制药设备第四部分萃取蒸发设备第四课课件.ppt
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- 制药 设备 第四 部分 萃取 蒸发 课件
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1、第七章第七章 制药工程萃取设备制药工程萃取设备萃取:将所选定的某种溶剂,加入到液体混合物中,根据混合物中不同组分在该溶剂中的溶解度不同,将需要的组分分离出来,这个操作过程称为溶剂萃取。萃取操作的基本过程如图所示。原料液(液体混合物)由A、B两组分组成,若待分离的组分为A,则称A为溶质,B组分为原溶剂(或称稀释剂),加入的溶剂称为萃取剂S。首先将原料液和溶剂加入混合器中,然后进行搅拌。萃取剂与原料液互不相溶,混合器内存在两个液相。通过搅拌可使其中一个液相以小液滴的形式分散于另一相中,造成很大的相接触面积,有利于溶质A由原溶剂B向萃取剂S扩散。过程:A在两相之间重新分配后,停止搅拌,将两液相放入澄
2、清器内,依靠两相的密度差进行沉降分层。上层为轻相,通常以萃取剂S为主,并溶入较多溶质A,同时含有少量B,为萃取相,以E表示;下层为重相,以原溶剂B为主及未扩散溶质A,同时含有少量的S,称为萃余相,以R表示。在实际操作中,也有轻相为萃余相,重相为萃取相的情况。萃取相和萃余相都是A、B、S的均相混合物,为了得到分离后的A组分,应除去溶剂S,称为溶剂回收。回收后的溶剂S,可供循环使用。通常用蒸馏的方法回收S,如果溶质A很难挥发,也可用蒸发的方法回收S。萃取相脱去溶剂S后,称为萃取液,以E表示;萃余相脱去S后,称为萃余液,以R表示。由此可见,一个完整的萃取过程应包括:原料液(A+B)与萃取剂(S)的充
3、分混合,以完成溶质(A)由原溶剂(B)转溶到萃取剂S的传质过程;萃取相与萃余相的分离过程;从两相中回收溶剂S最后得到产品的过程。溶剂萃取方式溶剂萃取方式 在工业生产操作中,完整的萃取操作应该包括:混合:原料液与萃取剂的充分混合,完成溶质A由原溶剂B转移到萃取剂S的过程;分离:萃取相与萃余相分离过程;萃取剂S的回收:从萃取相和萃余相中回收萃取剂S,供循环使用的过程。萃取操作流程按不同的分类方法,可分为间歇和连续,单级和多级萃取流程。在多级萃取流程中,又可分为多级错流和多级逆流萃取流程。1 1单级萃取单级萃取 单级萃取是液液萃取中最简单的操作形式,一般用于间歇操作,也可用于连续操作。单级萃取流程示
4、意图,单级萃取常用设备单级混合澄清器。2多级并流萃取多级并流萃取 单级萃取效率不高,萃余相中溶质A的组成仍然很高。为使萃余相中溶质A的组成达到要求值时,可采取多级错流萃取。3多级逆流萃取多级逆流萃取 将若干个单级萃取器分别串联起来,料液和萃取剂分别从两端加入,使料液和萃取液逆向流动,充分接触,即构成多级逆流萃取操作。料液经萃取后的萃余液再用新鲜萃取剂进行萃取的方法称为多级并流萃取。此法与并流萃取相比,萃取剂耗量较少,因而萃取液平均浓度较高。多级逆流萃取流程的特点:料液走向和萃取剂走向相反,只在最后一级中加入萃取剂,萃取剂消耗少,萃取液产物平均浓度高,产物收率较高。工业上多采用多级逆流萃取流程。
5、萃取设备1、萃取体系的组成及功能 液-液萃取设备应包括混合设备、分离设备。混合设备:使料液与萃取剂充分混合形成乳浊液,欲分离的生物产品自料液转入萃取剂中。分离设备:将萃取后形成的萃取相和萃余相进行分离。2、分类混合设备1、萃取罐2、静态混合器(1)工作原理 萃取剂及料液在一定流速下进入管道一端,混合后从另一端导出,依靠管内特殊设计的内部单元和流体流动实现液体混合。强迫湍流状态;料液在管内平均停留时间1020s。(2)特点 混合管的萃取效果高于混合罐,且为连续操作。流程简单、结构紧凑、能耗小、萃取效率高。适于各种黏度的流体。分离设备碟片离心机 原料液与溶剂中密度较大者(称为重相)从塔顶加入,密度
