年产10吨穿山龙总皂苷的提取工艺设计(共13页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上1 前言1.1 原料及产品简介1.1.1 穿山龙简介穿山龙(Dioscorea Nipponica Makino)，别名穿地龙、地龙骨、金刚骨、鸡骨头、野山药，生于山坡林边、灌木林下及沟边。主产辽宁、吉林、黑龙江、河北、内蒙古、山西、陕西。采制 春、秋季采挖，挖取根茎，除去须根、外皮（栓皮），晒干。性状：根茎呈圆柱形、类圆柱形，稍弯曲，有指状分枝，长短不一，直径0.31.5cm。表面棕色或黄色，两侧散生须状细根或细根断痕。质坚硬，断面平坦，白色或类白色，粉性。气微，味苦涩。穿山龙为薯蓣科植物穿龙薯蓣的干燥根茎,收于中国药典，具祛风除湿、活血通络、清肺化痰等多种功效。其

2、有效成分为甾体皂苷, 其中水不溶性皂苷主要为薯蓣皂苷、纤细皂苷,皂苷元均为薯蓣皂苷元。穿山龙皂苷具有改善冠脉循环、增加冠脉流量、抗动脉粥样硬化等作用，其镇咳作用的有效成份主要为水溶性皂苷，祛痰作用则为水不溶性皂苷。皂苷按皂苷配基的结构分为两类：甾醇皂苷：其皂苷配基是螺甾烷的衍生物，多由27个碳原子所组成（如薯蓣皂苷）。这类皂苷多存在于百合科和薯蓣科植物中；三萜皂苷：其皂苷配基是三萜的衍生物，大多由30个碳原子组成。三萜皂苷分为四环三萜和五环三萜。这类皂苷多存在于五加科和伞形科等植物中。多数皂苷能降低液体（水）的表面张力，具有起泡沫性质和乳化剂作用，能用作清洁剂，还有溶血和毒鱼的作用。1.1.2

3、 穿山龙总皂苷药理作用薯蓣皂苷是广泛应用于医疗的最普遍的皂苷，其应用领域体现在两个方面:一是作为制备薯蓣皂苷元的前体。由于薯蓣皂苷元的需求量巨大，薯蓣皂苷主要用作生产薯蓣皂苷元的原料。二是直接作药用。薯蓣皂苷有明显的止咳、祛痰、平喘活性，用于治疗冠心病，副作用小，可减少心绞痛。成都生物所用黄姜研制的地奥心血康，具有调节新陈代谢地作用，用于治疗动脉硬化，对心血管系统的疾病有转好的疗效。国内己有数家工厂以黄姜为原料，提取总薯蓣皂苷作为临床上的降血脂药物。1978年，江苏省植物研究所研制了盾叶“冠心宁”，临床治疗冠心病、心绞痛有一定疗效。1998年，武汉植物园的崔天义研究发现:黄姜的正丁醇提物，有效

4、成分是薯蓣皂苷，在浓度为30ml/L时，在48h内，灭钉螺率达100%，是杀灭钉螺并预防血吸虫病理想的“环保药物”。原始薯蓣皂苷的26位连接一个葡萄搪，能溶于水。水溶性好更利于拓宽应用领域。1.1.3 穿山龙总皂苷的质量标准从穿山龙中提取分离出的总皂苷，经过浓缩、干燥后使皂苷含量达到50%，且水分含量低于5%，性味归经：苦，平，乙醇回流法提取物为淡红棕色，和薯蓣皂苷本品颜色基本相同。1.2 设计的目的、意义及任务1.2.1 目的及意义穿山龙有多种薯蓣皂苷，是合成甾体激素和甾体避孕药的主要原料，也是我国薯蓣皂苷元含量最高的植物。平均薯蓣皂苷元含量在2%左右，单株最高含量达到16%。我国穿山龙资源

