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超声波提取机原理

发布时间:2015-09-11   点击次数:1807次

超声波提取机原理

  1. 概念

       超声波指频率﹥20KHz,人的听觉阈以外的声音。它可在介质中传播,利用其空化、机械、热、化学、生物等效应对介质施加的作用向体系提供能量,从而用来强化过程或化学反应,如搅拌、分散雾化、凝聚、冲击破碎、加热、促进氧化-还原反应、促进高分子聚合或解聚反应等。超声波辅助浸提是中药工业领域近年来兴起的以强化浸提为目标的现代技术,适宜功率与强度的超声波在药材-溶剂的固液体系中传播时产生的空化现象(cavitationeffect)是运用超声技术于中药成分浸提的根本。当大能量超声作用于提取介质时,存在于液体中的微小气泡(空腔或空化核)在声波的负压半周期时体积迅速增大,而接下来的声波正压周期时气泡又会被绝热压缩,空腔尺寸迅速变小直到完全闭合,在此瞬间空腔及周围空间内出现热点。空化时微小气泡的爆裂所产生巨大压力是被破裂物细胞壁及整个生物体的破裂在瞬间完成,缩短了破碎时间,超声波发生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散、溶解,因为是物理过程而对被提取物质的生物活性没有什么影响。空化发生时,液体中的微小气泡核在高强度超声波作用下发生震荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程,在崩溃的极短时间内,空化泡周围产生高温、高压、强烈冲击波和时速400km/h以上的微射流,在固体表面的剥离、凹蚀和粉碎作用创造了新的活性表面,使传质表面增大。空化时产生的湍动效应使固液传质边界层变薄,导致界面层中溶质的浓度梯度减少,传质速度大大高于其他方法。空化产生的微扰效应使固液传质过程的微孔扩散得以强化,涡流扩散加强,加快了浸提过程。

  1. 超声波的频率                                                                              

多数研究在药材成分浸提时使用低频率超声,以20~45 KHz为zui常用;但也见有在高频超声中浸提的,如1000 KHz.超声浸提时,超声波作用于药材-溶剂的固液体系,超声波的频率与药材-溶剂体系有一个适配问题,有些超声浸提研究会考虑这一因素,应寻找不同超声频率对药材成分浸提收得率的影响,zui终确定适宜的超声频率。如自黄芩根浸提黄芪苷时,频率为20KHz时浸提收得率zui高;麻黄超声浸提时用50KHz较25KHz浸取得率高;浸提益母草总碱、薯蓣皂苷时则以1000KHz为好。可见药材成分浸提时,要因药材种类、部位、所含成分的化学形式、生物形式等因素的不同来选择适宜的超声频率。一般讲,超声频率愈低,空化作用愈强,对生物组织的破坏也会愈强,但并不是愈大的破坏下才有好的进出效果。

  1. 超声波的强度

       通常文献中对超声波强度的表述方法有W/㎡(超声波辐射的垂直方向,每1㎡受照面积上得到的超声波功率W)或对于特定的试验装置中输出的超声波功率(W)。除了频率与药材-溶剂固液体系适配外,功率的大小对超声浸提效率影响重大,有实验表明0.5 W/㎡已能使固液体系产生强大的空化作用,但是过大的超声功率下浸提收得率也不一定更大。如用不同强度的超声浸提大黄年蒽醌时,0.5 W/㎡低强度下浸提收得率为;再如0.28 W/㎡下超声浸提党参皂苷收得率是常规浸提方法的2倍,其纯度也有提高。从工业化超声浸提装备开发的角度看,药材成分浸提时的超声波功率也不宜太大,比起小实验装置因为投料量成百数千倍的增加,将增加超声波发生器因大功率造成的研制难度。

  1. 超声波的作用时间                            

       超声波浸提与常规浸提相比,其作用时间相对要短,一般在20~45min已有好的效果、如在益母草的益母草总生物碱、黄芩的黄芩苷、漏芦的蜕皮甾酮的浸提中,在40min、50min、60min时浸提收得率分别出现一个峰值。在超声波辅助浸提的各种影响因素中,超声波作用时间的影响与其他因素相比并不显著。

       超声浸提过程中并不是全部浸提时间都有超声作用,一般是作用-间歇-作用-间歇。。。。的周期性变化过程,如果作用时间为U,间歇时间为D, 将U/D称作占空比。占空比用来控制超声浸提的空话作用及其他附加作用,是实验研究中值得注意的一个参数。占空比对药材成分浸提收得率、浸提效率、杂质含量、成分的化学稳定性等可能产生影响。

                                                           (感谢曹光明等老师)

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