制药分离工程第二章浸取固液萃取

1、制药分离工程制药12023120902035洪庆第2章 固 液 萃 取（浸 取） 2.2.1（1.中药成分的分类）中药材中所含的成分十分复杂，概括：有效成分，指起主要药效的物质，如生物碱、苷类、挥发油。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。无效成分，指本身无效甚至有害的成分，它们往往影响溶剂浸取的效能、制剂的稳定性、外观以至药效。组织物，是指构成药材细胞或其它不溶性物质，如纤维素、石细胞、栓皮等。浸取的目的在于选择适宜的溶剂和方法，充分浸出有效成分及辅助成分，尽量减少或除去无效成分。2.2.3 浸取过程的影响因素2.2.3.1 浸取溶剂和辅助剂2.2.3.2 浸取过程

2、的影响因素2.2.3.1 浸取溶剂和辅助剂（1）浸取溶剂的选择（2）浸取辅助剂 （1）浸取溶剂的选择 对溶质的溶解度足够大，以节省溶剂用量； 与溶质之间有足够大的沸点差，以便于容易采取蒸馏等方法回收利用； 溶质在溶剂中的扩散系数大和粘度小； 价廉易得，无毒，腐蚀性小等。 （2） 浸取辅助剂为了提高浸取溶剂的浸取效能，增加浸取成分在溶剂中的溶解度，为了增加制品的稳定性以及除去或减少某些杂质，有时需要往使用溶剂或原料中添加某些被称为辅助剂的物质。一般常用酸 （如盐酸、硫酸、冰醋酸、酒石酸）、碱 （如氨水、碳酸钠、氢氧化钙、碳酸钙和石灰）调节pH 值。利用表面活性剂可提高浸取溶剂的效果，由于浸取方法

3、不同，选用表面活性剂的种类也有异。如用阳离子型表面活性剂的盐酸盐有助于生物碱的浸出；用70%乙醇渗漉颠茄草时，若加入0.2%吐温-20，则渗漉液中有效成分的含量较用同量的吐温-80为佳；但若用振荡法浸出颠茄草，则吐温-80又比吐温-20的浸取效果好。 2.2.3.2 浸取过程的影响因素及规律（1）药材的粒度 （2）浸取的温度（3）溶剂的用量及提取次数（4）浸取的时间 （5）浓度差 （6） 溶剂的pH值 （7） 浸取的压力 (1)-(7)都为影响因素（1）药材的粒度 过细的粉末在浸出时虽能提高其浸出效果，但吸附作用亦增加，因而使扩散速度受到影响。故药材的粒度要视所采用的溶剂和药材的性质而有所区别

4、。如以水为溶剂时，药材易膨胀，浸出时药材可粉碎粗一些，或者切成薄片和小段；若用乙醇为溶剂时，因乙醇对药材的膨胀作用小，可粉碎成粗末（520目，甚至40目）。药材不同，要求的粉碎度也不同，通常叶、花、草等疏松药材，宜用较粗的粉末，甚至可以不粉碎；坚硬的根、茎、皮类等药材，宜用较细的粉末。 若粉碎过细，药材组织中大量细胞破裂，致使细胞内大量不溶物及较多的树脂、粘液质等混入或浸出，使浸出杂质增加，粘度增大，会使扩散作用缓慢，造成浸提液过滤困难和产品浑浊现象。 （2）浸取的温度因为温度的升高能使植物组织软化，促进膨胀，增加可溶性成分的溶解和扩散速度，促进有效成分的浸出。而且温度适当升高，可使细胞内蛋白

5、质凝固、酶被破坏，有利于浸出和制剂的稳定性。但浸取温度高，能使药材中某些不耐热的成分或挥发性成分分解、变质或挥发散失。如浸提鞣质时，若温度超过100，部分鞣质分解，浸取量就下降；也有的药材在高温浸取后，放冷时由于胶体凝聚等原因有出现沉淀；另外温度过高，一些无效成分被浸提，影响制剂质量，故浸取时需选择控制适宜温度，保证制剂质量。 （3）溶剂的用量及提取次数在定量溶剂条件下，多次提取可提高提取的收率。一般第一次提取要超过药材溶解度所需要的量。对不同药材的溶剂用量和提取次数都需要实验确定。 （4）浸取的时间 一般说浸取时间与浸取量成正比，即时间愈长，扩散值愈大，愈有利于浸取。但当扩散达到平衡后，时间

