年产10吨穿山龙总皂苷的提取工艺设计

天津科技大学2011级本科生制药工程课程设计11前言1.1原料及产品简介1.1.1穿山龙简介穿山龙(DioscoreaNipponicaMakino)，别名穿地龙、地龙骨、金刚骨、鸡骨头、野山药，生于山坡林边、灌木林下及沟边。主产辽宁、吉林、黑龙江、河北、内蒙古、山西、陕西。采制春、秋季采挖，挖取根茎，除去须根、外皮（栓皮），晒干。性状：根茎呈圆柱形、类圆柱形，稍弯曲，有指状分枝，长短不一，直径0.3～1.5cm。表面棕色或黄色，两侧散生须状细根或细根断痕。质坚硬，断面平坦，白色或类白色，粉性。气微，味苦涩。穿山龙为薯蓣科植物穿龙薯蓣的干燥根茎,收于中国药典，具祛风除湿、活血通络、清肺化痰等多种功效。其有效成分为甾体皂苷,其中水不溶性皂苷主要为薯蓣皂苷、纤细皂苷,皂苷元均为薯蓣皂苷元。穿山龙皂苷具有改善冠脉循环、增加冠脉流量、抗动脉粥样硬化等作用，其镇咳作用的有效成份主要为水溶性皂苷，祛痰作用则为水不溶性皂苷。皂苷按皂苷配基的结构分为两类：甾醇皂苷：其皂苷配基是螺甾烷的衍生物，多由27个碳原子所组成（如薯蓣皂苷）。这类皂苷多存在于百合科和薯蓣科植物中；三萜皂苷：其皂苷配基是三萜的衍生物，大多由30个碳原子组成。三萜皂苷分为四环三萜和五环三萜。这类皂苷多存在于五加科和伞形科等植物中。多数皂苷能降低液体（水）的表面张力，具有起泡沫性质和乳化剂作用，能用作清洁剂，还有溶血和毒鱼的作用。1.1.2穿山龙总皂苷药理作用薯蓣皂苷是广泛应用于医疗的最普遍的皂苷，其应用领域体现在两个方面:一是作为制备薯蓣皂苷元的前体。由于薯蓣皂苷元的需求量巨大，薯蓣皂苷主要用作生产薯蓣皂苷元的原料。二是直接作药用。薯蓣皂苷有明显的止咳、祛痰、平喘活性，用于治疗冠心病，副作用小，可减少心绞痛。成都生物所用黄姜研制的地奥心血康，具有调节新陈代谢地作用，用于治疗动脉硬化，对心血管系统的疾病有转好的疗效。国内己有数家工厂以黄姜为原料，提取总薯蓣皂苷作为临床上的降血脂药物。1978年，江苏省植物研究所研制了盾叶“冠心宁”，临床治疗冠心病、心绞痛有一定疗效。1998年，武汉植物园的崔天义研究发现:黄姜的正丁醇提物，有效成分是薯蓣皂苷，在浓度为30ml/L时，在48h内，灭钉螺率达100%，是杀灭钉螺并预防血吸虫病理想的“环保药物”。原始薯蓣皂苷的26位连接一个葡萄搪，能溶于水。水溶性好更利于拓宽应用领域。1.1.3穿山龙总皂苷的质量标准从穿山龙中提取分离出的总皂苷，经过浓缩、干燥后使皂苷含量达到50%，且水分含量低于5%，性味归经：苦，平，乙醇回流法提取物为淡红棕色，和薯蓣天津科技大学2011级本科生制药工程课程设计2皂苷本品颜色基本相同。1.2设计的目的、意义及任务1.2.1目的及意义穿山龙有多种薯蓣皂苷，是合成甾体激素和甾体避孕药的主要原料，也是我国薯蓣皂苷元含量最高的植物。平均薯蓣皂苷元含量在2%左右，单株最高含量达到16%。我国穿山龙资源丰富，广泛分布于我国东北、西北、华北、华中和西南等省区，是世界上宝贵的药用植物资源。薯蓣皂苷是广泛应用于医疗的最普遍的皂苷。首先是作为制备薯蓣皂苷元的前体，同时薯蓣皂苷也直接作药用。近十年来，激素类药物在世界上的需求逐年上升，作为前体的薯蓣皂苷元供不应求。本设计目的是寻找效率高、工艺简短、成本低、污染小的工艺过程提取穿山龙总皂苷，较为科学的皂苷提取方法对该资源的开发利用将是一个很大的促进。本设计通过对以往方法的利弊分析，选择了一种最佳方案，以供制药企业进行大规模生产，因此在我国薯蓣资源日益减少的现状下，研究新的生产工艺提高薯蓣皂苷元的得率。1.2.2设计任务（1）查阅相关文献资料：根据设计任务查阅相关书籍、文献收集资料，从有关手册图表中获得物性、常数及经验数据等，并充分利用实验室对相关参数进行研究测试。（2）进行提取工艺方案选择：对一个设计任务，根据所选取的设备及操作条件参数等的不同，可以得到不同的设计方案。