新型分离技术1绪论

1,新型传质分离技术ModernSeparationTechnology,制药工艺教研室解希雷xiexilei,2,例1由甲苯二异氰酸酯(TDI)同含羟基化合物反应,合成聚氨基甲酸酯的技术,广泛应用于与涂料、粘合剂等配套的固化剂生产中。用三羟甲基丙烷(TMP)与TDI反应制取加成物,以及用TDI制得的预聚物、三聚体等,均因其优异的性能被广泛使用。,1绪论1.1现代分离工程的问题,3,2,4体2,6体2，4-二异氰基甲苯2，6-二异氰基甲苯,4,在我国,沿袭几十年的生产工艺所制得的固化剂产品中游离TDI的含量居高不下,一般均在2%以上,最高可达6%。由于游离TDI的挥发,既对操作人员的身体健康造成很大危害,同时对环境也造成影响、浪费了资源。长期以来对如何降低固化剂中游离TDI含量的研究一直没有停止过,但终因其难度大,一直未解决。,如何使TMP/TDI加成物、TDI三聚体等产品中游离TDI的含量控制在0.5%以下？,5,例2烷基糖苷（APG）是一种新型表面活性剂，不仅表面活性高、泡沫丰富、细腻而稳定，去污和配伍性极好，而且具有无毒、无刺激性、生物降解迅速等特点，可广泛用于洗涤剂、化装品、食品、药品等。,从结构分析为何具有以上特性？,6,烷基糖苷合成工艺中，脂肪醇过量有利于合成反应，提高烷基糖苷的收率，采用普通蒸馏虽可降低脂肪醇含量，但不能满足某些用户对产品纯度的要求。,如何降低烷基糖苷中的游离脂肪醇？,7,红豆杉又称紫杉，也称赤柏松。,8,例3紫杉醇（pacilitaxel，商品名taxol），1967年美国化学家Wall和Wani等首先从太平洋紫杉（短叶红豆杉）树皮中提取出来的具有独特抗癌活性的二萜类化合物。1990年进入期临床试验，1992年底获美国FDA批准上市，用于治疗对常规化疗无效的卵巢癌和乳腺癌。1995年，我国北京协和药厂与海口制药厂分获二类新药批准文号，成为世界上第二个生产紫杉醇及其注射液的国家。,9,紫杉醇,化学名：5,20-环氧-1,2,4,7,10,13-六羟基紫杉醇烷-11-烯-9-酮-4,10-二乙酸酯-2-苯甲酸酯-13-（2R.3S）-N-苯甲酰-3-苯基异丝氨酸酯ISO名称：Paclitaxol，分子量：853.90分子式为：C47H51NO14,10,紫杉醇化学结构,11,紫杉醇是一种高效细胞毒素，具有独特的抗癌机理:作用于微管蛋白。微管是真核细胞的一种纤维蛋白，与细胞的有丝分裂紧密相关，对于迅速分裂的肿瘤细胞，紫杉醇“冻结”有丝分裂纺锤体，从而使肿瘤细胞停止在G2期和M期，直至死亡。,紫杉醇表现出广谱而高效的抗癌活性，对人的卵巢癌、乳腺癌、宫颈癌、肺癌、中枢神经系统(CNS)白血病、黑色素瘤、肝癌和白血病细胞系等有细胞毒作用。,12,紫杉醇的国际市场价格为450美元/g。红豆杉属植物全世界仅有11种，生长缓慢，种群密度小，自身繁殖度低。据估计，仅用于其它药物治疗无效的癌症，每年即需紫杉醇70kg。如果考虑到药物配伍应用等其他方面，年需求量可能超过300kg，约合75万株树木/年。紫杉醇多从树皮中提取，但含量极低，只有0.06-0.07%。,紫杉醇如何更高效率地分离提纯？,13,例4海水淡化地球表面2/3的面积被水覆盖，但水储量的97为海水和苦咸水，在余下的2.53的淡水中，又有77分布在两极及高山冰川，人类能够直接利用的淡水资源不足地球上水储量的0.7。20世纪50年代以来，许多国家出现了水资源危机。我国地区、城市出现严重的水资源危机，如北京、上海等，沿海城市如大连、青岛、烟台也缺水？有水资源能否利用？20世纪80年代“引黄济青”工程、20世纪90年代“引滦济津”工程、现在的“南水北调”工程等缓解北方用水困难。,14,海水淡化人类追求了几百年的梦想。早在400多年前，英国王室就曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法。,15,最早的淡化方法有两种:蒸馏法，将水蒸发而盐留下，再将水蒸气冷凝为液态淡水。