循环超声技术及其在中药研发和生产中的应用
时间：2009-06-10 阅读：2974
赵 兵1, 尹 辉2X
（11 *过程工程研究所生化工程国家重点实验室, 北京 100080;
21 北京弘祥隆生物技术开发有限公司, 北京 100083）
我国加入W TO 后, 中药和天然产物生产企业要想在竞
争中赢得主动, 必须采用*的提取分离技术, 为此, 国家已
将提取分离技术作为今后重点发展的技术之一。在发达国
家, 药材从投料开始, 整个操作过程在连续封闭环境下进行,
自动化程度高, 经粉碎后的药材定时投入提取设备, 提取液
连续从提取罐中排出, 药液和药渣均在封闭的管道中运行,
保持了环境的整洁, 提高了药材的利用率, 其提取效率是常
规方法的3～ 4 倍, 整个生产过程采用计算机控制, 避免了人
为因素造成的产品质量不稳定, 因而产品具有竞
争力。
随着多学科互相渗透和对浸提原料及过程研究的深入,
新的提取技术不断出现和应用, 为提高我国中药产品的质量
和技术含量作出了贡献。循环超声技术就是其中之一, 它解
决了超声提取的工程放大问题, 大大提高了超声场强度、物
料对超声波的利用率以及物料接受超声波处理的均匀性, 北
京弘祥隆生物技术开发有限公司与*过程工程研
究所合作已成功地将循环超声提取设备应用于工业化生
产中。
1 超声提取的基本原理及存在问题
当大能量的超声波作用于提取介质, 在振动处于稀疏状
态时, 介质被撕裂成许多小空穴, 这些小空穴瞬时即闭合, 闭
合时产生高达几千个大气压的瞬时压力, 即空化现象。超声
波对各种成分的提取分离的强化作用主要源于其空化作用。
空化中微小气泡的爆裂产生的极大压力使被破碎物细胞壁
及整个生物体的破裂在瞬间完成, 缩短了破碎时间, 同时超
声波产生的振动作用加强了胞内物质的释放、扩散及溶解,
可显著提高提取效率。超声波破碎过程是一个物理过程, 过
程中无化学反应, 被浸提的生物活性物质保持不变。
在空化发生时液体中的微小气泡核在高强度超声波作
用下发生振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程, 同时
在崩溃的极短时间内, 在空化泡周围产生高温、高压, 强烈冲
击波和时速400 kmöh 以上的微射流, 对固体表面的剥离、
凹蚀和粉碎作用创造了新的活性表面, 这种界面效应使传质
表面积增大。空化时产生的湍动效应使固液界面中传质边界
层变薄, 导致界面层中溶质的浓度梯度减少速度大大高于其
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, 使得涡流扩散加强, 加快提取过程。超声频率增高,
提取时间延长, 超声场产生的聚能效应导致提取液温度升
高。湍流效应、微扰效应、界面效应和聚能效应与超声场的频
率、功率及体系的温度等有关。在天然产物提取过程中, 细胞
的破壁、溶质的扩散和平衡速度等与单位面积超声功率相
关, 而且均会对提取效率和回收率产生影响, 因此一般选用
低频大功率超声。
虽然超声提取在实验室小量样品制备中效果很好并且
已经广泛应用, 特别是在分析样品的处理中, 其快速、的
特点已被广泛认同, 但超声场的范围和强度限制了每次处理
的物料量, 缺乏有效的工程放大手段和方法限制了其在大规
模生产中的应用。
2 循环超声提取技术的开发背景
*过程工程研究所生化工程国家重点实验室
的研究人员针对我国目前在超声提取过程中存在的工程放
大的难题, 在国家“863”和“九五”攻关项目的支持下, 以褐藻
硫酸酯多糖和青蒿素等为研究对象, 系统地研究了各种超声
提取的特点, 采用生化工程原理和技术, 解决了传统超声提
取中存在的工程放大难题, 并获得多项技术。北京弘祥
隆生物技术开发有限公司（h t tp: ööw ww. hxlbd. com ） 在原有
技术的基础上进一步开发了系列成套适宜于我国中药
材提取企业的新型逆流循环超声提取装置等, 并申请和
获得了多项相关。目前已经形成从几百毫升至5 000 L
有效容积的SY、HF、SC 三大系列20 多个产品, 已经被国内
数十家单位使用, 并多次在政府招标采购中中标。
由于超声提取工程放大难题的解决, 大大拓宽了超声提
取的应用范围。循环超声技术及设备不仅适用于各种天然产
物提取, 而且还可以用于超声分散、乳液制备、缓释药物超微
胶囊和纳米胶囊制备等, 应用领域扩展到药品、保健品、化妆
品、食品及农产品深加工等多个领域。
3 循环超声提取技术及设备的特点
新型循环超声提取装置的提取时间、提取温度、超
声功率、循环速度等主要参数均可设定和自动控制, 提取效
率是常规提取的几倍到几十倍, 提取温度由100 ℃可降低到
