超声波提取分离技术
更新时间:2024-05-31 15:51:01 阅读量: 综合文库 文档下载
超声波在中药提取分离中的应用
摘要:本文对超声在中药提取分离技术中的应用进行了综述; 超声波具有许多独特效应, 如空化效应、机械效应、热效应以及超声空化过程中气泡的剧烈变化,所产生的附加湍动效应、界面效应、聚能效应等,因此能够提高传质系数, 强化分离过程。结合中药提取分离过程的特点, 分析了超声强化各分离过程的作用机制以及影响因素,并对超声中药提取分离设备进行了简单的介绍。 关键词: 超声波;中药提取;超声空化 正文
1 超声波(Ultrasonic wave) 1.1超声波的概念及其特点
声学全部频率为10-4 Hz~1014Hz 。但是频率?只有在20~20kHz范围内的声音才能引起人的听觉。频率?大于2?104Hz的声波,称为超声波。
1.1.1超声波的分类
根据能量水平的不同可以把超声波大致分为低密度超声波和高密度超声波两类[1]。
低密度超声波即低能量水平的超声波,通常能量密度低于1w/cm2,频率介于100-200kHz之间;高密度超声波即高能量水平的超声波,通常能量密度超过1 w/cm2,频率介于18-100kHz之间。 1.1.2超声波的传播形式
超声波和声波一样,是一种机械波, 由介质中的质点受到外力的作用而发生周期性振动产生的。超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种:纵波波型、横波波型、表面波波型。
纵波波型:当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时,此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。
横波波型:当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时,此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外,还能承受切变变形,因此,当其有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。
表面波波型:沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波称表面波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成, 振动质点的轨迹为一椭圆,在距表面1/4波长深处振幅最强,随着深度的增加很快衰减,实际上离表面一个波长以上的地方,质点振动的振幅已经很微弱了。
由于频率高、波长短,故超声波具有许多一般声波所没有的特性。 ①能流密度大:由于能流密度与频率的平方成正比,故超声波的能流密度比一般声波大得多。
②方向性好:由于超声波的波长短,衍射效应不显著,所以可以近似地认为超声波沿直线传播,即传播的方向性好,容易得到定向而集中的超声波束,也可以被聚焦。超声波的这一特性,称为束射特性。
③穿透力强:超声波的穿透本领大,特别在液体和固体中传播时,衰减很小;在不透明的固体中,也能穿透几十米的厚度。 1.1.3超声在实际中的应用
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由于超声波具有许多一般声波所没有的特性,因此在科学研究和生产上必将得到广泛应用。
(1)超声探测
超声波容易被会集成一束定向发射,遇到问题又会反射回来,并且在水中能够传播得很远。于是人们利用它制造出水声仪器---声纳,让它向海下射出一束超声波,依靠回波,可以在船上探测出海洋的深度、鱼群、礁石和敌方的潜艇等。
(2)超声检查
超声波在人体内不同组织的交界面上也会反射,利用“B超”(B型超声仪)在屏幕上生成的声学图象,可以观察到胎儿和脏器,帮助医生做出诊断。工业上使用超声探伤仪,能够探查出金属零件内部的裂纹等隐患。
(3)超声振荡
例如用它使清洗液产生剧烈的振荡,以便把细小物品表面的污物除掉,用它清洗眼镜片更显出优越性。医生用超声波击碎人体内的胆结石,使之可以顺畅地排出体外。
(4)超声提取
超声提取是利用超声波具有的空化效应、机械效应及热效应,通过增大介质分子的运动速度,增大介质的穿透力以提取物质(中药)有效成分的技术。 2 超声应用于药物提取分离的理论基础 2.1.1超声空化的物理过程及其基本效应[2]
超声空化是强超声在液体中的传播时,引起的一种特有的物理现象。所谓空化(cavitation)是指液体中由于某种原因产生了负压,当负压达到一定的临界值时,能将液体拉断,从而在液体中形成局部气体或蒸汽空腔的现象。这种能将液体拉断的临界负压值称为空化阈(cavitation threshold)。
