中 藥 逆 流 罐 組 提 取

一．前言

隨著我國中藥制藥工藝的不斷進(jìn)步，原來生藥直接入藥的丸、散、膏、丹等傳統(tǒng)劑型發(fā)生了很大的變化。目前，大量出現(xiàn)的中藥片劑、滴丸、沖劑、口服液、針劑等都是通過中藥的提取濃縮，使有效成份富集，以富集后的提取物為原料加工而成的。因而中藥提取在中藥制藥過程中占有越來越重要的地位，中藥的提取工藝及裝備也在不斷的改進(jìn)中穩(wěn)步發(fā)展。提取工藝由zui初的水缸內(nèi)加蒸汽盤管煎煮逐步發(fā)展到多能提取、動態(tài)提取、熱回流提取，逆流提取，超臨界萃取，超聲波提取、微波提取等。

就中藥提取過程而言，zui大限度的提取中藥材中的有效成份，避免有效成份的破壞和流失，杜絕或減少無效成份的溶出，是中藥提取技術(shù)所要解決的首要問題。在充分分析比較現(xiàn)有的中藥提取方法優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，利用已有的中藥研究成果和在線檢測、控制技術(shù)，開發(fā)新一代的中藥提取工藝及裝備，這是擺在我們醫(yī)藥裝備工作者面前的一個重大任務(wù)。

二．植物性藥材的浸提原理

1、溶劑通過干燥藥材的毛細(xì)管向內(nèi)部滲透浸潤階段：

新鮮藥材干燥后，組織內(nèi)部的水分被蒸發(fā)，細(xì)胞逐漸萎縮，細(xì)胞液中的物質(zhì)呈結(jié)晶或無定型狀態(tài)沉淀在細(xì)胞內(nèi)的液泡中和細(xì)胞壁上。并使細(xì)胞內(nèi)形成空洞，充滿了空氣。

對干燥后的藥材粉碎時，部分細(xì)胞壁被破壞，其中所含的成分可直接被溶媒浸出，轉(zhuǎn)入浸出液中。另外大部分細(xì)胞壁是完整的，在與溶媒接觸時，被溶媒濕潤，溶媒通過毛細(xì)管滲透到細(xì)胞中。

2、細(xì)胞內(nèi)部的可溶性物質(zhì)的解吸、溶解階段：

溶媒通過藥材的毛細(xì)管和細(xì)胞的間隙進(jìn)入到細(xì)胞組織后，溶媒克服細(xì)胞中各種成分之間的親和力（解吸）并使各種成分轉(zhuǎn)入到溶媒中（溶解）。

3、擴(kuò)散階段：

當(dāng)溶媒在細(xì)胞中溶解大量可溶性物質(zhì)后，細(xì)胞內(nèi)的溶液濃度增高，使細(xì)胞內(nèi)、外出現(xiàn)濃度差和滲透壓差。因為藥材的細(xì)胞壁為透性膜（植物細(xì)胞的原生質(zhì)膜是半透膜，藥材被干燥過程中細(xì)胞死亡，原生質(zhì)被破壞，半透膜消失而成為透性膜），在濃度差的推動下，細(xì)胞內(nèi)的高濃度溶液不斷通過細(xì)胞壁向細(xì)胞外低濃度方向擴(kuò)散；而溶媒為稀溶液，在滲透壓的作用下不斷進(jìn)入細(xì)胞，以平衡其滲透壓。這就是擴(kuò)散過程。

