製藥分離工程（簡體書）

本書是教育部立項的普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。適用于制藥工程專業本科教學。
制藥分離過程主要是利用待分離物系中的有效活性成分與共存雜質之間在物理、化學及生物學性質上的差異進行分離，是制藥工業產品產業化的關鍵環節。本書主要介紹制藥工程領域常用分離技術及近年發展的新型分離技術的原理、方法、工藝計算及其應用。本書共15章，主要包括：緒論，固液萃取（浸取），液液萃取，超臨界流體萃取，反膠團萃取與雙水相萃取，非均相分離，精餾技術，膜分離，吸附，離子交換，色譜分離過程，結晶過程，電泳技術，手性分離，干燥和造粒。書后列有習題供學生復習。
為方便教學，本書配有教學課件。
本書可作為各高等院校相關專業本科生教材，亦適用于從事制藥工程領域的科研和工程技術人員閱讀。

製藥分離過程主要是利用待分離的物系中的有效活性成分與共存雜質之間在物理、化學及生物學性質上的差異進行分離。根據熱力學第二定律，混合過程屬於自發過程，而分離則需要外界能量。因所用分離方法、設備和投入能量方式不同，使得分離產品的純度、消耗能量的大小以及過程的綠色化程度有很大差別。製藥工程涵蓋化學製藥、中藥製藥和生物製藥，由於藥物的純度和雜質含量與其藥效、毒副作用、價格等息息相關，使得分離過程在製藥行業中的地位和作用非常重要。
隨著人類社會文明的不斷進步和醫療保健需求的日益增長,製藥工業得到了迅速的發展。國際上，製藥工業同信息、生物技術、新材料、微電子等產業均被譽為"朝陽產業"。20世紀90年代以來，中國製藥業每年以20％左右的速度增長，使得製藥工業逐漸成為國民經濟的支柱產業之一。21世紀，由於人口增長、人口老齡化、經濟增長等原因，製藥工業將繼續保持穩定增長的勢頭。
教育部1998年公佈新專業目錄以來，全國已有約180所各類理工科院校和醫藥院校相繼設立了"製藥工程"專業。面對21世紀世界範圍內市場經濟的激烈競爭和高科技飛速發展的激烈挑戰，需要培養和造就高級製藥工程專門人才。"製藥分離工程"是專業主幹課之一，多數院校將其作為必修課教學。為此，天津大學曾編寫《高等製藥分離工程》（李淑芬、姜忠義主編，化學工業出版社，2004年）教材。但該教材主要為工程碩士研究生編寫，部分內容不適於本科生教學使用。為促進本科教學改革工作的深入開展和不斷提高本科教學水平和教育質量，在教育部教材建設的支持下，《製藥分離工程》獲得立項，列為普通高等教育"十一五" 國家級規劃教材。
本書編寫從章節確定到內容取捨均對原書進行了更新，並增加了新技術，如手性分離的介紹。另外，書後附有習題集以便於學生復習使用，本教材還將提供教學課件，力求使新編教材能更加適應製藥工程專業的本科教學。
全書共分15章，主要介紹製藥工程領域常用分離技術及近年來發展的新型分離技術的原理、方法、工藝計算及其應用。
第1章緒論，簡要介紹了製藥工業中生物製藥、化學製藥和中藥製藥三個分領域的發展史、現狀及進展；同時概述了製藥分離技術的作用、分離原理與分類、以及製藥分離技術的進展。
第2章浸取，介紹了浸取過程的基本原理、影響因素、過程（包括單級浸取和多級錯流浸取、多級逆流浸取）計算、浸取工藝及設備。還對浸取強化新技術中的超聲波協助浸取和微波協助浸取進行了介紹。
第3章液液萃取，主要介紹了液液萃取過程的基本原理、過程的影響因素、萃取過程（單級萃取、多級錯流萃取、多級逆流萃取和微分接觸萃取）計算、萃取設備的分類和典型萃取設備；並討論了萃取設備內流體的傳質特性。
