中 药 逆 流 罐 组 提 取

中 药 逆 流 罐 组 提 取

一．前言

随着我国中药制药工艺的不断进步，原来生药直接入药的丸、散、膏、丹等传统剂型发生了很大的变化。目前，大量出现的中药片剂、滴丸、冲剂、口服液、针剂等都是通过中药的提取浓缩，使有效成份富集，以富集后的提取物为原料加工而成的。因而中药提取在中药制药过程中占有越来越重要的地位，中药的提取工艺及装备也在不断的改进中稳步发展。提取工艺由zui初的水缸内加蒸汽盘管煎煮逐步发展到多能提取、动态提取、热回流提取，逆流提取，超临界萃取，超声波提取、微波提取等。

就中药提取过程而言，zui大限度的提取中药材中的有效成份，避免有效成份的破坏和流失，杜绝或减少无效成份的溶出，是中药提取技术所要解决的首要问题。在充分分析比较现有的中药提取方法优劣的基础上，利用已有的中药研究成果和在线检测、控制技术，开发新一代的中药提取工艺及装备，这是摆在我们医药装备工作者面前的一个重大任务。

二．植物性药材的浸提原理

1、溶剂通过干燥药材的毛细管向内部渗透浸润阶段：

新鲜药材干燥后，组织内部的水分被蒸发，细胞逐渐萎缩，细胞液中的物质呈结晶或无定型状态沉淀在细胞内的液泡中和细胞壁上。并使细胞内形成空洞，充满了空气。

对干燥后的药材粉碎时，部分细胞壁被破坏，其中所含的成分可直接被溶媒浸出，转入浸出液中。另外大部分细胞壁是完整的，在与溶媒接触时，被溶媒湿润，溶媒通过毛细管渗透到细胞中。

2、细胞内部的可溶性物质的解吸、溶解阶段：

溶媒通过药材的毛细管和细胞的间隙进入到细胞组织后，溶媒克服细胞中各种成分之间的亲和力（解吸）并使各种成分转入到溶媒中（溶解）。

3、扩散阶段：

当溶媒在细胞中溶解大量可溶性物质后，细胞内的溶液浓度增高，使细胞内、外出现浓度差和渗透压差。因为药材的细胞壁为透性膜（植物细胞的原生质膜是半透膜，药材被干燥过程中细胞死亡，原生质被破坏，半透膜消失而成为透性膜），在浓度差的推动下，细胞内的高浓度溶液不断通过细胞壁向细胞外低浓度方向扩散；而溶媒为稀溶液，在渗透压的作用下不断进入细胞，以平衡其渗透压。这就是扩散过程。

扩散过程可以用扩散公式来描述：

式中：dt：扩散时间；

      ds：在dt时间内物质的扩散量；

      F：扩散面积。代表药材的粉碎度；

      D：扩散系数。其数值随药材而变化；

  “-”表示扩散趋向平衡时浓度降低。

上式中的D可由试验按下式求得：

式中：R：气体常数；

T：温度；

N：阿伏加德罗常数；

γ：扩散分子的半径；

η：药液黏度。

这种扩散需要通过药材组织这道屏障，而通过药材组织这道屏障是借助毛细管的引力，使细胞内高浓度药液进入药材组织的毛细管而与外部沟通，不断向外部扩散。搅拌及流动性溶媒浸出的方法之所以能提高浸出效果与浸出速度的原因，不仅由于提高了浓度差，还在于药材组织的毛细管外端的溶媒处于不断移动的状态，使毛细管内端压力保持大于毛细管外端压力，从而使药材内部的浸提液不断通过毛细管流到溶媒中去。

当这种扩散达到动态平衡时，溶液的浓度即为平衡浓度。此时溶液浓度等于药材内部液体的浓度，此时该阶段的提取过程结束。总之，浸提过程是由浸润、渗透、解吸、溶解、扩散、置换等几个相互的作用综合组成的。

三．影响浸提的主要因素：

1．药材的粒度

药材粉碎的愈细，与溶媒的接触面积愈大，扩散面积F愈大，故扩散速度愈快；药材粉碎的愈细，分子扩散的路径愈短，散速度亦愈快，浸出效果愈好。但对于植物药材并不是粉碎的愈细愈好，这是因为：

① 药材过细时，虽能提高其浸出效果，但吸附作用亦增加，因而使扩散速度受到影响。故药材的粉碎要视药材的性质和所采用的溶媒而定。如以水为溶媒时，药材易于膨胀，药材可以粉碎的粗些；酒精对药材膨胀的作用小，药材应粉碎的细一些；疏松的药材可以粉碎的粗些；坚硬的药材可以粉碎的细些。

