第七章 固液萃取
概述
1．定义：萃取是利用溶质在不同溶剂中溶解度的不同，使混合物中的组分得到完全或部分分离的操作过程。
固液萃取：用溶剂萃取（提取）固体中某些成分。
分类
液液萃取：利用溶质在两种互溶性小的溶剂中溶解度不同来分离液液混合物。
属于传质过程
2、液液萃取定义：若用萃取法分离混合物A+B，即先选择一种适宜的溶剂，（称为萃取剂）用S表示，S对混合物中A有显著的溶解能力，而对B是不互溶或部分互溶，再利用分离器将混合物S+A与A+B分离并通过蒸馏回收溶剂的操作称为液液萃取，
其中易溶组分A叫溶质，不溶组分B叫稀释剂或原溶剂，
“S+部分A”叫萃取相，用E表示，
“B+部分A”叫萃余相，用R表示。
如从醋酸水溶液中分离醋酸可用乙酸乙酯，
从中药提取液中分离黄酮、皂苷、生物碱等有效成分，
从青霉素水液中用乙酸戊酯萃取青霉素。
混合物若可较易用蒸馏法分离，则不选液液萃取，但下列情况可用液液萃取法分离后再蒸馏分离。
液液混合物挥发度小，沸点高，需在真空下蒸馏分离，可考虑用萃取法。
液液混合物相对挥发度接近或形成共沸物，普通蒸馏无法分离，考虑液液萃取。
液液混合物热敏感性大，易发生热分解，化学化应等可考虑。
要分离的混合物浓度很低，精馏法不经济可考虑。
对萃取要求对被萃取组分A有较大溶解度而对稀释剂溶解度较小。
利于萃取相和萃余相较快分层。
萃取剂不易燃、易爆、毒性小、便于操作、运输、贮存。
粘度低、凝固点低、易回收、价廉，易得。
应用：中药材固液提取及液液萃取有效成分。
工程上获得有用物质，物质纯化，防止污染，除杂等。
第一节：浸提过程及计算固液萃取也即固液提取，即用适当溶剂提取固体中某些成分的过程，是中药制剂工艺中的重要环节。
中药成分复杂，提取过程复杂，提取原理复杂。
浸提方法主要有①冷提:冷浸、超声、渗漉②热提：回流提取、温浸、煎煮③连续多级提取。
一、浸提原理：
1、费克定律――Fick定律 传质推动力为浓度差中药材浸提过程：
中药材饮片－－粉碎――加溶剂――浸润、渗透药材并进入药材内部――溶解可溶性成分―― 在药材内外部产生浓度差――形成传质推动力―― 可溶性成分在药材内部扩散――可溶性成分扩散到药材表面 ――可溶性成分从药材表面扩散到溶剂中――达到浓度平衡。
可溶性成分由高浓度区向低浓度区扩散过程遵循费克定律。
即 —适用于稳定扩散过程（Fick第一定律）
式中：JA：组分A的扩散速率：为单位时间内组分A通过垂直于浓度梯度方向上的单位截面积扩散的摩尔量，表示物质扩散过程的快慢，单位:kmol/m2s
：组分A在x方向上的浓度梯度 kmol/m4
D：质量扩散系数：（也叫分子扩散系数）表示分子扩散能力的物性常数 ；m2/s。可由实验测定、查手册及经验公式计算得到，中药提取中D多在10-8～10-10之间。
De：涡流扩散系数，与流动状态有关，表示组分A靠涡流运动由高浓度区向低浓度区扩散的常数，流体湍流时才产生涡流扩散，单位：m2/s
“—”表示扩散过程方向沿浓度下降的方向进行。
稳定扩散指物质的浓度不随时间变化而变化的扩散过程。
对于一维稳定的扩散过程，若忽略涡流扩散影响，中药材浸提扩散过程可用下式表示：
即
整理为： 叫物质扩散速度说明：物质扩散速度与固液相间接触面积成正比，与扩散物质浓度成正比，与分子扩散系数成正比，与扩散距离成反比，此即费克第一定律在中药提取中的应用。
式中：M：扩散物质的量 ； kmol
A：固液相间接触面积； m2
τ：时间 ； s
对
则
则
则――此为费克第一定律另一表达式。
若ΔC不为常数：用对数平均值，即
式中：ΔC：浓度差 k：传质系数
而分子扩散系数D可通过实验由下式计算得到
式中：R：气体常数：8.314J/mol·k
T：热力学温度；K
N：阿伏加德罗常数 6.023×1023个/mol
μ：溶剂粘度Pa·s
r：溶质粒子半径；m
由上可知，温度↑，μ↓，r↓，D↑，扩散速率↑
2.药材中可溶性成分的浸出机理
（1）溶剂在药材内部的渗透和润湿过程
a.渗透过程即药材中各种形状细胞内,细胞外等被溶剂充满的过程；渗透过程借助于细胞间细小孔隙及细胞壁的壁孔和薄的细胞壁等，其所用时间用下述经验公式计算:
式中：h：小孔隙长度;m r：小孔隙半径;m
P：细胞的静压力;Pa P0：溶剂中压力;Pa
此过程与小孔隙长度、半径、细胞内外压力有关，压差↑，利于渗透.
