1、目錄1前言11.1 研究意義11.2 離子交換樹脂分離技術的原理及應用42離子交換法精制熊去氧膽酸92.1 實驗材料和儀器92.2 實驗方法與步驟103 實驗結果和討論133.1 熊去氧膽酸的HPLC檢測133.2 吸附交換過程熱力學研究143.3 吸附交換過程動力學研究183.4 靜態條件下不同洗脫劑的選定193.5 柱操作條件研究203.6 離子交換柱分離熊去氧膽酸214 產物的鑒定和表征244.1 材料與方法244.2 結果與討論255 總結與展望31參考文獻32致謝34摘要熊去氧膽酸（Ursodeoxycholic Acid，UDCA）是FDA惟一批準可用于治療原發性膽汁性肝硬化的有效

2、藥物。在化學合成工藝中，常利用牛羊膽汁中提取出的UDCA差向異構體鵝去氧膽酸（Chenodeoxycholic Acid，CDCA），由氧化還原法合成UDCA，但中間產物及雜質較多使終產品純度不高。本課題的研究方向是采用堿性大孔陰離子交換樹脂D201型樹脂對UDCA進行純化，筆者主要從動、靜兩方面考察樹脂對熊去氧膽酸的分離條件。結果表明，UDCA能良好地吸附在D201樹脂上，等溫吸附曲線擬合符合Langmiur經驗式，在298 318K的條件下，每克樹脂的靜態實驗吸附量為2035 mg，動態實驗吸附量為4050mg。在298K條件下，進行柱層析分離，并且通過多種方法對終產物進行表征，由分步洗脫

3、得到的UDCA的精制產品純度可達90%以上。關鍵詞：熊去氧膽酸，離子交換樹脂，高效液相色譜AbstractUrsodeoxycholic Acid (UDCA) is the only approved drug for the treatment of primary biliary cirrhosis by FDA. In chemical synthesis process, Chenodeoxycholic Acid(CDCA)，epimer of UDCA, extracted from cattle and sheep's bile, is often used for t

4、he synthesis of UDCA through oxidation reduction. Yet, a quantity of intermediate products and impurities will lead to the low purity of the final product.The research direction of this paper is to purify the UDCA by basic macroporous anion exchange resin D201, and the researcher mainly study about

5、the separation conditions of ursodeoxycholic acid resin from static and dynamic aspects. The results show that UDCA can be well adsorbed on the D201 resin. Whats more, the adsorption isotherm curve can nearly fit with Langmiur experience. At 298 318K, under the condition of static experiments, the a

6、dsorption capacity per gram of resin can reach 20 35 mg, while under the dynamic experiments,the adsorption capacity can reach 40 50mg. At 298K, separated by column chromatography through stepwise elution and characterized by a variety of methods, finally, the refined product UDCA can reach a purity

7、 of more than 90%.Keywords: Ursodeoxycholic acid, ion exchange resin, HPLC35 / 36文檔可自由編輯打印1 前言1.1 研究意義在珍貴的中醫藥材中，熊去氧膽酸（Ursodeoxycholic Acid，UDCA）是熊膽的特有成分，它是一種3,7-二羥基-5-膽甾烷-24-酸。在臨床醫學上，各種膽囊及胃腸道疾病運用該藥材均可以獲得很好的療效。在我國以及東南亞地區，人們已經開始廣泛地開發并且有效利用該種藥材的中藥制劑。我國通常采用的制備方法是較為原始的傳統工藝，然而隨著野生動物越發稀有，并且有關動物保護的法規變得日趨嚴格，

8、化學合成法的普及迫在眉睫。根據現有資料已經有所報道的制備熊去氧膽酸的方法是從牛、羊的膽汁中提取、分離出牛膽酸，經過多步反應合成得到UDCA的差向異構體鵝去氧膽酸（Chenodeoxycholic Acid，CDCA），由于二者僅僅在7位羥基構型上有所差異，再經過若干步氧化還原反應，最終就能實現將CDCA轉化成為UDCA，然而此法所采用的合成路線、工藝極為復雜，并且產品中往往含有大量的中間產物以及雜質，導致最終所得到的產品純度不高1。當今世界，歐美廠商是UDCA的生產主力軍，對UDCA的主要市場需求為日韓、歐美發達國家，就這一良好的形勢而言，膽酸類藥物出口的前景十分樂觀。現代有機合成工業發展迅速

9、，離子交換技術發展突飛猛進。隨著多種性能優良的離子交換樹脂的研制成功，多種新應用方法的開發也日趨豐富起來，在諸多行業特別是高新技術產業以及科研領域中，該法均得到了廣泛地應用。由于該法高效而又安全，筆者將其應用于分離純化UDCA的研究中。在工業化規模生產中，由于離子交換樹脂的具備處理能力大、脫色范圍廣、脫色容量高的優點，并且能夠去除各種不同離子，還能反復再生使用、工作壽命也長、運行費用較低，其他方法無法與之相媲美，在工業化生產中具有其他材料無法匹敵的潛在優勢。本課題的研究方向即采用堿性大孔陰離子交換樹脂D201型樹脂對UDCA進行純化，筆者主要從動、靜兩方面考察樹脂對其吸附的熱動力學性質。在29

