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1、制药设备,萃取与离子交换设备,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。,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
2、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。,萃取与离子交换设备,萃取法的优点：传质速度快、生产周期短，便于连续操作、容易实现自动控制；分离效率高、生产能力大等一系列优点，所以应用相当普遍；能量消耗较少，设备投资费用不高；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。,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
3、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。,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
4、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。,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
5、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。,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。,第一节 固液萃取,二、浸出方法（一）溶剂提取法 1.
6、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23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。,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
7、，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。,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-
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,第一节 固液萃取,超临界流体(supercritical fluid，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。,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
9、，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,第一节 固液萃取,2.CO2SFE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，
10、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萃取釜分离分离回路；2）CO2萃取釜分离分离精馏柱回路；3）CO2萃取釜精馏柱分离分离 回路；4）CO2萃取釜分离 精馏柱离回路。,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
11、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。,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,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
12、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,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15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
13、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。,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,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
14、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,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1218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,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
15、。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,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。,1-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；
16、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,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510倍的适宜溶剂。开启提取罐和夹套的蒸汽阀，加热至沸腾2030mm后，用泵将13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
17、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。,第一节 固液萃取,热回流循环提取浓缩机优点：收膏率比多功能提取罐高1015，其含有效成分高1倍以上。浸出速度快，浓缩与浸出同步进行，整个浸出周期短，一般只需78h，设备利用率高。提取过程仅加1次溶剂，在一套密封设备内循环使用，药渣中的溶剂均能回收出来。故溶剂用量比多功能提取罐少30以上，消耗率可降低5070，更适于有机溶剂提取，提纯中药材中有效成分。由于浓缩的二次蒸汽作提取的热源，抽入浓缩器的浸出液与浓缩的温度相同，节
18、约50以上的蒸汽。设备占地小，节约能源与溶剂，故投资少，成本低。,第一节 固液萃取,(五)多功能提取罐 多功能提取罐是目前国内应用最广的密闭提取罐。适用于物料的常压、减压、水煎、温浸、热回流、强制循环、渗漉、挥发油提取及有机溶媒的回收等多种工艺操作。其一般流程见图6-8。有0.5m3.1m3.1.5m3.2m3.3m3.5m3.6m3 等规格。,第一节 固液萃取,图6-8 多功能提取流程示意图,第一节 固液萃取,1-提取级；2-除沫器；3-冷凝器；4-冷却器；5-油水分离器；6-过滤器；7-循环泵,图6-9 不同样式多功能提取罐,多功能提取罐常分为正锥式、斜锥式、直筒式和蘑菇式等四种样式，如图
19、6-9所示。,第一节 固液萃取,工作过程：多功能提取罐一般都安装在一个高台上，底部悬空；从罐体的上部加入待提取的物料及提取溶媒，夹层通蒸气间接加热或直接从底部通人蒸气加热提取；利用高度差，提取液从底部放出，经过滤后置于另罐储存或直接转至下一操作工序；罐底盖可以自动启闭，提取后余下的药渣借助机械力或压力排出。为了提高工作效率，减少能耗多功能提取罐往往都是与其他设备组成相应的机组来完成一系列的工艺操作。,第一节 固液萃取,图6-10 超声提取装置示意图,（六）超声提取设备,超声提取在中药制剂提取工艺中的应用，也越来越受到关注。超声提取设备也由实验室用逐步向中试和工业化发展，如图6-10所示。常见的
20、有清洗槽式超声提取装置，分为非直接超声提取装置（如图6-11）和直接超声提取装置（如图6-12）。,第一节 固液萃取,图6-11 非直接超声提取装置,图6-12探头式直接超声提取装置,第一节 固液萃取,非直接超声提取装置的锥形瓶底部距不锈钢槽底部的距离以及萃取液在锥形瓶中的高度都需仔细调整，因萃取液与萃取器之间声阻抗相差很大，声波反射极为严重，加以玻璃做萃取瓶，萃取液又是水，其反射率可高达70%。直接超声提取装置是采用变幅杆与换能器紧密相连，探头深入到萃取系统中，而探头是一种变幅杆，即一类使振幅放大的器件，并使能量集中。在探头端面声能密度很高，通常大于100Wcm2，根据需要还可以做得更大。功
