分离纯化工艺ppt课件.ppt

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1、第三章 分离纯化工艺及设计,中药分离纯化工艺是利用中药化学、现代分离技术、工程学等原理对中药中有效成分的提取分离过程进行研究，建立适合于工业化生产的中药提取分离纯化方法，是研究制药工业中中药分离与纯化的技术学科。中药分离纯化工艺是制药工程学的一个重要的组成部分，属于中药现代化生产的关键技术。研究内容包括分离纯化技术的基本原理、工艺流程、设备及应用等。,第一节 分离纯化原理,中药分离纯化方法选择的基本依据是看分离对象是非均相体还是均相体，而分为机械分离和传质分离两大类。机械分离处理的是两相或两相以上的混合物，通过机械处理简单地就可将各相加以分离，不涉及传质过程，例如过滤、沉降、离心分离、旋风分离

2、和压榨等。,传质分离处理的既可是均相体，也可是非均相体，通过单个组分的物理-化学特性的差异进行分离，一般是依靠平衡和速率两种途径来实现。取决于平衡的分离方法，是以各组分在媒介中的不同分配系数而建立的平衡关系为依据实现的分离过程，如蒸馏、萃取、色谱、吸附、结晶、闪蒸、离子交换等。取决于速率的分离方法，主要是根据各个组分扩散速度的差异来实现分离的过程，如分子蒸馏、超滤、电渗析、反渗透和气体扩散等。实现分离的推动力可利用浓度差、压力差和温度差等。,近年来，一些先进新型分离技术受到高度重视，如超临界流体萃取、树脂吸附、膜分离技术、色谱分离、喷雾或冷冻干燥技术等，它们在天然药物的分离、纯化中发挥独特作用

3、，在提高产品分离质量、节约能耗和环保等方面已显示出传统分离方法无可比拟的优越性。,分离方法举例,一、分离纯化方法,（一）系统溶剂分离法较常用的作法是将中药的乙醇或甲醇提取液适当浓缩后，与某种担体（如硅藻土、硅胶等）混合均匀，干燥后，用极性不同的溶剂，极性由小到大分别提取。然后再选择方法进行分离。也可以将药材粗粉直接用极性不同的溶剂分别提取，得各个部分。,中药成分及其较适用的提取溶剂,（二）两相溶剂萃取法萃取法是利用混合物中各成分在互不混溶的溶剂中分配系数不同而分离的方法。可将被分离物溶于水中，用与水不混溶的有机溶剂进行萃取，也可将被分离物溶在与水不混溶的有机溶剂中，用适当pH的水液进行萃取，达

4、到分离的目的。,1.简单萃取法 在中药成分的系统研究中，常采用的方法是将中药水提取液适当浓缩，或将中药乙醇（甲醇）提取液适当浓缩，回收醇后，加入适量水，用极性不同的与水不混溶的有机溶剂，极性由小到大，如选用石油醚（或己烷）、氯仿（或乙醚）、醋酸乙酯、正丁醇，分别进行萃取，分别回收溶剂得到极性不同的萃取物。在某些情况下也可只选12种溶剂进行萃取。,分离碱性成分（生物碱）或酸性成分，可调节溶液的pH值后再进行萃取是常用的方法。2. pH梯度萃取法 此法是分离生物碱类成分、酸性及酚性成分的一种方法。是利用被分离成分的碱性或酸性不同而采用的方法。,大黄中蒽醌类成分的提取、分离,基本原理 大黄中羟基蒽醌

5、类化合物多数以苷的形式存在，故先用稀硫酸溶液把蒽醌苷水解成苷元，利用游离蒽醌可溶于热氯仿的性质，用氯仿将它们提取出来。由于各羟基蒽醌结构上的不同所表现的酸性不同，用pH梯度萃取法分离它们；大黄酚和大黄素甲醚酸性相近，利用其极性的差别，用柱色谱分离之。,A大黄酚 R1=H R2= CH3B大黄素 R1= OH R2= CH3C大黄素甲醚 R1=OCH3 R2= CH3D芦荟大黄素 R1=H R2=CH2OHE大黄酸 R1=H R2=COOH由于各羟基蒽醌结构上的不同所表现的酸性不同,用pH梯度萃取法分离他们;大黄酚和大黄素甲醚酸性相近,利用其极性的差异,用柱色谱分离之. 酸性EBDAC,大黄提取

6、分离流程图,3.连续萃取法 为克服使用分液漏斗多次萃取的操作麻烦，可采用连续萃取器。这一仪器利用两溶剂的比重不同，自然分层和分散相液滴穿过连续相溶剂时发生传质。,（三）沉淀法 沉淀分离是在溶液中加入溶剂或沉淀剂，通过化学反应或者改变溶液的pH值、温度、压力等条件，使分离物以固相物质形式沉淀析出的一种方法。 应用沉淀分离技术时，需要考虑三种因素：（1）沉淀的方法和技术应具有一定的选择性，才能使目标成分得到较好分离，纯度较高；（2）对于一些活性物质（如酶、蛋白质等）的沉淀分离，必须考虑沉淀方法对目标成分的活性和化学结构是否破坏；（3）对于食品和医药中的目标成分的沉淀分离，必须充分估量残留物对人体的