6、较小者自塔底加入。两相中其中有一相经分布器分散成液滴(称为分散相),另一相保持连续(称为连续相),分散的液滴在沉降或上浮过程中与连续相逆流接触,进行溶质A由B相转移到S相传质过程,最后轻相由塔顶排出,重相由塔底排出。图图3-10 塔式液液萃取流程塔式液液萃取流程混合分离一体设备1、萃取塔 塔内溶质在其流动方向的浓度变化是连续的;需用微分方程来描述塔内溶质的质量守恒定律,因此称为微分萃取。图是部分塔式设备示意图。重液相由底部轴周围的套管进重液相由底部轴周围的套管进入转鼓后入转鼓后,沿螺旋通道由内沿螺旋通道由内向外流经各筒向外流经各筒,最后由外筒最后由外筒经溢流环到向心泵室被排出经溢流环到向心泵室
7、被排出.轻液由底部中心管进入转鼓轻液由底部中心管进入转鼓,流流入第十圆筒入第十圆筒,从下端进入螺从下端进入螺旋通道旋通道,由外向内流过各筒由外向内流过各筒,最后从第一筒经出口排出最后从第一筒经出口排出由由1111个不同直径的同心圆筒组个不同直径的同心圆筒组成的转鼓成的转鼓,每个圆筒上均在每个圆筒上均在一端开孔一端开孔,相邻筒开孔位置相邻筒开孔位置上下错开上下错开,料液和萃取剂上料液和萃取剂上下曲折流动下曲折流动1、离心萃取设备(1)、立式离心萃取器(2)、卧式离心萃取器(3)、逆流萃取倾析器 溶剂萃取过程中的工艺问题及处理溶剂萃取过程中的工艺问题及处理 在溶剂萃取过程中,两相界面上经常会产生乳
8、化现象。乳化是指液体以细小液滴的形式分散在另一不相溶的液体中。例如水以细小液滴的形式分散在有机相中,或有机溶剂以细小液滴的形式分散在水相中。在发酵液的溶剂萃取中产生乳化现象后,使水相和有机相分层困难,影响萃取分离操作的进行。它可能产生两种夹带:萃余相中夹带溶剂,目标产物的收益率降低;萃取相中夹带发酵液,给分离提纯制造困难。一般形成乳状液要有两个条件:互不相溶的两相溶剂和表面活性物质。在发酵液中有蛋白质和固体微粒,这些物质具有表面活性剂的作用。因此溶剂萃取中,乳化现象极易发生。乳化现象与破乳化 在形成的乳状液中,如果表面活性物质亲水基团强度大于亲油基团,易形成水包油型(O/W)型乳状液;如果表面
9、活性物质亲油基团强度大于亲水基团,易形成油包水型(W/O)乳状液。在发酵液溶剂萃取中,由蛋白质引起的乳状液是水包油型的(O/W)的。这种界面乳状液可放置数月而不凝聚。一方面由于蛋白质分散在两相界面,形成无定形黏性膜保护作用,另一方面,发酵液中存在一定数量的固体颗粒,对于已产生的乳化层也有稳定作用。因此,防止萃取过程发生乳化和破乳,就成为溶剂萃取提高萃取操作效率的重要课题。在发酵液溶剂萃取过程中,防止发生乳化现象的手段就是在实施萃取操作前,对发酵液进行过滤和絮凝沉淀处理,除去大部分蛋白质及固体微粒,消除引起水相乳化因素。发生乳化后,可根据乳化的程度和乳状液的性质,采用适当的破乳手段。乳化程度不严
10、重时,可采用过滤和离心沉降的方法。针对乳状液和界面型活性剂类型,加入相反的界面活性剂,促使乳状液转型变型性。对于水包油型(O/W)乳状油,加入十二烷基磺酸钠,可使乳状液从O/W型向W/O型转化,但由于溶液条件不允许W/O型号乳浊液的形成,从而达到破乳的目的。破乳的其他方法还有;加入强电解质,破坏乳状液双电层的化学法;加热、稀释吸附的物理法;加入表面活性更强物质,把界面活性替代出来的顶替法等等。但这些方法耗时、耗能、耗物,最好在实施溶剂萃取操作前,对发酵液进行预处理,从源头上消除乳化现象的发生。超临界流体萃取超临界流体萃取 流体在超临界状态下,其密度接近液体,具有与液体溶剂相当的萃取能力;其粘度
