1、Chapter 3 制药分离工程基础与设备,利用先进的现代科学技术手段与方法，对目前药物生产中相对落后的生产工艺和过程实施高新技术产业化改造，生产出“安全、高效、稳定、可控”的，具有强大国际竞争力的现代药物产品，实现药物生产现代化及国际化，是我们制药工程专业学生与制药工程学科的科技工作者面临的重要任务。,概 述,第一节 萃取分离,定义 利用溶解度的不同，使混合物中的组分得到完全或部分分离的过程。 溶剂萃取是利用化合物在两种互不相溶的溶剂中溶解度或分配系数不同，使化合物从一种溶剂内转移到另一种溶剂中而提取出来的方法。 溶剂萃取的特点：对热敏性物质破坏少；采用多级萃取时，物质浓缩倍数和纯化度高，便
2、于连续操作，容易实现自动控制；分离效率高，生产能力大。,第一节 萃取分离,一、液-液萃取 （一）基本原理 一次萃取 二次萃取N次萃取K-分配系数 W0-萃取前化合物的总量V-原溶液的体积 Wn-萃取n次后化合物剩余量S-萃取溶液的体积,第一节 萃取分离,一、液-液萃取 2、分配比：当萃取体系达到平衡时，被被萃取物在含萃取剂相O中的总浓度与原料液W中的总浓度之比。其值越大，萃取能力越强。不是常数。3、萃取率：被萃取物质在萃取剂中的量与在萃取剂相和在原料液项中的总量的百分比。4、相比：两液相体积比。当为1时，萃取率为D与D+1之比。,第一节 萃取分离,（二）萃取剂的选择 选择性：萃取剂S对原料液中
3、两组份溶解能力的差异。其值一般大于1，且越大，分离效果越好，萃取剂对物质的选择性越好。 原溶剂B与萃取剂之间的互溶度越小越好，有利于溶质A的分离。 萃取剂S与原料液中的组分的相对挥发度要大，不应形成恒沸物，且组成低的组分最好为易挥发成分。若被萃取的溶质不挥发或挥发度很低时，萃取剂S的汽化热要小，以节约能耗。,第一节 萃取分离,（二）萃取剂的选择 萃取剂与被分离混合物之间有较大密度差； 萃取剂的粘度要小，以利于两相的混合与分层，利于传质和流动； 萃取剂应具有化学稳定性和热稳定性，对设备腐蚀小，来源充分，价格较低廉，不易燃爆； 界面张力要适当,例题：某溶液含Fe3+10 mg，将它萃取如入某有机溶
4、剂中时，分配比=99。问用等体积溶剂萃取1次和2次，剩余Fe3+量各是多少？若在萃取2次后，分出有机层，用等体积水洗一次，会损失Fe3+多少毫克？ 解：体积比VW/VO=1等体积萃取，n次萃取后剩余量为： 萃取1次后剩余Fe3+量： 萃取2次后剩余Fe3+量：,100 mL含钒40 g的试液，用10 mL钽试剂-CHCl3溶液萃取、萃取率为90%。以1 cm比色皿于530 nm波长下，测得吸光度为0.384，求分配比及吸光物质得摩尔吸收系数。（5.4103L/mol.cm） 有一金属螯合物在pH=3时从水相萃入甲基异丁基酮中，其分配比为5.96，现取50.0 mL含该金属离子的试液，每次用25
5、.0 mL甲基异丁基酮于pH=3萃取，若萃取率达99.9%。问一共要萃取多少次？ （n=5） 用有机溶剂从100 mL某溶质的水溶液中萃取两次，每次用20 mL，萃取率达89%，计算萃取体系的分配比。假定这种溶质在两相中均只有一种存在形式，且无其他副反应。 （10）,二、固-液萃取就是应用溶液将固体原料中的可溶组分提出来的操作。亦称浸取或提取。中药制药过程，重要的是利用中草药提取有效成分或有效部位做原料，浸取过程提取有效成分。溶剂主要包括水、亲水性有机溶剂和亲脂性有机溶剂。,第一节 萃取分离,（一）浸出过程原理 1、中药浸出过程动物性药材的有效成分绝大部分是蛋白质或多肽类，分子量较大，难以透过
6、细胞膜植物性药材的有效成份的分子量一般都比无效成分的分子量小得多，浸取时要求有效成份透过细胞膜渗出，无效成分仍留在细胞组织中以便除去。,第一节 萃取分离,（1）动物性药材的浸出过程动物性药材的有效成分绝大部分是蛋白质、激素、酶等，必须将细胞膜破坏。浸取常用的溶剂有稀酸、盐类溶液、乙醇、丙酮、醋酸、乙醚、甘油等。乙醇、丙酮及甘油可破坏细胞结构。浸取时应控制适当的温度和溶剂的用量，用浸渍、回流等不同方法浸取。 （2）植物性药材的浸出过程植物性药材的浸出过程是由湿润、渗透、溶解及扩散等几个相互联系的阶段所组成,第一节 萃取分离,溶剂将药材润湿、后在药材内部渗透,药材内部物质的润湿、可溶性物质溶解,可