21、率一般连续可调。,第二节 液液萃取,定义：液液萃取是利用混合物中各组分在某溶剂中的溶解度差异来分离混合物的一种单元操作。特点：它比化学沉淀法分离程度高，比离子交换法选择性好，传质快，比蒸溜法能耗低且生产能力大，周期短、便于连续操作和自动控制。分类：萃取法分溶剂萃取和双水相萃取等。适用范围：溶剂萃取一般用于小分子物质的提取双水相萃取常用于蛋白质等大分子物质的提取。,第二节 液液萃取,一、溶剂萃取（一）溶剂萃取的原理 1.三角形相图,一般萃取操作至少涉及三种物质，即待分离的两种物质和一种溶剂，讨论萃取操作的原理之前，首先介绍三元物系相平衡。三元物系中组分，若混合后均为液态，且混合时无化学反应发生，
22、也不生成加成物，则可以用三角形作图法表述其相平衡关系。如图 6-13所示。,图6-13溶剂萃取三角形相图,第二节 液液萃取,三角形的三个顶点分别表示三个纯组分。习惯上将上方的顶点表示纯溶质A，左下方顶点表示纯原溶剂B，而右下方顶点则表示纯萃取剂C。三角形的三边是以质量百分数标出的坐标，如果一个点落在三角形的一个边上表示与该边相对顶点的那个组分的组成为零，而该点相对于坐标两边的两个顶点的距离决定了这两个组分组成的大小，例如M点落在AB边上的40处，表示该点代表的组成是S0、A40和B60。由此可见代表一个三元组成的某个点，它的组分组成的大小取决于该点离开各个顶点(纯组分、含量100)距离的远近，
23、离某个顶点愈远则该组分的组成愈小。对于落在三角形内一点P，可过该点作三个边的平行线，它们与三个轴的交点到三个顶点之间的距离可用来确定各个组分的组成。,第二节 液液萃取,分配系数 定义：在一定温度下，任一组分不溶于不互溶的两项中，当两相达到平衡时，则组分在两相中以一定比例分配，其浓度之比在一定范围内保持不变。此值称为该组分在两相中的分配系数。可以用下式表示：,当K1，溶质富集于萃取相；Kl，溶质富集于萃余相；K1，在萃取相和萃余相中浓度相等。,第二节 液液萃取,分离因子（）：用来表示同时存在两种以上的溶质时，萃取剂对不同溶质分离能力的大小，以A、B两种溶质为例，即两种溶质在同一溶剂系统中分配系数
24、的比值。可以用下式表示：,（注：KAKB）,一般来说，当100，想达到基本分离只需要一次简单萃取；当10010，则需要萃取1012次才能达到分离；当1时，表示KA=KB，两种成分性质非常相似，无法利用此法进行分离。,第二节 液液萃取,2.萃取机制,1-萃取器；2-分离器图6-14 基本萃取流程,萃取操作中所用的溶剂称为萃取剂，以S表示。混合物中易溶于萃取剂的组分称为溶质，以A表示；而不溶或难溶的组分称为原溶剂或稀释剂，以B表示。将萃取剂加入需分离的混合物中，充分混合后沉淀分层，形成两相，其中含萃取剂较多的一相称为萃取相，以E 表示；而含原溶剂较多的一相则称为萃余相，以R表示。其基本萃取流程见图
25、6-14。,第二节 液液萃取,3.萃取的过程（1）混合过程 混合液和萃取溶剂充分接触，各组分发生了不同程度的相际转移，进行了质量传递。（2）澄清过程 分散的液滴凝集合并，形成的两相萃取相和萃余相由于密度差异而分层。（3）脱除溶剂操作 萃取相脱除溶剂得到萃取液，萃余相脱除溶剂得到萃余液，脱除溶剂操作常采用精馏操作。,第二节 液液萃取,（二）萃取的工艺流程 1.单级萃取 单级液液萃取器是多级萃取和微分萃取的基础。结合制药生产的特点，单级液液萃取器因为设备简单、易于操作等原因被广泛采用。图6-15为单级萃取流程示意图。,图6-15 单级萃取流程图,实验室萃取装置,第二节 液液萃取,2.多级错流萃取
26、单级接触式萃取所得萃余相中往往还含有较多的溶质，为了进一步萃取出其中溶质可用多级错流萃取，即将若干个单级萃取器串联使用，并在每一级中加入新鲜萃取剂，如图6-16所示。,图6-16多级错流萃取流程图,第二节 液液萃取,工作原理：原料液F由第一级引入，每一级均加入新鲜萃取剂S，由第一级所得的萃取混合物，经分离器分层后，所得萃余相R1引入第二个萃取器，在萃取器中萃余相R1与新鲜的萃取剂S相接触，再次进行萃取后进入第二分离器分层，所得萃余相R2可再引入第三级萃取器继续与新鲜萃取剂相继续进行萃取，如此直到所需第n级萃取器，使最后级引出的萃余相所含溶质降低到预定的生产要求。优点：多级错流萃取由于新鲜溶剂分