室温（SY 系列产品还可实现低温提取） , 设备性能达到了国
际*水平, 同传统方法比较可节省能耗50% 以上, 提取成
本可降低25% 以上, 可以进行间歇提取和多级连续动态提
取, 物料在封闭管道中运行, 提取液和药渣连续排出, 液2固
连续自动分离, 能实现手动、半自动和全自动控制, 能节约大
量劳动力, 符合GM P 要求。
通过大量试验证明, 同国内外相关设备相比较, 循环超
声提取技术和设备具有显著的特点和优势, 主要包括: 1） 效
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X 收稿日期: 2005207220
率高: 提取时间短, 提取时间仅为常规提取方法的几分之一
到几十分之一。2） 提取能耗低: 小功率超声波即可破碎提取
大量物料, 一般均在室温下提取, 无须大功率搅拌和加热, 能
耗较常规提取方法可降低50% 以上。3） 提取产品质量高: zui
大限度保持了各种有效成分的活性, 特别是各种热敏性成
分, 可达到提高药效、减少用量的目的。同时, 由于提取时间
短, 提取产品中其他无用的组分减少, 可显著降低单一组分
等其他产品的生产成本。4） 目标提取物提取得率高: 由
于采用超声破碎提取技术, 使药材中的有效成分得以充分释
出, 从而使目标提取物的提取率提高。甚至有些用常规方法
难于提取的组分亦能快速提取出来。5） 适用范围广: 同时适
用于挥发性和非挥发性提取介质, 适用于各种天然产物提取
的实验研究、中试试验以及工业化生产, 不受提取物相对分
子质量、极性等限制。6） 自动化程度高、操作简便: 可进行间
歇提取或多级连续提取。提取时间、提取温度、循环速度等主
要参数均可设定和自动控制, 减少了人为因素对产品质量的
影响, 有利于保证产品质量。多级连续动态提取时, 提取液和
药渣在全封闭条件下运行, 能节约大量劳动力和符合GM P
要求。7） 产品性价比高: 循环超声提取装置价格大大低于超
临界CO 2 萃取和进口设备, 设备占地面小, 不需蒸汽等辅助
设施, 因而节省投资。循环超声技术与设备与其他主要超声
提取设备对比见表1。
表1 循环超声提取设备与其他超声设备的比较
Table 1 Compar ison of equipmen ts between c irculation ultrason ic extraction and other ultrason ic extraction s
比较项目循环超声其他超声
外形同常规提取罐管道式、拖链式
超声类型聚能式超声波, 单个换能器功率900～ 1 800W , zui高可达
2 800W。单位面积功率强度是发散式超声波数十倍, 能
满足各种细胞破壁要求
发散式超声波, 主要用于超声清洗器, 单个换能器功率小,
一般仅为几到几十瓦, 难于满足各种细胞破壁要求
与物料接触
方式
聚能式换能器直接与物料接触, 超声波利用效率为100% ,
所有物料都处于超声场的有效范围, 物料为拟均相, 接受
超声处理机会均等
超声换能器均是嵌在管壁、提取罐壁等, 超声波需要通过器
壁再传递到物料, 超声场仅分布在管圆周的少部分范围,
超声波利用率低, 物料有的无法接受超声波, 有的过度接
超声场作用受超声处理
方向
循环超声与物料之间成逆向或顺向流动均可, 超声场中除
了混合物料以外, 没有其他任何影响流动和超声波作用
的部件
物料的移动方向与超声场成垂直方向, 管道式设备中超声
波存在被推进螺旋等反射和损耗
物料推动
方式
循环超声设备内形成均匀的液固混悬物, 类似于拟均相, 循
环通过高强度超声场, 使物料有相同的提取机会, 物料推
动消耗动力小
管道式设备物料向上移动要靠螺旋往上推, 液体依靠高差
往下流, 由于高差、流动和超声垂直作用的关系, 会有部
分细料很难达到顶部, 造成物料混合均匀度差和过度破
碎, 而且动力消耗较高
占地面积紧凑型结构, 占地面积很小, 高度与传统提取罐相近, 物料
循环速度和提取时间任意可调
管道式设备要保证足够的超声提取时间需要很长管道和足
够的高度差, 因此占地面积大, 对厂房要求高
适用范围适用于挥发性和非挥发性溶媒提取各种成分, 全封闭运行,
对于各种物料（特别是细物料） 均有良好适应性, 从1 000
mL～ 5 000 L 均有系列成套设备, 能满足实验室、中试以
及大规模生产使用要求
管道式设备等一般较适于中试规模, 无法满足实验室小量
样品提取要求, 难于实现大规模和超大规模提取, 而且对
于强挥发性溶媒、细物料等适应性较差
应用推广目前实际用户已有数十家, 从1 000 mL～ 3 000 L 设备均已
成功实际应用, 用户包括国内大学、研究机构、制药
