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制藥設備 萃取與離子交換設備 本章學習目標 1 掌握相關概念2 1 掌握相關概念 2 掌握藥材有效成分的提取過程及原理 熟悉常用提取方法及其適用范圍 特點 了解提取過程的主要典型提取設備的結構和特點 3 掌握液液萃取機制和流程流程 熟悉液液萃取相圖以及常用萃取設備的結構組成與使用特點 了解萃取在制藥中的應用 了解雙水相萃取法 4 掌握離子交換技術的分類和原理 熟悉離子交換樹脂的性能 預處理及再生 了解離子交換樹脂和操作條件的選擇 了解離子交換設備的結構特點及操作以及離子交換過程的應用 萃取與離子交換設備 萃取 在任何一種溶劑中 不同物質具有不同的溶解度 利用各物質在選定溶劑溶解度的不同以達到分離組分的方法稱為萃取 其中選定的溶劑為萃取劑 若用以分離固體混合物組分的操作為固 液萃取 又稱提取 浸取 用萃取劑分離液體混合物中組分操作為液 液萃取 又稱萃取 離子交換技術是根據(jù)物質的酸堿性 極性和分子大小的差異實現(xiàn)混合物分離的技術 萃取與離子交換設備 萃取法的優(yōu)點 傳質速度快 生產周期短 便于連續(xù)操作 容易實現(xiàn)自動控制 分離效率高 生產能力大等一系列優(yōu)點 所以應用相當普遍 能量消耗較少 設備投資費用不高 采用多級萃取可使產品達到較高純度 便于下一步處理 減少以后工序的設備和操作費用 第一節(jié)固液萃取 一 固液萃取過程天然藥物中所含的成分十分復雜 概括起來可分為 有效成分 指具有生物活性且能起到防治疾病作用的單體化合物 如生物堿 蒽醌類 黃酮類化合物等物質 有效部位 含有一種主要有效成分或一組結構相近的有效成分的提取分離部分 如人參總皂苷 銀杏總黃酮等 輔助成分 指本身沒有特殊療效 但能增強或緩和有效成分作用的物質 如洋地黃中的皂苷可幫助洋地黃苷溶解或促進其吸收 無效成分 是指本身無效甚至有害的成分 它們往往影響溶劑提取的效率 制劑的穩(wěn)定性 外觀及藥效 天然藥物的提取多數(shù)情況是為了得到或分離出有效組分 浸取天然藥物中活性組分基本遵循 相似相溶 原理 本章只介紹植物藥 動物藥 礦物藥的提取過程 第一節(jié)固液萃取 一 礦物性藥材的提取過程礦物性藥材的成分相對比較單一 無細胞結構 大多以無機鹽或離子形式存在 所以其有效成分可用溶劑直接溶解或使其分散懸浮于溶劑中 二 動物性藥材的提取過程動物性藥材的有效成分絕大部分是蛋白質 激素 酶等 并都是以大分子形式存在于細胞中 不易提取完全 故應盡量地使細胞膜破壞 在提取前 原料應盡可能地粉碎 可使用電動絞肉機將肉類絞碎 絞得越細越好 若將此類原料先凍結成塊 再進行絞軋 這樣即易于粉碎 又可使細胞膜破裂 常用的溶劑有稀酸 鹽溶液 乙醇 丙酮 醋酸 乙醚 甘油等 第一節(jié)固液萃取 三 植物性藥材的提取過程1 浸潤 滲透階段濕潤作用對浸出有較大影響 若藥材不能被浸出溶劑濕潤 則浸出溶劑無法滲入細胞 無法實現(xiàn)提取 浸出溶劑能否濕潤藥材 與溶劑和藥材的性質及兩者間的界面情況所決定 其中表面張力占主導地位 毛細管被溶劑所充滿的時間與毛細管的半徑 毛細管的長度及毛細管的內壓力等有關 措施 通過對植物藥材的減壓或對溶劑加壓 以及對藥材進行適當?shù)姆鬯?破壞部分的細胞壁 提高提取的速度和效率 第一節(jié)固液萃取 2 溶解 解吸附階段因細胞中的各種成分間有一定的親和力 所以在溶解之前必須要克服這種親和力 才能使各種成分能夠轉入到溶劑中 被稱為解吸作用 溶劑滲入細胞后即逐漸溶解可溶性成分 溶劑種類不同 溶解的成分不同 在提取有效成分時 應選用具有較好解吸作用的溶劑 如乙醇 第一節(jié)固液萃取 二 浸出方法 一 溶劑提取法1 煎煮法將天然藥物粗粉加水加熱煮沸提取的操作 一般重復操作2 3次 2 浸漬法是指處理的藥材于提取器中加適量溶劑 常用水和乙醇 用一定溫度和時間進行浸漬 反復幾次 合并浸漬液的一種操作 3 滲漉法將藥材粗粉置滲漉器中 由上部連續(xù)添加溶劑滲過藥材層后從底部流出滲漉液而提取有效成分 4 回流提取法有機溶劑為提取溶劑 在回流裝置中加熱進行5 連續(xù)回流提取法是對回流提取法的發(fā)展 具有操作簡便 溶劑消耗量小的優(yōu)點 6 超聲提取法其基本原理是利用超聲波的空化作用 破壞植物藥材細胞 使溶劑易于滲入細胞內 第一節(jié)固液萃取 二 水蒸氣蒸餾法水蒸氣蒸餾法是一種利用某些揮發(fā)性成分與水或水蒸氣共同加熱 能隨水蒸氣一并流出 經冷凝后分取獲得的提取方法 其基本原理遵循道爾頓分壓定律 即水和與水互不相溶的液體成分共存時 整個體系的總蒸汽壓等于各組分分蒸汽壓之和 雖然各組分自身的沸點高于混合液的沸點 當總蒸汽壓等于外界大氣壓時 混合液開始沸騰并被蒸餾出來 該法工藝簡單 操作方便 實用性強 不需復雜設備 主要用于含有揮發(fā)性成分天然藥物的提取 第一節(jié)固液萃取 三 超臨界流體萃取法 SFE SFE技術就是利用超臨界流體作為溶劑 從固體或液體中萃取出某些有效組分 