制药工程原理与设备03分离工程基础与设备3.ppt

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1、1制药反应工程基础与设备制药反应工程基础与设备分离工程基础与设备分离工程基础与设备江苏大学江苏大学制药工程原理与设备制药工程原理与设备教学课件教学课件第一页，编辑于星期六：十七点 三十分。2（三）超临界流体萃取（三）超临界流体萃取1.概述概述2.超临界萃取的工艺流程图超临界萃取的工艺流程图 3.超临界萃取工艺特点超临界萃取工艺特点4.超临界萃取剂的选择原则超临界萃取剂的选择原则5.超临界超临界CO2流体的性质流体的性质6.超临界超临界CO2萃取的工艺流程萃取的工艺流程7.超临界超临界CO2萃取的影响因素萃取的影响因素8.超临界试验超临界试验第二页，编辑于星期六：十七点 三十分。31.概概 述述

2、1)超临界流体（超临界流体（supercritical fluid，SCF或或SF）指处于临界温度和临界压力上，物理性质介于指处于临界温度和临界压力上，物理性质介于气体和液体之间的一种流体。气体和液体之间的一种流体。第三页，编辑于星期六：十七点 三十分。42)超临界流体主要特性超临界流体主要特性 超临界流体的密度接近于液体超临界流体的密度接近于液体。由于溶质在溶剂中的溶解。由于溶质在溶剂中的溶解度一般与溶剂的密度成比例，使超临界流体具有与液体溶度一般与溶剂的密度成比例，使超临界流体具有与液体溶剂相当的萃取能力。剂相当的萃取能力。超临界流体的扩散系数介于气态与液态之间，其粘度也接近于气体。超临界

3、流体的扩散系数介于气态与液态之间，其粘度也接近于气体。超临界流体的传递性质类似气体，其在超临界流体的传递性质类似气体，其在超临界萃取时的传递速率超临界萃取时的传递速率远大于其处于液态下的萃取速率远大于其处于液态下的萃取速率。当流体状态接近超临界区时，蒸发也会急剧下降，至超临当流体状态接近超临界区时，蒸发也会急剧下降，至超临界点处则气界点处则气-液相界面消失，蒸发焓为零，比热容也变为无穷液相界面消失，蒸发焓为零，比热容也变为无穷大。因而在大。因而在超临界点附近进行分离操作超临界点附近进行分离操作比在气比在气-液平衡区进行液平衡区进行分离操作分离操作更有利于传热和节能更有利于传热和节能。流体在其超

4、临界点附近的压力或温度的微小变化都会导致流体密流体在其超临界点附近的压力或温度的微小变化都会导致流体密度相当大的变化，从而使溶质在流体中的溶解度也产生相当大度相当大的变化，从而使溶质在流体中的溶解度也产生相当大的变化，该特性是超临界萃取工艺的设计基础。的变化，该特性是超临界萃取工艺的设计基础。第四页，编辑于星期六：十七点 三十分。5超临界流体与气体、液体的比较超临界流体与气体、液体的比较 第五页，编辑于星期六：十七点 三十分。62.超临界萃取的工艺流程图超临界萃取的工艺流程图 首首先先使使溶溶剂剂通通过过升升压压装装置置达达到到超超临临界界状状态态，而而后后超超临临界界流流体体进进入入萃萃取取

5、器器与与里里面面的的原原料料接接触触而而进进行行超超临临界界萃萃取取；溶溶解解于于超超临临界界流流体体中中的的萃萃取取物物随随流流体体离离开开萃萃取取器器后后再再通通过过降降压压阀阀进进行行节节流流膨膨胀胀以以便便降降低低超超临临界界流流体体的的密密度度，从从而而使使萃萃取取物物与与溶溶剂剂能能在在分分离离器器内内得得到到分分离离。然然后后再再使使溶溶剂剂通通过过泵泵或或压压缩缩机机加加压压到到超超临临界界状状态态并并重重复复上上述述萃萃取取分分离离步步骤骤，流流体体循循环环直直接接达到预定的萃取率。达到预定的萃取率。萃萃取取釜釜CO2热交换器热交换器压缩机或泵压缩机或泵过滤器过滤器分分离离釜