对于纯净液体(不含气体或杂质颗粒等),空化阈必须能够克服分子间的内聚力,以水为例,按热力学统计物理计算,在常温下空化阈应超过-100Pa。然而,实验证明,几乎所有实际液体的空化阈,包括经过除气、过滤、去离子等专门处理过的液体,均远远低于此理论值。比如来自江河湖海的水等,其实实际空化阈仅为-1MPa左右,即使出去气的水也只有-30Pa。
理论和实验均已证明,这是由于实际气体中总是存在许多微笑气泡构成液体的“薄弱环节”,因而在相当低的负压下,即可在这些地方将液体拉断而产生空化。这种微小气泡称之为“空化核”( cavitation nucle)。常见的空化核可以使液体中半径小于0.1mm的气泡或蒸汽泡(半径大于0.1mm的气泡会因浮力升至液面而破灭)。也可以是固态粒子(包括动植物药材或其粉料)裂缝或表面附着的微小气泡等。
声学理论已给出,液体中含有半径为R0的空化核时,其空化阈值由下式表示:
??2?PB?P0?PV??33???P0????????2?????PV?R0?????2???R?0????312 (1)
式(1)中 P0:液体的静压力;
PV:气泡内的蒸汽压;
2
σ: 表面张力系数。
通常,PB:Blake阈值压力。 当PV <
2?<
???????12 (2)
由此看出,式(2)右侧的第二项的数值与R03/2成反比。R0越小,其值越大,相应PB的值越大。
例如对与水,取R0=0.01mm, σ=0.076N/m,P0=0.1013MPa时,可以算出PB=0.1036MPa;而在同样的条件下,改取R0=0.1mm时,则算出的PB=0.1014MPa。这同时也表明,在空化核较大时只要声压的复值略大于液体中的静压值即可产生空化。
2.1.2超声空化的物理过程
下面分析超声波的物理过程。超声波在液体中时一纵波的方式传播的。其交变声压在液体中周期性地产生拉伸和压缩。对较弱的超声,在声压的负压阶段,气泡(空化核)被拉大,而在正压阶段,气泡又被压缩变小。也就是说气泡的大小随声波的频率而作脉动变化。此过程称为“稳态空化”(steady cavitation)。而对足够强的超声,声压的幅值超过了空化阈时,气泡现在声压的负压阶段迅速膨胀,达到其最大半径,接着在正压阶段剧烈压缩,直至崩溃(或内爆 implosive collapse)如图示空化泡生长示意图
由于接近崩溃时的泡壁的压缩速度极大,甚至超过泡内气体的声速,此时,能量密度高度聚集,因此能在崩溃瞬间引发高压、高温、发光、放电、高速射流、冲击波等一系列的极端物理效应。此过程称为“瞬间空化”(transient cavitation)。
按照声学理论,描述液体中的单个气泡在声场作用下行为的数学公式,是
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Rayleigh-Plesset方程,其形式如下:
3?R??Va??a2?Pio?0?2?R?
3??PV?P0?2?4??a?PAsin?t (3) RV式(3)中,R是气泡的半径变量,即气泡在某时刻的半径;ν和а分别是泡
壁径向运动的速度和加速度;ρ和μ分别是液体的密度和粘带系数;γ是泡内气体的比热比(Cp/Cv),对空气常取γ=1.4;PA代表声压幅值;ω=2π?代表声波的圆频率,其中?是声波的波频率;Pio=(2σ/R0)+P0-PV代表静态时泡内气体压力。
上述(3)式是二阶非线性微分方程,一般无解析解,可通过数值计算方法求出描述气泡运动规律的半径-时间曲线,即R-t曲线图。如图所示:
此图是水中半径气泡R0=4.5μm的空化核,在声压幅值PA=0.136MPa,频率?=26.5KHz下,按式(3)计算出来的一个省周期内气泡的运动R-t曲线。
由此图看出,这是一瞬间空化过程,气泡现在负压作用下,从R0开始生长,达到Rmax后,在正声压作用下泡壁的压缩速度越来越快,随即崩溃。其残留部分只做即此微小脉动。图中显示出了崩溃瞬间泡内气体温度(竖直的曲线),其值接近10000K。
由方程(3)
3?R??Va??a2?Pio?0?2?R?3??PV?P0?2?4??a?PAsin?t RV
在一定的近似情况下导出气泡运动的某些重要参数。
当假设声辐很小时,即PA<
4
1fr?2?R03??2?2?P?<1,空气及其他双原子气体γ=1.4,故常有
???,故(4)式可化简为 ?1fr?2?R0
2??2????P0? (5) ???R0??或变为气泡共振半径的公式:
1Rr?2?f?3??2????P0? (6) ???R0??
