课件：中药制药工程学工程篇提取.ppt

第四章 中药提取过程及设备,中药制药的首要单元操作,同学们想一想药店里的各种剂型中成药是经过哪些制药过程生产出来？,中药饮片,4.1 绪论,中药提取过程定义 利用溶剂、仪器及设备的手段将天然物质中所含有的生理活性物质、有效成分及有效部位群提取出来的工艺过程。,固相 （中药饮片）,液相 （提取溶剂）,溶质,浸取或固-液萃取技术具有广泛的应用： 如：湿法冶金工业（用NaCN溶液浸取矿石来分离提取金？） 食品工业（食用油的提取，用水提取甜菜制糖）,中药提取原理： 将中药材中（细胞）的有效成分（绝大部分为植物细胞的次生代谢产物），通过浸润、溶解、扩散的过程，将其从细胞壁一侧的原生质中转至细胞另一侧提取溶剂中。,细胞是构成中药材的基本单元，为了使固体原药材中的有效成分被快速充分地从细胞中提取出来： 中药材需经过预处理加工成中药饮片：如切片、粉碎、研磨或加工成型 中药材颗粒大小对提取过程的影响： 饮片颗粒小，增大与溶剂的接触面积，有利于提高提取速率； 增加操作费用； 增加液-固分离的难度。 选择合适的药材粒度成为提取工艺的关键工业中饮片的加工。,中药材所含的有效成分可分为： 有效成分、辅助成分、无效成分、组织物 根据应用场合不同，制药工业中的提取操作主要有：浸渍、煎煮、渗漉、浸煮、回流提取和循环提取等，还有超临界CO2流体萃取，微波辅助提取等高新技术。,4.2 中药材的提取机理,根据来源将中药材分为：植物、动物、矿物性药材。,4.2.1 矿物性药材的提取过程,4.2.2 动物性药材的提取过程,矿物性药材成分相对简单，主要是无机盐或离子化合物。无细胞结构，有效成分可直接溶解或悬浮于溶剂中。,动物性药材的有效成分主要是蛋白质、激素、酶等。主要存在于细胞中，为了提取完全，应尽量破坏细胞膜。如肉类药材绞碎、绞细。,4.2.3 植物性药材的提取过程,1. 湿润、渗透阶段 2. 解吸、溶解阶段 3. 扩散、置换阶段 4. 提取速率,4.3 提取（浸取）过程的相平衡,4.3.1 直接三角坐标,A：溶质 B：载体 S：溶剂,中药材提取时分为三类物质：,4.4 提取（浸取）过程的计算方法,4.4.1 提取的理论级和平衡,基本概念： 溢流（提取液）：固体药材与溶剂混合一定时间后分离出的溶液相。 底流（提余相）：固体药材与溶剂混合，分离后固体药材里含有的液相。 平衡级：提取液浓度与底流液的浓度相等。 理论级：离开该级的提取液浓度与底流液的浓度相等。 实际过程中达不到 三种基本的提取操作流程： 单级提取 多级错流提取 多级逆流提取,（1）单级提取,4.4.2 提取过程设计计算方法,物料衡算：,（2）多级错流萃取,（3）多级逆流萃取,4.5 提取（浸取）过程的影响因素,影响因素主要有： 溶剂的性质、药材的性质、提取温度、提取压力、溶液浓度差、固-液两相的相对运动速度。,溶剂的选择 选择原则： （1）对中药材中的有效成分有较好的选择性和较大的溶解度； （2）溶剂的沸点低，粘度小； （3）安全无毒，价廉易得； （4）不与有效成分反应。,提取溶剂主要有：水和有机溶剂 亲水性有机溶剂：与水互溶，如乙醇、甲醇、丙酮等； 亲脂性有机溶剂：与水不溶，如石油醚、乙醚、氯仿、二氯甲烷、乙酸乙酯、苯等。 1）中药提取的常用溶剂 （1）水：经济易得，极性大且溶解范围广。 优点：能够提取生物碱的盐类、苷类、有机酸盐、苦味质、蛋白质、糖及多糖类、树胶、果胶、淀粉以及酶和少量挥发油。 缺点：选择性差；提取液易霉变，不易贮存；某些有效成分易于水解。,（2）乙醇： 能提取：生物碱的盐类、苷类、小分子脂肪酸、鞣质； 而蛋白质、树胶、果胶、淀粉不能溶于乙醇中。 优点： i. 