6、釜热热交交换换器器第六页，编辑于星期六：十七点 三十分。73.超临界萃取工艺特点超临界萃取工艺特点 超临界萃取兼具精馏和液液萃取的特点超临界萃取兼具精馏和液液萃取的特点 由于溶质的蒸气压、极性、分子量大小是影响由于溶质的蒸气压、极性、分子量大小是影响溶质在超临界流体中溶解度的重要因素，使在萃溶质在超临界流体中溶解度的重要因素，使在萃取过程中被分离物质间挥发性的差异和它们分子取过程中被分离物质间挥发性的差异和它们分子间亲和力的不同两种因素同时起作用。如超临界间亲和力的不同两种因素同时起作用。如超临界萃取物被萃取的化合物的失活常以它们的沸点高萃取物被萃取的化合物的失活常以它们的沸点高低为序，非极性

7、的超临界低为序，非极性的超临界CO2仅对非极性和弱极性仅对非极性和弱极性物质具有较高萃取能力。物质具有较高萃取能力。第七页，编辑于星期六：十七点 三十分。83.超临界萃取工艺特点超临界萃取工艺特点 操作参数易于控制操作参数易于控制 仅就萃取本身而言，超临界萃取的萃取能力取仅就萃取本身而言，超临界萃取的萃取能力取决于流体的密度，而流体的密度很容易通过调节决于流体的密度，而流体的密度很容易通过调节温度和压强来加以控制，这样易于确保产品质量温度和压强来加以控制，这样易于确保产品质量的稳定。的稳定。溶剂可循环利用溶剂可循环利用 在溶剂分离与回收方面，超临界萃取优于一般在溶剂分离与回收方面，超临界萃取优

8、于一般液液萃取和精馏，被认为是萃取速度快，效率高，液液萃取和精馏，被认为是萃取速度快，效率高，能耗少的先进工艺。能耗少的先进工艺。特别适合于分离热敏性物质，且能实现无溶剂残特别适合于分离热敏性物质，且能实现无溶剂残留。留。第八页，编辑于星期六：十七点 三十分。94.超临界萃取剂的选择原则超临界萃取剂的选择原则 化学稳定性好，对设备无腐蚀；化学稳定性好，对设备无腐蚀；临界温度要适中，接近温和操作温度最好；临界温度要适中，接近温和操作温度最好；临界压力不宜过高，过高能耗高，设备需要临界压力不宜过高，过高能耗高，设备需要耐高压，投资高；耐高压，投资高；萃取选择性好；萃取选择性好；价格便宜，易得。价格

9、便宜，易得。第九页，编辑于星期六：十七点 三十分。10常见超临界流体地物理性质常见超临界流体地物理性质 第十页，编辑于星期六：十七点 三十分。11超临界流体的选择超临界流体的选择 根据超临界萃取剂的选择原则，经过比较发现：根据超临界萃取剂的选择原则，经过比较发现：CO2的临界温度的临界温度Tc为为32.06，接近室温；临界压力，接近室温；临界压力Pc为为7.39MPa，比较适中，临界密度为，比较适中，临界密度为1.448g/cm3，CO2无毒，无臭，不燃烧，化学稳定性好，价廉易无毒，无臭，不燃烧，化学稳定性好，价廉易得，所以被广泛应用于超临界萃取。得，所以被广泛应用于超临界萃取。第十一页，编辑

10、于星期六：十七点 三十分。125.超临界超临界CO2流体的性质流体的性质 1)超临界超临界CO2的密度的密度CO2的流体密度是压力和温度的函数，而其密度的流体密度是压力和温度的函数，而其密度与其溶解能力基本成正比，密度的微小变化可引与其溶解能力基本成正比，密度的微小变化可引起溶解能力的显著变化，其密度变化规律有以下起溶解能力的显著变化，其密度变化规律有以下特点：特点：在超临界区域，其密度变化范围很宽，在超临界区域，其密度变化范围很宽，可以在可以在150900g/L之间。之间。在临界点附近，压力在临界点附近，压力和温度微小变化可以大幅度的改变流体的密度。和温度微小变化可以大幅度的改变流体的密度。

