第三章(一)大孔树脂吸附分离技术

第三章新型分离技术在天然产物提取中的应用第一节树脂吸附分离技术一、吸附树脂的种类吸附树脂有许多品种，吸附能力和所吸附物质的种类也有区别。但其共同之处是具有多孔性，并具有较大的比表面积（主要是孔内的表面积）。吸附树脂按其化学结构有以下几类。（1）非极性吸附树脂一般是指电荷分布均匀，在分子水平上不存在正负电荷相对集中的极性基团的树脂。如由二乙烯苯（DVB）聚合而成的吸附树脂AmberliteXAD-4（美国）、XAD-2、DaionHP-20、ADS-5（中国）等。（2）中极性吸附树脂此类树脂内存在酯基一类的极性基团—COOR，具有一定的极性。（3）极性吸附树脂此类吸附树脂具有酰胺、亚砜、腈等基团，这些基团的极性大于酯基。（4）强极性吸附树脂此类吸附树脂含有极性最强的极性基团，如：吡啶基、胺基等。二、吸附树脂的结构吸附树脂的特点主要是其多孔性。孔的结构、孔径、孔体积及孔的表面积等是影响其性能的关键因素。与其他吸附剂不同的是，吸附树脂的孔结构及各项指标可在很大的范围内进行调整，其化学结构也有很大的变化余地。因而吸附树脂有很多性能不同的品种规格，可以满足多种应用领域的要求。孔的形态结构吸附树脂的多数品种是由悬浮聚合法制得的。孔的形成是一个渐变的过程。聚合开始后，生成的高分子链溶解在单体与致孔剂组成的混合体系中。当高分子链逐步增大后，便会从混合体系中析出，这就是“相分离”。最初分离出的聚合物形成5~20nm的微胶核，微胶核又互相聚集成60~500nm的微球。随着聚合反应的继续进行，微胶核与微胶核及微球与微球都互相连接在一起，而致孔剂（特别是不良溶剂）则最终残留在核与核或微球与微球之间的孔隙中。当致孔剂被去除之后，留下的空间便是孔。根据以上孔的形成过程，可以想像孔的形状是不规则的，孔径大小也是不均匀的。孔的比表面积吸附树脂的表面积很大，这是其具有良好吸附能力的基础。树脂颗粒的外表面积很小，一般在0.1m2/g左右。而其内部孔的表面积却很大，多为500~1000m2/g。这就是说，若将1kg吸附树脂的孔展开，其面积有0.5~1km2之大。孔径和孔径分布吸附树脂的孔是很复杂的，因而其孔的大小也不易准确地表征。对于圆筒形孔模型来说，孔径是指圆筒的直径（D）或半径(R)。由于孔的大小很不均匀，故表征孔径时又常用平均孔径（D或R）和孔径分布。通常所说的吸附树脂的孔径实际上就是指的平均孔径。孔体积系指孔的总体积，以ml/g表示，亦称孔容。以孔体积占多孔树脂总体积（包括孔体积和树脂的骨架体积）的百分数的表征方式也常用，称为孔隙率或孔度。吸附树脂的孔体积多为0.5~1.1ml/g。三、吸附树脂的性能吸附树脂的性能包括许多方面，如溶液中的溶质的吸附量、吸附率、吸附速度、吸附选择性、脱附性能等。在实际应用工艺中对树脂性的要求往往是全面的，任何一项性能的缺陷都可能成为应用工艺成败的关键。上述性能的基础是吸附树脂在吸附时所显示的吸附平衡和吸附动力学特性。目前在这方面的研究还不多，树脂生产厂家也往往提供不出相关树脂的全面资料，这给使用、设计部门造成一定的困难。在吸附树脂用于天然产物有效成分分离时，由于所涉及的体系很多，每一个体系的成分又很复杂，要想得到树脂的各种参数几乎是不可能的。尽管如此，了解吸附树脂的这些基本性能，对于实际应用仍然有指导意义。四、吸附树脂的使用方法1、吸附树脂的预处理原因：吸附树脂的孔体积一般来说小于其合成时所用致孔剂的体积。这就是说在生产过程或去除致孔剂的过程中出现了缩孔现象。吸附树脂也不宜干燥，原因是易引起缩孔，使树脂吸附性能下降。商品吸附树脂都是含水的，在储存过程中有可能会因失水而缩孔。另一方面，商品吸附树脂在出厂前也未进行彻底清洗，不可避免地会残留一些原料或副产物，因而在使用前必须进行预处理，以去除树脂所含的杂质，合理的处理方法还可使树脂的孔得到最大限度的恢复。方法：吸附树脂的预处理应在树脂柱中进行。