②粉碎的过细，将使药材的细胞壁大量破裂，使细胞内大量不溶物及较多的树脂、黏液质等混入或浸出，使浸出杂质增加、黏度增大、扩散作用缓慢、过滤困难、产品浑浊。

③易于堵塞，操作困难。

2．浸提温度

温度提高能使植物性药材组织软化，促进膨胀，增加可溶性成分的溶解和扩散速度，促进有效成分的浸出；并可以使细胞内的蛋白质凝固、酶被破坏，有利于浸出和制剂的稳定性。

温度提高能使药材中某些不耐热成分和易挥发性成分分解、变质或挥发散失；有些药材在高温浸提后，放冷时由于胶体凝聚等原因又出现沉淀；另外高温也可使一些无效成分被浸提出来，影响制剂质量。

3．浸提时间

一般说来，浸提时间与浸提量成正比，时间愈长，扩散值愈大，愈有利于浸提。当扩散达到平衡后，时间即不起作用。另外时间过长，往往导致大量杂质溶出、一些有效成分如皂甙类等易被在一起的酶所分解。

4．浓度差

因为浓度差是细胞内外浓度相平衡过程的扩散作用的主要动力，所以增加浓度差能增加扩散速度，使扩散物质的量增多。浸提过程的搅拌、经常更换新的溶媒，就是为了加大扩散层中有效成分的浓度差。

5．PH值

溶媒的PH值与浸提的效果密切相关，在浸提过程中往往需要调整PH值，以利于某些成分的提取，如用酸性溶媒提取生物碱、用碱性溶媒提取皂甙等。

四．关于浸取率的计算：

考虑药材中可溶性成份浸取率的条件是：

1、溶媒的加入量足够多，确保溶质能够全部溶解在溶媒中，即溶液为非饱和溶液；

2．溶液的浓度达到平衡浓度，即在单位时间内药材的可溶性成份从药材中扩散到溶液中的量等于从溶液中扩散到药材中的量，此时可排出的提取液的浓度等于药材吸入的提取液的浓度。

在上述条件下，提取率与排出的提取液量和药材中含有的提取液量有关，现讨论如下：

对于分次提取

设：药材中所含提取液量为1，加入的溶媒量为药材中的含液量的M倍，则排出的提取液量为药材中所含提取液量的M-1倍。  

根据上式、不难得到如下结论： 

1．增加分次提取的提取次数n、可以提高提取率；

2．增加溶媒的加入量（也就是加大M）、可以提高提取率；

溶媒加入量和提取次数的确定：根据前述的提取率计算方法,可得下图： 从图中可以看出，增加溶媒量或浸出次数，虽然可以提高提取率，但随着溶媒用量的加大或提取次数的增多，会使提取液量增大，随后的蒸发浓缩时的能量消耗也随之增大，所以现在对植物类中药提取一般都是提取2次，个别情况提取3次，溶媒用量为干燥中药材重量8~10倍（初次加10倍重量的溶媒，以后各次加8倍重量的溶媒），由于干药材的吸水率约在200%（植物类药材），即存留在药材中的溶液为2倍药材重量，可收集的提取液为（10-2）=8倍的药材重量，M=（10÷2）=5，二次提取率为96%。

五．中药提取的现状

目前，在我国中药提取应用较多的是热回流提取和多能提取。

热回流提取：在单个多能提取罐和单效浓缩机组中进行。提取过程为：从提取罐的底部将提取液引到单效浓缩器进行浓缩，浓缩液存于单效蒸发室中，单效的汁汽进入提取罐，作为提取热源使用，提取罐产生的二次蒸汽经冷凝后再回到提取罐，作为新溶媒使用，如此循环，直致提取液无色时为止。此种工艺存在的主要问题是药材受热时间过长，不适用于热敏性药材的提取。其次这种高温、长时间的提取将导致药材中淀粉的过分裂解、糊化，使大量非有效成分的溶出，不仅使提取液的澄明度降低，同时大量淀粉的溶出为下一步的浓缩、醇沉等工序的操作带来困难。另外，为适应有机溶媒提取，则机组只能配备单效浓缩器（如采用多效浓缩器，因汁汽将进入多效蒸发器的壳程而造成有机溶媒的污染）；由于单效汁汽须作提取的热源使用，故常压提取时，单效也只能在常压下浓缩（因负压浓缩的因而，虽然单效汁汽得以利用，但其节能性仍然偏低。

动态提取：在单罐中进行，将药材预加工成2—5mm左右的颗粒，加入10倍量的溶媒，在搅拌状态下提取，药渣经离心机分离，由于药渣中合液量很少，一般经过一次提取即相当于分次提取的2~3次提取，因而提取效率较高。但由于药材的前处理及离心分离工序复杂，成本偏高，故制药厂家采用不多，多数厂家是在原来的多能提取的基础上，增加了液体搅拌功能，进行分次提取。因而溶媒耗量、提取次数与提取率之间的矛盾及提取温度偏高的缺陷等依然存在。

