第六章萃取与离子交换.

LOGO制药设备及技术第六章萃取与离子交换设备LOGO本章学习目标1、掌握相关概念2、1、掌握相关概念。2、掌握药材有效成分的提取过程及原理，熟悉常用提取方法及其适用范围、特点，了解提取过程的主要典型提取设备的结构和特点。3、掌握液液萃取机制和流程流程，熟悉液液萃取相图以及常用萃取设备的结构组成与使用特点，了解萃取在制药中的应用，了解双水相萃取法。4、掌握离子交换技术的分类和原理，熟悉离子交换树脂的性能、预处理及再生，了解离子交换树脂和操作条件的选择，了解离子交换设备的结构特点及操作以及离子交换过程的应用。LOGO第六章萃取与离子交换设备萃取：在任何一种溶剂中，不同物质具有不同的溶解度，利用各物质在选定溶剂溶解度的不同以达到分离组分的方法称为萃取。其中选定的溶剂为萃取剂。若用以分离固体混合物组分的操作为固-液萃取，又称提取、浸取；用萃取剂分离液体混合物中组分操作为液-液萃取，又称萃取。离子交换技术是根据物质的酸碱性、极性和分子大小的差异实现混合物分离的技术。LOGO第六章萃取与离子交换设备萃取法的优点：①传质速度快、生产周期短，便于连续操作、容易实现自动控制；②分离效率高、生产能力大等一系列优点，所以应用相当普遍；③能量消耗较少，设备投资费用不高；④采用多级萃取可使产品达到较高纯度，便于下一步处理，减少以后工序的设备和操作费用。LOGO第一节固液萃取一、固液萃取过程天然药物中所含的成分十分复杂，概括起来可分为：有效成分：指具有生物活性且能起到防治疾病作用的单体化合物，如生物碱、蒽醌类、黄酮类化合物等物质；有效部位：含有一种主要有效成分或一组结构相近的有效成分的提取分离部分，如人参总皂苷、银杏总黄酮等；辅助成分：指本身没有特殊疗效，但能增强或缓和有效成分作用的物质，如洋地黄中的皂苷可帮助洋地黄苷溶解或促进其吸收；无效成分：是指本身无效甚至有害的成分，它们往往影响溶剂提取的效率、制剂的稳定性、外观及药效；天然药物的提取多数情况是为了得到或分离出有效组分，浸取天然药物中活性组分基本遵循“相似相溶”原理，本章只介绍植物药、动物药、矿物药的提取过程。LOGO第一节固液萃取（一）矿物性药材的提取过程矿物性药材的成分相对比较单一，无细胞结构，大多以无机盐或离子形式存在，所以其有效成分可用溶剂直接溶解或使其分散悬浮于溶剂中。（二）动物性药材的提取过程动物性药材的有效成分绝大部分是蛋白质、激素、酶等，并都是以大分子形式存在于细胞中，不易提取完全，故应尽量地使细胞膜破坏。在提取前，原料应尽可能地粉碎，可使用电动绞肉机将肉类绞碎，绞得越细越好。若将此类原料先冻结成块，再进行绞轧，这样即易于粉碎，又可使细胞膜破裂。常用的溶剂有稀酸、盐溶液、乙醇、丙酮、醋酸、乙醚、甘油等。LOGO第一节固液萃取（三）植物性药材的提取过程1、浸润、渗透阶段湿润作用对浸出有较大影响，若药材不能被浸出溶剂湿润，则浸出溶剂无法渗入细胞，无法实现提取。浸出溶剂能否湿润药材，与溶剂和药材的性质及两者间的界面情况所决定，其中表面张力占主导地位。毛细管被溶剂所充满的时间与毛细管的半径、毛细管的长度及毛细管的内压力等有关。措施：通过对植物药材的减压或对溶剂加压，以及对药材进行适当的粉碎，破坏部分的细胞壁，提高提取的速度和效率。LOGO第一节固液萃取2、溶解、解吸附阶段因细胞中的各种成分间有一定的亲和力，所以在溶解之前必须要克服这种亲和力，才能使各种成分能够转入到溶剂中，被称为解吸作用。溶剂渗入细胞后即逐渐溶解可溶性成分，溶剂种类不同，溶解的成分不同。在提取有效成分时，应选用具有较好解吸作用的溶剂，如乙醇。LOGO第一节固液萃取二、浸出方法（一）溶剂提取法1、煎煮法将天然药物粗粉加水加热煮沸提取的操作，一般重复操作2～3次。2、浸渍法是指处理的药材于提取器中加适量溶剂（常用水和乙醇），用一定温度和时间进行浸渍，反复几次，合并浸渍液的一种操作。