一般是将树脂装至柱高的2/3处，用水进行反洗，使树脂层松散、展开，将树脂的微细粉末及一些机械杂质洗去。然后放出水，至水面略高于树脂的层面。接着，用酒精以适当的流速淋洗，至流出的酒精中无油溶性杂质为止。最后用水洗出酒精即可使用。这样可洗出小分子有机物。有时因长期存放变干，或要求更严格的清洗，可用水→乙醇→甲苯→乙醇→水依次淋洗，这样不仅能洗出有机杂质，还可洗出线型聚合物。对于变干缩孔的吸附树脂还能使其孔结构恢复至最佳状态。对于不同极性和不同骨架结构的吸附树脂，可以参照上述方法进行预处理，至少应以使用时的洗脱剂洗至无杂质流出。五、吸附分离装置（1）静态吸附可在带搅拌的釜或槽中进行。溶液黏度较大，悬浮物较多或分配比较大时可用此方式。如果加入吸附树脂后不进行搅拌，这时靠近吸附树脂的色素逐渐被吸附，离吸附树脂较远的色素逐渐向吸附树脂附近扩散，这种静止的扩散较慢，吸附树脂的吸附速度和水的颜色变浅的速度也就较慢。若进行适当的搅拌（这仍然称为静态吸附），吸附的速度会大大加快。（2）固定床吸附装置该装置实际上是一种常规的离子交换柱，常用的为几百升至几百立方米的不锈钢或搪瓷柱，下部或上、下部装有80目的滤网（实验室则常用玻璃柱）。这种吸附树脂是固定的，溶液是流动的，因而被称为动态吸附。固定床因装填的不均匀性、气泡、壁效应或沟流的存在，吸附饱和层面的下移常是不整齐的，即存在所谓“偏流”现象。并且当吸附过程临近结束，部分吸附质从柱子随溶剂漏出时，柱子底部的树脂层尚未达到吸附平衡，因而柱式吸附时树脂的负载量可能会有些变化。六、大孔树脂的结构、组成、原理、类型与规格1.结构大孔吸附树脂是近20余年发展起来的，它是一种新型非离子型高分子聚合物吸附剂，一般为白色球形颗粒，粒度为20～60目。大孔树脂的宏观小球系由许多彼此间存在孔穴的微观小球组成。如果把一个宏观小球比做远看的一簇葡萄，那么每一个微观小球就相当于近看的一颗小葡萄，小葡萄间存在孔穴的总体积与一簇葡萄体积之比，称为孔度，小葡萄之间的距离称孔径。所有小葡萄的面积之和就是一簇葡萄的表面积，亦即树脂的表面积。如果以单位质量计算，将此表面积除以一簇葡萄的质量，即得比表面积(m2／g)。2.组成大孔吸附树脂主要以苯乙烯、二乙烯苯等为原料，在0.5％的明胶溶液中，加入一定比例的致孔剂聚合而成。其中，苯乙烯为聚合单体，二乙烯苯为交联剂，甲苯、二甲苯等作为致孔剂，它们互相交联聚合形成了大孔树脂的多孔骨架结构。3.树脂的特性及分离原理大孔吸附树脂是通过物理吸附从溶液中有选择地吸附有机物质，从而达到分离提纯的目的。其理化性质稳定，不溶于酸、碱及有机溶剂，对有机物选择性较好，不受无机盐类及强离子、低分子化合物存在的影响。不同于以往使用的离子交换树脂，大孔吸附树脂为吸附性和筛选性原理相结合的分离材料。由于其本身具有吸附性，能吸附液体中的物质，故称之为吸附剂。树脂吸附的实质是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。大孔树脂的吸附力是由于范德华力或产生氢键的结果。其中，范德华力是一种分子间作用力，包括定向力、色散力、诱导力等。同时由于树脂的多孔性结构使其对分子大小不同的物质具有筛选作用。因此，有机化合物根据吸附力的不同及分子量的大小，在树脂的吸附机理和筛分原理作用下实现分离。4大孔树脂的性质及类型大孔树脂按其极性大小和所选用的单体分子结构不同，可分为非极性、中等极性、极性和强极性四种类型。(1)非极性大孔树脂苯乙烯、二乙烯苯聚合物，也称芳香族吸附剂。(2)中等极性大孔树脂聚丙烯酸酯型聚合物，以多功能团的甲基丙烯酸酯作为交联剂，也称脂肪族吸附剂。(3)极性大孔树脂含硫氧、酰胺基团，如丙烯酰胺。(4)强极性大孔树脂含氮氧基团，如氧化氮类。5规格大孔吸附树脂用于医药的规格品种，如美国Rohm和Haas公司生产的AmberliteXAD系列，日本三菱化成工业公司生产的DiaionHP-10、HP-20、HP-30、HP-40、HP-50，以及中国南开大学生产的D2、D6、D8，沧州宝恩HPD系列，天津制胶厂生产Dl0l型等。