咖啡因动态吸附研究

王 旭，杜德清，杜 蕾，赵庆胜，尹进华*

(1.张店区人民政府，山东 淄博 255000；2.山东新华制药股份有限公司，山东 淄博 255000；3.青岛科技大学，山东 青岛 266042)

咖啡因动态吸附研究

王 旭1，杜德清2，杜 蕾3，赵庆胜3，尹进华3*

(1.张店区人民政府，山东 淄博 255000；2.山东新华制药股份有限公司，山东 淄博 255000；3.青岛科技大学，山东 青岛 266042)

将XDA-200型大孔吸附树脂应用于咖啡因的动态吸附研究，考察了动态吸附和脱附的影响因素；并结合相关模型，对总传质系数、传质区长度、理论塔板数、理论塔板高度等吸附柱特性参数进行计算。确定吸附柱床层最佳高度为20 cm、咖啡因溶液最佳进料速度为2 mL·min-1、咖啡因溶液最佳初始浓度为10 mg·mL-1；以80%乙醇70 ℃下洗脱动态吸附完成后的吸附柱，在洗脱速度为4 BV·h-1时，咖啡因脱附率可达92.10%。

咖啡因；动态吸附；传质系数；大孔吸附树脂

咖啡因是我国重点出口药品之一，出口量约占其总产量的70%。目前，国内大多采用氯乙酸路线合成咖啡因[1-3]，该路线合成的咖啡因是粗品，为使其满足安全使用的要求，需要对其进行精制，而纯化精制工艺复杂，涉及多个流程单元，操作十分繁琐。此外，该法在合成过程中会产生大量的甲基化母液，常以毒性较大的氯仿萃取其中的咖啡因，造成较大量的氯仿残留，引起二次污染[4-5]。因此，开发新型的绿色技术来纯化咖啡因粗品和提取甲基化母液中的咖啡因尤为重要。

大孔吸附树脂因吸附选择性高、吸附容量大、机械强度高、寿命长等优点而受到越来越多的关注[5-7]。作者将XDA-200型大孔吸附树脂用于咖啡因的动态吸附研究，同时结合相关模型对一系列吸附柱特性参数进行计算，旨为其工业化应用提供基础数据。

1 实验

1.1 试剂与仪器

咖啡因、非那西汀，山东新华制药股份有限公司；XDA-200型大孔吸附树脂，西安蓝晓科技新材料股份有限公司；盐酸、氢氧化钠、无水乙醇均为分析纯。

GC-14C型岛津气相色谱仪，苏州莱顿科学仪器有限公司；BSA124S型电子分析天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；PHS-3C型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；吸附柱材质为普通玻璃，其规格为10 mm×50 mm，自制。

1.2 标准曲线的绘制

预先配制浓度分别为2～16 mg·mL-1(浓度梯度为2 mg·mL-1)的咖啡因标准溶液。取1 mL咖啡因标准溶液与0.5%非那西汀乙醇溶液等体积混合。待色谱仪稳定后进行分析，得到峰面积比(咖啡因的峰面积与内标物的峰面积比)。以咖啡因溶液浓度(x，mg·mL-1)为横坐标、峰面积比(y)为纵坐标绘制标准曲线，经Orgin 8.0拟合，得到标准曲线的线性方程：y=0.11498x+0.05709，相关系数为0.9986。

1.3 动态吸附实验

1.3.1 吸附柱床层高度对穿透曲线的影响

将处理过的大孔吸附树脂湿法装填于吸附柱内，并分别控制床层高度为10 cm、20 cm、30 cm(对应树脂的质量分别为8.2 g、16.4 g、24.6 g)。将初始浓度为10 mg·mL-1、pH值为6的咖啡因溶液以1 mL·min-1的流速通过床层，每隔10 min取样，以气相色谱分析流出液中咖啡因浓度，并绘制相应的穿透曲线。

1.3.2 咖啡因溶液进料速度对穿透曲线的影响

进料速度在很大程度上影响着树脂与吸附质之间的接触时间，同时也是固定吸附床装置所必需的设计参数。在吸附柱床层高度为20 cm的条件下，采用蠕动泵将初始浓度为10 mg·mL-1、pH值为6的咖啡因溶液分别以1 mL·min-1、2 mL·min-1、3 mL·min-1的流速通过床层，每隔10 min取样，以气相色谱分析流出液中咖啡因浓度，并绘制相应的穿透曲线。