10、8K條件下，進行柱層析分離，并且通過多種方法對終產物進行表征，由分步洗脫得到的UDCA的精制產品純度可達90% 以上，使得合成工藝大大簡化，有效地提高了產率，由于可以直接在常溫下進行，降低了成本，有望實現工業化推廣。1.1.1 熊去氧膽酸簡介熊去氧膽酸是高等動物膽汁中最常見的膽汁酸之一，是一種親水膽酸，其主要成分為3,7-二羥基-5-膽甾烷-24-酸，屬于有機化合物。就其物化性質而言，UDCA無臭，味苦，易溶于乙醇與冰醋酸，在氫氧化鈉試液中也能夠溶解，但無法在氯仿中溶解。表1.1熊去氧膽酸的物化性質熊去氧膽酸化學式C24H40O4分子量392.58色澤白色粉末氣味無臭、味苦熔點介于200204

11、0C之間比旋度介于+59.0°+62.0°之間（40 mg / ml 無水乙醇溶液測定）pKa5溶解性幾乎不溶于水，易溶于乙醇、冰醋酸等，不溶于氯仿，能溶于堿性溶液敏感性對光、氧、高溫及濕度等相對不是很敏感人類膽汁的主要成分是膽汁酸（簡稱為膽酸），其首先由肝臟合成，并經膽囊或者是小腸分泌，主要是以與牛磺酸、甘氨酸共軛的形式存在。在小腸中，初級膽汁酸、膽酸（Cholic Acid，CA）和鵝去氧膽酸，可能是由腸道細菌脫去結合形式，形成次級膽汁酸，如脫氧膽酸（Deoxycholic Acid，DCA）、石膽酸（Lithocholic Acid，LCA）和熊去氧膽酸，它們都是膽烷

12、酸的衍生物，都含有24個碳原子。隨后，為了攝取和重新分泌進入膽汁，膽汁酸經由門靜脈系統，能有效地被重新吸收并運輸回肝臟（即膽汁酸的腸肝循環）。在腸道的膽汁酸腸肝循環過程中，腸道膽汁酸的一小部分隨糞便排出，并被肝臟從頭合成所取代。膽酸是膽汁的重要組分，在脂類物質消化吸收及調節膽固醇代謝方面，膽酸都起到了十分重要的作用。在正常人類的膽汁中，UDCA占人體總膽酸的3%，它能夠松弛膽總管括約肌，促進肝臟糖原蓄積，有保肝解毒的功效，是名貴中藥熊膽所蘊含的主要有效成分，在臨床醫學上，對于各種膽疾以及消化道疾病方面都具有良好的療效2。圖1-1 熊去氧膽酸的結構圖1-2 游離型膽汁酸和結合型膽汁酸熊去氧膽酸最

13、早是由日本岡山大學的Shoda從中國熊的膽汁中分離從而獲名。通常情況下，在正常人體中，只有少量的膽汁酸會存在于周邊血液及尿液中。然而，在肝膽、腸道疾病中，合成、代謝紊亂，以及由肝臟和小腸吸收的清潔等特殊因素，會影響在不同池室（如血清、肝臟、膽囊、尿液、糞便）中膽汁酸的分布濃度3。1985年時，Leuschner等人用UDCA治療合并肝炎的膽結石時發現血清轉氨酶降低，在此之后，大量的臨床醫學研究也證實了UDCA對治療一些肝病確實有著顯著的效果。UDCA在治療肝病方面的作用機制以及療效如下：膽汁淤積性肝病與鵝去氧膽酸、去氧膽酸和石膽酸的積聚有關，由于去垢作用，這些膽酸會損害肝細胞，而UDCA卻是一

14、種沒有毒性的親水膽酸，能競爭性地抑制回腸吸收具有毒性的內源性膽酸。通過激活鈣離子、蛋白激酶C組成的信號網絡，并激活分裂活性蛋白激酶，可以提高膽汁淤積肝細胞的分泌能力，同時降低血液以及肝細胞中的內源性疏水膽酸濃度，從而起到抗膽汁淤積的效果。UDCA還能競爭性地取代細胞膜和細胞器上的毒性膽酸分子，防止更多的毒性膽酸損害肝細胞和膽管細胞4-6。以上作用具體表現在：細胞保護作用。UDCA結合物能明顯減輕疏水膽酸誘發的肝細胞的細胞溶解，減少培養鼠和人類肝細胞由毒性膽酸誘發的細胞凋亡。膜穩定作用。UDCA可防止膽酸誘發的線粒體膜滲透性改變，也就是說可通過膜穩定作用來防止毒性膽酸誘發的腺粒體膜、基底膜和小膽

15、管膜損害。抗氧化作用。UDCA能抑制毒性膽酸引起的枯否細胞激活，還能增加肝細胞谷胱甘肽和含硫醇蛋白的水平，防止肝細胞的氧化損傷。免疫調節作用。UDCA通過降低疏水膽酸的刺激作用間接抑制，并通過激活糖皮質激素受體直接抑制組織相容性復合體（MHC）類和類基因的表達5。1.2 離子交換樹脂分離技術的原理及應用在離子交換分離的操作中，其物質基礎是離子交換劑，樹脂自身性能的優劣決定了分離效果的優良。在使用過程中，離子交換樹脂應當具備滿足工藝上所需要的足夠交換能力、選擇性以及交換速度。由于離子交換樹脂品種良多，而且其各自的化學組成和結構也不盡相同，從而在功能以及特性上顯現出不同，可以分別應用于不同的分離用

