微波提取助推中药现代化--天然药物有效成分的微波连续提取技术

作者:本网编辑 文章来源:《流程工业》(制药) 发布时间:2010-07-05

天然药物有效成分提取长期以来一直采用热回流这种提取率低、含量低、能耗高、物耗高、污染高、成本高的传统方式,严重困扰中药现代化的进程。采用微波连续提取工艺不但可以节能、降耗、减排,还可以使中药提取物生产实现自动化、连续化,进而使中药实现规模化、产业化,迈向现代化的新台阶。

植物的细胞含有多种成分,其中既有有益成分,也有有害或不起任何作用的成分,我们采用提取分离的方法,取其精华弃其糟粕,得到我们所需要的提取物,它可以用来制成中药或成为合成某些西药的中间体;它也是营养保健品的重要成分或作为防止食品变质的重要添加剂;还可以成为生产化妆品的重要原料;甚至可以制成无毒的生态农药。总之,植物有效成分提取物有着非常广泛的用途。

传统的提取分离工艺存在着严重的弊端:首先,传统提取方法(CME)能源消耗大(中药制剂产品75%的能耗集中在提取物生产过程,此过程70%能耗又集中在提取工序)、物耗大(药材损耗多、溶媒用量大)、由于提取范围广、选择性差、易浸出大量杂质给后续工序带来很大困难。其次,具有主要疗效的成分容易流失、有效成分容易分解,因此提取率低、有效成分转移率低(药渣中残存>30%的有效组分被丢弃)、提取物质量差、生产环境不良、操作不方便、劳动强度大、劳动生产率低、生产周期长、设备利用率低、产品成本高。总之,路线长操作繁杂、提取率低质量差、能耗高成本居高不下。因此严重困绕着中药工业现代化进程。

由于新技术的不断出现和应用,植物活性成分的提取、分离、纯化工作逐步从长周期、低效率、低收率、低含量向短周期、高效率、高收率和高质量方向发展,活性成分的分析测定也更加迅速、微量和准确。这些新技术如提取(浸提)方面有半仿生提取法(简称SBE法)、生物酶解、破碎提取、超临界流体萃取(简称SFE法)、超声波辅助提取、微波辅助提取等技术。又如在分离纯化方面,以吸附澄清剂代替醇沉、大孔树脂吸附分离、色谱柱分离、指纹图谱、膜分离等技术。尤其是膜分离方法,它是利用膜孔径大小分离不同分子量的成分,如采用超滤膜、微孔滤膜、纳滤膜、半透膜、反渗透等达到纯化、浓缩目的的节能技术。本文将着重介绍一种具有节能、减排、降耗、突出经济效益的微波辅助提取(MAE)技术。

微波辅助提取(MAE)是建立在传统中药提取(CME)的基本理论基础上,利用微波(频率:2450MHz.波长12.2cm的连续波)在传输过程中遇到不同的物质产生反射、穿透、吸收的差异现象,及不同物质的介电常数、比热容、形状及含水量不同,将导致各种物质吸收微波能的能力不同,来得到有选择性的提取物。它具有提取周期短、温度低、溶剂用量少、提取率高、纯度高、生产成本低等优点。微波技术在中药研究应用方面主要涉及到提取、干燥及炮制三方面。


微波技术在植物目标组分提取中的应用

微波辅助提取(MAE)的基本原理

极性分子接受微波辐射能量后,通过分子偶极以24.5亿次/s频率旋转碰撞而迅速生成大量的热能产生热效应。其加热过程对被提取物是内外同时加热,其速度快、无热损耗,从而大大提高提取速率,又大幅度降低提取温度,使提取的目标成分的生物活性得到充分保护。它的另一个特点是萃取时微波透过透明的萃取剂到达植物内部,因其维管束和腺胞系统含水量高,故吸收微波快而升温,使细胞内压增大。当内压超过细胞壁承受能力时,细胞壁破裂,其内部的有效成分自由流出,进入萃取剂而被溶解,去渣存液达到提取目的。而传统提取加热是热传递时物料内外温差大,细胞内温度上升慢,目标产物的溶解及扩散速度慢,造成整个提取速度减慢。因在浸提过程中溶剂进入植物细胞内部要经历液泡和细胞器的膜透过,细胞浆中的目标组分的扩散也要透过细胞壁和细胞膜等复杂的传质过程,故有效成分浸出慢。

