大孔吸附树脂分离技术.docx
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大孔吸附树脂分离技术
化工分离工程
课程论文
论文名称：
大孔吸附树脂分离技术
摘要
大孔吸附树脂是20世纪60年代发展起来的继离子交换树脂后的分离新技术之一，已在环保、食品、医药等领域得到了广泛的应用。
通过参考国内外的一些关于大孔吸附树脂的文献和书籍，对大孔吸附树脂的分离原理，最新研究进展和应用情况以及影响因素进行了总结。
并且列举了一些在中药分离纯化中的应用，表现出了其优越性，有着广阔的应用前景。
关键词：
大孔吸附树脂；柱层析；分离原理；工业应用
大孔吸附树脂分离技术
1.大孔吸附树脂分离技术简介
1.1大孔吸附树脂的简介和基本产品
大孔吸附树脂是一类不含交换基团且有大孔结构的高分子吸附树脂，是一种不溶于酸、碱及各种有机溶剂的有机高分子聚合物，具有良好的大孔网状结构和较大的比表面积，可以通过物理吸附从水溶液中有选择地吸附有机物。
是20世纪60年代发展起来的继离子交换树脂后的分离新技术之一，已在环保、食品、医药等领域得到了广泛的应用。
根据其骨架材料的不同可分为极性、中性和非极性3种类型[1]
美国的Kunin教授发明了大孔网状聚合物吸附,并于1966年研制成功了第一个大网格吸附剂,此后大孔吸附树脂材料成为一个崭新的技术领域,受到欧美及日本等国的高度重视,研制开发了一批类型不同的、性能良好的吸附树脂,并形成了商品供应。
目前,美、英、法、德及日本等国均有专业公司研究生产【1】。
我国在这方面也在逐步发展，也有很多性能优良的产品问世。
表1-1常用国产大孔树脂的型号和主要特性【2】
树脂
极性
结构
粒径范围
（mm）
比表面积
（m2/g）
平均孔径
（nm）
用途
S-8
极性
交联聚苯乙烯型
0.3～1.25
100～120
28～30
有机物提取分离
AB-8
弱极性
0.3～1.25
480～520
13～14
有机物提取，甜菊糖、银杏叶黄铜提取
X-5
非极性
0.3～1.25
500～600
29～30
抗生素、中草药提取
NKA-2
极性
0.3～1.25
160～200
145～155
酚类、有机物去除
NKA-9
极性
0.3～1.25
250～290
15～16.5
胆红素去除，生物碱分离、黄酮类提取
H103
非极性
0.3～0.6
1000～1100
85～95
抗生素提取分离，去除酚类，氯化物
D-101
非极性
苯乙烯型
0.3～1.25
480～520
13～14
中草药中皂甙、黄酮、内酯、萜类及天然色素的提取
HPD100
非极性
苯乙烯型
0.3～1.2
650
90
天然物提取分离，如人参皂苷、三七皂苷
HPD400
中极性
苯乙烯型
0.3～1.2
550
83
中药复方提取、氨基酸、蛋白质提纯
HPD600
极性
苯乙烯型
0.3～1.2
550
85
银杏黄酮、甜菊苷、茶多酚、黄芪苷
ADS-5
非极性
500～600
20～25
分离天然产物中的苷类、生物碱、黄酮等
ADS-7
强极性
含氨基
200
提取分离糖苷，对甜菊苷、人参皂苷、绞股蓝皂苷等具高选择性，去除色素
ADS-8
中极性
450～550
25.0
分离生物碱，如喜树碱、苦参碱
ADS-17
中极性
124
高选择分离银杏黄酮苷和银杏内酯
表1-2国外HP、SP系类大孔树脂的型号和主要特性【2】
树脂
极性
结构
粒径范围
（mm）
比表面积
（m2/g）
平均孔径
（nm）
用途
HP-20
非极性
聚苯乙烯
0.2～0.6
600
46