16、途中。樹脂的交換容量稱為交換能力，根據一定的生產規模，可以決定使用的樹脂量。選擇性用以度量樹脂的分離能力，它反映了樹脂對不同離子的親和力。樹脂工程性能的重要指標之一是交換速度，它能體現出樹脂的動力學性能4。在使用樹脂的過程中，它與水溶液構成了固液非均相傳質體系。因此，離子交換樹脂必須具備適宜的微觀結構，即一定的孔隙率、孔徑以及比表面積，此外對密度、粒度以及強度也有一定的要求。1.2.1 原理大孔樹脂包含大孔離子交換樹脂及大孔吸附樹脂，通常情況下，大孔吸附樹脂不含有離子交換基團，但其珠粒內部含有與分離對象分子尺寸相對應的吸附場所以及擴散通道。離子交換樹脂是一種高分子化合物，具有功能基團，它具有一

17、般聚合物沒有的新功能離子交換功能，本質上屬于反應性聚合物。根據基體的種類7，離子交換樹脂可以分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂；根據樹脂的物理結構，則可分為凝膠型、大孔型以及載體型。強酸性陽離子樹脂：此類樹脂含有大量的強酸性基團，如磺酸基SO3H，由于易在溶液中離解出H+離子，故呈現強酸性。當樹脂離解后，其本體含有的負電基團，如SO3，可以吸附結合溶液中的其他陽離子。在這兩個反應中，溶液中的陽離子與樹脂中的H+實現了互相交換的目的。由于強酸性樹脂極強的離解能力，在酸性或堿性溶液中均能發生離解和并進行離子交換。樹脂在使用了一段時間后，需要用化學藥品使此前的離子交換反應以相反方向進行，此即樹脂的再生處

18、理，這個操作能使樹脂的官能基團恢復到初始狀態，以便再次投入使用。上文中提及的陽離子樹脂其再生處理采用的是強酸，此前被吸附的陽離子從樹脂中釋放出來，隨后與H+結合，從而恢復原來的組成。弱酸性陽離子樹脂：此類樹脂含弱酸性基團，如羧基COOH，由于在水中可離解出H+呈現酸性。樹脂離解后，剩下的負電基團，如R-COO（R代表碳氫基團），可以吸附結合溶液中的其他陽離子，以達到陽離子交換的目的。此類樹脂的離解性即酸性較弱，因此難以在低pH下發生離解以及離子交換，只能用于pH514的弱酸性、中性或堿性的溶液中。此類樹脂的再生也采用酸處理，較之強酸性樹脂也更容易再生。強堿性陰離子樹脂：此類樹脂含有強堿性基團，

19、如四級胺基（即季胺基）NR3OH（R代表碳氫基團），由于在水中能夠離解出OH而呈現強堿性。此類樹脂的正電基團能吸附結合溶液中的陰離子，從而實現陰離子交換的目的。這種樹脂的離解性很強，因此可應用于不同的pH環境中。其再生處理操作采用強堿（如NaOH）。弱堿性陰離子樹脂：此類樹脂含有弱堿性基團，如一級胺基（即伯胺基）NH2、二級胺基（即仲胺基）-NHR、或三級胺基（即叔胺基）NR28，由于其在水中能夠離解出OH而呈現弱堿性。此類樹脂的正電基團能吸附結合溶液中的陰離子，從而實現陰離子交換的目的。在大多數情況下，此類樹脂吸附的是溶液中的整個酸分子，只能應用于pH19的中性或酸性環境中。其再生處理操作可

20、采用Na2CO3、NH4OH進行再生。離子交換樹脂應用于很廣泛的領域9：水處理。水處理領域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產量的90%，用于水中的各種陰陽離子的去除。目前，離子交換樹脂的最大消耗量是用在火力發電廠的純水處理上，其次是原子能、半導體、電子工業等。食品工業。離子交換樹脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工業裝置上。例如：高果糖漿的制造是由玉米中萃出淀粉后，再經水解反應，產生葡萄糖與果糖，而后經離子交換處理，可以生成高果糖漿。離子交換樹脂在食品工業中的消耗量僅次于水處理。制藥行業。制藥工業離子交換樹脂對發展新一代的抗菌素及對原有抗菌素的質量改良具有重要作用。鏈霉素的開發

21、成功即是突出的例子。近年還在中藥提成等方面有所研究。合成化學和石油化學工業。在有機合成中常用酸和堿作催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應。用離子交換樹脂代替無機酸、堿，同樣可進行上述反應，且優點更多。如樹脂可反復使用，產品容易分離，反應器不會被腐蝕，不污染環境，反應容易控制等。甲基叔丁基醚（MTBE）的制備，就是用大孔型離子交換樹脂作催化劑，由異丁烯與甲醇反應而成，代替了原有的可對環境造成嚴重污染的四乙基鉛。環境保護；離子交換樹脂已應用在許多非常受關注的環境保護問題上。目前，許多水溶液或非水溶液中含有有毒離子或非離子物質，這些可用樹脂進行回收使用。如去除電鍍廢液中的金屬離子，回收電影制片廢

22、液里的有用物質等。濕法冶金及其他；離子交換樹脂可以從貧鈾礦里分離、濃縮、提純鈾及提取稀土元素和貴金屬。1.2.3 發展歷史離子交換樹脂最早出現于1935年，當時，英國人亞當斯與霍姆斯發現苯酚磺酸甲醛逐步聚合物可以進行陽離子交換，在此之后，兩人又發現間苯二胺與甲醛的聚合物能夠進行陰離子交換10。德國法本公司以及美國的樹脂產品和化學品公司分別于1939年和1941年開始進行工業化生產，并分別將商品命名為Wofatit和Amberlite。1944年，美國人G.F.達萊利奧成功合成了苯乙烯系離子交換樹脂。在第二次世界大戰期間，德國的法本公司除了將Wofatit應用于精制水之外，還實現了從人造絲工廠廢