5、丰富，广泛分布于我国东北、西北、华北、华中和西南等省区，是世界上宝贵的药用植物资源。薯蓣皂苷是广泛应用于医疗的最普遍的皂苷。首先是作为制备薯蓣皂苷元的前体，同时薯蓣皂苷也直接作药用。近十年来，激素类药物在世界上的需求逐年上升，作为前体的薯蓣皂苷元供不应求。本设计目的是寻找效率高、工艺简短、成本低、污染小的工艺过程提取穿山龙总皂苷，较为科学的皂苷提取方法对该资源的开发利用将是一个很大的促进。本设计通过对以往方法的利弊分析，选择了一种最佳方案，以供制药企业进行大规模生产，因此在我国薯蓣资源日益减少的现状下，研究新的生产工艺提高薯蓣皂苷元的得率。1.2.2 设计任务（1）查阅相关文献资料：根据设计任

6、务查阅相关书籍、文献收集资料，从有关手册图表中获得物性、常数及经验数据等，并充分利用实验室对相关参数进行研究测试。（2）进行提取工艺方案选择：对一个设计任务，根据所选取的设备及操作条件参数等的不同，可以得到不同的设计方案。将这些不同的方案进行技术可行性和经济合理性两方面比较，可从中选出最佳方案、确定生产工艺。（3）对工艺过程进行物料衡算和热量衡算。（4）设备选型：查阅资料、根据计算结果选择工艺设备，包括设备型号、尺寸、公用工程的消耗等。（5）绘制工艺流程图：熟悉计算机的操作和流行公式编辑器软件和绘制流程图软件的使用，根据所确定的生产工艺，绘制工艺流程图，应有管道、阀门及流体流向的标示。（6）根

7、据任务和基本依据，通过认真仔细地计算，设计出达到效果的穿山龙总皂苷生产工艺及设备，并撰写设计说明书。1.3 工艺筛选1.3.1 水煎法提取准确称取25.0 g预处理恒重的穿山龙粉末，按照溶剂体积：原料质量=8：1，及8倍量水常温浸泡12 h。转入回流瓶中提取，在90下回流提取3次，每次2 h。将每次所得提取液过100目筛，合并提取液并离心（3500 r/min,15min）。取上清液并将皂苷元的浓度用蒸馏水稀释到0.20 g穿山龙生药每毫升水溶液，及0.20 g生药/mL的上样液备用。（1）取预处理完备的D-101大孔吸附树脂一定量，装入玻璃柱中，用蒸馏水充分浸泡树脂； （2）将上述上样液倒入

8、树脂柱中。打开柱阀，当有上样液流出时，关闭柱阀，使之与树脂静态吸附12 h。以1.0 mL/min流速进行动态吸附，并将流出液重吸附一次，同时对重吸附流出液进行E试剂定性检测和比色法定量检测；（3）采用定量蒸馏水以2.0 mL/min的流速洗脱树脂，弃去水洗脱液；（4）用50%的乙醇以2.0 mL/min的流速洗脱树脂，流出液每50 mL收集一份。并用E试剂定性检测。当洗脱液与E试剂反应基本不显红色时，同时对洗脱液中的皂苷元进行定量检测。直到流出液中皂苷元含量小于3.0 g/mL时，停止洗脱。（5）合并洗脱液减压浓缩，将浓缩液转入干燥恒重的培养皿中60干燥。（6）将干燥好的产物称重，研钵研成粉

9、末，储存备用。1.3.2 超声波辅助乙醇法提取准确称取25.0 g预处理恒重的穿山龙粉末，用12倍量60%乙醇常温浸泡12h，放入超声波容器中进行提取。设定条件如下：时间30min、功率100W、频率40kHz、温度40、提取次数3次，溶剂量12倍（第1次），6倍（第2，3次）。每次提取后过100目筛，合并提取液并离心 （3500 r/min,15min），上清液浓缩，直到浓缩液中没有乙醇为止。将浓缩液用蒸馏水稀释到0.20g生药/mL的上样液备用。 上样液按照1.3.1中相同的方法用D-101大孔吸附树脂精制后得到干品称重备用。1.3.3 乙醇提取法准确称取25.0 g预处理好的干燥恒重的穿