7、溶性物质在药材内部经多孔细胞壁扩散,物质从药材表面向溶液扩散,溶剂,中药及天然药物固液萃取过程示意图,目标分子将经历液泡和细胞器的膜透过、细胞浆中的扩散、细胞膜和细胞壁的透过等复杂的传质过程。若细胞壁没有破裂，浸取作用是靠细胞壁的渗透来完成的，浸取的速率很慢细胞壁被破坏后，传质阻力减小，目标产物比较容易进入到萃取液主体，并依据相似相溶原理而溶解，达到萃取的目的,第一节 萃取分离,2、Fick扩散定律与扩散系数中药材提取过程可用Fick定律描述这种传质过程。有效成分溶解后在组织内形成浓溶液而具有较高的渗透压，从而形成扩散点，不停地向周围扩散其溶解的成分以平衡其渗透压，这是浸取的推动力。,第一节
8、萃取分离,（1） Fick扩散定律JAT为溶质流量，mol/(cm2s)；CA为溶质浓度，mol/cm3；Z为垂直于有效扩散面积的位移，cm；D为溶质分子扩散系数，cm2/s； DE为涡流扩散系数，cm2/s；负号表示扩散方向，即药物分子扩散向浓度降低的方向进行。扩散动力是扩散方向Z上的浓度梯度dCA/dZ。适用于稳态过程，即液体中溶质的浓度不随时间改变的过程体系。非稳态过程，用Fick第二定律描述,第一节 萃取分离,（2）浸出的扩散通量中药材等植物药材中有效成分被浸出时，自药材颗粒单位时间通过单位面积的物质量称为扩散通量，由Fick扩散定律得： 扩散通量J的因次kmol/(m2s)，上式即浸
9、出速率方程 （3）扩散系数溶质在液相中的扩散系数DA通常在10-9 10-10，它不仅与物质的种类性质有关，而且与体系的温度有关，并随溶质的浓度而变。在浓溶液中溶质的扩散系数与活度有关，只有在稀释溶液中溶质的扩散系数才可视为常数。,第一节 萃取分离,对稀溶液大分子溶质A扩散到小分子溶剂B中时，可从理论上导出：DAB大分子溶质A扩散到小分子溶剂B中的扩散系数， m2 /s ；=1.38 10-23 (波滋漫常数)； T 绝对温度，K； uA/fA单位阻力下溶质分子的运动速度，m/s。,第一节 萃取分离,假定将溶质分子视为球形颗粒，在连续介质中（即稳态过程，有效成分在药材固体与浸出液相主体中的浓度
10、保持不变，C恒定值），液体在固体表面流动为层流时，溶质分子所受阻力可由Stocks公式计算： fA = 6rAB uA fA溶质分子在溶剂中受到的阻力，kgm/s2 ；uA溶质分子的运动速度，m/s ；rA溶质分子A的半径， m； B溶剂分子B的黏度，Pa.s,第一节 萃取分离,由前两个公式得： DAB = T/6 rA B对于n个分子的体积VA =4 n rA3/3 ，于是1mol (n=6.0231023 )时， VA即正常沸点下溶质的分子体积(cm3/mol) ，溶质的扩散系数,DAB = 9.96 10-5 T/（ BVA1/3） 式中B因次cp ，适用于分子量大于1000，非水合大分
11、子溶质，其水溶液中VA为500 cm3/mol,第一节 萃取分离,对于溶质为小分子的稀溶液，实际应用中多采用威尔盖方程进行计算： DAB = 7.41012 T(MB) 0.5 /(BVA0.6 ) MB溶剂分子量；B溶剂的黏度Pa.s； 溶剂的缔合参数，对于水为2.6，甲醇为1.9，乙醇为1.5，苯、乙醚、庚烷等均为1.0,第一节 萃取分离,（二）浸出过程计算 1、浸出过程各阶段所需时间的计算 a. 溶剂在药材内部的渗透：在植物组织中有大量的毛细管型小孔，溶剂进入药材内部后，因毛细管的作用，沿毛细管渗透到植物组织中去，并将植物细胞和其间隙充满。毛细管被水充满所需时间： =1.3710-4 A
12、h2 r 式中A=2 (14.46-12.5)， =p0 /(p0 p)； r毛细管半径，m； h毛细管长度，m；p0毛细管压力，N/m2 ； p大气压力，N/m2,第一节 萃取分离,b.在固体颗粒内的溶质由向颗粒表面的传递，在扩散距离L内，有效成分浓度自C1变化至C2，则传递在有多孔固体物质中进行在多孔固体中， L为物质A的扩散距离，相当于固体颗粒尺寸 c.停留在固体颗粒表面的溶质由界面向液相主体的传质通量J，在扩散距离Z内，有效成分浓度自C2变化至C3，则K=D/Z 表示组分A在液相中的传质分系数,第一节 萃取分离,d.总的传质通量J，由前两式得：扩散系数等诸多参数是无确定的数据或没有特定