11、接近于气体,传递阻力小,传质速率大于其处于液态下的溶剂萃取速率。基于超临界流体的这种优良特性,自20世纪70年代以来,迅速发展为一门综合了精馏与液液萃取两个单元操作的优点的独特的分离工艺。1超临界流体超临界流体 每一种物质都有其特征的临界参数,在压力温度相图上(图3-15),称其为临界点。临界点对应的压力称为临界压力,用PC表示,对应的温度称为临界温度,用TC表示。不同的物质有不同的临界点。临界点是气体和液体转化的极限,饱和液体和饱和气体的差别消失。当温度和压力超过临界点值时,物质处于既不是液体也不是气体的超临界状态,称其为超临界流体。超临界萃取中应用最多的是CO2。CO2的临界温度31.3,
12、接近于室 温,临 界 压 力 为7.38Mpa,处于中等压力,目前工业水平易于达到,并且无毒,无味,性质稳定,不燃,不腐蚀,易于精制,易于回收。图图3-15 临界点附近的临界点附近的P-T相图相图 2 2超临界萃取原理超临界萃取原理 溶质在一种溶剂中的溶解度取决于两种分子间的作用力,这种溶剂溶质之间的作用力随着分子靠近而强烈的增加,分子间作用力越大,溶剂的溶解度越大。超临界流体的密度越接近液体的密度,因此对溶质的溶解能力与液体基本相同。压力越大,超临界流体的密度越大,对溶质的溶解度也就越大,随着压力的降低,超临界流体的密度减小,溶解度急剧减小。表3-2列出了在超临界乙烯中溶质溶解度理论值与实测
13、值。由此可见,在保持温度恒定条件下,通过调节压力来控制超临界流体的萃取能力或保持密度不变改变温度来提高其萃取能力。从CO2的P-T相图上可以看出,流体在临界区域附近,压力和温度的微小变化,会引起流体密度的大幅度变化,而非挥发性溶质在超临界流体中的溶解度大致和流体的密度成正比,保持温度恒定,增大压力,流体密度增大,对溶质的萃取能力增强;保持压力恒定,提高温度,流体密度相对减小,对溶质的萃取能力降低,使萃取剂与溶质分离。超临界流体萃取正是利用了这种特性,形成了独特的分离工艺。3 3超临界流体的应用实例超临界流体的应用实例 (1)用超临界CO2从咖啡中脱除咖啡因 超临界CO2可以有选择性地直接从原料
14、中萃取咖啡因而不失其芳香味。具体过程为将绿咖啡豆预先用水浸泡增湿,用7090,1622MPa的超临界CO2(这时PCO20.40.65g/cm3)进行萃取,咖啡因从豆中向流体相扩散然后随CO2一起进入水洗塔,用7090水洗涤,约10小时后,所有的咖啡因都被水吸收;该水经脱气后进入蒸馏器回收咖啡因。CO2可循环使用。通过萃取,咖啡豆中的咖啡因可以从原来的0.7%3%下降到0.02%以下,具体工艺流程见图3-16。图图3-16 超临界超临界CO2从咖啡中脱除咖啡因示意图从咖啡中脱除咖啡因示意图 图3-17 CO2萃取啤酒花的工艺流程图(2)用超临界CO2萃取啤酒花 超临界CO2萃取啤酒花的主要理论
15、依据是它在液体CO2中的溶解度随着温度强烈地变化。具体的工艺流程图见图3-17。首先将非极性的液体CO2泵入装有含酒花软树脂的柱1或柱2中,CO2压力控制在5.8MPa并预冷到7,使酸萃取率达到最大;接着,萃取液体进入蒸发器中(分离器),CO2在40左右蒸发,非挥发性物质在蒸发器底部沉积,CO2气流用活性炭吸附的办法去污并增压后重新用于萃取,每次循环损耗小于1%。(3)超临界萃取尼古丁与啤酒花萃取不同,在烟草处理过程中,所需的是经处理后的萃余物-烟草,而尼古丁萃取物是次要的东西。尼古丁超临界流体萃取分单级和多级过程。单级工艺流程中水含量约定俗成5%,温度控制在68133,压力为 30MPa。萃
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