1、 制药分离工程论文院系：化学与化工学院班级：10 级制药工程二班姓名：谷伟红学号:10040302014 制药工业主要包括生物制药，化学合成制药和中药制药。无论是哪种方式的制药，其制药过程均包括原料药的生产和制剂的生产两个阶段，在制药分离工程中主要研究原料药生产过程中的分离技术。原料药的生产一般包括两个阶段，第一阶段为将基本的原料通过化学合成、微生物发酵、提取而获得目标药物成分的混合物。第二阶段主要采用适当的分离技术，将反应产物或中草药粗品种中的药物成分进行分离纯化，使其成为高纯度的符合药品标准的原料药。制药分离过程主要利用待分离的有效活性成分与共存杂质之间在物理化学及生物学性质上的差异进行分
2、离。分离操作通常分为机械分离和传质分离两大类。机械分离主要包括过滤、离心分离、重力沉降、旋风分离和静电除尘等。传质分离又可分为平衡分离过程和速率分离过程。分离过程有好多种方法，有以下几种：一：萃取萃取是分离液体混合物的一种常用的方法。萃取的原理：液萃取是指两个完全不互溶或部分互溶的液相接触后，一个液相中的溶质经过物理或化学作用另一个液相，或在两相中重新分配的过程。几个概念：1. 原溶液：欲分离的原料溶液，原溶液中欲萃取组份称为溶质 A，其余称稀释2. 溶剂 S：为萃取 A 而加入的溶剂，也称萃取3. 萃取相：原溶剂和稀释剂混合萃取后，分成两相，含溶剂 S 较多的一相 4. 萃余相：主含稀释剂的
3、一相5. 萃取液：萃取相脱溶剂后的溶液6. 萃余液：萃余相脱溶剂后的溶液萃取过程的条件：1 两个接触的液相完全不互溶或部分互溶；2 溶质组分和稀释剂在两相中分配比不同；3 两相接触混合和分相；4 溶剂 S 对 A 和 B 的溶解能力不一样，溶剂具有选择性，即 BBxy其中：y 表示萃取相内组分浓度；x 表示萃余相内组分浓度。上式表明：萃取相中 AB 的浓度比值应大于萃余相中 AB 的浓度比值。几种萃取方法：一、双水相萃取术语：萃取是在两个液相间进行。大部分萃取采用一个是水相。另一个是有机相。但有机相易使蛋白质等生物活性物质变性。最近，发现有一些高分子水溶液（如分子量从几千到几万的聚乙二醇硫酸盐
4、水溶液）可以分为两个水相，蛋白质在两个水相中的溶解度有很大的差别。故可以利用双水相萃取过程分离蛋白质等溶于水的生物产品。机理：某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可以形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统（aqueous two-phase system,ATPS） 。利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质，开发了双水相萃取法，又称双水相分配法。20 世纪 70 年代,科学家又发展了双水相萃取在生物分离过程中的应用，为蛋白质特别是胞内蛋白质的分离和纯化开辟了新的途径。双水相萃取的聚合物不相容性：根据热力学第二定律，混合是熵增过程可以自发进行，但分子间存在相互
5、作用力，这种分子间作用力随相对分子质量增大而增大。当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子质量较大的分子间的排斥作用与混合熵相比占主导地位，即一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相溶性。可形成双水相的双聚合物体系很多，如聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dx）,聚丙二醇/聚乙二醇，甲基纤维素/葡聚糖。双水相萃取中采用的双聚合物系统是 PEG/Dx，该双水相的上相富含 PEG，下相富含 Dx。另外，聚合物与无机盐的混合溶液也可以形成双水相，例如，PEG/磷酸钾（KPi） 、PE
