制药分离工程与设备知识点总结思维导图
2022-07-02 11:04:29 2 举报AI智能生成
制药分离工程与设备知识点总结思维导图
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大纲/内容
概述
制药分离工程是利用中药化学、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，建立适合工业化生产的中药提取分离方法，是研究制药工业（过程）红中药分离与纯化工程技术的学科，制药分离工程是制药工程学的一个组成部分，属于中药现代化生产的关键技术，研究内容包括分离技术的基本原理、工艺流程、设备及应用。
制药分离过程主要是利用待分离的物系中的有效活性成分与共存杂质之间的物理、化学及生物学性质上的差异进行分离。
制药分离工程的根本任务就是设计和优化分离过程。
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；反萃取:萃取液与反萃取剂相接触，使某种萃入有机相的溶质转入水相的过程，可看作是萃取的逆过程。）
液-液萃取
两相萃取（水性溶剂或油性溶剂）
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。
溶剂选取原则
萃取的优缺点
溶剂萃取法优点：①可连续化，速度快，周期短；②对热敏性物质破坏少；③多级萃取时，溶质浓缩倍数大、纯化度高
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
多级错流萃取（流程图）：萃取过程中使被处理水相溶液经过连续几次萃取，每次萃取都加入新鲜的有机溶剂，每经过一次萃取， 称为一个萃取级。缺点是每个萃取级都要加入一份新的有机溶剂，并相应得到很多份萃取液，使被萃取物反萃和有机溶剂的回收工作量增大。
多级逆流萃取（流程图）
多级萃取的计算
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，在两相中活度（或浓度)之比为一常数。（表观系数K）
萃取的计算
计算练习
萃取设备
混合：混合设备
分离：分离设备（离心萃取机结构）
溶剂回收：蒸发设备
分支主题
双水相萃取
概念：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。
为什么水溶液之间都能分层？答：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。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。
（一般认为只要两种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。）
双水相萃取有什么优势？答：①能够解决有机溶剂萃取的不足（蛋白质一般亲水性强，不溶于有机溶剂；蛋白质在有机溶剂相中易变性失活）
②操作简便、经济省时、易于放大。
③传统离心、沉淀等液-固分离转化为液-液分离。
④ 可应用于蛋白质、酶、核酸、人生长激素、干扰素的分离纯化。
双水相萃取的特点：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
双水相萃取典型设备：卧螺离心机；工作原理及过程：卧螺机的工作部分是一个内装螺旋输送器的转鼓，这个转鼓可以看作是一个一端为圆锥形的沉降槽。当高速旋转时，转鼓内产生大于重力加速度千倍以上的离心力，悬浮液便在这个离心力场中实现固液分离。密度小的液体形成同心内层，经过可调节的堰板连续地从鼓大端排出。
反胶束萃取
反胶团(Reversed Micelles)是两性表面活性剂在非极性有机溶剂中亲水性基
团自发地向内聚集而成的，内含微小水滴的，空间尺度仅为纳米级的集合型
胶体。是一种自我组织和排列而成的，并具热力学稳定的有序构造。
分支主题
反胶束萃取工作原理：
反胶束萃取制备原理：①制备反胶束，主义反胶束母液为有机相；②萃取，酶等生物大分子溶于反胶束的微水池内。③相分离④酶从反胶束内的微水池中释放出来。
