制药分离工程与设备-萃取分离法

www.themegallery.com
分配比(distribution ratio)：以各种化学形
式进行分配的不同溶质总浓度的比值。
CL CL1 CL2 CL3 CLn D K表 CR CR1 CR2 CR3 CRn
www.themegallery.com
第五章 制药分离工程与设备
5.1制药分离工程概述 5.1.1 背景 5.1.2制药分离工程简介 制药分离工程是利用中药化学、现代分离技术、工 程学原理对中药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方法。 原理：利用待分离物系中的有效活性成分与共存杂 质之间在物理、化学及生物学性质的差异进行分离。 任务：设计和优化分离过程，提高分离效率，降低 过程成本。
取的逆过程。
再生有机相 行萃液
www.themegallery.com
2.分配定律
能斯特分配定律：在一定温度、压力下，某一溶质 在互不相溶的两种溶剂间分配时，达到平衡后， 在两相中的活度（或浓度）之比为一常数。即：
K 称为分配系数
www.themegallery.com
应用分配定律时，须符合下列条件： ① 稀溶液； ② 溶质对溶剂的互溶度没有影响； ③ 溶质在两相中是同一分子形式。
料液 ｝ 稀释剂Ｂ
溶质Ａ
萃取液Ｓ＋Ａ(B)
溶剂Ｓ
萃余液Ｂ＋Ａ(s)
www.themegallery.com
1.萃取与反萃取 萃取——料液与萃取剂接触后，料液中的溶质向
萃取剂转移的过程。 料液 溶质 萃取剂 萃取液 萃余液
反萃取——萃取液与反萃取剂相接触，使某种被
萃入有机相的溶质转入水相的过程，可看作是萃
www.themegallery.com
一、双水相的形成
双水相形成原理：
由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物
分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不
能形成均一相。
www.themegallery.com
聚合物的不相溶性(incompatibility)：
当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，
由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与
第一节 溶剂萃取法
溶剂萃取法(solvent extraction)
广义的萃取包括：
液-固萃取
液-液萃取

液-液萃取：指用一种溶剂 将物质从另一种溶剂（如发 酵液）中提取出来的方法。
www.themegallery.com
溶剂萃取法优点： ① 可连续化，速度快，周期短；
② 对热敏物质破坏少；
③ 多级萃取时，溶质浓缩倍数大、纯化度高。
来自百度文库
3、分离因素(separation factor)
分离因素 ：在同一萃取体系内两种溶质在
同样条件下分配系数的比值。
CA1 / CB1 KA β CA 2 / CB 2 K B
www.themegallery.com
二、溶剂萃取法的基本原理
溶剂萃取的目的：设法使一种溶于液相的物 质转移至另一液相。
www.themegallery.com
发展历史
ATPE 技术始于 20 世纪 60 年代，1956 年瑞 典伦德大学的 Albertsson 发现双水相体系。
1979年德国国家生物技术中心（GBF）的 Kula 等人将双水相萃取分离技术应用于生物 产品分离。 国内自 20 世纪 80 年代起也开展了 ATPE 技 术研究。
混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分
子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到 平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。这种 含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物 的不相容性。
一般认为只要两聚合物水溶液的憎水程度有所差异，
混合时就会发生相分离。
www.themegallery.com
18 1 100 % 94 .7% 18 1
若改用1/3体积正丁醇萃取， 理论收率：
1/ 3 E 18 6 1
6 1 100 % 85.7% 6 1
www.themegallery.com
2、多级错流萃取
www.themegallery.com
www.themegallery.com
www.themegallery.com
双水相萃取过程
www.themegallery.com
ATBE的特点：
1、条件温和，不会引起生物活性物质失活或 变性(系统的含水量高，75-95%)；
2、分相时间短（5-15min) 3、容易放大，操作可连续化； 4、纯化倍数高，收率高 5、成本低 6、无有机溶剂残留问题
n 1
青霉素在0℃和pH2.5时的分配系数（醋酸丁
酯/水）为35，若用1/4体积的醋酸丁酯进行
二级逆流萃取，
则：
1/ 4 E 35 8.75 1
21
n2，理论收率
8.75 8.75 100% 98.84% 1 21 8.75 1
4、溶剂种类、用量及萃取方式
www.themegallery.com
二、影响双水相萃取的因素
1）成相高聚物的分子量 当聚合物的分子量降 低时，蛋白质易分配于富 含该聚合物的相。 主要由被分配物质的分子量 决定，对大分子物质影响较 大
www.themegallery.com
2）成相聚合物浓度——界面张力
成相高聚物浓度增加，两相界面张力也相 应增加。
www.themegallery.com
（2）、卧式离心萃取器
www.themegallery.com
（3）、逆流萃取倾析器
www.themegallery.com
倾析式离心机：可同时分离重液、轻液、固相
www.themegallery.com
www.themegallery.com
第三节 双水相萃取
有机溶剂萃取的不足：
1）蛋白质一般亲水性强，不溶于有机溶剂 ； 2）蛋白质在有机溶剂相中易变性失活。 溶液的分相不一定完全依赖于有机溶剂，在一 定条件下，水相也可以形成两相(即双水相系统)甚 至多相。