擴(kuò)散過程可以用擴(kuò)散公式來描述：

式中：dt：擴(kuò)散時間；

      ds：在dt時間內(nèi)物質(zhì)的擴(kuò)散量；

      F：擴(kuò)散面積。代表藥材的粉碎度；

      D：擴(kuò)散系數(shù)。其數(shù)值隨藥材而變化；

  “-”表示擴(kuò)散趨向平衡時濃度降低。

上式中的D可由試驗按下式求得：

式中：R：氣體常數(shù)；

T：溫度；

N：阿伏加德羅常數(shù)；

γ：擴(kuò)散分子的半徑；

η：藥液黏度。

這種擴(kuò)散需要通過藥材組織這道屏障，而通過藥材組織這道屏障是借助毛細(xì)管的引力，使細(xì)胞內(nèi)高濃度藥液進(jìn)入藥材組織的毛細(xì)管而與外部溝通，不斷向外部擴(kuò)散。攪拌及流動性溶媒浸出的方法之所以能提高浸出效果與浸出速度的原因，不僅由于提高了濃度差，還在于藥材組織的毛細(xì)管外端的溶媒處于不斷移動的狀態(tài)，使毛細(xì)管內(nèi)端壓力保持大于毛細(xì)管外端壓力，從而使藥材內(nèi)部的浸提液不斷通過毛細(xì)管流到溶媒中去。

當(dāng)這種擴(kuò)散達(dá)到動態(tài)平衡時，溶液的濃度即為平衡濃度。此時溶液濃度等于藥材內(nèi)部液體的濃度，此時該階段的提取過程結(jié)束。總之，浸提過程是由浸潤、滲透、解吸、溶解、擴(kuò)散、置換等幾個相互的作用綜合組成的。

三．影響浸提的主要因素：

1．藥材的粒度

藥材粉碎的愈細(xì)，與溶媒的接觸面積愈大，擴(kuò)散面積F愈大，故擴(kuò)散速度愈快；藥材粉碎的愈細(xì)，分子擴(kuò)散的路徑愈短，散速度亦愈快，浸出效果愈好。但對于植物藥材并不是粉碎的愈細(xì)愈好，這是因為：

① 藥材過細(xì)時，雖能提高其浸出效果，但吸附作用亦增加，因而使擴(kuò)散速度受到影響。故藥材的粉碎要視藥材的性質(zhì)和所采用的溶媒而定。如以水為溶媒時，藥材易于膨脹，藥材可以粉碎的粗些；酒精對藥材膨脹的作用小，藥材應(yīng)粉碎的細(xì)一些；疏松的藥材可以粉碎的粗些；堅硬的藥材可以粉碎的細(xì)些。

②粉碎的過細(xì)，將使藥材的細(xì)胞壁大量破裂，使細(xì)胞內(nèi)大量不溶物及較多的樹脂、黏液質(zhì)等混入或浸出，使浸出雜質(zhì)增加、黏度增大、擴(kuò)散作用緩慢、過濾困難、產(chǎn)品渾濁。

③易于堵塞，操作困難。

2．浸提溫度

溫度提高能使植物性藥材組織軟化，促進(jìn)膨脹，增加可溶性成分的溶解和擴(kuò)散速度，促進(jìn)有效成分的浸出；并可以使細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)凝固、酶被破壞，有利于浸出和制劑的穩(wěn)定性。

溫度提高能使藥材中某些不耐熱成分和易揮發(fā)性成分分解、變質(zhì)或揮發(fā)散失；有些藥材在高溫浸提后，放冷時由于膠體凝聚等原因又出現(xiàn)沉淀；另外高溫也可使一些無效成分被浸提出來，影響制劑質(zhì)量。

3．浸提時間

一般說來，浸提時間與浸提量成正比，時間愈長，擴(kuò)散值愈大，愈有利于浸提。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡后，時間即不起作用。另外時間過長，往往導(dǎo)致大量雜質(zhì)溶出、一些有效成分如皂甙類等易被在一起的酶所分解。

4．濃度差

因為濃度差是細(xì)胞內(nèi)外濃度相平衡過程的擴(kuò)散作用的主要動力，所以增加濃度差能增加擴(kuò)散速度，使擴(kuò)散物質(zhì)的量增多。浸提過程的攪拌、經(jīng)常更換新的溶媒，就是為了加大擴(kuò)散層中有效成分的濃度差。

5．PH值

溶媒的PH值與浸提的效果密切相關(guān)，在浸提過程中往往需要調(diào)整PH值，以利于某些成分的提取，如用酸性溶媒提取生物堿、用堿性溶媒提取皂甙等。

四．關(guān)于浸取率的計算：

考慮藥材中可溶性成份浸取率的條件是：

1、溶媒的加入量足夠多，確保溶質(zhì)能夠全部溶解在溶媒中，即溶液為非飽和溶液；

2．溶液的濃度達(dá)到平衡濃度，即在單位時間內(nèi)藥材的可溶性成份從藥材中擴(kuò)散到溶液中的量等于從溶液中擴(kuò)散到藥材中的量，此時可排出的提取液的濃度等于藥材吸入的提取液的濃度。

