第七章 中药提取液的浓缩与干燥

第七章中药提取液的浓缩与干燥第一节浓缩概述•浓缩：浓缩是中药制剂原料成型前处理的重要单元操作，蒸发是浓缩的重要手段，即经传热过程，将挥发性大小不同的物质进行分离的一种工艺操作。也就是说溶液经过受热，借助气化作用除去溶剂。•目的：①缩小药液体积，提高药液浓度制成一定规格的半成品，或进一步制成成品；②饱和溶液，使晶体结晶析出；③进一步精制。•蒸馏：分离挥发性不同的物质，收集挥散的蒸气。浓缩原理：平衡浓缩和非平衡浓缩1.平衡浓缩是指利用两相分配上的某种差异而获得溶质和溶剂分离方法，如冷冻浓缩和蒸发浓缩。•蒸发浓缩•冷冻浓缩•蒸发浓缩是利用溶质和溶剂挥发度的差异，用加入热能的方法使溶剂汽化，而溶质则为非挥发性的，从而达到分离的目的。•冷冻浓缩是利用稀溶液与固态溶剂在凝固点下的平衡关系，使溶剂(水)以冰的形式从溶液中结晶析出•冷冻浓缩和蒸发浓缩两相都是直接接触的，故称为平衡浓缩。平衡浓缩2.非平衡浓缩•是利用半透膜来分离溶质和溶剂的过程，两相用膜隔开，分离不是两相的直接接触，故称非平衡浓缩。利用半透膜的方法不仅可以分离溶质和溶剂，而且也可以分离各种不同大小的溶质，因此，称为膜分离。•超滤亦可作为某些提取液的浓缩一、影响浓缩效率的因素•U=W/A=KΔtm/r’•U生产强度；W：为蒸发量（kg/h）•Δtm=加热蒸气的饱和温度—溶液沸点•K=1/（1/a0+1/ai+Rw+Rs）•r’为二次蒸气的气化潜能；一、影响浓缩效率的因素（一）传热温度差（Δtm）的影响当分子振动能力超过分子间内聚力时导致气化，为使振动力增大，要不断增加热能，故需要一定的Δtm。①提高加热蒸气的压力，可提高Δtm，从而提高效率，但热敏性药物易破坏，且不经济。②常用减压蒸发，可降低溶液的沸点，可提高Δtm，但若温度过低，真空度过高，易因溶液沸点降低引起黏度增加，传热系数降低，故Δtm提高应有一定的限度；③控制适宜的液层深度。因为下部溶液所受的压力（液柱静压头）比液面处高，相应的溶液沸点随其深度的增加逐渐升高，使Δtm逐渐变小，因此不宜过度加深液层的深度。沸腾蒸发可改善液柱静压头的影响。（二）传热系数K：1、减少垢层热阻（Rs）：加强搅拌、定期除垢、改进设备结构2、管内料液沸腾传热膜系数（αi）：将料液预热后进入蒸发器二、浓缩方法与设备•常压蒸发：蒸发锅、敞口倾倒式夹层锅•减压蒸发：减压蒸馏装置、真空浓缩罐•薄膜蒸发：升膜式、降膜式、刮板式、离心式•多效蒸发：顺流式、逆流式、平流式、错流式、内热循环式二、浓缩方法与设备（一）常压蒸发：1.特点：①温度高，受热时间长，适用于有效成分耐热、溶剂无燃烧性、挥发性、无害、无经济价值的。②对环境有一定的影响。2.少量用蒸发皿，大量敞口蒸发锅。注意药液与蒸发锅不能发生化学作用。敞口倾斜式夹层锅二、浓缩方法与设备（二）减压蒸发（减压浓缩）•使蒸发器内形成一定的真空度，抽掉液面上的空气和蒸气，使溶液的沸点减低，进行沸腾蒸发操作。由于溶液沸点降低，能防止或减少热敏成分的分解，增大传热温度差（加热蒸汽的温度与溶液的沸点之差），强化蒸发操作，并能不断的排出溶剂的蒸气，有利于蒸发顺利进行。减压浓缩二、浓缩方法与设备（二）减压蒸发优点：•⑴温度低（40～60℃），溶液沸点低，防止或减少热敏成分的分解；•⑵增大Δtm，强化蒸发操作，速度快；•⑶不断排出溶剂蒸气，利于蒸发顺利进行；•⑷密闭，对环境无污染。二、浓缩方法与设备（二）减压蒸发缺点：•（1）蒸发后期，因溶液黏稠，温度低，流动性差，蒸发速度慢；•（2）耗能，溶液沸点降低，气化潜能增大，减压蒸发比常压蒸发消耗的加热蒸气量要多。实际生产中减压蒸发与减压蒸馏的设备是通用的。（三）薄膜蒸发使液体在蒸发时形成薄膜，增加气化表面，进行蒸发的方法，薄膜具有极大的表面，热传播快而均匀。1.方式：⑴使液膜快速流过加热面（液面厚度在0.2～0.5mm）;⑵使药液剧烈沸腾产生大量泡沫，以泡沫内外表面为蒸发面进行蒸发。应用较多2.