提取时间短、溶出杂质少； ii. 用量小，而且大部分可回收再用； iii. 提取液不易霉变； iv. 毒性小、价廉、来源方便。 缺点： 易燃易爆。,（3）丙酮、乙醚、石油醚、氯仿 脂溶性物质的提取剂，但是价格高，有毒性，一般用于有效成分的提纯。 2）提取辅助剂： 定义：特意加入提取溶剂中的某种特定助剂，以增加提取效能、增加被提取成分的溶解度、增加中药制品的稳定性以及除去或减少提取过程中的某些杂质。 （1）酸：盐酸、硫酸、冰醋酸、酒石酸 生物碱或有机酸的提取,（2）碱：氨水、石灰水 （3）表面活性剂 提高提取剂的提取效果，根据被提取中药材中有效成分的种类和提取方法进行选择。 阳离子表面活性剂：有助于生物碱的提取 阴离子表面活性剂：使生物碱沉淀 （4）甘油 是鞣质的良好溶剂，有稳定鞣质的作用； 但是粘度大，提取时与水或乙醇一起使用。,2. 提取温度 温度高：溶解度大，传质速度快，破坏酶，有利于提取和制剂的稳定性。热敏性物质容易被破坏。 3. 提取压力 提高压力有利于加快浸润过程，不一定提高可溶性成分的扩散速度。 4. 提取时间 提取时间长有利于提取，但是达到扩散平衡后，提取过程完成。 时间太长，杂质也容易溶出，影响提取液的质量，而且有效成分易被酶分解。 5. 药材的粒度与表面积,4.6 中药提取方法及提取过程的强化,中药提取的常用方法： 浸渍法、煎煮法、渗漉法、水蒸气蒸馏法、连续回流提取法。 1）浸渍法 常用溶剂：乙醇 温度：通常在室温下 适用于：遇热易分解及含大量淀粉、树胶、果胶的中药材和新鲜及易于膨 胀或糊化的药材。 （1）传统的浸渍法 药酒、酊剂的制备常用这种方法。,操作方法： 在室温或适当加温条件下进行，浸渍时间不等，常温浸渍可长达数月，过滤即得。 （2）中国药典法 取适当粉碎的中药材，置于有盖的容器中，再加入规定量的溶剂后密闭盖、搅拌或振摇，浸渍35小时或按规定时间，使有效成分提出，倾出上清液，过滤、压榨药渣、收集压榨液并和滤液合并，静置72小时，再过滤即得。,2）煎煮法: 将预处理过的药材，加812倍（质量比）的水再加热煮沸，使药材中的有效成分充分提取出，这样煎煮23次，收集各次的煎出液，并沉淀或过滤，分离出残存药渣和其他固体杂质，蒸发浓缩至规定浓度制剂。 提取溶剂：水 适用于：有效成分能溶于水，并对热稳定的药材 提取设备： 传统提取设备：砂锅、铜锅、铜罐、木桶等 现代提取设备：敞口倾斜式夹层锅与多功能中药提取罐。,3）渗漉法： 采用动态浸出有效成分的提取工艺，提取过程中不断地往药材粗粉中添加新鲜溶剂使其渗过药材粉，并在设备的下端出口收集流出液。 优点： 传质推动力大 省去了固-液分离操作和分离时间,4）回流提取和连续回流提取： 回流提取：用有机溶剂加热提取 茶叶中提取咖啡因 连续回流提取：索氏提取器提取 优点：提取效率高，所用溶剂量小。,5）水蒸气蒸馏法： 应用条件： 沸点在100C以上； 与水不互溶或仅微溶； 在100C时有一定的饱和蒸汽压。 如：中药中的挥发油。,6）连续逆流提取 多罐组合式逆流提取工艺,优点：提取速度快、有效成分提取充分、提取收率高、溶剂耗量少、药液浓度高、减少了蒸发浓缩等后续处理艺、滚筒内药材颗粒移动速度可调节，从而可根据药材特点调节提取时间的长短、药材在温和的动态环境下进行提取，加热温度较低、有效成分破坏较少，使药液中杂质含量少，属于连续式生产，处理能力大。,4.6 中药提取过程的强化方法,借助于外力来强化提取过程，如加大提取过程的平均浓度差。 1. 流化床强化提取,2. 挤压强化提取 先浸润后挤压，进行多次操作。 3. 