将这些不同的方案进行技术可行性和经济合理性两方面比较，可从中选出最佳方案、确定生产工艺。（3）对工艺过程进行物料衡算和热量衡算。（4）设备选型：查阅资料、根据计算结果选择工艺设备，包括设备型号、尺寸、公用工程的消耗等。（5）绘制工艺流程图：熟悉计算机的操作和流行公式编辑器软件和绘制流程图软件的使用，根据所确定的生产工艺，绘制工艺流程图，应有管道、阀门及流体流向的标示。（6）根据任务和基本依据，通过认真仔细地计算，设计出达到效果的穿山龙总皂苷生产工艺及设备，并撰写设计说明书。1.3工艺筛选1.3.1水煎法提取准确称取25.0g预处理恒重的穿山龙粉末，按照溶剂体积：原料质量=8：1，及8倍量水常温浸泡12h。转入回流瓶中提取，在90℃下回流提取3次，每次2h。将每次所得提取液过100目筛，合并提取液并离心（3500r/min,15min）。取上清天津科技大学2011级本科生制药工程课程设计3液并将皂苷元的浓度用蒸馏水稀释到0.20g穿山龙生药每毫升水溶液，及0.20g生药/mL的上样液备用。（1）取预处理完备的D-101大孔吸附树脂一定量，装入玻璃柱中，用蒸馏水充分浸泡树脂；（2）将上述上样液倒入树脂柱中。打开柱阀，当有上样液流出时，关闭柱阀，使之与树脂静态吸附12h。以1.0mL/min流速进行动态吸附，并将流出液重吸附一次，同时对重吸附流出液进行E试剂定性检测和比色法定量检测；（3）采用定量蒸馏水以2.0mL/min的流速洗脱树脂，弃去水洗脱液；（4）用50%的乙醇以2.0mL/min的流速洗脱树脂，流出液每50mL收集一份。并用E试剂定性检测。当洗脱液与E试剂反应基本不显红色时，同时对洗脱液中的皂苷元进行定量检测。直到流出液中皂苷元含量小于3.0µg/mL时，停止洗脱。（5）合并洗脱液减压浓缩，将浓缩液转入干燥恒重的培养皿中60℃干燥。（6）将干燥好的产物称重，研钵研成粉末，储存备用。1.3.2超声波辅助乙醇法提取准确称取25.0g预处理恒重的穿山龙粉末，用12倍量60%乙醇常温浸泡12h，放入超声波容器中进行提取。设定条件如下：时间30min、功率100W、频率40kHz、温度40℃、提取次数3次，溶剂量12倍（第1次），6倍（第2，3次）。每次提取后过100目筛，合并提取液并离心（3500r/min,15min），上清液浓缩，直到浓缩液中没有乙醇为止。将浓缩液用蒸馏水稀释到0.20g生药/mL的上样液备用。上样液按照1.3.1中相同的方法用D-101大孔吸附树脂精制后得到干品称重备用。1.3.3乙醇提取法准确称取25.0g预处理好的干燥恒重的穿山龙粉末，用6倍量60%乙醇在60℃回流提取3次，每次2h。所得提取液过100目筛，合并并离心（3500r/min,15min）,上清液浓缩到没有乙醇为止。将浓缩液用蒸馏水稀释到0.20g生药/mL的上样液备用。上样液按照1.3.1中相同的方法用D-101大孔吸附树脂精制后得到干品称重备用。1.3.4自然发酵乙醇提取法（1）预发酵醇提取法制备穿山龙总皂苷提取液准确称取25.0g预处理恒重的穿山龙粉末，用4.8倍量及120mL蒸馏水浸泡。转入37℃恒温箱中恒温发酵12h。发酵后补加无水乙醇180mL，转入提取器中，在60℃回流提取2h，2、3次提取采用6倍量60%乙醇60℃回流提取，提取时间为2h，将所得提取液过100目筛，合并提取液并离心（3500r/min,15min），上清液减压浓缩至没有乙醇为止。并将浓缩液稀释到1.0g生药/15mL的上样液备用。天津科技大学2011级本科生制药工程课程设计4将所得上述稀释液按照ZTC澄清剂的最佳条件澄清处理后，离心、抽滤所得澄清液按照2.7.1中相同的方法上处理好的D-101大孔吸附树脂后得到干品备用。（2）不同发酵时间提取准确称取三份25.0g预处理恒重的黄姜粉末，按照（1）中方法预发酵24h、48h、72h后采用上述发酵相同工艺提取、澄清、上树脂柱处理后得干品。