企业、生物工程公司, 在上已逐步拥有了度
管道式设备等其他超声提取设备目前实际用户数量相对
少, 而且还缺乏工业化大规模生产的实际应用
4 循环超声提取设备系列产品
经过不断开发, 北京弘祥隆生物技术开发有限公司生产
的循环超声提取设备目前已基本形成了较完整的产品系列,
主要包括实验室用的SY 系列、中试用的HF 系列及工业化
生产用的SC 系列, 目前共有近20 个产品。循环方式有逆流
和顺流2 种, 循环速度、超声强度、提取温度等均可调节。产
品用户分布在全国各地的高校、研究及设计院所、生产企业
等, 各系列具体产品见表2。
5 循环超声提取技术及设备在中药研发和生产中的应用
从中药中提取天然成分的首要条件是被提取物能够快
速、地进入提取介质, 由于中药有效成分多为胞内产物,
提取过程中一般需要破坏原料细胞壁。循环超声提取技术装
置目前已经成功地用于数十种中药材原料中天然产物的提
取, 部分结果见表3。
上述试验结果说明循环超声提取装置具有良好的放大
性能, 相同设备在不同工艺条件下提取结果可能会相差较
大, 因此需要针对不同的提取原料和提取物进行工艺优化。
表2 循环超声各系列设备
Table 2 Var ious equipmen ts of c irculation
ultrason ic extraction
系 列型 号有效容积 备 注
SY 系列ST2500 500 mL 可制冷和加热
（实验室） SY21000 1 000 mL 可制冷和加热
HF 系列HF22B 2 L 电加热
（中试或生产） HF25B 5 L 电加热
HF210B 10 L 电加热
HF220B 20 L 电加热
HF250B 50 L 电加热
HF2100B 100 L 电加热
HF2200B 200 L 电或蒸汽加热
HF2500B 500 L 电或蒸汽加热
HF210G 10 L 提、萃一体, 电加热
HF220G 20 L 提、萃一体, 电加热
HF250G 50 L 提、萃一体, 电加热
HF2100G 100 L 提、萃一体, 电加热
HF2200G 200 L 提、萃一体, 电或蒸汽加热
HF2500G 500 L 提、萃一体, 电或蒸汽加热
SC 系列SC2500 500 L 电或蒸汽加热
（生产） SC21000 1 000 L 蒸汽加热
SC23000 3 000 L 蒸汽加热
SC25000 5 000 L 蒸汽加热
中草药 Ch inese T radit ional and HerbalD rugs 第37 卷第1 期2006 年1 月·155·
表3 循环超声提取中药的部分结果
Table 3 Some results of extraction of by c irculation ultrason ic equipmen ts
原 料提取物条 件设备规格提取率 备 注
黄花蒿青蒿素20 m in HF22B ≥90% 常规60% 左右
银杏叶黄酮室温、10 m in HF22B 82. 6% 常规水煮4 h
室温、30 m in 88. 3% 时提取率为
40 ℃、30 m in HF250G 91. 6% 56. 5%
蜂胶黄酮室温、30 m in HF22B 41. 8% 常规48 h 为36%
淫羊藿黄酮30 ℃, 30 m in HF22B 87%
甘草黄酮室温、60 m in HF220B 11. 5% （得率）
砂生槐生物碱室温、30 m in HF22B 85%
肉苁蓉甜菜碱40 ℃, 10 m in HF22B 13. 65% （得率） 沸水回流7 h 为131. 5 mgög
苯乙醇糖苷40 ℃, 20 m in HF22B 7. 38% （得率） 相当于60 ℃提取5 h
淫羊藿淫羊藿苷30 ℃, 30 m in HF22B 90% 50% 乙醇
海带硫酸酯多糖30 ℃, 20 m in HF22B 2. 8% （得率） 相当于煮4 h
肉苁蓉多糖40 ℃, 10 m in HF22B 4. 69% （得率） 沸水回流7 h 为43. 7 mgög
海带硫酸酯多糖室温、30 m in HF22B 90% , 岩藻糖≥35% 溶剂在浆萃取直接纯化
花椒室温、40 m in HF220B 吸光度为2. 053 煮提8 h, 吸光度为2. 274
卷烟厂废料苄醇、苯乙醇、
猕猴桃内酯、
大柱三烯酮、
庚酸
室温、30 m in SC23000 HPLC 分析的峰面积分别为
942、1 021、84、1 607、22
常规分别为877、1 004、74、
1 206、3. 2
6 结语
循环超声提取技术及设备有效地解决了超声提取工程
放大的难题, 为超声提取在中药大规模生产中的应用奠定了