10、山龙粉末，用6倍量60%乙醇在60回流提取3次，每次2 h。所得提取液过100目筛，合并并离心（3500 r/min,15min）,上清液浓缩到没有乙醇为止。将浓缩液用蒸馏水稀释到0.20g生药/mL的上样液备用。上样液按照1.3.1中相同的方法用D-101大孔吸附树脂精制后得到干品称重备用。1.3.4 自然发酵乙醇提取法（1）预发酵醇提取法制备穿山龙总皂苷提取液准确称取25.0 g预处理恒重的穿山龙粉末，用4.8倍量及120 mL蒸馏水浸泡。转入37恒温箱中恒温发酵12 h。发酵后补加无水乙醇180 mL，转入提取器中，在60回流提取2h，2、3次提取采用6倍量60%乙醇60回流提取，提取时

11、间为2h，将所得提取液过100目筛，合并提取液并离心（3500 r/min,15min），上清液减压浓缩至没有乙醇为止。并将浓缩液稀释到1.0 g生药/15 mL的上样液备用。将所得上述稀释液按照ZTC澄清剂的最佳条件澄清处理后，离心、抽滤所得澄清液按照2.7.1中相同的方法上处理好的D-101大孔吸附树脂后得到干品备用。（2）不同发酵时间提取准确称取三份25.0g预处理恒重的黄姜粉末，按照（1）中方法预发酵24h、48 h、72 h后采用上述发酵相同工艺提取、澄清、上树脂柱处理后得干品。2 工艺流程确定及工艺简介2.1 工艺流程图2.2 工艺流程简介本设计采用乙醇提取法。影响其提取效果的主要

12、因素有：浸取溶剂及其浓度、浸取时间及温度、提取次数、料液比、醇沉前的密度和醇沉浓度等因素。当乙醇质量分数低于50时，抽滤困难；当乙醇质量分数超过80时提取率下降，因此将响应面实验中的乙醇质量分数变化范围定为55 80。在穿山龙总皂苷浸出过程中，选取75的乙醇。在穿山龙总皂苷浸出过程中，穿山龙薯蓣总皂苷的最佳提取时间为回流2小时，提取次数为2次，最佳提取温度为55。当物料比超过20时，提取率呈缓慢上升趋势。出于节省溶剂的考虑，将响应面实验中液固比的变化范围定为l030。料液比定为1:20。工艺条件为药材加10倍量75%的乙醇,温度55下回流提取2 次,每次提取2 h。提取得率为1.5%。乙醇提取

13、法特点在于： （1）乙醇既能溶解水溶性成分，又能溶解非极性溶剂所能溶解的成分，且通过调节醇浓度，可以选择性地溶解或沉淀某些无效成分或杂质。 （2）中药中的化学成分复杂多样，其中，生物碱、萜类、甾体、苷类、黄酮类、蒽醌、香豆素、有机酸、氨基酸、单糖、低聚糖、多聚糖、蛋白质、酶、鞣质等物质被认为具有药理活性，而纤维素、蜡质、油脂、树脂等被视为人生理活性的杂质。水的浸出范围广，但选择性差，容易浸出大量的无效成分，一般提取液体积大，有效成分含量低，不利于制剂醇沉可以除去某些杂质，达到精制、减小剂量、便于制别的目的。（3）乙醇沸点适中，可回收反复使用，本身还具有杀菌作用，经过乙醇处理的物料不易发霉变质。

14、3 物料衡算3.1 穿山龙投料量的计算设每日提取皂苷40kg，每天4批，每批4小时，一年工作日为300天。经实验验证在提取条件为75%乙醇（密度910kg/m3），m物料/m乙醇=1:10，在 55下提取2次，得率为1.5%。1kg穿山龙经前处理（清洗、烘干、粉碎）可得0.9kg穿山龙粉。 每批得穿山龙10kg。每批中加入的经过前处理的物料为10/1.5%=660 kg每批需要穿山龙原料660/0.9=730 kg每日需要穿山龙原料7304=2920 kg每年需穿山龙原料2920300=876 t3.2 乙醇消耗量的计算每批处理需要75%乙醇为66020=13200 kg。换算成体积，则每批需