11、以上两点是以上两点是CO2超临界流体萃取过程参数选择的超临界流体萃取过程参数选择的重要依据。重要依据。第十二页，编辑于星期六：十七点 三十分。135.超临界超临界CO2流体的性质流体的性质2)超临界超临界CO2的传递性能的传递性能超临界超临界CO2流体的理化性质介于气相和液相之间，流体的理化性质介于气相和液相之间，其密度比气体大其密度比气体大1001000倍，与液体密度相近。由倍，与液体密度相近。由于分子间距离缩短，分子间相互作用力大大增强，于分子间距离缩短，分子间相互作用力大大增强，溶解作用近似于液体溶解作用近似于液体CO2，但扩散系数比液体大但扩散系数比液体大10100倍，因此，超临界倍，

12、因此，超临界CO2流体中溶质的传递性流体中溶质的传递性能明显优于液相过程。能明显优于液相过程。第十三页，编辑于星期六：十七点 三十分。143)超临界超临界CO2流体的溶解性能流体的溶解性能 超临界超临界CO2对不同物质的溶解能力差别很大，与物质的极性，沸对不同物质的溶解能力差别很大，与物质的极性，沸点，和相对分子量有密切关系，一般有以下规律：点，和相对分子量有密切关系，一般有以下规律：对低分子量、低极性、亲脂性高、低沸点的碳氢化合物和类脂对低分子量、低极性、亲脂性高、低沸点的碳氢化合物和类脂化合物（如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧化合物等）表现化合物（如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧化合物等）

13、表现出优异的溶解性能，一般可在出优异的溶解性能，一般可在104kPa以下可被萃取出来。以下可被萃取出来。带有强极性基团（如带有强极性基团（如-OH、-COOH）的有机物在超临界）的有机物在超临界CO2流体中溶解度变小，造成萃取困难。例：在苯的衍生物范流体中溶解度变小，造成萃取困难。例：在苯的衍生物范围内，具有三个羟基的酚类化合物以及具有一个羧基和两围内，具有三个羟基的酚类化合物以及具有一个羧基和两个羟基化合物仍然可以被萃取，而那些具有一个羧基和三个羟基化合物仍然可以被萃取，而那些具有一个羧基和三个以上羟基的化合物是不能被萃取的。个以上羟基的化合物是不能被萃取的。更强的极性物质，如糖类、氨基酸类

14、在更强的极性物质，如糖类、氨基酸类在40MkPa以下不能被萃取以下不能被萃取出来。出来。化合物的相对分子量愈高，愈难萃取。相对分子量在化合物的相对分子量愈高，愈难萃取。相对分子量在200400范围范围内的组分容易萃取。有些低相对分子量，易挥发成分可以直接用内的组分容易萃取。有些低相对分子量，易挥发成分可以直接用CO2液体提取。液体提取。第十四页，编辑于星期六：十七点 三十分。156.超临界超临界CO2萃取的工艺流程萃取的工艺流程 超临界超临界CO2萃取的理论基础：萃取的理论基础：从理论上讲，某物质能否被萃取分离取决于该目标成分在萃取段从理论上讲，某物质能否被萃取分离取决于该目标成分在萃取段和解

15、析段两个不同状态下是否存在一定的溶解度差。即在萃取段和解析段两个不同状态下是否存在一定的溶解度差。即在萃取段要求有较大的溶解度，以便溶质被溶解于要求有较大的溶解度，以便溶质被溶解于CO2流体中，而在解析流体中，而在解析段则要求溶质在段则要求溶质在CO2流体中的溶解度较小，以便使溶质从流体中的溶解度较小，以便使溶质从CO2中解析出来。中解析出来。由于被萃取物质的固有性质（热敏性、挥发性）及其在由于被萃取物质的固有性质（热敏性、挥发性）及其在CO2中溶解度受温度和压力变化而改变的敏感程度均有很中溶解度受温度和压力变化而改变的敏感程度均有很大差别。在实际萃取过程中需要针对这些差异采用不同大差别。在实

