通过径向超声波照射进行固/液萃取的装置及相关萃取工艺

【技术领域】

本发明涉及一种用于固/液萃取(solid/liquid extraction)的装置。

【背景技术】

在常规固/液萃取装置中，特别是为了从植物来源的研磨材料(ground materialof plant origin)获得感兴趣分子，通常使用超声设备。涉及超声的优化装置可以限制与长时间加热相关的能量消耗，并且消除潜在毒性有机溶剂的使用。这些优化装置还可以在室温下操作，并因此限制某些敏感有机分子的降解。

为此目的，超声波槽通常用于工业中以处理大体积和用于分批操作(onbatches)。然而，这种非优化的装置对于萃取具有许多缺点，例如不能控制由超声产生的温度升高，这可能导致某些热敏分子的降解(degradation)。

此外，目前，在超声波槽中的萃取仅能分批进行。这种工作方式需要在每批处理后将罐体完全清空，清洁罐体并过滤辅助设备上的介质。因此，必须增加混合物的转移和运输步骤，从而导致材料损失和大量的处理时间。

【发明内容】

本发明的一个目的是提出一种紧凑的连续固/液萃取装置，其允许从悬浮在液体溶剂中的固体材料中快速且有效地萃取感兴趣分子，同时保持悬浮液的流动性和均匀性，并且使得可以随后使用一个过滤步骤。

为此，本发明的主题是连续固/液萃取装置，其从上游到下游包括至少：

包括入口和出口的混合器(mixer)，包括入口和出口的萃取盘管(extractioncoil)，盘管的入口连接到混合器的出口，以及连接到盘管的出口的分相器(phaseseparator)，

其特征在于，混合器包括放置在盘管的中心的径向照射超声探头。

根据本发明的液/固萃取装置还可以具有单独地或根据任何技术上可行的组合而采用的以下特征中的一个或多个：

-盘管由围绕轴线螺旋缠绕以形成匝的管(tube)形成，并且其中，超声探头主要在大致平行于盘管的轴线的伸长方向上延伸，并且具有完全包含在盘管的匝之间的有效长度(active length)；

-盘管放置在恒温控制室内；

-盘管相对于水平面以10°至15°之间的角度定位；

-超声探头包括多个翅片(fins)，具体地三个翅片；

-分相器包括阿基米德螺杆(Archimedes screw)，该阿基米德螺杆主要沿着纵向轴线延伸，阿基米德螺杆的直径从上游至下游纵向地增大；

-阿基米德螺杆被孔隙度为20μm至500μm之间的过滤管(filter tube)包围；

-该装置包括连接到分相器的真空泵(vacuum pump)；

-该装置包括连接到混合器出口和盘管入口的泵；

-该盘管由玻璃制成。

本发明还涉及一种用于从通过使用根据本发明的萃取装置由固体材料生产的研磨材料中连续固/液萃取感兴趣分子的方法，该混合器包括界定内部体积的罐，该方法包括将萃取溶剂和固体研磨材料引入到由混合罐界定的内部体积中，混合萃取溶剂和固体研磨材料以便形成均匀的悬浮液，穿过悬浮液萃取盘管，借助于超声探头照射悬浮液穿过盘管，并且使悬浮液穿过分相器，将悬浮液分离成包含富含感兴趣分子的萃取溶剂的液相和包含萃取残余物的固相。

【附图说明】

在阅读仅作为示例给出的以下描述并参考附图之后，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的萃取装置的示意图，该萃取装置包括具有径向照射的超声探头；

图2是图1所示的萃取装置的盘管的示意图；

图3是图1所示的萃取装置的超声探头的示意图；以及

图4是图1所示的萃取装置的分相器的示意性分解图。

【具体实施方式】

图1中示出了固/液萃取装置10。

固/液萃取装置10被配置成用于从液体溶剂中的固体材料萃取感兴趣分子。

特别地，固体材料是植物来源的研磨材料。

例如，植物来源的研磨材料是日本虎杖(Japanese knotweed)的根茎研磨物，感兴趣分子是白藜芦醇(resveratrol)、虎杖苷(polydatin)和大黄素(emodin)。