六．关于逆流罐组提取

针对分次提取时的提取率与浓缩时能耗之间的矛盾，人们设想：把若干个提取罐首尾相连，组成一个串联提取罐组，各罐中的药材依次是新装药材，经1次提取的药材，经2次提取的药材、……、经n次提取的药材，将新鲜的溶媒加入到zui后的（装有n次提取药材的）罐中，其它各罐依次装有从下一级罐中转移过来的提取液进行提取，zui终提取液从zui前面的罐中排出，然后，zui后的提取罐排出药渣并装入新药，变成zui前的提取罐，如此环循提取，由此，产生了一种新型的提取工艺，即逆流罐组提取工艺。其流程如下图所示

上图中的符号代表的意义如下；

c：新加入的溶媒中含有中药可溶性成份的量，c=0

x：zui终排出的药渣中含有中药可溶性成份的量；

t₁、t₂……t_n分另代表罐1、罐2、……、罐n排出的提取液中的含中药可溶性成份的量；

y₀:罐n中新加入的药材中含有可溶性成份的量；

y₁、y₂、……、y_n-1分别代表罐n-1、罐n-2、…、罐1中的药渣中的含可溶性成份的量；

通过对各罐的可溶性物质的衡算，可以计算出逆流罐组提取的提取率E_z。其前提条件是提取液应为非饱和（可溶性物质全部溶解）的平衡（药渣中溶液浓度与可排出的提取液浓度相同）溶液。

如果令各罐排出的提取液量与药材中含有的提取液量之比为α时，对各罐进行物料衡算：因为提取前药渣中的提取液含有的可溶性成份的量十由下级罐转移过来的提取液中所含有的可溶性成分的量=提取后药渣中的提取液含有的可溶性成份的量+排出的提取液（向上级罐转移）中含有的可溶性成份的量

参照上图：第1罐：y_n－1+c=x+t₁

                ∵t₁= α.x

                ∴y_n－1=x+α.x=x（1+α）

          第2罐：t₂=αy_n－1=α.x（1+α）=x（α+α² ）

                  y_n－2+t₁=y_n－1+t₂

                 y_n－2=x（1+α）+x（α+α²）－αx

                  =x（1+α+α²）

         第3罐t₃=α.y_n－2= α.x（1+α+α² ）=x（α+α²+α³ ）

                 y_n—3+t₂=y_n—2+t₃

y_n—3=x（1+α+α² ）+x（α+α²+α³ ）－x（α+α² ）

 =x（1+α+α²+α³ ）

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第n罐：t_n=x（α+α+ ……+αⁿ ）

      y₀=x（1+α+α²+……+αⁿ ）  

现以由5个提取罐组成的逆流提取罐组为例，与分次提取作以比较：取α=4，相当于分次提取时M=5

计算结果表明,分次提取需要进行4.5次提取才能达到逆流罐组的提取率,也就是说,分次提取液量是逆流罐组提取液量的4.5倍,因而从节省溶媒和浓缩时的能耗方面,逆流罐组提取的优势是十分明显的。

七．逆流罐组提取工艺流程的确定：（以由5个操单元组成的罐组为例）

根据逆流罐组提取的原理，我们可以确定其提取过程中，提取液转移的流程，如下页罐组转移过程示意图所示：

             罐组转移过程示意图

在图中，提取液转移的原则是：加新药经过1次提取的提取液（其浓度zui高）作为zui终提取液排出，其余提取液按其浓度依次向对应浓度（指药渣中所含液体的浓度）的提取罐转移。

在制订其工艺流程时，应考虑：

1．每个提取罐均配备一个 100L容积的中间储罐，这样可以使各罐的提取液同步转移，缩短转移时间；    

2．进行适当的粉碎，以加快浸出速度，在粉碎时药材如产生细粉，可以用纱布包起后随药材一同提取，这样即可避免药材资源的浪费，又可避免细粉造成的滤网堵塞、糊化等弊端；

3．取时应通过提取液转移泵使液体在提取罐中循环流动，起到搅拌作用。为避免滤网的堵塞，这种循环流动应通过一个流向切挨阀使其流动方向交替改变，流向切挨阀的工作原理与二位四通液压换向伐的原理是一致的。伐芯的换位（施转或滑动）可通过气动执行原件实现；

4．温度的确定：因为一般情况下，热敏性物料的变性温度多在75℃左右，故提取温度应控制在60~70℃为宜；

1．溶媒的用量一般为10倍干药材的量。

逆流罐组提取的工艺流程见下图：