皂苷、黄酮、萜类、天然色素、蛋白质（相对分子质量〉1000）
HP-207
非极性
聚苯乙烯
0.2～0.6
630
10.5
HP2MG
中极性
甲基丙烯酸酯
0.2～0.6
470
17
SP825
非极性
聚苯乙烯
0.2～0.6
1000
5.7
生物碱、黄酮、内酯、酚性苷（相对分子质量〉1000）
SP850
非极性
聚苯乙烯
0.2～0.6
1000
3.8
SP70
非极性
聚苯乙烯
0.2～0.6
800
7.0
SP700
非极性
聚苯乙烯
0.2～0.6
1200
9.3
XAD-1
非极性
苯乙烯
100
20
分离甘草类黄酮、甘草酸、叶绿素
XAD-2
非极性
苯乙烯
330
9
人参皂苷提取，去除色素
XAD-4
非极性
苯乙烯
750
5
麻黄碱提取，除去小分子非极性物
XAD-6
中极性
丙烯酸酯
498
6.3
分离麻黄碱
XAD-9
极性
亚砜
250
8
挥发性香料成分分离
XAD-11
强极性
氧化氮类
170
21
提取分离合欢皂苷
XAD-1600
0.40
800
0.15
提取小分子抗生素和植物有效成分
XAD-1180
0.53
700
0.40
提取大分子抗生素、维生素、多肽
XAD-7HP
0.56
500
0.45
提取多肽和植物色素、多酚类物质
1.1大孔吸附树脂的分类
1.1.1按极性大小分类
1.非极性大孔吸附树脂如苯乙烯、二乙烯苯聚合物，也称为芳香族吸附剂。
2.中等极性大孔吸附树脂此类树脂中存在酯基一类的基团，整个分子具有一定的极性。
3.极性大孔吸附树脂在此类树脂中含有一些极性较大的基团，如酰胺基、亚砜、氰基等基团，极性大于酯基。
4.强极性大孔吸附树脂含有强极性基团，如吡啶基、氨基、氮氧基团。
1.1.2按其骨架类型分类
1.聚苯乙烯型大孔吸附树脂大部分树脂为此骨架，它可以引入各种极性不同的基团。
2.聚丙烯酸型大孔吸附树脂分为聚甲基丙烯酸甲酯型树脂、聚丙烯酸甲酯型交联树脂和局丙烯酸丁酯交联树脂等。
因为含有酯基，属中等极性吸附剂。
3.其他类型聚乙烯醇、聚丙烯晴、聚酰胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、纤维素衍生物等也可以作为大孔吸附树脂的骨架。
1.3大孔吸附树脂分离柱层析技术
树脂分离在工业上应用最多的还是柱层析技术。
其机理如图1-1所示。
图1-1亲和柱层析机理图
在运用打孔吸附树脂柱色谱进行分离精制时，其操作步骤为树脂的预处理→树脂装柱→药液上柱吸附→树脂的解析→树脂的清洗、再生。
其大致过程如图1-2。
1.树脂的预处理由于树脂出厂前没有经过彻底清洗，经常残留一些致孔剂、小分子聚合物、原料单体、分散剂以及防腐剂等有机残留物。
另外树脂也常因失水而缩孔。
因此用前必须进行预处理。
可将新购的树脂用乙醇浸泡24h，充分溶胀，装柱，用适量乙醇冲洗，而后改用大量清水冲洗备用。
2.树脂装柱通常以水为溶剂湿法装柱。
先在树脂柱的底部放一些脱脂棉或玻璃丝，厚度1-2cm即可，用玻璃棒压平。
在树脂中加少量水，搅拌后倒入保持垂直的色谱柱中，使其自然沉降，让水流出，注意不要干柱，以免气泡进入，影响分离效果。
3.药液的上柱吸附药液上柱前应为澄清溶液，否则会影响树脂吸附，一般要从上部加入，流速也要控制好，太快会不利于吸附，太慢效率太低。
4.树脂的解析样品滴加完毕后就可以洗脱，通常用水洗脱，继而用醇-水洗脱，逐步加大醇的浓度，同时配合检测，相同纯度者合并，流速要适当，一般1-2BV/h。
5.树脂的再生树脂经多次使用后吸附能力会有所减弱，在表面和内部残留一些杂质，需再生后才能继续使用。