13、的检测方法可用，具有理论意义。实际设计多采用平衡状态下的浸出作近似计算。植物药材浸出时，将浸出溶剂加到药材中并浸渍一定时间后，浸出液中浸出物质的浓度在一定时间内是逐渐增加的。,第一节 萃取分离,2、平衡状态下浸出的计算 如药材浸出时间较短、药材内部液体浓度与浸出液的浓度未达到平衡，称为非平衡状态浸出。当物质从药材中扩散到浸出液的量与物质从浸出液扩散回到药材的量相等时，浸出液的浓度恒定，即为平衡浓度，则称为平衡状态的浸出。此时药材内部的液体的浓度等于药材外部浸出液的浓度,第一节 萃取分离,G,G,g,g,G-药材中所含待浸出物质量 平衡时：G-浸出后所放出的溶剂量g-浸出后留在药材中的溶剂量g
14、-浸出后留在药材中的待浸出物质量,G+g, G/(G+g) = g/g g = G g/ (G+g) =G/(+1) = G/ g 对一定量的溶剂， 大，即溶剂损失小,（1）单级浸取,（2）重复浸取 第一次浸取分离出浸取液（G+ G - g ）后，药材中的尚有待浸出物质量g和留在其中的溶剂量g,若补入新鲜溶剂的量 G2第二次浸出后残留在药材中待提取物质量g2，停留在药材中的溶剂量g2 g / (G2+g2) = g2/g2g2 = g / (G2/g ) +1 当G2 =G，g2 =g 有 g2 = g /（ +1）即 g2 = G /（ +1）2 对于n次浸取后 残留在药材中待提取物质量 g
15、n= G /（ +1）n,第一节 萃取分离,例题：含有浸出物质25%的药材100kg，第一级溶剂所加入量与药材量之比为5:1，其他各级溶剂新加入量与药材量之比为4:1，求浸取一次和浸取五次后药材中所剩余的可浸出物质的量是多少？（设药材中所剩余的溶液量等于其本身的质量。） 解：药材中所含浸出物质总量G=10025%-25（kg）药材中剩余的溶剂量g，=100（kg）浸取一次后所放出的溶剂量G，=1005-100=400（kg）由于第一次浸取后药材中所剩余的可浸出物质量g1为：第五次浸取后药材中所剩余的可浸出物质g5为,天然药物或中药的浸出过程，要求浸出率和效率达到和谐的统一，工程上只要达到一定的
16、浸出率即可，不是100%。天然药物或中药的浸出率 浸出后所放出的浸出液或滤液中所含浸出物质量与原药材中所含浸出物质总量的比值。若浸渍后药材中所含溶剂量为1，总溶剂量为M，放出的溶剂M-1。则,平衡条件下浸取一次的浸出率,第一节 萃取分离,（2）重复浸取 第一次浸取后药材中余下的待浸出物质的分率1-E1,第二次,第n次,总浸出率,一般地，n=45。若M=4，E5 =？,第一节 萃取分离,书上p92例题：某药材含20%无效成分和30%有效成分，浸出溶剂用量为药材的20倍，药材对溶剂的吸收量为4。求25kg药材单次浸取所得的有效成分与无效成分量。 解：设药材中所吸收溶剂量为1，则 溶剂量M=204=
17、5浸出率无效成分浸出量有效成分浸出量,书上p93例题：某药材200kg有效成分浸出率达到0.963，需浸取三次可达到。试求浸出溶剂消耗量为多少？（已知药材对溶剂的吸收量为1.5，并设药材中所剩留的溶剂量等于其本身的质量。） 解： 浸取率则 M=3已知药材吸收溶剂量为1.5，则200kg药材提取三次所消耗溶剂总量W为：,第一节 萃取分离,（3）多级逆流浸取 浸余率浸出率倾出的溶剂量与剩余在药材中的溶剂量之比为,第一节 萃取分离,M=13是浸出率变化较大的区间 采用较小的值，提高浸出率较困难，一般应大于1.5,（三）浸出方法与设备 常用的方法： 1静态浸出间歇式包括：(1) 单级浸取一湿渍法、煎煮
18、法(2) 单级多次提取一重复浸取法(3) 多级逆流 2、动态浸出间歇式(1) 单态浸取一渗漉法(2) 多级逆流一连续式 由于植物药材浸出过程有许多因素影响其过程与设备，所以上述的分类，还有许多变型,第一节 萃取分离,1、浸取法浸取法是用液体来提取与分离固体药材和方法，广泛应用于中草药的浸取中。一般先把药物粉碎，再加入一定量溶剂浸溃一定时间后，加以过滤去渣而得提取液。依加热的温度可分为：常温-冷(室温)浸法；沸点以下的加热-温浸法；沸点加热-煎煮法、热回流提取法。 浸取法比较简单，生产酊剂、酒剂中多采用。,第一节 萃取分离,可用于中草药煎煮、减压浓缩和真空蒸馏等,气动装置,带滤板的活底,料叉,加