第4章超臨界流體萃取，主要介紹了該新型萃取技術的基本原理、特點、萃取劑、工藝類型及夾帶劑作用；也介紹了溶質在超臨界流體中溶解度及傳質計算方法以及在中藥和天然產物加工中的應用、局限性與發展前景。
第5章反膠團萃取與雙水相萃取，對這兩種新型分離技術的原理、特點、應用實例進行了介紹，闡述了它們的技術優勢和應用前景。
第6章非均相物系的分離，主要介紹了過程基本原理和特點、過濾介質、常用的分離設備等，並介紹了非均相分離技術的新進展。
第7章精餾技術，主要介紹蒸餾技術的原理、工藝流程和應用實例等，包括間歇精餾、水蒸氣蒸餾、分子蒸餾等。
第8章膜分離，重點介紹了以超濾為代表的膜分離技術，說明了膜分離的特點、優勢及不足，分析了濃差極化產生的原因及對膜分離的影響。較詳細介紹了膜污染的起因、清洗方法以及膜分離的應用狀況。
第9章吸附，闡述了吸附過程原理、吸附的成因、吸附平衡。分析了吸附過程的主要影響因素、吸附操作與基本計算，並對固定床吸附等設備、操作以及相關的理論及吸附在製藥工業中的應用進行了介紹。
第10章離子交換，闡述了Donnan理論、選擇性、熱力學平衡、動力學等基本理論與概念，詳細討論了離子交換過程進行的重要條件——樹脂的分類、性能參數、選擇等問題,以及間歇、連續式包括半連續移動床式等離子交換設備及其有關的計算等問題。並實例說明了離子交換在製藥工業中的應用。
第11章色譜分離過程，介紹色譜分離過程的一些基本概念、色譜的模型理論，著重介紹了vanDeemter方程中的3個阻力項；氣相色譜和高效液相色譜的一些基本原理及裝置的主要結構和分析分離特點，氣相色譜和高效液相色譜的典型應用，還介紹了模擬移動床色譜等一些新型製備型色譜的應用現狀。
第12章結晶過程，介紹了結晶技術的特點，結晶過程的基本原理、概念和晶體形成的機理。同時重點介紹了常用的結晶設備。
第13章電泳技術，主要介紹電泳分離技術的基本原理、基礎理論、研究開發進展及其應用實例等。
第14章手性分離，闡述了手性藥物的概念、製備方法。重點討論了手性藥物的色譜分離方法的類型、拆分原理、應用等。還介紹了手性藥物的毛細管電泳分離、膜技術拆分法的研究進展。
第15章乾燥和造粒，重點闡述乾燥過程的基本原理、乾燥動力學、造粒機理、乾燥方法和設備等。
本書由天津大學李淑芬教授、白鵬教授主編。第1～5章由李淑芬編寫，第6章由譚蔚、朱宏吉和白鵬編寫，第7章由白鵬編寫，第8章由朱宏吉、許松林編寫，第9、第10、第14章由曲紅梅編寫，第11章由韓金玉、許松林編寫，第12章由尹秋響、許松林編寫，第13章由高瑞昶編寫，第15章由康仕芳、陳松編寫。
天津大學王靜康院士在百忙中審閱了本書稿，並為本書作序,充分體現了老一代科學家對本書出版的熱情支持與鼓勵。作者在此謹向王院士表示崇高的敬意和誠摯的感謝。
本書作者的部分研究生參與了部分書稿的文字、圖表加工處理等工作，在此謹向他們表示衷心的謝意。本書編寫過程中參考了同仁與學者的工作成果,在此深表謝意。
本書能夠得以順利出版，還得到了化學工業出版社、天津大學及化工學院的支持、鼓勵和幫助，在此一併表示衷心的謝意。同時，作者也藉此機會向製藥工程界給予過關心、支持和幫助的各位同仁表示感謝。
製藥工程是融化學、生命科學、藥學、工程科學等多學科於一體的蓬勃發展的新學科，由於編者知識水平有限，書中疏漏、不妥之處在所難免，敬請同仁和讀者指正。

第1章緒論1
1.1 製藥工業1
1.1.1 生物製藥1
1.1.2 化學製藥2
1.1.3 中藥製藥3
1.2 製藥分離技術4
1.2.1 製藥分離技術的作用4
1.2.2 製藥分離原理與分類5
1.2.3 製藥分離技術的進展6
參考文獻8