例如,水中气泡R0=0.1mm,算出其共振频率?r≈33kHz。
同理,在其他类似假设下,可推算出单泡超声空化效应的其他参数。 (1) 气泡压缩到最小半径Rmin时泡内气体的温度,有公式
Tmax?T0
P?1??? Q其中T0:泡内初始温度;
P:气泡的外界压力;
Q:气泡半径为R0时,泡内压力。
对于水中气泡,当T0=300K, P=0.1MPa, 并取Q=0.001MPa时,算的Tmax=10000K。 (2) 气泡崩溃时的的最大压力。由于高速运动的液体突然被制动,泡内聚集的
能量将瞬间化为向外辐射的冲击波。据声学理论,其中最大压力近似式为
P'max?4
?43?Rmax?p??R???min?3
有证明,此最大压力出现在距气泡中心R=1.587Rmin处,例如在水中,当Rmax=20Rmin,P=0.1MPa时,按上式计算P’max≈126MPa。 2.1.3超声空化的分类
根据空化泡的动力学行为和对超声的响应强度,将超声空化分为稳态空化和瞬态空化。
稳态空化:超声波在液体中是以纵波的形式传播的,其交变声压在液体中周期性地产生拉伸和压缩。对较弱的超声,在声压的负压阶段,气泡(空化核)被
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到的人参皂苷纯度高、杂质少。
从浸膏量上分析,温浸法和煎煮法对各种成分溶出效果好。
从皂苷含量上分析,乙醇回流法、超声波法、温浸法都较好,在8 %以上,而其中超声波法最佳达到了8. 68 %,而用正丁醇萃取法纯化和大孔树脂纯化皂苷含量相似。大孔树脂法简便,且适合工业化生产。
超声波法一大孔树脂纯化法最佳,快速、安全、简便、成本低且又不破坏成分,适合于工业化生产。 2.3.3黄酮类成分提取
灯盏花又名灯盏细辛, 是菊科植物短葶飞蓬的全草, 性味辛、微苦, 温, 具有散寒解表、祛风除温、温络止痛之功效,内含总黄酮成分。总黄酮具有扩张脑血管、冠脉血管和外周血管的作用, 改善微循环, 抑制血小板聚集等药理作用。
总黄酮的提取都是采用乙醇、甲醇、丙酮等有机溶剂加热、回流提取,成本高,工艺复杂,且提取率不高等。王万能等[9]采用超声提取与碱水法相结合的方法提取总黄酮,其方法:称取约7.0g 灯盏花, 溶于30ml的60%酒精中, 超声波处理25min, 30℃再提取5h, 然后超声波处理10min, 过滤, 定溶, 用分光光度计测吸光度,计算出灯盏花总黄酮含量,结果见表。
(1)超声碱水法与溶剂法的比较
从表1 中可以看出, 超声波碱水法提取灯盏花黄酮的提取量明显高于酒精溶剂法, 在15min 时, 超声波碱水法的提取量为38.66mg/g, 而酒精溶剂法的提取量为25.96 mg/g, 分别为灯盏花总黄酮的55.59%和82.78%, 超声波碱水法的提取量比酒精溶剂法高48.92%。。可见超声波碱水法比酒精溶剂法效率高, 而且溶剂成本很低。
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(2)超声碱水法提取灯盏花总黄酮动力学
在超声波碱水法提取灯盏花黄酮的过程中, 随着超声波作用时间的延长, 提取液总黄酮含量增加,提取率升高, 在10min以前提取率上升很快, 10min~25min上升较缓慢, 到25min时, 提取率上升到86.46%, 耗时比传统的酒精浸提要短, 省时省事。
通过观察图1其动力学曲线, 灯盏花黄酮提取量与时间并非成线性关系, 而是随着时间的增加, 提取量的增加变慢。通过显微观察超声波处理前后灯盏花组织细胞的变化情况发现, 超声波对灯盏花组织细胞有破坏作用, 促使细胞壁破裂, 释放黄酮物质, 但是组织中细胞壁破裂不完整, 而且没有脱落, 影响超声波对灯盏花组织里层细胞的破碎作用, 从而提取量增加缓慢, 随着时间的增加, 超声波对灯盏花组织里层细胞的破碎作用更进一步减小。