19、料口,搅拌,适合于药材较轻、易于搅拌的浸取,泵加压和 惰性气体加压 0.30.6MPa,用于罐盖的升降,蒸汽或惰性气体加压,罐体可倾斜125度 故进行上口出渣，适合块大、品种杂的中草药,除了上述结构的浸取器外，还有： 管式逆流浸取器 逆流超声波浸取器 U形螺旋式提取器 螺旋推进式提取器 肯尼迪式连续逆流提取器 平转式连续提取器等,第一节 萃取分离,2、渗漉法将药粉置于渗漉器中，溶剂连续地从上部加入，渗漉液不断从底部流出，从而提取药物的有效成分。渗漉罐一般为圆筒设备。底部为锥形并装有筛板、筛网或滤布等以支撑药粉。工艺流程：经前处理的药材-湿润-装筒-排气-浸渍-渗漉液收集,第一节 萃取分离,分离
20、的任务通常要分几步才能完成。首先要对每步分离选择出合适的设备，然后将这些分离设备组成一个完整的流程。天然药物和中药的固液萃取过程中的分离是非均相混合物的分离，通常采用过滤或离心分离，或经沉降分离加过滤。,第一节 萃取分离,液体中悬浮的固体在重力作用下沉降并形成-清液层和-固体浓浆层的过程称为沉降。过滤介质或为天然纤维或为合成纤维或为多孔非金属或多孔金属。滤饼的纯度不重要，故可加入多孔固体颗粒即助滤剂。,第一节 萃取分离,第一节 萃取分离,三、超临界萃取 (一)基本原理 超临界流体：超过临界温度和临界压力状态的流体。具有气体的粘度小、扩散能力以及高渗透能力，兼具液体的大密度、较大溶解能力。温度不
21、变条件下，其溶解能力随压力升高而增加。 原理：超临界流体具有选择性溶解其他物质的能力。被萃取物质化学性质与超临界流体的越接近，溶解能力越强；反之，溶解能力越弱。利用这种选择性，可以选择性溶解某一组分，后经升温或降压，使超临界流体密度降低，变为普通气体，被溶解组分析出，从而得以从混合物中分离。,第一节 萃取分离,（二）萃取剂 1、常用的有：二氧化碳、乙烷、乙烯、丙烯、丙烷、氨等。 2、具备条件： 化学性质稳定，对设备无腐蚀性； 临界温度接近室温或操作温度，不要太高，也不要太低； 操作温度应低于被萃取物质的分解温度； 临界压力低，以降低压缩动力； 对被萃取物质的溶解度高，以减少溶剂的循环量； 货源
22、充足，价格便宜； 用于医药、食品工业时，必须对人体无毒。,第一节 萃取分离,（三）超临界流体萃取工艺过程 等温变压萃取流程：超临界流体进入萃取槽萃取，经膨胀阀减压成气体，溶解度下降，被萃取物析出，气体重复增压套用。,第一节 萃取分离,等压变温萃取流程萃取后的超临界流体经加热升温，成为气体，溶解度下降，被萃取物析出，气体经增压、降温重复套用。,第一节 萃取分离,吸附萃取流程萃取后的超临界流体进入分离器，经分离器中吸附剂吸附被分离物质后，超临界流体重新回到萃取器中重复操作。属于等温、等压操作。主要用于除杂。,第一节 萃取分离,（四）超临界流体萃取应用提取有效药物成分：鱼肝油中分离二十五碳五烯酸、二
23、十二碳六烯酸；蛋白质分离提纯；类固醇类试样制备等。 超临界结晶干燥制粒,第一节 萃取分离,四、固相萃取(Solid Phase Extraction，SPE) 技术是基于液相色谱理论的一种分离、纯化方法。具有高效性、高选择性、高可靠性、高自动化程度以及低耗性等特点。,（一）原理：SPE就是利用固体吸附剂吸附液体样品中的目标物，使目标物与样品的基体和干扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富集目标物的目的。,（二）固相萃取过程可分为吸附和洗脱两个部分： 在吸附过程中，当溶液通过吸附剂床时，由于吸附剂对目标物质的吸附力大于溶剂的吸附力，因此目标物质被选择性地吸附在吸附床上进行了富
24、集。“洗脱”是一种使保留在吸附剂上的物质从吸附剂上去除的过程，通过加入一种对分离物的吸引大于吸附剂的物质来完成。,第一节 萃取分离,第一节 萃取分离,（三）固相萃取分类： 在线萃取和离线萃取 正相固相萃取、反相固相萃取、离子交换固相萃取：分类依据为吸附剂的种类（极性、非极性、阴阳离子），分别用于分离极性、非极性/中等级性、可电离物质。,固相萃取的优点： 克服了乳化现象的发生，保证了样品中痕量目标物质的回收； 萃取精度高、范围广。固相萃取可应用于包括生物样本中的痕量物质检测在内的多个领域中的痕量检验； 操作条件温和，适应的pH范围广； 操作简单易行，周期短，节省试剂，回收率高； 效率高。,第一节