当然，固/液萃取装置10适用于任何其它植物或任何其它固体材料，其可以被研磨以便从中萃取感兴趣分子。

特别地，装置10适用于植物生物质的生态萃取和后续使用，例如在化妆品、药品、香料中，用于精细化学品和营养品。

参考图1，装置10包括混合器12、萃取盘管14、超声探头16和分相器18。

在下文中，术语“上游”和“下游”以及术语“入口”和“出口”是参考装置内部的流体的正常流动方向而使用的。

混合器12适用于接收固体材料和溶剂并适用于形成均匀的悬浮液19。

混合器12包括罐20和浸入罐20中的机械搅拌器22。

罐20界定内部体积24。

罐20主要围绕轴线X延伸，并且优选地具有带有平底的圆柱形形状。

这种布置可以用于混合悬浮液，同时避免沉淀(sedimentation)，即，防止磨碎的植物材料在罐20的底部变平。

在一种变型中，罐20具有带有圆形底部的圆柱形形状，或者喇叭形(flared)、截头圆锥形、平行六面体形状，或者任何其它可能的形状。

罐20优选地由塑料材料制成。

在一种变型中，罐20由耐腐蚀化学品的不锈钢制成。

内部体积24具有例如在1L和1000L之间，特别是在1L和20L之间的容量。

混合器12包括溶剂入口25和不同于溶剂入口25的固体材料入口26，以及用于悬浮液19的出口27。

在一种变型中，溶剂入口25和固体材料入口26合并。

机械搅拌器22可以绕着轴线X'旋转，轴线X'在这里是竖直的。

优选地，机械搅拌器22和罐20是同轴的。

机械搅拌器22选择成尽可能深地伸入到罐20的内部体积24中，以便尽可能多地限制固体材料的倾析(decanting)并确保悬浮液的尽可能最佳的均匀性。

机械搅拌器22是例如叶片推进器，这里是三叶片推进器。

机械搅拌器22的旋转速度适合于悬浮液的粘度。所述速度通常介于每分钟60转和3600转之间。

混合器12的出口27例如是浸入槽20中的管道28的端部。

管道28例如由硅树脂制成。

在一种变型中，管道28是耐腐蚀化学品的不锈钢管。

在下文中，术语“直径”是指在横向平面中考虑的管道或管的最大范围，即，垂直于管道或管的中心轴线。上述内容涉及例如在管道或管的横截面是圆形的情况下的圆形直径，或者在管道或管的横截面是矩形的情况下的矩形对角线。

管道28优选地在其整个长度上具有恒定的直径。

管道28具有例如8mm的直径和20cm至60cm的长度。

当然，管道28的直径可以变化，并且适合于装置10的其它元件和用于萃取的固体材料。

这同样适用于管道28的长度。

混合器12的出口27例如借助于管道28而连接到盘管14。

有利地，萃取装置10包括混合器12的出口27和盘管14之间的泵29。

泵29从罐20的内部体积24获取悬浮液19，并将其输送到盘管14。

泵29例如是蠕动泵(peristaltic pump)。

泵29的调节使得可以控制进入盘管14的悬浮液19的流量，并因此控制萃取时间。

流速例如介于1L.h

为了使悬浮液19在盘管14中的停留时间足够并且为了使萃取尽可能有效，流速不应太高。

图2中示出了装置10的盘管14的一个示例。

从固体材料萃取感兴趣分子发生在盘管14中。

盘管14包括入口30和出口32。

盘管14的入口30连接到混合器12的出口27。

盘管14由围绕轴线Y螺旋或盘旋缠绕的管34组成。

管34具有管内径δi和管外径δe。

盘管14具有多个匝(a number of turns)、从匝的中心到匝的相对于中心的外边缘测量得的匝外径Δ、以及沿着如所定义的盘管14的Y轴线测量得的两个连续匝(twoconsecutive turns)之间的距离ε。