16、际萃取过程中需要针对这些差异采用不同的萃取工艺流程，其目的是使溶质在萃取段和解析段呈的萃取工艺流程，其目的是使溶质在萃取段和解析段呈现较大的溶解度差，以达到经济合理的萃取分离。现较大的溶解度差，以达到经济合理的萃取分离。第十五页，编辑于星期六：十七点 三十分。16超临界超临界CO2萃取流程的分类萃取流程的分类超临界超临界CO2萃取流程依据萃取过程的特殊性来萃取流程依据萃取过程的特殊性来分类，可分为常规萃取，夹带剂萃取，喷射萃分类，可分为常规萃取，夹带剂萃取，喷射萃取等；取等；依据解析方式的不同可分为等温法，等压法，依据解析方式的不同可分为等温法，等压法，吸附法，多级萃取法等。吸附法，多级萃取法

17、等。第十六页，编辑于星期六：十七点 三十分。17（一）常规萃取（一）常规萃取常规萃取是超临界技术应常规萃取是超临界技术应用最早，最普遍的流程。用最早，最普遍的流程。本流程是一个等温法的流本流程是一个等温法的流程，适合于萃取精油，油脂程，适合于萃取精油，油脂类物质且萃取后所得的混合类物质且萃取后所得的混合成分的产物不需分离，如姜成分的产物不需分离，如姜油、天然香料等。油、天然香料等。第十七页，编辑于星期六：十七点 三十分。18（二）夹带剂萃取（二）夹带剂萃取超超临临界界CO2是是非非极极性性溶溶剂剂，在在许许多多方方面面类类似似于于己己烷烷。根根据据相相似似相相溶溶原原理理，它它对对非非极极性性

18、的的物物质质有有较较好好的的溶溶解解能能力力，而而对对有有一一定定极极性性的的物物质质如如内内酯酯、黄黄酮酮、生生物物碱碱等等的的溶溶解解性性较较差差。通通过过加加入入极极性性不不同同的的夹夹带带剂剂，可可以以调调节节超超临临界界CO2的的极极性性，以以提提高高被被萃萃取取物物质质在在CO2中的溶解度。中的溶解度。加加入入夹夹带带剂剂，可可从从CO2的的密密度度、夹夹带带剂剂与与CO2分分子子之之间间的的相相互互作作用用这这两两个个方方面面来来影影响响超超临临界界CO2的的溶溶解解性性和和选选择择性性。在在加加入入少少量量夹夹带带剂剂的的情情况况下下，影影响响CO2溶溶解解性性和和选选择择性性

19、的的主主要要因因素素是是夹夹带带剂剂与与溶溶质质分分子子间间的的范范德德华华力力或或夹夹带带剂剂与与溶溶质质间间存存在在氢氢键键以以及及其其他化学作用力。他化学作用力。第十八页，编辑于星期六：十七点 三十分。19夹带剂的作用：夹带剂的作用：增加目标组分在增加目标组分在CO2中的溶解度中的溶解度 在在CO2流体中添加百分之几的夹带剂，可大大增加目标组分流体中添加百分之几的夹带剂，可大大增加目标组分的溶解度，其作用相当于增加了几十兆帕的压力。的溶解度，其作用相当于增加了几十兆帕的压力。增加溶质在增加溶质在CO2中溶解度对温度和压力的敏感性中溶解度对温度和压力的敏感性 使溶质在萃取段和解析段间仅小幅

20、度的改变温度，压力即使溶质在萃取段和解析段间仅小幅度的改变温度，压力即可获得更大的溶解度差，从而降低操作难度。可获得更大的溶解度差，从而降低操作难度。提高溶质的选择性提高溶质的选择性 加入一些与溶质起特殊作用的夹带剂，可大大提高溶质的加入一些与溶质起特殊作用的夹带剂，可大大提高溶质的选择性。选择性。可改变可改变CO2的临界参数的临界参数第十九页，编辑于星期六：十七点 三十分。20含夹带剂的超临界含夹带剂的超临界CO2萃取流程萃取流程第二十页，编辑于星期六：十七点 三十分。21（三）超临界喷射萃取（三）超临界喷射萃取 超临界高压喷射萃取适用于超临界高压喷射萃取适用于粘度比较大的物料。粘度比较大的