并進行分離的技術 其基本操作流程見圖6 1 1 CO2鋼瓶 2 冷凝器 3 高壓泵 4 換熱器 5 萃取器 6 減壓閥 7 收集器 8 干氣計量器 9 水浴 10 壓力調節(jié)器圖6 1超臨界流體萃取工藝裝備示意圖 第一節(jié)固液萃取 超臨界流體 supercriticalfluid SF 是指某種氣 或液 體或氣 或液 體混合物在操作壓力和溫度均高于臨界點時 其密度接近液體 而其擴散系數(shù)和粘度均接近氣體 其性質介于氣體和液體之間的流體 常見超臨界氣體 二氧化碳 乙烯 氨 氧化亞氮 乙烷 一氯三氟甲烷 二氯二氟甲烷等 二氧化碳化學惰性 無毒性 不易爆 安全 低廉 臨界壓力不高 7 37MPa 臨界溫度接近室溫 31 05 因而常作為超臨界萃取劑 第一節(jié)固液萃取 1 影響超臨界流體萃取的主要因素壓力在影響SFE的因素中 壓力是最重要的因素 溫度不變 隨著壓力地增加 密度會顯著增大 對溶質的溶解能力也就增加 萃取的效率提高 溫度隨著溫度的升高 流體的擴散能力加強 對溶質的溶解能力也相應地增加 有利于萃取 粒度藥材的粒度越小 流體的總面積越大 流體與溶質接觸的機會越多 萃取效率越高 萃取操作時間縮短 流體比增加流體的含量 可以提高溶質在溶液中的溶解度 故萃取也隨著流體比的增加而增加 夾帶劑加入少量極性溶劑 如甲醇 乙醇 氨水等夾帶劑 可改善流體的溶解性質 應用于較大極性成分的萃取 第一節(jié)固液萃取 2 CO2 SFE的特點及優(yōu)越性借助于調節(jié)流體的溫度和壓力來控制流體密度進而改善萃取能力 溶劑回收簡單方便 節(jié)省能源 可較快達到相平衡 適合于熱敏性組分的提取 3 工藝流程可根據(jù)工藝特殊要求對超臨界CO2萃取裝置進行流程組合 常見的流程如下 1 CO2萃取釜 分離 分離 回路 2 CO2萃取釜 分離 分離 精餾柱 回路 3 CO2萃取釜 精餾柱 分離 分離 回路 4 CO2萃取釜 分離 精餾柱 離 回路 第一節(jié)固液萃取 4 超臨界CO2萃取技術應用前景超臨界CO2萃取新技術完全可用于改造傳統(tǒng)中藥產業(yè) 和傳統(tǒng)中藥生產工藝比 具有極大優(yōu)越性和市場潛力 這一領域將是超臨界CO2萃取技術的主要方向 超臨界萃取技術應用于中藥或天然藥物 要從單純地進行中間原料的提取轉向于兼顧單味 復方中藥新藥的開發(fā)應用或對現(xiàn)行我國生產的各種中成藥工藝改革或二次開發(fā)上 以及配合我國正在進行的中藥現(xiàn)代化戰(zhàn)略行動 SFE技術應用于中藥 還要加強有關基礎研究和應用研究 第一節(jié)固液萃取 三 常用的浸出設備 一 浸提設備浸提罐是最常用的浸提設備 基本結構為上部有蓋 下部有出液口 內部裝有多孔假底并鋪上濾布 目的是過濾提取液并防止藥渣堵塞 為了提高浸出效率 浸提罐中一般都裝有攪拌裝置對物料進行攪拌或在下端出口處設置離心泵強制溶媒循環(huán) 起類似于攪拌的作用 如圖6 2所示 a立式浸提罐b臥式浸提罐c轉筒形浸提罐 圖6 2浸提罐示意圖 第一節(jié)固液萃取 二 滲漉設備1 滲漉器滲漉器一般為圓筒形設備 也有圓錐形 上部有加料口 下部有出渣口 其底部有篩板 篩網(wǎng)或濾布等以支持藥粉底層 大型滲漉器有夾層 可通過蒸汽加熱或冷凍鹽水冷卻 以達到浸出所需溫度 并能常壓 加壓及強制循環(huán)滲漉操作 如圖6 3所示 圖6 3滲漉器 第一節(jié)固液萃取 2 多級逆流滲漉器如圖6 4所示 藥材按順序裝人1 5個滲漉罐 用泵將溶劑送入1號罐 1號滲漉液經加熱器后流人2號罐 依次送到最后5號罐 當1號罐內的藥材有效成分全部滲漉后 用壓縮空氣將1號罐內液體全部壓出 1號罐即可卸渣裝新料 此時 來自溶劑罐的新溶劑裝人2號罐 最后從5號罐出液至貯液罐中 待2號罐滲漉完畢后 即由3號罐注入新溶劑 改由1號罐出滲漉液 依此類推 1 儲液罐 2 泵 3 滲漉罐 4 加熱器 5 溶劑罐圖6 4多級逆流滲漉器示意圖 克服了通滲漉器操作周期長 滲漉液濃度低的缺點 由于滲漉液濃度高 滲漉液量少 便于蒸發(fā)濃縮 適于大批量生產 第一節(jié)固液萃取 三 移動床連續(xù)提取器移動床連續(xù)提取器一般有浸漬式 噴淋滲漉式及混合式三種 特點 提取過程連續(xù)進行 加料和排渣都是連續(xù)進行的 適用于大批量生產 在工業(yè)上有著廣泛的應用 按提取器的結構特點分為U形螺旋式提取器和平轉式連續(xù)逆流提取器 第一節(jié)固液萃取 U形螺旋式提取器 屬于浸漬式連續(xù)逆流連續(xù)提取器 主要結構如圖6 5所示 由進料管 出料管 水平管及螺旋輸送器組成 各管均有蒸汽夾層 以通蒸汽加熱 U形螺旋式提取器屬于密閉系統(tǒng) 適用于揮發(fā)性有機溶劑的提取操作 加料卸料均為自動連續(xù)操作 勞動強度降低 且浸出效率高 圖6 5連續(xù)逆流提取器結構圖 第一節(jié)固液萃取 平轉式連續(xù)逆流提取器為噴淋滲漉式提取器 結構如圖6 6 a 所示 