第七章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。影响萃取的因素1、萃取剂的选择2、PH的范围3、温度的确定4、盐析、带溶剂、去乳化的作用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。混合通常在搅拌罐中进行；也可以将料液和萃取剂以很高的速度在管道内混合，湍流程度很高，称为管道萃取，也有利用在喷射泵内涡流混合进行萃取的称为喷射萃取。分离通常利用离心机（碟片式或管式）。近来也有将混合和分离同时在一个设备内完成的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．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。单级萃取流程示意图，单级萃取常用设备——单级混合澄清器。2．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。多级并流萃取过程示意图10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。11萃取设备1、萃取体系的组成及功能混合设备：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分离设备：将萃取后形成的萃取相和萃余相进行分离。122、分类13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10~20s。（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。14分离设备碟片离心机15喷射式混合器吸入口出口扩大管喷嘴图9-5喷嘴式混合器16原料液与溶剂中密度较大者（称为重相）从塔顶加入，密度较小者自塔底加入。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，最底排出。图3-10塔式液液萃取流程混合分离一体设备1、萃取塔17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。1819重液相由底部轴周围的套管进入转鼓后,沿螺旋通道由内向外流经各筒,最后由外筒经溢流环到向心泵室被排出.轻液由底部中心管进入转鼓,流入第十圆筒,从下端进入螺旋通道,由外向内流过各筒,最后从第一筒经出口排出由11个不同直径的同心圆筒组成的转鼓,每个圆筒上均在一端开孔,相邻筒开孔位置上下错开,下曲折流动1、离心萃取设备（1）、立式离心萃取器20（2）、卧式离心萃取器21（3）、逆流萃取倾析器22管式离心机图9-8GF-105管式超速离心机外形图23此类离心机适用于分离乳浊液或含少量固体的乳浊液。其结构大体可分为三部分：第－部分是机械传动部分；第二部分是由转鼓碟片架、碟片分液盖和碟片组成的分离部分；第三部分是输送部分，在机内起输送已分离好的两种液体的作用，由向心泵等组成。24轻液向心泵出口重液向心泵出口图9-6OEP离心机转鼓剖视图25多级萃取离心设备图9-10ABE-216离心萃取机轻重液走向示意图26图9-9ABE-216离心萃取机转鼓剖视图27三级逆流离心萃取机0图9-12Westfalia生产的三相倾析式离心机1-三角皮带2-差速变动装置3-转鼓皮带轮4-轴承5-外壳6-分离盘7-螺旋输送器8-轻相分布器10-转鼓11-调节环12-重液出口13-轻注出口14-转鼓主轴承15-轻相送料管16-重相送料管17-向心泵A-干燥段B-澄清段C-分离段D-入口F-调节器盘G-调节管H-重液出口K-轻液出口28低单位丁酯倾析器S2倾析器S1轻相去水洗发酵液H2SO4破乳剂图9-11倾析器工艺流程29固液萃取设备夹套间歇萃取设备物料萃取液残渣图9-16夹套加热间隙萃取装置--溶剂--冷却盐水--萃取液--蒸汽或热水--线多功能提取罐蒸汽含挥发油的水固体物料图9-17多功能提取罐及萃取流程1-冷凝器2-冷却器3-油水分离器4-上气动装置5-固体进料口10-夹层11-带筛板的活底11残渣3132关闭的旋塞开启的旋塞图9-18溶剂连续回收的多级逆流半连续固液萃取装置33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 乳化现象与破乳化34 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 35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。 36 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。 37 1．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P 表示，对应的温度称为临界温度，用T 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。 38 超临界萃取中应用 最多的是CO 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 图3-15临界点附近的P-T相图 39 2．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 4041 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CO 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。 42 3．超临界流体的应用实例 （1）用超临界CO 从咖啡中脱除咖啡因超临界CO 可以有选择性地直接从原料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70～90，16～ 22MPa的超临界CO ）进行萃取，咖啡因从豆中向流体相扩散然后随CO 一起进入水洗塔，用70～90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。CO