25、 萃取分离,第二节 结晶分离,结晶分离 结晶是从蒸汽、溶液或熔融物中以晶体状态析出固体物质的过程，是一个同时有热量和质量传递的过程。结晶包括3个过程：（1）形成过饱和溶液；（2）晶核形成；（3）晶体生长。,对结晶过程进行控制常用物系介稳区宽度进行表达。在稳定区(不饱和)内，不发生结晶现象；在不稳定区内，结晶能自发进行；在介稳区内，结晶不能自动进行，但加入晶种后，晶种会生长。,介稳区宽度的表达方法 c浓度 T温度 cmax介稳区宽度 Tmax介稳区宽度,对于一定的系统，溶解度曲线的位置是固定的，而超溶解度曲线的位置是不固定的。 冷却或蒸发的速度越慢、晶种越小、机械搅拌越激烈，超溶解度曲线越向溶解
26、度曲线靠近。介稳区宽度是选择合适结晶过饱和度的依据。,冷却速率及加晶种对结晶操作的影响,结晶控制,图A表示不加晶种而迅速冷却，初级成核，形成大量细小晶核，属无控制结晶 图B 表示不加晶种而缓慢冷却，初级成核，过饱和度因成核二有所消耗，溶液状态即离开超溶解度曲线，不再有晶核形成。属有限控制结晶。,图C 表示加有晶种而迅速冷却。溶液的状态一旦越过溶解度曲线，晶种开始长大，介稳区中溶液浓度降低，但冷却太快，溶液仍快速到达不稳区，细小晶体产生。 图D 表示加有晶种而缓慢冷却。,结晶分离方法,冷却剂直接接触冷却结晶法 反应结晶法借助于化学反应产生难溶或不溶固相物质 蒸馏-结晶耦合法蒸馏和熔融结晶这两种分
27、离方法有机地结合在一起 氧化还原-结晶液膜法利用模拟生物膜的选择透过性特点来实现分离作用 萃取结晶法,第二节 结晶分离,超临界流体结晶法: 在高度湍流的超临界流体中，溶剂和超临界流体(一般为CO2)快速混合，CO2的溶解使有机溶剂发生膨胀，内聚能降低，溶解能力下降，从而使药物的过饱和度增加，促进药物晶体的形成。 磁处理结晶法: 利用元素或组分磁敏感性的差异，借助外磁场将物质进行磁场处理，从而达到强化分离。,第二节 结晶分离,第二节 结晶分离,二、结晶分离设备：结晶器是结晶分离的关键设备，结晶分离技术的研究重点集中在结晶器的结构设计及结晶工艺流程的设计。,溶液结晶装置： MSMPR型结晶器 DT
28、B型结晶器 Standard Messo 湍动结晶器 带有机械搅拌的蒸发结晶器,工业熔融结晶装置： Brodie提纯器 KCP结晶装置 Phillips结晶装置 MWB结晶装置 CCCC结晶系统,第三节 膜分离,一、膜分离基本原理 （一）膜技术的发展简介 淮南子有制豆腐的记叙。 200多年前，Nollet注意到水能够自发地扩散穿过猪膀胱而进入酒精中的渗透现象。 1864年Traube成功制成人类历史上第一片人造膜亚铁氰化铜膜。,第三节 膜分离,（二）膜技术的应用领域 分离：微滤、超滤、反渗透、电渗析 控制释放：药物、农药 膜反应器：酶催化反应器、生物反应传感器等 能量转换：电池隔膜、固体聚电解
29、质、电解器隔膜等,第三节 膜分离,（三）膜分离的定义膜分离是采用具有选择透过性的半透膜为分离介质，在某种推动力作用下，选择性地透过一种或多种物质，以达到分离、提纯、分级以及富集目的物理筛分过程。不发生相分离，属于速率分离过程。 分为：微滤、超滤、纳滤和反渗透等。,第三节 膜分离,（四）膜分离的特点： 工作温度在室温附近，适于热敏性物质的处理； 没有相变化，能耗极低； 选择性好，可达分子级分离 浓缩和纯化可以同时完成； 高效； 规模和处理能力弹性较大； 结构紧凑，操作方便，易于自动化，且生产效率高。,第三节 膜分离,微滤膜 0.1m孔径 大小 超滤膜 0.1-0.01m或2000300,000M
30、W 纳滤膜 150-1000MW 反渗透膜 110埃 水透过 膜分类 对称膜 各向同性结构非对称膜 复合膜 各向异性无机膜 陶瓷膜和金属膜 纳滤材质 有机膜（高分子材料）：聚酰胺、聚醚砜平板膜形状 管式膜中空纤维膜,第三节 膜分离,二、膜的性能与应用 （一）膜的种类与结构对称膜是指各向均质的致密或多孔膜。不对称膜是由活性层和支持层组成的一种非均质的致密膜，早期膜材料为同一物质组成。a非对称膜 b 对称膜,第三节 膜分离,复合膜是在多孔性支撑结构上复合一层很薄的、致密的、有特殊功能的另一种材料的膜层而形成的一种不对称膜。,第三节 膜分离,（二）膜材料,第三节 膜分离,（三）膜性能的表示法 1、分