在上述條件下，提取率與排出的提取液量和藥材中含有的提取液量有關(guān)，現(xiàn)討論如下：

對于分次提取

設(shè)：藥材中所含提取液量為1，加入的溶媒量為藥材中的含液量的M倍，則排出的提取液量為藥材中所含提取液量的M-1倍。  

根據(jù)上式、不難得到如下結(jié)論： 

1．增加分次提取的提取次數(shù)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數(shù)的確定：根據(jù)前述的提取率計算方法,可得下圖： 從圖中可以看出，增加溶媒量或浸出次數(shù)，雖然可以提高提取率，但隨著溶媒用量的加大或提取次數(shù)的增多，會使提取液量增大，隨后的蒸發(fā)濃縮時的能量消耗也隨之增大，所以現(xiàn)在對植物類中藥提取一般都是提取2次，個別情況提取3次，溶媒用量為干燥中藥材重量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），由于干藥材的吸水率約在200%（植物類藥材），即存留在藥材中的溶液為2倍藥材重量，可收集的提取液為（10-2）=8倍的藥材重量，M=（10÷2）=5，二次提取率為96%。

五．中藥提取的現(xiàn)狀

目前，在我國中藥提取應(yīng)用較多的是熱回流提取和多能提取。

熱回流提?。涸趩蝹€多能提取罐和單效濃縮機(jī)組中進(jìn)行。提取過程為：從提取罐的底部將提取液引到單效濃縮器進(jìn)行濃縮，濃縮液存于單效蒸發(fā)室中，單效的汁汽進(jìn)入提取罐，作為提取熱源使用，提取罐產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)冷凝后再回到提取罐，作為新溶媒使用，如此循環(huán)，直致提取液無色時為止。此種工藝存在的主要問題是藥材受熱時間過長，不適用于熱敏性藥材的提取。其次這種高溫、長時間的提取將導(dǎo)致藥材中淀粉的過分裂解、糊化，使大量非有效成分的溶出，不僅使提取液的澄明度降低，同時大量淀粉的溶出為下一步的濃縮、醇沉等工序的操作帶來困難。另外，為適應(yīng)有機(jī)溶媒提取，則機(jī)組只能配備單效濃縮器（如采用多效濃縮器，因汁汽將進(jìn)入多效蒸發(fā)器的殼程而造成有機(jī)溶媒的污染）；由于單效汁汽須作提取的熱源使用，故常壓提取時，單效也只能在常壓下濃縮（因負(fù)壓濃縮的因而，雖然單效汁汽得以利用，但其節(jié)能性仍然偏低。

動態(tài)提取：在單罐中進(jìn)行，將藥材預(yù)加工成2—5mm左右的顆粒，加入10倍量的溶媒，在攪拌狀態(tài)下提取，藥渣經(jīng)離心機(jī)分離，由于藥渣中合液量很少，一般經(jīng)過一次提取即相當(dāng)于分次提取的2~3次提取，因而提取效率較高。但由于藥材的前處理及離心分離工序復(fù)雜，成本偏高，故制藥廠家采用不多，多數(shù)廠家是在原來的多能提取的基礎(chǔ)上，增加了液體攪拌功能，進(jìn)行分次提取。因而溶媒耗量、提取次數(shù)與提取率之間的矛盾及提取溫度偏高的缺陷等依然存在。

六．關(guān)于逆流罐組提取

針對分次提取時的提取率與濃縮時能耗之間的矛盾，人們設(shè)想：把若干個提取罐首尾相連，組成一個串聯(lián)提取罐組，各罐中的藥材依次是新裝藥材，經(jīng)1次提取的藥材，經(jīng)2次提取的藥材、……、經(jīng)n次提取的藥材，將新鮮的溶媒加入到zui后的（裝有n次提取藥材的）罐中，其它各罐依次裝有從下一級罐中轉(zhuǎn)移過來的提取液進(jìn)行提取，zui終提取液從zui前面的罐中排出，然后，zui后的提取罐排出藥渣并裝入新藥，變成zui前的提取罐，如此環(huán)循提取，由此，產(chǎn)生了一種新型的提取工藝，即逆流罐組提取工藝。其流程如下圖所示