药材种类，粉碎度，压差影响渗透时间。
τ的实际值要大于计算值强化方法：减少渗透时间的方法为加压浸取（可赶出细胞内空气）和减压浸出.
b.湿润过程与渗透同时进行.
湿润与药材种类，溶剂种类，气液固间表面张力有关当气液固间表面张力达平衡时
—杨氏方程则
式中：δ表面张力
θ固体与液体间的接触角表面张力为沿液体(物质)表面作用在单位长度上的表面收缩力,N/m.
表面张力与物质种类有关，和与其接触物质种类,温度,压力有关。
若θ<90℃ 固体能被溶剂湿润，此固体为亲液固体.
若θ>90℃ 固体不能被溶剂湿润，此溶剂不适合提取固性物.
中药材多为亲水性物料，可用水提取其成分
2.可溶性成分的溶解过程动植物药材均由各种形状的细胞组成(薄壁细胞,纤维细胞,厚壁细胞,实细胞等),可溶性成分多存在于细胞内，溶剂渗透并润湿可溶性成分颗粒后，就开始溶解固体颗粒并在细胞内扩散，其过程遵循Fick定律及相似者相溶原理。
Fick定律表述为
式中：A1：可溶性物质表面积 ; m2
k1：传质分系数; m/s
CS可：可溶性物质在细胞内的饱和浓度kmol/m3
C可：某时刻可溶性物质在细胞内的浓度kmol/m3
相似者相溶原理即：离子型物质易溶于极性溶剂,
极性物质易溶于极性溶剂，低极性物易溶于低极性溶剂,
亲脂性成分易溶于非极性溶剂.
影响此过程因素有溶剂的种类、药材种类.
3.可溶性成分在细胞间至药材颗粒表面的分子扩散过程此过程遵循Fick定律即
ΔC2：对数平均浓度差; kmol/m3
k2：传质分系数 ; m/s
A2：细胞膜面积;m2
此过程与细胞壁厚，细胞层数、大小、壁上纹孔有关。
4.可溶性成分由药材表面向溶液主体的扩散过程遵循费克定律
k3：传质分系数包括D分及De影响
A3：固液相接触面积
ΔC3=CS溶-C溶
CS溶:溶液中可溶性成分的饱和浓度,
C溶：某时刻的浓度,
强化方法：应用搅拌、提高传质速度自己总结：影响浸提过程的因素有哪些，如何影响?
