、静电位阻模型和杂 化模型等 3 4 ”j 。 2 4 5 膜的分离特性 膜的性能通常包括分离透过特性和物理化学性能。膜物理化学性能主要包括 承压性、耐温性、耐酸碱性、抗氧化性、耐生物与化学侵蚀性、力学强度、膜的 厚度、可萃取物、含水量、毒性、生物相容性、亲水性和疏水性、孔隙率、电性 能、膜的形忿结陶以及膜的平均孔径等。膜的分离透过特性主要是指分离效率和 渗透通量，不同膜分离过程表示方法不同。 表2 3 膜的分离透过特性表示方法f 3 3 1 t a b 2 3m e t h o d so f p e r m e a t i o no f m e m b r a n e s ( 1 ) 膜孔径 膜的孔径分布一般是单峰分布，孔径分布越均匀，其截留率越高，抗堵性也越 辽宁科技大学硕士论文 基本理论 强。膜孔径的测量大体分直接法和间接法两大类。 流体流速法测膜的孔径。通过测定膜的渗透速率，并采用p o i s e u i l l e 定律求得 膜的平均孔径。般采用纯水为测试流体。该法假定：膜上的孔均为圆柱形通孔， 所有的孔与膜面垂直，水与膜的接触角为零度。根据p o i s e u i l l e 定律求出膜的平均 孔径r 。 式中：r _ 膜的平均孔径； p ，孔隙率； p 一跨膜压差： j 渗透速率，1 t 1 3 ( m 2 h ) 或c r n 3 ( c m 2 h ) ； l l 水的黏度； l 膜的厚度。 其中孔隙率的计算用下式： 膜的湿重一膜的于重 尸r 。1 了万一 式中：dm 水的密度； a 膜的面积。 该法特点是简单实用，其测量范围大体为0 ，0 2 0 2 9 m 孔径。该法测量对传递 起作用的活性孔；在测量过程中该法无需对膜进行处理，并采用水位测试介质， 因此更接近于实际状况。 ( 2 ) 膜的通量( 透过通量) 膜的透过通量用单位时间内、单位面积膜上透过的溶液量来表示。 小丢 式中：j 。透过通量，m 3 ( m 2 s ) ； v 滤液( 透过液或透析液) 体积，m 3 ： a 分离膜的有效面积，m 2 ； t 或得v 体积滤液所需的时| 、日j ，s 。 ( 3 ) 膜通量的恢复率 膜通量恢复率= 罴1 。 1 z j ：科技大学碗t 论文基本理论 ( 4 ) 溶质的截留率 溶质的截留率，可通过溶液的浓度变化测出，即由原液浓度和透过液浓度可 求出表观截流率尺。 r 。：1 生 式中：c b 原液浓度，r a g l ； c r 透过液浓度，m g l 。 由于浓差极化现象的存在，膜表面截留的溶质浓度为c 。，所以膜的真实截留 率r 应为 r ：l 一2 c m 截留率r 虽然能真实地表示膜的特性，但是上式中溶质在膜两侧的浓度应用 瞬间浓度，若试验在间歇式超滤器中进行，则很难测定同瞬间的透过液和截留 液的浓度，此时可按下式计算 c ，= c 。( c f ) 8 式中：c f 最终保留液浓度； c o 起始料液浓度； c 卜浓缩倍数。 即c f = v o f 式中：v f 、v n 最终保留和起始料液体积。 可得截留率计算式r = 等 没y 为溶质的收率t 即l ，= 专等，由前式得y = ( c 尸) “l 。 影响截留率的因素很多，它不仅与溶质的分子大小有关，还取决于溶质的形 状。一般说来，线性分子的截留率低于球形分子。膜对溶质的吸附对截留率影响 很大，溶质分子被吸附在孔道上，会降低孔道的有效直径，因而使截留率增大， 有时，膜表面上吸附的溶质形成一层动态膜，其截留率不同于超滤膜的截留率。 如果料液中同时存在两种高分子溶质，此时膜的截留率不同于单个溶质存在时的 情况，特别是对于较小分子量的高分子溶质。一般情况下，两种高分子溶质的分 子量只能像差1 0 倍以匕，它们彳能获得较好的分离。溶液浓度降低、温度升高会 使截留率降低，这主要是因为膜的吸附作用减小。同时，错流速度增大，浓差极 化作用减小，截留率降低。p h 值、离子强度会影响某些物质分子的构象和形状， 辽宁科技大学硕士论文基本理论 它们对膜的截留率也有一定的影响。 3 3 2 4 6 膜的污染及清洗 2 4 6 1 膜污染机理 膜污染是由于被过滤料液中微粒或溶质分子吸附，沉积在膜面或膜孔内，造成 孔堵塞，使膜通量下降的现象。具过程义分为两个阶段。第一阶段料液与膜接触 不久，开始时膜面上小分子透过，大分子聚积浓度远高于主体浓度，形成浓差极 化，随后沉积在膜面，形成一层凝胶层，又称为次级层，次级层较致密，会使分 子量小于膜孔的溶质也截留。料液越粘，越易形成次级层，表现为几分钟后膜通 量迅速衰减，但清洗可使膜性能恢复。此后由于切向流冲走部分沉积物，使通量 基本不变。随着运行时间增长，通量又会显著下降发生第_ 阶段污染，称膜的劣 化。此时膜在进一步污染下发生氧化、水解等不可逆转的变化，导致清洗也无法 改善膜性能。 膜污染机理至今尚无统一说法，但可以肯定处理物料中粒子与膜材料间相互 作用是最主要的因素。国内外对蛋白质、悬浮固体、胶体、生物污染机理作了大 量研宄m e i r e l s 等采刖不几j 的聚烈膜分离小刚半径的球蛋白，认为膜污染有两种机 理：一是整个孔的污染；二是因多孔结构和溶质尺寸引起的层污染1 3 6 l 。 中药的膜分离工业化需要系统的理论作为指导。但目前这方面的研究还很少。 膜分离及污染机理还不明确。操作参数的优化可以控制实际膜过程的污染，以动 力学理论为基础的膜数学模型通过模拟计算可以为操作参数的优化提供理论指 导，由于各种影响因素和物料体系多样性，不存存通用的模型。当前的模型大多 是从不同角度，针对特定体系研究。超滤膜污染的指数模型口1 关联了溶液浓度、 速度、压差和粘度四个操作参数。宋航 3 8 1 等以流体力学为理论基础建立的种用 于错流微滤和超滤的数学模型。优点突出表现在仅用极少量的实验值就可较准确 地获得模型参数