低温控温结晶法分离提纯1,8-桉叶油素的工艺

刘文婷，顾丽莉，万红焱，吕小刚（昆明理工大学化学工程学院，云南 昆明 650500）



低温控温结晶法分离提纯1,8-桉叶油素的工艺

刘文婷，顾丽莉，万红焱，吕小刚
（昆明理工大学化学工程学院，云南 昆明 650500）

摘要：采用全结晶工艺对原料桉叶油[w(cineole)=63.24%]进行分离提纯，在无晶种添加下，降温速率4℃ /h、结晶终温−30℃、发汗速率5℃ /h、发汗终温−19℃时，可将原料油提纯至77.52%。添加晶种后，可有效提高操作温度，缩小结晶温度的操作范围，提高产品的纯度，在降温速率4℃ /h、结晶终温−25℃、发汗速率4℃ /h、发汗终温−6℃的操作条件下，将原料油提纯至89.63%。实验得到了低温控温添加晶种结晶法分离提纯1,8-桉叶油素的适宜工艺流程和操作参数，该方法相对其他分离方法具有较为明显的优势。

关键词：结晶；晶种；1,8-桉叶油素；速率

第一作者：刘文婷（1990—），女，硕士研究生。E-mail 277388763 @qq.com。联系人：顾丽莉，教授，主要从事化学工程领域研究。E-mail liligu001@163.com。

桉叶油素学名1,3,3-三甲基-2-氧杂二环[2,2,2]辛烷，为无色油状液体，主要存在于桉叶油中，具有抗菌、杀虫、疏风解热、祛湿解毒的作用，对多种药物具有良好的透皮渗透作用[1]。目前分离桉叶素的方法主要有间歇减压蒸馏法[2]、分子蒸馏法[3]、熔融结晶法[4-5]、精馏-结晶耦合法[6]，但均存在能耗高、纯度低、收率低或者工艺复杂的问题。利用工业上常见的Sulzer MWB结晶器、PROABD结晶器等[7]，可解决收率过低的问题，但其他问题则需要通过研究新工艺来解决。

李士雨[4]通过熔融结晶法以含量为86%的桉叶油为原料，其主要成分为桉叶油素和柠檬烯，经过二次重结晶，得到了纯度为99%的产品。本实验所用原料直接来源于水蒸气法提取得到的桉叶油，其桉叶油素含量为63.24%，主要成分如表1所示。本实验采用低温控温结晶法分离提纯1,8-桉叶油素，旨在对其结晶过程进行详细的分析探讨，利用全结晶工艺，从原料油得到高纯产品，减少设备种类，简化生产流程。该工艺尚未见文献报道。

1 实验部分

1.1 实验准备

1.1.1 原料

实验采用原料为云南省蓝桉桉叶粗油，其组成见表1。

表1 桉叶油原料组成

1.1.2 设备

恒温控温循环浴槽（Lauda-Proline RP845）、数控搅拌器（IJ-1）、电子天平（Sartorius BSA224S）、岛津GC-2014气相色谱仪、锥形瓶等。

1.1.3 样品分析方法

采用日本岛津GC-2014气相色谱仪，色谱仪自带色谱工作站，FID氢火焰离子化检测器；载气为氮气（99.999%），毛细管柱PEG-20M规格为（60m×0.25mm×0.5μm）。检测器温度280℃；气化室温度240℃；分流比850∶1；进样量1μL。定量分析方法：面积归一法。程序升温：70℃（2min）120℃200℃（2min）

1.2 实验步骤

1.2.1 结晶提纯过程

称取50mL桉叶油于锥形瓶中，记录桉叶油质量；将桉叶油从室温开始迅速降温至−19℃（−19℃为通过实验确定的桉叶油的凝固点）并稳定20min；以一定的降温速率继续降温至结晶终温，稳定30min；将晶体与母液分离，母液称重；以一定的升温速率将晶体进行发汗至发汗终温，未融化的晶体即为目标产品，待其融化后，称重；将母液和产品通过气相色谱进行分析，得到结果。降温速率选取3℃/h、4℃/h、5℃/h、6℃/h；结晶终温选取−30℃、−31℃、−32℃、−33℃；升温速率选取3℃/h、4℃/h、5℃/h、6℃/h；发汗终温选取−19℃、−18℃、−17℃、−16℃。