6、即不起作用。此外，长时间的浸取往往导致大量杂质溶出，一些有效成分如苷类易被在一起的酶所分解。若以水作为溶剂时，长期浸泡则易霉变，影响浸取液的质量。 （5）浓度差 浓度差越大浸出速度越快，适当地运用和扩大浸取过程的浓度差，有助于加速浸取过程和提高浸取效率。一般连续逆流浸取的平均浓度差比1次浸取大些，浸出效率也较高。应用浸渍法时，搅拌或强制浸出液循环等，也有助于扩大浓度差。 （6） 溶剂的pH值 浸提溶剂的pH值与浸提效果有密切关系。在中药材浸提过程中，往往根据需要调整浸提溶剂的pH值，以利于某些有效成分的提取，如用酸性溶剂提取生物碱，用碱性溶剂提取皂甙等。 （7） 浸取的压力 当药材组织坚实，浸

7、出溶剂较难浸润时，提高浸取压力会加速浸润过程，使药材组织内更快地充满溶剂和形成浓溶液，从而使开始发生溶质扩散过程所需的时间缩短。同时有压力下的渗透尚可能将药材组织内某些细胞壁破坏，亦有利于浸出成分的扩散过程。当药材组织内充满溶剂之后，加大压力对扩散速度则没有什么影响，对组织松软、容易湿润的药材的浸出影响也不明显。目前有两种加压方式，一种是密闭升温加压，另一种是通过气压或液压加压不升温。经实验证明，水温在6590，表压力25 kg/cm2时，与常压煮提相比，有效成分浸出率相同，但浸出时间可以缩短一倍以上，固液比也可以提高。但因加热、加压条件可能导致某些有效成分破坏，故加压升温浸出工艺需慎重选用。

8、 2.2.2 费克定律与浸取速率方程-规律2.2.2.1 费克定律2.2.2.2 由费克定律推导出的浸取速率方程2.2.2.3 扩散系数2.2.2.4 总传质系数 在无主体流动或在静止流体中，因浓度梯度引起的分子扩散，可用费克定律表示如下： （2-1）式中：JAT，为物质A的扩散通量，或称扩散速率，kmol/m2s； 为物质A在z方向上的浓度梯度，kmol/m4； D为分子扩散系数，m2/s。 负号是因为扩散方向为沿浓度梯度降低的方向。2.2.2.1 费克定律2.2.2.1 费克定律 然而，式（2-1）的费克定律只适用于稳态的分子扩散即液体中物质的浓度梯度不随时间改变的情况。但在许多情况下分子

9、扩散常为不稳态的，即浓度和浓度梯度往往是时间和位置的函数。此时，应采用费克第二定律描述分子扩散过程，有需求时请参考有关专著。 浸取过程实际上包括有分子扩散和流体的运动引起的对流扩散，对流传质过程用费克定律表示时应为分子扩散与涡流扩散共同的结果，即 （2-2） 式中：DE 为涡流扩散系数，m2/s。DE 不仅与流体物性有关，而且还主要受流体湍动程度的影响，随位置而变，难以测定计算。2.2.2.2 由费克定律推导出的浸取速率方程对于罐内浸泡的浸取过程， 可近似认为是分子扩散，涡流扩散系数DE可忽略不计，因此，中药材被浸出时，自药材颗粒单位时间通过的单位面积的有效成分量为扩散通量J可由式（2-2）简