為在旋轉的圓環(huán)形容器內間隔有12 18個料格 每個扇形格為帶孔的活底 借活底下的滾輪支撐在軌道上 a 結構圖 圖6 6平轉式連續(xù)逆流提取器 第一節(jié)固液萃取 工作過程 藥材在提取器上部加入到格內 每格有噴淋管將溶劑噴淋到藥材上以進行提取 淋下的浸出液用泵送入前一格內 如此反復浸出 最后收集的是濃度很高的浸出液 浸完藥材的格子轉到出渣處 此格下部的軌道斷開 滾輪失去支承 活底開啟出渣 提取器轉過一定角度后 滾輪隨上坡軌上升 活底關閉 重新加料進行操作 b 工作過程 圖6 6平轉式連續(xù)逆流提取器 第一節(jié)固液萃取 四 熱回流循環(huán)提取濃縮機熱回流循環(huán)提取濃縮機是一種新型動態(tài)提取機組 集提取濃縮為一體 是一套全封閉連續(xù)循環(huán)動態(tài)提取裝置 該設備主要用于以水 乙醇及其他有機溶劑提取藥材中的有效成分 浸出液濃縮 以及有機溶劑的回收 基本結構如圖6 7所示 浸出部分包括提取罐 消泡器 提取罐冷凝器 提取罐冷卻器 油水分離器 過濾器 泵 濃縮部分包括 加熱器 蒸發(fā)器 冷凝器 冷卻器 蒸發(fā)料液罐等 1 提取罐 2 消泡器 3 過濾器 4 泵 5 提取罐冷凝器 6 提取罐冷卻器 7 油水分離器 8 濃縮蒸發(fā)器 9 濃縮加熱器 10 濃縮冷卻器 11 濃縮冷凝器 12 蒸發(fā)料液罐圖 6 7熱回流循環(huán)提取濃縮機示意圖 第一節(jié)固液萃取 熱回流循環(huán)提取濃縮機工作原理 將藥材置提取罐內 加藥材的5 10倍的適宜溶劑 開啟提取罐和夾套的蒸汽閥 加熱至沸騰20 30mm后 用泵將1 3浸出液抽入蒸發(fā)器 關閉提取罐和夾套的蒸汽閥 開啟加熱器蒸汽閥使浸出液進行濃縮 濃縮時產生二次蒸汽 通過蒸發(fā)器上升管送人提取罐作提取的溶劑和熱源 維持提取罐內沸騰 二次蒸汽繼續(xù)上升 經提取罐冷凝器回落到提取罐內作新溶劑 這樣形成熱的新溶劑回流提取 形成高的濃度梯度 藥材中的有效成分更易浸出 直至有效成分完全溶出 此時 關閉提取罐與蒸發(fā)器閥門 濃縮的二次蒸汽轉送冷卻器 濃縮繼續(xù)進行 直至濃縮成需要的相對密度的藥膏 放出備用 提取罐內的液體 可放入貯罐作下批提取溶劑 藥渣從渣門排掉 第一節(jié)固液萃取 熱回流循環(huán)提取濃縮機優(yōu)點 收膏率比多功能提取罐高10 15 其含有效成分高1倍以上 浸出速度快 濃縮與浸出同步進行 整個浸出周期短 一般只需7 8h 設備利用率高 提取過程僅加1次溶劑 在一套密封設備內循環(huán)使用 藥渣中的溶劑均能回收出來 故溶劑用量比多功能提取罐少30 以上 消耗率可降低50 70 更適于有機溶劑提取 提純中藥材中有效成分 由于濃縮的二次蒸汽作提取的熱源 抽入濃縮器的浸出液與濃縮的溫度相同 節(jié)約50 以上的蒸汽 設備占地小 節(jié)約能源與溶劑 故投資少 成本低 第一節(jié)固液萃取 五 多功能提取罐多功能提取罐是目前國內應用最廣的密閉提取罐 適用于物料的常壓 減壓 水煎 溫浸 熱回流 強制循環(huán) 滲漉 揮發(fā)油提取及有機溶媒的回收等多種工藝操作 其一般流程見圖6 8 有0 5m3 1m3 1 5m3 2m3 3m3 5m3 6m3等規(guī)格 第一節(jié)固液萃取 圖6 8多功能提取流程示意圖 第一節(jié)固液萃取 1 提取級 2 除沫器 3 冷凝器 4 冷卻器 5 油水分離器 6 過濾器 7 循環(huán)泵 圖6 9不同樣式多功能提取罐 多功能提取罐常分為正錐式 斜錐式 直筒式和蘑菇式等四種樣式 如圖6 9所示 第一節(jié)固液萃取 工作過程 多功能提取罐一般都安裝在一個高臺上 底部懸空 從罐體的上部加入待提取的物料及提取溶媒 夾層通蒸氣間接加熱或直接從底部通人蒸氣加熱提取 利用高度差 提取液從底部放出 經過濾后置于另罐儲存或直接轉至下一操作工序 罐底蓋可以自動啟閉 提取后余下的藥渣借助機械力或壓力排出 為了提高工作效率 減少能耗 多功能提取罐往往都是與其他設備組成相應的機組來完成一系列的工藝操作 第一節(jié)固液萃取 圖6 10超聲提取裝置示意圖 六 超聲提取設備 超聲提取在中藥制劑提取工藝中的應用 也越來越受到關注 超聲提取設備也由實驗室用逐步向中試和工業(yè)化發(fā)展 如圖6 10所示 常見的有清洗槽式超聲提取裝置 分為非直接超聲提取裝置 如圖6 11 和直接超聲提取裝置 如圖6 12 第一節(jié)固液萃取 圖6 11非直接超聲提取裝置 圖6 12探頭式直接超聲提取裝置 第一節(jié)固液萃取 非直接超聲提取裝置的錐形瓶底部距不銹鋼槽底部的距離以及萃取液在錐形瓶中的高度都需仔細調整 因萃取液與萃取器之間聲阻抗相差很大 聲波反射極為嚴重 加以玻璃做萃取瓶 萃取液又是水 其反射率可高達70 直接超聲提取裝置是采用變幅桿與換能器緊密相連 探頭深入到萃取系統(tǒng)中 而探頭是一種變幅桿 即一類使振幅放大的器件 并使能量集中 在探頭端面聲能密度很高 通常大于100W cm2 