7、危害。,1.溶剂沉淀 溶剂沉淀在有机化合物（如蛋白质、酶、多糖、核酸等）水溶液中加入有机溶剂（如乙醇、丙酮等）后，显著降低待分离物质的溶解度从而将其沉淀析出的一种方法。机理：溶质（待分离物质）在溶液中化学势发生变化造成溶解度的下降。优点：选择性好、分辨率高，因为一种有机化合物往往只能在某一溶剂狭窄的浓度范围内沉淀，溶剂易除去易回收。但条件控制不当容易使待分离物质（如蛋白质）变性。,影响溶剂沉淀的操作条件：（1）溶剂的选择及其添加量 溶剂必须是能与水相混溶的有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、丙酮等，其中乙醇最为常用，能沉淀蛋白质、核酸、核苷酸、多糖、果胶和氨基酸等化合物，且安全性最高。（

8、2）样品浓度的确定 对于蛋白质样品溶液的沉淀分离，如果样品浓度低一些，可以减少蛋白质之间的相互作用，防止共沉淀现象，但易引起蛋白变性，另一方面，如果样品浓度高一些，可以减少蛋白变性，有机溶剂的使用量也可减少，担控制不当易出现共沉淀现象，一般而言，控制蛋白质起始浓度为530mg/ml。,（3）温度调节 对蛋白质溶液进行溶剂沉淀分离，一般在低温条件下进行，大多数酶和蛋白质的溶解度随温度降低而降低，可以利用温度差进行蛋白质分级沉淀。 （4）pH值的调节 蛋白质溶液中的溶质溶解度受pH值影响，一般在等电点的溶解度最低。将pH值调节到溶液中多数蛋白质带有相同的净电荷，可减少蛋白质之间的相互作用，防止共沉

9、淀。利用改变溶液的pH值可实现有选择的分段沉淀。 （5）离子强度的调节 低浓度的中性盐类增加蛋白质在有机溶剂中的溶解度，并且对蛋白质具有保护作用，防止变性。要将蛋白质从低离子强度的溶液中沉淀出来往往需要更高的溶剂浓度。,2.盐析沉淀在较低浓度的盐溶液中，酶和蛋白质的溶解度随盐浓度升高而增大，这称之为盐溶。当盐浓度增大至一定程度后，酶和蛋白质的溶解度又开始下降直至沉淀析出，这称之为盐析。,盐析沉淀条件中，一般情况下，多价盐类的盐析效果比单价的效果好，阴离子的效果比阳离子的好。在蛋白质溶液中，一般以硫酸铵、硫酸钠应用最广。使用带金属离子的盐类时，可考虑添加一定量的金属熬合剂如EDTA等。,3.沉淀

10、剂沉淀添加某种化合物与溶液中的待分离物质生成难溶性的复合物，从而从溶液中沉淀析出的方法，称为沉淀剂沉淀。添加的化合物称为沉淀剂。沉淀剂沉淀分离主要有金属离子沉淀法，酸类及阴离子沉淀法，非离子型聚合物沉淀法以及均相沉淀法等。,（1）金属离子沉淀法 蛋白质在碱性溶液中带负电，金属离子与蛋白质中的COOH、OH、NH2、SH等基团反应生成难溶性的复合盐而析出，根据金属离子与蛋白质的相互作用关系，将金属离子分成以下三类： 与羧基、氨基等含氮化合物以及含氮杂环化合物强烈结合的金属离子有：Mn 2+、Fe 2+ 、Co 2+ 、Ni 2+ 、Cu 2+ 、Zn 2+和Cd 2+等； 与羧酸结合而不与含氮化

11、合物结合的金属离子有：Ca 2+ 、Mg 2+ 、Pb 2+和Ba 2+等； 与巯基化合物强烈结合的金属离子有：Hg2+、Ag+和Pb2+等。复合物中金属离子的去除，可通入H2S形成硫化物去除或添加熬合剂EDTA。,（2）酸沉淀法 一些含氮的有机酸如苦酸和鞣酸等能与有机分子的碱性基团反应生成难溶性的盐复合物析出，但这种盐复合物沉淀往往是属于不可逆反应，引起蛋白质发生变性，因此，需要采取预防蛋白质变性的措施，如采用温和的反应条件，并加入一定量的稳定剂（如抗坏血酸等）。许多无机杂多酸能与氨基酸、蛋白质作用形成盐类复合物沉淀，如磷钨酸、硼钨酸、硅钨酸以及磷、砷、硅的钼酸或钒酸等。反应过量的这些无机杂

12、多酸可在无机盐溶液中由乙醚萃取出来。,（3）非离子型聚合物沉淀法 一些非离子型多聚物（如聚乙二醇、葡聚糖和右旋糖酐硫酸钠等）作为沉淀剂，能将溶液的一些有机物质沉淀分离出来，如蛋白质、酶、核酸、细菌、病毒等。非离子型聚合物沉淀法操作条件温和，不易引起生物分子的变性，少量的沉淀剂就能沉淀大量的生物大分子物质，并且沉淀后的多聚物容易除去。聚乙二醇（PEG）是应用较多的水溶性的非离子型多聚物，多用于沉淀蛋白质。当pH值越接近蛋白质电点，所需PEG浓度也越低。同时在一定范围内，PEG的相对分子质量越大沉淀效果越好。,（4）均相沉淀法 直接将沉淀剂加入溶液中，容易出现局部浓度过高，产生的沉淀物过于细小或者