10、化为： （2-3）2.2.2.2 由费克定律推导出的浸取速率方程 解式（2-4），并将C2代入式（2-5）得： 于是得到药材浸出过程中的速率方程： (2-6) 式中，K为浸出时总传质系数， ，m/s；C 为药材固体与液相主体中有效物质的浓度差，kmol/m3。 实际浸取过程中，中药材固体与液相主体中有效成分的浓度差并非为定值，则C可用下式表示： (2-7) 式中，C始、C终为浸出开始和终结时固、液两相的浓度差，kmol/m3。图2-1 固液浸取示意图2.2.2.2 由费克定律推导出的浸取速率方程 如图2-1所示，当传递是在液相内扩散距离Z进行，有效成分浓度自C2变化到C3时，积分式（2-3）,

11、 得到： （2-4） 式中：k为传质分系数， k=D/Z。 如果传递是在有孔固体物质中进行，有效成分浓度自C1变化到C2时，同理可得： （2-5） 式中：L 为多孔固体物质的扩散距离。 2.2.2.3 扩散系数 溶质（A）在液相（B）中的扩散系数 溶质在固体中的扩散系数 溶质（A）在液相（B）中的扩散系数 但对稀溶液，当大分子溶质A扩散到小分子溶剂B中时，假定将溶质分子视为球形颗粒，在连续介质为层流时作缓慢运动，则可理论上用斯托克斯-爱因斯坦（Stockes-Einstein）方法计算： (2-8) 式中， DAB 为扩散系数，m2s； rA 为球形”溶质A的分子的半径，m；B 为溶剂B的黏度

12、，Pa.s；B 为波尔兹曼常数，B1.381023 J/K；T 为绝对温度，K。 溶质（A）在液相（B）中的扩散系数对溶质为较小分子的稀溶液，可用威尔盖（Wike）公式计算： （2-10）式中，MB 为溶剂的摩尔质量；B为溶剂的黏度，Pa.s；VA 为正常沸点下溶质的摩尔体积（m3/kmol）；为溶剂的缔合参数，对于水为2.6，甲醇为1.9，乙醇为1.5，苯、乙醚、庚烷以及其它不缔合溶剂均为1.0。 溶质在固体中的扩散系数 如果固体内存在浓度梯度，固体中组分可由某一部分向另一部分扩散。通常在固体中有两种扩散类型：一种是遵从费克定律的、基本上与固体结构无关的扩散，另一种是与固体结构有关的多孔介质

13、内扩散。由于把固体药物看成由可溶物（溶质） 和不溶物（载体或基质）组成，浸取过程实质是溶质由复杂的植物基质中通过内外扩散传递到液相溶剂的传质过程。由于中药材的物质结构中存在孔隙和毛细管及其作用，使分子在毛细管中运动速度很缓慢。内扩散系数与有效成分含量、温度、及流体力学条件等有关，故不是固定常数。此外，内扩散系数还和浸泡时药材的膨胀、药物细胞组织的变化和扩散物质的浓度的变化等有关。 2.2.2.4 总传质系数 对植物药材在浸出过程中，总传质系数应由下面扩散组成：D内-内扩散系数，表示药材颗粒内部有效成分的传递速度。D自-自由扩散系数，在药物细胞内有效成分的传递速度。D对-对流扩散系数，在流动的萃

14、取剂中有效成分的传递速度。总传质系数H为： (2-11)2.2.2.4 总传质系数式中，L为颗粒尺寸；S为边界层厚度，其值与溶解过程液体流速有关；h 为药材颗粒内边界层厚度。D自 就是式（2-9）和式（2-10）的DAB，自由扩散系数与温度有关，还与液体的浓度有关，温度值取操作时温度，浓度取算术平均值。由于物质结构中存在孔隙和毛细管及其作用，使分子在毛细管中运动速度很缓慢，所以D内值比D自值小得多。内扩散系数D内与被浸泡药材有关，叶类药材D内值为10左右；根径类D内为10cm2/s左右；树皮类D内为106 cm2/s左右（见表2-1）。内扩散系数与有效成分含量、温度、及流体力学条件等有关，故不

