chap5萃取 制藥工藝學

1、第三章 萃 取 Chap.3 Extraction1萃?。喝我鈨上嚅g的傳質過程。包括液液萃取和固液萃取。液液萃?。喝軇┹腿。ɡ靡环N溶質組分在兩個互不相溶的液相中競爭性溶解和分配性質上的差異來進行分離的操作）固液萃取：浸?。ɡ媚撤N溶劑把有用物質從固體原料中提取到溶液中的過程）概述（Introduction） 2浸?。ǔ樘幔└拍?通常指用適當的溶劑和方法，從原料中把有效成分分離出來的過程，該操作常常在重要分離中使用浸取過程1）浸潤、滲透階段2）解析、溶解階段3）擴散、置換階段 浸 取3藥材的成分植物性： 有效成分的分子量一般都比無效成分的分子量小得多，浸出時要求有效成分透過細胞膜滲出動物性：

2、有效成分絕大部分是蛋白質或多肽類，分子量較大，難以透過細胞膜，并且對熱、光、酸、堿敏感，易受微生物、酶解、水解、氧化等作用引起腐敗或分解破壞。礦物性： 無細胞結構，其有效成分可以直接溶解或分散懸浮于溶劑中4一般理想的抽提溶液應具備下述條件：1）對有效成分溶解度大、破壞作用小；2）對雜質不溶解或溶解很小；3）與溶質之間有足夠大的沸點差，以便于采取蒸餾等方法回收利用；4）來源廣泛、價格低廉、操作安全等。5藥材中各類化學成分的溶解性能成分類別溶解性水乙醇乙醚、氯仿水溶性成分水溶性有機酸+或+苷、鞣質、生物堿鹽+-單糖、低聚糖、氨基酸+-蛋白質、酶+（熱時凝固）-脂溶性成分揮發(fā)油-+生物堿鹽、非水溶性

3、有機酸-+苷元樹脂、油樹脂-+脂溶性色素油脂、臘-（熱時可溶）+橡膠-+其他淀粉、纖維素無機成分-或-或-6抽提有效成分的影響因子pH值溶劑的極性和離子強度水解酶溫度 攪拌 氧化 金屬離子 抽提液與抽提物的比例 7概述（Introduction） 液-液萃取的基本原理 在液體混合物中加入與其不完全混溶的液體溶劑（萃取劑），形成液-液兩相，利用液體混合物中各組分在兩液相中溶解度的差異而達到分離的目的。也稱溶劑萃取，簡稱萃取。溶質：混合液中被分離出的物質，以A表示.稀釋劑（原溶劑）（F）：混合液中的其余部分，以B表示.萃取劑（S）：萃取過程中加入的溶劑，以S表示.萃取液:溶質轉移至萃取劑中與萃取劑

4、形成的溶液.萃余液:被萃取出溶質后的料液.8液-液萃取過程的理論基礎% 物質的溶解和相似相容原理% 溶劑的互容性規(guī)律% 溶劑的極性% 分配定律和分離因素% 水相條件的影響（pH值、溫度、鹽析、帶溶劑）9物質的溶解和相似相溶原理分子結構的相似相溶（組成、官能團等）能量相似（極性&非極性） 一個過程要能自動進行，體系的自有能應下降： G= H - T S1）溶解分為三個過程：溶質A各質點的分離（耗能）；溶劑B在溶質作用下形成可容納A質點的空位（耗能）；溶質A進入溶劑B形成的空位（放能）2）能量消耗：非極性極性氫鍵作用16時, 微水相的水與正常的水接近, 反膠團內可形成雙電層。但即使當W0值很大,

5、水池內水的理化性質也不能與正常的水完全相同, 特別是在接近S親水頭的區(qū)域內。36在各pro的pI處(排除了靜電相互作用的影響)，反膠團萃取實驗研究表明: 隨著M增大, pro的分配系數(m, 溶解率)下降。當M 20KD時, m很小. 表明隨M增大, 空間排阻作用增大, pro的溶解率降低. 圖的結果還表明, 要據pro間M的差別可以選擇性對pro進行萃取分離。C疏水性相互作用aa的疏水性各不相同, 研究表明,除pH和I外, aa或肽的m隨aa疏水性的增大而增大.蛋白質的疏水性影響其在反膠團中的溶解形式,因而影響其分配系數. 373反膠束萃取的操作A萃取的基本方法B 反萃取 . C 分級萃取3