13、结构疏松，均匀不一，易吸附杂质影响纯度。借助于化学反应使溶液中缓慢而均匀地产生沉淀剂以获得较纯净的晶形或非晶形沉淀，这就是均相沉淀法。实现均相沉淀通常有以下手段。 在溶液中加入能产生沉淀剂的化学试剂，使得通过化学反应均匀产生出沉淀剂。 利用某种试剂的水解反应使溶液的pH值发生变化，使pH值达到一定值时就会生成沉淀。 将溶液与沉淀剂在某种能与水混溶的溶剂中混合，再缓慢蒸去溶剂，使之在缓冲条件下实现均相沉淀。,（四）盐析法盐析法是在中药水提液中，加入无机盐至一定浓度，或达饱和状态，可使某些成分在水中溶解度降低，从而与水溶性大的杂质分离。常作盐析的无机盐有氯化钠、硫酸钠、硫酸镁、硫酸铵等。 例如自黄

14、藤中提取掌叶防己碱，自三颗针中提取小檗碱在生产上都是用氯化钠或硫酸铵盐析制备。有些成分如麻黄碱、苦参碱等水溶性较大，在提取时，亦往往先在水提取液中加入一定量的食盐，再用有机溶剂提取。,（五）分馏法对于完全能够互溶的液体系统，可利用各成分沸点的不同而采用分馏法，中药化学成分的研究工作中，挥发油及一些液体生物碱的分离即常用分馏法。例如毒芹总碱中的毒芹碱和羟基毒芹碱，前者沸点为 166167，后者为226，彼此相差较远，即可利用其沸点的不同通过分馏法分离。一般说来，液体混合物沸点相差在100以上，可将溶液重复蒸馏多次即可达到分离的目的，如沸点相差在25以下，则需采用分馏柱，沸点相差越小，则需要的分馏

15、装置越精细。,（六）结晶法结晶法是分离和精制固体成分的重要方法之一，是利用混合物中各成分在溶剂中的溶解度不同来达到分离的方法。结晶法所用的样品必须是已经用其他方法提得比较纯的时候，才能采用此法精制，如果中药的粗提取部分的纯度很差，则很难得到结晶，因结晶乃同类分子自相排列，如果杂质过多，则阻碍分子的排列。有些中药成分的结晶若含有两种以上的成分时，就可用分步结晶法使之分离。结晶的纯度可由化合物的晶形、色泽、熔点和熔距、薄层色谱或纸色谱等作初步鉴定。一个单体纯化合物一般都有一定的熔点和较小的熔距，同时在薄层色谱或纸色谱中经数种不同展开剂系统检定，也为一个斑点者，一般可以认为是一个单体化合物。,（七）

16、色谱法（1）色谱法又称色层法或层析法，是分离和鉴定化合物的有效方法。其应用如下： 分离混合物 精制化合物 鉴定化合物 在一定条件下，纯粹的化合物在薄层色谱或纸色谱中都有一定的Rf值，在气相色谱和高效液相色谱中有一定的保留时间，所以利用色谱法可以鉴定化合物的纯度或利用标准品的对照来初步确定两种性质相似的化合物是否为同一物质。,二、现代分离技术（一）超临界萃取技术（二）膜分离技术膜分离技术是利用天然或人工合成的，具有选择透过性大家好薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的技术。 （三）蒸馏技术蒸馏过程是分离液体混合物的一种常用方法，其基本原理是利用混合物

17、中各组分的沸点不同而进行分离。 （四）树脂吸附分离技术大孔树脂吸附分离技术是采用不同的大孔树脂作为吸附剂，从中药复方煎液中有选择地吸附其中的有效部分的一种分离精制的新技术。,第二节 分离纯化工艺,吸附分离技术吸附是指流体与固体多孔物质接触时，流体中的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内表面并附着在这些表面的过程。被吸附的流体称为吸附质，多孔固体颗粒称为吸附剂。吸附达到平衡时，流体的本体相称为吸余相，吸附剂内的流体称为吸附相。,一、吸附分离的原理,吸附平衡的特殊之处在于：在吸附剂与吸附质之间存在着一个独立的相吸附相 。相律：自由度 独立组分数 + 相数2纯组分的吸附平衡，独立组分为：吸附质

18、和吸附剂，相数为流动相，固定相和吸附相。因此，组分吸附平衡的自由度数将为3，即平衡吸附量将随温度、压力及吸附剂的变化而变化，而纯组分液汽平衡的自由度仅等于1。,（一） 吸附过程 指多孔固体吸附剂与流动相接触，流动相中一种或多种溶质向固体颗粒表面选择性传递，被吸附和积累于多孔固体吸附剂微孔表面的过程。,吸附过程大致可分为下列三种：1. 变温吸附 吸附通常在环境温度下进行，而解吸在直接或间接加热吸附剂的条件下完成，利用温度的变化实现吸附与解吸附的再生循环操作。该类流程常用于从气体或液体中分离少量杂质。2. 变压吸附 在较高组分分压的条件下选择性吸附气体混合物中的某些组分，然后降低压力或抽真空使吸附