23、液中回收銅氨，甚至是從影印廠的工業廢液中回收得到了貴金屬銀。在此期間，美國將離子交換樹脂應用于從貧鈾礦中提取鈾，除此之外，在分離核裂變生成物、超鈾元素以及稀土元素等方面，Amberlite也起到了極為重要的作用。一直到二戰以后，合成與應用離子交換樹脂的技術得到了更進一步的發展，在水純化的領域中，人們采用混合床脫鹽法，制得了電阻率為1800萬·cm的高純水。上世紀50年代以后，膜狀離子交換樹脂的研究得以開展，這為電化學領域開辟了新的紀元。在60年代初期，為了適應尖端科學的發展，耐壓、耐磨、高交換速度、能交換或吸著高分子量化合物（如水中的腐植酸）的大孔離子交換樹脂研制成功，此后，這些樹脂

24、被廣泛應用于選擇分離稀有金屬、貴重金屬，環境保護，醫藥，仿生高分子，選擇性膜，金屬絡合催化等方面。在70年代之后，各種大孔吸附樹脂以及新型的特種樹脂又涌現在世人面前。本實驗使用的是D201樹脂，屬于大孔強堿季銨I型系陰離子交換樹脂。大孔吸附樹脂是在離子交換樹脂的基礎上發展起來的。1935年英國的B.A.Adams和Holmes發表了由甲醛、苯酚與芳香胺制備的縮聚高分子材料及其離子交換性能的工作報告，從此開創了離子交換樹脂領域。20世紀50年代末合成了大孔離子交換樹脂，是離子交換樹脂發展的一個里程碑。上世紀60年代末合成了大孔吸附交換樹脂，并于70年代末用于中草藥有效成分的分離，但我國直到 80

25、年代后才開始有工業規模的生產和應用11。大孔吸附樹脂目前多用于工業廢水處理、食品添加劑的分離精制、中草藥有效成分、維生素和抗菌素等的分離提純和化學制品的脫色、血液的凈化等方面10,12。大孔吸附樹脂（Macroporous Absorption Resin）屬于功能高分子材料，是近30余年來發展起來的一類有機高聚物吸附劑13，是吸附樹脂的一種，由聚合單體和交聯劑、致孔劑、分散劑等添加劑經過聚合反應制備而成。聚合物形成后，致孔劑被除去，在樹脂中留下了大大小小、形狀各異、互相貫通的孔穴。因此大孔吸附樹脂在干燥狀態下其內部具有較高的孔隙率，且孔徑較大，在1001000nm之間，故稱為大孔吸附樹脂。大

26、孔樹脂的表面積較大、交換速度較快、機械強度高、抗污染能力強、熱穩定好，在水溶液和非水溶液中都能使用14。 大孔吸附樹脂具有很好的吸附性能，它的理化性質穩定，不溶于酸、堿及有機溶媒，對有機物的選擇性較好，不受無機鹽類及強離子低分子化合物存在的影響，可以通過物理吸附的方式從水溶液中有選擇地吸附有機物質。大孔樹脂是將吸附性和篩選性原理相結合在一起的分離材料，基于該原理，有機化合物根據吸附力的不同以及分子量的大小，在大孔吸附樹脂上經過一定的溶劑洗脫可以達到分離的目的15。由于大孔吸附樹脂的固有特性，它能富集、分離不同母核結構的藥物，可用于單一或復方的分離與純化。但大孔吸附樹脂型號很多，性能用途各異，而

27、中藥成分又極其復雜，尤其是復方中藥，因此必須根據功能主治明確其有效成分的類別和性質，根據“相似相溶”的原則16，即一般非極性吸附劑適用于從極性溶液（如水）中吸附非極性有機物；而高極性吸附劑適用于從非極性溶液中吸附極性溶質；中等極性吸附劑，不但能夠從非水介質中吸附極性物質，同時它們具有一定的疏水性，所以也能從極性溶液中吸附非極性物質17。1.2.4 前景膽酸類藥物的原料十分容易獲得，生產工藝也很簡單，僅花費少量的投資即可在短期內見效，產品亦可出口，尤為適合中小型企業的初期發展，因此國內諸多中小型及鄉鎮企業紛紛投資生產膽酸，隨著生產廠家的數量上升，其產量也相應地不斷擴大。我國膽酸類藥物生產的主要問

28、題是收率不高，為此，各相關企業、大專院校和科研單位正在積極研究與開發新興的膽酸類藥物制備技術，使得膽酸類藥物的合成工藝日臻改進、完善，抑或通過尋求更為經濟合理的生產工藝路線，以提升收率和終產品品質，從而實現成本的降低，并拓展市場競爭力18。當今世界，開發生產膽酸類藥物、以及生產和消費的群體主要集中在歐美、日本和韓國等這些科技發達的國家19，此外，我國臺灣及東南亞一帶也有不容小覷的市場有待拓展。全世界最大的膽酸類藥物消費國為美國，現如今，全球經濟發展迅速，人類的生活水平也有了顯著提升，各個國家對于膽酸的需求均會有不同程度的升高，需求量將漸漸擴大。同時，隨著人們不斷深化研究膽酸類藥物的應用，其可適

29、用的領域也將不斷拓展。不難預測，膽酸類藥物的生產和應用必然會有極為樂觀的發展前景。在熊去氧膽酸的合成工藝中，CDCA的重要性可見一斑既是重要的中間體，又是重要的原料，曾經有報道20選用CDCA作為原料，經過氧化得到3-5-羥基-7-羰基膽烷酸（7K-LCA），再通過還原反應，進而實現合成熊去氧膽酸的目的，張國平21報道了在丙酮和水中采用NBS氧化CDCA，從而制得7K-LCA的方法，通過此法成品的收率可達89%。歐洲專利報道中有提到，當7K-LCA在KOCMe3，Me2CHOH同時存在的情況下，于常壓下400C，用金屬鎳氫化可以得到UDCA，該法產率更是高達95%。日本專利22有報道7K-LC

