分离苯甲苯筛板式精馏塔设计

分离纯化工艺的运用及发展综述作者：王亚森分离纯化工艺的运用及发展综述摘要：随着药物研究、开发和生产中常用的分离纯化技术的原理、工艺、特点和应用，为了更好的利用分离纯化技术为社会创造更高的经济价值，本文综合概述了分离纯化技术的基本原理及其应用。关键词：分离纯化技术，应用，发展，原理，应用。引言：分离纯化过程就是通过物理、化学或生物等手段，或将这些方法结合，将某混合物系分离纯化成两个或多个组成彼此不同的产物的过程。通俗地讲，就是将某种或某类物质从复杂的混合物中分离出来，通过提纯技术使其以相对纯的形式存在。实际上分离纯化只是一个相对的概念，人们不可能将一种物质百分之百地分离纯化。例如电子行业使用的高纯硅，纯度为99.9999，尽管已经很纯了，但是仍然含有0.0001的杂质。被分离纯化的混合物可以是原料、反应产物、中间体、天然产物、生物下游产物或废物料等。如中药、生物活性物质、植物活性成分的分离纯化等，要将这些混合物分离，必须采用一定的手段。在工业中通过适当的技术手段与装备，耗费一定的能量来实现混合物的分离过程，研究实现这一分离纯化过程的科学技术称为分离纯化技术。通常，分离纯化过程贯穿在整个生产工艺过程中，是获得最终产品的重要手段，且分离纯化设备和分离费用在总费用中占有相当大的比重。所以，对于药物的研究和生产，分离纯化方法的选择和优化、新型分离设备的研制开发具有极重要的意义。分离纯化技术在工业、农业、医药、食品等生产中具有重要作用，与人们的日常生活息息相关。例如从矿石中冶炼各种金属，从海水中提取食盐和制造淡水，工业废水的处理，中药有效成分及保健成分的提取，从发酵液中分离提取各种抗生素、食用酒精、味精等，都离不开分离纯化技术。同时，由于采用了有效的分离技术，能够提纯和分离较纯的物质，分离技术也在不断地促进其他学科的发展。如由于各种色谱技术、超离心技术和电泳技术的发展和应用，使生物化学等生命科学得到了迅猛的发展。同时由于人类成功分离、破译了生物的遗传密码，促进了遗传工程的发展。另外，随着现代工业和科学技术的发展，产品的质量要求不断提高，对分离技术的要求也越来越高，从而也促进了分离纯化技术的不断提高。产品质量的提高，主要借助于分离纯化技术的进步和应用范围的扩大，这就促使分离纯化过程的效率和选择性都得到了明显的提高。例如应用现代分离技术可以把人和水稻等生物的遗传物质提取出来，并且能将基因准确地定位。一，分离纯化技术的几种常用技术 液液萃取技术、浸取分离技术、超临界流体萃取分离技术、双水相萃取技术、制备色谱分离技术、大孔吸附树脂分离技术、分子印迹技术、离子交换分离技术、分子蒸馏技术、膜分离技术、喷雾干燥和真空冷冻干燥技术等内容。内容全面、简练，层次清晰，涵盖了化学合成药、生物药、植物药的分离纯化。 随着医学技术的发展对医用纯化水的要求也在逐步的提高。从以前的蒸馏工艺制纯化水到现阶段的反渗透脱盐程序的应用，我们可以看见在医学技术进步的同时，医用纯化水制取工业也在飞速的发展中。水是所有生活细胞不可缺少的成份，细胞的新陈代谢，必须有水方能进行，是细胞吸收、渗透、分泌和排泄等作用的介质。所谓纯水主要是指水中各种导电介质(即水中各种盐类阳、阴离子)和水中所含溶解气体及挥发物质等非导电介质的含量的大小，是相对而言的。医用纯水设备采用膜分离技术作为一种新型的流体分离单元操作技术，从上世纪五十年代末六十年代初发展以来，已经取得了令人瞩目的巨大发展，目前膜分离技术已经很成熟、可靠，并广泛应用于食品饮料、医药、环保及市政等行业中，尤其在医用纯水设备制造方面，发展更为迅速，已成为目前用于满足医疗需求制取纯净水主要处理技术和发展方向。二，传统分离纯化技术的基本原理 1.双水相萃取的原理：双水相萃取与水 -有机相萃取的原理相似 ,都是依据物质在两相间的选择性分配 ,但萃取体系的性质不同 。当物质进入双水相体系后 ,由于表面性质、电荷作用和各种力 (如憎水键、氢键和离子键等 )的存在和环境因素的影响 ,使其在上、下相中的浓度不同 .主要:静电作用和疏水作用2.差速离心法原理：采用逐渐增加离心速度或低速和高速交替进行离心，使沉降速度不同的颗粒在不同的分离速度及不同的离心时间下分批分离的方法，称为差速离心法。当以一定离心力在一定的离心时间内进行离心时，在离心管底部就会得到最大和最重颗粒的沉淀，分出的上清液在加上转速下再进行离心，又得到第二部分较大、较重颗粒的“沉淀”及含小和轻颗粒“上清液”，如此，多次离心处理，即能把液体中的不同颗粒较好分开。这时所得沉淀是不纯的，需经再悬浮和再离心（23次），才能得到较纯颗粒。