27、别加入各级，故推动力较大、萃取效果好。缺点：须加入较多溶剂、并消耗较多的能量以供溶剂再生。,第二节 液液萃取,3.多级逆流萃取 为改进多级错流萃取的缺点可采用多级逆流萃取，以合理使用溶剂，如图6-17所示。,图 6-17 多级逆流萃取流程图,第二节 液液萃取,工作原理：物料从一端进入通过各级，最后从末端排出，溶剂从末端进入，通过各萃取器，最后从首端排出。进入末级的萃余相Rn中的溶质A的浓度虽已很低但由于与新萃取剂接触，仍具有一定的推动力，故可续续进行萃取，使溶质A进一步降低。同时进入第一级的萃取相E2，虽然其中所含A的浓度已较高，但在第一级中与含溶质A最高的原料液F相接触，所以萃取相中溶质A的
28、浓度在第一级中还可以进一步提高。这种多级逆流接触式的操作效果好且所消耗的萃取剂量并不多，在工业上应用最为广泛。,第二节 液液萃取,（三）萃取在制药过程中应用范围 1.溶液中各组分沸点非常接近，各组分的相对挥发度接近于1，用蒸馏法分离需要很高的理论板数和大回流比。2.为从溶液得到溶质要从稀溶液蒸出大量溶剂或溶剂的汽化潜热很大，这两种情况下都要消耗大量的热量。3.溶质是热敏性物料。4.将药物产品、中间体与杂质用萃取的方法加以分离。5.将反应产物用溶剂萃取的原理转移至溶剂相。降低生成物在反应液相的浓度以有利于反应的顺利进行。,第二节 液液萃取,（四）溶剂萃取设备 1.常用萃取设备 主要包括混合设备和
29、分离设备。（1）混合设备 传统的混合设备是搅拌罐，利用搅拌将料液和萃取剂相混和。其缺点为间歇操作，停留时间较长，传质效率较低。但由于其装置简单，操作方便，仍广泛应用于工业中，较新的混合设备有下列三种。,第二节 液液萃取,图6-18 喷嘴式混合器示意图,管式混合器 它的工作原理主要是使液体在一定流速下在管道中形成湍流状态，见图6-18。所谓滞流是指在同一截面上的不同点的流体的流动方向是相互平行的；而在湍流时，各点的运动方向是不规则的，易于达到混合。般来说，管道萃取的效率比搅拌罐萃取来得高，且为连续操作。,第二节 液液萃取,6-19 三种喷射式混合器示意图,喷嘴式混合器 利用工作流体在一定压力下经
30、过喷嘴以高速度射出，当流体流至喷嘴时速度增大，压力降低产生真空，这样就将第二种液体吸入达到混合目的。常见的喷射式混合器有三种，如图所示。优点是体积小，结构简单，使用方便。但由于其产生的压力差小，功率低，还会使液体稀释等缺点，所以在应用方面受到一定限制。,第二节 液液萃取,气流搅拌混合罐 气流搅拌混合罐是将空气通入液体介质，借鼓泡作用发生搅拌。这是搅拌方法中简单的一种，特别适用于化学腐蚀性强的液体，但不适于搅拌挥发性强的液体。,第二节 液液萃取,（2）分离设备碟式分离机 此类离心机适用于分离乳浊液或含少量固体的乳浊液。其结构大体可分为三部分：第一部分是机械传动部分；第二部分是由转鼓碟片架、碟片分
31、液盖和碟片组成的分离部分；第三部分是输送部分，在机内起输送已分离好的两种液体的作用，由向心泵等组成。以OEP10006离心机为例，如图6-20所示。,图6-20 碟式分离机示意图,第二节 液液萃取,工作原理：欲分离的料液自碟片架顶加入，进入转鼓后，因离心力之故，料液便经过碟片架底部之通道流向外围，固体渣子被甩向鼓壁。转鼓内有一叠碗盖形金属片，每片上各有二排孔，它们至中心的距离不等，这样将碟片叠起来时便形成二个通道。因离心作用，液体分流于各相邻二碟片之间的空隙中，而且在每一层空隙中，轻液流向中心，重液流向鼓壁，于是轻重液分开，最后分别借向心泵输出。底部碟片和其他碟片不同，只有一排孔。但底片有两种
32、，区别在于孔的位置不同，分别和其他碟片上二排孔的位置相对应。应按轻重液的比例不同而选用不同的底片。,第二节 液液萃取,管式分离机 分离因数可达1500065000。适用于含固量低于1%、固相粒度小于5、黏度较大的悬浮液澄清，或用于轻液相与重液相密度差小、分散性很高的乳浊液及液-液-固三相混合物的分离。以国产GF105超速离心机为例，如图6-21所示。,1-平皮带；2-皮带轮；3-主轴；4-液体收集器；5-转鼓；6-三叶板；7-制动器；8-转鼓下轴承,图6-21 管式分离机示意图,第二节 液液萃取,工作原理：料液由底部进入转鼓内，筒内有沿辐射方向排列的三角档板，可以带动液体与转筒以同速度旋转。在