超声波强化提取 特点： （1）不需加热，节省能源；适用于热敏性成分的提取； （2）提高有效成分的提取率； （3）溶剂用量少； （4）提取过程无化学反应发生，不影响有效成分的生理活性； （5）提取物中的有效成分含量高，有利于进一步精制和提纯。,4. 微波辅助提取 5. 生物酶解提取,4.7 提取过程的设备,1. 传统的中药提取设备：,2. 多功能中药提取罐,多功能提取罐的特点： 能进行常温常压提取、高温高压提取、真空低温提取、使用不同溶剂的提取、具有传统煎煮工艺。,多功能中药提取罐根据结构特点分为： 正锥式多功能提取罐 斜锥式多功能提取罐 直筒式多功能提取罐 带搅拌的多功能提取罐 全倒锥多功能提取罐 蘑菇式内压渣多功能提取罐,第五章 中药提取技术,超临界流体提取技术 微波辅助提取技术,5.1.1 绪论,5.1 超临界流体提取技术,为什么我们经常听说用超临界二氧化碳？ 你们听说过超临界水吗？,什么叫超临界流体？,定义：当物质所处的温度T大于其固有的临界温度Tc，且同时压力P大于其固有的临界压力Pc时，该物质即处于超临界状态。在此状态下，物质的气态和液态相界消失，故称为超临界状态。 超临界流体的相图：以CO2为例,超临界流体的特点： 是一种可压缩的高密度流体，是通常所说的气、液、固以外的第四态； 分子间力很小，类似气体； 它的密度可以很大，接近液体，所以这是一个气液不分的状态，没有相界面，也就没有相际效应，有助于提高萃取效率和大幅度节能。,5.1.2 超临界C02萃取技术的基本原理,1. 超临界C02的特点： C02的超临界温度Tc31， 超临界压力Pc7 .13MPa 处于超临界状态的C02即具有选择溶解其它物质的能力。通过调整适当的温度和压力可选择性地萃取物质。然后再经减压、升温或吸附，使溶解在超临界CO2中的被萃取物与CO2分离，从而达到分离和提纯的目的。,2. CO2的物质特点： CO2与通常采用的超临界流体物质（如N2、N20、CH4、C2H4、水等）相比，有如下特点： CO2来源广，价格低廉。从合成氨工厂和发酵工业装置中可以很方便地得到CO2 ，因此CO2具有原料优势 CO2 不燃烧，不助燃，故使用操作安全。 CO2无毒，易挥发，不会残留，因而可满足人们对安全卫生的要求。 CO2对设备无腐蚀性，可降低设备维护维修费用，延长设备寿命。 CO2的临界温度低，接近常温，使整个工艺节能，同时可满足对热敏性物质保护提取的要求。 由于上述特点， CO2是目前使用最多，应用最广泛的超临界流体。,3、超临界C02的萃取特性,(1)溶解特性 超临界C02是一种非极性流体，符合相似相溶的原理。其溶解力随物质极性的减弱而增大，随物质分子量的增大而减弱。 一般地表现为， 1）对分子量小，极性弱的物质易溶解， 2）对分子量较大，极性较强的物质难溶解， 3）对分子量高，强极性的物质，如氨基酸、蛋白质、糖和无机盐等则不溶解。 在实际应用中，有时根据需要向超临界C02中加入助溶剂，来调整其溶解力。,(2) 溶解力与P、T的关系 超临界CO2的溶解力受P和T的影响较大。压力P增加，超临界C02的密度增加，溶解力也相应增加，其实验的结果也是如此。 以超临界CO2 萃取沙棘油为例， 1) T39，P15MPa时，油的收率为88.0， 同样温度下，增加压力P25MPa时，油的收率增加到90.7。 但一般当压力在40MPa时，超临界CO2的溶解力就达到了实际所能获得的最高限。,因为若再升高压力，萃取收率的提高，相对于为获得及保持这样高的压力所增的投资和操作费用来说就不经济了。 温度T升高，一般情况下CO2的溶解力有所增加，且较压力影响明显。 仍以超临界CO2 萃取沙棘油为例。 F30MPa，T32时，沙棘油的收率为90.1%， 当温度升高T40，油的收率提高到92.1但温度的升高受到对所萃取物质热敏性要求的限制。