31、离效率 截留率分离因子分离系数XA和 yA分别为被分离物质A在原液和透过液中的摩尔分数,第三节 膜分离,2、渗透通量 单位时间内通过单位膜面积的透过物量表示。 3、通量衰减系数,第三节 膜分离,（四）影响膜分离的因素 1、浓差极化： 膜表面溶质浓度升高，使溶液渗透压升高，有效推动力西江，溶剂渗透通量下降； 膜表面溶质浓度升高，使溶质通过膜孔的传质推动力增大，溶质渗透通量提高，截留率降低； 膜表面溶质浓度升高，膜表面形成沉淀，阻塞膜孔，减少溶剂的渗透通量； 膜分离性能改变 出现膜污染，膜透过性能大幅下降，甚至完全消失。,第三节 膜分离,2、膜污染及处理膜污染即是指膜在使用过程中，尽管操作条件保持
32、不变，但其通量仍逐渐降低。膜的污染（fouling）被认为是超滤过程中的主要障碍 。膜污染的主要原因是颗粒堵塞和膜表面物理吸附。膜清洗可分为物理法（等压清洗、增加流速、改变流动方向）化学法（酸、碱、酶（蛋白酶）、赘合剂、表面活性剂、过 氧化氢、次氯酸盐、磷酸盐、聚磷酸盐等 ），或两者结合起来,第三节 膜分离,（五）操作条件的选择 膜孔的选择：孔径适宜，过大会阻塞，清洗困难 pH的控制：应远离蛋白质、氨基酸、多肽物质的等电点，减少膜的吸附量。 其他条件的选择： 提高膜表面切线速度，但不宜过大；错流操作；增大料液流速减少浓差极化层厚度，以提高通量；脉冲操作，可减缓污垢形成，使高渗透率恒定；尽量提高
33、操作温度。,第三节 膜分离,三、膜组件 (一)板框式膜组件平板式膜组件的基本构造是膜、原液通道和透过液通道相互交替重叠压紧。,进水,透过水,浓缩水,耐压容器,透水板,半透膜,板框式膜组件工作过程示意图,特点：结构简单，保留 体积小，能耗低。,缺点：装卸复杂，单位体积膜表面积小。,第三节 膜分离,粗管按照管断面直径毛细管内压式 （二）管式组件 膜位置 外压式单管式 管数 串联式列管式并联式,第三节 膜分离,（二）管式组件 外压式：膜在多孔支撑管外侧涂敷，原液在管外流动内压式：膜在多孔支撑管内侧涂敷，原液在管内流动,内压式管式膜组件的内部结构示意图,特点:水力条件好，安装、清洗、维修比较方便。能耐
34、高压，可以处理高粘度的原水。缺点是膜的有效面积小，装置体积大，压降大。,淡水,淡水,膜表皮层,玻璃纤维管,进水,第三节 膜分离,（三）中空纤维管,中空纤维超滤组件简图,进水,浓水,透过水,多孔进水管,浓水出口,透过水出口,密封,中空纤维膜 外径50200 内径2542,密封,耐压容器,第三节 膜分离,（三）中空纤维管优点：保留体积小，单位体积中所含膜面积大，可以逆洗，操作压力低，动力消耗较低。缺点：料液需要预处理，单根纤维损坏时，需要调换整个膜件。,(四)卷式膜组件进水沿膜袋外侧的进水网格从膜元件的一端进入膜元件，部分作为产水透过膜，其余部分作为浓水从膜元件的另外一侧排出。透过膜的产水进入膜袋
35、，沿产水网格呈螺旋状向内流动，经过中心管上的孔进入中心集水管，通过产水排出口流出。,第三节 膜分离,卷式膜组件的组装示意图,进水口,耐压容器,连接器,膜组件,密封圈,端盖,产品水,浓水,第三节 膜分离,（四）卷式组件优点：单位体积中所含膜面积大，更换新膜容易，结构紧凑缺点：料液需要预处理，压降大，易污染，清洗困难。适合低粘度、渗透量大、浓缩倍数较低的料液处理和水处理。,卷式/管式膜分离设备,第三节 膜分离,四、膜过滤技术： 微滤：又称微孔过滤，基于筛分过程，在静压差作用下滤除0.1-75m的微粒的膜分离过程。 微滤膜的特征： 孔径均一，孔隙率高； 滤材薄； 驱动压力低，流动阻力小,超滤（简称U
36、F）是以压力为推动力，根据相对分子量不同来进行分离的膜技术。居于纳滤（NF）与微滤（MF）之间，截留分子量范围为1000-300000道尔顿，相应膜孔径大小的近似值为501000A。超滤的特点： 分离过程无相变，节能显著； 常温分离，适宜热敏性物质的分离与浓缩； 推动力为压力，奋力装置简单，操作方便易控； 适应范围广,纳滤：以压力为推动力，根据相对分子量不同来进行分离的膜技术。居于纳滤（NF）与反渗透之间，截留分子量范围为100-1000道尔顿。 主要用于膜法软化水，抗生素、多肽的纯化和浓缩，氨基酸的分离与纯化以及乳清脱盐等。,反渗透：加在溶液侧所加压力超过了渗透压，使溶液中的溶剂向纯溶剂一侧