3、渗漉法将药材粗粉置渗漉器中，由上部连续添加溶剂渗过药材层后从底部流出渗漉液而提取有效成分。4、回流提取法有机溶剂为提取溶剂，在回流装置中加热进行5、连续回流提取法是对回流提取法的发展，具有操作简便，溶剂消耗量小的优点。6、超声提取法其基本原理是利用超声波的空化作用，破坏植物药材细胞，使溶剂易于渗入细胞内。LOGO第一节固液萃取（二）水蒸气蒸馏法水蒸气蒸馏法是一种利用某些挥发性成分与水或水蒸气共同加热，能随水蒸气一并流出，经冷凝后分取获得的提取方法。其基本原理遵循道尔顿分压定律，即水和与水互不相溶的液体成分共存时，整个体系的总蒸汽压等于各组分分蒸汽压之和。虽然各组分自身的沸点高于混合液的沸点，当总蒸汽压等于外界大气压时，混合液开始沸腾并被蒸馏出来。该法工艺简单、操作方便、实用性强，不需复杂设备。主要用于含有挥发性成分天然药物的提取。LOGO第一节固液萃取（三）超临界流体萃取法（SFE）SFE技术就是利用超临界流体作为溶剂，从固体或液体中萃取出某些有效组分，并进行分离的技术。其基本操作流程见图6-1。1-CO2钢瓶；2-冷凝器；3-高压泵；4-换热器；5-萃取器；6-减压阀；7-收集器；8-干气计量器；9-水浴；10-压力调节器图6-1超临界流体萃取工艺装备示意图LOGO第一节固液萃取超临界流体(supercriticalfluid，SF)是指某种气(或液)体或气(或液)体混合物在操作压力和温度均高于临界点时，其密度接近液体，而其扩散系数和粘度均接近气体，其性质介于气体和液体之间的流体，常见超临界气体：二氧化碳、乙烯、氨、氧化亚氮、乙烷、一氯三氟甲烷、二氯二氟甲烷等。二氧化碳化学惰性，无毒性，不易爆，安全、低廉，临界压力不高(7.37MPa)，临界温度接近室温(31.05℃)，因而常作为超临界萃取剂。LOGO第一节固液萃取1、影响超临界流体萃取的主要因素压力在影响SFE的因素中，压力是最重要的因素。温度不变，随着压力地增加，密度会显著增大，对溶质的溶解能力也就增加，萃取的效率提高。温度随着温度的升高，流体的扩散能力加强，对溶质的溶解能力也相应地增加，有利于萃取。粒度药材的粒度越小，流体的总面积越大，流体与溶质接触的机会越多，萃取效率越高，萃取操作时间缩短。流体比增加流体的含量，可以提高溶质在溶液中的溶解度．故萃取也随着流体比的增加而增加。夹带剂加入少量极性溶剂，如甲醇、乙醇、氨水等夹带剂，可改善流体的溶解性质，应用于较大极性成分的萃取LOGO第一节固液萃取2、CO2—SFE的特点及优越性借助于调节流体的温度和压力来控制流体密度进而改善萃取能力；溶剂回收简单方便，节省能源；可较快达到相平衡；适合于热敏性组分的提取。3、工艺流程可根据工艺特殊要求对超临界CO2萃取装置进行流程组合，常见的流程如下：1）CO2萃取釜→分离Ⅰ→分离Ⅱ→回路；2）CO2萃取釜→分离Ⅰ→分离Ⅱ→精馏柱→回路；3）CO2萃取釜→精馏柱→分离Ⅰ→分离Ⅱ→回路；4）CO2萃取釜→分离Ⅰ→精馏柱→离Ⅱ→回路。LOGO第一节固液萃取4、超临界CO2萃取技术应用前景超临界CO2萃取新技术完全可用于改造传统中药产业，和传统中药生产工艺比，具有极大优越性和市场潜力。这一领域将是超临界CO2萃取技术的主要方向。超临界萃取技术应用于中药或天然药物，要从单纯地进行中间原料的提取转向于兼顾单味、复方中药新药的开发应用或对现行我国生产的各种中成药工艺改革或二次开发上，以及配合我国正在进行的中药现代化战略行动。SFE技术应用于中药，还要加强有关基础研究和应用研究。LOGO第一节固液萃取三、常用的浸出设备（一）浸提设备浸提罐是最常用的浸提设备，基本结构为上部有盖，下部有出液口，内部装有多孔假底并铺上滤布，目的是过滤提取液并防止药渣堵塞。为了提高浸出效率，浸提罐中一般都装有搅拌装置对物料进行搅拌或在下端出口处设置离心泵强制溶媒循环，起类似于搅拌的作用。如图6-2所示。