6、G/磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于双水相萃取。PEG/无机盐系统的上相富含 PEG,下相富含无机盐。生物分子的分配系数取决与溶质于双水相系统间的各种相互作用，其中主要有静电作用、疏水作用和生物亲和作用。因此，分配系数是各种相互作用的和。双水相体系在蛋白质、酶、氨基酸、激素等的提取分离中的应用。Settu Saravanan 等6采用聚乙二醇/聚丙烯酸双水相萃取体系萃取分离肌红蛋白和卵白蛋白。研究了聚合物的分子量、pH、温度的影响。实验表明，蛋白富集在上相的聚乙二醇相中，随着 PEG 分子量和温度的增加，分离的蛋白质量减少。当分离条件为 PEG 4000-聚丙烯酸、温度 20、pH 8.0 时，
7、蛋白质得到了很好的分离，提取分离到的肌红蛋白和卵白蛋白百分含量分别为 95.2%和 87.4%。二、超临界萃取超临界萃取所用的萃取剂为超临界流体，超临界流体是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物态，这种物质只能在其温度和压力超过临界点时才能存在。超临界流体的密度较大，与液体相仿，而它的粘度又较接近于气体。因此超临界流体是一种十分理想的萃取剂。超临界流体的溶剂强度取决于萃取的温度和压力。利用这种特性，只需改变萃取剂流体的压力和温度，就可以把样品中的不同组分按在流体中溶解度的大小，先后萃取出来，在低压下弱极性的物质先萃取，随着压力的增加，极性较大和大分子量的物质与基本性质，所以在程序升压下进行超
8、临界萃取不同萃取组分，同时还可以起到分离的作用。温度的变化体现在影响萃取剂的密度与溶质的蒸汽压两个因素，在低温区（仍在临界温度以上） ，温度升高降低流体密度，而溶质蒸汽压增加不多，因此，萃取剂的溶解能力时的升温可以使溶质从流体萃取剂中析出，温度进一步升高到高温区时，虽然萃取剂的密度进一步降低，但溶质蒸汽压增加，挥发度提高，萃取率不但不会减少反而有增大的趋势。除压力与温度外，在超临界流体中加入少量其他溶剂也可改变它对溶质的溶解能力。其作用机理至今尚未完全清楚。通常加入量不超过 10，且以极性溶剂甲醇、异丙醇等居多。加入少量的极性溶剂，可以使超临界萃取技术的适用范围进一步扩大到极性较大化合物。超临
9、界流体萃取过程简介 将萃取原料装入萃取釜。采用二氧化碳为超临界溶剂。二氧化碳气体经热交换器冷凝成液体，用加压泵把压力提升到工艺过程所需的压力(应高于二氧化碳的临界压力)，同时调节温度，使其成为超临界二氧化碳流体。二氧化碳流体作为溶剂从萃取釜底部进入，与被萃取物料充分接触，选择性溶解出所需的化学成分。含溶解萃取物的高压二氧化碳流体经节流阀降压到低于二氧化碳临界压力以下进入分离釜(又称解析釜)，由于二氧化碳溶解度急剧下降而析出溶质，自动分离成溶质和二氧化碳气体二部分，前者为过程产品，定期从分离釜底部放出，后者为循环二氧化碳气体，经过热交换器冷凝成二氧化碳液体再循环使用。整个分离过程是利用二氧化碳流
10、体在超临界状态下对有机物有特异增加的溶解度，而低于临界状态下对有机物基本不溶解的特性，将二氧化碳流体不断在萃取釜和分离釜间循环，从而有效地将需要分离提取的组分从原料中分离出来。三、固液萃取固 相 萃 取 的 基 本 原 理 和 方 法固 相 萃 取 (SPE) 技 术 基 于 液 -固 相 色 谱 理 论 ， 采 用 选 择 性 吸 附 、 选 择 性 洗脱 的 方 式 对 样 品 进 行 富 集 、 分 离 、 纯 化 ， 是 一 种 包 括 液 相 和 固 相 的 物 理 萃 取过 程 ； 也 可 以 将 其 近 似 的 看 作 一 种 简 单 的 色 谱 过 程 。 SPE 是 利 用