37、流动的过程就叫做反渗透。利用反渗透原理分离溶质和溶剂的方法，称之为反渗透分离。反渗透膜分离技术具有以下特点： 在常温不发生相变化的条件下，可以对溶质和水进行分离，适用于对热敏感物质的分离、浓缩，且能耗较低； 杂质去除范围广，包括无机盐类和各类有机物杂质； 脱盐率高； 分离装置简单，易操作、控制和维护； 反渗透膜对进水水质有一定的要求。,第四节 过滤与离心分离,一、过滤过滤是将料液通过固体支持或者过滤介质时，使得固体物质从溶液中分离，对于好的定形的晶体，这是一种最直接的步骤。,滤饼,传统的过滤,cake,Conventional filtration,最普遍的是板框式过滤机，有可填充的、金属隔片
38、的和凹显空间滤饼的。 其它类型还有平的金属板，可用滤纸或滤布过滤介质在开放式框架上分离形成滤饼。这种过滤机适合于相对的干性滤饼，能被清除，不适合有毒气和生物危害物的滤饼。,其它三种过滤机是封闭型的，可过滤挥发性和有生物危害物质，一般用于小规模生产。,带式过滤机,PBF系列连续水平真空带式过滤机是一种自动化程度高的新型过滤设备，该机以过滤布或滤网为介质，使料浆水平布置于过滤介质之上，充分利用料浆重力和真空吸力实现固液分离。 连续水平真空带式过滤机可适用于多种浓度条件下的物料，过滤效率高，因而被诸多工业部门优先采用。,特 点： 喂料、过滤、洗涤、脱渣、滤布再生可连续自动完成，自动化程度高。 可对物
39、料进行多级平流或逆流洗涤，过滤液（母液）和洗涤液可分开集液。 对过滤性差，粘度高的物料，可实现薄层快速过滤。 模块式设计，可灵活组合，适应性强。 采用PLC控制，便于远程及集中控制。 采用蛇形纠偏，解决了滤布的跑偏及打折。,不锈钢板框过滤机(纸板过滤机),用于各种悬浮液的固液分离，适用范围广。应用于食品、环保、轻工、医药、化工、冶金、石油等工业。特别适用于大批量啤酒、白酒、葡萄酒、食用油等液体饮料的精滤或除菌过滤。,真空转鼓过滤机,预涂层真空转鼓过滤机一般用于含粘性杂质物料的连续过滤，其优点是杂质分离彻底、过滤速度快、劳动强度低和工作区环境好，其缺点是需消耗硅藻土助滤剂。,（二） 过滤的基本理
40、论,1、过滤速率方程式 单位时间内滤过的滤液体积，称为过滤速率，单位为m3/s。如过滤时间为d，滤液体积为dV，过滤面积为A，则过滤速率为dV/d液体的粘度；为单位体积滤液可得干滤饼质量； V滤液体积，单位面积上干滤饼质量为V/A时的滤饼阻力；比例系数，表示单位过滤面积的干滤饼质量为1kg/m2时的阻力，称为滤饼的比阻，m/kg；把过滤介质也看做滤液量，称为当量滤液量Ve ；A过滤面积,（二） 过滤的基本理论,2、恒压过滤过滤体积与过滤时间的关系 对上式进行积分得令 则令 则从上式可知恒压过滤时滤液体积与过滤时间的关系为一抛物线关系。,例题1 转筒式真空过滤机过滤某悬浮液，在真空度为30kPa
41、时，过滤常数K1.810-5m2/s，滤布的qe0.01 m3 /m2，转筒直径2.6m，转筒宽度2.6m，转速0.13r.p.m，转筒浸入滤液的角度为130度，求每小时处理滤液的体积？转筒旋转一周所用时间全部转筒面积进行过滤操作的旋转周期在一个旋转周期内，全部转筒面积用于过滤操作的时间是代入式 得,则 每小时处理滤液体积,例2、用DMS20/635-25（26个框）板框式压滤机过滤某种悬浮物，P1.95105Pa，过滤常数K1.1310-4m2/s，qe0.023m3/m2，1m3滤液可以得到0.018m3滤饼，求滤饼充满滤框所需时间？过滤后用清水洗涤滤饼，洗水体积为过滤体积的10，求洗涤时
42、间？每批操作的辅助时间为15min，求过滤机的生产能力？ （1）滤框体积V0.63520.025260.2621m3滤液体积V0.2621/0.01814.56m3过滤面积A0.635222621m2,所以单位过滤面积通过滤液体积 q14.56/210.6934m3/m2 将 qe0.023m3/m2，K 1.1310-4m2/s 以及 q 代入得滤饼充满滤框所需时间 4537s （2）洗液体积为 VW0.1V1.456m3 洗涤速率（过滤终了时过滤速率）洗涤时间,（3）操作周期生产能力,二、离心分离,通过离心机的高速运转，使离心加速度超过重力加速度的成百上千倍，而使沉降速度增加，以加速药液中
43、杂质沉淀并除去的一种方法。,其原理是利用混合液密度差来分离料液，比较适合于分离含难于沉降过滤的细微粒或絮状物的悬浮液。,过滤式离心机: 悬浮固体颗粒较大、固体含量较高 沉降式离心机: 悬浮固体浓度较低 分离机:两种互不相溶的、密度有微小差异的乳浊液,离心分离基本原理,重力沉降速度:,离心力场中沉降速度:,二、离心分离,离心分离因数,悬浮粒子在离心力场中受到的离心惯性力与其受重力之比,普通离心机，f3000，一般为6001200，转鼓直径大，转速低，可用于分离0.011.0mm固体颗粒 。 高速离心机，f=300050000。转鼓直径小，可用于乳浊液的分离。 超速离心机，f50000，转速高（可