基础, 此外它还可以用于超声分散、乳液制备、缓释药物超微
胶囊和纳米胶囊制备等。由于具有良好的使用效果, 循环超
声提取设备正在被越来越多的大学、研究机构和生产企业使
用, 它的应用领域已扩展到药品、保健品、化妆品、食品及农
产品深加工等多个领域。同现有其他相关技术相比, 它具有
显著的技术经济优势, 因此, 具有广泛的应用前景。
References:
[ 1 ] Ying C F1U ltrasonics （超声学） [M ]1Beijing: Science P ress,
19901
[ 2 ] Zhao B, W ang Y C, Ouyang F, et al1 App lication of ultra2
sonic wave in extraction of natural p roducts from p lants [J ]1
Ch in T rad it H erb D rug s （中草药） , 1999, 30 （9） : A 12A 31
[ 3 ] Zhao B, W ang Y C, Ouyang F1A irlift recirculation breakage
ultrasonic of S arg assum thunberg ii fo r iso lation of algae
po lysaccharide [J ]1 Ch in J M arine D rug s （中国海洋药物） ,
1999, 18 （4） : 192231
[ 4 ] W ang Q , HuangM , Zhao B, et al1 Extraction of sulfate radi2
cal po lysaccharide from L am inaria jap onica enhanced by ul2
trasonic wave in an air2lift reacto r [J ]1 Ch in J P rocess E ng
（过程工程学报） , 2001, 1 （1） : 582611
[ 5 ] Zhao B, Dong Z H1 The circulation ultrasonic extraction and
its app lication in extracting pharmaceutical components from
Ch inese Herbs [A ]1 International Conf erence on theM od ern2
iz ation of TCM A bstracts [D ]1 Chengdu, 20021
[ 6 ] Ouyang J , Zhao B, W ang X D, et al1 Circulated extraction of
phenylethano id glyco sides from C istanche d eserticola enhanced
w ith ultrasonic wave [J ]1 N at P rod R es D ev （天然产物研究
与开发） , 2003, 3 （3） : 23222381
[ 7 ] Ouyang J , Zhao B, W ang X D, et al1 Circulating extraction
of po lysaccharides and betaine from C istanche d eserticola en2
hanced w ith ultrasonicwave [J ]1 Ch in J P rocess E ng （过程工
程学报） , 2003, 3 （3） : 22722301
[ 8 ] Ouyang J , Zhao B, W ang X D, et al1 A n integrated method
fo r the extraction of effective substances from C istanche d eser2
ticola [J ]1 J W uhan B ot R es （武汉植物学研究） , 2003, 21
（6） : 52625301
[ 9 ] Huang K L , L i J F, L iu S Q 1 Kinetic model fo r ultrasonic
enhancement of extraction p rocess of Ch inese traditional
medicine [J ]1 J Chem Ind E ng （化工学报） , 2004, 55 （4） :
64626481
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