冷冻法，冷冻海水，使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时，盐被分离了出去。,不足之处蒸馏法会消耗大量的能源，并在仪器里产生大量的锅垢，得到的淡水却并不多。冷冻法同样要消耗许多能源，得到的淡水却味道不佳，难以使用。,16,作为物质形态的水，地球上并不缺乏，例如海水。人类要从根本上解决水资源短缺的问题的关键：,如何把海水通过有效的、经济可行的技术手段变成淡水？,17,例5血液制品全血：新鲜的人血液，含有血细胞的有型成分、白蛋白、免疫球蛋白、凝血因子等血浆成分。现代输血中提倡血液成分。,18,血细胞制品：红细胞制品：全血经过自然沉降或离心法移去血浆，其红细胞为原来容积的70，输入病人体内后比全血少血浆抗原和抗体引起的反应。用生理盐水洗涤浓集的红细胞，去除白细胞和血浆及代谢产物，能进一步的减少反应。一般冷藏方法可贮藏红细胞约三星期，但如将红细胞冷冻在-80以下，则可保存达十年之久，这方法最宜作为保存稀有血型供血者的血液。,19,浓集白细胞：对某些缺乏了粒白细胞，而用抗生素治疗无效者，可以用的血液细胞分离法，将能杀病毒的粒性细胞分离，再输入病人之体内，对抵抗病菌有特殊的功能。,血小板制品：浓缩的血小板是将多血小板的血浆高速离心以分出离心沉淀的血小板，优点是用少量血浆可输入大量血小板。,20,血浆制品：特指各种人血浆蛋白制品。含有各种凝血因子，适用于各种凝血机制障碍性。血浆内含有白蛋白、抗血友病球蛋白、纤维蛋白原等，在分离后可制造成不同的制剂，供不同的病人使用。如，免疫球蛋白:主要是IgG，具有抗病毒、抗细菌和抗毒素功能，缺乏免疲球蛋白者适用。,血浆成分如何分离出来？,21,例6发酵物料的分离纯化,发酵法生产青霉素、红霉素、维生素C等药物时，发酵液中还含有未转化的糖、氮源等，目的产物的含量一般约为5-10%。,如何使药物从发酵液中分离出来？,22,实例7人工透析机用人工方法模仿人体肾小球的过滤作用，在体外循环的情况下，去除人体血液内过剩的含氮化合物、新陈代谢产物或逾量药物等，调节水和电解质平衡，使血液净化的一种高技术医疗仪器。,23,透析型人工肾由三部分组成：血液净化系统(透析器)，透析液供给系统和自动控制系统。常用的透析器是空心纤维型结构，由内径200m，壁厚30m左右的透析膜材料制成的1万1.5万根空心纤维，组装在直径510cm，长约2025cm的圆柱状玻璃容器内。血液在空心纤维管内流动，透析液则环绕空心纤维管外四周流动，分别用泵驱动使血液和透析液循环。,24,人工肾-膜分离技术原理动脉进静脉出,25,透析机,例8很多药物有立体异构，其药理性质不同,氯霉素（广普抗菌药）D-(-)有杀菌活性L-(+)无,葡萄糖D-(+)在动物代谢作用中起重要作用L-(-)既不能被代谢，也不能在植物体内合成,27,两种构型具有不同活性的手性药物,28,因母体使用反应停而致畸性的儿童,反应停化学名称为沙利度胺(Thalidomide)，分子中具有一个手性中心，其R异构体对孕妇具有镇静和安眠用，而S异构体则会无一例外地导致胎儿畸变。,1.2分离科学及其研究内容,1.2.1分离(separation)利用混合物中各组分在物理或化学性质上的差异，通过适当的装置或方法，使各组分分配到不同的空间或按不同的时间分配到同一空间的过程。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，以相对純的形式存在。,（1）组分离（族分离）和单一分离,组分离：分离一类组分，例如：某种中药中起药效组分分离；天然香料中挥发油的分离；石油炼制中轻油和重油的分离。单一分离：将某种化合物以纯物质的形式从混合物中分离出来，如：工业上纯物质的制备；化学标准品的制备、药物对映异构体的分离等。包括多组分相互分离、特定组分分离、部分分离等。单一分离往往是以组分离为基础的，多种分离方法多次应用。,（2）富集、浓缩和纯化,富集（enrichment)：目的往往是分析而不是分离。使样品中目标组分的浓度升高，提高仪器的检测灵敏度。