33、离心力作用下，料液分层，重液在外，轻液在内。重液沿筒壁和档板的外侧向上流动，经出口流出。轻液沿三角档板的中心内侧由另一出口流出。由液体中分离出的固体物则附着于筒壁，经一定时间后停车清洗。管式分离机的结构简单、体积小、运转可靠、操作维修方便，但是单机生产能力较小，需停车消除转鼓内的沉渣。,第二节 液液萃取,三相倾析式离心机 三相倾析式离心机可同时分离重液、轻液及固体三相，图6-22所示。由圆柱-圆锥形转鼓、螺旋输送器、驱动装置、进料系统等组成。该机在螺旋转子柱的两端分别设有调节环和分离盘，以调节轻、重液相界面，轻液相出口处配有向心泵，在泵的压力作用下，将轻液排出。进料系统上设有中心套管式复合进料
34、口，中心管和外套管出口端分别设有轻液相分布器和重液相布料孔，其位置是可调的。把转鼓栓端分为重液相澄清区、逆流萃取区和轻液相澄清区。操作时，料液从重液相进料管进人转鼓的逆流萃取区后受到离心力场的作用，与中心管进入的轻液相(萃取剂)接触，迅速完成相之间的物质转移和液-液-固分离。固体渣子沉积于转鼓内壁，借助于螺旋转子缓慢推向转鼓锥端，并连续地排出转鼓。而萃取液则由转鼓柱端经调节环进人向心泵室，借助向心泵的压力排出。,第二节 液液萃取,1-V带；2-差速变动装置；3-转鼓皮带轮；4-轴承；5-外壳；6-分离盘；7-螺旋输送器；8-轻相分布器；9-转鼓；10调节环；11转鼓主轴承；12-向心泵；A-干
35、燥段；B-澄清段；C-分离段；D-入口；E-排渣口；F-调节盘；G-调节管；H-重液；K-轻液 图 6-22 三相倾析式离心机结构图,第二节 液液萃取,萃取塔 液液萃取过程中也广泛使用塔设备：填料培、转盘塔、振动筛板塔、脉冲筛板塔等。在这类设备中原溶液和萃取剂逆流流动，并在连续逆流过程中进行萃取，而两相的分离是在塔顶和塔底实现的。,第二节 液液萃取,2.溶剂萃取设备的选择停留时间 对萃取中易分解破坏的物系如抗生素类，应首先选取停留时间短的萃取设备，如离心萃取机。萃取级数 对于多级萃取，应选择适应多级萃取的混合一澄清器、转盘塔等。物系的物理性质 界面张力大、密度差小、粘度较大的物系，需采用有外加
36、能量的萃取设备。反之则应选用无外加能量的萃取设备。生产能力 填料塔、脉动塔适合于中、小处理量。离心萃取机、转盘塔、筛板塔等可适合大、中处理量。物系的其它性质 对于强腐蚀性物系，宜选取结构简单、易于采取防腐蚀措施的填料塔、脉动塔等。,第二节 液液萃取,二、双水相萃取法含义：双水相萃取法是利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法。原理：与水-有机相萃取的原理相似，也是依据物质在两相间的选择性分配，但萃取体系的性质不同。优点：是可以直接从细胞破碎浆液中萃取如蛋白质等物质，而不须将细胞碎片分离，一步操作可达到固液分离和纯化两个目的。,第二节 液液萃取,（一）双水相萃取的形成 将两种不
37、同的水溶性聚合物的水溶液混合时，当聚合物浓度达到一定值，体系会自然地分成互不相溶的两相，这就是双水相体系。主要原因是由于高聚物之间的不相溶性，如空间阻碍作用，使其相互无法渗透，不能形成均一相，从而产生分离倾向，在一定条件下即可分为两相。在聚合物-盐或聚合物-聚合物系统混合时，会出现两个不相混溶的水相。典型的例子如在水溶液中的聚乙二醇（PEG）和葡聚糖，当各种溶质均为低浓度时，可以得到单相匀质液体，但是，当溶质的浓度增加时，溶液会变得浑浊，在静止的条件下，会形成两相，实际上是其中两个不相混溶的液相达到平衡，在这种系统中，上层富集了PEG，而下层富集了葡聚糖。,第二节 液液萃取,（二）双水相萃取的
38、特点 双水相萃取技术是一种新兴的分离技术，在生物化学、细胞生物学和生物化工等领域得以应用，表现出其特有的“绿色工艺”和绿色技术，具体表现在如下几个方面：1.含水量高（75%90%）；2.分相时间短，自然分相时间一般为510min；3.目标产物的分配系数一般大于3；4.界面张力小（10-710-4mN/m）；5.不存在残留有机溶剂问题或有机溶剂对生物活性物质的毒化作用；6.大量杂质能和所有的固体物质一同除去；7.易于工程放大与连续操作。,第二节 液液萃取,（三）影响分配平衡的因素1.聚合物分子量 不同聚合物，其水相系统显示不同的疏水性。2.盐的离子 由于盐的正负离子在两相间的分配系数不同，两相形