二、浸提过程的计算浸提分为单级多次浸取和多级逆流浸取，也有动态和静态浸取
1.平衡浓度与平衡状态平衡浓度指当物质从药材中扩散到溶液中的量与物质从溶液中扩散到药材中量相等时浸提液的浓度即为平衡浓度。
平衡状态指药材内部液体的浓度与药材外部浸提液的浓度相等时的状态叫平衡状态，若二者不相等称为非平衡状态浸出。
2.浸出率：指浸提后溶液中所含可溶出物质的量与原药材所含可溶出物质总量之比，称为浸出率，表示浸出效果。
对于单级多次提取,设多次浸提，每次均达到平衡状态。
且设药材中所含可浸出成分的总量为m，
可浸出成分的浸提量为mo，
剩余在药材中可浸出成分的量mi，
药材外的浸液量so，
剩余在药材中的浸液量si，
则第一次浸提达到平衡状态时有
式中。
浸提后需将药材外的浸提液与药材分离，为计算方便假设药材外的浸液能够全部与药材分离，
第二次提取时加入与所分离的浸液量同样数量的新溶剂，剩余在药材中的浸液量si 2 = si1，则
）
则
由第n次浸提后，剩余在药材中的可浸出成分为
第n次浸提后，可浸出成分的浸提总量为
第n次浸提后，可浸出成分的总浸提率ETn为
（
或平衡条件下浸出一次浸出率
浸出n次浸出率
M：总溶剂质量与药材吸附溶剂质量之比（M＝1＋α）
1：为残留在药材中溶剂量为1
ET实际为倾出浸出液量与总溶剂量之比一般n为4～5次例5-1 含有可浸出成分10%的某药材100kg，采用单级多次浸提，第一次加入溶剂500kg，每次全部分离药材外的浸液，从第二次提取开始，每次加入的新溶剂量与上次全部分离的浸液量相等。设药材中所剩余的溶液量约等于药材的初始质量，试求浸提一次和浸提三次后药材中所剩余的可浸出成分的量。
解：由题可知m=100×10%=10kg，so1= 500-100=400kg，si1=100kg，则
第一次浸提后药材中剩余的可浸出成分量为
第三次浸提后药材中剩余的可浸出成分量为
此题还可进一步算出经三次浸提后的可浸出成分的浸提总量mo3和浸提率ET3分别为
mo3 = m - mi3 = 10 - 0.08 = 9.92kg
用另一种计算方法：M＝500/100＝5 m＝10kg
则第一次浸取mi1＝10－0.8×10＝2kg
第三次浸取mi3＝10－0.992×10＝0.08kg
提取时对药渣进行压榨工艺，可提高提取率。
例5-2 某药材200kg，可浸出成分含量占药材的15%，用某种溶剂进行单级多次浸提。当可浸出成分含量的总浸提率约为0.963时，需浸提三次，每次可以全部分离药材外的浸液，从第二次提取开始，每次加入的新溶剂量与上次全部分离的浸液量相等，药材中所剩余的溶液量约为药材初始量的1.5倍，试估算浸提溶剂的消耗量。
解：浸提率E = 0.963，浸提次数n = 3,
解出α=2（M＝3）。
则si =200×1.5=300kg,
S = si（α+1）+ siα + siα = 300 ×（2+1）+ 300×2 + 300×2 = 2100kg
或S＝3×300＋2×300＋2×300＝2100kg
例3：某含有浸出物质25%的药材100kg，第一次溶剂加入量为500kg，其它各级加入量为400kg，设药材吸收溶剂量等于药材的初始量。求浸取五次第浸出一次的总浸出率及每次浸出后残存于药材中浸出物的量解：100kg药材可浸出物量为25kg，
利用公式 M=5
次数
总浸出率
残留量
浸提量
1
0.2×25=5kg
20kg
2
0.04×25=1kg
24kg
3
0.008×25=0.2kg
24.8kg
4
0.0016×25=0.04kg