根據(jù)需要還可以做得更大 功率一般連續(xù)可調 第二節(jié)液液萃取 定義 液液萃取是利用混合物中各組分在某溶劑中的溶解度差異來分離混合物的一種單元操作 特點 它比化學沉淀法分離程度高 比離子交換法選擇性好 傳質快 比蒸溜法能耗低且生產能力大 周期短 便于連續(xù)操作和自動控制 分類 萃取法分溶劑萃取和雙水相萃取等 適用范圍 溶劑萃取一般用于小分子物質的提取 雙水相萃取常用于蛋白質等大分子物質的提取 第二節(jié)液液萃取 一 溶劑萃取 一 溶劑萃取的原理1 三角形相圖 一般萃取操作至少涉及三種物質 即待分離的兩種物質和一種溶劑 討論萃取操作的原理之前 首先介紹三元物系相平衡 三元物系中組分 若混合后均為液態(tài) 且混合時無化學反應發(fā)生 也不生成加成物 則可以用三角形作圖法表述其相平衡關系 如圖6 13所示 圖6 13溶劑萃取三角形相圖 第二節(jié)液液萃取 三角形的三個頂點分別表示三個純組分 習慣上將上方的頂點表示純溶質A 左下方頂點表示純原溶劑B 而右下方頂點則表示純萃取劑C 三角形的三邊是以質量百分數(shù)標出的坐標 如果一個點落在三角形的一個邊上表示與該邊相對頂點的那個組分的組成為零 而該點相對于坐標兩邊的兩個頂點的距離決定了這兩個組分組成的大小 例如M點落在AB邊上的40 處 表示該點代表的組成是S 0 A 40 和B 60 由此可見代表一個三元組成的某個點 它的組分組成的大小取決于該點離開各個頂點 純組分 含量100 距離的遠近 離某個頂點愈遠則該組分的組成愈小 對于落在三角形內一點P 可過該點作三個邊的平行線 它們與三個軸的交點到三個頂點之間的距離可用來確定各個組分的組成 第二節(jié)液液萃取 分配系數(shù)定義 在一定溫度下 任一組分不溶于不互溶的兩項中 當兩相達到平衡時 則組分在兩相中以一定比例分配 其濃度之比在一定范圍內保持不變 此值稱為該組分在兩相中的分配系數(shù) 可以用下式表示 當K 1 溶質富集于萃取相 K l 溶質富集于萃余相 K 1 在萃取相和萃余相中濃度相等 第二節(jié)液液萃取 分離因子 用來表示同時存在兩種以上的溶質時 萃取劑對不同溶質分離能力的大小 以A B兩種溶質為例 即兩種溶質在同一溶劑系統(tǒng)中分配系數(shù)的比值 可以用下式表示 注 KA KB 一般來說 當 100 想達到基本分離只需要一次簡單萃取 當100 10 則需要萃取10 12次才能達到分離 當 1時 表示KA KB 兩種成分性質非常相似 無法利用此法進行分離 第二節(jié)液液萃取 2 萃取機制 1 萃取器 2 分離器圖6 14基本萃取流程 萃取操作中所用的溶劑稱為萃取劑 以S表示 混合物中易溶于萃取劑的組分稱為溶質 以A表示 而不溶或難溶的組分稱為原溶劑或稀釋劑 以B表示 將萃取劑加入需分離的混合物中 充分混合后沉淀分層 形成兩相 其中含萃取劑較多的一相稱為萃取相 以E表示 而含原溶劑較多的一相則稱為萃余相 以R表示 其基本萃取流程見圖6 14 第二節(jié)液液萃取 3 萃取的過程 1 混合過程混合液和萃取溶劑充分接觸 各組分發(fā)生了不同程度的相際轉移 進行了質量傳遞 2 澄清過程分散的液滴凝集合并 形成的兩相萃取相和萃余相由于密度差異而分層 3 脫除溶劑操作萃取相脫除溶劑得到萃取液 萃余相脫除溶劑得到萃余液 脫除溶劑操作常采用精餾操作 第二節(jié)液液萃取 二 萃取的工藝流程1 單級萃取單級液液萃取器是多級萃取和微分萃取的基礎 結合制藥生產的特點 單級液液萃取器因為設備簡單 易于操作等原因被廣泛采用 圖6 15為單級萃取流程示意圖 圖6 15單級萃取流程圖 實驗室萃取裝置 第二節(jié)液液萃取 2 多級錯流萃取單級接觸式萃取所得萃余相中往往還含有較多的溶質 為了進一步萃取出其中溶質可用多級錯流萃取 即將若干個單級萃取器串聯(lián)使用 并在每一級中加入新鮮萃取劑 如圖6 16所示 圖6 16多級錯流萃取流程圖 第二節(jié)液液萃取 工作原理 原料液F由第一級引入 每一級均加入新鮮萃取劑S 由第一級所得的萃取混合物 經分離器分層后 所得萃余相R1引入第二個萃取器 在萃取器中萃余相R1與新鮮的萃取劑S相接觸 再次進行萃取后進入第二分離器分層 所得萃余相R2可再引入第三級萃取器繼續(xù)與新鮮萃取劑相繼續(xù)進行萃取 如此直到所需第n級萃取器 使最后 級引出的萃余相所含溶質降低到預定的生產要求 優(yōu)點 多級錯流萃取由于新鮮溶劑分別加入各級 故推動力較大 萃取效果好 缺點 須加入較多溶劑 并消耗較多的能量以供溶劑再生 第二節(jié)液液萃取 3 多級逆流萃取為改進多級錯流萃取的缺點可采用多級逆流萃取 以合理使用溶劑 如圖6 17所示 圖6 17多級逆流萃取流程圖 第二節(jié)液液萃取 工作原理 物料從一端進入通過各級 最后從末端排出 溶劑從末端進入 通過各萃取器 最后從首端排出 進入末級的萃余相Rn中的溶質A的濃度雖已很低但由于與新萃取劑接觸 仍具有一定的推動力 故可續(xù)續(xù)進行萃取 使溶質A進一步降低 