19、剂解吸，利用压力的变化完成循环操作。变压操作一般用于混合物主体的分离。3. 变浓度吸附 液体混合物中的某些组分在环境条件下选择性的吸附，然后用少量的强吸附性液体解吸再生。该过程用于液体混合物的主体分离。,（二） 吸附等温线 当温度保持一定时，吸附量与压力（浓度）的关系，可以绘制出吸附等温线。吸附等温线是描述吸附过程最常用的基础数据。,（三）吸附等压线及吸附等量线 在吸附压力恒定时，吸附量随吸附温度的变化而变化，可得到吸附等压线。如保持吸附量恒定，以平衡压力对吸附温度作图，就可以得到吸附等量线，吸附等量线与饱和蒸汽压曲线类似。,二、常用吸附剂及其主要吸附性能,吸附剂的主要特征是多孔结构和具有较大

20、的比表面积。吸附剂的选用首先取决于它的吸附性能，根据吸附剂表面的选择性，可分为亲水性和憎水性两大类，一般来说，吸附剂的性能不仅取决于其化学组成，而且与制造方法有关。,（一）硅胶（氯化钴） 硅胶是一种较理想的干燥吸附剂，能吸附50%（质量）的水分。在温度20和相对湿度60%的空气流中，微孔硅胶吸附水的吸湿量为硅胶质量的24%。硅胶吸附水分时，放出大量吸附热。硅胶的再生温度为150左右。硅胶难于吸附非极性物质的蒸汽（如正构或异构烷烃等）易于吸附极性物质（如水、甲醇等）。另外，硅胶也常用作特殊吸附剂或催化剂载体。,（二）活性氧化铝 活性氧化铝对水有较强的亲合力，因此工业上常将其用作气（液）体的干燥剂

21、。在一定的操作条件下，它的干燥精度可达露点70以下。而它的再生温度又比分子筛低得多。可用活性氧化铝干燥的部分工业气体包括：Ar、He、H2、氟利昂、氟氯烷等。另外，活性氧化铝还可用作催化剂载体。,（三）活性炭 活性炭表面具有氧化基团，为非极性或弱极性，活性炭有如下特点： 它是用于完成分离与净化过程中唯一不需要预先除去水蒸气的工业用吸附剂； 由于具有极大的内表面，活性炭比其他吸附剂能吸附更多的非极性的弱极性有机分子。, 活性炭的吸附热或键的强度通常比其他吸附剂低，因而被吸附分子的解吸较为容易，吸附剂再生时的能耗也相对较低。 市售活性炭根据其用途可分为适用于气相和适用于液相使用两种。适用于气相的活

22、性炭，大部分孔径为1nm2.5nm之间，而适用液相使用的活性炭，大部分孔径接近或大于3nm。,（四）沸石分子筛 沸石分子筛的特点是它有相当均匀的孔径，如0.3nm、0.4nm、0.5nm、0.9nm、1nm细孔，比孔径小的分子，可以通过微孔孔口进入孔穴内，吸附于孔穴表面，并在一定条件下解吸放出；比孔径大的分子则不能进入，从而把分子直径大小不同的混合物分离开来，分子筛由此而得名。 沸石分子筛主要用于化学工业的各种原料气（液）体的干燥及利用分子筛作用来分离正烷烃等。,（五）大孔吸附树脂 大孔吸附树脂是一类不含离子交换基团的交联聚合物，多为白色球状颗粒，粒度为2060 目，化学性质稳定，不溶于酸、碱

23、及有机溶媒，对有机物有浓缩、分离作用且不受无机盐类及强离子、低分子化合物的干扰。其化学结构不带或带有不同极性的功能基。根据树脂的表面性质，可分为非极性、弱极性、极性三种类型。,（2）基本操作 首先，必须对大孔吸附树脂进行预处理。新购的树脂，用前必须去掉残余的致孔剂、引发剂、分散剂等。装柱前应将其放在烧杯中并加入足量的去离子水，使其容胀至体积不再增加为止。将湿态树脂装柱后，先用水漂洗，再加入高于树脂层10cm的乙醇浸泡淋洗。洗至洗涤液在试管中用水稀释不浑浊时为止，然后用水淋洗至乙醇含量小于1%或无明显乙醇气味后，即可使用。,其次，上样。一般，大孔吸附树脂采用湿法上样，为保护树脂,提高分离效果，上

24、样液应当对样品进行一定的预处理，如过滤除去干扰分离的杂质。再次，进行洗脱。先选择洗脱剂，最常用的洗脱剂是水、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙脂等。对非极性大孔吸附树脂，洗脱剂极性越小,洗脱力越强；对极性大孔吸附树脂和极性较大的化合物,则用极性强的溶剂能更好的分离。,最后，要对树脂柱进行再生。树脂柱经过反复使用后（一般使用35个周期）,树脂表面或内部残留着许多非吸附性成分或吸附性杂质,使柱颜色变深,柱效降低,这时需要进行树脂的再生，可用适量5%的NaOH溶液处理一次，当树脂受到严重污染时，可先用3 %HCl溶液，继用5 %NaOH溶液对树脂做深度处理，或按应用工艺要求进行。可先用水或95 %的乙醇洗柱，