1.3.3 咖啡因溶液初始浓度对穿透曲线的影响

在吸附柱床层高度为20 cm、咖啡因溶液pH值为6、咖啡因溶液进料速度为1 mL·min-1的条件下，采用蠕动泵将初始浓度分别为8 mg·mL-1、10 mg·mL-1、12 mg·mL-1的咖啡因溶液通过床层，每隔10 min取样，以气相色谱分析流出液中咖啡因浓度，并绘制相应的穿透曲线。

1.4 动态脱附实验

控制洗脱温度为70 ℃，以80%乙醇为洗脱剂，分别以2 BV·h-1、4 BV·h-1、6 BV·h-1的洗脱速度对动态吸附完成后的吸附柱进行洗脱，以10 mL为一管收集洗脱液，取样，以气相色谱分析洗脱液中咖啡因浓度，并按式(1)计算咖啡因脱附率：

(1)

式中：R为脱附率；cS为洗脱液中咖啡因的浓度，mg·mL-1；VS为洗脱液的体积，mL；m为吸附柱内大孔吸附树脂的质量，g。

2 数据分析

2.1 穿透曲线分析

将ct/c0=0.1的点作为该实验条件下的穿透时间点，对应的穿透时间以ta表示；将ct/c0=0.9的点作为该实验条件下的耗竭时间点，所对应的耗竭时间以tb表示。一定床层高度、一定进料速度、一定初始浓度下所对应的动态吸附总量以Qtotal表示，单位mg，计算公式如下:

(2)

式中：v为咖啡因溶液的进料速度，mL·min-1；A为穿透曲线的积分面积；c为咖啡因溶液的进料浓度，mg·mL-1；t为时间，min。

吸附柱中单位树脂所能吸附的咖啡因的质量qeq(即动态吸附量，mg·g-1)可依据式(3)计算：

(3)

2.2 理论塔板数和理论塔板高度的计算

将Hamdia Mostafat简化模型引入到吸附柱床层理论塔板数的计算，具体公式如下：

(4)

B=δ(1-ε)+ε

(5)

(6)

式中：K为穿透曲线拐点处的斜率，mg·L-1·min-1；B为常数；Vc为溶液体积，L；c0为被分离组分的初始浓度，mg·mL-1；n为理论塔板数；δ为平衡系数；ε为吸附柱床层孔隙率，本实验取0.65；ρ为树脂的湿填充密度，g·cm-3；qe为吸附平衡量，由Freundlich方程获得。

理论塔板高度按式(7)计算：

(7)

式中：HETP为理论塔板高度，cm；H为吸附柱床层高度，cm。

2.3 总传质系数和传质区长度的计算

依据传质单元法，理论上传质单元高度在数值上等于传质单元高度与传质单元数的乘积。本实验总传质系数和传质区长度按下式计算：

(8)

(9)

将式(8)与式(9)结合可得：

(10)

式中：Ha为动态吸附过程的传质区长度，cm；kla为动态吸附过程的总传质系数，s-1；S为单位体积树脂的外表面积，cm2；ca为动态吸附过程对应的穿透点时的浓度，mg·mL-1；cb为动态吸附过程对应的耗竭点时的浓度，mg·mL-1；ce为动态吸附过程达到吸附平衡时的浓度，mg·mL-1；Z为床层厚度，cm。

3 结果与讨论

3.1 动态吸附影响因素分析

3.1.1 吸附柱床层高度对穿透曲线的影响

不同吸附柱床层高度下的穿透曲线如图1所示，相应的动态吸附数据见表1。

图1 吸附柱床层高度对穿透曲线的影响Fig.1 Effect of the height of adsorption column bedon breakthrough curve