1.2.2 晶种参与的结晶提纯

晶种引入因可提供晶粒生长的晶核，降低晶粒相变势垒和减小活化能，因此在氧化铝、氮化硅等先进陶瓷材料中得到广泛地研究和应用[8]。KAZUO 等[9]通过添加晶种，可促使硅晶体在一定区域内快速大量生长。LIU等[10]发现晶种的添加有利于促进相际间传质以及晶体的生长。本实验考虑引入晶种，探究其对实验过程及结果的影响。

称取50mL桉叶油于锥形瓶中，记录桉叶油质量；将桉叶油从室温开始迅速降温至−17℃，5min后添加晶种约0.1g，再稳定5min；以一定的降温速率继续降温至结晶终温，稳定30min；将晶体与母液分离，母液称重；以一定的升温速率进行发汗至发汗终温，未融化的晶体即为目标产品，待其融化后，称重；将母液、汗液和产品通过气相色谱进行分析。

2 结果与分析

选取产品纯度及收率作为主要指标，考察降温速率、结晶终温、发汗速率、发汗终温4个因素对实验的影响，得到适宜的操作参数。

2.1 降温速率对结果的影响

添加晶种前，桉叶油粗晶体的纯度和收率随降温速率的变化规律如图1(a)所示；添加晶种后，桉叶油粗晶体的纯度和收率随降温速率的变化规律如图1(b)所示。

可以看出，随着降温速率的增大，粗晶的纯度先增加后减小，变化范围较窄；而粗晶的收率则呈现一路上升的趋势，并且当降温速率由3℃/h变到4℃/h时，收率提升幅度较大，而后变化幅度较小。这是因为，降温速率的增大使晶体生长速度加快，结晶时间变短，固液平衡还没达到时，快速结晶的组分便把大量的杂质包裹在了晶体中，形成了杂质包藏，从而表现出了较高的粗晶收率；而纯度的变化规律原因则比较复杂：首先，随着降温速率变大，如前述的杂质包藏会导致纯度的降低；其次，粗桉叶油中含有大量的杂质组分，组分之间形成固液平衡时的相互作用，也会对粗晶的纯度有一定的影响。综合粗晶纯度和收率两个指标的变化规律，可以得出4℃/h的降温速率为最佳。添加晶种后，就粗晶纯度而言，降温速率为3℃/h时最佳，但是降温速率为4℃/h时的纯度与其相差很小而收率却远大于3 ℃/h时。因此综合考虑，宜选择降温速率为4℃/h。

图1 粗晶浓度及收率随降温速率的变化曲线

2.2 结晶终温对结果的影响

添加晶种前，桉叶油粗晶体的纯度和收率随结晶终温的变化规律如图2(a)所示；添加晶种后，桉叶油粗晶体的纯度和收率随结晶终温的变化规律如图2(b)所示。

由图2可以看出，随着结晶终温的降低，粗晶的纯度逐渐降低，到−33℃时的纯度并不比原料纯度高多少，而粗晶收率到−33℃时已经快达到100%。这是因为结晶析出的组分随温度的降低而增加，未析出的组分作为杂质被包藏的概率增大，到了−33℃时，大量的杂质已被包藏在了晶体之中，从而表现出了极高的收率和极低的纯度。由此可见，适宜的结晶终温为−30℃。添加晶种后，粗晶纯度和收率随结晶终温的变化规律与未添加晶种时相同。考虑到较低的收率是由于杂质相对较少导致的，即在后续发汗过程中，产生的汗液也会较少。因此，确定最佳结晶终温为−25℃。

图2 粗晶浓度及收率随结晶终温的变化曲线

2.3 发汗速率对结果的影响

“发汗”是指对粗晶体缓慢升温，使其中的杂质缓慢融化并排出的过程。添加晶种前，桉叶油结晶产品的纯度和收率随发汗速率的变化规律如图3(a)所示；添加晶种后，桉叶油结晶产品的纯度和收率随发汗速率的变化规律如图3(b)所示。

