A基于浸渍提取方法的固定床进级逆流提取技术

—1—基于浸渍提取方法的固定床进级逆流提取技术研究杭州春江自动化研究所肖杰明现有的中药提取工程，通常采用煎煮、浸渍、热回流等提取方法，大多应用单个提取罐进行提取作业，一般需进行2～3次提取，溶媒用量高达药材重量的10倍或以上，提取温度高达溶剂的沸点。主要存在以下问题：①过高的提取温度在导致药材中淀粉的过分裂解、糊化、增加非药效成分溶出的同时，还伴有药效成分的分解、转化与挥发，降低了产品质量和疗效，与溶媒共沸蒸馏成分的损失，不适合热敏性药效成分的提取。②单个提取罐进行多次间歇式提取作业和使用大量的溶媒，不仅生产效率低下，而且大大地增加了后续浓缩的能耗，对于采用有机溶媒提取，则会大幅度地增加生产成本。③无论是煎煮、浸渍还是热回流提取方法，药材与溶媒均保持相对的静止状态，并且药材与溶媒中的药效成分在接近平衡时药效成分的浓度差小，导致提取时间长、药效成分提取率低，浪费宝贵的药材资源。1固定床提取系统1.1固定床提取系统的构成图1是固定床提取系统工作原理图。图中：1——提取罐，2——四通切换阀，3——贮液罐，4、5、7——阀门，6——循环泵。由提取罐、循环泵、管道、阀门组成的提取机组，其特征在于还包含有贮液罐和二位四通切换阀，该二位四通切换阀的一组位于同一直线上的接头（a）、（c）分别与循环泵的出口和贮液罐的进口连通，另一组位于同一直线上的接头（b）、（d）分别与提取罐的上部和下部连通，循环泵的进口与位于贮液罐底部的出口连通，来自贮液罐的提取溶媒经循环泵增压后，通过切换阀（a）、（b）通道从提取罐的下部流入在提取罐的上部流出，再经切换阀的（d）、（c）通道流回贮液罐，若将切换阀的阀芯旋转90°进行切换，则循环泵出口的提取溶媒，通过切换阀（a）、（d）摘要：本文主要介绍杭州春江自动化研究所承担的浙江省科技厅重点项目——《液体湍流式动态循环分级逆流提取工艺及成套设备开发》的关键提取工艺与技术。课题针对当前中药提取工程中存在的问题，遵循传统中药提取的基础原理和基本方法，试验研究中药提取过程中,药效成分转移率、提取物的质量水平、提取生产效率和经济效益与提取时间、提取温度、提取溶媒与用量、药材粒度等之间的关系。为中药提取工程提供了一种低温、高效、先进的提取工艺和装备。关键词：中药提取，逆流提取，中药机械。图1固定床提取工作原理—2—通道从提取罐的上部流入在提取罐的下部流出，再经切换阀的（b）、（c）通道流回贮液罐，所述的提取罐上部和下部分别装有固液分离装置，以阻止药材随提取溶媒的移动。1.2固定床提取的工作原理从上图不难看出，固定床提取仍然是一种浸渍提取方法。提取过程可以描述为：溶媒浸透药材，药效成分溶解到溶媒，含有药效成分的溶媒在药材内部迁移到表面，药材表面药效成分含量较高的溶媒被外部溶媒中和，从而提取出药材内部的药效成分。与传统机械搅拌式动态提取方法不同是，采用溶媒强制循环流动，药材相对静止，实现了动态提取，是一种液体流动式动态提取技术。由于药材之间缝隙的狭窄和不规则性，液体在药材表面的流动极易产生湍流状，还是一种液体湍流式动态提取技术。1.3固定床提取系统的特点①提高提取工作效率。由于溶媒在药材表面的流动呈现湍流状，药材表面的药效成分及时被溶媒带走，造成药材表面与内部药效成分浓度差，加速药材内部成分的溶解、扩散与迁移。这种均匀、充分的“固液”互动效果是机械搅拌式动态提取所无法达到的。②提高药材的填充率和生产能力。药材的填充量提高到提取罐容积的100%（体积比），比现有提取罐提高空间利用率1倍以上。尽管增加了贮液罐用于提取溶媒的循环，但在提取生产中，均配有中间罐、缓冲罐等用于提取溶媒的贮存，因此实际上并不需要增加新的配置。若因增加药材的填充率而提高产量，需要增添贮液罐时，由于单位体积的贮液罐造价低于提取罐，在经济上也是有益的。③采用溶媒流向切换技术，简化提取罐的结构，降低制造成本。