11、选 择 性 吸 附 与 选 择 性 洗 脱 的 液 相 色 谱 法 分 离 原 理 。 较 常 用的 方 法 是 使 液 体 样 品 通 过 一 吸 附 剂 ， 保 留 其 中 被 测 物 质 ， 再 选 用 适 当 强 度 溶剂 冲 去 杂 质 ， 然 后 用 少 量 良 溶 剂 洗 脱 被 测 物 质 ， 从 而 达 到 快 速 分 离 净 化 与 浓缩 的 目 的 。 也 可 选 择 性 吸 附 干 扰 杂 质 ， 而 让 被 测 物 质 流 出 ； 或 同 时 吸 附 杂 质和 被 测 物 质 ， 再 使 用 合 适 的 溶 剂 选 择 性 洗 脱 被 测 物 质 。用 途 及 其 应
12、 用 范 围固 相 萃 取 （ SPE） 是 一 种 用 途 广 泛 而 且 越 来 越 受 欢 迎 的 样 品 前 处 理 技 术 ，它 建 立 在 传 统 的 液 -液 萃 取 （ LLE） 基 础 之 上 ， 结 合 物 质 相 互 作 用 的 相 似 相溶 机 理 和 目 前 广 泛 应 用 的 HPLC、 GC 中 的 固 定 相 基 本 知 识 逐 渐 发 展 起 来 的 。SPE 具 有 有 机 溶 剂 用 量 少 、 便 捷 、 安 全 、 高 效 等 特 点 。 SPE 根 据 其 相 似 相溶 机 理 可 分 为 四 种 ： 反 相 SPE、 正 相 SPE、 离 子 交
13、换 SPE、 吸 附 SPE。 SPE 大 多 数 用 来 处 理 液 体 样 品 ， 萃 取 、 浓 缩 和 净 化 其 中 的 半 挥 发 性 和 不 挥发 性 化 合 物 ， 也 可 用 于 固 体 样 品 ， 但 必 须 先 处 理 成 液 体 。 目 前 国 内 主 要 应 用在 水 中 多 环 芳 烃 （ PAHs） 和 多 氯 联 苯 （ PCBs） 等 有 机 物 质 分 析 ， 水 果 、 蔬菜 及 食 品 中 农 药 和 除 草 剂 残 留 分 析 ， 抗 生 素 分 析 ， 临 床 药 物 分 析 等 方 面 。 SPE 装 置 由 SPE 小 柱 和 辅 件 构 成 。
14、 SPE 小 柱 由 三 部 分 组 成 ， 柱 管 、 烧 结垫 和 填 料 。 SPE 辅 件 一 般 有 真 空 系 统 、 真 空 泵 、 吹 干 装 置 、 惰 性 气 源 、 大 容量 采 样 器 和 缓 冲 瓶 。固 液 萃 取 的 优 点 防 交 叉 污 染 、 防 雾 化 真 空 槽 设 计 可 配 大 容 量 采 样 器 、 快 速 浓 缩 干 燥 装 置 ,批 处 理 样 品 SPE 小 柱 质 量 稳 定 ， 样 品 回 收 率 高 ， 精 密 度 好 固 相 萃 取 是 一 个 包 括 液 相 和 固 相 的 物 理 萃 取 过 程 。 在 固 相 萃 取 中 ， 固
15、 相对 分 离 物 的 吸 附 力 比 溶 解 分 离 物 的 溶 剂 更 大 。 当 样 品 溶 液 通 过 吸 附 剂 床 时 ，分 离 物 浓 缩 在 其 表 面 ， 其 他 样 品 成 分 通 过 吸 附 剂 床 ； 通 过 只 吸 附 分 离 物 而 不吸 附 其 他 样 品 成 分 的 吸 附 剂 ， 可 以 得 到 高 纯 度 和 浓 缩 的 分 离 物 。 在 固 相 萃 取 中 最 通 常 的 方 法 是 将 固 体 吸 附 剂 装 在 一 个 针 筒 状 柱 子 里 ， 使样 品 溶 液 通 过 吸 附 剂 床 ， 样 品 中 的 化 合 物 或 通 过 吸 附 剂 或 保