优选地，管内径δi、管外径δe、匝外径Δ和两个连续匝之间的距离ε在沿着盘管14的轴线Y截取的盘管14的整个长度上是恒定的。

确定匝外径Δ，以便为超声探头16保留足够的容纳空间，然而为了优化所施加的超声功率而使其最小。

特别地，管34具有介于0.5cm和3cm之间并且具体地等于1.4cm的管内径δi和介于0.8cm和3.8cm之间并且具体地等于1.8cm的管外径δe。

特别地，盘管14包括多于十匝，具体地十三匝，其中，内径取决于探头16的直径而介于8cm和20cm之间，并且具体地等于13.5cm。

还设置两个连续匝之间的距离ε，以限制超声波的反射并提高超声探头16的效率。

特别地，两个连续匝之间的距离ε介于0.2cm和1cm之间，并且具体地等于0.3cm。

管34具有例如介于50mL和9L之间的容量，并且具体地等于880mL。

调节匝数或使用盘管延伸部分使得可以影响萃取时间。实际上，在沿着盘管14的Y轴线截取的超声探头16的长度的限制内并且取决于如将在下文中描述的所述超声探头16的功率，匝数越大，萃取时间越长，萃取率越好。

盘管14优选地由玻璃制成。

上述允许有限的反射，并因此允许超声波的更好的效率。

有利地，参照图1，萃取装置10包括恒温控制室40，盘管14放置在该恒温控制室内。

以上使得可以根据待萃取的分子来控制萃取温度。

根据第一实施例，如图1中的情况，盘管14竖直地位于恒温控制室40中，使得盘管14的入口30放置在比出口32的高度更高的高度处，并且悬浮液19在重力的推动下流过盘管14。