已有的技术和经验告诉我们，要保证固定床内溶媒均匀、充分地流动，固定床即提取罐的长径比应达到6～10︰1，或对提取罐的结构进行特殊的设计与制造，以避免溶媒流动时产生壁流或沟流现象。采用了提取溶媒流向切换技术，即使采用一般的提取罐（长径比约3︰1），也能消除或避免壁流和沟流现象的产生。因为溶媒流向切换前后，固定床两端压差进行反向变换，破坏了固定床原来建立好的阻力与流量分布状况，重新建立新的阻力与流量分布体系，由于药材形态的不规则性，这种阻力与流量分布体系是不可能完全相同的。因此，反复切换溶媒流向，可以保证溶媒在固定床内均匀、充分地流动。采用溶媒流向切换技术的另一优点是，确保循环提取有效、可靠进行。为了提高提取效果，被提取的药材一般都要进行切制或破碎处理，以此增大药材的表面积。但药材尤其是进行粗粉碎处理的药材，含有大量的粉末。在进行循环提取时，溶媒不断地将粉末冲刷到滤网处，导致堵塞。采用切换装置后，在滤网堵塞前将溶媒在提取罐内的流向进行切换，可完全避免滤网堵塞。从而，确保循环提取有效、可靠进行。④提取产品质量更好。一方面避免了机械搅拌对药材的破碎作用，减少溶入溶媒的粉末和杂质。另一方面，作为固定床的药材对溶媒具有很好的过滤效果，溶媒在流过药材表面—3—时，吸附溶媒中的固体颗粒，使得提取溶媒被药材过滤。⑤有利于节约能耗。由于受提取罐结构和使用功能方面的限制，一般的提取罐均设置蒸汽夹套进行加温提取，即外加热方式。若在贮液罐内设置加热盘管，采用内加热方式加热溶媒进行加温提取，其效果与提取罐的外加热方式是完全相同的。然后，贮液罐的内加热比提取罐的外加热具有更小热量损耗和更好的传热效果，有利于节约能耗，同时还降低加热装置的制造成本。2进级逆流提取工艺逆流提取是指药材中药效成分的递减（或递增）与熔媒中药效成分的递增（或递减）按反方向变化的提取过程。在提取过程中，药效成分含量较高的溶媒与药效成分含量更高的药材进行提取，药效成分含量较低的药材与药效成分含量更低溶媒进行提取。一般的逆流提取（被称为顺序逆流）是基于螺旋输送式和罐组式两种提取装置的工艺流程，简称螺旋逆流或罐组逆流，溶媒与药材按顺序反向移动。无论是螺旋或罐组逆流提取工艺，理论上均可以节约提取熔媒，提净药材中的药效成分。但在实际生产中，一般的逆流提取技术，其提取时间、提取温度、溶媒用量等很难满足不同药材的提取要求，由于药材与溶媒的药效成分浓度差小，提取工作效率普遍较低。进级逆流提取是基于罐组式提取装置的提取工艺流程，溶媒与药材按顺序反向进行“进级”迁移，大幅度提高了药材与溶媒的药效成分浓度差，具有较高的提取工作效率。5单元操作的工艺流程见图2。图2五单元5操作进级逆流提取工艺流程—4—图2中，药材以○表示，溶媒以□表示，药效成分以■表示（■■表示比■多一档），溶剂迁移路线以↓表示；图中以5个提取单元为例（系经过多个过程后建立起来的），图2展示了提取“过程一”至“过程五”各提取单元溶媒迁移路线、进料和排渣、加入新鲜溶剂和提取液导出等操作规律，其中“过程六”及以后的四个提取过程为“过程一”至“过程五”的重复。图2中，各单元药材中药效成分含量和溶媒中药效成分含量依次为递减，整个提取过程分为和单元数相等的阶段作业，每个单元进行各自独立的提取，当某一阶段提取过程结束时：①药效成分被提净的单元：进行排渣和加料作业（图5过程一，单元E）；②其它未提净的单元：药效成分饱和的单元（被提净单元的下一单元）之饱和溶媒排至后道浓缩工序；不饱和溶媒按药效成分含量递减的反方向进行隔一个（进一级）的单元组数减1次的迁移；新鲜溶剂加入到无溶剂的单元；③前①、②步骤完成后各单元重复下一个过程。在进级逆流提取工艺中，由于将溶媒迁移至隔一个的单元，大大提高了药材与溶媒药效成分浓度差，提高提取推动力和提取效率。3固定床进级逆流提取成套设备的应用3.1固定床进级逆流提取设备工作原理图3固定床进级逆流设备工作原理提取设备由A、B、C、D、E5个相同的固定床取单元组成，由溶媒迁移管K连接。图中：1、4、6、8、10、12—管道，2—提取罐，3—贮液罐，5—切换阀，7—多向阀，9—循环泵，11—直通阀，K—迁移管。