25、而后进行大孔吸附树脂的预处理。如果有悬浮的不洁物或破碎的树脂颗粒，可以用反洗法去除，即使液体逆洗脱液方向进行冲洗。,非极性吸附树脂适宜从极性溶剂中吸附非极性物质，极性吸附树脂适宜从非极性溶剂中吸附极性物质。树脂本身由于范德华力或氢键的作用具有吸附性；又具有网状结构和很高的比表面积，而有筛选性能。所以为一类不同于离子交换树脂的吸附和筛选性能相结合的分离材料。,1. 吸附作用的影响因素（1）树脂本身化学结构的影响：大孔吸附树脂是一种表面吸附剂，其吸附力与树脂的比表面积、表面电性、能否与被吸附物形成氢键等有关。引入极性集团可以改变表面电性或使其与某些被分离的化合物形成氢键，影响吸附作用。一般非极性化

26、合物在水中可以被非极性树脂吸附，极性化合物在水中被极性树脂吸附。,（2）溶剂的影响：被吸附的化合物在溶剂中的溶解度对吸附性能也有很大的影响。通常一种物质在某种溶剂中溶解度大，树脂对其吸附力就弱。如有机酸盐及生物碱盐在水中的溶解度大，树脂对其吸附弱。含有多量无机盐的中药水提取物分离时，由于无机盐在水中的溶解度很大，无机盐很快随溶剂前沿被排出，故可用大孔吸附树脂代替半透膜脱盐。,（3）被吸附的化合物的结构的影响：被吸附化合物的分子量大小不同，要选择适当孔径的树脂以达到有效分离的目的。在同一种树脂中，树脂对分子量大的化合物吸附作用较大。化合物的极性增加时，树脂对其吸附力也随之增加。若树脂和化合物之间

27、产生氢键作用，吸附作用也将增强。,（4）上样溶液的pH 值：一般情况下，酸性物质在酸性溶液中进行吸附，碱性物质在碱性溶液中进行吸附较为适宜。（5）洗脱液的选择：洗脱液可使用甲醇、乙醇、丙酮及醋酸乙酯。根据吸附力强弱选用不同的洗脱剂及浓度。对非极性大孔吸附树脂，洗脱剂极性越小，洗脱能力越强。对中等极性大孔树脂和极性较大的化合物来说，则用极性较大的洗脱剂为佳。为达到满意的效果，可通过几种洗脱剂浓度的比较来确定最佳洗脱浓度。实际工作中甲醇、乙醇、丙酮应用较多。,2. 在中药领域中的应用 大孔吸附树脂对中药化学成分如生物碱、黄酮、皂苷及其他一些苷类成分都有一定的吸附作用。对糖类的吸附能力很差，对色素的

28、吸附能力较强。,膜分离技术,研究表明中药有效成分的分子量大多数不超过1000，而无效成分如淀粉、蛋白质、树脂等属于分子量在50000以上的高分子物质。由于植物药成分的多元化，适宜的深加工分离技术应使产物具有某一分子量区段的多种成分（有效组分或有效部位）。现代膜分离技术（如微滤、超滤）正是利用膜孔径大小特征将物质进行分离提纯，实现除去无效成分及杂质、保留有效成分的目的。,一、膜分离技术的主要用途, 药液澄清：除去微粒、细菌、大分子杂质（胶质鞣质、蛋白质、多糖）等，或脱色； 分离纯化：提取有效成分、有效部位、有效单体； 药液浓缩：除去药液中水分子或小分子，尤其适用于含有热敏成分药液的浓缩； 有机溶

29、剂回收：使萃取或其他分离过程所使用的有机溶剂能够循环利用，节约资源，保护环境。,二、膜分离技术原理,膜分离过程以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差等）时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离、提纯的目的。,（一）超滤过程（UF） 超滤是一种筛孔分离过程。在静压差为推动力的作用下，原料液中溶剂和小溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧；一般称为滤出液或透过液，而大粒子组分被膜所阻拦，使它们在滤剩液中浓度增大。,其操作静压差一般为0.10.5MPa，被分离组分的直径大约为0.010.1m，这相当于光学显微镜的分辨极限，一般为分子量大于5001000000的大分子

30、和胶体粒子。,超滤膜具有选择性表面层的主要因素是形成具有一定大小和形状的孔，聚合物的化学性质对膜的分离特性影响不大。UF同反渗透（RO）、纳滤（NF）、微滤（MF）一样，均属于压力驱动型膜分离技术。超滤主要用于从液相物质中分离大分子化合物(蛋白质，核酸聚合物，淀粉，天然胶，酶等)，胶体分散液(粘土，颜料，矿物料，乳液粒子，微生物)，乳液(润滑脂洗涤剂以及油水乳液)。 超滤对去除水中的微粒、胶体、细菌、热源和各种有机物有较好的效果，但它几乎不能截留无机离子。,（二） 微滤过程（MF） 微孔滤膜具有比较整齐、均匀的多孔结构，在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，比膜孔大的粒子则被阻拦在滤膜面上