6、84、影響反膠團萃取蛋白質的主要因素與反膠團有關系與水相有關的因素與目標蛋白質有關的因素與環(huán)境有關因素表面活性劑的種類pH值蛋白質的等電點系統(tǒng)的溫度表面活性劑的濃度離子的種類蛋白質的大小系統(tǒng)的壓力有機溶劑種類離子的強度蛋白質的濃度助表面活性劑及其濃度蛋白質表面電荷的分布394反膠束萃取的影響因素1) pH valueAOT = 二-(2-乙基已基)琥珀酸酯磺酸鈉。402)鹽濃度鹽濃度W0S&Pro Z選擇性增加鹽向水池內遷移的傾向，蛋白鹽析鹽影響蛋白質和表面活性劑本身的溶解性413)、鹽離子的種類 表面活性劑極性基團的解離程度與離子種類有關，電離程度按電荷依次增加，膠束直徑也增加425)、表面

7、活性劑SA種類BS436) 助表面活性劑 提高表面活性, 還能增強界面膜的流動性,使界面膜的彎曲更加容易,有利于微乳液的形成 445應用1) 蛋白質分離455應用2) 胞內酶的提取3) 蛋白質復性( protein refolding )46 反膠束 （CNKI學術趨勢）47 雙水相萃取 （CNKI學術趨勢）48雙水相萃?。╝queous two-phase system,ATPS）基本原理影響因素應用利用物質在互不相容的兩個水相間分配系數的差異來進行萃取分離的方法。高聚物的分子量、電化學分配、成相高聚物濃度、疏水反應、溫度及其他因素用于蛋白質、核酸、酶等生物大分子的分離純化49幾種典型的雙水

8、相系統(tǒng)兩種聚合物相互混合時，是否分層取決于兩種因素：（1）體系熵的增加（2）分子間的作用力聚合物的不相溶性：由于聚合物分子的空間位阻以及“鹽析”作用。50PEG = 聚已二醇(polyethylene glycol)Kpi = 磷酸鉀DX = 葡聚糖(dextran)雙水相系統(tǒng)(aqueous two-phase system, ATPS)511、雙水相的形成親水性的聚合物溶液熵增混合自發(fā)分子間作用力-隨著Mr的增加,而增大.聚合物的不相容性-含有聚合物分子的溶液發(fā)生分相的現(xiàn)象.相圖:相平衡時物系的組成,溫度與壓力的關系.522、ATPS相圖雙節(jié)線(bi-nodal)：圖中的曲線。雙節(jié)線以下的

9、區(qū)域為均相區(qū),以上的區(qū)域為兩相區(qū)，即ATPS 。 系線(tie line)：雙節(jié)線上兩點的直線。系線反映的信息A 杠桿規(guī)則：系線上各點均為分層組成相同，而體積不同的兩相，總組成不同。兩相體積近似服從杠桿規(guī)則B 性質差異：系線的長度是衡量兩相間相對差別的尺度,系線越長,兩相間的性質差別越大；反之則越小.C臨界點(critical point)：當系線長度趨于零時, 兩相差別消失,任何溶質在兩相中的分配系數均為1。如K點。 533 蛋白質的分配平衡 1)分配系數K2)貢獻因子分配系數KCTCB1、表面自由能的影響2、表面電荷的影響（道南電位）3、其他作用力：增水鍵、氫鍵、離子鍵lgKA A：表面積

10、：兩相表面自由能之差 ：電荷數 ：電位差：標準化學位和活度系數等組成的常數543)、靜電作用 非電解質型溶質:電中性蛋白質的m0： 式中, M: 溶質分子量; : 溶質在上下兩相表面自由能的差, J/mol。意義：A不受靜電作用的影響(因不帶電);B 一般 0，不同溶質lnm隨M 而；CATPS不同, 同一溶質的也就不同，m隨ATPS不同而改變。 圖是不同pro在pH為各自pI的ATPS中的m66000 55000 90000 42700 24500 21000 55道南電位(, Donnan potential) 實際ATPS中有電解質, 當這些離子在兩相中m 1, 將兩相間產生電位差 帶電