表1 不同吸附柱床层高度下的动态吸附数据

从图1、表1可以看出，(1)当吸附柱床层高度由10 cm升至30 cm时，咖啡因溶液与大孔吸附树脂的接触时间延长，穿透曲线的坡度逐渐变缓，穿透曲线所对应的穿透点(即ct/c0=0.1对应的时间点)开始右移，穿透时间由60 min延长至185 min，穿透体积由3.0 BV增大至6.17 BV，咖啡因的动态吸附量也相应增加。这主要是由于，升高吸附柱床层高度，树脂填充量相应增加，可用于咖啡因吸附的活性位点相应增加，咖啡因溶液在床层内的停留时间相应延长，咖啡因分子与吸附树脂接触更充分，使得咖啡因吸附量增加。但吸附柱床层高度为20 cm和30 cm时的穿透体积差别不大，考虑到树脂的利用效率，吸附柱床层高度以20 cm较为合适，此时动态吸附量可达240.17 mg·g-1。

3.1.2 咖啡因溶液进料速度对穿透曲线的影响

在动态固定床吸附中，进料速度是决定树脂动态吸附能力的重要参数，在很大程度上决定着吸附质与树脂的接触时间。在吸附柱床层高度为20 cm、咖啡因溶液pH值为6、咖啡因溶液初始浓度为10 mg·mL-1时，分别以1 mL·min-1、2 mL·min-1、3 mL·min-1的速度进样，此时所对应的穿透曲线如图2所示，相应的动态吸附数据见表2。

图2 咖啡因溶液进料速度对穿透曲线的影响Fig.2 Effect of feed rate of caffeine aqueous on breakthrough curve

表2 咖啡因溶液在不同进料速度下的动态吸附数据

从图2、表2可以看出，(1)当咖啡因溶液进料速度由1 mL·min-1加快至3 mL·min-1时，穿透曲线的穿透点呈现左移的趋势，所对应的穿透时间分别为250 min、120 min、67 min，穿透体积分别为6.25 BV、6.0 BV、5.0 BV。这主要是因为，在较快的进料速度下，树脂周围的咖啡因溶液更替、扩散速度加快，更多的咖啡因分子与树脂的活性位点接触，使得整个吸附过程的吸附速率加快，穿透时间缩短。(2)当咖啡因溶液进料速度由1 mL·min-1加快至3 mL·min-1时，咖啡因的动态吸附量由249.20 mg·g-1降至228.19 mg·g-1。这主要是因为，在较慢的进料速度下，咖啡因分子与树脂的作用时间会延长，从而导致动态吸附量的增加。

实验发现，在咖啡因溶液初始浓度为10 mg·mL-1时，咖啡因的动态吸附量在一定程度上要大于静态吸附量。这主要是因为，在静态吸附过程中，溶液中咖啡因的浓度随着吸附时间的延长不断降低；而动态吸附过程从始至终都是以恒定的浓度进料，这就使得动态吸附过程从开始至结束一直保持着较大的传质推动力；此外，在动态吸附过程中，吸附柱因柱头浓缩效应会在一定程度上造成咖啡因吸附量的增加。

3.1.3 咖啡因溶液初始浓度对穿透曲线的影响

在吸附柱床层高度为20 cm、咖啡因溶液进料速度为1 mL·min-1、咖啡因溶液pH值为6时，咖啡因溶液初始浓度分别为8 mg·mL-1、10 mg·mL-1、12 mg·mL-1时所对应的穿透曲线如图3所示，相应的动态吸附数据见表3。

图3 咖啡因溶液初始浓度对穿透曲线的影响Fig.3 Effect of initial concentration of caffeine aqueous on breakthrough curve

表3 不同初始浓度的咖啡因溶液的动态吸附数据

从图3、表3可以看出，(1)当咖啡因溶液初始浓度从8 mg·mL-1增加至12 mg·mL-1时，穿透曲线所对应的穿透点呈现左移的趋势，穿透曲线的坡度也变得更陡，穿透时间从130 min缩短至100 min，穿透体积从6.5 BV减至5.0 BV。这主要是因为，随着咖啡因溶液初始浓度的增加，树脂表面的活性位点周围会有更多咖啡因分子聚集，此时整个动态吸附过程的传质推动力会更大，树脂在单位时间所能吸附的咖啡因分子会更多，从而能更快地达到吸附平衡，穿透时间也就相应缩短。(2)树脂对咖啡因的动态吸附量随着咖啡因溶液初始浓度的增加逐渐增加，当初始浓度分别为8 mg·mL-1、10 mg·mL-1、12 mg·mL-1时，咖啡因的动态吸附量分别为238.97 mg·g-1、240.17 mg·g-1、241.23 mg·g-1。