3.速率区带离心原理：不同颗粒之间存在沉降系数差时，在一定离心力作用下，颗粒各自以一定速度沉降，在密度梯度不同区域上形成区带的方法。介质梯度应预先形成，介质的最大密度要小于所有样品颗粒的密度。4.等密度梯度离心原理：当不同颗粒存在浮力密度差时，在离心力场下，在密度梯度介质中，颗粒或向下沉降，或向上浮起，一直移动到与它们各自的密度恰好相等的位置上形成区带，从而使不同浮力密度的物质得到分离。5.反胶束萃取原理：反胶束中极性头朝内,非极性尾朝外排列形成亲水内核,称为“水池”.如图1所示.萃取时,待萃取的原料液以水相形式与反胶束体系接触,调节各种参数,使其中要提取的物质以最大限度转入反胶束体系(前萃取),后将含该物质的前萃液与另外一个水相接触.再次调节、离子强度等参数分出要提取物质.6.超临界流体萃取分离过程：在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来。并且超临界流体的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加, 极性增大, 利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取分离两过程合为一体，这就是超临界流体萃取分离的基本原理。7吸附剂的吸附机理：吸附剂通过范德华力，亲酯键、偶极离子键 、以及氢键等力的作用，从低浓度的溶液中吸附有机物质，这种力的作用比较弱，通过改变亲水疏水平衡可将被吸附物质解吸下来。根据“相似相溶原理”：非极性吸附剂适合在极性溶液中吸附非极性物质，高极性吸附剂适合从非极性溶剂中吸附极性物质，中等极性吸附剂对两种情况都有吸附力。8.泡沫分离的基本原理：基本性质：1、水中溶解，很快形成亲水基团向水，亲油基团向空气定向单分子排列，使空气、水接触面积减少，表面张力急剧下降，多余分子在溶液内部形成分子状态的聚集体胶束，分布在液向主体内。2、超过表面活性剂形成胶束的最小浓度后，溶液表面张力不再降低，在相界面由于定向排列的单分子层作用，具有选择吸附作用。显著改变溶液界面性质造成各种界面作用。9.离子交换操作过程1、树脂的选择与处理2、装柱3、通液4、洗涤与洗脱 5、树脂的再生和毒化三，新型膜分离纯化技术1 膜分离技术的简介1.1 膜分离的概念利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。 膜分离的一般示意性图见图1。1.2 膜的简介 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。 膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体。被膜分开的流体相物质 图1 膜分离过程示意图是液体或气体。 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。1.3膜的分类 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：有机高分子（天然高分子材料膜、合成高分子材料膜）膜、无机材料膜1.3 膜分离过程的种类种类膜的功能 分离驱动力 透过物质 被截流物质 微滤 多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子 压力差 水、溶剂和溶解物 悬浮物、细菌类、微粒子、大分子有机物 超滤 脱除溶液中的胶体、各类大分子 压力差 溶剂、离子和小分子 蛋白质、各类酶、细菌、病毒、胶体、微粒子 反渗透和纳滤 脱除溶液中的盐类及低分子物质 压力差 水和溶剂 无机盐、糖类、氨基酸、有机物等 透析 脱除溶液中的盐类及低分子物质 浓度差 离子、低分子物、酸、碱 无机盐、糖类、氨基酸、有机物等 电渗析 脱除溶液中的离子 电位差 离子 无机、有机离子 渗透气化 溶液中的低分子及溶剂间的分离 压力差、浓度差 蒸汽 液体、无机盐、乙醇溶液 气体分离 气体、气体与蒸汽分离 浓度差 易透过气体 不易透过液体 1.4膜过滤的基础理论通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。1.4.1 浓度极化模型反渗透、超滤和微滤操作各具特点，影响透过通量的因素很多。但这三种膜分离操作的透过通量基本上均可用浓度极化或凝胶极化模型描述。浓度(凝胶)极化模型的要点是：在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化(concentration polarization)。膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧的渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层。当分离含有菌体、细胞或其他固形成分的料液时，也会在膜表面形成凝胶层。这种现象称为凝胶极化(gel po1arization)。凝胶层的形成对透过产生附加的传质阻力，因此透过通量一般表示为 JV ：溶质的质量通量p 膜两侧的压差 Pa 膜两侧溶液的渗透压差 PaL 料液的黏度 Pas Rm 膜的阻力 m-1 Rg 凝胶的阻力 m-1(1) 生物分子透过通量的浓度极化模型方程 式中：JV透过通量D溶质的扩散系数 m2/s虚拟滞流底层厚度 mcm膜表面浓度 mol/Lcb主体料液浓度 mol/Lcp透过液浓度 mol/L k传质系数 m/s(2) 菌体悬浮液在高压条件下生物大分子溶液透过通量的凝胶极化模型方程 JV透过通量cg凝胶层浓度cb透过液浓度k传质系数当压力很高时，溶质在膜表面形成凝胶极化层，溶质的透过阻力极大，透过液浓度即很小，可忽略不计。1.5超滤和反渗透 目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。 分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压强大小不同。 反渗透膜的操作压力高达10MPa。（1）超滤和反渗透操作中的渗透压 由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗透压。 渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度； 一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。（2）实现超滤和反渗透的条件超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差； pp 操作压 p0 渗透压 patm 大气压反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。 因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜分离过程”（3）超滤的基本方程 (5.11a)JV ：溶剂的体积通量（m3/m3s）Lp ：溶剂的透过系数（单位时间、单位膜面积的处理量）p :膜两侧的压差：膜两侧溶液的渗透压差：膜对溶质的反射系数 011.6渗透与反渗透 渗透是由于存在化学势梯度而引起的自发扩散现象。 溶液中水的化学势 溶液中水的活度 0 纯水的化学势R 气体常数 T 绝对温度 因此，通常情况下,，其结果是水从纯水一侧透过半透膜向溶液侧渗透，使后者的液位抬高。 如果在溶液一侧施加压力，外界力做功使溶液中水的化学势升高，则纯水通过膜的渗透就会逐渐减小，并最终停止（条件？），此时的压力差就是溶液的渗透压。四，新型的分离纯化技术1、 超临界流体萃取技术及其应用超临界流体萃取是一种以超临界流体代替常规有机溶剂对目标组分进行萃取和分离的新型技术，其原理是利用流体（溶剂）在临界点附近区域（超临界区）内与待分离混合物中的溶质具有异常相平衡行为和传递性能，且对溶质的溶解能力随压力和温度的改变而在相当宽的范围内变动来实现分离的。超临界流体具有一系列重1）超临界流体相当粘稠，其密度接近于液体，具有较大的溶解能力；2）超临界流体的扩散系数比液体大23个数量级，其粘度类似于气体，远小于液体。这对于分离过程的传质极为有利，缩短了相平衡所需时间，大大提高了分离效率，是高效传质的理想介质；3）具有不同寻常的、巨大的压缩性，使得压力的微小变化将会引起流体密度和介电常数的很大变化。由于二氧化碳具有无毒、不易燃易爆、廉价、临界压力低、易于安全地从混合物中分离出来，所以是最常用的超临界流体。相对于传统提取分离方法（煎煮、醇沉、蒸发浓缩等）具有以下优点：萃取效率高、传递速度快、选择性高、提取物较干净、省时、减少有机溶剂及环境污染、适合于挥发油等脂溶性成分的提取分离。1.1 超临界流体萃取技术特点1）由于在临界点附近，流体温度或压力的微小变化会引起溶解能力的极大变化，使革取后溶剂与溶质容易分离。2）由于超临界流体具有与液体接近的溶解能力，同时它又保持了气体所具有的传递性，有利于高效分离的实现。