39、成了电势差，影响带电生物活性物质的分配。3.温度 温度影响相图，在临界点附近尤其明显，因而也影响分配系数，当离临界点较远时，这种影响较小。4.pH值 pH值会影响蛋白质中可以离解基团的溶解度，因而改变蛋白质所带电荷和分配系数。5.聚合物浓度 组分在双水相体系的临界点浓度是均匀分散在两相，分配系数为1，随着成相聚合物总浓度或聚合物/盐的混合物总浓度增加，组分在两相中分配系数偏离1，富集在不同相中达到萃取的目的。,第二节 液液萃取,（四）双水相体系和工艺流程1.双水相体系双水相体系的形成是两种天然或合成的亲水性聚合物水溶液相互混合，由于较强的斥力或空间位阻，相互之间无法渗透，在一定条件下，即可形成
40、双水相体系。亲水性聚合物水溶液和一些无机盐溶液相混时，也会因盐析作用而形成双水相体系。除聚合物、无机盐外，能形成双水相体系的物质还有高分子电解质、低分子化合物。经药理检验聚乙二醇/葡聚糖和聚乙二醇/磷酸盐所形成的双水相体系是无毒的，并有良好的可调性，因此在医药工业中较常用。,第二节 液液萃取,表6-1 部分双水相萃取体系,第二节 液液萃取,2.双水相萃取体系流程双水相萃取工艺流程主要由三部分构成：目的产物的萃取PEG的循环;无机盐的循环.其原则流程见图6-23。,图6-23 双水相萃取流程图,第二节 液液萃取,（1）目的产物的萃取 细胞悬浮液经球磨机破碎细胞后，与PEG和无机盐或葡聚糖在萃取器
41、中混合，然后进入离心机分相。通过选择合适的双水相组成，一般使目标蛋白质分配到上相（PEG相），而细胞碎片、核酸、多糖和杂蛋白等分配到下相（富盐相）。（2）PEG的循环 在大规模双水相萃取过程中，PEG一般回收和循环使用，这样可以减少废水处理的费用，而且还节约化学试剂，降低成本。（3）无机盐的循环 工业上一般先用超滤等方法浓缩发酵液，再用双水相萃取酶和蛋白质，这样能提高对生物活性物质的萃取效率。最后，用色谱等技术进一步纯化以得到产品。,第二节 液液萃取,（五）双水相萃取技术在医药工业中的应用 双水相萃取技术在医药工业中的应用目前主要集中在三个方面：1.提取经生物转化的基因工程药物和抗生素；2.从
42、动植物组织中提取生化药物；3.从天然植物中提取药用有效成分。,第二节 液液萃取,离子交换树脂是种带有可交换离子(阳离子或阴离子)的不溶性高分子聚合物。离子交换树脂的结构由三部分组成：惰性高分子骨架、连接在骨架上的固定基团及可以电离的离子。见图6-24。,图6-24离子交换树脂示意图,按骨架不同，离子交换树脂可分为加聚型与缩聚型两类。前者有聚苯乙烯类与丙烯酸类等，后者有酚醛类。在惰性骨架中引入交换基团后，便成为具有离子交换功能的树脂。,离子交换设备,一、离子交换树脂的分类及原理（一）阳离子交换树脂 阳离子交换树脂是一类骨架上结合有磺酸和羧酸等酸性功能基团，可与阳离子进行交换的聚合物。可分为强酸性
43、和弱酸性两大类：1.强酸性树脂 具有-SO3H、-PO3H2.-HPO2Na、-AsO3H2等功能基的树脂极易电离，其酸性相当于盐酸或硫酸，可在酸性、中性和碱性条件下与水溶液中的阳离子进行交换。对于H型阳离子交换树脂，离子交换方程式为：RSO3HNaCl RSO3NaHCl 对于盐基型阳离子交换树脂，离子交换方程式为 2R-SO3NaMgCl2(R-SO3)2Mg2NaCl,第三节 离子交换设备,2.弱酸性树脂 具有羧基COOH或酚羟基等功能基的树脂不易电离，其酸性相当于有机弱酸，故属弱酸性阳离子交换树脂。H型弱酸性阳离子交换树脂在使用前常用NaOH或NaHCO3溶液中和：RCOOHNaHCO
44、3 RCOONaH2OCO2一般情况下，弱酸性阳离子交换树脂可用HCl等强酸进行再生，在强酸的作用下很容易地转变为H型树脂。弱酸性阳离子交换树脂只能在中性或碱性溶液中使用，其交换容量取决于外部溶液的pH值。弱酸性阳离子树脂对Cu2+、Co2+、Ni2+等离子具有较大的亲和力，因而常用来处理含有微量重金属离子的污水。,第三节 离子交换设备,（二）阴离子交换树脂 阴离子交换树脂是一类骨架上带有季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基等碱性功能基，按功能基碱性强弱程度的不同，可分为强碱性和弱碱性两大类。1.强碱性树脂 以季胺基为交换基团的树脂具属强碱性阴离子交换树脂。对于强碱性阴离子交换树脂，若氮上带有三个甲