图1-2柱层析原理图
2.大孔吸附树脂分离技术原理及影响因素
2.1大孔吸附树脂吸附原理
大孔吸附树脂为吸附性和筛选性原理相结合的分离材料。
大孔吸附树脂的吸附实质为一种物体高度分散或表面分子受作用力不均等而产生的表面吸附现象， 这种吸附性能是由于范德华引力或生成氢键的结果。
同时由于大孔吸附树脂的多孔结构使其对分子大小不同的物质具有筛选作用。
通过上述这种吸附和筛选原理，有机化合物根据吸附力的不同及分子量的大小，在大孔吸附树脂上经一定溶剂洗脱而达到分离、纯化、除杂、浓缩等不同目的。
吸附树脂的表面发生吸附作用后，会使树脂表面上溶质的浓度高于溶剂内溶质的浓度，其结果引起体系内放热和自由能的下降。
一般说来，吸附分为物理吸附和化学吸附两大类。
图2-1亲和层析法的原理图
2.2影响吸附率的因素
吸附树脂对有机物的去除效果与树脂本身的结构性质、吸附质的结构以及吸附处理过程中的操作条件有着密切的关系。
1．大孔吸附树脂极性的影响
遵从类似物吸附类似物的原则，根据吸附物质的极性大小选择不同类型的大孔吸附树脂。
极性较大的化合物一般适用于在中极性的树脂上分离；极性小的化合物适用于在非极性的树脂上分离。
极性大小是一个相对概念，要根据分子中基团（如羟基）与非极性基团（如烷基、苯环、环烷母核等）的数量与大小来确定；对于未知化合物，可通过一定的预试验及TLC而大致确定。
2．大孔吸附树脂孔径的影响
大孔吸附树脂是多孔性物质，其孔径特性可用比表面积（S）、孔体积（V）和计算所得的平均半径（r）来表征。
假定孔道为圆柱形，则三者关系r=2V/S，V可由压汞仪测得，S可由比表面积测定仪测得。
被分离成分通过树脂的孔道而扩散到树脂的内表面而被吸附。
大孔吸附树脂孔径的大小，直接影响不同大小的分子自由进入，从而使树脂具有选择性。
因此，只有当孔径对于被分离成分足够大时，比表面积才能充分发挥作用，即大孔吸附树脂比表面积越高，而平均孔径小。
其吸附速度越慢，解吸越不够集中，杂质的分离效果也就越差。
3．大孔吸附树脂强度的影响
大孔吸附树脂强度与孔隙率有直接关系，也和制备工艺有关。
这类树脂在酸碱中体积变化不大，在溶媒中则有一定程度的溶胀。
一般大孔吸附树脂孔隙率越高，孔体积越大，则强度越差。
大孔吸附树脂的强度直接影响树脂的使用寿命，从而影响着大孔吸附树脂法工艺的成本。
4．吸附流速的影响
对于同一浓度的上样溶液，吸附流速过大，树脂的吸附量就会降低。
但吸附流速过小，吸附时间就会增加，在实际应用中，应综合考虑来确定最佳吸附流速，既要使大孔吸附树脂的吸附效果好，又要保证较高的工作效率。
5．温度的影响
物理吸附和化学吸附都是放热过程，所以只要吸附已经达到平衡，增加温度无论是物理吸附量还是化学吸附量都会降低。
但是由于化学吸附在低温时往往末达到平衡，而升高温度会使吸附速度增快，所以对于化学吸附来说，在低温时常会出现吸附量随温度升高而增加的情况，直到真正达到平衡以后，吸附量才又随温度升高而下降。
6．其它组分存在时的影响
当溶液中存在二种以上溶质时，往往会引起一种溶质易吸附而使另一种溶质的吸附量降低，一般来讲，对混合溶质的吸附较纯溶质的吸附效果差。
3.大孔吸附树脂的应用
3.1对中草药有效成分的提取
3.1.1黄酮（甙）类 最有代表性的是银杏叶提取物（GBE）。
国外用溶剂萃取法提取[3]，工艺步骤较长，溶剂消耗量大，其质量标准是黄酮甙含量≥24%,萜内酯含量≥6%[4]。
陈冲等[5]应用大孔树脂提取GBE,既达到其质量标准，又降低了成本。