反胶束萃取的优势：(1)有很高的萃取率和反萃取率并具有选择性；
(2)分离、浓缩可同时进行，过程简便；
(3)能解决蛋白质(如胞内酶)在非细胞环境中迅速失活的问题；
(4)由于构成反胶团的表面活性剂往往具有细胞破膜功效，因而可直接从完整细
胞中提取具有活性的蛋白质和酶；
(5)反胶团萃取技术的成本低，溶剂可反复使用等。
反胶束萃取的应用：分离蛋白质和酶；分离氨基酸；分离抗生素；分离核酸
固液萃取（浸提）
超临界流体萃取
超临界流体（supercritical fluid） 温度、压力高于其临界状态的流体。通常把处于温度超过临界温度而不论其压力和密度是否超过临界值状态的流体都归之为超临界流体。特点：粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感：粘度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力接近液体。
特点：粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感：粘度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力接近液体。
超临界流体萃取的优点：
1.萃取剂可重复利用；2.溶剂分离简单；3.适于分离热敏物质；
微波辅助萃取
原理：根据不同物质吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域
或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物
质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能
力相对差的萃取剂中，达到提取的目的。
优点
1.穿透力强，均匀、迅速加热；
2.选择性加热，选择性提取；
3.溶剂范围广，用量少；
4.加热效率高，升温迅速；
适应范围：中药有效成分的提取
超声波辅助萃取
原理：超声波提取是利用超声波具有的机械效应，空化效应和
热效应，通过增大介质分子的运动速度、增大介质的穿
透力以提取生物有效成分。
优点
1.促使植物细胞组织破壁或变形，提取更充分；
2.时间短，效率高；
3.适应性广；
适应范围：土地、食品、中药材等有效成分提取的前处理
过滤和离心
过滤是固液混合物在推动力的作用下通过多孔介质的操作过程。过滤的推动力可以是重力、加压、真空或离心力。
过滤操作有两类：滤饼过滤和深层过滤。
实现过滤必须具备的两个条件：
①具有实现分离过程所必需的设备；
②过滤介质两侧要保持一定的压力差（推动力）。
过滤的典型设备：过滤洗涤烘干一体机
离心：离心分离是通过离心机的高速运转，使离心加速度超过重力加速度成百上
千倍，而使沉降速度增加，以加速药液中杂质沉淀并除去的一种方法。
离心原理：其基本原理是利用悬浮粒子与周围溶液间存在的密度差。
离心分离因数是指同一颗粒所受的离心力与重力之比，表示离心力大小的指标。
分离系数：颗粒自身离心惯性力与其重力之比。
分离因数Fr是表示离心机分离能力的主要指标，是一个重要性能参数。Fr 值越大，表明分离效果越好。
Fr ↑及Fk↑方法：①R↑ 转鼓直径增大②ω↑ 转鼓转速提高(当结构一定时, ω↑效果更好)
分支主题
膜分离过程及设备
基本概念
膜：是指在一种流动相内或是两种流动相之间有一层薄的凝聚相，它吧流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。
膜的特性：不管膜多薄，它必须有两个界面，这两个界面分别与两侧的流体相接触；膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或集中物质透过，而不允许其他物质透过。
常见物质的分子大小比较：灰尘＞细菌＞病毒＞生物大分子＞盐类＞水
原理:利用具有一定选择性特性的过滤介质进行物质的分离纯化。当膜两侧存在某种推动力（压力差、浓度差、电位差、温度差），原料侧组分中的某一种选择性的透过膜，达到分离、分级、提纯和富集的目的。