21、物料。机理机理：增大了萃取液和溶：增大了萃取液和溶剂的接触面积。剂的接触面积。第二十一页，编辑于星期六：十七点 三十分。22（四）等温法流程（四）等温法流程 等等温温法法是是在在萃萃取取段段和和解解析析段段CO2的的温温度度基基本本相相同同情情况况下下，利利用用其其压压力力降降低低而而造造成成对对溶溶质质的的溶溶解解度度下下降降而而在在解解析析段段沉沉淀淀出出来来的一种方法。的一种方法。溶溶质质在在萃萃取取段段被被超超临临界界CO2液液体体萃萃取取后后，通通过过在在解解析析段段降降低低CO2的的压压力力，使使溶溶质质在在CO2液体中的溶解度迅速降低而析出。液体中的溶解度迅速降低而析出。注注意意

22、：由由于于CO2液液体体在在降降压压过过程程中中会会节节流流膨膨胀胀使使温温度度降降低低，因因此此在在解解析析段段需需加加温温以使其温度与萃取段保持大致相同。以使其温度与萃取段保持大致相同。适适应应于于从从固固体体物物质质中中萃萃取取油油溶溶性性成成分分、非热稳性成分。非热稳性成分。第二十二页，编辑于星期六：十七点 三十分。23（五）等压法流程（五）等压法流程等压法是指溶质在萃取段被超等压法是指溶质在萃取段被超临界临界CO2液体萃取后，通过在液体萃取后，通过在解析段改变解析段改变CO2的温度，使溶的温度，使溶质在质在CO2液体中的溶解度降低液体中的溶解度降低而解析出来。该流程在萃取段而解析出来

23、。该流程在萃取段和解析段的压力基本相同，利和解析段的压力基本相同，利用温度改变造成溶解度降低而用温度改变造成溶解度降低而实现物质的分离。实现物质的分离。第二十三页，编辑于星期六：十七点 三十分。24（六）吸附法流程（六）吸附法流程吸附法大致是一个等温吸附法大致是一个等温等压的过程。将萃取段等压的过程。将萃取段溶解了溶质的溶解了溶质的CO2流体流体在解析段通过吸附剂将在解析段通过吸附剂将溶质吸附，从而使溶质溶质吸附，从而使溶质与与CO2流体分离。吸附流体分离。吸附剂可以是流体（水、有剂可以是流体（水、有机溶剂），也可以是固机溶剂），也可以是固体（活性炭）。体（活性炭）。第二十四页，编辑于星期六：

24、十七点 三十分。25（七）多级降压解析流程（七）多级降压解析流程多级降压解析法流程是对等温法流程解析段的改进。多级降压解析法流程是对等温法流程解析段的改进。多多级级降降压压解解析析法法是是溶溶解解了了多多种种被被萃萃取取物物质质的的高高压压CO2流流体体经经串串联联的的几几个个解解析析釜釜中中逐逐步步降降压压解解析析，逐逐渐渐降降低低溶溶质质在在CO2流流体体中中的的溶溶解解度度，使使在在萃萃取取段段处处于于溶溶解解状状态态的的各各种种组组分分在在逐逐步降压过程中积累在不同的解析釜中解析出来。步降压过程中积累在不同的解析釜中解析出来。第二十五页，编辑于星期六：十七点 三十分。267.超临界超临

25、界CO2萃取的影响因素萃取的影响因素1）萃取压力的影响萃取压力的影响 萃取温度一定时，压力增加，流体的密度增加，对溶质的萃取温度一定时，压力增加，流体的密度增加，对溶质的溶解度增加。在临界状态附近，压力的微小变化会引起密度溶解度增加。在临界状态附近，压力的微小变化会引起密度的急剧改变，因此，压力是超临界的急剧改变，因此，压力是超临界CO2萃取最重要的参数之萃取最重要的参数之一。一。弱极性物质弱极性物质-萃取压力萃取压力710MPa；一般极性物质一般极性物质-萃取压力萃取压力20MPa左右；左右；强极性物质强极性物质-萃取压力萃取压力50MPa以上。以上。第二十六页，编辑于星期六：十七点 三十分