因此，限制了装置10的占地面积要求。

在一种变型中，盘管14定位成相对于水平面形成介于10°至15°之间的角度。

通过限制重力的影响，上述使得可以尽可能多地控制悬浮液19在盘管14内的停留时间。

恒温控制室40通常是容纳传热流体并与温度控制系统连接的容器。

传热流体是例如水和乙二醇的混合物，水和乙二醇的体积各占传热流体总体积的50％。

温度调节系统例如由压缩机提供，使得可以调节传热流体的温度并保持传热流体的温度大致恒定。

根据固体材料和待萃取的感兴趣分子，温度设定在5℃和75℃之间。

恒温控制室40包括用于传热流体的入口41和出口42。

通过图3所示的径向发射超声探头16来辅助萃取。

超声探头16浸入恒温控制室40中。

超声探头16位于盘管14的中心。

超声探头16主要沿着伸长方向A延伸。

优选地，当超声探头16就位时，伸长方向A大致平行于盘管14的轴线Y。

超声探头16例如位于小于5cm的最大径向距离处，这取决于探头的直径，具体地，离盘管14的各匝3cm。

如图3所示，超声探头16具有沿着伸长方向A测量得的、介于25cm和35cm之间的总长度L

超声探头16具有介于20cm和30cm之间的有效长度L

有效长度L

特别地，超声探头16具有等于24.2cm的有效长度L

超声探头16的有效长度L

超声探头16包括多个翅片44。

“翅片”是指在两端之间延伸并具有朝向两端中的每一个的扩口形状的杆状物。

特别地，超声探头16从盘管14的上游到下游包括三个翅片44，近侧翅片44p、中心翅片44c和远侧翅片44d。

各个翅片44具有例如介于1cm和10cm之间的最大直径。

特别地，各个翅片44具有等于3cm的最大直径和等于1.6cm的最小直径。

中心翅片44c和远侧翅片44d是相同的。

近侧翅片44p的长度小于中心翅片44c的长度或远侧翅片44d的沿着超声探头16的伸长方向A测量得的长度。

超声探头16的电功率介于75W和750W之间。

电功率的调节使得可以优化不同目标分子的萃取效率。

超声探头16的频率介于20kHz和80kHz之间。

连续超声波照射增加了感兴趣分子从固体材料到溶剂的转移，这取决于盘管14内的停留时间和声功率，同时保持悬浮液19的流动性和均匀性。

超声探头16位于盘管14的中心，使得超声探头和悬浮在萃取溶剂中的固体材料之间不可能直接接触，从而限制了悬浮液被污染的任何风险。

盘管14的出口32连接到图4所示的分相器18。

分相器18包括入口48，悬浮液19在通过盘管14之后通过该入口进入。

分相器18包括例如阿基米德螺杆50。

阿基米德螺杆50主要沿着纵向轴线B-B'延伸。

阿基米德螺杆50的轴线B-B'具有有利地从上游到下游增大的直径。

上述使得可以在悬浮液流过阿基米德螺杆50时压实悬浮液，并因此回收最大数量的溶剂，该溶剂富含从固体材料萃取的感兴趣分子。

阿基米德螺杆50具有介于例如1cm和50cm之间的最大直径。

特别地，阿基米德螺杆50具有等于25mm的最大直径。

阿基米德螺杆50具有沿着其轴线B-B'测量得的、例如在10cm和200cm之间的长度。

特别地，阿基米德螺杆50具有等于15cm的长度。

阿基米德螺杆50有利地被过滤管52围绕。

管52例如由不锈钢丝布制成。

管52具有介于20μm和500μm之间的孔隙度(porosity)。

特别地，管52具有大致等于50μm的孔隙度。

阿基米德螺杆50和管52有利地放置在管状护套54中。

管状护套54由例如有机玻璃材料制成。

护套54具有例如介于2.5cm和50cm之间的直径。

特别地，管状护套54具有等于3.5cm的直径。

管状护套54具有沿着阿基米德螺杆50的轴线B-B'测量得的长度，例如在10cm和200cm之间。

特别地，管状护套54具有等于15cm的长度。

阿基米德螺杆50有利地由电动机致动，该电动机由介于每分钟1转和每分钟100转之间的可调速驱动器控制。

电动机具有例如15V和1A的最大允许功率。

在出口处回收的固体的水分取决于阿基米德螺杆50的旋转速度。如果阿基米德螺杆50旋转得太快，则材料在从出口排出之前无法排出足够长的时间。

参照图1，装置10有利地包括连接到分相器18的真空泵60。

真空泵60例如是蠕动泵。

真空泵60优选地是配备有电子压力计的隔膜泵。

真空泵60例如被构造成使得在阿基米德螺杆50中测量的压力介于100毫巴与900毫巴之间。

特别地，真空泵60被构造成使得在阿基米德螺杆50中测量的压力等于800毫巴。

过高的真空是不期望的，因为过高的真空会阻塞阿基米德螺杆50。

分相器18包括阿基米德螺杆50下游的固相出口62和包括富集感兴趣分子的溶剂的液相出口64。

液相出口64有利地与分相器18的入口48正好相对。

分相器18与真空泵60的布局使得可以回收最大量的富集溶剂而没有固体材料，并且可以消除几乎干燥的固体萃取残余物的滤饼(cake)，该滤饼可以随后再循环使用。

分相器18允许固相和液相同时进入。因此防止了在回流商用装置中观察到的放电现象。

装置10有利地包括用于在分相器18的出口62附近接收固相的罐66。

装置10有利地还包括连接到液相出口64的倾析器70。

倾析器(decanter)70用于通过重力分离残留在液相中的细颗粒。

倾析器70例如是锥形(Erlenmayer)烧瓶。

在分相器18的出口处获得的富含感兴趣分子的溶剂例如经由真空泵60输送到倾析器70。

倾析器70例如通过管72连接到用于富含感兴趣分子的溶剂的出口64。

管72例如由硅树脂制成。

真空泵60具有产生真空和将液相输送到倾析器70的双重优点。为了使真空泵60的真空有效，管72必须尽可能地刚性。

分相器18和真空泵60使得可以非常快速地获得澄清的液体溶液，通常在不到一小时内。

根据本发明的装置10可以用于从由磨碎的固体材料获得的固相连续萃取和分离含有富含感兴趣分子的溶剂的液相。

具有径向照射的超声探头16不与悬浮液19直接接触，这限制了任何污染的风险。声功率调节使得可以优化感兴趣的不同目标分子的萃取效率。

该装置还具有紧凑、可移动和在高流速下可用的优点。

此外，许多参数可以根据待萃取的感兴趣分子进行调节：通过设定将固体材料送入混合器12的阿基米德螺杆50的旋转速度和将溶剂带入混合器12的泵的流速来确定悬浮液19的固/液比，通过设定恒温控制室40的温度来确定萃取温度，通过设定将悬浮液19带入盘管14的入口30的泵29的流速来确定萃取时间，或者通过设定盘管14的长度来确定萃取时间。