16、 留 在 吸 附 剂 上（ 依 靠 吸 附 剂 对 溶 剂 的 相 对 吸 附 ） 。 “保 留 ”是 一 种 存 在 于 吸 附 剂 和 分 离物 分 子 间 吸 引 的 现 象 ， 造 成 当 样 品 溶 液 通 过 吸 附 剂 床 时 ， 分 离 物 在 吸 附 剂 上不 移 动 。 保 留 是 三 个 因 素 的 作 用 ： 分 离 物 、 溶 剂 和 吸 附 剂 。 所 以 ， 一 个 给 定的 分 离 物 的 保 留 行 为 在 不 同 溶 剂 和 吸 附 剂 存 在 下 是 变 化 的 。 “洗 脱 ”是 一种 保 留 在 吸 附 剂 上 的 分 离 物 从 吸 附 剂 上 去
17、除 的 过 程 ， 这 通 过 加 入 一 种 对 分 离物 的 吸 引 比 吸 附 剂 更 强 的 溶 剂 来 完 成 。四、反胶团萃取原理反胶团萃取(Reversed micellar extraction)的分离原理是表面活性剂在非极性的有机相中超过临界胶团浓度而聚集形成反胶团,在有机相内形成分散的亲水微环境。许多生物分子如蛋白质是亲水憎油的,一般仅微溶于有机溶剂,而且如果使蛋白质直接与有机溶剂相接触,往往会导致蛋白质 的变性失活,因此萃取过程中所用的溶剂必须既能溶解蛋白质又能与水分层,同时不破坏蛋白质的生物活性。反胶团形成过程从胶体化学可知,向水溶液中加入表面活性剂,当表面活性剂的浓度
18、超过一定值时,就会形成胶体或胶团,它是表面活性剂的聚集体。在这种聚集体中,表面活性剂的极性头向外,即向水溶液,而非极性尾向内。当向非极性溶剂中加入表面活性剂时,如果表面活性剂的浓度超过一定值,也会在溶剂内形成表面活性剂的聚集体,称这种聚集团为反胶团。在这种聚集体中，表面活性剂的憎水的非极性尾向外,与在水相中所形成的胶团反向。反胶团萃取过程及其应用用反胶团技术萃取蛋白质时,用以形成反胶团的表面活性剂起着关键作用。现在多数研究者采用 AOT 为表面活性剂。AOT 是琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸钠或丁二酸二异辛酯磺酸钠(Aerosol OT)。溶剂则常用异辛烷 (2,2,4-二甲基戊烷)。AOT
19、作为反胶团的表面活性剂是由于它具有两个优点:一是所形成的反胶团的含水量较大,非极性溶剂中水浓度与表面活性剂浓度之比可达 5060;另一点是 AOT 形成反胶团时,不需要助表面活性剂。AOT 的不足之处是不能萃取分子量较大的蛋白质,且沾染产品。反胶团萃取过程及其应用用反胶团技术萃取蛋白质时,用以形成反胶团的表面活性剂起着关键作用。现在多数研究者采用 AOT 为表面活性剂。AOT 是琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸钠或丁二酸二异辛酯磺酸钠(Aerosol OT)。溶剂则常用异辛烷 (2,2,4-二甲基戊烷)。AOT 作为反胶团的表面活性剂是由于它具有两个优点:一是所形成的反胶团的含水量较大,非极性溶
20、剂中水浓度与表面活性剂浓度之比可达 5060;另一点是 AOT 形成反胶团时,不需要助表面活性剂。AOT 的不足之处是不能萃取分子量较大的蛋白质,且沾染产品。反胶团萃取法提取蛋白质的可行性与优越性。不管是自然细胞还是基因工程细胞中的产物都能被分离出来;不仅发酵滤液和浓缩物可通过反胶团萃取进行处理,就是发酵清液也可同样进行加工。不仅是蛋白质和酶都能被提取,还有核酸、氨基酸和多肽也可顺利地溶于反胶团。然而反胶团萃取在真正实用之前还有许多有待于研究和解决的问题,例如表面活性剂对产品的沾染、工业规模所需的基础数据;反胶团萃取过程的模拟和放大技术等。尽管如此,用反胶团萃取法大规模提取蛋白质由于具有成本低