3）利用超临界流体可在较低温度下溶解或选择性地提取出相应难挥发的物质，更好地保护热敏性物质。4）萃取效率高，萃取时间短。可以省却清除溶剂的程序，彻底解决了工艺繁杂、纯度不够、且易残留有害物质等问题。5）萃取剂只需再经压缩便可循环使用，可大大降低成本。6）超临界流体萃取能耗低，集萃取、蒸馏、分离于一体，工艺简单，操作方便。7）超临界流体萃取能与多种分析技术，包括气相色谱、高效液相色谱、质谱等联用，省去了传统方法中蒸馏、浓缩溶剂的步骤。避免样品的损失、降解或污染，因而可以实现自动化。2、 分子蒸馏技术分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，在极高真空下操作。它是根据不同物质其分子运动有不同的平均自由程这一物理特性而达到分离的目的，因而能使液体在低于其沸点的温度下将其分离，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。由于其具有蒸馏温度低于物料的沸点、蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点，因而能大大降低高沸点物料的分离成本，极好地保护了热敏物料的品质。与常规蒸馏相比，具有明显地优点：分离程度比常规蒸馏的高，蒸馏压强极低，蒸发温度低，受热时间短等。2.1 分子蒸馏技术的主要特点1）分子蒸馏是在远低于沸点的温度下进行操作的；2）分子蒸馏是在很低的压强下进行操作，一般为10-1Pa数量级(10-3托数量级)，可使物料避免氧化受损；3）物料受热时间短，避免了因受热时间长造成某些组分分解或聚合的可能；4）分子蒸馏的分离程度更高，能分离常规蒸馏不易分开的物质；5）无毒、无害、无污染、无残留，可得到纯净安全的产物；6）可进行多级分子蒸馏，适用于较为复杂的混合物的分离提纯，产率较高；7）特别适合于不同组分分子平均自由程相差较大的混合物的分离；8）更适用与对热敏感、产物附加值高的粘性物料；9）可与超临界流体技术和膜分离技术等配合配套使用。五，分离纯化技术的应用1） 中药制药第一， 中药有效成分、有效部位的提取。利用超临界二氧化碳萃取技术来提取丹参、干姜、木香、姜黄、莪术、牡丹皮等中药中的有效成分，一步即可取得，含量一般可达50%，最高可达90%。第二， 中药新药的生产。柴芩菊感冒胶囊、口疮泰软胶囊等都是以多种中药材为组成成分，通过超临界二氧化碳萃取技术萃取而获得。第三， 中药的二次开发或浓缩回收。超临界二氧化碳萃取分离改良复方丹参片、心痛宁滴丸的分离技术，使得药品有效率明显提高。2） 农产品加工由于超临界流体萃取技术在农产品加工中的应用日益广泛，已开始进行工业化规模的生产。例如：原西德、美国等国的咖啡厂用该技术进行脱咖啡因；澳大利亚等国用该技术萃取啤酒花浸膏；欧洲一些公司也用该技术从植物中萃取香精油等风味物质，从各种动物油中萃取各种脂肪酸，从奶油和鸡蛋中去除胆固醇，从天然产物中萃取药用有效成分等等。迄今为止，超临界二氧化碳萃取技术在农产品加工中的应用及研究主要集中在五大方面：第一，农产品风味成分的萃取，如香辛料、果皮、鲜花中的精油、呈味物质的提取；第二，动植物油的萃取分离，如花生油、菜籽油、棕橱油等的提取；第三，农产品中某些特定成分的萃取，如沙棘中沙棘油、月见草中(一亚麻酸、牛奶中胆固醇、咖啡豆中咖啡碱的提取；第四，农产品脱色脱臭脱苦，如辣椒红色素的提取、羊肉嬗味物质的提取、柑桔汁的脱苦等；第四， 农产品灭菌防腐方面的研究。3） 天然维生素E的浓缩精制为避免植物油加工过程中维生素E的损失，通常采用直接提取法，即脱胶、脱酸后进行分子蒸馏，制得的浓缩物可以达到药典指标。对油脂脱臭馏出物中的天然维生素E的进行浓缩精制，成品有机农药残留很低，安全f生和氧化稳定性提高，成品附加值很高。4） 高碳脂肪醇的精制二十八烷醇等高碳脂肪醇因对人体具有众多生理活性而倍受人瞩目，若应用分子蒸馏精制，可有效地避免溶剂残留，工艺过程简单，操作安全可靠，自动化程度高。5） 风味物质的获取分子蒸馏技术尤其适用于易挥发的风味物质。目前已经成功地应用涂膜式分子蒸馏技术和降膜式分子蒸馏技术从果汁、山核桃、奶酪、扇贝及调味大料油等香辛料中分离获取了香气成分，分离出的香气浓缩物还原性好。6） DHA和EPA的富集根据EPA和DHA的沸点高低不同，运用分子蒸馏法分离富集。分离脂肪酸甲酯和乙酯的效果比分离脂肪酸的效果更好。7）食用植物油的提取运用分子蒸馏技术从葵花籽、红花籽、黄豆、花生、麦胚、棕榈、苏籽