,(3) 助溶剂对溶解力的影响,向超临界CO2流体中加入一定量的水、甲醇、乙酸、醋酸乙酯等物质或者是它们的混合物，可以增加溶解力，从而改变对所萃取物质的选择性。如在超临界CO2流体中加入总体积5060的甲醇后，即可以从浓度为13的发酵液中苹取L一脯氨酸，收率可达50以上。 但在使用助溶剂的时候，要注意助溶剂的分离和残留。,5.1.3 超临界C02萃取工艺,超临界C02 萃取工艺是在特定的温度和压力下，先使C02 变成为高密度超临界流体，然后对原料进行萃取，达到萃取平衡后，再通过温度或压力的变化对所萃取的物质进行分离，并进行C02的循环利用，整个工艺过程可以是连续的、半连续的或间歇的。根据分离条件的不同，超临界C02萃取有三种典型的流程。 1等温变压工艺 2等压变温工艺 3恒温恒压工艺（吸附剂法）,1等温变压工艺,即超临界C02的萃取和分离在同一温度下进行。 萃取完后，通过节流降低操作压力进入分离系统。此时C02流体对被萃取物的溶解力逐步减小，从而使被萃取物解吸出来得以分离。 该工艺由于没有温度的变化，从而操作简单，可实现对高沸点、热敏性、易氧化物质的接近常温的萃取，特别适合于从天然产物中提香料，辛香料和药用有效成份。,(a) 等温法 T1T2，P1P2 1.萃取釜，2.减压阀， 3.解吸釜 4.压缩机,萃取釜,解吸釜,P1,P2,2等压变温工艺,超临界C02流体的萃取和分离在同一压力下进行。 萃取完后，通过热交换升高操作温度。C02流体在特定的压力下，其溶解力随温度的升高而迅速减小，从而使溶解在其中的物质脱溶析出，得以分离。 该工艺由于分离和萃取采用同一高压，分离系统的投资相对增加，且由于分离中要提高温度，对热敏性物质会有一定的影响。其优点是压缩能耗较少。,(b) 等压法 T1T2，P1=P2 1.萃取釜，2.加热器， 3.解析釜 4.高压泵 5.冷却器,萃取釜,冷却器,加热器,解吸釜,T1,T2,3恒温恒压工艺（吸附剂法）。,萃取和分离在同样的温度和压力下进行。 该工艺分离萃取取物需要持殊的吸附剂(如离于交换树脂、活性炭等)进行吸脱，一般用于去除有害物质，如从茶叶中脱除咖啡因。有时也称吸附剂法。 该工艺C02流体始终处于恒定的超临界状态，十分节能。但若采用较贵的吸附剂，则要在生产中增加吸附剂再生系统。,(c) 吸附法 T1=T2，P1=P2 1.萃取釜，2.吸附剂， 3.解析釜 4.高压泵,吸附剂,5.1.4 超临界C02萃取技术的应用,超临界流体萃取技术近二十几年来研究开发十分迅速，可应用的领域日益广泛，涉及到了工业生产的许多方面。,工业生产的主要有以下3项较为成熟地用于大规模： 1以天然植物中提取香料 植物中的香味成份是挥发性芳香精油，易挥发，易受热变性这些成份的精油在超临界C02中的溶解度很大，而超临界C02萃取更为其提供了一个重要的低温加工环境，十分有利于高收率地提取高纯度的香料油。 因此，超临界流体萃取正逐步取代传统的水蒸汽蒸馏和有机溶剂工艺而广泛用于植物香科萃取提取工业中。,2从沙棘中提取沙棘油 沙棘果中含油，是一种有药疗效果的高级油。传统的提取工艺是以氯仿或植物油为萃取刑，存在时间长、收率低，纯度低的缺点。 用超监界C02进行常温萃取，萃取温度在32-45、压力为10-30MPa，收率可达90以上。目前在东北和内蒙古等地已建成工业生产装置，单釜容积最大的为300L。其工艺是等温分级降压分离，C02循环使用。,3制取啤酒花浸膏 从啤酒花中提取浸膏是国际上超临界C02萃取技术应用最成功的项目。 啤酒花是啤酒配制工业中重要的原料之一，其主要成份是含萍草图(hum lone)类的酸和含蛇麻酮(lqpu lone)类的-酸，使啤酒拥有特殊口感的苦味。 -酸和-酸在常温下极不稳定，易受光、热、氧和细菌的作用而变质失效，一般的酒花成品(散花和颗粒酒花)常温下贮存一年即失去其使用价值。 用超临界C02从酒花中萃取有效物质制成罐装浸膏可以大大减少酒花的体积，延长贮存期长达5年，有利地促进了啤酒工业向大型化和自动化方向发展。自80年代以来，德国、美国、英国等国家均已建成年处理酒花5000吨的大型超临界C02萃取工业装置。,5.2 微波辅助提取技术,什么是微波？ 微波的加热原理是什么？ 微波辅助提取技术怎么理解？,5.2.1 概述,1. 微波的定义： 微波是一种波长在1mm1m的电磁波，频率介于300MHz300GHz之间，介于红外与无线电波之间。,常用的加热微波频率为2450MHz和915MHz。,2. 微波的特性 微波以直线方式传播，并具有反射、折射、衍射等光学特性。微波遇到金属物质会被反射，但遇到非金属物质则能穿透或被吸收。 微波与自然界的物质有三种作用形式： 1）导体反射微波 2）绝缘体透射微波 3）电介质吸收微波,3. 微波加热的原理 电介质通过两种机理吸收微波：离子传导和偶极子转动 1）离子传导机理： 电磁场中可解离离子的导电移动，离子移动形成电流，由于介质对离子流的阻碍而以Q = I2R产生热效应。,2）偶极子转动机理： 介质是由偶极子组成，即一端带正电、一端带负电的分子。,1-搅拌器；2-磁控管； 3-反射板；4-腔体； 5-塑料盘,4. 微波炉的工作原理,1986年，匈牙利学者Ganzler K首先提出利用微波进行萃取的方法。并提出了“微波萃取”的概念。 在微波萃取过程中，高频电磁波穿透萃取介质，到达被萃取物料的内部，微波能迅速转化为热能而使细胞内部的温度快速上升。当细胞内部的压力超过细胞的承受能力时,细胞就会破裂,有效成分即从胞内流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质，再通过进一步过滤分离，即可获得被萃取组分。,5. 微波辅助提取技术,微波辅助提取技术（Microwave-assisted Extraxction, MAE)，又称微波萃取（Microwave Extraction, ME)，是微波和传统的溶剂提取法相结合后形成的一种新型分离方法。,5.2.2 微波萃取原理,1. 微波萃取主要是利用微波强烈的热效应。 传统的加热方式主要依靠：热传导、热对流、热辐射。 微波加热方式不同于传统的加热方式。 微波加热主要依靠：介质的偶极转移 以水为例来说明 在中药饮片中：水、蛋白质、脂肪、碳水化合物,2. 利用微波的热质同向传递,微波加热是一个内部加热过程，使整个物料被同时加热，即为“体加热”过程，从而可克服传统的传导式加热方式所存在的温度上升较慢的缺陷。,3. 微波萃取的破壁效应,根据微波原理可得到微波萃取的机理： 由于微波的热效应，使细胞内部的温度将迅速上升，从而使细胞内部的压力超过细胞壁膨胀所能承受的能力，结果细胞破裂，其内的有效成分自由流出，并在较低的温度下溶解于萃取介质中。通过进一步的过滤和分离，即可获得所需的萃取物。 微波所产生的电磁场，可加速被萃取组分的分子由固体内部向固液界面扩散的速率。,综上所述,微波能是一种能量形式，它在传输过程中可对许多由极性分子组成的物质产生作用，并使其中的极性分子产生瞬时极化，并迅速生成大量的热能，导致细胞破裂，其中的细胞液溢出并扩散至溶剂中。 从原理上说,传统的溶剂提取法，如浸渍法、渗漉法、回流提取法、连续回流提取法等，均可加入微波进行辅助提取，从而成为高效提取方法。,5.2.3 微波萃取的特点,1. 快速高