制藥設備第四部分萃取蒸發(fā)設備第四課課件

第七章制藥工程萃取設備萃取：將所選定的某種溶劑，加入到液體混合物中，根據(jù)混合物中不同組分在該溶劑中的溶解度不同，將需要的組分分離出來，這個操作過程稱為溶劑萃取。第七章制藥工程萃取設備萃?。簩⑺x定的某種溶1萃取操作的基本過程如圖所示。原料液（液體混合物）由A、B兩組分組成，若待分離的組分為A，則稱A為溶質，B組分為原溶劑（或稱稀釋劑），加入的溶劑稱為萃取劑S。首先將原料液和溶劑加入混合器中，然后進行攪拌。萃取劑與原料液互不相溶，混合器內存在兩個液相。通過攪拌可使其中一個液相以小液滴的形式分散于另一相中，造成很大的相接觸面積，有利于溶質A由原溶劑B向萃取劑S擴散。過程：萃取操作的基本過程如圖所示。原料液（液體混合物2A在兩相之間重新分配后，停止攪拌，將兩液相放入澄清器內，依靠兩相的密度差進行沉降分層。上層為輕相，通常以萃取劑S為主，并溶入較多溶質A，同時含有少量B，為萃取相，以E表示；下層為重相，以原溶劑B為主及未擴散溶質A，同時含有少量的S，稱為萃余相，以R表示。在實際操作中，也有輕相為萃余相，重相為萃取相的情況。萃取相和萃余相都是A、B、S的均相混合物，為了得到分離后的A組分，應除去溶劑S，稱為溶劑回收?；厥蘸蟮娜軇㏒，可供循環(huán)使用。通常用蒸餾的方法回收S，如果溶質A很難揮發(fā)，也可用蒸發(fā)的方法回收S。萃取相脫去溶劑S后，稱為萃取液，以E`表示；萃余相脫去S后，稱為萃余液，以R`表示。A在兩相之間重新分配后，停止攪拌，將兩液相放3由此可見，一個完整的萃取過程應包括：原料液（A+B）與萃取劑（S）的充分混合，以完成溶質（A）由原溶劑（B）轉溶到萃取劑S的傳質過程；萃取相與萃余相的分離過程；從兩相中回收溶劑S最后得到產品的過程。由此可見，一個完整的萃取過程應包括：原料液（A4溶劑萃取方式在工業(yè)生產操作中，完整的萃取操作應該包括：①混合：原料液與萃取劑的充分混合，完成溶質A由原溶劑B轉移到萃取劑S的過程；②分離：萃取相與萃余相分離過程；③萃取劑S的回收：從萃取相和萃余相中回收萃取劑S，供循環(huán)使用的過程。萃取操作流程按不同的分類方法，可分為間歇和連續(xù)，單級和多級萃取流程。在多級萃取流程中，又可分為多級錯流和多級逆流萃取流程。