富集也是一种分离，借助于分离手段。浓缩（concentration)：将溶液中的溶剂蒸发掉，使溶液中溶质的浓度提高的过程，富集过程常包含浓缩。纯化（Purification)：通过分离操作目标产物的纯度提高，尤其是去除杂质得到纯净化合物的过程。Purity(纯度）：主要成分的含量或杂质的含量。,1.2.2分离科学（SeparationScience),研究从混合物中分离、富集或纯化某些组分，以获得相对純物质的规律及其应用的一门学科。,研究将混合物中某个或某些组分的含量提高以至获得純化合物的分离方法、技术及规律的科学。,1.2.3分离的目的,（1）分析前样品处理：检测灵敏度、仪器的需要（2）结构鉴定：红外、核磁、质谱（3）获取有用物质（4）除去有害物质：如废水处理,1.2.4分离技术特点,（1）分离对象种类繁多：合成、天然（2）分离的目的各不相同：一般工业上为了获得有用物质；实验室是为了后续分析。（3）分离规模差异很大：结构鉴定微克级、工业生产上吨计的大规模分离纯化。（4）分离技术形形色色（5）应用领域极为广泛化工、医药、食品、环境等，是推动其他学科发展的动力。,1.2.5分离科学的主要内容,研究分离过程的共同规律，主要包括用热力学原理讨论分离体系的功、能量和热的转换关系，以及物质输运的方向和限度；用动力学原理研究各种分离过程的速度与效率；研究分离体系的化学平衡、相平衡和分配平衡。研究基于不同分离原理的分离方法、分离设备及其应用。,1.2.6分离的基本原则和要求,（1）分离因子尽可能的高；（2）消耗的分离材料、设备和能源费用尽可能少；（3）分离操作简单、速度快；（4）分离纯度尽可能的高。,选择最适宜的分离方法和技术,1.3分离科学的重要性,（1）认识物质世界的必经之路：获得纯物质、鉴定结构、了解物理化学性质（2）各种分析技术的前提：去除干扰、提高检测限（浓缩、富集）（3）其他学科发展的基础：天然产物提取与分离、药物化学、有机化学、食品科学等（4）获取有用物质的手段：纯净水、精盐、天然色素,38,化工、石化、冶金、医药等所谓“过程工业”一般均包括三大工序，即原料准备、反应与分离。,化工分离技术与设备已经广泛应用于化工、石油、冶金、生物、医药、材料、食品等工业以及环境保护等领域之中。分离过程既负担反应后未反应物料与产物的分离，也包括目标产物与副产物间的分离，排放到环境中的废气、水、固体物料与有用产物的分离，以及原料中杂质的分离等。,39,分离过程是将混合物分成组成相互不相同的两种或几种产品的操作。一个典型的化工生产装置通常是由一个反应器（有时多于一个）和具有提纯原料、中间产物和产品的多个分离设备以及机、泵、换热器等构成。,分离操作一方面为化学反应提供符合质量要求的原料，清除对反应或催化剂有害的杂质，减少副反应和提高收率；另一方面对反应产物进行分离提纯以得到合格的产品，并使未反应的反应物得以循环利用。,过程工业总投资的5090用于分离设备，操作费用的60以上用于分离工序。,40,41,例如干燥过程，其应用遍及各行各业。谷物的含水量从收获时约3035干燥到13就可延长储存期一年。食品含水量低于,微生物难以生存,酶难以作用,可长期保持香昧和营养。聚氯乙烯颗粒含水量小于千分之二，可保证聚合加工成型时不出现气泡和增加塑料制品的强度。此外,建材、木材、布匹、纸张、皮革、药物、油漆等无不涉及干燥。据统计,仅化工产品就有20万种以上需要干燥作业。,42,1.4分离过程的分类和特征,分离过程分为机械分离和传质分离两大类。机械分离过程的分离对象是由两相以上所组成的混合物，其目的只是简单地将各相加以分离。例如：过滤、沉降、离心分离、旋风分离和静电除尘等。,传质分离过程用于各种均相混合物的分离，其特点是有质量传递现象发生，按所依据的物理化学原理不同，可分为两大类：平衡分离和速率分离。,43,(1)平衡分离过程,平衡分离过程系借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物系统变为两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。