11、pro的m:意義：A荷電溶質的分配系數的對數與溶質的凈電荷數成正比.B由于同一ATPS中添加不同的鹽產生的不同,故m與Zpro的關系因鹽而異。564)疏水作用相間疏水因子(HF, hydrophobic factor)PEG/DX和PEG/KPi等ATPS上相(PEG相)疏水性較大,相間的疏水性差用HF表示. HF可通過測定疏水性已知的aa在其pI處的maa測算:RH-aa相對疏水性(relative hydrophobicity).是通過測定aa在水和已醇中溶解度的差別確定的,并設疏水性最小的Gly的RH=0.所以,上式中的B為:mGly為Gly分配系數. 所以, pH=pL時aa在ATPS

12、中的分配系數與其RH值呈線性關系,直線的斜率就是該雙水相系統(tǒng)的HF值.圖為測定實例.57Pro表面疏水性(HFS, HF of surface)利用上式可確定不同ATPS的HF值.如在pH = pI的ATPS中, pro的m0與HF值之間呈線性關系, 則直線的斜率定義為該蛋白質的HFS圖為蛋白質的m0與HF的實測關系圖。圖的結果示：pro的HFS隨NaCl濃度的增大而增大。將鹽對pro的HF影響上式得：其中HFSsalt為鹽增加而引起的HFS值增量。因此，m的一般形式 584 影響蛋白質m的綜合因素1)成相聚合物濃度和分子量分子量M: 同一聚合物的疏水性隨分子量增加而增加。若降低聚合物的M，則

13、pro分配于富含該聚合物的相中。如PEG/DX系統(tǒng)，若降低DX的M，則m減小。這一規(guī)律具有普遍意義。成相系統(tǒng)的總濃度：增大時,系統(tǒng)遠離臨界點,系線長度增加,兩相性質的差別(疏水性等)增大,蛋白質分子的分配系數將偏離臨界點處的值(m=1),即大于1或小于1.因此,成相物質的總濃度越高,系線越長,蛋白質越容易分配于其中的某一相.592)鹽：圖為各種離子在PEF/DX系統(tǒng)中的m. 圖示：HPO42-和H2PO4-(H1.5PO4-1.5)離子在PEG/DX系統(tǒng)的m小, 因此利用pH 7的磷酸鹽buffer很容易改變,使帶負電pro有較高的m.HFS：鹽的種類和濃度影響pro的表面疏水性, 從而影響p

14、ro的m。當鹽的濃度很大時(如1mol/dm3), 由于強烈的鹽析，蛋白質的溶解度達到極限，此時m與pro濃度有關。利用這一特點，通過調節(jié)ATPS鹽濃度，可選擇性萃取不同的pro。不良影響：改變各相中成相物質的組成和相體積比。如PEG/Kpi系統(tǒng)中上、下相(或稱輕重組)的PEG和磷鉀濃度。603)、pH valueA影響蛋白可解離基團的解離度，影響蛋白所帶電荷和分配系數(pH pI) valuepro(Z)lnm61B 交錯分配法(cross partitioning): 當加入不同種類的鹽時，由于相間電位不同，lnmpH關系曲線也不一樣。但在pro的pI處，由于Z=0，m應相同，即兩條關系曲

15、線交于一點。所以, 通過測定不同鹽類存在下 lnmpH曲線的交點,可測定蛋白質細胞器以及微粒的pI。CpH影響系統(tǒng)緩沖物質如磷酸鹽解離：即影響PEG/Kpi系統(tǒng)的相間電位和蛋白質的分配系數。對某些pro, pH的很小變化會使m改變23個數量級。624) 體系溫度 溫度影響小, 一般影響相圖、蛋白分配率以及生物學活性。并且一般溫度改變不影響產物的萃取。 大規(guī)模操作一般在室溫下進行,不需冷卻。這是基于：(1) 成相聚合物PEG對蛋白質有穩(wěn)定作用,常溫下蛋白質不會發(fā)生變性;(2) 常溫下溶液粘度較低,容易相分離;(3) 常溫操作節(jié)省冷卻費用.635、應用1) 蛋白質、酶的純化2) 多肽的分離純化64

16、3) 核酸的分離純化654)、病毒、細胞、細胞器的分離66雙水相分離提取胞內酶甲酸脫氫酶的萃取流程雙水相：7g/100mlPEG4000；1.25g/100mlDex67超臨界萃取 （supercritical fluid extraction） 以接近或超過臨界點的低溫、高壓、高密度氣體作為溶劑，從液體或固體中萃取所需組分，然后采用等壓變溫或等溫變壓等方法，將溶質與溶劑分離的單元操作。 超臨界萃取的基本原理超臨界流體：狀態(tài)在臨界溫度與臨界壓力以上的流體。超臨界流體的 p-V-T 性質常用的超臨界流體：二氧化碳、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷和氨、正戊烷、甲苯等。68超臨界萃取的基本原理超臨界流體的密