3.2 动态脱附影响因素分析

为探究洗脱速度对咖啡因脱附率的影响，控制洗脱温度为70 ℃，以80%乙醇为洗脱剂，分别以2 BV·h-1、4 BV·h-1、6 BV·h-1的洗脱速度对动态吸附完成后的吸附柱进行洗脱，每10 mL收集一管，绘制洗脱曲线，结果如图4所示。

图4 不同洗脱速度下的洗脱曲线Fig.4 Elution curves with different elution rates

从图4可以看出，(1)在不同洗脱速度下，咖啡因浓度均在第3管(30 mL)时迅速升高；随后缓慢升高，至第5管(50 mL)时达到最高；随后下降，至第16管(160 mL)时已经很低，说明树脂上吸附的咖啡因几乎脱附完全。(2)不同洗脱速度下的洗脱曲线基本一致，当洗脱速度为4 BV·h-1、洗脱液体积为50 mL时，洗脱液中咖啡因浓度最高，说明咖啡因的脱附相对集中。(3)当洗脱速度分别为2 BV·h-1、4 BV·h-1、6 BV·h-1时，咖啡因脱附率分别为 94.37%、92.10%、89.71%，说明在较慢的洗脱速度下，洗脱液可以与树脂充分作用，对整个洗脱过程的平衡建立更为有利。但过慢的洗脱速度会延长洗脱时间，洗脱效率下降。结合洗脱效率、咖啡因收率和成本，洗脱速度以4 BV·h-1较为合适，此时咖啡因脱附率为92.10%。

3.3 吸附柱特性参数影响因素分析

3.3.1 咖啡因溶液进料速度

总传质系数和传质区长度与咖啡因溶液进料速度的关系如图5所示。

图5 kla和Ha与咖啡因溶液进料速度的关系Fig.5 Relationship between kla，Ha,and feed rate of caffeine aqueous

从图5可以看出，(1)随着咖啡因溶液进料速度的加快，传质区长度出现递增的趋势，这说明咖啡因的动态吸附受外扩散的影响较大，且进料速度对总传质系数的影响也较大。对于固液吸附过程来讲，当吸附过程受到液膜传质控制时，进料速度的加快，会使边界层厚度减小，进而导致整个吸附过程的总传质系数增大，从而对整个吸附过程的传质速度起到很好的促进作用。(2)当进料速度过快时，咖啡因分子不能充分扩散到树脂内部，从而很难建立相应的吸附平衡，虽然总传质系数较大，但仍不能使咖啡因分子得到很好的吸附，导致整个吸附过程传质区长度的增加、穿透时间的缩短。相反，当进料速度较慢时，因受到液膜传质的限制，虽然咖啡因分子能与树脂较好接触，但由于总传质系数较小，导致穿透时间延长。因此，在保证较大的吸附容量和较高的吸附效率的前提下，咖啡因溶液的进料速度以2 mL·min-1较为合适。

不同进料速度下的吸附柱特性参数见表4。

表4 不同进料速度下的吸附柱特性参数

从表4可知，随着咖啡因溶液进料速度的加快，理论塔板高度逐渐升高、理论塔板数逐渐减少。

3.3.2 咖啡因溶液初始浓度

不同初始浓度的咖啡因溶液的总传质系数和传质区长度的变化情况如图6所示，相应的吸附柱特性参数见表5。

图6 kla和Ha与咖啡因溶液初始浓度的关系Fig.6 Relationship between kla，Ha，and initial concentration of caffeine aqueous