薄膜蒸发特点•浸出液的浓缩速度快，受热时间短；•不受液体静压和过热的影响，成分不易被破坏，适用于热敏性成分；•能连续操作，可在常压或减压下进行；•温度均匀；•能将溶剂回收重复使用。（1）升膜式蒸发器（药液从列管蒸发器底部进入）特点：①设备简单②易结垢：适用于蒸发量较大,有热敏性、黏度不大于0.05Pa·s及易产生泡沫的药液；不适合高黏度、有结晶析出或易结垢的溶液。应控制浓缩程度。（2）降膜式蒸发器（药液由蒸发器顶部加入）特点：①可蒸发浓度较高、黏度较大的溶液，不适合蒸发易结晶或结垢的溶液。②适合于蒸发量较小时。升膜式蒸发器降膜式蒸发器（3）刮板式蒸发器•利用一种高速旋转的刮板转子，将料液分布成均匀的薄膜而进行蒸发的一种高效浓缩设备。•特点：①浓缩程度高；•②对浓缩液黏度要求不高，适于高黏度、热敏性物料蒸发浓缩，（在真空条件下操作，且料液在加热区停留时间短）；•③具有浓缩和干燥的双重作用；•④操作过程不易起泡和结垢，可适合于易起泡沫、易结垢流体的浓缩；•⑤可连续化生产；•⑥但结构复杂，动力消耗大，单位体积传热面小。刮板式蒸发器（4）离心式薄膜蒸发器利用高速旋转产生的离心力，将液体分散成薄膜而进行蒸发的一种新型高效蒸发设备。•特点：①料液厚度薄（0.1mm），传热系数高（4000卡／米2·小时·度）；•②设备体积小，蒸发强度大，浓缩比高（1.5～2.0倍）；•③物料受热时间短（1S），浓缩时不易起泡和结垢，适用于高敏性物料；•④蒸发室便于拆洗；•⑤但结构复杂，价格高。（四）多效蒸发将前效所产生的二次蒸气引入后一效作为加热蒸气，组成双效蒸发器或三效蒸发器，为节能型蒸发器，为维持一定的温度差，多效蒸发一般在真空下操作。分类及特点：按照加料方式①顺流式：又称并流式，料液与加热蒸气走向一致，随浓缩液稠度逐渐增大，蒸气温度逐渐降低。适于随温度降低黏度增高不大，或随温度增大热敏性增加、温度高反而溶解度降低的料液。②逆流式：料液与加热蒸气走向相反，随加热蒸气温度逐渐升高，浓缩液稠度逐渐增大，适合于顺流式相反的情况。③平流式：料液与加热蒸气走向一致料液分别通过各效蒸发器，适用于从各效易析出结晶者。④错流式：兼具顺流与逆流的特点，料液走向是先进入二效，流向三效，再反向流入一效。加热蒸气由一效顺次走向三效，料液最后浓缩温度高。按照热循环方式又可分为二种类型：内热循环多效蒸发器；外热循环多效蒸发器。一、含义：使物料（溶液、悬浮液及浆液）所含水分由物料向气相转移，从而变物料为固体制品的操作，统称干燥。新鲜的药材除水干燥浓缩稠膏进一步除去多余的水片剂、丸剂、浸膏除水•浓缩得浓缩液或稠膏（半流体d＞1.2），含水50%以上。•干燥品，含水一般在5-10%。第二节干燥二、干燥方法•1.热能去湿法•优点：去湿较完全；缺点：能耗高。•2.化学去湿法•优点：去湿完全；缺点：费用高，操作麻烦。•常常是两种方法一起使用，当物料中的湿分较多时，采用热能去湿法，然后用化学去湿法进一步除去湿分，这样既可减少能耗，又可以满足生产的要求。一、干燥的基本原理物料中水分为二类：•结合水：毛细管、细胞中水—物理化学结合力难去除•非结合水：物料表面或间隙水—机械力易去除物料中总水分=自由水分+平衡水分•平衡水分：与一定状态湿空气共存时，达动态平衡状态时物料中所含水分。---不可除去•自由水分：在干燥过程中可以除去的水分（包括全部非结合水和部分结合水）。固体物料中所含水分相互关系示意图热能传递水分汽化水分扩散干燥的原理•传热过程+传质过程同时进行热能从扩散表面传至物料内部湿分从物料内部传至扩散表面（一）物料中所含水分的性质•平衡水分：干燥除不去的水分•自由水分：空气的相对湿度含水量生产环境、贮存、包装（一）物料中水分的性质•结合水：难除去，干燥速度慢•非结合水：吸水性物料：结晶水、细胞壁内的、毛细管中的、可溶性固体溶液中的水（二）干燥速率与干燥速率曲线定义：单位时间、单位面积上，物料汽化的水分。