電場強化萃取

對萃取過程附加的外場有許多種，如離心力場、電場、超聲場、磁場、微波等，其中研究最多是離心力場、電場和超聲場。用於強化萃取過程的電場主要有靜電場、交變電場和直流電場三種，將電能加到液液萃取體系中，能提高擴散速率，強化兩相分散及澄清過程，從而達到提高分離效率的目的。

基本介紹

• 中文名：電場強化萃取
• 別稱：強電場萃取

發展歷史

目標成分的提取率很大程度上取決於對生物材料的細胞破壁狀況，傳統的破壁方法有物理法、化學法和生物法等；為了提高萃取率，縮短萃取時間等，尋找強化萃取的方法已經成為當今人們關注和研究的熱點問題。現代科學技術發展的特點之一是各個學科之間的相互交叉、滲透與融合。早在1987年和1991年，美國National Research Council以及National Science Foundation分別在其討論和報告中指出，預言未來分離技術發展的重點應是對外場強化分離技術的研究，報告認為將傳統分離技術和外場結合可以產生一些適應現代分離要求的新型分離技術。地球物理環境中除了存在引力場外，還存在著自然電場，隨著科學技術研究手段的進步，人們逐漸將電場與動植物生理聯繫起來，研究認為隨著環境電場的變化，生物體內物質的電荷分布、排列、運動方式將隨之發生改變，從而成為影響生物體生命活動的重要原因。

利用物理場來強化萃取過程可以在強化萃取過程的同時不污染環境，是一種新型對環境友好的高效分離技術，也是靜電技術與化工分離相互交叉的學科前沿。強電場萃取(PEF)輔助提取主要是利用細胞膜電穿孔原理，使組織細胞發生不可逆的破壞，5～50 kV/em的電場，能夠在幾微秒的時間內對細胞膜造成穿孔和破壞，從而促進細胞質內的離子泄露和細胞內的生物物質釋放，加速生物細胞胞內物質向外的傳質過程。和其他的破碎技術相比，電穿孔技術具有對細胞內外液態組分的不良影響最小、不會引起溫度的大幅度增加、不會產生細胞碎片等諸多優點。1968年，Weatherley等提出在液一液萃取體系中加入電場可以產生小液滴，並在庫侖力的作用下使其在連續相中高速運動，從而提高液滴內外的傳質係數，強化傳質過程。20世紀80年代以來，電場強化萃取技術發展較快．具有潛在的工業市場，電場的強化作用可以強化擴散係數或強化兩相的分散與澄清過程，從而能成倍地提高萃取設備的分離效率，降低幾個數量級能耗。因此，PEF預處理能夠顯著縮短固一液提取的時間、提高提取效率、減少高溫對其活性的影響，可套用於多糖、蛋白質、核酸和多酚等天然產物中活性成分的提取。

技術特點

強電場萃取的傳質可以通過外力作用產生較大的傳質比表面，或者利用外力在液滴內部以及周圍產生高強度的湍動，增大傳質係數。研究結果表明電場的引入，不僅可以克服在液一液萃取過程中小液滴的運動速率較慢這一問題，而且使其在連續相中可以高速運動，致使兩種作用同時出現得以實現，用於兩相密度差很小、界面張力較大、液滴易合併而不易分散的場合。總結起來電場強化萃取可通過4種途徑強化液一液萃取過程：在高強度的電場力作用下，分散相的液滴被破碎，增大了傳質比表面積；促使小液滴內部產生內循環，強化分散相滴內傳質係數；分散相通過連續相時由於靜電加速作用提高了界面剪應力，因此增強了連續相的膜傳質係數；在電場強度不夠高的電場力的作用下，小液滴的聚並速率被加快，減少了兩相的分離時間，並可減少兩相的夾帶。

基本原理

關於高壓脈衝電場的作用機理，現有多種假說：主要有細胞膜穿孔效應、電磁機制模型、黏彈極性形成模型，電解產物效應、臭氧效應等，而高壓脈衝電場的提取機理的解釋大多數學者傾向於認同電崩解(electric breakdown)和電穿孔(electro poration)。電崩解認為微生物的細胞膜可以看作一個注滿電解質的電容器，在外加電場的作用下細胞膜上的膜電位差會隨電壓的增大而增大，導致細胞膜厚度減少。當外加電場達到臨界崩解電位差(生物細胞膜自然電位差)時，細胞膜上有孔形成，在膜上產生瞬間放電，使膜分解。電穿孔則是認為外加電場下細胞膜壓縮形成小孔，通透性增強，小分子進入到細胞內，致使細胞的體積膨脹，導致細胞膜的破裂，內容物外漏。高壓脈衝電場能顯著提高提取率的原理是：在脈衝電場作用下，細胞膜結構分子伴隨電場的傳動而取向的阻力與水分子間存在著顯著的不同。一定條件下，高壓脈衝電場電能主要蓄積於細胞膜系統。生物膜結構的不均勻性，特別是膜蛋白的類似半導體特徵使生物膜存在動態的“導通”點——在細胞膜脂雙層上形成的瞬時微孔，從而細胞膜的通透性和膜電導瞬時增大。在高壓脈衝放電中，由於氣態電漿劇烈膨脹爆炸而產生的劇烈衝擊波可摧毀各種亞細胞結構，使細胞器、細胞膜崩潰，使那些在正常情況下不易通過細胞膜的親水分子、病毒顆粒、DNA、蛋白質以及染料顆粒等能通過細胞膜而儘可能完全從細胞中溢出。因此。在細胞中有連續完整的水分子層時，高壓脈衝電場可顯著改善浸出溶劑與膜脂等精油成分的互溶速率及通過胞壁物質的傳質能力，從而提高提取效率。