溶劑萃取方式5

1．單級萃取單級萃取是液—液萃取中最簡單的操作形式，一般用于間歇操作，也可用于連續(xù)操作。單級萃取流程示意圖，單級萃取常用設備——單級混合澄清器。

1．單級萃取6

2．多級并流萃取單級萃取效率不高，萃余相中溶質A的組成仍然很高。為使萃余相中溶質A的組成達到要求值時，可采取多級錯流萃取。3．多級逆流萃取將若干個單級萃取器分別串聯(lián)起來，料液和萃取劑分別從兩端加入，使料液和萃取液逆向流動，充分接觸，即構成多級逆流萃取操作。2．多級并流萃取3．多級逆流萃取7料液經萃取后的萃余液再用新鮮萃取劑進行萃取的方法稱為多級并流萃取。料液經萃取后的萃余液再用新鮮萃取劑進行萃取的方法稱為8此法與并流萃取相比，萃取劑耗量較少，因而萃取液平均濃度較高。多級逆流萃取流程的特點：料液走向和萃取劑走向相反，只在最后一級中加入萃取劑，萃取劑消耗少，萃取液產物平均濃度高，產物收率較高。工業(yè)上多采用多級逆流萃取流程。此法與并流萃取相比，萃取劑耗量較少，因而萃取9萃取設備1、萃取體系的組成及功能液-液萃取設備應包括混合設備、分離設備?；旌显O備：使料液與萃取劑充分混合形成乳濁液，欲分離的生物產品自料液轉入萃取劑中。分離設備：將萃取后形成的萃取相和萃余相進行分離。萃取設備1、萃取體系的組成及功能102、分類2、分類11混合設備1、萃取罐2、靜態(tài)混合器（1）工作原理萃取劑及料液在一定流速下進入管道一端，混合后從另一端導出，依靠管內特殊設計的內部單元和流體流動實現(xiàn)液體混合。強迫湍流狀態(tài)；料液在管內平均停留時間10~20s。（2）特點混合管的萃取效果高于混合罐，且為連續(xù)操作。流程簡單、結構緊湊、能耗小、萃取效率高。適于各種黏度的流體。混合設備1、萃取罐2、靜態(tài)混合器（1）工作原理12分離設備碟片離心機分離設備碟片離心機13原料液與溶劑中密度較大者（稱為重相）從塔頂加入，密度較小者自塔底加入。兩相中其中有一相經分布器分散成液滴（稱為分散相），另一相保持連續(xù)（稱為連續(xù)相），分散的液滴在沉降或上浮過程中與連續(xù)相逆流接觸，進行溶質A由B相轉移到S相傳質過程，最后輕相由塔頂排出，重相由塔底排出。圖3-10塔式液液萃取流程混合分離一體設備1、萃取塔原料液與溶劑中密度較大者（稱為重相）從塔頂加入，密度14塔內溶質在其流動方向的濃度變化是連續(xù)的；需用微分方程來描述塔內溶質的質量守恒定律，因此稱為微分萃取。圖是部分塔式設備示意圖。塔內溶質在其流動方向的濃度變化是連續(xù)的；需用15制藥設備第四部分萃取蒸發(fā)設備第四課課件16重液相由底部軸周圍的套管進入轉鼓后,沿螺旋通道由內向外流經各筒,最后由外筒經溢流環(huán)到向心泵室被排出.輕液由底部中心管進入轉鼓,流入第十圓筒,從下端進入螺旋通道,由外向內流過各筒,最后從第一筒經出口排出由11個不同直徑的同心圓筒組成的轉鼓,每個圓筒上均在一端開孔,相鄰筒開孔位置上下錯開,料液和萃取劑上下曲折流動1、離心萃取設備（1）、立式離心萃取器重液相由底部軸周圍的套管進入轉鼓后,沿螺旋通道由內向外流經各17（2）、臥式離心萃取器（2）、臥式離心萃取器18（3）、逆流萃取傾析器（3）、逆流萃取傾析器19