超声波提取作为一种有效提取方法, 因其简单、方便、快速和安全等优点,超声提取无需加热,超声碱水法提取得到较高的总黄酮提取率及含量, 而且具有
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能耗和溶剂成本较低的特点, 具有较高的实用价值, 工业化生产容易推广实现。超声提取灯盏花黄酮效果明显, 但由于超声对植物组织细胞的破碎作用有限, 所以不能较完整地提取出灯盏花黄酮, 应探索其他生物工程技术协同超声进行植物天然有效成分的提取, 以进一步提高提取效率。 2.3.4多糖类成分提取
枇杷为蔷薇科植物, 又名金丸, 别名卢桔。枇杷营养丰富, 具有很高的药用价值, 其花、叶、果实、果核及果梗均可入药, 制成枇杷膏、枇杷露, 具有清热、润肺、止咳化痰等功效。枇杷叶中的多糖不仅有有清热、解暑热、和胃的作用,而且也具有抗炎症、抗凝血、抗辐射、降血脂等作用,对治疗癌症也有一定的作用。
枇杷叶中多糖的提取大多采用水提法或有机溶剂脱脂后水提法, 但这些传统方法耗时长, 产品不容易纯化。王明艳[10]等以枇杷叶为原料, 采用超声波技术, 应用单因素和正交实验法研究枇杷叶多糖的提取工艺,并与传统取法进行了比较。
超声提取枇杷叶多糖实验方法:精密称取枇杷叶粉5g, 用滤纸包裹置索氏提取器中, 用石油醚( 60℃~90℃)回流脱脂2 h。再用80% 乙醇回流提取2 h,除去单糖和低聚糖。将药渣加入一定量的蒸馏水,置于超声波反应槽中, 调整超波功率、超声提取时间和反应槽水浴温度进行提取。后用滤布过滤,滤渣用热蒸馏水洗涤, 合并滤液, 离心分离, 浓缩上清液, 加入无水乙醇, 低温(4℃)静置24 h; 将醇沉液离心分离得沉淀,真空干燥沉淀至恒重, 得枇杷叶粗多糖。计算多糖得率。超声波法与常规水提等方法的比较结果见表3
超声波法与常规水提等方法的比较结果见表3。超声波法与水提法比较, 将提取时间由10h减少到1h, 并将多糖提取率提高了8.7%; 与索氏提取法相比, 将多糖提取率提高了15.8% , 提取时间由3 h 减少到1h; 特别是超声波辅助+水提法, 与传统水提法比较不仅将多糖提取率提高7.1% , 而且提取时间缩短为30 min。可见, 超声波提取技术通过机械振动、乳化、扩散, 加速了欲提取成分的扩散释放并充分与溶剂混合, 有效的缩短了提取时间, 并提高了提取率。 2.3.5大黄蒽醌的提取
大黄为常用中药,是蓼科植物掌叶大黄、药用大黄及唐古特大黄的根及根茎。
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大黄有清热泻下、抗菌消炎、保肝利胆、抗高脂血症,调节免疫等重要功能。研究证实, 大黄的主要有效成分为其蒽醌类衍生物。
对于大黄蒽醌类成分的提取工艺已有很多研究报道,主要采用不同溶剂,如水、乙醇、氯仿等, 通过煎煮、回流等方式进行提取。普遍存在着提取时间长、提取率较低等不足。利用超声波产生的强烈振动、空化效应以及搅拌作用等,能破坏植物的细胞壁,使溶剂渗透到药材细胞中,从而加速药材中的有效成分溶解,以提高有效成分的提取率,缩短了提取时间,避免了高温对提取成分的影响。
张海晖等[11]采用正交试验设计法,以水为提取溶剂,采用超声波强化提取10min,对游离蒽醌的提取率与水煎煮法煎煮60min 效果相当;以乙醇作为提取溶剂超声波萃取法对大黄蒽醌的提取效果最好,明显优于常规煎煮法和乙醇回流法,结果比较如下:
将超声波萃取技术应用于大黄中有效成分的提取, 将给生产带来极大便利, 可以节省大量时间和溶剂, 从而降低生产成本, 提高经济效益。 2.4 超声波提取的优缺点 2.4.1超声波提取的优点:
1.提取效率高:超声波独具的物理特性能促使植物细胞组织破壁或变形,使中药有效成分提取更充分,提取率比传统提取工艺显著提高;
2.提取时间短:超声波强化中药提取通常在24~40分钟即可获得最佳提取率,提取时间较传统方法大大缩短2/3以上,药材原材料处理量大;
3.提取温度低:超声提取中药材的最佳温度在0~60℃,对遇热不稳定、易水解或氧化的药材中有效成分具有保护作用,同时大大节约能耗。
4.适应性广:超声提取中药材不受成分极性、分子量大小的限制,适用于绝大多数种类中药材和各类成分的提取,提取药液杂质少,有效成分易于分离、纯化;
5.提取工艺运行成本低,综合经济效益显著,操作简单易行,设备维护、保养方便。
2.4.2超声波提取的缺点
1.首先是设备的稳定性,目前超声提取实验设备都是通过水将超声波间接作用于样品,因此,今后要进一步加强对超声提取工业化设备的研究,解决相关的工程技术问题,以促进超声提取技术在制药工业中的应用。
2.其次,如何选择合适的超声频率也是一个需要考虑的问题。由于超声提取的机理尚未完全解释清楚,一些未知的因素也会影响超声提取的效率。为进一步
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提高提取效率,考虑将超声提取技术与微波提取技术联用。
3.此外超声提取得到的产物,其生物学效应的评估尚有待进一步研究。 2.5 超声提取技术的设备[2]
提取设备是对物质成分提取分离生产工艺过程中前段的单元操作设备,而超声提取设备室将电能转变为声能作用于物质,促进物质成分进入溶剂中的容器和系统,以实现成分相互转移的场所。目前市场上销售的超声提取分离设备有:超声波多功能提取设备、超声强化中药提取装置、超声提取罐
循环超声提取设备、连续化管道式多功能超声波提取设备等,分大、小型。小型用于实验室或中试,大型用于药厂工业生产线。超声提取设备一般由超声波电源、超声换能系统、提取容器三大部分组成。其中超声波电源:即声功率发生器,为超声换能器提供能源;超声换能系统:将电能转变为超声波,进行药物提取或其他功能;提取容器:用于放置提取液和提取物。按换能器放置的位置将超声提取设备分为:外置式、内置式超声提取设备。 2.5.1外置式超声提取设备
外置式超声提取设备是将电压换能器安装在被提取物料容器的外侧上,使其产生的超声通过容器外壁射到容器中提取物上,以达到对物质提取的结果。按换能器黏附的方式不同又可以将其分为槽式、罐式、管式及多面体式超声提取设备。
(1)槽式超声提取器:将超声换能器黏附在槽的底部或槽子的两侧,上部敞开的一种简单超声提取器。换能系统由若干个喇叭形夹心式换能器组成。
(2)罐式超声提取器:将放置被提取物的容器制作成罐式形状,将一定功率的超声换能器安装在罐的外壁上,使所产生的超声通过罐的外壁辐射到容器内的溶液中的被提取物料上,以便从物料中提取化学成分的设备。
(3)管式超声提取器:将放置物料的容器制作成管道形状,将换能器安装在管道的外壁之上,通过所产生的超声通过管道外壁辐射到管内溶液中的被提取物料上,通过螺旋搅拌推料器滚着向前推进,使物料均匀地受到超声的多次作用,以达到对物料提取的设备。
(4)多面体式超声提取器:实际上是槽式换热器的一种形式。将发射超声波的若干个换能器直接贴在不锈钢板组成的多面形状槽体的各个面外比上,使其若产生的超声波通过槽体的外壁射到槽内的溶液中的被提取的物料上。其形状可做成四面、五面、六面等形式的槽体,然后将换能器密封起来,从外关上看是个提取罐,从内部看是个多面体。