降速阶段•内部水分向表面的扩散•T、物料的分散度恒速阶段•表面汽化速率•T、湿度、空气流速干燥速率曲线C：物料含湿量；U：干燥速率A点代表时间为零时的情况，AB为湿物料不稳定的加热过程。BC段：干燥速率保持恒定，称为恒速干燥阶段。C点：恒速阶段转为降速阶段的点称为临界点，所对应湿物料的含水量称为临界含水量。CDE段：干燥速率下降，称为降速干燥阶段。E点：干燥速率为零，即操作条件下的平衡含水量（二）干燥速率与干燥速率曲线等速阶段：干燥初期水分的内部扩散＞表面气化，物料表面停留一层非结合水，此时水分蒸气压恒定，表面汽化动力（表面水分压力－空气水蒸气压力之差）不变，干燥速率主要取决于表面汽化速率，因此干燥速率U不变。降速阶段：当干燥进行到一定时间，内部扩散＜表面气化，物料内部没有足够的水分来满足表面气化需要，干燥速率降低。等速阶段：表面气化控制阶段二、影响干燥的因素1.被干燥物料的性质：形状大小、料层薄厚、水分结合方式2.干燥介质的温度、湿度与流速3.干燥速度与干燥方式4.压力：减压可促进干燥三、干燥方式与设备•烘干法：烘箱、烘房•减压干燥法：减压干燥器•喷雾干燥法：喷雾干燥机•沸腾干燥法：副压卧式沸腾干燥装置•冷冻干燥法：冷冻干燥机•红外线干燥法：振动式远红外干燥机、隧道式红外线烘房•微波干燥法（一）烘干法湿物料放在烘盘内，利用热的干燥气流使湿物料水分气化，进行干燥的一种方法。由于物料处于静止状态，干燥速度较慢。1.烘箱适用于各类物料的干燥或干热灭菌，小批量生产。湿气受热上升，上部温度降低，吸湿，后者湿气从底部排出好，强制循环，鼓风装置。2.烘房结构原理与烘箱一致，容量加大。烘箱烘房干燥（二）减压干燥（真空干燥）在密闭的容器中抽去空气减压进行干燥的一种方法。特点：干燥温度低，干燥速度快；密闭进行，减少污染和变质；产品松脆呈海绵状，易于粉碎；挥发性液体可以回收利用。适于热敏性物料和排出的气体需要回收或具燃烧性、有毒害等的物料。减压干燥减压浓缩（三）喷雾干燥法利用雾化器将一定浓度的液态物料，喷射成雾状液滴（10μm左右），通过一定流速的热气流，使之迅速干燥（3～10秒），获得干粉。是流化技术用于液态物料干燥的一种较好的方法。瞬间干燥，特别适合热敏性物料；产品质量好，保持原来的色、香、味，且易溶解。喷雾干燥（三）喷雾干燥法•1.革命性的，节省长时间浓缩过程，仅需浓缩至d1.08-1.12，节能；•2.避免了长时间浓缩对有效成分破坏，虽喷嘴热风温度140-250℃，但是瞬间干燥，甚至蚓激酶都可采用•3.参数：进口风温140-180℃（大型，直径大），180－230℃（直径小），出口风温80-100℃，料液密度1.08-1.12，若1.15则易粘，是其不足；4.粘壁是喷雾干燥主要问题（现已基本解决）－在塔壁上变软塔体直径应大料液密度适当中药浓缩液含糖、树胶等（醇提液树脂多）遇热变软成分，易粘壁，可加入5-15％糊精，β-CD，变形淀粉可以解决；塔壁吹扫，通冷却水可以辅助，或逆流，改底部进热空气湿气应充分排走（2级旋风分离）•5.所得干粉表面积大，堆密度小，蓬松，易吸潮，流动性差，不易装填，可通过重新制粒，再填充胶囊或压片；而颗粒剂即可将喷干粉干压制粒，现免煎饮片（江阴）几乎全部是喷干粉；•6.喷雾干燥改进发展－喷雾造粒，上部喷浓缩液（d＝1.15~1.20）下部喷干浸膏粉或辅料，生产量大，减少浓缩，且浓缩、干燥同时完成。（四）沸腾干燥（流床干燥）利用热空气使湿颗粒悬浮，呈流态化，似沸腾状，热空气在湿颗粒间通过，在动态下进行交换，带走水气而达到干燥目的的一种方法。特点：热利用效率高；干燥速度快，产品质量好；干燥时不用翻料，能自动出料，节省劳动力；但热能消耗大，清扫设备麻烦。适用于湿颗粒性物料的干燥。（四）沸腾干燥（流床干燥）沸腾干燥沸腾干燥（五）冷冻干燥将被干燥的液体物料冷冻成固体，在低温减压条件下，利用冰的升华特性，使固态的冰变成气态，直接除去。特点：物料在高度真空及低温条件下干燥，能避免药品因高温分解变质，适合于极不耐热的物品的干燥；干燥制品多