它们的规格及物理特性见表编号极性比表面平均孔径用途D3520非极性480~52085~90蛋白质提取，脱色、脱盐等。D4006非极性400~44065~75酒类除去高级脂肪酸酯类等。H103非极性1000~110085~95抗生素提取分离，去除酚类、氯化物、农药等。X-5非极性500~600290~300抗生素、中草药分离提取，有机废水处理，制备固定相。NKA非极性570~590200~220皂甙提取等。AB-8弱极性480~520130~140甜菊糖提取，有机物提取。NKA-9极性250~290155~165胆红素去除，生物碱分离，黄酮类提取等。S-8极性100~120280~300有机物提取分离。南开大学树脂七、大孔吸附树脂的优缺点1.应用范围广大孔吸附树脂的应用范围比离子交换树脂广，表现在:其一，许多生物活性物质对pH较为敏感，易受酸碱作用而失去活性，限制了离子交换法的应用，而采用大孔吸附树脂，既能选择性吸附，又便于溶剂洗脱，整个过程pH不变；其二，对于存在有大量无机盐的发酵液，离子交换树脂受严重阻碍无法使用，而大孔树脂却能从中分离提取抗菌素等物质。2．理化性质稳定大孔树脂稳定性高，机械强度好，经久耐用，且又避免了溶剂法对环境的污染和离子交换法对设备的腐蚀等不良影响。3．分离性能优良大孔树脂对有机物的选择性良好，分离效能高，且脱色能力强，效果不亚于活性炭。4.使用方便大孔树脂一般系小球状，直径在0.2~0.8mm之间，因此流体阻力小于粉状活性炭，使用方便。5.溶剂用量少溶剂法是液液萃取，溶剂消耗大，回收较难，而大孔树脂吸附法仅用少量溶剂洗脱即达到分离目的，不仅溶剂用量少，而且又避免了严重的乳化现象，提高了效率。6.可重复使用，降低成本大孔吸附树脂再生容易，一般用水、稀酸、稀碱或有机溶剂如低浓度乙醇、丙酮对树脂进行反复清洗，即可再生重复使用。7.其他方面大孔吸附树脂价格较贵，吸附效果易受流速和溶质浓度的影响；品种有限，不能满足中药多成分、多结构的需求；操作较为复杂，对树脂的技术要求较高八、大孔吸附树脂的质量要求和质量评价1.质量要求树脂自身的规格标准与质量要求对中药提取液的纯化效果和安全性起着决定性作用，因此，在购买大孔树脂时，应向树脂提供方索取资料，以便充分了解各种树脂的结构、性能和适用范围。(1)大孔吸附树脂规格标准标准内容应包括名称、牌(型)号、结构(包括交联剂)、外观、极性，以及粒径范围、含水量、湿密度(真密度、视密度)、干密度(表观密度、骨架密度)、比表面、平均孔径、孔隙率、孔容等物理参数，还包括未聚合单体、交联剂、致孔剂等添加剂残留量限度等参数，写明主要用途，并说明该规格标准的级别与相关标准文号等。(2)使用说明书说明书内容包括：①所用树脂性能简介、主要添加剂种类与名称；②未聚合单体、交联剂、主要添加剂种类与名称；③树脂安全性动物实验资料，包括树脂及其粉碎物(XX目)、预处理前后洗脱溶剂浓缩液等样品的规范化急性、长期毒性试验结果，或其他能证明其安全性的资料；④使用注意事项，根据树脂的物理化学性能及其影响吸附的因素，明确指出新树脂的预处理、上柱吸附、洗脱、再生、贮存等正确操作方法，及可能出现异常情况的处理方法，以保障树脂的正常使用；⑤树脂有效使用期的参考值；⑥生产厂家及生产许可证合法证件。2.质量评价根据大孔树脂的技术要求，对其作出相应的质量评价，主要包括以下几方面内容。(1)残留物总量检查:为保证药用树脂的安全可靠，应对树脂的交联剂、致孔剂、分散剂、防腐剂及添加剂等残留物总量进行检查。在新药研究时，一般应在成品中建立树脂残留物及裂解产物的检测方法，制订合理的限量，并列入质量标准正文，用以控制树脂质量。使用苯乙烯型大孔树脂，其残留物检查项目(质量分数)及限度暂定为：苯2X10-6、甲苯890X10-6、二甲苯2170X10-6；苯乙烯