24.96kg
5
0.00032×25=0.008kg
24.992kg
由题可知，浸提达三次时已浸出99.2%可浸出物，次数太多无意义，若减少溶剂用量，浸出率也相应下降。
多级浸取计算自学
2．.浸出时间浸出曲线表示浸出率与时间的关系。
浸出方程：表示一次浸取浸出率与时间关系的方程如：
甘草中皂甙的浸取方程
颠茄全草中生物碱浸取方程
m0：经t时间后浸出物的量
m：药材中初始物质的量，k、b为系数
Y：浸出物质的浓度，k、b为系数
浸出率与时间的关系复杂，每味药材浸出方程均不同。
3.影响浸提过程因素（不讲）
溶剂量：用量↑，浸出物↑
提取次数：用量↑，浸出物↑
时间：时间↑，浸出物↑
药材种类：种类不同、溶剂、时间均不同，叶、花、时间短，根类时间长，挥发性成份时间短↑。
药材颗粒大小：颗粒↓，浸出物↑，但不可过小温度：温度↑，浸出物↑，时间↓
压力：如加压浸取，减压浸出容器大小：体积比为8-11倍药材重
PH值影响：
第二节 浸出方法工艺及设备一,方法：
浸取方法与溶剂性质、药材部位、剂型、工艺条件，生产规模有关
.煎煮法,水为溶剂，将药材饮片或粗粉加热煮沸一定时间以浸出有效成分，
适用于有效成分能溶于水，且对湿、热较稳定的药材。
浸渍法,用定量的溶剂，在选定的温度下，将药材饮片或颗粒浸泡一定的时间，以浸出药材成分的方法。
按浸渍温度的不同分类：冷浸渍法,（室温）
温浸渍法（40――600C）
热浸渍法（加热在沸点以下）进。
还可分为单次浸渍和多次浸渍。
浸渍法适用于粘性药物、无组织结构的药材、价格低廉的芳香性药材等。
渗漉法,将药材粗粉置于渗漉器内，从渗漉器上部连续地加入溶剂，渗漉液不断地从渗漉器底部流出，从而浸出药材成分的一种方法。
分为单渗漉和重渗漉（渗漉液再返回渗漉器）
漉法适用于贵重药材、毒性药材和有效成分含量较低的药材及生物碱类成分等。
回流法：分为回流冷提法，回流温提法及回流热提法静态提取：药材在提取罐内处于静态，分为单级提取、索氏提取和罐组式提取；
动态提取：采用搅拌、螺旋输送等机械方法，使药材处于运动状态的提取。
分为：动态间歇式提取：如强制外循环式提取、搅拌提取等动态连续式提取：如螺旋推进式连续提取、履带式连续提取等动又分为：顺流提取、逆流提取、混流提取。
二．提取工艺流程
1．单级单次提取：一级提取。工艺简单，提取效率低。
常用于小批量，价值不高的药材提取。
2单级多次提取,在提取罐中对药材连续提取2～3次，每次提取后都将提取液放出，重新加入新鲜溶剂。
应用较广泛，多为2――3级。
提取率高，工艺简单，但溶剂用量大，提取液的浓度低，能量消耗高。
3 回流冷浸法,主要用于中药醇提,
药材置提取罐中，加入一定浓度的乙醇，浸提有效成分，浸提液浓度低时可返回提取罐，浓度合适时去浓缩罐浓缩，蒸汽经气液分离器后经冷凝器、冷却器冷凝后经中间罐返回提取罐中，
反复浸提，浓缩后的提取液经浓缩罐排出。
此方法节省溶剂，提取率高。提取液在浓缩罐中加热时间较长，不宜热敏性药材。
4回流温浸法：温浸法冷浸法工艺流程相似，只在提取罐1的夹套中通入一定量的加热蒸气或热水，使罐内温度控制在40～50℃，温浸时间约1小时。产生的少量蒸气，经冷凝器、冷却器、中间贮罐再回流到提取罐中。
该法生产周期较温浸法短，提取率高，但操作比较复杂。
可用于药酒生产。
5回流热浸法：中药材置于提取罐中，加入溶剂，提取罐夹套中通入蒸气加热，控制罐内温度为65～90℃（视具体情况而定）。产生的蒸汽经气液分离器冷凝器、冷却器、中间贮罐后再回流到提取罐中，循环使用溶剂。提取完成后，由缓冲罐及泵出料。