装置10允许限制溶剂和能量的消耗，并且不需要诸如过滤器的用于工作的消耗品，因此允许限制操作成本。

现在将描述使用萃取装置10从固体材料萃取感兴趣分子的方法。

将萃取溶剂和磨碎的固体材料引入由混合器12的罐20界定的内部体积24中。

萃取溶剂有利地为水和乙醇的混合物。

在一个变型中，萃取溶剂是技术上可想到的用于进行固/液萃取的溶剂或不同性质的溶剂的混合物。

水和乙醇的混合物的比例相对于溶剂的总体积介于1:99和99:1体积比之间。

萃取溶剂例如在上游制备，然后通过计量泵输送到罐20的内部体积24。

在一个变型中，萃取溶剂借助于二元泵(binary pump)直接在混合器20的入口处产生。

固体材料例如以具有介于0.2mm和1mm之间的颗粒尺寸分布的干粉形式提供。

固体材料例如借助于阿基米德螺杆以设定的旋转速度供应，以便在混合器12中维持设定的浓度。

将萃取溶剂和固体材料连续地送到混合器12中，以形成悬浮液19。

阿基米德螺杆的旋转速度和混合器12入口处的溶剂泵的流速的调节允许悬浮液19的固/液比根据需要而变化。

得到均匀的悬浮液19。植物来源的研磨材料在萃取溶剂中的质量浓度例如介于100g·L

悬浮液19从混合器12的出口27被夹带到盘管14的入口30。

有利地，泵29设定悬浮液19的夹带流速(entrainment flow rate)。

流速例如介于1L.h

流速被设定成控制悬浮液19在盘管14内的平均停留时间，以便实现最大萃取效率。

有利地，悬浮液在螺管14内的停留时间介于30秒和30分钟之间，优选地在5分钟和30分钟之间。

恒温控制室40被设定为固定温度，以控制萃取温度。恒温控制室40的温度例如介于5℃和75℃之间。

超声探头16连接到发生器，该发生器能够使超声探头以介于20kHz和80kHz之间的频率，具体地是20kHz，来照射盘管14的内容物。

在温度和超声波照射的作用下，通过萃取溶剂从固体材料萃取感兴趣分子。

富含感兴趣分子的溶剂中的悬浮液19从盘管14的出口32输送到分相器18。

进入分相器18的悬浮液的入口流速等于从混合器12到盘管14的悬浮液的夹带流速。

相分离优选地通过真空挤压阿基米德螺杆50、将旋转的固相从阿基米德螺杆50向外推动而进行。

借助于真空泵60提供的真空抽吸，包含富集溶剂的液相被更有效地排出。

真空泵60例如被设置成使得阿基米德螺杆50中测量的压力介于100毫巴与900毫巴之间。

特别地，真空泵60被设置成使得阿基米德螺杆50中测量的压力等于800毫巴。

已经穿过阿基米德螺杆50周围的管52的液相在倾析器70中回收。

借助于根据本发明所述的方法，回收富含感兴趣分子的溶剂，该溶剂完全不含粒度大于20μm的固体颗粒。

如果需要，添加纸筒(paper cartridge)除去粒度大于5μm的固体颗粒。

这种过滤步骤允许直接使用例如纯化过程中富含感兴趣分子的溶剂。

通过结合借助于阿基米德螺旋的挤压和真空抽吸以收集最大量的富含感兴趣分子的溶剂，提高了总萃取率。

此外，回收旋转的固相并与溶剂分离，因此仍然可用于后续的再循环使用。

本发明所述的方法可以通过使用一个装置而用于简化萃取、过滤和分离。

在使用之后，有利地，装置10的清洁是容易的。

从混合器12的罐20中取出清洗液(cleaning liquid)，并将其输送到盘管14中，同时保持超声波照射一段时间，该时间是从盘管14去除所有固体材料所需的时间。