微波的重要特性和突出特点

微波具有良好的穿透能力,快速进入分子内部而产生大量热量,导致植物细胞因被加热而膨胀破壁,提取时间短、效率高、目标组分萃取更完全、提取率更高。微波具有很强的内热效应,而生成大量热能,可使提取时间大大缩短。微波不能穿透金属,因此,可用作屏蔽装置,以防止微波泄露,保护生产环境安全。微波具有对生物的非生物效应:可以用于杀灭各种微生物,达到灭菌的目的。微波易控制,而且其功率密度可调、可控、因此温度、时间、功率、流量等均可编程控制。

微波加热所产生的热量系来自极性分子内部的内热效应,无热阻,热扩散与分子扩散运动的方向一致,所以加热速度快,时间短,溶质与溶剂互为渗透快,故MAE能耗仅为CME(传统提取)的20%~30%。MAE所需溶媒为药材量的6~8倍,一般可一次提净,CME则需16~20倍,尤其是有机溶媒还需一套溶媒回收设备,并增加回收溶剂的时间,既减少溶媒消耗、又减少浓缩所耗的能量,同时大大减少有机溶媒的污染。有机溶媒用量减少与药材利用率的提高,也降低药渣及含有机溶媒废水的排放量,MAE可实现系统密闭操作,空气中可大大降低有害气体浓度,防止对环境的污染。MAE具有选择性加热及温度相对较低,温度分布相对比较均匀、无温度梯度之优点,在控制条件稳定下,它的重现性好,故转移率高、质量好。产品的运行成本降低,整个提取过程完全实现自动化、连续化操作。

微波提取课题研究中的喜和忧

由于微波具有上述优点,从事植物有效成分分离研究的药物工作者开始探索如何将微波的穿透、吸收的特性用于植物细胞破壁以溶解出更多组分,同时,利用其选择性加热使热分布比较均匀、温度较低的另一特性来保护提取出来的有效成分不被分解。

最早从事这项工作的是匈牙利学者K.Ganzler,1986年首次将微波技术应用于提取。有文献记载,我国开始将微波技术应用于中药提取是上世纪90年代。1994年谢永荣用微波法从柑橘皮中提取天然色素获得成功,其收率与传统方法相同,但传统提取方法使用时间是微波法的22倍。从此开始我国步入试验研究的快车道,研究范围广泛、研究成果累累。据不完全统计,十几年来已经报导提取的种类有苷类、黄酮类、帖类、多糖、生物碱、蒽醌类、有机酸类、色素、挥发油等成分的提取。应用的溶媒有水、有机溶媒、混合溶媒,提取物可供医药、化工、食品、保健品、化妆品、日用洗涤用品等行业,品种在百种以上,所发表的相关论文六、七百篇,研究工作蒸蒸日上,方兴未艾,品种开发研究工作可以说是形势一片大好。

但同时又不能不看到存在的隐忧,笔者曾询问多个部门多位研究人员,你们的成果有多少个转让出去形成生产力,回答是极少或还没有。为什么?主要原因有两个:一是小试验目前所看到的都是单方,而且都是以克为单位,固液比非常大,如有的1:100、1:200、1:300,如此大的固液比,后续能耗必然相当高。此外,有的使用有机溶媒种类多、浓度高,甚至需用酸碱,小实验看不出环保问题,规模化大生产却造成严重的环境污染,虽然试验可获得目标成分的产品,但实现产业化带来的利弊,需要做可行性分析。应该指出:微波提取最适合非热敏成分的提取,对于含有热敏成分的提取,必须控制适当的浸泡温度,微波功率也需适当选择。它不适用于非极性成分提取和动物细胞包容物的提取。二是,小实验通常是在玻璃烧瓶及烧杯里进行,工业装置对小实验所得到的工业技术参数往往需要修正,它必须更多地考虑传热、传质、流体输送、环境保护、产品成本、操作易难等一系列与生产相关的问题,到目前为止,除了华东理工大学对微波提取的传质、传热机理有些实验研究外,尚未见到装置研究的系统报导,由于产品开发与装置配套研究脱节,所以研究成果转化为生产力严重滞后。目前,有一些单位相继推出多种形式的微波加热干燥设备,在国内此类设备的开发和应用正走向成熟。微波提取设备大体上分为两大类,一类是间歇釜罐式,另一类是连续式,此又可分为管道流动式和连续渗漉微波提取装置。不论哪一类,其设计应符合下列基本条件。