30、A在高壓釜中加熱到1000C，NaOH、BuOH和Pd/C同時存在的情況下，氫化5h，通過該法獲得的UDCA純度可達88.2%。此外，還有報道稱可通過其他原料合成UDCA。由上述事例中不難看出，CDCA始終都是生產UDCA的重要中間體。 1.2.4 離子交換樹脂的熱動力學離子交換熱力學是研究離子交換平衡理論的主要內容，離子交換平衡與許多因素有關，主要是離子交換劑的性質、溶質的種類、溶質及交換劑的用量以及溶質的濃度。此外，溫度也影響離子交換平衡。表征離子交換平衡的手段主要有離子交換等溫線和各種參數。在離子交換分離過程中，主要的平衡分配關系有線性平衡關系（Henry型）、雙曲線型（Langmuir

31、型）平衡關系和冪函數型（Freundlich型）平衡關系。離子交換動力學模型按照不同的角度區分有各種類型，按表達交換過程動力學定律的性質可以劃分為化學動力學型和物理動力學型兩類。其中，后者又有膜擴散型、孔擴散型與表面擴散型等不同的類型。若按照理論基礎區則可分為機理模型和經驗模型兩類。機理模型是由交換過程的微觀反應機理入手導出的理論模型，如Fiek模型、Nernst-Planck模型、Stefan.Maxwell模型及縮核模型23。此類模型概念清晰，有明確的物理意義，但由于實驗條件的不同與限制，直接應用于復雜的實際交換體系很不方便。而經驗模型是由實驗數據直接回歸得到的，如簡單線性推動力模型、平方

32、推動力模型、修正平方推動力模型、雙參數模型及多項式模型等，此類模型，推導容易，應用方便，但無明確的物理意義，不能外推。擬均相擴散模型是應用廣泛的動力學模型，它包括Fick模型、Nemst-Planck模Stefan-Maxwell模型。這些模型之所以稱做擬均相擴散模型，是因為它們都假定功能基上的反離子是全部解離的、并均勻的分散在樹脂顆粒相。1992年，Bhand等人24對弱堿離子交換樹脂吸附強酸的離子交換過程進行了研究。研究發現，礦被排斥在樹脂相外的程度比預想的要小得多。Bhandari分析這種原因，認為樹脂相中的反離子沒有全部解離，而是以雙電層的形式分布在孔道中。1996年，Hasnat等人

33、對強酸離子交換樹脂的離子交換動力學進行了深入研究。并在Bhandari等人的基礎上，進一步完善了非均相顆粒擴散模型。Hasnat等人把樹脂顆粒中復雜曲折的孔道簡化成從顆粒外表面一直到中心處的直孔，擴散系數用無限稀釋溶液中的擴散系數除以曲折因子。把孔道分成環狀的雙電層和呈電中性的孔中心區域兩部分。在雙電層內，大部分的反離子與骨架上的功能基團緊密結合在一起，形成緊密層。緊密層中的反離子不能直接參與擴散過程，只有分散層中的反離子可以自由移動。緊密層和分散層中的反離子保持動態平衡。擴散通量由分散層和孔中心區域兩部分離子的擴散組成。另外，Hasnat等人認為反離子在樹脂相與溶劑相的分配界限不在樹脂顆粒的

34、外表面，而是在樹脂顆粒內部雙電層的外邊界處。Hasnat利用動力學實驗回歸了一些一價反離子在強酸離子交換樹脂中的解離度，大約在4%-10%之間。許多離子交換過程都伴有化學反應。這種化學反應，對于離子交換平衡與離子交換動力學都有顯著影響。縮核模型認為，起始時的離子交換反應，只是在樹脂顆粒外表面進行。隨著交換過程的不斷進行，反應位置逐漸向樹脂顆粒內部推移。即交換離子通過反應層以后，在未反應核的表面逐漸進行。大孔離子交換樹脂是上個世紀60年代在凝膠型樹脂的基礎上發展起來的一類新型樹脂。它的特點是在整個樹脂內部，無論干、濕或收縮、溶脹都存在著比一般凝膠型樹脂更多、更大的孔道。因此，在離子交換過程中，其

35、具有交換速度快、應用范圍廣的顯著優勢。大孔離子交換樹脂根據其內部結構可分為兩種：一種是大網型（Macroreticular）樹脂，另外一種是大型（Macroporous）樹脂。在制備過程中，如果所用的致孔劑是單體的溶劑，那么將形成由微球狀的簇所組成的大網樹脂。如果所使用的致孔劑不是單體的溶劑，則會形成內部有許多大孔的凝膠顆粒（大孔型樹脂）。在這兩種樹脂中，大網型樹脂較為常見。離子在大孔樹脂中的擴散過程既包括大孔中的擴散也包括微球內的擴散，因此，在動力學模型的建立上要更為復雜一些。Bricio等人25曾利用淺床技術，分別用六種適合凝膠型離子交換樹脂的動力學模型對K+H+在大孔離子交換樹脂中的交換