上圖中的符號代表的意義如下；

c：新加入的溶媒中含有中藥可溶性成份的量，c=0

x：zui終排出的藥渣中含有中藥可溶性成份的量；

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

y₀:罐n中新加入的藥材中含有可溶性成份的量；

y₁、y₂、……、y_n-1分別代表罐n-1、罐n-2、…、罐1中的藥渣中的含可溶性成份的量；

通過對各罐的可溶性物質(zhì)的衡算，可以計算出逆流罐組提取的提取率E_z。其前提條件是提取液應(yīng)為非飽和（可溶性物質(zhì)全部溶解）的平衡（藥渣中溶液濃度與可排出的提取液濃度相同）溶液。

如果令各罐排出的提取液量與藥材中含有的提取液量之比為α時，對各罐進(jìn)行物料衡算：因為提取前藥渣中的提取液含有的可溶性成份的量十由下級罐轉(zhuǎn)移過來的提取液中所含有的可溶性成分的量=提取后藥渣中的提取液含有的可溶性成份的量+排出的提取液（向上級罐轉(zhuǎn)移）中含有的可溶性成份的量

參照上圖：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 ）

┊

第n罐：t_n=x（α+α+ ……+αⁿ ）

      y₀=x（1+α+α²+……+αⁿ ）  

現(xiàn)以由5個提取罐組成的逆流提取罐組為例，與分次提取作以比較：取α=4，相當(dāng)于分次提取時M=5

計算結(jié)果表明,分次提取需要進(jìn)行4.5次提取才能達(dá)到逆流罐組的提取率,也就是說,分次提取液量是逆流罐組提取液量的4.5倍,因而從節(jié)省溶媒和濃縮時的能耗方面,逆流罐組提取的優(yōu)勢是十分明顯的。

七．逆流罐組提取工藝流程的確定：（以由5個操單元組成的罐組為例）

根據(jù)逆流罐組提取的原理，我們可以確定其提取過程中，提取液轉(zhuǎn)移的流程，如下頁罐組轉(zhuǎn)移過程示意圖所示：

             罐組轉(zhuǎn)移過程示意圖

在圖中，提取液轉(zhuǎn)移的原則是：加新藥經(jīng)過1次提取的提取液（其濃度zui高）作為zui終提取液排出，其余提取液按其濃度依次向?qū)?yīng)濃度（指藥渣中所含液體的濃度）的提取罐轉(zhuǎn)移。

在制訂其工藝流程時，應(yīng)考慮：

1．每個提取罐均配備一個 100L容積的中間儲罐，這樣可以使各罐的提取液同步轉(zhuǎn)移，縮短轉(zhuǎn)移時間；    

2．進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆鬯?，以加快浸出速度，在粉碎時藥材如產(chǎn)生細(xì)粉，可以用紗布包起后隨藥材一同提取，這樣即可避免藥材資源的浪費(fèi)，又可避免細(xì)粉造成的濾網(wǎng)堵塞、糊化等弊端；

3．取時應(yīng)通過提取液轉(zhuǎn)移泵使液體在提取罐中循環(huán)流動，起到攪拌作用。為避免濾網(wǎng)的堵塞，這種循環(huán)流動應(yīng)通過一個流向切挨閥使其流動方向交替改變，流向切挨閥的工作原理與二位四通液壓換向伐的原理是一致的。伐芯的換位（施轉(zhuǎn)或滑動）可通過氣動執(zhí)行原件實(shí)現(xiàn)；

4．溫度的確定：因為一般情況下，熱敏性物料的變性溫度多在75℃左右，故提取溫度應(yīng)控制在60~70℃為宜；

1．溶媒的用量一般為10倍干藥材的量。

逆流罐組提取的工藝流程見下圖：