表5 不同初始浓度下的吸附柱特性参数

从图6可以看出，(1)随着咖啡因溶液初始浓度的增加，传质区长度呈递增的趋势，这主要是因为，吸附热在此阶段的作用越来越明显。(2)随着咖啡因溶液初始浓度的增加，总传质系数呈降低的趋势，且开始缓慢下降而后急剧下降。(3)在咖啡因溶液初始浓度从10 mg·mL-1增至12 mg·mL-1时，吸附过程的传质区长度和总传质系数变化均较大。虽然随着咖啡因溶液初始浓度的增加，动态吸附量会随之增加，但这种增加会随初始浓度的增加越来越小，且流出液中咖啡因浓度也会不断增加。在保证合适的传质区长度、更高的吸附效率和更大的动态吸附量的前提下，咖啡因溶液初始浓度以10 mg·mL-1较为合适。

4 结论

(1)将XDA-200型大孔吸附树脂以湿法装填吸附柱，对咖啡因溶液的动态吸附展开研究。绘制了不同吸附柱床层高度、不同咖啡因溶液进料速度、不同咖啡因溶液初始浓度的穿透曲线，结合穿透曲线分析，得到最佳的吸附柱床层高度为20 cm。

(2)动态吸附完成后的吸附柱在70 ℃下用80%乙醇分别以不同洗脱速度进行洗脱，得到最佳的洗脱速度为4 BV·h-1，此时脱附率为92.10%。

(3)通过对咖啡因溶液不同进料速度、不同初始浓度下的总传质系数和传质区长度的分析，得到最佳的进料速度为2 mL·min-1、初始浓度为10 mg·mL-1。该研究所获得的一系列基础数据为工业应用提供一定的帮助。

[1] 盛建伟.咖啡因的合成工艺研究[D].沈阳:沈阳药科大学,2006.

[2] 李海霞,陈榕,周丹,等.咖啡因的合成及其药理作用的研究进展[J].华西药学杂志,2011,26(2):182-187.

[3] 杜德平.咖啡因合成工艺改进[D].济南:山东大学,2005.

[4] 孙培宾,陈江,尹进华,等.XDA-8大孔吸附树脂对高浓度咖啡因的吸附热力学研究[J].化学与生物工程,2011,28(4)：62-64.

[5] 杜德清,夏丙堃,尹进华.离子交换树脂对咖啡因溶液提浓性能的研究[J].化学与生物工程,2014,31(9)：52-54.

[6] WU X Y,LIU Y,HUO T,et al.Multiple interaction on macroporous adsorption resins modified with ionic liquid[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2015,487:35-41.

[7] LIU Y,LIU Y F,ZHANG Z X,et al.Modified macroporous adsorption resins with amino and acetyl groups through a novel method and adsorption behaviors for alizarin yellow GG[J].Polymer Engineering & Science,2014,54(8):1960-1968.

DynamicAdsorptionofCaffeine

WANG Xu1,DU De-qing2,DU Lei3,ZHAO Qing-sheng3,YIN Jin-hua3*

(1.People′sGovernmentofZhangdianDistrict,Zibo255000,China;2.ShandongXinhuaPharmaceuticalCo.,Ltd.,Zibo255000,China;3.QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao266042,China)

We used XDA-200 macroporous adsorption resin to study the dynamic adsorption of caffeine,and investigated influencing factors of dynamic adsorption and desorption.Moreover,combining with correlative models,we also measured the characteristic parameters of adsorption column,such as overall mass transfer coefficient,mass transfer zone length,theoretical plate number,and theoretical plate height,etc.Thus,the optimum dynamic adsorption conditions were as follows:the height of adsorption column bed was 20 cm,the feed rate of caffeine aqueous was 2 mL·min-1,and the initial concentration of caffeine aqueous was 10 mg·mL-1.Using 80% ethanol to elute adsorption column after dynamic adsorption,the desorption rate reached the highest of 92.10% with elution rate of 4 BV·h-1at 70 ℃.

caffeine;dynamic adsorption;transfer coefficient;macroporous adsorption resin

山东省自然科学基金项目(ZR2014BL027)

2017-08-31

王旭(1971-)，女，山东淄博人，工程师，研究方向：化学工程与技术；通讯作者：尹进华，讲师，E-mail：1095976540@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.12.006

王旭，杜德清,杜蕾,等.咖啡因动态吸附研究[J].化学与生物工程，2017，34(12)：20-24，58.

O647.3

A

1672-5425(2017)12-0020-05