3.2固定床进级逆流提取设备的特点固定床提取技术为进级逆流提取工艺的实施提供了可行的方案，适合于动物类、矿物类、根径类、花草类、种子类等原药材，进行常温或加温浸提、常温或加温动态提取、常温或加温进级逆流提取，各提取单元既可独立地进行各项提取作业（浸提、动态提取），也可组合使—5—用进行进级逆流或顺序逆流提取。同时还适合水或乙醇等多种溶媒的提取。对于各种药材的提取时间t、提取温度c、溶媒及溶媒用量e、颗粒饮片尺寸d、提取单元组数n、药效成分提取率f等工艺参数等，根据不同药材的特性进行优化，提高提取经济效益。工艺、技术达到国内领先、国际先进水平。主要特点如下：①适合低温提取，避免高温提取时易挥发性成分的流失和淀粉的糊化，药效地控制非药效成分的溶出。②采用了由多个提取单元组成的将不饱和溶剂按药效成分含量递减的反方向迁移至隔一个单元的进级逆流提取新工艺，确保各提取单元的药材与溶剂之间保持了较大的药效成分浓度差，大大增加了提取推动力，加快了提取速率，提高了最终溶剂药效成分的浓度，降低后续浓缩能耗，同时可药效地控制料渣中有药成分的含量，确保药材中的药效成分被提净，具有药效成分提取率高的优点。③采用固定床动态提取新技术，提高了药效成分从药材表面扩散到溶剂的速度，实现提取过程中药材与溶剂中的药效成分快速平衡，大大缩短了提取时间。同时，溶剂在流过颗粒状药材时已被充分过滤，提取液无需澄清、过滤就可直接进行浓缩。④用颗粒饮片作提取投料，增加了药材的比表面积，缩短了药效成分从药材内部迁移至表面的时间，进一步加快了提取速率，使进级逆流提取工艺更具高效低耗的优点。⑤提取过程在密闭状态下进行，全部材料采用不锈钢、聚四氟乙稀或硅橡胶制造，避免对药材的污染，确保提取物的卫生质量，还适合各种溶剂进行提取。⑥特殊的阀门、泵以及管路设计，特别是使用了立式循环泵、四通切换阀、一位三通阀等，装置结构紧凑、操作简单、使用方便，便于排净溶剂，确保工艺数据的准确、可靠。3.3固定床进级逆流提取设备的应用部分药材进行提取工艺参数比较的结果见下表：因素药材提取时间(小时)乙醇用量(倍数)提取温度(℃)药效成分转移率（%）回流逆流回流逆流回流逆流回流逆流龙血竭4.53.6103.680～9030～4082.5%84.8%天麻2.02.5154＞904042%87.9%元胡2.02.5154＞904050%78%紫草2.52.41010※室温80%84.2%浙贝母2.52.5124＞90室温80%80%人渗2.52.5124＞90室温70%75%※由于紫草素在高温下易氧化，故采用冷浸法进行提取，由于紫草的堆积密度小，故溶媒节省不明显。上表数据表明：药效成分转移率明显提高，其中天麻和元胡的药效成分转移率分别提高45.9%和28%。在药效成分转移率明显提高的同时，溶媒用量和提取温度大幅度降低，节约溶—6—媒成本，避免热敏性药效成分流失，降低浓缩能耗。4结束语综上所述，中药提取是中药生产过程中最基本和最重要的环节。提取的目的是最大限度地提取药材中的药效成分，避免药效成分的分解、流失和无效成分的溶出。提取介质一般采用水或乙醇等有机溶媒，提取溶媒经浓缩、干燥即成为成品或半成品中药。因此，提取技术的优劣直接影响到药品质量和药材资源的利用率、生产效率、经济效益。综合国内外提取技术的现状，国内的传统提取技术已经得到了较大的发展，如多功能提取、动态提取、热回流提取、逆流提取等，为中药产业化作出重大贡献。国内企业及科研机构在运用现代科学技术提高传统产业技术水平方面，做了大量的研究工作，取得了许多成果，如CO2超临界流体萃取、超声提取、微波提取、静电提取（尚处于研究阶段）等，为中药产业向现代化方向发展迈出了可喜的步伐。国外的提取技术由于缺乏中医理论的指导，不能满足中药生产的要求。虽然，日本在对中药进行大量研究的基础上，开发了一套动态提取设备，自上个世纪八十年代上海中药一厂引进该设备以来，国内的仿制品用户达二十多家，但均未能达到令