45、基的季胺结构(N(CH3)3Cl)，则称为I型树脂；若氮上带有两个甲基和一个羟乙基(CH3)2NCH2CH2OH，则称为型树脂。2.弱碱性树脂 具有伯胺基(NH2)、仲胺基(NH)和叔胺基(N)等功能基的树脂碱性较弱，故属弱碱性阴离子交换树脂。,第三节 离子交换设备,二、离子交换树脂的基本性能 含水量 将树脂在105110干燥至桓重测定其含水量。真密度与视密度 不包含颗粒之间与颗粒内部空隙体积的是真密度，包含有颗粒间与颗粒内部空隙体积的是视密度。交联度溶胀变化 干树脂浸泡在水中时体积发生膨胀，通常按干树脂吸取水的百分率来表示这种体积的变化值。交换容量 按每克干树脂所能交换的mmol一价离子数表
46、示，水处理计算中则以CaCO3或CaO来表示。滴定曲线,第三节 离子交换设备,交换机理,几类树脂性能的比较,离子交换树脂的理化性能,颗粒度：大多数为球形，直径0.21.2mm；交换容量：表示方法有质量交换容量(mmol/g树脂)和体积交换容量(mmol/mL树脂)；此外还有工作交换容量和再生交换容量；机械强度 膨胀度 含水量及密度：含水量一般是0.30.7g/g干树脂)；湿堆积密度和湿真密度一般为600850kg/m2和11001400kg/m2；孔结构,离子交换机理及选择性,离子交换机理,B+,A+,薄膜,离子交换过程包括5步：1.A+自溶液扩散到树脂表面；2.A+从树脂表面扩散到树脂内部的
47、活性中心；3.A+在活性中心发生交换反应；4.解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面；5.B+从树脂表面扩散到溶液；,Sampleapplicationand wash,Elution,Equilibration,Regeneration,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,离子交换机理及选择性,离子交换机理,离子交换机理及选择性,离子交换过程的选择性 离子的水化半径 离子的化合价 溶液的酸碱度 交联度、膨胀度和分子筛 树脂与交换离子之间的辅助力 有机溶剂的影响,离子交换装置及再生,离子交换装置,离子交换装置及再生,再生方式,离子交换装置及再生,再生方式,离子交换装
48、置及再生,再生操作,交换,动画演示,离子交换装置及再生,再生操作,混合床再生的操作过程,具有多孔支持板的离子交换罐,圆筒体的高径比一般为23，树脂层高度约为圆筒高度的50 70。,1-视镜 2-进料口 3-手口4-液体分布器 5-树脂层6-多孔板 7-尼龙层 8-出液口,具有块石支持层的离子交换罐,1-进料口 2-视镜 3-液位计4-树脂层 5-卵石层 6-出液口,被交换溶液进口,淋洗水、解吸液及再生剂进口,废液出口,分布器,分布器,淋洗水、解吸液及再生剂出口，反洗水进口,反吸附离子交换罐,扩口式离子交换器,混合床交换罐制备无盐水的流程,筛板式连续离子交换设备,漩涡式连续离子交换设备,第三节
49、离子交换设备,三、离子交换树脂和操作条件的选择1.选择合适的树脂是应用离子交换法的关键。一般来说，对强碱性产物宜选用弱酸性树脂，对弱碱性产物宜选用强酸性树脂；弱酸性产物宜用强碱性树脂，强酸性产物宜用弱碱性树脂。选择交联度的原则是：在不影响交换容量的条件下，尽量提高交联度。2.应注意选择合适的操作条件，最重要的操作条件是交换时溶液的pH值。3.洗脱条件总的选择原则是：尽量使溶液中被洗脱离子的浓度降低。,第三节 离子交换设备,四、离子交换树脂的预处理和再生 离子交换树脂的预处理是指树脂正式进入工作状态之前进行的水洗、酸洗、碱洗。再生则是指在树脂进行了离子交换(或吸附)洗脱后进行的水洗、酸洗、碱洗。
50、以阳离子交换树脂为例，预处理的流程为：,H型：水洗膨胀装柱酸洗水洗酸洗水洗酸洗水洗 Na型：水洗膨胀装柱碱洗水洗酸洗水洗碱洗水洗,第三节 离子交换设备,五、离子交换设备（一）固定床设备是应用得最多的离子交换设备，具有设备结构简单、操作管理方便、树脂磨损少等优点，同时存在设备管线复杂、阀门多、树脂利用率相对较低等弊端。离子交换器可用不锈钢、硬塑料制作，常常用有衬里的碳钢制造，管道、阀门一般均用塑料制成。固定床离子交换器的再生方式分成顺流与逆流两种。逆流再生有较好的效果，再生剂用量可减少；但易发生树脂层的上浮。,第三节 离子交换设备,将阳、阴两种树脂混合起来，则制成混合离子交换设备，可用于抗生素等