第2章固液萃取（浸取）9
2.1 概述9
2.2 浸取過程的基本原理9
2.2.1 藥材有效成分的浸取過程9
2.2.2 費克定律與浸取速率方程10
2.2.3 浸取過程的影響因素13
2.3 浸取過程的計算14
2.3.1 單級浸取和多級錯流浸取15
2.3.2 多級逆流浸取17
2.3.3 浸出時間的計算19
2.4 浸取工藝及設備20
2.4.1 浸取工藝20
2.4.2 浸取設備22
2.5 浸取強化技術簡介25
2.5.1 超聲波協助浸取25
2.5.2 微波協助浸取27
參考文獻30

第3章液液萃取31
3.1 概述31
3.2 液液萃取過程的基本原理31
3.2.1 液液萃取的平衡關係31
3.2.2 液液萃取過程的影響因素34
3.3 萃取過程的計算36
3.3.1 單級萃取的計算36
3.3.2 多級錯流萃取38
3.3.3 多級逆流萃取39
3.3.4 微分接觸萃取43
3.3.5 萃取劑最小用量45
3.4 液液萃取設備46
3.4.1 萃取設備的分類46
3.4.2 典型萃取設備簡介47
3.5 萃取設備內流體的傳質特性50
3.5.1 分散相的形成和凝聚50
3.5.2 萃取設備內的傳質51
3.5.3 萃取塔內的液泛51
3.5.4 萃取塔內的返混52
3.5.5 萃取設備的效率52
參考文獻53

第4章超臨界流體萃取54
4.1 概述54
4.2 超臨界（流體）萃取的基本原理54
4.2.1 超臨界流體的特性54
4.2.2 超臨界萃取的特點56
4.2.3 超臨界萃取劑56
4.2.4 超臨界萃取工藝類型57
4.2.5 使用夾帶劑的超臨界CO2萃取58
4.3 溶質在超臨界流體中的溶解度59
4.3.1 溶質在超臨界CO2中的溶解度規則59
4.3.2 溶質在超臨界流體中溶解度計算方法60
4.4 超臨界萃取過程的質量傳遞64
4.4.1 影響超臨界萃取過程傳質的因素64
4.4.2 超臨界萃取過程傳質模型65
4.5 超臨界萃取技術的應用66
4.5.1 超臨界萃取工藝的設計66
4.5.2 超臨界萃取在天然產物加工中的應用66
4.5.3 超臨界萃取在中藥製劑中的應用68
4.5.4 超臨界萃取技術的局限性與發展前景70
參考文獻71

第5章反膠團萃取與雙水相萃取72
5.1 反膠團萃取72
5.1.1 概述72
5.1.2 反膠團的形成及特性72
5.1.3 反膠團萃取蛋白質的過程73
5.1.4 反膠團萃取的過程及工藝開發76
5.1.5 反膠團萃取的應用78
5.2 雙水相萃取79
5.2.1 概述79
5.2.2 雙水相體系79
5.2.3 雙水相萃取原理81
5.2.4 雙水相萃取的應用85
5.2.5 雙水相萃取技術的進展85
參考文獻87

第6章非均相分離88
6.1 概述88
6.2 物料的性質88
6.2.1 固體顆粒特性88
6.2.2 液體的特性91
6.2.3 懸浮液的特性91
6.3 過濾92
6.3.1 過濾的基本概念92
6.3.2 過濾的基本理論94
6.3.3 過濾的基本操作96
6.3.4 過濾設備99
6.4 離心分離104
6.4.1 離心分離原理104
6.4.2 離心分離的操作和基本計算105
6.4.3 離心沉降設備106
6.5 重力沉降分離109
6.5.1 重力沉降原理109
6.5.2 重力沉降設備110
6.6 製藥生產中藥液的固液分離應用110
6.6.1 中藥的過濾分離特性110
6.6.2 發酵液的過濾分離111
6.6.3 活性炭與脫色後藥液的過濾112
6.6.4 藥液除菌過濾112
6.6.5 結晶體的過濾112
參考文獻112