同時進入第一級的萃取相E2 雖然其中所含A的濃度已較高 但在第一級中與含溶質A最高的原料液F相接觸 所以萃取相中溶質A的濃度在第一級中還可以進一步提高 這種多級逆流接觸式的操作效果好且所消耗的萃取劑量并不多 在工業(yè)上應用最為廣泛 第二節(jié)液液萃取 三 萃取在制藥過程中應用范圍1 溶液中各組分沸點非常接近 各組分的相對揮發(fā)度接近于1 用蒸餾法分離需要很高的理論板數(shù)和大回流比 2 為從溶液得到溶質要從稀溶液蒸出大量溶劑或溶劑的汽化潛熱很大 這兩種情況下都要消耗大量的熱量 3 溶質是熱敏性物料 4 將藥物產品 中間體與雜質用萃取的方法加以分離 5 將反應產物用溶劑萃取的原理轉移至溶劑相 降低生成物在反應液相的濃度以有利于反應的順利進行 第二節(jié)液液萃取 四 溶劑萃取設備1 常用萃取設備主要包括混合設備和分離設備 1 混合設備傳統(tǒng)的混合設備是攪拌罐 利用攪拌將料液和萃取劑相混和 其缺點為間歇操作 停留時間較長 傳質效率較低 但由于其裝置簡單 操作方便 仍廣泛應用于工業(yè)中 較新的混合設備有下列三種 第二節(jié)液液萃取 圖6 18噴嘴式混合器示意圖 管式混合器它的工作原理主要是使液體在一定流速下在管道中形成湍流狀態(tài) 見圖6 18 所謂滯流是指在同一截面上的不同點的流體的流動方向是相互平行的 而在湍流時 各點的運動方向是不規(guī)則的 易于達到混合 般來說 管道萃取的效率比攪拌罐萃取來得高 且為連續(xù)操作 第二節(jié)液液萃取 6 19三種噴射式混合器示意圖 噴嘴式混合器利用工作流體在一定壓力下經過噴嘴以高速度射出 當流體流至噴嘴時速度增大 壓力降低產生真空 這樣就將第二種液體吸入達到混合目的 常見的噴射式混合器有三種 如圖所示 優(yōu)點是體積小 結構簡單 使用方便 但由于其產生的壓力差小 功率低 還會使液體稀釋等缺點 所以在應用方面受到一定限制 第二節(jié)液液萃取 氣流攪拌混合罐氣流攪拌混合罐是將空氣通入液體介質 借鼓泡作用發(fā)生攪拌 這是攪拌方法中簡單的一種 特別適用于化學腐蝕性強的液體 但不適于攪拌揮發(fā)性強的液體 第二節(jié)液液萃取 2 分離設備碟式分離機此類離心機適用于分離乳濁液或含少量固體的乳濁液 其結構大體可分為三部分 第一部分是機械傳動部分 第二部分是由轉鼓碟片架 碟片分液蓋和碟片組成的分離部分 第三部分是輸送部分 在機內起輸送已分離好的兩種液體的作用 由向心泵等組成 以OEP 10006離心機為例 如圖6 20所示 圖6 20碟式分離機示意圖 第二節(jié)液液萃取 工作原理 欲分離的料液自碟片架頂加入 進入轉鼓后 因離心力之故 料液便經過碟片架底部之通道流向外圍 固體渣子被甩向鼓壁 轉鼓內有一疊碗蓋形金屬片 每片上各有二排孔 它們至中心的距離不等 這樣將碟片疊起來時便形成二個通道 因離心作用 液體分流于各相鄰二碟片之間的空隙中 而且在每一層空隙中 輕液流向中心 重液流向鼓壁 于是輕重液分開 最后分別借向心泵輸出 底部碟片和其他碟片不同 只有一排孔 但底片有兩種 區(qū)別在于孔的位置不同 分別和其他碟片上二排孔的位置相對應 應按輕重液的比例不同而選用不同的底片 第二節(jié)液液萃取 管式分離機分離因數(shù)可達15000 65000 適用于含固量低于1 固相粒度小于5 黏度較大的懸浮液澄清 或用于輕液相與重液相密度差小 分散性很高的乳濁液及液 液 固三相混合物的分離 以國產GF 105超速離心機為例 如圖6 21所示 1 平皮帶 2 皮帶輪 3 主軸 4 液體收集器 5 轉鼓 6 三葉板 7 制動器 8 轉鼓下軸承 圖6 21管式分離機示意圖 第二節(jié)液液萃取 工作原理 料液由底部進入轉鼓內 筒內有沿輻射方向排列的三角檔板 可以帶動液體與轉筒以同 速度旋轉 在離心力作用下 料液分層 重液在外 輕液在內 重液沿筒壁和檔板的外側向上流動 經出口流出 輕液沿三角檔板的中心內側由另一出口流出 由液體中分離出的固體物則附著于筒壁 經一定時間后停車清洗 管式分離機的結構簡單 體積小 運轉可靠 操作維修方便 但是單機生產能力較小 需停車消除轉鼓內的沉渣 第二節(jié)液液萃取 三相傾析式離心機三相傾析式離心機可同時分離重液 輕液及固體三相 圖6 22所示 由圓柱 圓錐形轉鼓 螺旋輸送器 驅動裝置 進料系統(tǒng)等組成 該機在螺旋轉子柱的兩端分別設有調節(jié)環(huán)和分離盤 以調節(jié)輕 重液相界面 輕液相出口處配有向心泵 在泵的壓力作用下 將輕液排出 進料系統(tǒng)上設有中心套管式復合進料口 中心管和外套管出口端分別設有輕液相分布器和重液相布料孔 其位置是可調的 把轉鼓栓端分為重液相澄清區(qū) 逆流萃取區(qū)和輕液相澄清區(qū) 操作時 料液從重液相進料管進人轉鼓的逆流萃取區(qū)后受到離心力場的作用 與中心管進入的輕液相 萃取劑 接觸 迅速完成相之間的物質轉移和液 液 固分離 固體渣子沉積于轉鼓內壁 借助于螺旋轉子緩慢推向轉鼓錐端 并連續(xù)地排出轉鼓 