分离媒介可以是能量媒介（ESA）或物质媒介（MSA），有时也可以两种同时应用。,44,气液传质:如吸收、气体的增湿和减湿。,汽液传质过程:如液体的蒸馏和精馏。液液传质过程:如萃取。液固传质过程:如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、参数泵分离等。气固传质过程:如固体干燥、吸附等。,根据两相状态不同,平衡分离过程可分为如下几类：,45,(2)速率分离过程,速率分离过程是指借助某种推动力，如浓度差、压力差、温度差、电位差等的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。这类过程的特点是所处理的物料和产品通常属于同一相态，仅有组成的差别。,46,（a）膜分离膜分离是利用液体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。膜可以是固态或液态，所处理的流体可以是气体或液体，过程的推动力可以是压力差、浓度差或电位差。,速率分离可分为膜分离和场分离两大类。,47,（b）场分离场分离包括电泳、热扩散、高梯度磁力分离等。热扩散属场分离的一种,以温度梯度为推动力,在均匀的气体或液体混合物中出现分子量较小的分子(或离子)向热端漂移的现象,建立起浓度梯度,以达到组分分离的目的。该技术用于分离同位素、高粘度的润滑油,并预计在精细化工和药物生产中可得到应用。,48,传质分离过程的能量消耗,常构成单位产品成本的主要因素之一,因此降低传质分离过程的能耗,受到全球性普遍重视。,膜分离和场分离是一类新型的分离操作,由于其具有节约能耗,不破坏物料,不污染产品和环境等突出优点,在稀溶液、生化产品及其他热敏性物料分离方面,有着广阔的应用前景。,49,(3)传质设备应用于平衡过程的设备，其功能是提供两相密切接触的条件，进行相际传质，从而达到组分分离的目的。,性能优良的传质设备,一般应满足以下要求:(a)单位体积中,两相的接触面积应尽可能大,两相分布均匀,避免或抑制短路及返混;(b)流体的通量大,单位设备体积的处理量大;(c)流动阻力小,运转时动力消耗低;(d)操作弹性大,对物料的适应性强;(e)结构简单,造价低廉,操作调节方便,运行可靠安全。,50,1.5现代传质分离技术随着生产技术的发展，所处理的混合物种类日益增多；分离的要求愈来愈高（产品纯度高）；分离物料的量，有的越来越大（生产的大型化），有的越来越小（各种生化制品）。,随着各种天然资源被不断开采使用，含有用物质较高的资源逐步减少，迫使人们从含量较少的资源中去分离、提取有用的物质。从而促进了分离技术的不断发展，旧的分离方法不断改进完善，新的分离方法不断出现。,51,新型传质分离技术,1绪论2特殊精馏2.1分子蒸馏2.2反应精馏2.3恒沸精馏2.4萃取精馏2.5加盐精馏,52,3特殊萃取3.1化学萃取3.2超临界萃取3.3双水相萃取技术3.4液膜分离技术4色谱分离,53,5膜分离6其它分离方法6.1超重力技术6.2冻干,1.6分离方法的评价,（1）回收率（2）分离因子（3）富集倍数（4）其它：成本、环境污染等,（1）回收率,R为回收率；Q为实际回收量；Q0为理论回收量,R反映了被分离物质在分离过程中的损失量多少，是分离方法准确性的指标。通常1%的常量组分，R99%；痕量组分R90%或95%。,回收率测量方法：,标准加入法：在样品中加入已知量的目标物标准品，用待检验的分离方法将加入的标准样品分离出，计算目标组分的回收率。样品中一般不含有目标组分，若有应测出含量，并从加标样品中扣除。标准样品法：用待检验的分离方法分离标准样品中的目标物，计算该分离方法的回收率。标准样品：与待分离样品有相似的基体组成，待分离物质的含量已知（如不同实验室采用不同方法进行过准确测定的样品）。,（2）分离因子,A为目标组分，B为共存组分,分离因子表示两种物质被分离的程度，它与两种物质的回收率相关，回收率相差越大分离效果越好。分离因子与分离