第7章精餾技術113
7.1 概述113
7.2 間歇精餾114
7.2.1 間歇精餾操作方式114
7.2.2 工藝流程114
7.2.3 過程的操作115
7.2.4 主要影響因素116
7.2.5 間歇精餾的基本計算119
7.2.6 特殊間歇精餾過程121
7.3 水蒸氣蒸餾124
7.3.1 水蒸氣蒸餾的原理125
7.3.2 水蒸氣量的計算125
7.3.3 水蒸氣蒸餾的應用舉例127
7.4 分子蒸餾127
7.4.1 分子蒸餾過程及其特點127
7.4.2 分子蒸餾流程和分子蒸發器128
7.4.3 分子蒸餾的基本概念與計算130
7.4.4 分子蒸餾在製藥領域的應用131
參考文獻133

第8章膜分離134
8.1 概述134
8.2 超濾135
8.2.1 超濾過程的基本特性135
8.2.2 超濾膜的性能137
8.2.3 膜性能參數137
8.2.4 濃差極化——凝膠層138
8.2.5 影響超濾速度的因素139
8.2.6 超濾系統設計與應用140
8.3 微濾、納濾和反滲透簡介142
8.4 膜的污染與清洗143
8.4.1 膜面與料液間分子作用143
8.4.2 蛋白質類大溶質吸附144
8.4.3 顆粒類大溶質沉積144
8.4.4 無機化合物污染144
8.4.5 蛋白質與生物污染144
8.4.6 物理清洗與化學清洗145
8.4.7 膜的清洗與殺菌145
8.5 膜分離的應用與進展146
8.5.1 應用舉例147
8.5.2 膜工藝進展147
參考文獻148

第9章吸附150
9.1 概述150
9.2 吸附分離原理150
9.2.1 吸附分離過程分類150
9.2.2 常用吸附劑152
9.2.3 吸附平衡154
9.2.4 吸附傳質157
9.3 吸附操作與基本計算158
9.3.1 攪拌槽吸附158
9.3.2 固定床循環操作159
9.3.3 吸附劑的再生160
9.4 吸附分離設備160
9.4.1 固定床160
9.4.2 流化床161
9.4.3 移動床和模擬移動床161
9.5 吸附分離技術的應用163
9.5.1 聚酰胺吸附色譜法162
9.5.2 大孔吸附樹脂163
參考文獻164

第10章離子交換165
10.1 概述165
10.2 離子交換劑166
10.2.1 無機離子交換劑166
10.2.2 合成無機離子交換劑166
10.2.3 離子交換樹脂166
10.2.4 性能指標169
10.3 分離原理170
10.3.1 道南（Donnan）理論170
10.3.2 離子交換平衡171
10.3.3 離子交換動力學和質量傳遞176
10.4 操作方式與設備179
10.4.1 攪拌槽間歇操作179
10.4.2 固定床離子交換設備179
10.4.3 半連續移動床式離子交換設備181
10.4.4 連續式離子交換設備182
10.5 離子交換在製藥工業中的應用184
參考文獻186

第11章色譜分離過程187
11.1 概述187
11.2 色譜分離過程的基本原理187
11.2.1 分離原理187
11.2.2 固定相（色譜柱填料）188
11.2.3 色譜柱及柱技術189
11.3 色譜的分類190
11.3.1 按流動相狀態分類190
11.3.2 按處理量分類190
11.3.3 按分離機制分類190
11.3.4 按使用目的191
11.4 色譜分離過程基礎理論191
11.4.1 保留值、分離度和柱效率191
11.4.2 色譜理論模型193
11.5 氣相色譜及其應用195
11.5.1 氣相色譜儀195
11.5.2 氣相色譜的應用196
11.6 高效液相色譜及其應用197
11.6.1 高效液相色譜儀197
11.6.2 高效液相色譜的應用198
11.7 典型製備色譜工藝及應用199
11.7.1 模擬移動床色譜200
11.7.2 擴展床吸附色譜202
11.7.3 製備型超臨界流體色譜203
11.7.4 製備型加壓液相色譜（prePLC）205
11.8 色譜分離技術展望205
參考文獻206