而萃取液則由轉鼓柱端經調節(jié)環(huán)進人向心泵室 借助向心泵的壓力排出 第二節(jié)液液萃取 1 V帶 2 差速變動裝置 3 轉鼓皮帶輪 4 軸承 5 外殼 6 分離盤 7 螺旋輸送器 8 輕相分布器 9 轉鼓 10調節(jié)環(huán) 11轉鼓主軸承 12 向心泵 A 干燥段 B 澄清段 C 分離段 D 入口 E 排渣口 F 調節(jié)盤 G 調節(jié)管 H 重液 K 輕液圖6 22三相傾析式離心機結構圖 第二節(jié)液液萃取 萃取塔液液萃取過程中也廣泛使用塔設備 填料培 轉盤塔 振動篩板塔 脈沖篩板塔等 在這類設備中原溶液和萃取劑逆流流動 并在連續(xù)逆流過程中進行萃取 而兩相的分離是在塔頂和塔底實現(xiàn)的 第二節(jié)液液萃取 2 溶劑萃取設備的選擇停留時間對萃取中易分解破壞的物系如抗生素類 應首先選取停留時間短的萃取設備 如離心萃取機 萃取級數(shù)對于多級萃取 應選擇適應多級萃取的混合一澄清器 轉盤塔等 物系的物理性質界面張力大 密度差小 粘度較大的物系 需采用有外加能量的萃取設備 反之則應選用無外加能量的萃取設備 生產能力填料塔 脈動塔適合于中 小處理量 離心萃取機 轉盤塔 篩板塔等可適合大 中處理量 物系的其它性質對于強腐蝕性物系 宜選取結構簡單 易于采取防腐蝕措施的填料塔 脈動塔等 第二節(jié)液液萃取 二 雙水相萃取法含義 雙水相萃取法是利用物質在互不相溶的兩水相間分配系數(shù)的差異來進行萃取的方法 原理 與水 有機相萃取的原理相似 也是依據(jù)物質在兩相間的選擇性分配 但萃取體系的性質不同 優(yōu)點 是可以直接從細胞破碎漿液中萃取如蛋白質等物質 而不須將細胞碎片分離 一步操作可達到固液分離和純化兩個目的 第二節(jié)液液萃取 一 雙水相萃取的形成將兩種不同的水溶性聚合物的水溶液混合時 當聚合物濃度達到一定值 體系會自然地分成互不相溶的兩相 這就是雙水相體系 主要原因是由于高聚物之間的不相溶性 如空間阻礙作用 使其相互無法滲透 不能形成均一相 從而產生分離傾向 在一定條件下即可分為兩相 在聚合物 鹽或聚合物 聚合物系統(tǒng)混合時 會出現(xiàn)兩個不相混溶的水相 典型的例子如在水溶液中的聚乙二醇 PEG 和葡聚糖 當各種溶質均為低濃度時 可以得到單相勻質液體 但是 當溶質的濃度增加時 溶液會變得渾濁 在靜止的條件下 會形成兩相 實際上是其中兩個不相混溶的液相達到平衡 在這種系統(tǒng)中 上層富集了PEG 而下層富集了葡聚糖 第二節(jié)液液萃取 二 雙水相萃取的特點雙水相萃取技術是一種新興的分離技術 在生物化學 細胞生物學和生物化工等領域得以應用 表現(xiàn)出其特有的 綠色工藝 和綠色技術 具體表現(xiàn)在如下幾個方面 1 含水量高 75 90 2 分相時間短 自然分相時間一般為5 10min 3 目標產物的分配系數(shù)一般大于3 4 界面張力小 10 7 10 4mN m 5 不存在殘留有機溶劑問題或有機溶劑對生物活性物質的毒化作用 6 大量雜質能和所有的固體物質一同除去 7 易于工程放大與連續(xù)操作 第二節(jié)液液萃取 三 影響分配平衡的因素1 聚合物分子量不同聚合物 其水相系統(tǒng)顯示不同的疏水性 2 鹽的離子由于鹽的正負離子在兩相間的分配系數(shù)不同 兩相形成了電勢差 影響帶電生物活性物質的分配 3 溫度溫度影響相圖 在臨界點附近尤其明顯 因而也影響分配系數(shù) 當離臨界點較遠時 這種影響較小 4 pH值pH值會影響蛋白質中可以離解基團的溶解度 因而改變蛋白質所帶電荷和分配系數(shù) 5 聚合物濃度組分在雙水相體系的臨界點濃度是均勻分散在兩相 分配系數(shù)為1 隨著成相聚合物總濃度或聚合物 鹽的混合物總濃度增加 組分在兩相中分配系數(shù)偏離1 富集在不同相中達到萃取的目的 第二節(jié)液液萃取 四 雙水相體系和工藝流程1 雙水相體系雙水相體系的形成是兩種天然或合成的親水性聚合物水溶液相互混合 由于較強的斥力或空間位阻 相互之間無法滲透 在一定條件下 即可形成雙水相體系 親水性聚合物水溶液和一些無機鹽溶液相混時 也會因鹽析作用而形成雙水相體系 除聚合物 無機鹽外 能形成雙水相體系的物質還有高分子電解質 低分子化合物 經藥理檢驗聚乙二醇 葡聚糖和聚乙二醇 磷酸鹽所形成的雙水相體系是無毒的 并有良好的可調性 因此在醫(yī)藥工業(yè)中較常用 第二節(jié)液液萃取 表6 1部分雙水相萃取體系 第二節(jié)液液萃取 2 雙水相萃取體系流程雙水相萃取工藝流程主要由三部分構成 目的產物的萃取 PEG的循環(huán) 無機鹽的循環(huán) 其原則流程見圖6 23 圖6 23雙水相萃取流程圖 第二節(jié)液液萃取 1 目的產物的萃取細胞懸浮液經球磨機破碎細胞后 與PEG和無機鹽或葡聚糖在萃取器中混合 然后進入離心機分相 通過選擇合適的雙水相組成 一般使目標蛋白質分配到上相 PEG相 而細胞碎片 核酸 多糖和雜蛋白等分配到下相 富鹽相 2 