天然药物有效成分提取过程的动力学模型

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天然药物已被广泛应用于预防和治疗人类疾病,其有效成分的提取工艺及获得高提取率等方面的研究,一直是天然药物研究工作者所关注的重要课题之一。据报道,天然药物有效成分的提取工艺大多凭经验或利用曲线拟合实验数据来确定。天然药物有效成分的提取过程是一个复杂传质的动态过程,受到诸多物理化学因素的影响,如:提取温度、颗粒半径、溶剂浓度、液料比、高温分解、液相吸附等。目前,对天然药物提取过程的动态研究仍缺乏系统的理论分析。本课题以此为研究的切入点,基于有效成分在提取过程中的传质行为,建立能客观描述天然药物有效成分提取过程的动力学模型,并进行相关的理论分析及实验验证。本研究将为天然药物高效率提取有效成分的工艺提供重要的理论支撑。本课题定性描述了天然药物提取过程的理论基础,基于传质理论,建立了以内扩散为控制步骤的提取过程的动力学模型,对模型进行定量分析,得到了有效成分的最优提取率及最优时刻随外界参数(提取温度、颗粒半径、乙醇浓度、液料比)的变化。以金银花提取绿原酸为例,根据理论分析得到了外界参数的最优值,设计了恒温回流搅拌提取绿原酸的单因素实验,利用实验数据验证动力学模型。该模型为天然药物提取工艺的参数设计提供一种新的理念和方法。本课题研究的主要内容和结果如下:①系统分析了天然药物的提取过程,基于Fick扩散第二定律,得到了动力该模型不仅描述了外界参数(提取温度、颗粒半径、乙醇浓度、液料比)与有效成分提取率的关系,还反映了固有属性(如药材密度ρ,孔隙率ε,溶液粘度μ,溶剂分子量M_B)与有效成分提取率的关系。该模型适用于以内扩散为控制步骤,有效成分因高温引起的分解,药材颗粒半径过小产生的液相吸附,有搅拌效应的提取过程。该模型引入了评价高温分解和液相吸附的参数:分解系数k D和吸附量m a,能准确的描述天然药物有效成分的提取过程。②对动力学模型进行求解并定量分析了有效成分最优提取率及最优时刻随外界参数的变化。当提取温度,颗粒半径,乙醇浓度,液料比分别为60℃,0.4202mm,70%,15mL/g时,有效成分最优提取率达到最大值。而提取温度越高,颗粒半径越小,提取速率越大,最优提取时刻越小。另外,在稀溶液中,扩散系③在所建立的动力学模型的假设及理论分析结果的基础上,设计了恒温回流搅拌提取金银花有效成分绿原酸的单因素实验,修正及检验动力学模型。索氏提取法测得金银花中绿原酸的含量,计算绿原酸的提取率为1.5%。单因素实验结果:在温度实验组中,当提取温度为60℃,绿原酸提取率为最大值(77.16%);在半径实验组中,当颗粒半径为0.4202mm,绿原酸提取率为最大值(77.31%);在乙醇浓度实验组中,当乙醇浓度为70%,绿原酸提取率为最大值(78.04%);在液料比实验组中,当液料比为15mL/g,绿原酸提取率为最大值(78.06%)。用绿原酸提取率的实验值检验动力学模型的理论值,拟合度良好,说明建立的动力学模型能准确的反映天然药物有效成分的提取过程。根据模型分析结果设计的金银花提取绿原酸的最优参数的实验可知,绿原酸的提取率为77.16%,比现有文献的绿原酸的提取率(71.15%)提高了6.01%,动力学模型对天然药物提取工艺有一定的指导意义。
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