36、過程進行了研究，發現按這些模型計算的結果與實驗數據均不相符。通常，大孔離子交換樹脂內的擴散模型可分為并行擴散模型和連續擴散模型兩種。2 離子交換法精制熊去氧膽酸2.1 實驗材料和儀器2.1.1 實驗試劑表2.1 主要實驗試劑名稱規格生產廠商熊去氧膽酸粗品實驗室電解還原產物熊去氧膽酸標準品99%阿拉丁試劑有限公司鵝去氧膽酸標準品99%阿拉丁試劑有限公司氫氧化鈉AR江蘇永華精細化學品有限公司氯化鈉AR江蘇永華精細化學品有限公司磷酸二氫鉀AR江蘇永華精細化學品有限公司磷酸AR國藥集團化學試劑有限公司HPLC乙腈色譜純上海星可生化有限公司HPLC甲醇色譜純上海星可生化有限公司無水甲醇AR上海凌峰化學試

37、劑有限公司無水乙醇AR上海凌峰化學試劑有限公司濃鹽酸AR國藥集團化學試劑有限公司2.1.2 實驗儀器表2.2 主要實驗儀器名稱生產廠商島津SPD-20A高效液相色譜儀島津公司電熱恒溫水浴鍋上海醫療器械五廠水浴恒溫振蕩器DSHZ-300江蘇太倉市實驗設備廠202-1型電熱干燥箱上海市上海縣第二五金廠電子天平JA1003上海精密科學儀器有限公司真空干燥箱DZ60上海醫療器械七廠自動液相色譜分離層析儀MC993上海滬西儀器廠SHZ-IIID循環水真空泵上海亞榮生化儀器廠2.2 實驗方法與步驟2.2.1 樹脂的預處理本次實驗采用的是D201堿性陰離子交換樹脂，在使用之前，根據中華人民共和國國家標準GB

38、/T5476-1996規定的離子交換樹脂預處理方法，按以下方法進行預處理操作：將樹脂置于燒杯中，加入500C的去離子水浸泡，并不時攪拌，使樹脂充分溶脹，10分鐘后倒去液體，更換新的500C去離子水再次浸泡，過濾掉樹脂中的雜質，反復該步驟若干次。隨后，將已經充分溶脹的樹脂進行裝柱，將23倍柱體積的1mol/L NaOH溶液通過樹脂層，隨后再將23倍柱體積的1mol/L HCl溶液通過樹脂層，最后將23倍柱體積的1mol/L NaOH溶液通過樹脂層。預處理好的樹脂貯存于飽和食鹽水中，以保鮮膜封口待用。2.2.2 HPLC法定量檢測熊去氧膽酸含量液相條件：采用島津SPD-20A高效液相檢測儀，選用A

39、lltech Prevail Select C18柱 （250mm× 4.6 mm， 5m） ，UV檢測器，波長選用208nm，以KH2PO4（需用磷酸調節pH值到2.0，再抽濾2次）和乙腈體積比為1:1的混合液作為流動相26，流速為1.0 mL/min，進樣量選定為20L。標準曲線繪制：分別配制濃度為1mg/mL、2 mg/mL、3 mg/mL、4 mg/mL、5mg/mL 的UDCA標準品甲醇溶液，通過HPLC檢測結果，以溶液濃度為橫軸、出峰面積為縱軸作圖，即可得到UDCA標準曲線。2.2.3 吸附等溫線的研究靜態實驗：取一定量的樹脂，置于一定質量濃度的UDCA溶液中，恒溫振蕩3

40、h，每隔一段時間取清液分析UDCA的濃度，根據qe = ( c0 - ce ) V / m （2-1）計算平衡吸附量 qe (mg/g)。式中的 c0 和 ce 分別代表吸附前以及吸附平衡后溶液中UDCA的質量濃度 (mg/L)，V為溶液體積 (L)，m為樹脂質量 (g)。吸附過程中，在不同時間取樣分析溶液的濃度，計算得到不同時刻的吸附量 qt (mg/g)，即可獲得吸附動力學數據。吸附等溫線的測定：取D201樹脂濕重 m = 20.000 g ，UDCA標準品甲醇溶液濃度 c0 = 20 mg/ml， V = 20ml ， t = 3h 時，分別在298 K、308 K和318 K下于氣浴搖

41、床上恒溫振蕩，測定樹脂對UDCA的等溫吸附數據。2.2.4 不同溫度下的吸附動力學曲線研究在靜態條件下，取濕重 m = 20.000 g 的D201樹脂，UDCA標準品甲醇溶液濃度 c0 = 20mg/ml，V = 20ml 時測定不同溫度下的吸附動力學曲線。2.2.5 不同洗脫劑的研究在小錐形瓶中，稱取濕重為20.000 g的D201樹脂，加入 20 ml 的 c0 = 20mg/ml 的UDCA標準品甲醇溶液，在氣浴搖床上恒溫振蕩3h，每隔一段時間取樣 1ml ，通過HPLC分析檢測洗脫液中UDCA的濃度，待其飽和吸附后，過濾掉液體，用濾紙吸去多余水分，用去離子水沖洗樹脂若干遍，再加入 2

42、0 ml 洗脫劑III：由0.8mol/L NaCl 與 0.2mol/L NaOH 按照1 : 1的比例配制而成，于相同的溫度條件下進行 3h 的恒溫振蕩洗脫，每隔一段時間取樣 1ml ，通過HPLC分析檢測洗脫液中UDCA的濃度。2.2.6 動態吸附穿透曲線研究取濕重 m = 1.500 g 的D201樹脂，UDCA標準品溶液濃度 c0 = 2.000 g/ L，在 T = 298 K 的溫度條件下，以流速分別為0.5、1、1.5mL/ min 通過離子交換柱進行交換吸附，作出動態吸附穿透曲線。2.2.7 離子柱分離熊去氧膽酸將預處理好的吸附劑裝入石英玻璃吸附柱（規格：15×20