17、度接近于液體，黏度接近于氣體，擴散系數在氣體和液體之間，比液體大100倍左右。超臨界流體具有與液體相近的溶解能力，同時其傳質速率遠大于液體溶劑并能很快達到萃取平衡。超臨界流體的基本性質物性氣體(常溫、常壓)超臨界流體液體(常溫、常壓)Tc , pcTc , 4pc密度/(kgm-3)262005004009006001600黏度105/(Pas散系數104/(m2 s-1)0.10.40.7 10-30.2 10-3(0.22) 10-56970超臨界萃取的基本原理超臨界流體的溶解能力與密度接有關，其關系如下：超臨界流體的溶解能力式中 k 和 m 的數值與超臨界流體及

18、被萃取物質的化學性質有關。一般 k 為正值，即密度越大、溶解能力越大。71超臨界萃取的典型流程超臨界萃取主要由萃取階段和分離階段兩部分組成。等溫變壓流程萃取器分離器PP壓縮機膨脹閥T1T2利用不同壓力下超臨界流體萃取能力（溶解度）的差異，通過改變壓力使溶質與超臨界流體分離。特點：T1= T2，p1 p272超臨界萃取的典型流程等壓變溫流程萃取器分離器PP泵加熱器T1T2利用不同溫度下超臨界流體萃取能力（溶解度）的差異，通過改變溫度使溶質與超臨界流體分離。特點：T1 T2，p1= p273超臨界萃取的典型流程等溫等壓吸附流程萃取器分離器PP泵T1T2在分離器內放置僅吸附溶質而不吸超臨界流體的吸附

19、劑，通過吸附過程來達到溶質與超臨界流體分離的目的。特點：T1= T2，p1= p2吸收劑吸附劑74超臨界萃取的特點超臨界流體的密度與溶解能力接近于液體，而又保持了氣體的傳遞特性，故傳質速率高，可更快達到萃取平衡；操作條件接近臨界點，壓力、溫度的微小變化都可改變超臨界流體的密度與溶解能力，故溶質與溶劑的分離容易，費用低；超臨界萃取具有萃取和精餾的雙重特性，可分離難分離物質；超臨界流體一般具有化學性質穩(wěn)定、無毒無腐蝕性、萃取操作溫度不高等特點，故特別適用于醫(yī)藥、食品等工業(yè)；超臨界萃取一般在高壓下進行，設備投資較大。75超臨界萃取的應用實例超臨界CO2分離提取天然產物中的有效成分超臨界CO2萃取操作

20、溫度較低，能避免天然產物中有效成分的分解?？捎糜诳Х榷顾此s塔CO2 + 咖啡因咖啡因CO2 (90oC, 1622MPa)脫氣罐水咖啡豆中脫除咖啡因名貴香花中提取精油啤酒花及胡椒等物料中提取香味成分或香精大豆中提取豆油等76超臨界萃取的應用實例許多反應產物中有效成分的濃度很低，用精餾或蒸發(fā)進行濃縮的能耗很大。用超臨界CO2萃取可將有機物從水相轉入CO2相，以達到節(jié)能的目的。超臨界萃取在生化工程中的應用稀水溶液中有機物的分離用超臨界CO2萃取氨基酸、去除鏈霉素生產中的甲醇等有機溶劑以及從單細胞蛋白游離物中提取脂類等。活性炭的再生用超臨界CO2萃取法可解決傳統(tǒng)的高溫再生或化學再生中存在的高費用、吸附劑損失以及二次污染等問題。補充CO2再生器再生器壓縮機吸附質換熱器77萃取設備混合設備：噴嘴式混合器、管式混合器、氣流攪拌混合器分離設備：高速離心機以及超高速離心機混合分離設備781.混和澄清器它由混合器及澄清器兩部分組成，混合器內裝有攪拌器。原料液及溶劑同時加入混合器內，經攪拌后流入澄清器，進行沉降，即重相沉至底部形成重相層，而輕相浮入器上部，形成輕相層。輕相層及重相層分別由其排出口引出，若為了進一步提高分離程度，可將多個混合澄清器按錯流或逆流的流程組