a立式浸提罐b卧式浸提罐c转筒形浸提罐图6-2浸提罐示意图LOGO第一节固液萃取（二）渗漉设备1、渗漉器渗漉器一般为圆筒形设备，也有圆锥形，上部有加料口，下部有出渣口，其底部有筛板、筛网或滤布等以支持药粉底层。大型渗漉器有夹层，可通过蒸汽加热或冷冻盐水冷却，以达到浸出所需温度，并能常压、加压及强制循环渗漉操作。如图6-3所示。图6-3渗漉器LOGO第一节固液萃取2、多级逆流渗漉器如图6-4所示。药材按顺序装人1～5个渗漉罐，用泵将溶剂送入1号罐，1号渗漉液经加热器后流人2号罐，依次送到最后5号罐。当1号罐内的药材有效成分全部渗漉后，用压缩空气将1号罐内液体全部压出，1号罐即可卸渣装新料。此时，来自溶剂罐的新溶剂装人2号罐，最后从5号罐出液至贮液罐中。待2号罐渗漉完毕后，即由3号罐注入新溶剂，改由1号罐出渗漉液，依此类推。1-储液罐；2-泵；3-渗漉罐；4-加热器；5-溶剂罐图6-4多级逆流渗漉器示意图克服了通渗漉器操作周期长，渗漉液浓度低的缺点。由于渗漉液浓度高，渗漉液量少，便于蒸发浓缩，适于大批量生产。LOGO第一节固液萃取（三）移动床连续提取器移动床连续提取器一般有浸渍式、喷淋渗漉式及混合式三种。特点：提取过程连续进行，加料和排渣都是连续进行的。适用于大批量生产，在工业上有着广泛的应用。按提取器的结构特点分为U形螺旋式提取器和平转式连续逆流提取器LOGO第一节固液萃取U形螺旋式提取器：属于浸渍式连续逆流连续提取器，主要结构如图6-5所示，由进料管、出料管、水平管及螺旋输送器组成，各管均有蒸汽夹层，以通蒸汽加热。U形螺旋式提取器属于密闭系统，适用于挥发性有机溶剂的提取操作，加料卸料均为自动连续操作，劳动强度降低，且浸出效率高。图6-5连续逆流提取器结构图LOGO第一节固液萃取平转式连续逆流提取器为喷淋渗漉式提取器，结构如图6-6(a)所示，为在旋转的圆环形容器内间隔有12～18个料格，每个扇形格为带孔的活底，借活底下的滚轮支撑在轨道上。(a)结构图图6-6平转式连续逆流提取器LOGO第一节固液萃取工作过程：药材在提取器上部加入到格内，每格有喷淋管将溶剂喷淋到药材上以进行提取，淋下的浸出液用泵送入前一格内，如此反复浸出，最后收集的是浓度很高的浸出液。浸完药材的格子转到出渣处，此格下部的轨道断开，滚轮失去支承，活底开启出渣。提取器转过一定角度后，滚轮随上坡轨上升，活底关闭，重新加料进行操作。(b)工作过程图6-6平转式连续逆流提取器LOGO第一节固液萃取（四）热回流循环提取浓缩机热回流循环提取浓缩机是一种新型动态提取机组，集提取浓缩为一体，是一套全封闭连续循环动态提取装置。该设备主要用于以水、乙醇及其他有机溶剂提取药材中的有效成分、浸出液浓缩，以及有机溶剂的回收。基本结构如图6-7所示，浸出部分包括提取罐、消泡器、提取罐冷凝器、提取罐冷却器、油水分离器、过滤器、泵；浓缩部分包括：加热器、蒸发器、冷凝器、冷却器、蒸发料液罐等。LOGO1-提取罐；2-消泡器；3-过滤器；4-泵；5-提取罐冷凝器；6-提取罐冷却器；7-油水分离器；8-浓缩蒸发器；9-浓缩加热器；10-浓缩冷却器；11-浓缩冷凝器；12-蒸发料液罐图6-7热回流循环提取浓缩机示意图LOGO第一节固液萃取热回流循环提取浓缩机工作原理：将药材置提取罐内，加药材的5～10倍的适宜溶剂。开启提取罐和夹套的蒸汽阀，加热至沸腾20～30mm后，用泵将1／3浸出液抽入蒸发器。关闭提取罐和夹套的蒸汽阀，开启加热器蒸汽阀使浸出液进行浓缩。浓缩时产生二次蒸汽，通过蒸发器上升管送人提取罐作提取的溶剂和热源，维持提取罐内沸腾。二次蒸汽继续上升，经提取罐冷凝器回落到提取罐内作新溶剂。这样形成热的新溶剂回流提取，形成高的浓度梯度，药材中的有效成分更易浸出，直至有效成分完全溶出。此时．关闭提取罐与蒸发器阀门，浓缩的二次蒸汽转送冷却器，浓缩继续进行，直至浓缩成需要的相对密度的药膏，放出备用。提取罐内的液体，可放入贮罐作下批提取溶剂，药渣从渣门排掉。LOGO第一节固液萃取热回流循环提取浓缩机优点：①收膏