溶劑萃取過程中的工藝問題及處理在溶劑萃取過程中，兩相界面上經常會產生乳化現(xiàn)象。乳化是指液體以細小液滴的形式分散在另一不相溶的液體中。例如水以細小液滴的形式分散在有機相中，或有機溶劑以細小液滴的形式分散在水相中。在發(fā)酵液的溶劑萃取中產生乳化現(xiàn)象后，使水相和有機相分層困難，影響萃取分離操作的進行。它可能產生兩種夾帶：萃余相中夾帶溶劑，目標產物的收益率降低；萃取相中夾帶發(fā)酵液，給分離提純制造困難。一般形成乳狀液要有兩個條件：互不相溶的兩相溶劑和表面活性物質。在發(fā)酵液中有蛋白質和固體微粒，這些物質具有表面活性劑的作用。因此溶劑萃取中，乳化現(xiàn)象極易發(fā)生。乳化現(xiàn)象與破乳化溶劑萃取過程中的工藝問題及處理乳化現(xiàn)象與破乳化20在形成的乳狀液中，如果表面活性物質親水基團強度大于親油基團，易形成水包油型（O/W）型乳狀液；如果表面活性物質親油基團強度大于親水基團，易形成油包水型（W/O）乳狀液。在發(fā)酵液溶劑萃取中，由蛋白質引起的乳狀液是水包油型的（O/W）的。這種界面乳狀液可放置數(shù)月而不凝聚。一方面由于蛋白質分散在兩相界面，形成無定形黏性膜保護作用，另一方面，發(fā)酵液中存在一定數(shù)量的固體顆粒，對于已產生的乳化層也有穩(wěn)定作用。因此，防止萃取過程發(fā)生乳化和破乳，就成為溶劑萃取提高萃取操作效率的重要課題。在發(fā)酵液溶劑萃取過程中，防止發(fā)生乳化現(xiàn)象的手段就是在實施萃取操作前，對發(fā)酵液進行過濾和絮凝沉淀處理，除去大部分蛋白質及固體微粒，消除引起水相乳化因素。在形成的乳狀液中，如果表面活性物質親水基團強度大21發(fā)生乳化后，可根據(jù)乳化的程度和乳狀液的性質，采用適當?shù)钠迫槭侄巍Ｈ榛潭炔粐乐貢r，可采用過濾和離心沉降的方法。針對乳狀液和界面型活性劑類型，加入相反的界面活性劑，促使乳狀液轉型變型性。對于水包油型（O/W）乳狀油，加入十二烷基磺酸鈉，可使乳狀液從O/W型向W/O型轉化，但由于溶液條件不允許W/O型號乳濁液的形成，從而達到破乳的目的。破乳的其他方法還有；加入強電解質，破壞乳狀液雙電層的化學法；加熱、稀釋吸附的物理法；加入表面活性更強物質，把界面活性替代出來的頂替法等等。但這些方法耗時、耗能、耗物，最好在實施溶劑萃取操作前，對發(fā)酵液進行預處理，從源頭上消除乳化現(xiàn)象的發(fā)生。發(fā)生乳化后，可根據(jù)乳化的程度和乳狀液的性質，采用適22新型萃取技術超臨界流體萃取流體在超臨界狀態(tài)下，其密度接近液體，具有與液體溶劑相當?shù)妮腿∧芰Γ黄湔扯冉咏跉怏w，傳遞阻力小，傳質速率大于其處于液態(tài)下的溶劑萃取速率?；诔R界流體的這種優(yōu)良特性，自20世紀70年代以來，迅速發(fā)展為一門綜合了精餾與液液萃取兩個單元操作的優(yōu)點的獨特的分離工藝。1．超臨界流體

每一種物質都有其特征的臨界參數(shù)，在壓力—溫度相圖上（圖3-15），稱其為臨界點。臨界點對應的壓力稱為臨界壓力，用PC表示，對應的溫度稱為臨界溫度，用TC表示。不同的物質有不同的臨界點。臨界點是氣體和液體轉化的極限，飽和液體和飽和氣體的差別消失。當溫度和壓力超過臨界點值時，物質處于既不是液體也不是氣體的超臨界狀態(tài)，稱其為超臨界流體。新型萃取技術超臨界流體萃取23超臨界萃取中應用最多的是CO2。CO2的臨界溫度31.3℃,接近于室溫，臨界壓力為7.38Mpa，處于中等壓力，目前工業(yè)水平易于達到，并且無毒，無味，性質穩(wěn)定，不燃，不腐蝕，易于精制，易于回收。圖3-15臨界點附近的P-T相圖超臨界萃取中應用最多的是CO2。CO2的臨界溫度31.24