工艺中还可用油水分离器进行挥发油的提取，其含油水再返回到提取罐中。
.6强制外循环提取::采用浸渍法动态间歇式提取。提取液经泵作强制外循环流动返回提取罐。
,此法提取速率高，溶剂用量大。
7螺带式搅拌桨提取：采用浸渍法进行动态间歇式提取。提取罐内安装螺带式搅拌桨，
提取速率高，兼有回流提取和强制外循环提取的特点。
8.加压提取,分为不升温加压和升温加压此法提取时间，节省蒸气，提取率较高，提取液浓度较高。适用于坚实难润的药材。
9罐组提取,属于重渗漉静态间歇式提取，由三个或三个以上提取罐串联组成。各罐依次轮流与提取系统分离进行卸料与加料。
提取时，药材分别装在各罐中，溶剂连续进入首罐，由首罐连续流出的提取液顺次通过以后各罐，提取液在流动过程中浓度逐渐升高。
此工艺提取液浓度和提取率较高，占地较大。
适用于大批量提取。
图5-7所示为加压静态间歇式逆流提取。
10.连续逆流提取：该工艺采用浸渍法或重渗漉法动态连续式提取，药材运动方向与溶液的流动方向相反，药材和溶剂在连续不断地进入提取器，同时药渣和提取液连续不断地排出提取器。，
此法提取率高，提取液浓度高，适用于大规模生产线的提取段工序。
11.连续混流提取,采用重渗漉动态连续式提取，药材和溶剂连续不断地进入提取器，同时药渣和提取液连续不断地排出提取器。药材与溶液接触时有顺流和逆流的混合情况。
此法提取率高，提取液浓度高，适用于大规模生产线的提取段工序。
三提取设备
1．间歇式
（1）多功能提取罐：◎用于中药提取、减压浓缩、真空蒸馏，挥发油提取等多功能
◎具有搅拌装置，用搅拌提高速率及浸出液。
◎可常温常压提取，也可以加压、加热提取；
◎可用于水提、醇提，还可用于回收药渣中的溶剂。
◎多功能提取罐提取率较高，能耗少，操作方便，可以单独使用，也可以串连成罐组逆流提取。
（2）动态提取罐：罐内装有螺带式搅拌器，提取速率高，其功能与多功能提取罐相同。
（3）翻斗式提取器（可倾式多功能提取罐）：利用液压传动装置，，可倾斜1200，以利于卸料及清洗。可加压提取，出料口大。设备传热与传质效果较好，提取率高，适用于中小型生产
2．连续提取设备可连续进行加料、排渣和提取液的收集，提取效率高，提取速率较快，自动化程度高。
（1）U形螺旋式提取器：由进料管、水平管、出料管及螺旋输送器组成。各管夹层可通蒸汽加热提取。药材自进料管连续加入，由螺旋输送器经水平管推向出料管，药渣经出料管连续排出，溶剂与药材逆流流动，形成逆流提取，
适合于低沸点有机溶剂的提取。该设备的提取率高，劳动强度低，但清洗不方便。
（2）螺旋推进式提取器：由螺旋推进器和外壳组成。上盖可打开，便于清洗和维修，下部有蒸气夹层用于加热提取，提取器内的螺旋推进器为多孔螺旋板，药材由螺旋板推动与提取液逆向流动。
该提取器结构简单，易于清洗，适合于加热提取。不适合于粉末及提取难度较大的药材提取。
（3）波尔曼式连续提取器：属于连续混流式提取设备。
◎由链传送装置、篮筐、泵等组成。
◎篮筐的底为多孔板或钢丝网，悬挂于传送链上，由链轮带动沿顺时针方向循环回转。
◎在提取器右半侧，半浓液将固体药材冲入篮内，篮筐与半浓液并行由上而下提取，提取的全浓液流入全浓液贮液槽，并连续排出。
◎提取器的左半侧篮筐自下而上运动，溶剂由高位贮槽连续流入篮筐与药材逆向运动，所得半浓液流入半浓液贮槽中，并用泵送到半浓液高位贮槽。
◎药渣在提取器的左上侧淋干后，篮筐于顶部翻转将其倾入药渣槽，由浆式输送机排出。
（4）履带式连续提取器：◎由履带传送装置、泵、喷淋管、受液槽、加料装置和卸渣装置组成，