44、达50000rmin），适用于分散度较高的乳浊液的分离。,二、离心分离,二、离心分离,对离心场中速率方程积分得：,采用离心机分离发酵液中的酵母细胞，酵母细胞直径8m，密度1.05g/cm3，发酵液粘度1.005103N. s/m2，密度为1.0g/cm3，离心机转筒直径20cm，形成液膜的厚度为3cm，转速2000r.p.m，求分离酵母所用的时间？,连续加料条件下，如果加料速度与出料速度相同时，物料在离心场中停留时间等于转筒内物料体积与加料速度之比，即tV/VS 其中当物料流出转筒时，其中的颗粒正好沉降下来，则此时物料在转筒内停留时间等于颗粒沉降时间，故有,例题2 见上题（未知酵母细胞的直径）
45、，且离心机转筒高度1m，加料速度为0.2L/s，求可分离的酵母细胞的直径？据公式可知酵母的直径为,二、离心分离,管状转鼓 结构简单 具有很高的离心分离因数 转鼓易冷却,适用于固体颗粒直径0.01100m，固相浓度1%，两相密度差10g/m3的难分离的悬浮液或乳浊液的分离,（二）离心分离设备 管式离心机,泵送流量,生产能力取决于： 待分离固体粒子及溶液的性质(由ug反映)； C所代表的特定离心机的分离特性(几何特性参数),管式离心机能澄清及分离流体物质，被应用于化学、生物化学、制药、血浆等研究领域。,碟片离心机,碟式离心机是沉降式离心机中的一种，用于分离难分离的物料（例如粘性液体与细小固体颗粒组
46、成的悬浮液或密度相近的液体组成的乳浊液等）。 分离机中的碟式分离机是应用最广的沉降离心机。 碟式离心机可以完成两种操作： 液-固分离（即低浓度悬浮液的分离），称澄清操作； 液-液（或液-液-固）分离（即乳浊液的分离），称分离操作。 以其结构紧凑，占地面积小，生产能力大等特点，因而在化工、医药、轻工、食品、生物工程以及交通运输部门都获得广泛应用。,泵送流量,简单的碟式离心机：间歇操作，停机打开转鼓清除沉渣，悬浮液中固体含量不超过l。 自动除渣碟式离心机：在有特殊形状内壁的转鼓壁上开设若干喷嘴（或活门），适合处理较高固体含量的料液，其分离因数一般为60001000。,（三）离心分离过程的放大,第一
47、种方法是应用等效时间te的近似方法；Re-特征半径，通常用转鼓半径表示，m； t-分离时间，s。 第二种方法是利用离心机的几何特性参数C，进行定量分析。,te=,第5节 色谱法分离技术,5.1色谱法基本原理,色谱法的分离原理是利用物质在流动相与固定相中分配系数的差异实现分离的。在待分离的各组分随着流动相流过填充着固定相的色谱柱的过程中，分配系数大的组分迁移速度慢，而分配系数小的组分则迁移速度快被分离。 色谱分离的关键是被分离混合物中各组分在柱上能够形成差速迁移。这种差速迁移是分离的基础。,5.2 色谱法基本理论,5.2.1 色谱参数 一、色谱流出曲线和色谱峰,5.2.1 色谱参数,1、色谱流出
48、曲线 样品被流动相冲洗，通过色谱柱，流经检测器，所形成的浓度信号随洗脱时间而绘制的曲线 2、基线 检测器中只有流动相通过或虽有样品的浓度变化而不能为检测器所检出时，所给出的流出曲线。 3、色谱峰 色谱流出曲线上的突起部分,5.2.1 色谱参数,色谱峰分为正常峰、拖尾峰和前延峰三种，分别对应不同的吸附或分配等温线A、B、C,5.2.1 色谱参数,正常峰、拖尾峰可以用对称因子来衡量0.951.05之间为正常峰；小于0.95为前延峰；大于1.05为拖尾峰,5.2.1 色谱参数,二、定性参数 1、保留时间 1）保留时间 从进样开始到某组分的色谱峰顶的时间间隔tR 2）死时间 不被固定相吸附或溶解的组分的保留时间 tM 3）调整保留时间 某组分由于被固定相吸附或溶解，而比不溶解或吸附的组分在柱中多停留的时间 tR tR tM 2、保留体积 1）保留体积 流动相携带样品进入色谱柱，由进样开始，到某组分在拄后出现浓度极大值时，所需流动相通过色谱柱的体积。 2）死体积 进样口至检测器出口，未被固定相占有的空间。 3）调整保留体积 扣除死体积后的保留体积。,