他们将银杏叶用65%乙醇回流提取，减压浓缩，加ZTC澄清剂水沉降后，再将水沉降液上大孔树脂柱，用pH=3水洗涤13倍量，pH=3的25%乙醇洗涤7.5倍量，然后用70%乙醇洗脱，减压浓缩，喷雾干得到淡黄色的银杏叶提取物，其黄酮含量稳定在26%以上，内酯含量稳定在6%以上。
史作清等[6]又研制出ADS-17、ADS-21、ADS-F8等大孔树脂，使GBE的生产具有更大的灵活性，其中ADS-17对黄酮类化合物具有很好的选择性，可得到黄酮甙含量较高的GBE。
3.1.2皂甙类和其它甙类 此类物质应用大孔树脂提取分离的文献报道比较多。
刘中秋等[7]研究了用大孔树脂富集纯化毛冬青总皂甙的工艺条件及参数，他们取毛冬青样品液47ml（6.43g/ml）上大孔树脂柱，用蒸馏水100ml，50%乙醇100ml依次洗脱，毛冬青总皂甙富集于50%乙醇洗脱液中，且除杂质能力强，洗脱率达95%，50%乙醇洗脱液干燥后总固物中毛冬青总皂甙纯度可达57.5%。
3.1.3生物碱类 生物碱的提取可用阳离子交换树脂，但酸、碱或盐类洗脱剂会给后面的分离造成麻烦，用大孔树脂可避免引入外来杂质的问题[8]。
如用AB-8大孔树脂提取喜树碱，可直接得到含量约50%左右的产品，重结晶后喜树碱的含量可达90%[8]。
生物碱的提取还可以采用醇沉法、澄清法和超滤法，张保献等[9]采用这三种方法与大孔树脂法对苦参水提取液进行了精制，其中大孔树脂法为：
取苦参水提液上清液900ml，均分为9份，每份100ml，相当于100g生药，分别离心（2500r/min）后倾出上清液，加适量蒸馏水返溶沉淀部分，离心，合并两次离心液，加入适量蒸馏水，混匀后上大孔树脂柱。
待药液流完后，加入一倍生药量蒸馏水冲柱，待蒸馏水流完后，用4倍生药量的不同浓度乙醇洗脱，乙醇浓度分别为50%、60%、70%，每一浓度平行各做3份。
洗脱液回收乙醇，浓缩并真空干燥成干浸膏。
他们以苦参总生物碱的含量为指标，对4种精制方法进行了比较研究，结果4种方法精制后，苦参总生物碱的含量的高低顺序为：
醇沉法（10.61mg/g）>澄清法（4.40mg/g）>超滤法（3.05mg/g）>大孔树脂法（2.11mg/g），因此，苦参总生物碱的精制方法宜采用醇沉法。
3.1.4 其它有效成分的提取胆红素：
刘荣华等研究了CDA-40大孔树脂提取胆红素的工艺。
他们采用正交试验法，以胆红素的提取率为考查指标，对提取工艺进行了筛选，得出最佳工艺流程为[10]：
3.2其他方面的应用
对于甜菊糖的分离纯化，国外有很多利用XAD-7树脂去除色素的报道[11]。
此外，大孔吸附树脂在血液灌流、酶的固定化、氨基酸蛋白质的分离[12]、抗生素的分离提纯、废水处理、升化物质的分离、葡萄糖的分离[13]、医疗卫生、食品应用等也有很多应用。
4.大孔吸附树脂分离技术的展望
大孔树脂吸附分离工艺所得提取物体积小、不吸潮，容易制成外型美观的各种剂型，尤其适用于颗粒剂、胶囊剂和片剂，使中药的粗、大、黑制剂升级换代为现代制剂。
就大孔树脂吸附技术自身而言，它工艺操作简便，不十分繁琐，难度不大，并且树脂可多次使用，也可再生反复使用，成本不是很高，设备较简单，而且这种工艺可以节约大量的能耗、辅料、包装材料、贮藏、运输等费用。
目前，大孔树脂吸附技术广泛地应用于西药的生产中，在我国，中药研究和生产中探索应用大孔树脂吸附技术企业也越来越多，像四川泰华堂制药有限公司，成都地奥制药股份有限公司就已应用。
扬子江药业集团也运用该技术生产银杏制剂。
北京市生产西药的厂家应用较为普遍，同仁堂制药厂也正在试用。
应该有很广阔的推广前景。
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