清洁液例如是软化水(demineralized water)。

为了从分相器18清除可能已经沉积在围绕阿基米德螺杆50的管52上的微粒，同时保持阿基米德螺杆的旋转和真空泵60的抽吸。

清洁液例如是软化水。

为了从阿基米德螺杆50清除固体残留物，在保持阿基米德螺杆旋转并切断真空泵60产生的抽吸的同时输送清洗液。

清洁液例如是软化水。

因此，该方法适用于任何类型的固/液萃取，包括粒度分布介于0.2mm和1mm之间的固体材料和萃取溶剂，以便使溶剂富集感兴趣分子并从固相连续分离溶剂。

操作条件：

-溶剂EtOH/H

-磨碎的植物的粒度分布200μm＜G＜1mm。

-悬浮在溶剂中的植物来源的研磨材料的质量浓度：100g.L

-在混合器和盘管之间的蠕动泵流速：50mL.min

-超声波发生器上设置的振幅：最大电功率的100％(750W)。

-阿基米德螺杆：13V，0.8A。

1-包含悬浮液的罐

用研磨至介于200μm和1mm之间的粒度分布的日本虎杖根制备混悬液。借助于用于干燥粉末的不锈钢筛来控制粒度。

如果粉末含有粒度分布小于200μm的颗粒，则过滤系统很快变得堵塞。

2-机械搅拌器

机械搅拌器被设定在每分钟500转的转速下。将三叶片推进器尽可能深地伸入到槽中，以尽可能多地限制固体材料的沉降，并提供最佳可能的均匀性。

3-蠕动泵

蠕动泵被设定为50mL.min

4-恒温控制箱

借助于例如来自Huber的Minichiller型循环冷却器或油浴加热器来控制外壳的温度。

5-径向超声探头

径向超声探头位于玻璃盘管的中心，并设定在20kHz的频率。超声探头的有效长度完全包含在盘管的匝内，与盘管同轴。

探头距离盘管的各侧3cm。最大功率为750W，并且可以设定为其额定功率的10～100％。径向超声探头和相关的发生器例如是Sinaptec制造的(超声处理器NextGenLab750)。

在测试期间，探头被使用到其最大容量，而在盘管处或在恒温控制的外壳处没有任何已知的问题。

6-盘管

玻璃盘管由13匝组成，外径为13.5cm。盘管的内径为1.4cm，总长度为5.7m，即，容量为880mL。盘管垂直放置，入口高于出口，使得悬浮液由于重力而流动。

7-用于固液分离的阿基米德螺杆

在盘管的出口处收集的悬浮液被连续地分离成两相：液体和固体。悬浮液垂直进入连续过滤系统。在真空下从与悬浮液的入口完全相反的管中萃取液相。由孔隙度为50μm的不锈钢管状格栅包围的阿基米德螺杆使得干燥的固相在吸入液相时输送。致动阿基米德螺杆的马达被供给13V和0.8A的电流。马达的可接受功率直接设置在电源单元上。出口处回收的固体的水分取决于螺杆的旋转速度。如果螺杆旋转得太快，则材料在从出口排出之前旋转得不充分。在测试条件下，设定到13V允许达到3L.h

这里给出的值是指示性的，泵流速或稀释度和颗粒尺寸分布参数的变化将直接影响这些值。

8-固体的回收

在螺杆出口处的罐中回收几乎干燥的固相。

9-倾析器-回收液相

将在分相器的出口获得的液相经由蠕动泵输送到锥形烧瓶中，使粒度小于50μm的细颗粒倾析出来。

10-用于回收液相的蠕动泵。

为了确保固体更好地旋转，分相器被置于真空下。真空由上述蠕动泵提供，其具有产生真空和将液相输送到倾析器的双重优点。