43、0mm），裝柱高度為150mm，吸附劑裝柱體積為26.5mL。裝柱方法為濕法裝柱，具體的操作步驟如下：在裝柱之前，先在柱中加入一定量的0.1mol/L NaOH溶液，然后將0.1mol/L NaOH溶液浸泡過夜的吸附劑D201樹脂倒入柱中，把過量的NaOH溶液通過柱底放出，保持液面高度始終在吸附劑的平面之上約23cm處，直至所有的吸附劑全部轉移到柱中。配制UDCA粗品樣液（濃度為2mg UDCA/mL）：稱取0.5g UDCA粗品于燒杯中，加入200mL 濃度為0.1mol/L的NaOH溶液，攪拌使其溶解（由于其中含有部分難溶解雜質，可用恒溫水浴鍋對其進行適當加熱），過濾掉懸浮的雜質，用0.1

44、mol/L的NaOH溶液定容到250mL，儲存于錐形瓶中密封待用。分別配制如下洗脫劑：表2.3 洗脫劑名稱濃度規格洗脫劑I0.3 mol/L NaCl100ml洗脫劑II0.5 mol/L NaCl + 0.2mol/L NaOH各50ml洗脫劑III0.8 mol/L NaCl + 0.2mol/L NaOH各50ml按照下圖連接好自動液相色譜分離層析儀，以0.3mL/min的流速將0.1mol/L NaOH溶液通入柱內開始走平衡，洗至所有導管中的氣泡消失，樹脂顆粒得以充分舒展，即可進行下一步的吸附。調節T為100，A為0，待示數基本平穩，即可通入UDCA粗品樣液。圖2-1 自動液相色譜分離

45、層析儀將配制好的UDCA粗品樣液以1mL/min的流量通過離子交換柱，并不時地對流出液進行取樣，用2mol/L HCl做定量滴定分析，待流出液生成的沉淀量較多時，可以基本認定樹脂已經吸附飽和。此時，用去離子水以2mL/min的流量過柱，洗去吸附柱內殘余的流動相，約耗時20min ，把自動收集分布器設置為每隔5min收集一管，將配制好的洗脫劑I、II、III以1mL/min的流量依次通過吸附柱，約耗費40余支10 ml試管，將流出液過膜并做HPLC檢測，用液出液各組分的HPLC檢測出峰面積與洗脫時間作圖，即可得到洗脫曲線，不同時間段內收集到的流出液對應不同組成的精制產品。3 實驗結果和討論3.1

46、 熊去氧膽酸的HPLC檢測3.1.1 UDCA標準品標準曲線繪制以UDCA的濃度為橫坐標，HPLC檢測出峰峰面積為縱坐標，繪制UDCA的標準曲線，如圖3-1所示，其對應的回歸方程為：y =21613x - 45858，R2 =0.999（3-1） 圖3-1熊去氧膽酸標準曲線3.1.2 UDCA標準品與粗品HPLC檢測圖譜對比UDCA標準品的HPLC檢測圖如圖3-2所示，于6min后接近7min處有出峰的物質即為熊去氧膽酸。圖3-2熊去氧膽酸標準品檢測圖譜UDCA與7K-LCA（純試劑）的1:1混合模擬粗品的HPLC檢測圖如圖3-3所示，相較于圖3-2，多了89min處的出峰物質，該物質為UDC

47、A的電還原前體7K-LCA（7-酮石膽酸）。圖3-3熊去氧膽酸粗品檢測圖譜UDCA粗品的HPLC檢測圖如圖3-4所示，相較于圖3-3，多了1213min處的出峰物質，該物質為為UDCA的差向異構體鵝去氧膽酸（CDCA）。CDCA與7K-LCA這兩種物質在工業上作為電解氧化還原法制備UDCA的中間體和初級原料，大部分針對UDCA粗品的分離提純技術，實際上就是圍繞這三種物質的分離而展開。圖3-4熊去氧膽酸粗品檢測圖譜3.2 吸附交換過程中熱力學研究3.2.1 Langmuir等溫吸附曲線擬合Langmuir等溫方程式： （3-2） 可變換為：（3-3） 根據方程式（3-3），其中K和q0 是常數，

48、以ce（mg/ml）為橫軸，qe（mg/g）為縱軸作圖，對其進行擬合得到等溫吸附曲線，如圖3-5所示：圖3-5 Langmuir等溫吸附曲線擬合得到的Langmuir等溫吸附曲線擬合方程如表3.1所示：表3.1 Langmuir等溫吸附曲線擬合方程T/K擬合的Langmiur等溫吸附曲線方程R2298Ce/qe=0.00718Ce+1.84510.9967308Ce/qe=0.00732Ce+1.22630.9952318Ce/qe=0.00748Ce+1.25870.99603.2.2 Freundlich等溫吸附曲線擬合Freundlich等溫方程式：q0 = KC1/nf （3-4）兩邊

49、取對數，得：log q = log Kf + nf -1log C（3-5） 根據Freundich等溫方程式：qe=KCe1/n （3-6）進行擬合得到圖3-6：圖3-6 Freundlich等溫吸附曲線擬合得到的Freundlich等溫吸附曲線方程如表3.2所示：表3.2 Freundlich等溫吸附曲線擬合方程T/K擬合Freundlich方程R2298qe=8.4265Ce0.38170.9728308qe=8.1315Ce0.39360.9721318qe=8.0020Ce0.39260.97103.2.3 吸附過程熱力學參數由Vant-Hoff和Gibbs-Helmholtz方程可