2．超臨界萃取原理溶質在一種溶劑中的溶解度取決于兩種分子間的作用力，這種溶劑溶質之間的作用力隨著分子靠近而強烈的增加，分子間作用力越大，溶劑的溶解度越大。超臨界流體的密度越接近液體的密度，因此對溶質的溶解能力與液體基本相同。壓力越大，超臨界流體的密度越大，對溶質的溶解度也就越大，隨著壓力的降低，超臨界流體的密度減小，溶解度急劇減小。表3-2列出了在超臨界乙烯中溶質溶解度理論值與實測值。2．超臨界萃取原理25由此可見，在保持溫度恒定條件下，通過調節(jié)壓力來控制超臨界流體的萃取能力或保持密度不變改變溫度來提高其萃取能力。從CO2的P-T相圖上可以看出，流體在臨界區(qū)域附近，壓力和溫度的微小變化，會引起流體密度的大幅度變化，而非揮發(fā)性溶質在超臨界流體中的溶解度大致和流體的密度成正比，保持溫度恒定，增大壓力，流體密度增大，對溶質的萃取能力增強；保持壓力恒定，提高溫度，流體密度相對減小，對溶質的萃取能力降低，使萃取劑與溶質分離。超臨界流體萃取正是利用了這種特性，形成了獨特的分離工藝。由此可見，在保持溫度恒定條件下，通過調節(jié)壓力來控制超臨26

3．超臨界流體的應用實例

（1）用超臨界CO2從咖啡中脫除咖啡因

超臨界CO2可以有選擇性地直接從原料中萃取咖啡因而不失其芳香味。具體過程為將綠咖啡豆預先用水浸泡增濕，用70～90℃，16～22MPa的超臨界CO2（這時PCO2≈0.4～0.65g/cm3）進行萃取，咖啡因從豆中向流體相擴散然后隨CO2一起進入水洗塔，用70～90℃水洗滌，約10小時后，所有的咖啡因都被水吸收；該水經脫氣后進入蒸餾器回收咖啡因。CO2可循環(huán)使用。通過萃取，咖啡豆中的咖啡因可以從原來的0.7%?3%下降到0.02%以下，具體工藝流程見圖3-16。3．超臨界流體的應用實例27圖3-16超臨界CO2從咖啡中脫除咖啡因示意圖圖3-16超臨界CO2從咖啡中脫除咖啡因示意圖28

圖3-17CO2萃取啤酒花的工藝流程圖圖3-17CO2萃取啤酒29（2）用超臨界CO2萃取啤酒花

超臨界CO2萃取啤酒花的主要理論依據(jù)是它在液體CO2中的溶解度隨著溫度強烈地變化。具體的工藝流程圖見圖3-17。首先將非極性的液體CO2泵入裝有含酒花軟樹脂的柱1或柱2中，CO2壓力控制在5.8MPa并預冷到7℃,使α－酸萃取率達到最大；接著，萃取液體進入蒸發(fā)器中（分離器），CO2在40℃左右蒸發(fā)，非揮發(fā)性物質在蒸發(fā)器底部沉積，CO2氣流用活性炭吸附的辦法去污并增壓后重新用于萃取，每次循環(huán)損耗小于1%。

（3）超臨界萃取尼古丁與啤酒花萃取不同，在煙草處理過程中，所需的是經處理后的萃余物-煙草，而尼古丁萃取物是次要的東西。（2）用超臨界CO2萃取啤酒花超臨界CO2萃取啤酒花30尼古丁超臨界流體萃取分單級和多級過程。單級工藝流程中水含量約定俗成5%，溫度控制在68℃～133℃，壓力為30MPa。萃取后的煙草經干燥后進一步加工處理，萃取物-尼古丁可通過減壓升溫或吸咐等方法進行分離。單級萃取的缺點是不利于保留煙草香味。多級萃取工藝程見圖3-18,第一級中，CO2有選擇地將香味從新鮮煙草中移去，加入到已脫除尼古丁和香味和煙草中去。第二級中將煙草增濕，在等溫等壓的循環(huán)操作中脫除尼古丁。第三級中，通過反復溶解和沉淀，將香味均勻分布在煙草中。經這樣萃取后的煙草尼古丁含量可降低95%左右。圖3-18超臨界CO2多級萃取尼古丁示意圖尼古丁超臨界流體萃取分單級和多級過程。單級工藝流程中水314、超臨界CO2流體萃取裝置及工藝流程1-CO2氣瓶；2-純化器；3-冷凝器；4-高壓泵；5-加熱器；6-萃取釜；7-分離器；8-放油閥；9-節(jié)流減壓閥；10、11、12-閥門4、超臨界CO2流體萃取裝置及工藝流程1-CO2氣瓶；2-純32制藥設備第四部分萃取蒸發(fā)設備第四課課件33一、離子交換法