15、要75%乙醇13200/910=14.5m3每日需75%乙醇的质量为132004=52800 kg每年需75%乙醇的质量为52800300=15840 t因乙醇可回收循环使用，每年的循环次数为5，每年需要70%乙醇的质量为15840/5=3168 t3.3 滤渣量的计算每批得残渣730-660=70 kg每日得残渣704=280 kg每年提取产品类化合物后得残渣704300=84 t4 热量衡算4.1 加热过程热量衡算4.1.1 对数平均温差tm根据换热器两端的温度，按照公式tm=(t2t1)/Ln(t2/t1)，可求出对数平均温差。设定用于提取总皂苷的乙醇溶液从20升温至55，加热用水从90

16、降温至65。tm=(t2-t1)/Ln(t2/t1)=（45-35）/Ln(45/35)=39.8。4.1.2 换热器所需面积A根据热量衡算式Q=MCT=KTmA，可求出换热器所需面积A。A=MCT/K/Tm=33000.68035/300/39.8=6.6已知：M乙醇流量 /hC乙醇比热容 kcal/kgKT乙醇的入、出口温差 CK总传热系数 kcal/Kh几个参数的取值说明：M：根据物料衡算，日产40穿山龙总皂苷产品，需要乙醇132004=52800 kg，换热器每天工作16小时，则乙醇流量为52800/16=3300 kg/hK：列管式换热器的总传热系数一般为250300kal/h，这里

17、取300kal/hC：乙醇的比热为0.680kcal/kgK4.1.3 选择换热器型号根据换热面积A=6.6,选择FB273-8-25-1列管式换热器，总换热面积84.1.4 总换热量总换热量Q=MCT=33000.68035=78540 kcal/h4.1.5 热水流量加热水流量m=Q/C水/T水=78540/1.0/35=2244 kg/h4.2 冷却过程热量衡算 4.2.1 对数平均温差tm 经过提取过程后将乙醇溶液回收，降温到25，冷却介质用1冰水，热交换后升温到30。tm=(t2-t1)/ln(t2/t1)=(40-24)/Ln(40/24)=31.32。4.2.2 换热器所需面积A

18、A=MCT/K/Tm=33000.68030/300/31.32=7.2。4.2.3 选择换热器型号根据换热面积A=7.2,选用FB273-8-25-1列管式换热器，总换热面积8。4.2.4 总换热量Q=MCT=33000.6830=67320 kcal/h4.2.5 热水流量冰水流量m=Q/C水/T水=67320/1.0/29=1172.4kg/h=2321 kg/h5 设备选型5.1 主要设备说明5.1.1 多功能提取罐图1 多功能提取罐示意图本设计采用蘑菇式多功能提取罐其底部带有加热层、中心加热鼓的新型提取设备，使药材提取更加完全、出渣更加顺畅，操作更加安全。结构特征如下：(1)其蘑菇形

19、状上大下小：上大沸腾缓冲空间大，不易爆沸堵管。下小加热受热传递快，加热时间短。 (2)罐底装有底部加热层、中心加热鼓、中心滤液鼓套。利用此加热结构可进行小生产试验及正常生产沸腾后的维沸。中心加热鼓在药液中心加热，有效的利用了能源，加快了加热速度。又起到支撑底部药材的支桥作用。中心滤液鼓套加大了出液面积，便于出液，不易堵网。它可以随出渣门的开启又起挂带料渣的挂桥作用，使出渣更加顺利。降低了工人劳动强度，解决了爆锅不安全因素。(3) 罐的顶部中心安装有360全方位高压清洗球，球的上部与法兰和清洗管道连接，球面密布有射流孔，可旋转、全方位清洗罐壁。(4) 蘑菇段上装有切线循环管。可通过泵把提取液从底