50、以進一步的求的吸附達到平衡時的吉布斯自由能，焓變和熵變，進而可以對吸附過程有更為理論層面的認識。lnK = S / R - H / RT （3-7）ln K與1/T作圖得到：圖3-7 吸附過程熱力學參數擬合得到直線公式：y=242.37x + 1.3137（3-8）根據斜率和截距得到S、H、由S << H·G / T得到G，其熱力學參數見于表3.3表3.3 吸附過程熱力學參數TG (kJ·mol-1)H (kJ·mol-1)S (J·K-1·mol-1)298k-5.277-2.0210.93308k-5.386-2.0210.93

51、318k-5.496-2.0210.933.2.4 吸附等溫線及吸附過程熱力學分析結果從得到的等溫吸附線擬合方程，單比較相關系數而言，Langmiur等溫吸附方程能夠更好地描述D201離子樹脂對熊去氧膽酸的吸附過程，可以初步推測該吸附是一種單分子層的吸附，而Freundlich方程中， qe << KC1/ne的1/n介于0.1到0.5之間，說明該吸附是一種優惠吸附，熊去氧膽酸吸附到樹脂上這個過程比較容易進行。從熱力學參數的研究可以更加進一步明確樹脂對UDCA的吸附過程是一個放熱的過程，溫度的升高不利于吸附的進行。由于吸附過程中，在不同溫度下G始終小于零，說明該過程是可以自發的進行

52、的。S大于零則說明在吸附的過程中固液表面兩相自由度增加，由此可以推測該吸附并不是單一的化學吸附，在以離子交換為主導的化學吸附同時，還存在著物理吸附。3.3 吸附交換過程中的動力學研究3.3.1 不同溫度下的吸附動力學曲線在靜態條件下，稱取濕重為20.000g的D201樹脂，用吸水紙吸去多余水分，配制濃度c0 = 20mg /ml的UDCA標準品溶液，V = 20ml時，測定不同溫度下的吸附動力學曲線。 圖3-8 不同溫度下吸附動力學曲線從圖3-8上可看出D201樹脂于298K到318K條件下飽和吸附量為4050mg左右，吸附飽和所需時間為100min左右。同時還可以看到樹脂的飽和吸附量隨著溫度

53、的增加而降低，驗證了之前熊去氧膽酸于D201樹脂吸附交換過程是一個放熱過程的假設。3.3.2 不同溫度下的吸附動力學曲線控制機理的初步判斷根據Kannan -Sundaram 顆粒內擴散模型qi << kt0.5 + b（3-9）由不同溫度下的吸附動力學曲線數據擬合： 圖3-9 吸附動力學曲線擬合其相關系數大于0.98線性關系良好，顆粒內擴散是主要吸附速率的控制步驟。但直線并沒有直接過原點說明吸附還受其他因素影響，例如膜擴散和化學反應。一般情況下，樹脂的交換容量高，交聯度較低，樹脂相中的擴散系數較大，樹脂的粒度較細，而液相中的分子濃度又較低。同時，液流的攪動作用又不十分強烈，這時一

54、般表現為液膜擴散控制；若所用樹脂的粒度較粗，交聯度較高，攪動作用強烈，這時往往表現為顆粒擴散控制。3.4 靜態條件下不同洗脫劑的選定在對熊去氧膽酸的HPLC檢測的時候提到，UDCA粗品中含有其他兩種可回收的組分，分別為7K-LCA和CDCA，在電解氧化還原合成UDCA的工藝之中CDCA是作為原料，7K-LCA是CDCA電解氧化的產物，UDCA是7K-LCA電解還原的產物。選定有效的洗脫方案使粗品中的不同組分分離開來對UDCA的化學合成工藝有著重大的意義。選擇在靜態實驗條件下對洗脫條件進行摸索，最終選定分步洗脫的方案，使用三種不同成分濃度的洗脫劑使粗品中的組分依次洗脫下來。三種洗脫劑分別為I：0

55、.3mol/LNacl溶液100ml，II：0.5mol/LNacl 0.2mol/LNaOH各50ml的1:1混合溶液，III：0.8mol/LNacl 0.2mol/LNaOH各50ml的1:1混合溶液。分步洗脫出液HPLC檢測圖如下：圖3-10 洗脫劑I洗出液檢測圖譜首先由洗脫劑I洗脫下來的組分是于12.5min處明顯出峰，其洗出液主要成分含有CDCA。圖3-11 洗脫劑II洗出液檢測圖譜其次由洗脫劑II洗出液的主要組份為7K-LCA，同時還參雜了少量的UDCA圖3-12 洗脫劑III洗出液檢測圖譜最后由洗脫劑III洗出液中可以得到比較純的UDCA，至此可以借由分部洗脫可基本達到依次將粗品中各組分洗脫下來的目的。3.5 柱操作條件研究3.5.1 動態吸附穿透曲線研究在樹脂1. 500 g ，c0 = 2. 000 g/ L，T = 298 K, 以流速分別為0.5、1、1.5ml/ min 通過樹脂柱進行交換吸附，作出動態吸附穿透曲線。圖3-13 不同流速下動態吸附穿透曲線由圖上可以看出加快流速使穿透體積提前。加快流速雖然加快傳質（液膜傳質系數增大），但是會使飽和吸附量減少，慢流速比較適合離子柱分離操作但是考慮到效率問題，在實際的柱操作中采用了中檔的流速1 ml/min。3.5.2 溫度對柱操作影響由吸附過程的熱力學研究結果顯示，D201型