优点:膜分离过程无相变，既节约能耗，又适用于热敏性物料的处理，是制药工业最重要的分离技术。
各种膜分离法的原理和应用范围：
微滤MF，又称微孔过滤，是以微滤膜作为过滤介质的膜分离技术。截留的颗粒大小：0.2~2um；操作压力低于0.1MPa；截留的主要物质：灰尘、细菌；过滤介质：微孔滤膜；应用举例：实验室和生产中，通常使用该技术除去或手机发酵液中的细胞；无菌水、矿泉水、纯生啤酒的生产；热敏性药物和营养物的过滤除菌、回收菌；
超滤UF，可截留溶液中的生物大分子，而透过小分子物质；10nm~200nm；操作压力：0.1~0.7MPa；生物大分子以上；超滤膜；应用：一是分离纯化，从高分子物质与低分子物质的溶液中，使低分子物质透过膜；二是蛋白质、多肽和多糖的回收和浓缩；
纳滤NF，2nm~10nm；操作压力：0.5~1MPa；生物小分子及以上；纳滤膜；应用：脱盐、蛋白质。氨基酸、维生素等的浓缩。
反渗透RO，在压力的作用下，溶剂（通常是水）透过膜，而溶质被阻挡于膜壁外。＜2nm；操作压力：1~10MPa；盐类及以上；反渗透膜；应用：分离各种离子或小分子物质；在溶液浓缩（盐、氨基酸、糖的浓缩）、无离子水的制备、海水淡化（高纯水的制备）；药液的浓缩，相比于冷冻干燥和蒸发干燥，成本更低；
分支主题
电渗析ED：在电场作用下，带电离子透过膜向两极移动，而达到分离的目的。应用：主要用于溶液的脱盐、海水淡化、纯水制备（电渗析制备初级水，可去盐80-90%，再用离子交换法除盐10-20%制备高纯水）等；分离中草药成分中的有机酸或生物碱；
透析：在一半透膜两侧的两种溶液中小分子溶质或溶剂通过膜进行交换，而大分子被截留在各自的一侧的现象，称为透析。以浓度差为传质动力；膜的透过通量很小，不适合大规模生物分离过程，而在实验室中应用较多，人工肾是透析最成功的案例。
渗透蒸发PV：液体混合物在膜两侧的蒸气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。过程：疏水膜的一侧通入料液，另一侧抽真空泵或通入惰性气体，使膜两侧溶质分压差。在分压差的作用下，料液中的溶质溶于膜内，扩散通过膜，在透过侧发生气化，气化的溶质被膜装置外设置的冷凝器冷凝回收。应用：高浓度混合物的分离，特别适用于共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离。原理：它是利用膜与被分离有机混合物中各组分的亲和力不同（料液侧为疏水膜），而选择性地优先吸附溶液中的某一组分，及各组分在膜中的扩散速度不同，在膜两侧分压差的作用下达到分离的目的。
分支主题
（分离）膜材料
有机材料：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类等其他材料等。适用：反渗透膜、微滤膜和超滤膜。
膜组件
板框式膜组件
基本部件：平板膜、支撑盘、间隔盘。三种部件相互交替（支撑-平板-间隔-平板-框）、重叠、压紧。（问：层与层之间是否需要密封？不需要密封，因为要流通透过液；每层之间液流如何导向？透过液沿管子到末尾收集，截留液，不通过膜，反向流通收集）
无机材料：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢、碳素等；适用：微滤膜；特点：是机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但缺点是不易加工，造价较高。制备方法：氧化铝、硅胶、和钛等陶瓷微粒烧结而成。
特点：①组装比较简单，可以简单地增加膜的成熟以提高处理量；②操作比较方便；③板框式膜组件组装零件太多；装填密度低；膜的机械强度要求比较高。
应用：超滤、微滤、反渗透、电渗析
管式膜组件
基本部件：管状膜、圆筒支撑体、管束板、不锈钢外壳，端部密封
特点：①流动状态好，流速易控制②结构简单，简单清洗，安装、操作方便；③装填密度较小，单位体积内有效膜面积小；④耐高压，无死角，适宜于处理高粘度及固体含量较高的料液，以其他形式应用最为广泛。