離子交換劑上的離子和水中的離子進行交換的一種特殊吸附現(xiàn)象。與其它吸附過程相比：主要吸附水中離子態(tài)物質；交換劑上的離子和水中離子進行“等當量”的交換。第八章離子交換及設備一、離子交換法第八章離子交換及設備34二、發(fā)展1805年英國科學家發(fā)現(xiàn)了土壤中Ca2+和NH4+的交換現(xiàn)象；1876年Lemberg揭示了離子交換的可逆性和化學計量關系；1935年人工合成了離子交換樹脂；1940年應用于工業(yè)生產；1951年我國開始合成樹脂。二、發(fā)展1805年英國科學家發(fā)現(xiàn)了土壤中Ca2+和NH4+的35(一)給水處理

硬水軟化、脫鹽。純水、高純水的制備。(二)廢水處理

廢水中金屬離子：Zn2+、Cu2+、Cr6+、Cr3+

(三)工業(yè)生產

產品的提純

三、應用(一)給水處理三、應用36

1去除率高，凈化效果好；2可做到污染物的回收利用；3對廢水的預處理要求較高；4樹脂再生液需要進一步處置。四、特點1去除率高，凈化效果好；四、特點37

固體球形顆粒，多孔網狀結構；不溶于水；具有離子交換特性的有機高分子聚電解質。一、離子交換樹脂

(一)組成

離子交換樹脂母體(骨架)活性基團固定離子可交換離子苯乙烯(單體)+二乙烯苯(交聯(lián)劑)母體共聚H2SO4功能基反應R—SO3H固定離子可交換離子母體固體球形顆粒，多孔網狀結構；不溶于水；具有38

(二)樹脂分類按選擇性按結構離子交換樹脂凝膠型等孔型孔大、均勻，抗有機污染能力強?？状螅苊浂刃?，交換速度高，抗污染能力強?？紫缎　⑸?，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。大孔型離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂弱堿性陰離子交換樹脂R—NH3OH強堿性陰離子交換樹脂RNOH弱酸性陽離子交換樹脂R—COOH強酸性陽離子交換樹脂R—SO3H(二)樹脂分類按結構離子交凝膠型等孔型孔大、均勻，抗39二、樹脂的特性

(一)外觀形狀：透明或半透明的球狀珠體。顏色：白、淺黃、赤褐色。(二)含水率

樹脂孔隙內所含的水分，一般在40%～69%。與樹脂的膠聯(lián)度有關，交聯(lián)度低，空隙率高，含水率高。二、樹脂的特性(一)外觀(二)含水率40

(三)密度干真密度：干燥狀態(tài)下，樹脂材料本身具有的密度。濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹脂本身的密度。表觀密度：樹脂在水中充分溶脹后的堆積密度(視密度)。單位均為mg/L.