20、部抽出经过上切线管进行切线循环，形成一种动态、渗漉效果，可使上漂浮的药材快速溶解在溶媒中，提高了药材的提取率。根据物料衡算结果，本设计选用的蘑菇式多功能提取罐的项目及规格为TQM-V3 型，有效容积3m3 ，直径1400/1000mm，高3985mm，重量1685kg，中心距1860mm，蒸汽压力0.3Mpa, 压缩空气0.7MPa。5.1.2 醇沉罐图2 醇沉罐本设备属沉降式固液相分离设备。中药水煎浓缩液为去除非醇溶性的淀粉、蛋白质等，采用加入酒精配成一定醇度的液体，然后常温最好是低温冷冻沉降进行固液分离以提高中药提取液的醇度及澄明度，从而提高产品质量。浓缩液和酒精按工艺要求，投入各自的配比

21、量并开启冷冻盐水或冷却水，搅拌混和均匀，达到料液所需的温度后停止搅拌，继续在夹套内通入冷冻盐水或冷却水，保证所需的液温。待沉淀完成后开启上清液出料阀，用自吸泵将上清液抽出，因内装浮球式出液器，随上清液液面逐渐下降，浮球也随液面下降，待上清液抽完，因浊液密度远大于上清液，浮球浮在沉淀物表面不再下降，出液器自动停止出液。此时可打开出渣口，将沉淀物排出。根据物料不同沉淀物质不一样，可先打开底部蝶阀将稀料放出。对于某些沉淀物（如淀粉类）可能会结块，造成出渣不畅，可向沉淀物通入加热蒸汽使其软化，即可将渣排出，待沉淀物放净用水将罐内壁清洗干净。根据设计物料衡算的结果，本设计选取FCx-V3型醇沉罐，是带夹

22、套筒体、浮球出液装置、手动出渣门、气动切线装置，有效容积为3m3，直径1400mm，高3100mm，中心距1860mm，重量2100kg。5.1.3 外循环浓缩设备图3 外循环浓缩设备外循环浓缩设备是国内外制造植物药流浸膏较满意的设备，其特点；效率高、蒸发快、消沫性好，操作简便、占地面积小、维修率低、易清洗。其加热面积和冷凝面积配比合理，回收溶媒效果好。回收的溶媒可再利用，节能性好。单批次生产可连续进液间歇浓缩。组合式外循环浓缩锅：由加热室、蒸发室、冷却冷凝器和积水罐组成一体。其特点： 蒸发快、消沫性好。 操作简便、占地面积小、维修率低、易清洗。 可制造1.4大比重的浸膏。蒸发室设有两层蒸汽夹

23、层，可根据液位高低使用上下夹层分别送汽加热，不糊锅。 可通过外循环加热器及蒸发锅生产不同比重的浸膏。 不易堵管。从预热、加热到升膜整体设计合理，行程短、效率高。 低温不破坏药的热敏性。加热与冷却面积设计合理、回收效果好，溶媒可再用，降低生产成本。根据设计物料衡算结果，本设计选取ZWN-100型组合式外循环浓缩锅，列管加热1.2m2，最大蒸发量为100 kg/h, 最大耗水量为1500 kg/h，蒸汽压力 0.1MPa，最大耗水量1500 kg/h，最大耗汽量90 kg/h，冷却面积为3.5m2。5.1.4 喷雾干燥器图4 喷雾干燥器工作原理：空气通过过滤器，经过加热器加热，产生的热空气从干燥室

24、顶部蜗壳通道，由热风分配器产生均匀旋转的气流进入干燥室内。物料通过高速旋转的雾化盘，产生分散、微细的料雾，料雾与旋流的热空气接触，水分迅速蒸发，在极短的时间物料得到干燥。根据设计的物料衡算结果，本设计选取PGY-25型喷雾干燥器，水分蒸发量为25kg/h，料液处理量45kg/h，成品产量为10kg/h，它属于垂直下降并流型压力式喷雾干燥机，塔壁无粘壁现象，具有广泛适用性，调节高压供料泵的压力。5.1.5 精馏塔图5 精馏塔结构特点：主体设备由塔体、蒸馏釜、板式换热器等组成，配有温度、压力、流量等参数检测仪表，以保证成品酒精达到设定要求并不受污染。填料采用自行开发研制的新型高效规整填料或散装填料