15、是固定常数。此外，D内还和浸泡时药材的膨胀、药物细胞组织的变化和扩散物质的浓度的变化等有关。D对值大于D自值，而且D对值随溶剂的对流程度的增加而增加，在湍流时D对值最大。在带有搅拌的浸取过程中，D对值很大，计算时可忽略其作用，在此情况下，浸取全过程的决定因素就是内扩散系数。2.5 浸取强化技术简介2.5.1 超声波协助浸取超声波的基本作用原理2.5.2 微波协助浸取1微波的特点 2微波协助浸取的影响因素 2.5.1.1 超声波的基本作用原理 超声波热学机理 超声波机械机制 超声波空化作用 超声波热学机理和其他形式的能一样，超声能也会转化为热能。生成的热能多少取决于介质对超声波的吸收，所吸收能量

16、大部分或全部转化为热能，从而导致组织温度升高。这种吸收声能而引起温度升高是稳定的。所以超声波用于浸取时可以在瞬间使溶液内部温度升高，加速有效成分的溶解。 超声波机械机制 超声波的机械作用主要是辐射压强和超声压强引起的。辐射压强可能引起两种效应，其一是简单的骚动效应。其二是在溶剂和悬浮体之间出现摩擦。这种骚动可使蛋白质变性，细胞组织变形。而辐射压将给予溶剂和悬浮体以不同的加速度，即溶剂分子的速度远大于悬浮体的速度，从而在它们之间产生摩擦，这力量足以断开两碳原子之键，使生物分子解聚。 超声波空化作用 由于大能量的超声波作用在液体里，当液体处于稀疏状态下时，液体会被撕裂成很多小的空穴，这些空穴一瞬间

17、闭合，闭合时产生高达几千大气压的瞬间压力，即称为空化效应。由于超声波的空化效应产生极大的压力造成被粉碎物细胞壁及整个生物体的破碎，而且整个破碎过程在瞬间完成；同时，超声波产生的振动作用增加了溶剂的湍流强度及相接触面积，加快了胞内物质的释放，扩散及溶解，从而强化了传质，有利于胞内有效成分提取。萃取效果随声强呈线性地增加，而频率似乎影响不明显。 2.5.2.1 微波的基本作用原理微波的主要特点： 体热源瞬时加热 热惯性小 反射性和透射性 体热源瞬时加热对于极性液体分子用微波加热时可看作为球形偶极子在外电场高频作用下，每个极性分子都要克服与周围分子间的磨擦阻力，随外电场方向的高速变化而做高速正反取向

18、的旋转运动，极性分子的平均动能增大，同时，分子间的相互摩擦和碰撞，以及微波透入介质时由于介质损耗而引起介质体的温升，使介质材料内、外部几乎同时生热升温，形成体热源状态，从而大大缩短了常规加热中热传导时间，且内外加热均匀一致。 热惯性小对介质材料系瞬时加热升温，能耗自然也很低。同时，微波输出功率随时可调，介质材料的温升可无惰性地随之改变，即不存在“余热”现象，有利于自动控制和连续化生产。 反射性和透射性2.5.2.2 微波协助浸取的影响因素 萃取剂的选择 pH值的影响 物料中水含量的影响 微波剂量的影响 萃取时间的影响 基体物质的影响 萃取剂的选择在微波协助提取中，萃取溶剂的选择对萃取结果的影响

19、至关重要，直接影响到有效成分的提取率。选择的萃取剂首先应对微波透明或部分透明，溶剂必须有一定的极性以吸收微波能进行内部加热；其次所选萃取溶剂对目标萃取物必须具有较强的溶解能力，这样，微波便可完全或部分透过萃取剂，达到协助萃取的目的。此外，溶剂的沸点及其对后续测定的干扰也是必须考虑的因素。己见报道的用于微波萃取的溶剂有：水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸、二氯甲烷、三氯乙酸、已烷等有机溶剂，硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸等无机溶剂以及已烷-丙酮、二氯甲烷-甲醇、水-甲苯等混合溶剂。对同一种待处理物料，不同的萃取剂，其微波协助萃取效果往往差别很大。萃取剂的用量与物料之比（L/kg）一般在(1:1)(20:1)范围内。 pH值的影响 有文献考察了微波萃取去除植物中除草剂三嗪农药残留时，溶剂pH值对去除率的影响，结