PEG的循環(huán)在大規(guī)模雙水相萃取過程中 PEG一般回收和循環(huán)使用 這樣可以減少廢水處理的費用 而且還節(jié)約化學試劑 降低成本 3 無機鹽的循環(huán)工業(yè)上一般先用超濾等方法濃縮發(fā)酵液 再用雙水相萃取酶和蛋白質 這樣能提高對生物活性物質的萃取效率 最后 用色譜等技術進一步純化以得到產品 第二節(jié)液液萃取 五 雙水相萃取技術在醫(yī)藥工業(yè)中的應用雙水相萃取技術在醫(yī)藥工業(yè)中的應用目前主要集中在三個方面 1 提取經生物轉化的基因工程藥物和抗生素 2 從動植物組織中提取生化藥物 3 從天然植物中提取藥用有效成分 第二節(jié)液液萃取 離子交換樹脂是 種帶有可交換離子 陽離子或陰離子 的不溶性高分子聚合物 離子交換樹脂的結構由三部分組成 惰性高分子骨架 連接在骨架上的固定基團及可以電離的離子 見圖6 24 圖6 24離子交換樹脂示意圖 按骨架不同 離子交換樹脂可分為加聚型與縮聚型兩類 前者有聚苯乙烯類與丙烯酸類等 后者有酚醛類 在惰性骨架中引入交換基團后 便成為具有離子交換功能的樹脂 離子交換設備 一 離子交換樹脂的分類及原理 一 陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂是一類骨架上結合有磺酸和羧酸等酸性功能基團 可與陽離子進行交換的聚合物 可分為強酸性和弱酸性兩大類 1 強酸性樹脂具有 SO3H PO3H2 HPO2Na AsO3H2等功能基的樹脂極易電離 其酸性相當于鹽酸或硫酸 可在酸性 中性和堿性條件下與水溶液中的陽離子進行交換 對于H型陽離子交換樹脂 離子交換方程式為 R SO3H NaCl R SO3Na HCl對于鹽基型陽離子交換樹脂 離子交換方程式為2R SO3Na MgCl2 R SO3 2Mg 2NaCl 第三節(jié)離子交換設備 2 弱酸性樹脂具有羧基 COOH或酚羥基等功能基的樹脂不易電離 其酸性相當于有機弱酸 故屬弱酸性陽離子交換樹脂 H型弱酸性陽離子交換樹脂在使用前常用NaOH或NaHCO3溶液中和 R COOH NaHCO3 R COONa H2O CO2一般情況下 弱酸性陽離子交換樹脂可用HCl等強酸進行再生 在強酸的作用下很容易地轉變?yōu)镠型樹脂 弱酸性陽離子交換樹脂只能在中性或堿性溶液中使用 其交換容量取決于外部溶液的pH值 弱酸性陽離子樹脂對Cu2 Co2 Ni2 等離子具有較大的親和力 因而常用來處理含有微量重金屬離子的污水 第三節(jié)離子交換設備 二 陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂是一類骨架上帶有季胺基 伯胺基 仲胺基 叔胺基等堿性功能基 按功能基堿性強弱程度的不同 可分為強堿性和弱堿性兩大類 1 強堿性樹脂以季胺基為交換基團的樹脂具屬強堿性陰離子交換樹脂 對于強堿性陰離子交換樹脂 若氮上帶有三個甲基的季胺結構 N CH3 3Cl 則稱為I型樹脂 若氮上帶有兩個甲基和一個羥乙基 CH3 2NCH2CH2OH 則稱為 型樹脂 2 弱堿性樹脂具有伯胺基 NH2 仲胺基 NH 和叔胺基 N 等功能基的樹脂堿性較弱 故屬弱堿性陰離子交換樹脂 第三節(jié)離子交換設備 二 離子交換樹脂的基本性能含水量將樹脂在105 110 干燥至桓重測定其含水量 真密度與視密度不包含顆粒之間與顆粒內部空隙體積的是真密度 包含有顆粒間與顆粒內部空隙體積的是視密度 交聯(lián)度溶脹變化干樹脂浸泡在水中時體積發(fā)生膨脹 通常按干樹脂吸取水的百分率來表示這種體積的變化值 交換容量按每克干樹脂所能交換的mmol一價離子數(shù)表示 水處理計算中則以CaCO3或CaO來表示 滴定曲線 第三節(jié)離子交換設備 交換機理 幾類樹脂性能的比較 離子交換樹脂的理化性能 顆粒度 大多數(shù)為球形 直徑0 2 1 2mm 交換容量 表示方法有質量交換容量 mmol g樹脂 和體積交換容量 mmol mL樹脂 此外還有工作交換容量和再生交換容量 機械強度膨脹度含水量及密度 含水量一般是0 3 0 7g g干樹脂 濕堆積密度和濕真密度一般為600 850kg m2和1100 1400kg m2 孔結構 離子交換機理及選擇性 離子交換機理 B A 薄膜 離子交換過程包括5步 1 A 自溶液擴散到樹脂表面 2 A 從樹脂表面擴散到樹脂內部的活性中心 3 A 在活性中心發(fā)生交換反應 4 解吸離子B 自樹脂內部的活性中心擴散到樹脂表面 5 B 從樹脂表面擴散到溶液 Sampleapplicationandwash Elution Equilibration Regeneration 離子交換機理及選擇性 離子交換機理 離子交換機理及選擇性 離子交換過程的選擇性離子的水化半徑離子的化合價溶液的酸堿度交聯(lián)度 膨脹度和分子篩樹脂與交換離子之間的輔助力有機溶劑的影響 離子交換裝置及再生 離子交換裝置 離子交換裝置及再生 再生方式 離子交換裝置及再生 再生方式 離子交換裝置及再生 