31、，使大小不同的组分得以分离，其作用相当于“过滤”。 微滤主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红血球、污染物等以达到净化，分离和浓缩的目的。其操作压差为0.010.2MPa，被分离粒子直径的范围为0.0810m。,三、膜分离纯化操作方式,膜分离流程可以分为无流动操作、错流操作(液相)。（一） 无流动操作 原料液置于膜的上游，在压差推动下，溶剂和小于膜孔的颗粒透过膜，大于膜孔的粒子则被截留，该压差可通过原料液侧加压或透过压侧抽真空产生。随着时间的增长，被截留颗粒将在膜表面形成污染层，使过滤阻力增加，在操作压力不变的情况下，膜渗透流率随之下降。因此无流动操

32、作只能是间歇性的，必须周期性地停下来清除膜表面的污染层或更换膜。,无流动操作简便易行，适合实验室等小规模场合。对于固体含量低于0.1的料液通常采用这种形式；固含量在0.10.5的料液则需进行预处理；而对固含量高于0.5的料液通常采用错流操作。在微滤中经常采用这种操作方式。,（二）错流操作 在工业应用中更多的是选用错流操作，因为此种方式发生污染的趋势比无流动操作低。在错流操作中，原料以一定组成进入膜组件并平行流过膜表面，沿膜组件内不同位置，原料组成逐渐变化。原料流分为两股；渗透物流和截留物流，见图1011（b）。错流操作可以进一步分为并流、逆流、渗透物全混错流和完全混合4种方式，见图1012。一

33、般来讲，逆流效果最好，其次是错流和并流，完全混合时效果最差。,无流动操作系统优点是回收率高，原料全部通过膜，但过程通量衰减严重。而错流系统有利于控制污染，但回收率比无流动操作系统低得多。无流动/错流联合流程或半流动流程则可综合两者的优点。按过滤过程的连续性，操作方式又可分为间歇操作和连续操作。膜分离过程多采用连续操作，但当应用规模较小时也可以使用间歇操作。在膜分离中当单级过程不能达到所要求的纯度时，膜组件可以以串联或并联方式连在一起构成级，因此膜分离过程响应的有单级过程和多级过程。,四、中药膜分离技术的工艺设计,中药膜分离技术的工艺设计原则如下：（一） 膜分离过程的有效性与安全性研究1. 中药

34、实验体系先分别以不同孔径(分子截留量)、不同材质的膜处理，以相应指标性成分的转移率考察不同材质、不同孔径的膜对相关成分的适用性，及对提取物纯度的影响，并与常规水提工艺和水醇法比较。2. 分别以常规水提工艺、水醇法工艺和膜分离工艺制备样品，开展主要药效学和毒理学(安全性)的对比研究。,（二） 膜分离过程的稳定性与可控性研究 1.药液预处理方法的研究：根据上述研究结果选择适用膜，以膜通量大小和衰减速度等工艺参数为考察指标，研究高速离心和澄清剂等滤液预处理方法对上述实验体系和膜分离集成工艺的影响，确认合适的预处理方法。 2.膜分离工程的单元操作工艺条件优选研究：以膜通量和有效成分转移率为主要考核指标

35、，设计正交试验综合考察药液浓度、温度、流速及操作压力等工艺参数对膜过程的影响，确定最佳的膜分离工艺条件。,3.分离操作终点的判定：建立以膜通量大小、截留液中有效成分含量、药液收率等指标作为综合判定膜分离操作终点的方法。 4.膜污染控制方法：建立污染膜的清洗方法(膜清洗操作起点和终点的判定、清洗剂种类和用量、清洗时间和清洗效果的判定)。,五、膜分离工艺在中药分离纯化中的应用,植物药中的活性组分的含量往往很低，提取时常使用大量的有机溶剂，存在着提取过程复杂，提取率低且污染严重等问题，应用膜分离技术可望有效地解决。,香菇含有多种有效成分，尤其是它含有抗病毒、抗肿瘤、调节免疫功能和刺激干扰素形成等功能

36、的香菇多糖(lentinanedodes简称LNT)和能增强人体免疫力的水溶性木质素这两种药用生理活性物质，而引起人们的广泛重视。现有资料表明，人们多用水提醇析的提取工艺获取香菇多糖，这种工艺工序繁杂，不易得到粗品，且得糖率低，李志洲将香菇水浸提液通过离心、过滤等纯化过程，初步除去了提取液中微尘、粗纤维、胶质等大分子物质，再经过超滤，可将提取液分为两部分；滤液为不含蛋白、微尘、胶质等杂质的低聚多糖，而截留液为含香菇大分子多糖和蛋白的大分子浓缩液；将超滤透过液减压浓缩可得到香菇小分子多糖的粗品；将截留液用Savag法除去蛋白，醇析，可得大分子香菇多糖粗品。在此工艺中采用超滤膜分离技术，利用其分离