实验结果表明，随发汗速率的增大，产品纯度和收率均呈现出先增大后减小的趋势。发汗过程是粗晶体慢慢融化慢慢排除杂质的过程，若发汗速率过快、发汗时间太短，则不利于杂质由固相转移到液相，从而得到的产品纯度不高；与此同时，本应该排除的杂质因为过短的发汗时间而没有及时转移到液相，导致收率的增高。但是，对于杂质种类很多的桉叶油粗晶来说，发汗过程中杂质在固液两相的转移并不十分稳定。通过实验，可以得出最佳发汗速率为5℃/h。添加晶种后，与先前未添加晶种时的规律是一致的。但发汗速率的大小也决定了发汗终温，发汗速率小时，产品可以发汗到−6℃，达到更高的纯度，而发汗速率过大时，产品很难发汗至−6℃。因此，在综合考虑能耗与操作时间因素下，发汗速率宜选择4℃/h。

图3 产品浓度和收率随发汗速率的变化曲线

2.4 发汗终温对结果的影响

添加晶种前，桉叶油产品的纯度和收率随发汗终温的变化规律如图4所示。添加晶种后，发汗终温取决于发汗速率，因此无法单独探讨。

图4 产品浓度和收率随发汗终温的变化曲线

随着发汗终温的升高，产品纯度有所提高，但幅度不大；产品收率呈现急剧下降的趋势。这是因为发汗终温越高，杂质越有机会能够排出，所以纯度提高；但是大部分杂质是以包藏的形式存在于晶体中，它们通过晶体扩散、分子间的相互摩擦、碰撞而向液相运动，产生少许热量，使得原有的结晶组分融化，从而降低了产品的收率。

2.5 其他因素对结果的影响

晶种添加量，添加温度，添加晶种的粒径均对纯化工艺有影响，以下通过实验探索其适宜范围。2.5.1 晶种添加温度

实验选取−15℃、−17℃和−19℃共3个温度点添加晶种，结果表明，在−17℃添加晶种最优，在−17℃以前，无论何时添加，晶种形态及原料油均不发生任何改变，无增促效果；在−19℃添加晶种则过晚，因为−19℃是桉叶粗油本身的凝固点，这时候添加晶种，会有一些新的晶体突然间产生在晶种周围，将不利于晶体的缓慢生长及固液之间的传质过程。因此，在−17℃添加晶种为最佳。

2.5.2 晶种添加量

为衡量晶种添加量的多少对结晶过程的影响，选择晶种添加量（占原料的质量分数）为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的4个点。实验操作条件为降温速率4℃/h，结晶终温−25℃，发汗速率4℃/h。所得实验结果如表2所示。

表2 不同晶种添加量对结晶结果的影响

实验表明，改变晶种添加量对实验的影响并不明显，最终得到的产品纯度及收率相差不大。添加量过少时，粗晶收率较低；添加量过多，会对实验结果造成一定的干扰。 综合考虑，晶种添加量宜选择0.2%。

2.5.3 晶种粒径

当晶种以一定的量添加到原料油中时，晶种的加入状态对结晶过程也会有一定影响。当晶种以完整的状态加入时，其粒径约为3mm。当晶种以破碎的状态加入时，随着破碎程度的不同，其粒径又有所不同，取平均粒径0.5mm和1.5mm。以结晶终温−25℃、降温速率4℃/h、发汗速率5℃/h、发汗终温−12℃为操作条件，晶种添加量为0.2%。实验结果如表3所示。

由表3可以看出，晶种以不破碎状态添加要优于破碎添加。晶种破碎时，粗晶的收率更高，导致纯度变低，最终产品的纯度和收率也变低。这是因为当晶种破碎添加时，固相较为分散，原料油中就会有较多分散的结晶中心，这样就不利于目标组分的定向运动，同时增加了杂质包藏的概率，从而导致结果不好。

表3 晶种的破碎与不破碎对结晶结果的影响

3 结 论

与未添加晶种的结晶实验相比，结晶终温提高到了−25℃，发汗终温提高到了−8℃以内。同时，晶体析出及生长更加容易：未添加晶种时，需要通过搅拌产生晶体相，颗粒十分细小，成型较为困难，且成型后的晶体成枝条状；添加晶种之后，原料油（64%）中的组分在晶种的诱导下产生晶体，以晶种为中心向四周辐射生长，极易成型，且过程稳定，与未添加晶种前相比，所形成晶体成针刺状。从操作范围以及过程稳定性的角度上讲，添加晶种优势明显。