工业微波提取设备的基本条件

微波发生功率足够大,工作状态稳定,一般应配备功率选择、控制温度、压力、时间相关元件。控制系统应有超载报警装置。

设备材料和结构合理、严格依照微波三大特性设计,结构与精度符合GMP要求并可灵活调整。

安全屏蔽可靠,微波泄漏量安全卫生要求,用大于10mW量程的漏场仪在距离被测处5cm处检测,漏场强度应小于5mW/cm2。

技术上与国际标准接轨,尽量采用模块化设计,控制操作系统尽可能优化。

产业化的微波连续提取装置

微波连续提取装置与动态连续相结合,采用传感、气动、变频与程控技术相结合,应用直观的触摸屏控制,使参数的控制更灵活、准确、方便。笔者与温州神华共同研制的“管道式微波连续提取装置”,通过至今已完成的22个产品(其中14个单方、8个复方)反复试验,经合作单位采用定性、定量对有效成分进行分析测定,提取液(物)有效成分不低于相同产物或超过30%,提取率比传统方法高出30%,能源消耗节省70%,成本可降低40%以上,此装置既可以用于水提、也可以用于醇提。更可贵的是,整个生产过程可以实现连续化,可以实现中药提取生产的规模化、产品生产的产业化。

工艺流程说明

溶媒储罐(T1101)内的溶媒由溶媒泵(T1102)打入溶媒计量罐(T1103),再分次计量加进混溶罐T1104,随后将配方称过的药粉加入、启动搅拌、缓慢升温、浸透后开启底阀,由调频螺杆泵T1108打入辐射腔T1109经辐射加热、含挥发油蒸汽进入冷凝器T1105后凝液流入冷却器T1107后入分层、油层进入受罐,另提取液打入下出料离心机T1110药渣卸入药渣车。药液流入储罐T1112。

浸提工艺过程简述

将粉碎至所需细度的药材粉末投入浸泡罐,然后加入所需溶媒量1/2搅拌,浸泡一定时间后加入另1/2的热水(或药材粉末与定量溶剂加入后逐渐升稳),继续搅拌浸泡到规定时间,用泵打入微波辐射腔,循环数十秒后启动微波辐射装置,循环至规定次数(此方法乃试验装置,大型设备则由经微波辐射腔时间而定),关闭循环阀,开启中间罐阀门,同时,开启通往离启动微波辐射装置沉降罐沉淀、分层,分弃沉淀物清液抽入浓缩器进行真空浓缩至规定体积。

微波提取的影响因素

微波提取的影响因素主要有:溶剂的性质与选用、固液比、提取时间与温度、微波的剂量、溶剂的pH值等。

提取物生产规模化的必由之路

自动控制连续操作是提取物生产规模化的必由之路。目前,国内微波提取装置基本上都是间歇式,其消耗微波功率比连续式高,提取率及有效成分含量也比它低,其原因是不同频率的微波有相应的波长,2450MHz波长为12.2cm,在透明液体中,其穿透深度仅4cm左右,釜罐式瓷控管是呈罐的周边布置,而微波对浸泡液的辐射是靠流体在周边的流动,由此可知,需要的微波功率随着罐径增大而增加,而且整罐接受到的辐射不可能是均匀的,故消耗功率大而提取率及有效成分含量也比它低。此外,其出渣方式仍然沿用劳动量大、环境差传统出渣方式,更重要的是整个生产过程依然是间歇方式,难以实现产业化。而“管道式微波连续提取装置”则浸泡液接受的微波辐射是均匀的,微波功率可根据物料对微波吸收功率的大小而调整。其次,生产过程的操作参数如温度、流量、时间、液位、搅拌转速、阀门开闭等都通过传感元件、执行结构进行操作,参数设定后通过PLC进行控制,整个生产过程由显示屏直观表达。其三,由于提取温度较低,不需要加热蒸汽仅用热水加热,而且热水可以循环利用,加上提取时间短、温度低,所以能耗节约70%以上。更重要的是整个生产过程实现自动化、连续化操作,因此,使中药提取物生产实现产业化、规模化成为现实。

 

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