螺旋萃取器中固相停留时间分布的实验研究及其对青蒿素提取效率的影响

本研究针对青蒿素连续逆流萃取过程中固相停留时间分布(RTD)的关键问题，通过设计水平螺旋萃取器并采用示踪法，系统探究了螺旋角度(减少10%和20%)对Artemisia annua L.叶片固相RTD的影响。研究发现减小螺旋角度可显著延长平均停留时间(τexp)，保持标准偏差(σ)稳定，使Bodenstein数(Bo)>100，实现近似柱塞流(PFTR)的低返混传输，为天然产物高效萃取提供了重要理论依据。

　　

疟疾作为威胁全球健康的重大疾病，每年导致约59.7万人死亡，其标准治疗药物青蒿素在Artemisia annua L.叶片中的含量不足1.4%，传统化学合成和生物技术方法又面临产率低、成本高的困境。为解决这一瓶颈问题，德国马普学会复杂技术系统动态研究所(International Max Planck Research School for Advanced Methods in Process and Systems Engineering)的Riem Al-Hamadi团队在《Powder Technology》发表研究，创新性地采用水平螺旋萃取器实现青蒿素的连续逆流萃取，重点探究了螺旋角度对固相停留时间分布的影响机制。

研究团队运用3D打印技术制备不同螺旋角度的改性螺杆(原始角度减少10%和20%)，通过示踪法测定固相RTD曲线，结合分散模型计算Bodenstein数(Bo)。实验设置5个采样点(SP1-SP5)，采用紫外固化树脂打印透明丙烯酸玻璃管，确保光学观测精度。

Residence time distribution
通过E(t)函数分析发现：SP1位置所有螺杆构型均呈现窄而对称的RTD曲线；随着传输距离增加，减小螺旋角度使平均停留时间显著延长，但标准偏差保持稳定。这表明螺旋角度主要影响物料传输速度而非混合程度。

Conclusion and outlook
研究证实减小螺旋角度可使Bo>100，接近理想柱塞流(PFTR)状态，轴向扩散系数(D_ax)降低显著。这种低返混特性使物料输送效率提升23%，为天然产物萃取设备设计提供了关键参数优化依据。虽然未深入探究传质相互作用，但建立的RTD表征方法为后续研究奠定基础。

该研究的创新性在于首次量化了螺旋几何特征与RTD的关联规律，通过Bo=?(v_ax·L_ch)/D_ax模型证实设备接近理想流动状态，解决了传统批次萃取存在的溶剂用量大、死时间长等问题。欧洲区域发展基金(ERDF)资助的这项成果，为青蒿素等低浓度活性成分的工业化连续生产提供了新范式。