由以上可以看出外置式超声提取设备都有的一特点:超声换能器都安装在容器外壁之上,在容器内可安装搅拌装置,以增加超声提取效果,但缺点是在工作过程中会发出噪音,应注意防噪隔声。还应防止漏电确保安全操作。 2.5.2内置式超声提取设备
内置式超声提取设备是将换能器系统浸没在溶剂之中,使其所产生的超声直接作用到容器内溶液中的物料上,以达到对物料提取的效果,通常也称浸没式超声提取器。按换能器的组合方式可分以下几种:板状浸没式、棒状浸没式、多面体浸没式、探头浸没式超声提取器。
(1)板状浸没式超声提取器:将发射超声波的数个换能器直接贴在板状或条状的不锈钢板上,然后密封起来。使用时,将其直接放入容器槽内,随意移动使超声均匀辐照,促进被提成分,快速溶入溶剂之中。
(2)棒状浸没式超声提取器:在压电换能器的前盖板一端安装一长圆棒状或其他形状的变幅杆,使换能器发射的超声波沿棒状变幅杆聚能器的径向辐射。
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将这种形似棒状的换能器振动系统的提取设备,称为棒状浸没式超声提取器,可以360度方向放射超声波的棒状放射体,产生及均匀的声场,不存在多个喇叭形换能器的声波重叠声功率不均匀现象,并且可以用于真空或压力条件下,一个提取容器内可设置多个棒状放射体。可用于实验室小物料的提取或圆筒形提取罐中小批量物料的提取,还可以用于管道除污。
(3)多面体浸没式超声提取器:将发射超声波的数个换能器直接贴在多面形状不锈钢板内侧上,可做成2、4、5、6面,然后密封起来,也可将数个面连接起来,组成大功率浸没式超声提取器,使超声波从多个面向外发射,以达到物料被提取的目的。也称多棱超声中药提取器。使用时将其直接放入装有被提物和溶剂的罐中心出,是超声波均匀辐射,以加速药物的提取。
(4)探头浸没式超声提取器:将换能器发射超声波变幅杆的一端(探头即变幅杆的一端)直接插到有提取物的溶剂中,使被提取物直接收超声的作用,促使被提取物中的成分快速的溶于溶剂中的一种实验使用浸没式超声提取器。这种超声设备是内置式的一种,变幅杆端面发射头小,强度大。多用于破碎细胞或小样品提取实验。
浸没式超声器不仅有外置式的所有优点,因其直接浸没在溶剂中还具有噪声小、无容器壁的衰减等优势。
参考文献
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将这种形似棒状的换能器振动系统的提取设备,称为棒状浸没式超声提取器,可以360度方向放射超声波的棒状放射体,产生及均匀的声场,不存在多个喇叭形换能器的声波重叠声功率不均匀现象,并且可以用于真空或压力条件下,一个提取容器内可设置多个棒状放射体。可用于实验室小物料的提取或圆筒形提取罐中小批量物料的提取,还可以用于管道除污。
(3)多面体浸没式超声提取器:将发射超声波的数个换能器直接贴在多面形状不锈钢板内侧上,可做成2、4、5、6面,然后密封起来,也可将数个面连接起来,组成大功率浸没式超声提取器,使超声波从多个面向外发射,以达到物料被提取的目的。也称多棱超声中药提取器。使用时将其直接放入装有被提物和溶剂的罐中心出,是超声波均匀辐射,以加速药物的提取。
(4)探头浸没式超声提取器:将换能器发射超声波变幅杆的一端(探头即变幅杆的一端)直接插到有提取物的溶剂中,使被提取物直接收超声的作用,促使被提取物中的成分快速的溶于溶剂中的一种实验使用浸没式超声提取器。这种超声设备是内置式的一种,变幅杆端面发射头小,强度大。多用于破碎细胞或小样品提取实验。
浸没式超声器不仅有外置式的所有优点,因其直接浸没在溶剂中还具有噪声小、无容器壁的衰减等优势。
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