2工艺流程确定及工艺简介2.1工艺流程图穿山龙饮片提取液浓缩液混合溶液溶液固体物浓缩液乙醇提取浓缩喷雾干燥加乙醇，搅拌回收乙醇静置，离心2.2工艺流程简介本设计采用乙醇提取法。影响其提取效果的主要因素有：浸取溶剂及其浓度、浸取时间及温度、提取次数、料液比、醇沉前的密度和醇沉浓度等因素。当乙醇质量分数低于50％时，抽滤困难；当乙醇质量分数超过80％时提取率下降，因此将响应面实验中的乙醇质量分数变化范围定为55％～80％。在穿山龙总皂苷浸出过程中，选取75％的乙醇。天津科技大学2011级本科生制药工程课程设计5在穿山龙总皂苷浸出过程中，穿山龙薯蓣总皂苷的最佳提取时间为回流2小时，提取次数为2次，最佳提取温度为55℃。当物料比超过20时，提取率呈缓慢上升趋势。出于节省溶剂的考虑，将响应面实验中液固比的变化范围定为l0～30。料液比定为1:20。工艺条件为药材加10倍量75%的乙醇,温度55℃下回流提取2次,每次提取2h。提取得率为1.5%。乙醇提取法特点在于：（1）乙醇既能溶解水溶性成分，又能溶解非极性溶剂所能溶解的成分，且通过调节醇浓度，可以选择性地溶解或沉淀某些无效成分或杂质。（2）中药中的化学成分复杂多样，其中，生物碱、萜类、甾体、苷类、黄酮类、蒽醌、香豆素、有机酸、氨基酸、单糖、低聚糖、多聚糖、蛋白质、酶、鞣质等物质被认为具有药理活性，而纤维素、蜡质、油脂、树脂等被视为人生理活性的杂质。水的浸出范围广，但选择性差，容易浸出大量的无效成分，一般提取液体积大，有效成分含量低，不利于制剂．醇沉可以除去某些杂质，达到精制、减小剂量、便于制别的目的。（3）乙醇沸点适中，可回收反复使用，本身还具有杀菌作用，经过乙醇处理的物料不易发霉变质。3物料衡算3.1穿山龙投料量的计算设每日提取皂苷40kg，每天4批，每批4小时，一年工作日为300天。经实验验证在提取条件为75%乙醇（密度910kg/m3），m物料/m乙醇=1:10，在55℃下提取2次，得率为1.5%。1kg穿山龙经前处理（清洗、烘干、粉碎）可得0.9kg穿山龙粉。每批得穿山龙10kg。每批中加入的经过前处理的物料为10/1.5%=660kg每批需要穿山龙原料660/0.9=730kg每日需要穿山龙原料730×4=2920kg每年需穿山龙原料2920×300=876t3.2乙醇消耗量的计算每批处理需要75%乙醇为660×20=13200kg。换算成体积，则每批需要75%乙醇13200/910=14.5m3每日需75%乙醇的质量为13200×4=52800kg每年需75%乙醇的质量为52800×300=15840t天津科技大学2011级本科生制药工程课程设计6因乙醇可回收循环使用，每年的循环次数为5，每年需要70%乙醇的质量为15840/5=3168t3.3滤渣量的计算每批得残渣730-660=70kg每日得残渣70×4=280kg每年提取产品类化合物后得残渣70×4×300=84t4热量衡算4.1加热过程热量衡算4.1.1对数平均温差△tm根据换热器两端的温度，按照公式△tm=(△t2－△t1)/Ln(△t2/△t1)，可求出对数平均温差。设定用于提取总皂苷的乙醇溶液从20℃升温至55℃，加热用水从90℃降温至65℃。△tm=(△t2-△t1)/Ln(△t2/△t1)=（45-35）/Ln(45/35)=39.8℃。4.1.2换热器所需面积A根据热量衡算式Q=M×C×△T=K×△Tm×A，可求出换热器所需面积A。A=M×C×△T/K/△Tm=3300×0.680×35/300/39.8=6.6㎡已知：M—乙醇流量㎏/hC—乙醇比热容kcal/kg•K△T—乙醇的入、出口温差ºCK—总传热系数kcal/㎡•K•h几个参数的取值说明：M：根据物料衡算，日产40㎏穿山龙总皂苷产品，需要乙醇13200×4=52800kg，换热器每天工作16小时，则乙醇流量为52800/16=3300kg/hK：列管式换热器的总传热系数一般为250——300kal/㎡·h·℃，这里取300kal/㎡·h·℃C：乙醇的比热为0.680kcal/