26、。277.超临界超临界CO2萃取的影响因素萃取的影响因素2）萃取温度的影响萃取温度的影响 温温度度主主要要有有两两个个方方面面的的影影响响：一一方方面面温温度度升升高高，超超临临界界流流体体密密度度降降低低，其其溶溶解解能能力力相相应应下下降降，导导致致萃萃取取数数量量的的降降低低。另另一一方方面面，升升高高温温度度，被被萃萃取取物物质质的的挥挥发发性性增增加加，增增加加了了被被萃萃取取物物质质在在超超临临界界气气相相中中的的密密度度，扩扩散散速速度度也也提提高高从从而而利利于于成成分分的的萃萃取。取。同同时时，温温度度对对溶溶解解度度的的影影响响还还与与压压力力有有密密切切关关系系：在在压压

27、力力相相对对较较低低时时(4528MPa以以下下)，温温度度升升高高，溶溶解解性性能能降降低低。在在压压力力相相对对较较高高时时(4528MPa以以上上)，温温度度升升高高，超超临临界界CO2溶溶解解性能提高。性能提高。所所以以，一一般般随随温温度度增增加加，物物质质在在超超临临界界CO2流流体体中中溶溶解解度变化往往出现最低值。度变化往往出现最低值。第二十七页，编辑于星期六：十七点 三十分。283）CO2流量的影响流量的影响 CO2对萃取效果具有两个方面的影响。对萃取效果具有两个方面的影响。一一方方面面，CO2流流量量增增加加，CO2流流速速加加快快，CO2停停留留时时间间减减少少，与与物物

28、料料接接触触时时间间减减少少，被被萃萃取取成成分分不不能能很很好好的的达达到到溶溶解解平平衡衡，从从而而降降低低萃萃取取效效率率。对对溶溶解解度度小小或或原原料料中中扩扩散速度慢的成分，影响更明显。散速度慢的成分，影响更明显。另另一一方方面面，随随CO2 流流量量增增大大，增增加加了了溶溶剂剂对对原原料料的的萃萃取取次次数数，缩缩短短了了萃萃取取时时间间，被被萃萃取取成成分分的的推推动动力力加加大大，传传递递系系数数增增加加，有有利利于于萃萃取取。对对被被萃萃取取成成分分溶溶解解度度大大的的，适适当当加加大大流流量量，提提高生产效率。高生产效率。第二十八页，编辑于星期六：十七点 三十分。294

29、）夹带剂的选择影响）夹带剂的选择影响 夹带剂要选择具有较好溶解性能、并且能很好夹带剂要选择具有较好溶解性能、并且能很好的改善超临界的改善超临界CO2流体的极性的溶剂。流体的极性的溶剂。可以作为较理想的夹带剂如甲醇，乙醇，丙酮，可以作为较理想的夹带剂如甲醇，乙醇，丙酮，乙酸乙酯，乙腈等。乙酸乙酯，乙腈等。第二十九页，编辑于星期六：十七点 三十分。305）原材料粉碎度的影响）原材料粉碎度的影响原料颗粒越小，溶质从原料向超临界流体传输原料颗粒越小，溶质从原料向超临界流体传输的路径越短，与超临界流体接触的表面积越大，的路径越短，与超临界流体接触的表面积越大，萃取进行得越快、越完全。但是粒度过小，易萃取

30、进行得越快、越完全。但是粒度过小，易堵塞气路；造成原料结块，出现沟流，使原料堵塞气路；造成原料结块，出现沟流，使原料局部受热不均匀。局部受热不均匀。另一方面在沟流处流体的线速度增大，摩擦发另一方面在沟流处流体的线速度增大，摩擦发热，会使某些生物活性成分遭到破坏。热，会使某些生物活性成分遭到破坏。第三十页，编辑于星期六：十七点 三十分。318.超临界萃取试验超临界萃取试验第三十一页，编辑于星期六：十七点 三十分。328.超临界试验超临界试验第三十二页，编辑于星期六：十七点 三十分。33小小 结结1 萃取的分类及其特点萃取的分类及其特点；2 分配定律与分配平衡；分配定律与分配平衡；3 弱电解质的分配平衡；弱电解质的分配平衡；4 化学萃取；化学萃取；5 有机溶剂的选择；有机溶剂的选择；6 乳化现象；乳化现象；第三十三页，编辑于星期六：十七点 三十分。34预习预习P17-24第三十四页，编辑于星期六：十七点 三十分。35Thank you for your joinThank you for your join第三十五页，编辑于星期六：十七点 三十分。