21、、溶剂可循环使用、萃取和反萃取率都很高等优点,正越来越多地为各国科技界和工业界所研究和开发。非均相分离非均相分离包括过滤、离心分离和沉降过滤的基本概念过滤操作时利用重力或人为造成的压差使悬浮液通过某种多孔性过滤介质，悬浮液中的固体颗粒被截留，滤液则穿过介质流出。两种过滤方式(1) 滤饼过滤 过滤时悬浮液中有部分颗粒进入过滤介质网孔中发生架桥现象，也有少量颗粒穿过介质而混于滤液中。随着滤渣的逐步堆积，在介质上形成了一个滤渣层，称为滤饼。不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，而穿过滤饼的液体则变为清净的滤液。(2) 深层过滤 固体颗粒并不形成滤饼而是沉积于较厚的过滤介质内部。此时，颗粒尺寸小于介质
22、孔隙。在惯性和扩散作用下，进入介质通道的固体颗粒趋向通道壁面并籍静电与表面力附着其上离心分离离心分离可分为三种形式：离心沉降(利用固液两相的相对密度差，在离心机无孔转鼓或管子中进行悬浮液的分离操作)；离心过滤(利用离心力并通过过滤介质，在有孔转鼓离心机中分离悬浮液的操作)；离心分离和超离心(利用不同溶质颗粒在液体中各部分分布的差异，分离不同的相对密度液体的操作)沉淀盐析沉淀、等电点沉淀、有机溶剂沉淀、加热沉淀法等优点：操作简单，经济，浓缩倍数高。盐析：蛋白质在高离子强度的溶液中溶解度降低发生沉淀的现象。盐析法是分离蛋白质的一种重要手段，它有效、价廉，且不易引起蛋白质变性，故在蛋白质分离中被广泛
23、采用。影响盐析的因素影响盐析的主要因素有无机盐的种类、浓度、温度和 pH 值。1. 无机盐在相同 I 下，盐的种类对蛋白质溶解度的影响有一定差异，一般规律为：离子半径小而带电荷较多的阴离子的盐析效果较好，即盐析常数 Ks 大。选择盐析的无机盐时，对盐的几点要求：(1)盐析作用要强；(2)溶解度大，能配制高离子强度的盐溶液；(3)溶解度受温度影响较小；(4)盐析用盐必须是惰性的，来源丰富、经济。常用的盐析用盐：硫酸铵优点：价格便宜、溶解度大且受温度影响很小、具有稳定蛋白质（酶）的作用。缺点：为强酸弱碱盐，腐蚀性强，后处理困难；硫酸胺残留在食品中的量，即使很低，也容易被辨别出来；在医疗上，硫酸铵有
24、毒性。所以必须把硫酸铵从蛋白质中除去2温度和 pH 值温度：在低离子强度溶液或纯水中，蛋白质的溶解度在定温度范围内一般随温度升高而增大。当离子强度较高时，升高温度有利于某些蛋白质的失水，因而温度升高，蛋白质溶解度下降。pH 值：等电点溶液中，净电荷为零，蛋白质之间静电排斥力最小，溶解度最低（ 值最小） ，所以调节溶液 pH 在等电点附近有利于提高盐析效果。等电点沉淀蛋白质有一重要的电特征，即等电点。由于蛋白质的带点性与溶液的 pH有关，当溶液的 pH 为某一值时，蛋白质不带电，这时的 pH 值常用 pI 表示，称为等电点。不同蛋白质的 pI 值不同。在溶液的 pH pI 时，蛋白质的溶解度最小
25、。等电点沉淀法的依据是，基于不同蛋白质具有不同等电点的这一电特性，如果依次改变溶液的 pH 值，便可使具有不同 pI 值的杂质蛋白质，依次沉淀而被除去。有机溶剂沉淀概念：在含有蛋白质的水溶液中，加入亲水性有机溶剂，降低溶质的溶解度，使其沉淀析出。 原理： 破坏了溶质分子周围的水化层，导致脱水凝聚； 有机溶剂的介电常数比水小，随着有机溶剂的加入，溶液的介电常数下降，蛋白质分子间的引力增大，从而凝聚和沉淀。有机溶剂的选择： 介电常数 与水互溶、在水中有很高的溶解度 致变作用 毒性小，挥发性适中热沉淀在较高温度下，热稳定性差的蛋白质将发生变性沉淀。利用蛋白之间的热稳定性的差别进行蛋白质的热沉淀，分离纯化稳定性高的目标产物。热沉淀是一种变性分离法，带有一定的冒险性。只有变性活化能差别大的蛋白质才可利用此法分离，因此使用时需对目标产物和共存杂蛋白的热稳定性有充分的了解。