管式膜组件应用错流过滤清洗，指在泵的推动下料液平行与膜面流动，料液经膜面时产生的剪切力把膜面上滞留的颗粒带走，减少沉积造成过滤通量下降。（死端过滤：随着时间↑→效率↓）
卷式膜组件
基本部件：膜、多孔支撑层、原料水隔网、多孔中心管；构成：膜—多孔支撑体—膜—原水侧隔网依次叠合，绕中心集水管紧密地绕卷在一起，形成一个膜元件，再装进圆柱形压力容器里，构成一个螺旋卷式膜组件。工作原理：把几个膜组件的中心管串联起来构成一个组件，再安装到压力容器内，组成一个单元，供给水及浓缩液沿着与中心管平行的方向在网眼间隔层中流动，浓缩后由压力器另一端引出。产品沿着螺旋方向在两层膜间的膜袋内的多孔支撑材料流动，最后流入中心产品收集管而被导出。
特点：结构紧凑，装填密度高；安装、操作方便；适合低流速、低压下操作；制作工艺复杂，膜清洗困难。
应用于反渗透、超滤、气体分离过程。
中空纤维管膜组件
中空纤维膜：将膜材料制成外径为80~400um，内径为40~100um的空心管，即为中空纤维膜。
中空纤维膜组件：将大量的中空纤维一端封死，另一端用环氧树脂浇铸成管板，装在圆筒形压力容器中，就构成了中空纤维膜组件。
特点：结构紧凑，装填密度很高；清洗困难；中空纤维管一旦损坏无法维修，只能更换膜组件；液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。
应用于超滤
干燥过程及设备
基本概念
干燥:用热能加热物料，使物料中湿分蒸发而干燥或用冷冻法使水分结冰后升华而除去的单元操作。（通常是制药产品分离的最后一步，得到的固态产品或半成品，一般先采用机械方法把固体所含的绝大部分湿份除去，然后再通过加热把机械方法无法脱除的湿份干燥掉，以降低除湿的成本。）
物料干燥速率：指单位干燥面积，单位时间内气化的水量；影响因素：①物料的性质、结构和形状；②干燥介质的温度和湿度；③干燥操作条件、干燥介质与物料的接触方式，干燥介质与物料的相对运动方向和流动状况；④干燥器的结构形式
干燥方法
对流干燥
原理：热能以对流给热的方式由热干燥介质（通常热空气）传给湿物料，使物料中的水分汽化。物料内部的水分以气态或液态形式扩散到物料表面，然后汽化的蒸汽从表面扩散至干燥介质主体，再由介质带走的干燥过程。
优点：受热均匀，所得产品的含水量均匀
缺点：热利用率低
辐射干燥
原理：热能以电磁波的形式由辐射器发射到湿物料表面，被物料吸收转化为热能，而将水分加热汽化。（微波干燥器可对物质选择性加热，其中加入空气的作用，是将湿份带走，加速干燥过程。）
优点：生产能力强，干燥产物均匀
缺点：能耗大
传导干燥
原理：热能通过传热壁面以热传导的方式传给湿物料，被干燥的物料与加热介质不直接接触，属间接干燥。
优点：热能利用较多
介电加热干燥
原理：将需要干燥的物料置于交频电场内利用高频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。
优点：干燥时间短，干燥产品均匀而洁净
缺点：费用大
制药工艺常用的干燥方法
气流干燥
过程：利用热空气与粉状或颗粒状湿物料在流动过程中充分接触，气体与固体物料之间进行传热与传质，从而使湿物料达到干燥的目的。（注意：是热、质同时传递的过程）
原理：热气体流过湿物料的表面，物料表面的温度低于气体温度由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使湿份汽化；在分压差的作用下，湿份由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走，从而物料表面与内部出现水分浓度差，内部水分扩散到表面。
干燥过程推动力：传热推动力：热空气温度T＞物料表面温度t；传质推动力：物料表面水分压p＞热空气中的水分压P
优点：①干燥时间短；②使用于热敏物质；③生产能力大，投资费用少；④有机地把干燥、粉碎、输送、包装组合成一道工序，整个过程在密闭条件下进行，减少物料飞扬，防止杂质污染，既改善了产品质量，又提高了收得率。
缺点：①不适于粘厚物料的干燥；②对晶型磨损厉害。（T↑→晶格能↑→溶解↓→药物释放曲线改变，而该曲线生产时要符合标准要求才能生产）
喷雾干燥