www.themegallery.com
双水相萃取技术(two-aqueous phase extraction，ATPE)，又称水溶液两相分配技 术：指不同的高分子溶液相互混合可产生两 相或多相系统，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，称 为双水相萃取法。
缺点：
有机溶剂使用量大，对设备和安全要求高，
需要各项防火防爆等措施。
www.themegallery.com
溶剂萃取的操作流程
溶质 冷凝器 水+ 溶质 溶剂+ 溶质 分离器 溶剂/溶质塔 汽提塔 蒸汽 溶剂
萃取器
热交换器
废水
废水 溶剂
液-液萃取过程图
www.themegallery.com
一、基本概念
F 料液
产物 萃余相R
www.themegallery.com
萃取因素E为
萃取相中溶质总量 C1VS VS 1 E K K 萃余相中溶质总量 C 2VF VF m
VF——料液体积；Vs——萃取剂的体
积；C1——溶质在萃取液的浓度；C2—— 溶质在萃余相的浓度；K——表观分配系 数； m——浓缩倍数
www.themegallery.com
5.1.3 制药分离设备 超临界流体分离设备、超声及微波辅助萃取分离 设备、色谱分离设备、吸附分离设备、膜分离设 备、固液分离设备、蒸馏分离设备以及结晶设备 等。
www.themegallery.com
5.2 萃取过程及设备
www.themegallery.com
2
3、多级逆流萃取
www.themegallery.com
www.themegallery.com
n级萃取后，萃余率为：
E 1 n 1 100 % E 1
理论收率为
E 1 E E 1 1 n 1 100% n 1 100% E 1 E 1
www.themegallery.com
E 44.5 1 22 .25
1 1 1 100 % 95.7% 22.25 1
若用1/2体积的醋酸丁酯进行二级错流萃取，则 1/ 4 理论收率 E1 E 2 44.5 11.125
1
11.125 1 1 100% 99.32% 1 11.125 111.125 1
萃余率：
1 n 100% E1 1E 2 1En 1
n
E 1
1
n
100%
理论收率：
E 1 1 100% 1 1 n 1 100% n n E 1 E 1
n
www.themegallery.com
红霉素在pH 9.8时的分配系数（醋酸丁酯/水） 为44.5，若用1/2体积的醋酸丁酯进行单级萃 1/ 2 取，则：理论收率
www.themegallery.com
萃余率： 萃余液中溶质总量 1 100% 100% 原始料液中溶质总量 E 1 理论收率：
1 E 1 1 100 % 100 % E 1 E 1
www.themegallery.com
例：洁霉素在20℃和pH10.0时表观分配系数 （丁醇/水） K=18。用等量的正丁醇萃取料液 中的洁霉素，计算可得理论收率
常用的双水相系统
高聚物（P） 聚丙二醇 聚乙二醇 甲基纤维素 乙基羟乙基纤维素 羟丙基葡聚糖 聚蔗糖 聚乙二醇 高聚物或低聚物（Q） 甲基聚丙二醇，聚乙二醇，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮， 羟丙基葡聚糖，葡聚糖 聚乙烯醇，葡聚糖，聚蔗糖 羟甲基葡聚糖，葡聚糖 葡聚糖 葡聚糖 葡聚糖 硫酸镁，硫酸铵，硫酸钠，甲酸钠，酒石酸钾钠
①分配系数愈大愈好， 未知则依据“相似相 溶”原则 ②分离因素大于1 ③料液与萃取溶剂的互溶度愈小愈好 ④毒性低 ⑤化学稳定性，腐蚀性，沸点，挥发性，价格， 来源，回收。
www.themegallery.com
低毒性：乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯、 乙酸丁酯 中等毒性：甲苯、甲醇、环己烷
强毒性：苯、三氯甲烷、二氧六环、四 氯化碳等 工业常用溶剂：乙酸乙酯、乙酸丁酯、 乙酸戊醋和丁醇等。
www.themegallery.com
正丁醇萃取洁霉素（溶剂用量与萃取方式）：
www.themegallery.com
第二节 萃取过程和溶剂回收
一、混合 1、搅拌罐 2、管式混合器
滞流、湍流
www.themegallery.com
3、喷嘴式混和器
4、气流搅拌混和罐
www.themegallery.com
影响弱电解质分配系数的因素： 热力学常数 表观分配系数
www.themegallery.com
三、萃取方法和理论收率的计算
工业萃取操作步骤：
混合 分离 溶剂回收
萃取过程
单级萃取
多级萃取
错流萃取
逆流萃取
www.themegallery.com
1、单级萃取
萃取剂 S
萃 取 器 分 离 萃取相L 器 回 收 器
www.themegallery.com
（1）、立式离心萃取器
由11个不同直径的同心圆筒组 成的转鼓,每个圆筒上均在 一端开孔,相邻筒开孔位置 上下错开, 料液和萃取剂上 下曲折流动 重液相由底部轴周围的套管进 入转鼓后,沿螺旋通道由内 向外流经各筒,最后由外筒 经溢流环到向心泵室被排出. 轻液由底部中心管进入转鼓,流 入第十圆筒,从下端进入螺 旋通道,由外向内流过各筒, 最后从第一筒经出口排出
二、液-液两相分离
离心机： 1.碟片式离心机 2.管式离心机
www.themegallery.com
三、离心萃取机
α -Laval ABE-216离心萃取机
www.themegallery.com
混合传质过程：轻重两相溶液按一定比例分别进入下部混 合室，从转鼓中心入口处由轮式搅拌浆和分散浆混合分散， 此时两相液体得到了充分混合，使溶质由一相液体中传递 到另一相液体中，从而完成了混合传质过程。 分离过程：混合液在下转鼓中由筋板带动很快与转鼓 同步回转，经环形挡流板借助上转鼓的离心吸力进入上转 鼓。在转鼓中由幅板继续带动混合液同步回转，在离心力 场下，两相互相分离，比重大的重相液体在向上流动过程 中逐步远离转鼓中心而靠向鼓壁；比重小的轻相液体逐步 远离鼓壁靠向中心。最终两相液体分别通过各自堰板进入 收集室内引管接出机外，完成两相分离过程。