◎提取药材经回转阀进入装料漏斗并落于输送带上，成层状移动，挡板可调节料层厚度，厚800－1200mm。
◎输送带嵌有合金钢丝网，料层上方有喷淋管，喷淋管配有带网孔的分散挡板，喷淋管长度等于料层宽度。
溶剂首先从受液槽Ⅷ、Ⅸ上方加入料层渗漉提取，提取液落入受液槽Ⅷ、Ⅸ，经泵和受液槽Ⅶ上方的喷淋管喷洒到料层，依次使固液两相成逆流接触至受液槽Ⅰ、Ⅱ，提取液由受液槽Ⅰ、Ⅱ收集后连续排出。
原料药材在带上一边移动一边提取，提取时间约2小时，药渣从带上落下进入漏斗后通过回转阀排出。
由壳底搜集的溶液经泵送至喷淋管喷洒在受液槽Ⅰ、Ⅱ上方的料层上，加强湿润及浸提作用。
该设备提取均匀，效率高，适用于适合渗漉法提取的药材为适合不同温度的提取，还可在受液槽下部装配加热器，每一加热器的温度均可以分别控制。
第三节、超临界流体萃取（SCFE）
超临界流体指处于临界温度和临界压力以上，界于气体和液体之间的流体，常用CO2。
1.超临界流体特点
①其密度接近于液体，具有与液体相当的萃取能力；
②其扩散系数介于气体与液体之间，粘度接近气体，比液体低1个数量级，传递性质近似于气体，传质速率远远大于液体。
③在临界点气－液相界面消失，汽化热为零，分离操作比在气液平衡区更利于传热和节能。
④超临界流体具有较大的可压缩性，临界点以上温度、压力稍有变化，流体密度就变化很大，可利用调节温度、压力来调节流体的溶解能力。
如书表5-1/表5-2所示。
如CO2，在32℃及13.78MPa时 ρ=700kg/m3，μ=10-5Pas，D=10-7m2/s
气态时 ρ=1kg/m3,μ=10-6Pas，D=10-5m2/s
液态时 ρ=1000kg/m3，μ=10-4Pas，D=10-3m2/s
CO2作为萃取剂特点：①临界温度31.04℃，适宜热敏性物质
②临界压力7.37MPa，工业上易于达到
③无毒、无味、不燃、性稳定、价廉、易得、常压为气体。
重要如：乙烷、乙烯等
2.用超临界流体萃取中药材的特点
※.低温提取，易于热敏性物质提取，利于全部植物成分提取。
※.不用有机溶剂（或用极少量夹带剂，5%以下，且在高温高压下都挥发了），常用CO2，萃取物无残留溶剂，节约有机溶剂、减少污染；
※.提取效率高，节约能源；
※兼有萃取与精馏同时进行的特点，分离操作简单；
※对设备要求高，操作复杂；
※.选择适当夹带剂，可萃取许多有效成分。
3.萃取流程主要应用超微粉碎、中药成分提取等。
用CO2做萃取剂、温度变化：32℃～70℃
压力变化8MPa～40MPa
压力增长为临界压力的6倍以下流程如书5-18/19/20所示。
主要设备有萃取器、分离器、输送泵，高压泵、压力表、夹带剂储罐。CO2罐、加热器，中间储罐、冷却器等
图5-18为一典型的超临界CO2流体萃取的流程图。它由两个串联的萃取器、一个分离系统、一个带有CO2补充装置的循环系统和一个夹带剂供给系统组成。
待萃取的液体或固体物料预先装在萃取器3中，通过超临界CO2流体的萃取后经过减压降温在分离器中将CO2与萃取物分离。分离后的CO2经阀门、冷凝器进入中间贮罐，由泵通过阀门、热交换器压入萃取器中进行循环萃取。夹带剂由高压泵加压、经加热器到混合罐与超临界CO2流体混合后经阀门进入萃取器中。萃取过程中，需补充CO2。萃取物被收集后从分离器排出。有时为提高处理能力，可以采用多个萃取器的串并联组合，进行交替切换使用。
4.影响界流体萃取的几个主要因素
※萃取压力、温度
※解析温度、压力
※CO2流量
※夹带剂的选择 及用量
※药材的粒度。