第12章結晶過程207
12.1 概述207
12.1.1 晶體結構與特性207
12.1.2 晶體的粒度分佈208
12.1.3 結晶過程及其在製藥中的重要性208
12.2 結晶過程的相平衡及介穩區209
12.2.1 溶解度與溶解度曲線209
12.2.2 兩組分物系的固液相圖特徵210
12.2.3 溶液的過飽和與介穩區212
12.3 結晶過程的動力學213
12.3.1 結晶成核動力學213
12.3.2 結晶生長動力學214
12.4 溶液結晶過程與設備215
12.4.1 溶液結晶過程215
12.4.2 典型的溶液結晶器217
12.4.3 溶液結晶過程的操作與控制219
12.5 熔融結晶過程與設備222
12.5.1 熔融結晶的基本操作模式222
12.5.2 熔融結晶設備223
12.6 其他結晶方法224
參考文獻225

第13章電泳技術226
13.1 概述226
13.2 基本原理226
13.3 電泳技術分類227
13.3.1 影響電泳遷移率的因素227
13.3.2 電泳分析常用方法及操作要點228
13.4 電泳的技術問題和對策232
13.5 在生物技術研究上應用的電泳技術234
13.6 生物技術產品分離純化上應用的電泳技術234
13.6.1 平板電泳234
13.6.2 連續凝膠電泳236
13.6.3 等電聚焦電泳237
13.6.4 連續流動電泳239
13.6.5 無載體連續流動電泳239
參考文獻242

第14章手性分離243
14.1 概況243
14.2 手性藥物的製備方法244
14.2.1 手性藥物的色譜分離法245
14.2.2 手性藥物的毛細管電泳分離研究進展250
14.2.3 膜技術拆分252
參考文獻254

第15章乾燥和造粒255
15.1 概述255
15.2 乾燥過程的基本原理255
15.2.1 濕空氣的基本性質255
15.2.2 乾燥平衡257
15.2.3 乾燥過程熱量質量的衡算257
15.3 乾燥過程動力學258
15.3.1 濕物料的性質258
15.3.2 乾燥曲線及乾燥速率259
15.3.3 單顆粒乾燥動力學模型260
15.3.4 乾燥過程的模擬計算261
15.4 乾燥造粒技術262
15.4.1 噴霧乾燥造粒263
15.4.2 流化床乾燥造粒264
15.4.3 其他乾燥造粒方法270
15.4.4 乾燥器選型時應考慮的因素270
15.5 液相凝聚造粒法271
15.6 乾燥造粒技術的發展272
參考文獻272
思考題和練習題273

第2章固液萃取（浸取）
2.1 概述
萃取（extration）是分離液體（或固體）混合物的一種單元操作。它是利用原料中組分在溶劑中溶解度的差異，選擇一種溶劑作為萃取劑用來溶解原料混合物中待分離的組分，其餘組分則不溶或少溶於萃取劑中，這樣在萃取操作中原料混合物中待分離的組分（溶質）從一相轉移到另一相中，從而使溶質被分離。所以萃取屬於傳質過程。
當以液態溶劑為萃取劑，而被處理的原料為固體時，則稱此操作為固液萃取，又稱浸取或浸出（leaching）。當以液態溶劑為萃取劑，同時被處理的原料混合物也為液體，則稱此操作為液液萃取，也常稱（有機）溶劑萃取。本章主要介紹浸取，液液萃取在第3章中介紹。
浸取是歷史悠久的單元操作之一。該操作在中藥有效成分的提取中最常使用，例如，從植物組織中提取生物鹼、黃酮類、皂苷等。在浸取操作中，凡用於藥材浸出的液體稱浸取溶劑（簡稱溶劑）。浸取藥材後得到的液體稱浸取（出）液。浸取後的殘留物稱為藥渣。
2.2 浸取過程的基本原理
在製藥行業中，浸取操作在中藥材的有效成分提取中應用最廣泛。因此本節結合對植物性中藥材有效成分的浸取加以說明。
2.2.1 藥材有效成分的浸取過程
中藥材中所含的成分十分複雜，概括：①有效成分，指起主要藥效的物質，如生物鹼、苷類、揮髮油；②輔助成分，指本身沒有特殊療效，但能增強或緩和有效成分作用的物質；③無效成分，指本身無效甚至有害的成分，它們往往影響溶劑浸取的效能、製劑的穩定性、外觀以至藥效；④組織物，是指構成藥材細胞或其他不溶性物質，如纖維素、石細胞、栓皮等。浸取的目的在於選擇適宜的溶劑和方法，充分浸出有效成分及輔助成分，盡量減少或除去無效成分。