25、。规整填料是由具有许多相同几何尺寸和形状的单元组成的填料，以整砌的方式填料在塔内，适用于大直径的塔体，其中以波纹填料应用最为广泛；散装填料具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，在塔内以散堆的形式堆积，多用于小直径的塔器。应用该种填料，可以明显降低塔体高度，一方面可以节约资金，另一方面可以降低对厂房高度的建筑要求。酒精回收系统可以采用DSA-50数据采集器，它选用高可靠性的工业PC机（IPC），新颖的彩色液晶显示器，对工业现场的温度、压力、流量、液位等参数进行采集、显示、记录和转存。并可通过设定的PID调节回路对设备调控，当参数超越限位时进行声光报警。此自控系统在保证成品质量的同时，还可以减轻劳动强度

26、，提高工作效率。 根据物料及热量衡算结果，本设计选取JL-300型精馏塔，换热面积4.7m2，生产能力150L/h，塔釜直径1000mm，塔釜长度2500mm，加热管内压力0.2MPa，加热管内温度125，设备内温度100。5.2 全套设备选型上述过程所需主要设备见表1。主要设备选择大明制药设备成套技术有限公司生产的产品。表1 主要设备一览表序号设备名称规格型号数量生产能力1多功能提取罐TQM-V32个3m32外循环浓缩设备ZWN-1001个100kg/h3醇沉罐FCx-V31个3m34过滤器BAS370-32个1500kg/h5冷凝器FB273-8-25-13个换热面积86精馏塔JI-300

27、1套150L/h7喷雾干燥器PGY-251套45kg/h6 收获与体会通过这次课程设计，才发现自己尚且存在很多不足，自己在理论知识方面还存在很多的漏洞，在实践经验方面最是缺乏，理论联系实际的能力急需提高；也是通过这次课程设计让我在理论联系实践方面得到锻炼和提升，培养我综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题的能力。通过这次设计我了解了皂苷的生产提取工艺并可根据产量进行了工艺设计。穿山龙总皂苷生产工艺流程设计是我这次课程设计的任务，通过查阅资料与文献，加上老师的指导以及向研究生学姐的讨教，顺利地了完成这次设计。这两个星期虽然很忙碌，但是在内心感觉特别充实，有耕耘才有收获，有付出才有回报。

28、通过这次课程设计，我掌握了几种绘图软件及公式编辑器软件的使用方法并在设计过程中进一步了解了水提醇沉的生产工艺流程，此工艺是中药提取工艺中较为常用的工艺，通过这次课程设计使我有了一个更深的了解。通过提取过程中的物料衡算与热量衡算，对从穿山龙原料到最终产品所需设备进行综合考虑，对换热器面积、提取罐容积、真空干燥器大小等等进行整体构思，对每年的总产量与年工作天数、物料的批处理时间与提取时长、提取次数以及每天工作时长进行合理设计， 在这些基础上进行设备选型，同时也加深了对中药材穿山龙与其有效成分的功能与药理作用的了解。最后在此表示我诚挚的谢意：本次制药工程课程设计是在张黎明老师的悉心指导下完成的。在完

29、成课程设计的过程中，张老师对我们付出了很多的心血，并给予所有同学提出了全方位地指导性建议，拓宽同学们的思路，使我们得以顺利完成设计。张老师严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风，给我们留下深刻的影响，十分感谢张老师的耐心的指导！在此，还要感谢在课程设计过程中给予我指点和帮助的研究生师兄师姐和我的同学们！参考文献1 袁毅，张黎明，王亮亮，等.穿龙薯蓣皂苷的提取及其副产物的研究J天津科技大学学报，2007,22(3):15.2 张黎明,徐玮,杜连祥.葫芦巴水溶性甾体皂苷的提取分离工艺研究J. 天然药物研究与开发,2005,17(1):47-50.3 侯吐样，何琴，周晓裳，等.中药浸出因素考察及效果评价

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