再生操作 交換 動畫演示 離子交換裝置及再生 再生操作 混合床再生的操作過程 具有多孔支持板的離子交換罐 圓筒體的高徑比一般為2 3 樹脂層高度約為圓筒高度的50 70 1 視鏡2 進料口3 手口4 液體分布器5 樹脂層6 多孔板7 尼龍層8 出液口 具有塊石支持層的離子交換罐 1 進料口2 視鏡3 液位計4 樹脂層5 卵石層6 出液口 被交換溶液進口 淋洗水 解吸液及再生劑進口 廢液出口 分布器 分布器 淋洗水 解吸液及再生劑出口 反洗水進口 反吸附離子交換罐 擴口式離子交換器 混合床交換罐制備無鹽水的流程 篩板式連續(xù)離子交換設備 漩渦式連續(xù)離子交換設備 第三節(jié)離子交換設備 三 離子交換樹脂和操作條件的選擇1 選擇合適的樹脂是應用離子交換法的關鍵 一般來說 對強堿性產物宜選用弱酸性樹脂 對弱堿性產物宜選用強酸性樹脂 弱酸性產物宜用強堿性樹脂 強酸性產物宜用弱堿性樹脂 選擇交聯(lián)度的原則是 在不影響交換容量的條件下 盡量提高交聯(lián)度 2 應注意選擇合適的操作條件 最重要的操作條件是交換時溶液的pH值 3 洗脫條件總的選擇原則是 盡量使溶液中被洗脫離子的濃度降低 第三節(jié)離子交換設備 四 離子交換樹脂的預處理和再生離子交換樹脂的預處理是指樹脂正式進入工作狀態(tài)之前進行的水洗 酸洗 堿洗 再生則是指在樹脂進行了離子交換 或吸附 洗脫后進行的水洗 酸洗 堿洗 以陽離子交換樹脂為例 預處理的流程為 H型 水洗膨脹 裝柱 酸洗 水洗 酸洗 水洗 酸洗 水洗Na型 水洗膨脹 裝柱 堿洗 水洗 酸洗 水洗 堿洗 水洗 第三節(jié)離子交換設備 五 離子交換設備 一 固定床設備是應用得最多的離子交換設備 具有設備結構簡單 操作管理方便 樹脂磨損少等優(yōu)點 同時存在設備管線復雜 閥門多 樹脂利用率相對較低等弊端 離子交換器可用不銹鋼 硬塑料制作 常常用有襯里的碳鋼制造 管道 閥門一般均用塑料制成 固定床離子交換器的再生方式分成順流與逆流兩種 逆流再生有較好的效果 再生劑用量可減少 但易發(fā)生樹脂層的上浮 第三節(jié)離子交換設備 將陽 陰兩種樹脂混合起來 則制成混合離子交換設備 可用于抗生素等生物產品的精制 避免了采用單床時溶液變酸 通過陽離子柱時 及變堿 通過陰離子柱時 的現(xiàn)象 即在交換時可以穩(wěn)定pH 減少目標產物的破壞 固定式混合交換裝置見圖6 25所示 圖6 25固定式混合交換裝置流程圖 第三節(jié)離子交換設備 工作原理 使用時 先將酸堿兩種樹脂裝入混合交換罐 兩種樹脂的裝入量比例應當以酸堿樹脂的交換能力基本相同為準 并且使兩種樹脂在分層時界面處于中部再生劑出口 為了保證兩種樹脂混合均勻 樹脂裝好后 從罐底用空氣向上反吹 將樹脂充分攪勻 接著對樹脂進行預處理 即水泡和酸堿交替洗 新樹脂需要酸堿交替洗三次 用過的樹脂只需一次 預處理的過程和一般交換一樣 水 酸 堿均上進下出 或相反 不用中間再生劑出口 預處理完成后開始交換和洗脫 料液上進下出 不用中間再生劑出口 第三節(jié)離子交換設備 不同的是再生階段 由于酸堿樹脂的再生劑不同 需要分別再生 因此必須將兩種樹脂在罐內分開 可從底部通入反洗水 使樹脂漂浮起來 由于一般陽離子樹脂密度大于陰離子樹脂 陽離子樹脂沉在底部 陰離子堆砌其上 形成分層 分層界面在再生劑出口附近 分層后 從上部通入稀堿溶液 下部通入稀酸溶液 兩者都從中間再生劑出口引出 這樣 在上部的陰離子樹脂用稀堿再生的同時 下部的陽離子樹脂用稀酸再生 再生結束時 由于酸堿樹脂在界面沒有嚴格的分開 有部分混合 這部分樹脂可在一定程度上中和酸或堿的強度 加上本來使用的是稀酸和稀堿 因此界面附近的酸堿混合在可控制的范圍內 再生結束后 用空氣從底部反吹 將酸堿樹脂再次混合均勻 繼續(xù)循環(huán)使用 第三節(jié)離子交換設備 二 移動床式離子交換設備1 半連續(xù)移動床式離子交換設備將交換 再生 清洗過程在裝置中特定位置完成 而將這些過程在裝置中串聯(lián)在一起 各種液體周期性地在特定的部位流動 在各種液體流動階段 過程的各個區(qū)域各自封閉 樹脂在裝置內以固定床的方式與液體接觸 而在樹脂移動階段 樹脂床處在一種緊密狀態(tài) 利用水力沖擊使樹脂移動至下一操作區(qū)域 如圖6 26 圖6 26半連續(xù)移動床式離子交換流程圖 第三節(jié)離子交換設備 2 連續(xù)式移動床式離子交換設備連續(xù)式離子交換設備按料液流動的方法又可分為重力和壓力兩種 壓力流動式是由再生洗滌塔和交換塔組成 其工作流程見圖6 27 圖6 27壓力式連續(xù)離子交換流程圖 重力流動式又稱雙塔式 這種裝置的主要優(yōu)點是被處理液與樹脂的流向為逆流 工作流程見圖6 28 圖6 28重力連續(xù)移動式離子交換流程圖 六 離子交換過程的應用 離子交換過程最廣泛地應用于水處理過程 離子交換過程對于一些化合物成分的分離也有重要的意義 在中藥生產中 些有效目的產物本身具有 定的酸堿性 利用離子交換樹脂可以取得很好的分離效果