37、、浓缩作用，大大提高了产品得率，操作简单，能耗少，工序简捷，提取率高，产品多糖含量高，提取率为6.1%(其中大分子多糖为4.1%，小分子多糖2.0%)，粗多糖含量在90%以上。,六、膜分离技术的应用前景,膜分离技术中存在的最主要的问题是膜的污染，但随着料液预处理手段的不断改善，及适用于植物药特殊要求的膜分离装置的研究开发(如具有机械强度高、耐腐蚀和使用寿命长等优越性能的无机膜的研究开发)，为解决这些问题提供了有效的途径。随着植物药深加工工程研究的不断深入；新型膜分离技术如膜蒸馏、膜基萃取、膜基吸收、亲和膜分离、液膜分离等技术应用领域的逐渐广泛，膜分离技术的应用必将进入中药分离工程中，推动中药工

38、业的发展，为社会带来巨大的经济效益和社会效益。,超临界流体分离纯化工艺,超临界流体（SupercriticalFluid,简称SF或SCF）是指超临界温度（Tc）和临界压力（Pc）状态下的高密度流体。超临界流体具有气体和液体的双重特性，其粘度与气体相似，但扩散系数比液体大得多，其密度和液体相近。超临界流体对物质进行溶解和分离的过程就叫超临界流体萃取（SupercriticalFluidExtraction,简称SFE）。,一、超临界流体萃取技术特点,(1) 具有广泛的适应性。(2) 萃取效率高，过程易于调节。 超临界流体兼具气体和液体特性，因而超临界流体既有液体的溶解能力，又有气体良好的流动和

39、传递性能。并且在临界点附近，压力和温度的少量变化，有可能显著改变流体溶解能力，控制分离过程。(3) 分离工艺流程简单。 超临界萃取只由萃取器和分离器二部分组成，不需要溶剂回收设备，与传统分离工艺流程相比不但流程简化，而且节省消耗。(4) 分离过程有可能在接近室温下完成，特别适用于热敏性天然产物。(5) 必须在高压下操作，设备及工艺技术要求高，投资比较大。,二、超临界CO2流体特性,(1) CO2的临界温度接近于室温(31.1)，按超临界流体萃取过程中的通常萃取条件选择适宜的对比温度(Tr=1.01.4)区域可知，该操作温度范围适合于分离热敏性物质，可防止热敏性物质的氧化和逸散，使高沸点、低挥发

40、度、易热解的物质远在其沸点之下萃取出来。(2) CO2的临界压力(7.38MPa)处于中等压力，按超临界流体萃取过程中的通常萃取条件选 择的适宜的对比压力(Pr=16)区域，就目前工业水平其超临界状态一般易于达到。,(3) CO2具有无毒、无味、不燃、不腐蚀、价格便宜、易于精制、易于回收等优点。因而，SC-CO2萃取无溶剂残留问题，属于环境无害工艺。故SC-CO2萃取技术被广泛用于对药物、食品等天然产品的提取和纯化研究方面。(4) SC-CO2还具有抗氧化灭菌作用，有利于保证和提高天然物产品的质量。,(5) 超临界流体萃取应用于分析或与GC、IR、MS、LC等联用成为一种高效的分析手段。将其用

41、于中药质量分析，能客观地反映中药中有效成分的真实含量。 (6) 经药理、临床证明，超临界CO2提取中药，不仅工艺上优越，质量稳定且标准容易控制，其药理、临床效果能够保证或更好。,三、超临界CO2 流体的溶解性能,(1) 极性较低的碳氢化合物和类脂有机化合物，如酯、醚、内酯、环氧化合物等可在7-10Mpa较低压力范围内被萃取出来。(2) 引入极性基团（如-OH、-COOH），造成萃取的困难。对苯的衍生物，具有三个酚羟基或一个羧基和两个羟基的化合物仍然可以被萃取，但具有一个羧基和三个以上羟基的化合物是不可能被萃取的。(3) 更强的极性物质，如糖类、氨基酸类，则在40Mpa压力以下不可能被萃取出。,

42、四、超临界CO2萃取工艺过程,(一) 萃取的基本工艺流程1.被萃取原料装入萃取釜。 2.CO2气体经热交换器冷凝成液体，用加压泵把压力提到工艺过程所需要的压力（应该高于CO2的临界压力），同时调节温度，使其成为超临界CO2流体。 3.CO2流体作为溶剂从萃取釜底部进入，与被萃取物料充分接触，选择性溶解出所需要的化学成分。 4.含溶解萃取物的高压CO2流体经节流阀降压到低于CO2临界压力以下，进入分离釜（又称解析釜）。由于CO2溶解度急剧下降而析出溶质，自动分离成溶质和CO2气体二部分。,五、超临界CO2萃取过程中的影响因素,(一) 压力对收率的影响 在一定的温度下，压力增加，超临界CO2流体的