利用不同的喷雾器，将悬浮液和粘滞的液体喷成雾状，形成具有较大大面积的分散颗粒同热空气发生强烈的热交换，迅速排除本身的水分，在几秒甚至十几秒内获得干燥。成品以粉末状态沉降于干燥室底部，连续或间断从卸料器排出。
缺点：与传热壁面接触的物料易局部过热而变质，受热不均匀。
喷雾干燥的工艺过程
①料液雾化：目的在于将料液分散成微细的雾滴，雾滴的平均直径是20~60um，因此具有很大的比表面积；雾化器是喷雾干燥的关键，目前常用的雾化器有气流式喷嘴、压力式喷嘴和离心式喷嘴。
雾化方式
气流雾化：靠压缩空气或蒸汽通过喷嘴时产生的高速将液体吸出并雾化。在制药行业广泛使用。核苷酸、农用细菌杀虫剂、蛋白酶等的干燥。
压力雾化：利用往复运动的高压泵将物料喷出分散成液滴。发酵工厂用于酵母粉的干燥。
离心雾化：利用在水平方向做高速旋转的圆盘给予溶液离心力，使其高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴，同时又受到周围空气的摩擦、阻碍与撕裂等作用形成细雾。目前酶制剂的大型生产大多采用此法，还用于酵母粉的干燥。
②雾滴与空气接触：雾滴与空气接触的方式有并流（适用于热敏性物质）、逆流（适用于耐高温、非热敏性物质）和混流式三种。
③雾滴干燥阶段：恒速干燥和降速干燥两个阶段。
④干燥产品与空气分离：干燥的粉末或颗粒落在干燥室的椎体四壁并滑落到锥底，通过星形阀之类的排灰阀排出，少量的粉末则随空气进入旋风分离器。然后将成品输送到另一处混合后储入成品库或直接包装。
雾滴与N2接触采用了并流式，之所以采用N2干燥物料是因为，N2可以防爆，并且更加稳定。图中，产物后的滤袋是用来收集粒径非常小的粉末。condenser的作用是用来回收溶剂，除去干燥介质中的汽化湿份。
优点：①直接干燥溶液状态的物料，特别是粘稠液；②可控制成品的含湿量；③可以得到空心球状产品；④时间短，在常压下能干燥热敏物质；⑤规模效益，规模越大成本越低，效益越高。
缺点：①堆积比重小，体积庞大，占地大；②粒度小，收集贮存要求高;③热容量大，设备庞大，占地大；④雾化时对物料的浓度、粘度一定要求。
冷冻干燥
基本原理：使被干燥的液体在极低温度下，冷冻成固体；然后，在真空状态、低温、低压下利用水的升华性能使冰升华汽化而除去，以达到干燥的目的；
冷冻干燥法使用于绝大多数生物产品的干燥和浓缩，可以最大限度地保证生物产品的活性。
相关概念：共熔点：溶液全部凝结的温度称为凝固点，凝固点就是熔化开始的点，对于溶液来说就是溶质和溶媒共同熔化的点，故称为共熔点或共晶点。注意：共熔点才是溶液真正全部凝成固体的温度。→故冷冻干燥的温度要设置在共熔点之下。（否则由于产品中还有部分液体的存在，在真空状态下，其会迅速蒸发，造成液体的浓缩使动感产品的体积缩小，而且溶解在液体中的气体还会迅速冒出来，造成向液体沸腾的样子，使冻干产品鼓泡、甚至冒出瓶外。）
冷冻干燥的工艺过程
①预冷：将待处理样品完全冻结。在这个过程中，样品称为冰晶或分散的溶质。可提高制品升华的表面积来提高冻干的速率，从而提高干燥速率。
②升华干燥：又称一级干燥和一次干燥。制品冻结温度一般在-50~-25℃，为了保持升华表面和冷凝器的温差（升华吸热），冷冻过程必须对制品提供一定的能量，但不能使制品的温度高于共熔点。
③解吸附干燥：又称二级干燥或二次干燥。此过程是为了除去以吸附方式存在的残留水分。残留水包括化学结合水和物理结合水。
冷冻干燥系统主要由干燥箱、冷阱、制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统等组成。
干燥工艺的热量衡算:氯霉素经发酵和提纯结晶后，在常压气流干燥器中进行干燥，湿物料的流量为1kg/s，初始湿基含水量为3.5%，干燥产品的湿基含水量为0.5%。空气状况为：初始温度为25℃，湿度为0.005kg/kg，干空气经预热后进干燥器的温度为140℃，若离开干燥器的温度选定为60℃，干燥过程为等焓干燥。
试计算需要的空气进气流量及预热器的传热速率？
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