綜上所述，影響提取效果的重要因子是利用PEF技術在細胞膜上形成納米級的微孔，從而使其細胞的內容物溢出。電場的穿孔可分為三個階段：①非電場穿孔階段，脈衝強度遠遠小於臨界電場強度，電場不能在細胞膜上形成納米級的微孔；②電場穿孔階段，電場強度大於臨界電場強度，細胞內外的物質可以通過被穿破的微孔自由交換；③飽和階段，即穩定的狀態，即使電場強度的增加，也不會使細胞膜的透過性增加。在這個階段，細胞會被破壞。PEF技術用來提取細胞內物質，其原理是對兩極間的物料施加短脈衝的高電壓處理，極性物質在電場的作用下高速向電極方向運動，利用細胞膜電穿孔原理，造成組織細胞的不可逆破壞，從而促進生物活性物質的溶出，並且PEF處理過程不會造成原料溫度的升高，可以有效地保護提取物的生理活性，對細胞內物質的提取具有很好的效果。

靜電場或交變電場對萃取過程的強化

靜電場或交變電場在化工中早已得到廣泛的套用，如靜電噴塗、靜電除塵等。在液液萃取過程中的套用主要是破乳或促進分相，特別是電場破乳技術受到了人們的關注。近年來，隨著電場強化傳質分離技術研究的深入，液液萃取過程的電場強化技術也得到了相應的發展，而且，電場強化液液萃取過程的機理性研究也得到了廣泛重視。十分明顯，作為靜電場或交變電場介入的條件，液液萃取體系中的連續相導電能力可以較弱，但分散相液滴則需要具有較好的導電能力。在這類體系中加入高場強的電場，分散相的液滴直徑、液滴在設備內的運動速度以及液滴的聚並都會發生變化，液滴界面的湍動狀況也會受到較大的影響，從而提高了傳質係數。

靜電場和交變電場的加入對液液萃取過程的強化機理大致可以從以下方面加以理解。

① 高強度的電場力作用下，分散相液滴進一步破碎，增大了傳質比表面積。

在液液萃取體系中，如果分散相具有很好的導電能力麗連續相導電能力很弱甚至不導電，外加高強度電場時，根據靜電感應原理，導電的分散相液滴在電場力作用下會發生極化現象。導電液滴內部的自由電荷將向電性質發生明顯變化的兩相界面區域聚集，在連續相一側也會產生相應的變化。這樣，在外加電場的作用下，液一液兩相界面處會產生較大的界面電場力。如果這種界面電場力足以克服維持界面的作用力，如界面張力等，界面將會變得不穩定並發生劇烈的湍動，引起界面變形甚至破碎。正是由於這種作用機理，在靜電場作用下的液液萃取體系內，很容易產生較小的液滴，甚至可以使液滴直徑達到5um，從而使電萃取的兩相傳質比表面積比一般的萃取過程大很多。由於電場力的作用效率高且選擇性地作用在液一液界面上，所以，可以通過控制電場強度來有效地控制液滴的大小。

②在電場力的作用下，導電能力較強的液滴在連續相中的運動速度發生變化．從而提高了滴內或滴外的傳質係數。

通過與兩相電極的接觸和靜電感應，分散相液滴會成為荷電的粒子，在庫侖力的作用下，這些荷電粒子在連續相內快速運動。這樣，一方面可以加劇液滴內液體的湍動，另一方面也可以使液滴周圍的液體的運動發生變化，從而實現較大的傳質係數，有效地強化傳質過程。

③小液滴的聚並速度加快，減少了相分離時間，兩相的夾帶量明顯下降。

在電場強度不夠高的電場力作用下，可有利於液滴的聚並，達到利用外加電場加速液滴的聚並，縮短分相時間，減少兩相夾帶的目的。

上述這些作用機理是靜電場或交變電場強化液一液萃取傳質過程的基礎。由於液一液界面的傳質過程以及界面電性質涉及許多微觀現象的研究，有關的研究結果的報導相對較少，許多問題有待於進一步的深入研究。