43、密度增加，溶质溶解度相应增大，液体的萃取能力随压力而增大，但对杂质的萃取量也随之增加。故萃取压力要适中 。(二) 萃取温度的影响 一方面，温度增加，密度减小，溶解度降低；另一方面，温度增加，加大了溶质相在超临界溶液中的饱和蒸汽压，提高了溶解度。,(三) 萃取时间 植物种子在萃取过程表现出的三个阶段：游离溶质的快速萃取阶段、表面和内部扩散的过渡阶段、内部扩散为主的缓慢萃取阶段。其中，第一阶段时间历程的长短，主要受到两个因素的制约：一是溶质在超临界CO2流体中的溶解度；二是固体颗粒尺寸的大小。 大部分油是在第一阶段萃取出来的，时间约为120150min。,(四) CO2流量的影响 一方面，当CO2

44、流量增加时，CO2的流速增大，但其与物料的接触时间减小，不利于萃取能力的提高。对溶质溶解度较小或溶质从原料基体中扩散出来的速度很慢的体系，采用过大的流量将意义不大。因为在这种情况下，溶质的溶解平衡还远没达到。另一方面，随着CO2流量的增加，传质推动力加大，传递系数增加，有利于萃取。特别是在一些溶质溶解度大，原料中溶质含量丰富的情况下(如对种子及果实的萃取)，适当加大流量能大大提高生产效率。,(五) 分级分离对萃取率的影响 一般说来，只有一级解析的情况，温度升高，溶解度下降，解析出来的东西多，即收率升高，纯度降低。但是如有两级解析，固定第级解析压力和温度分别为某值（由实验确定），则可使第级解析的

45、温度变化对总提取物收率影响不大，只是影响各级提取物的量和含量分布不同。,(六) 原料粒度的影响 颗粒越小，收率越高。尤其在1828目范围内，收率受颗粒度的影响非常明显。之后，变化趋势逐渐平缓。颗粒度增大，有利于提高传质效率，但同时也会增大传质阻力。故应综合考虑。(七) 装填量 一般而言，装填量减少，流体与固体颗粒接触面积增大，有利于传质。但通常为了充分利用高压空间，可选择较大的装填量。,(八) 夹带剂的影响 夹带剂的作用主要有两点：一是可大大增加被分离组分在超临界流体中的溶解度；二是在加入与溶质起特定作用的适宜夹带剂时，可使该溶质的选择性（或分离因子）大大提高。 夹带剂的选择应考虑三个方面，一

46、是在萃取段需要夹带剂与溶质的相互作用能改善溶质的溶解度和选择性；二是在溶剂分离段，夹带剂与超临界溶剂应能较易分离，同时夹带剂应与目标产物也能容易分离；三是在食品，医药工业中应用还考虑夹带剂的毒性等问题。,六、超临界CO2萃取技术工艺参数的优选,在明确了影响提取效果的各工艺参数后，需通过一定的试验方案设计，对各工艺参数的影响情况进行综合评价，从而筛选出最佳的工艺条件。常用的优选方法是正交试验或均匀设计等。,蒸馏分离纯化工艺,蒸馏是在气液两相逐级流动和接触时进行穿越界面的质量和热量传递，并实现混合物分离纯化的化工单元操作过程。 蒸馏技术在中药生产中的应用较广，主要体现在3个方面： 第一是对中药易挥

47、发油成分的提取及精制； 第二是热敏性药用成分的分离提纯； 第三是对中药生产过程中用于成分提取，产品洗涤，设备清洗的大量溶剂的回收。,（一） 蒸馏技术的基本原理 利用混合物中各组分的沸点不同而进行分离。液体物质的沸点越低，其挥发度就越大，因此将液体混合物沸腾并使其部分气化和部分冷凝时，挥发度较大的组分在气相中的浓度就比在液相中的浓度高，相应地难挥发组分在液相中的浓度高于在气相中的浓度，故将气，液两相分别收集，可达到轻重组分分离的目的。 蒸馏技术是利用物质挥发程度的差异实现液体混合物分离的一系列技术的总称。,（二） 单级蒸馏技术 1. 水蒸气蒸馏技术 绝大多数中药挥发油的提取都是通过水蒸气蒸馏得到

48、的。 2. 同时蒸馏萃取技术 将水蒸气蒸馏和有机溶剂萃取两个步骤合并，在同时蒸馏萃取仪上同时进行。 3. 分子蒸馏技术 是一种在高真空度下进行分离精制的连续蒸馏过程。,（三） 多级蒸馏技术 1. 水蒸气精馏 即有饱和水蒸气存在条件下的精馏。主要用于沸点差相近的挥发油组分间的分离。是基于两个互不相容的液相所具有的特殊蒸气压性质而实现的 。 2. 热敏物料分离的间歇精馏技术 主要体现在对中药生产过程获得的挥发油的分离及所用溶剂的回收。,（四） 蒸馏技术在天然活性物质的提取纯化中的应用实例1. 中药有效成分提取分离2. 天然植物芳香油的精制3. 天然色素的提取和精制4. 天然维生素的提纯5. 其它,思考题,1、水蒸气蒸馏分几种？各有何特点。2、超临界流体萃取装置由哪几部分组成？3、采用溶剂沉淀时，影响溶剂沉淀的操作条件有哪些？4、什么是盐析法？5、常用吸附剂及其特点。6、膜分离技术原理。7、超临界CO2萃取工艺基本流程。8、超临界CO2萃取过程中的影响因素。,