最终得到的添加晶种后最优的操作条件为结晶终温−25℃，降温速率4℃/h，发汗速率4℃/h，发汗终温−6℃，在−17℃无破碎添加晶种0.2%，此时得到的产品纯度达到了89.63%。结果表明一次结晶的结果优于一般的间歇精馏方法及分子蒸馏方法。

通过对桉叶粗油进行结晶分离提纯，得到了不同降温速率、结晶终温、发汗速率、发汗终温这4个重要影响因素下的结晶规律。同时通过添加晶种的方法，仅利用一次结晶就将原料由63.24%提升至了89.63%。可见低温控温结晶方法用于分离提纯桉叶油的效果是非常不错的，与普遍采用的间歇减压精馏方法和超临界流体萃取等方法相比，具有能耗小、时间短、效果佳的优势。受实验设备所限，产品收率还有待提高，若采用工业上可循环的结晶设备，可减少结晶次数，收率将会得到大幅度提高。

参 考 文 献

[1] 王文元，顾丽莉，吴志民. 1,8-桉叶油素的研究进展[J]. 食品与药品， 2007，9（2A）：56-59.

[2] 吴志民. 真空催促精馏提纯1,8-桉叶油素研究[D]. 昆明：昆明理工大学化工学院，2007.

[3] 卢兴河，佘鸿燕，张广清，等. 分子蒸馏法提纯1,8-桉叶油素的工艺研究[J]. 现代化工，2008，28（s1）：113-115.

[4] 李士雨. 桉叶素的纯化[J]. 精细化工，2006，23（1）：35-37.

[5] 贾春燕，尹秋响，张美景，等. 利用熔融结晶法进行芴的提纯[J]. 化工学报，2007，58（9）：2266-2268.

[6] 张广求，王炯，袁永华.桉叶素精制工艺初步研究[J]. 云南民族大学学报，2012，21（2）：107-108.

[7] 朱政. 熔融结晶法提纯β-甲基萘研究[D]. 天津：天津大学化工学院，2007.

[8] 易中周，肖冰，杨为佑. 晶种对氢氧化铝转相和热压烧结氧化铝晶型变化的影响[J]. 无机材料学报， 2004，19（6）：1288-1292.

[9] KAZUO Nakajima，KOHEI Morishita，RYOTA Murai. High-speed growth of Si single bulk crystals by expanding low-temperature region in Si melt using noncontact crucible method[J]. Journal of Crystal Growth，2014，405（1）：44-51.

[10] LIU Guanghua，CHEN Kexin，ZHOU Heping. Low-temperature preparation of in situ toughened Yb α-SiAlON ceramics by spark plasma sintering (SPS) with addition of combustion synthesized seed crystals[J]. Materials Science and Engineering，2005，402（1/2）：242-249.

研究开发

Technique of low temperature control crystallization for separating and purifying 1,8-cineole

LIU Wenting，GU Lili，WAN Hongyan，LÜ Xiaogang
（College of Chemical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，Yunnan，China）

Abstract：A crystallization process purifying the crude Eucalyptus oil [w(cineole) = 63.24%] was studied in this paper. Without any crystal seed，the concentration of 1,8-cineole would be improved from 63.24% to 77.52% under conditions：The cooling rate was 4℃/h，the cooling final temperature was −30℃，the sweating rate was 5℃/h，the sweating final temperature was −19℃. After crystal seeds were added，the operation temperature was obviously increased，the range of crystallization temperature was effectively reduced，and the purity of the product was greatly increased. The best operating value were determined：the cooling rate was 4℃/h，the crystallization temperature was −25℃，the sweating rate was 4℃/h，the sweating final temperature was −6℃，the amount of crystal seed was 0.2%，the diameter of crystal seed was 3mm with no broken，the temperature of seed added was −17℃. Under these conditions，the purity of crude oil was increased from 63.24% to 89.63%. The suitable process and its operating parameters for separating and purifying cineole under low temperature with a little crystal seed were obtained. Compared to other separation methods，this method has obvious advantages.

Key words：crystallization; crystal seed; 1,8-cineole; rate

基金项目：国家自然科学基金项目（20966004）。

收稿日期：2015-05-07；修改稿日期：2015-05-18。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.036

中图分类号：TQ 028.3

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）02–0570–05