(四)交聯(lián)度交聯(lián)度為樹脂合成時交聯(lián)劑的用量，一般為7%~10%。交聯(lián)度越高，孔隙度越低，密度越大，對半徑較大的離子和水合離子擴散速度越低，交換量越小。在水中浸泡，形變小，較穩(wěn)定。(三)密度(四)交聯(lián)度41

(五)溶脹性

吸水后體積增大的現(xiàn)象。溶脹程度用溶脹率表示：溶脹的原因

水擴散到樹脂交聯(lián)網孔發(fā)生溶脹；活性基團離解形成水合離子。影響因素樹脂交聯(lián)度：交聯(lián)度越大，溶脹率越低?；钚曰鶊F：離解程度越大，溶脹率越大；可交換離子：水合半徑越大，溶脹率越高。(五)溶脹性溶脹的原因42

(六)交換容量

單位體積濕樹脂(容量表示法)或單位重量干樹脂(重量表示法)可發(fā)生交換的活性基團數(shù)量。

容量表示法EV：mmol/ml、mol/l。

重量表示法EW

：mmol/g、mol/kg。EV=EW×[濕比重×(1-含水率)]

全交換容量：單位體積或重量樹脂中含可交換基團的總數(shù)。工作交換容量：在動態(tài)工作條件下，當出水水質達到交換終點時，樹脂層達到的平均交換容量。(六)交換容量43三、樹脂的選擇

根據(jù)處理對象選擇對應類型的樹脂。注意離子在水中的存在狀態(tài)，如Cr6+在廢水中的存在形式為CrO42-或Cr2O72-。三、樹脂的選擇根據(jù)處理對象選擇對應類型的樹脂。44離子交換原理一、離子交換反應

b(R—A)a++aBb+?a(R—B)b++bAa+

特點：符合質量作用定律;等當量進行的同性離子的互換反應;具有飽和性;樹脂母體和固定離子不發(fā)生變化。離子交換原理一、離子交換反應b(R—A)a+45二、離子交換平衡

b(R—A)a++aBb+?a(R—B)b++bAa+有：式中：f為活度系數(shù)。二、離子交換平衡b(R—A)a++aBb+?a(R—B46離子交換工藝及設備二、動態(tài)交換

(一)裝置類型

固定床系統(tǒng)單床、復床、混合床移動床和流化床一、離子交換操作方式靜態(tài)交換動態(tài)交換離子交換工藝及設備二、動態(tài)交換一、離子交換操作方式47(二)工藝流程及操作過程工藝流程運行過程廢水預處理交換離子排放去除影響交換的雜質:懸浮物、油類、膠體吸附、過濾去除陽離子、陰離子反洗再生交換正洗(二)工藝流程及操作過程運行過程廢水預處理交48三、樹脂的再生

(一)再生的目的恢復樹脂的交換能力回收有用物質(二)再生原理b(R—A)a++aBb+≒a(R—B)b++bAa+三、樹脂的再生(一)再生的目的(二49(二)影響再生的因素

再生劑再生劑的種類H型陽樹脂：再生劑HCl或H2SO4，HCl優(yōu)于H2SO4。OH型陰樹脂：再生劑Na2CO3或NaOH。

再生劑的濃度HCl5～10%NaOH10～12%、4～8%再生劑用量1.2～3.0倍樹脂體積。(二)影響再生的因素再生劑50

再生方式

順流再生

優(yōu)點：工藝簡單；操作方便、可靠。

缺點：有重復交換現(xiàn)象，再生劑用量高；工作交換容量低。再生方式51再生方式

逆順流再生

優(yōu)點：

避免重復交換；再生劑用量少。樹脂底層再生干凈，工作交換容量較高。

缺點：

設備較復雜。要求控制技術高。

再生方式52應用二水的軟化和除鹽

(一)水質軟化1Na離子交換軟化系統(tǒng)

2R—Na+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2NaHCO32R—Na+CaSO4=R2—Ca+Na2SO4

2R—Na+MgCl2=R2—Mg+2NaCl2應用二水的軟化和除鹽532強酸性H離子交換脫堿軟化系統(tǒng)

2R—H+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2CO2+2H2O2R—H+CaCl2=R2—Ca+2HCl2R—H+NaCl=R—Na+2HCl生成的CO2用CO2去除裝置去除，HCl加堿中和。2強酸性H離子交換脫堿軟化系統(tǒng)54

(二)水的除鹽

工藝流程：

強酸R