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中药制药分离过程--工程原理与技术应用(精)
0.00     定价 ¥ 220.00
图书来源: 浙江图书馆(由浙江新华配书)
此书还可采购25本,持证读者免费借回家
  • 配送范围:
    浙江省内
  • ISBN:
    9787030729477
  • 作      者:
    编者:郭立玮//刘菊妍//钟文蔚|责编:周倩
  • 出 版 社 :
    科学出版社
  • 出版日期:
    2023-02-01
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内容介绍
本书针对位列张伯礼院士所主持遵选“2020年度中医药工程技术难题”首位的“中药制造缺乏制药过程工程原理研究”难题,以中药提取分离关键工序为主线,采用材料化学工程、计算机化学、数据科学等多学科交叉研究理念,深入系统探索中药制药分离过程的工程原理,系国内外首部同类专著,具有较高应用、出版价值。本书特点:选材新颖、内容丰富,突出中医药特色;兼顾学术性与应用性,所收载科技成果处于国内领先、国际先进水平,可为先进分离技术在中药制药领域的推广提供示范。 本书可供高校制药工程、中药学、中药制药、药剂学等相关专业作为教材使用,也可供医药科研单位与药品、药械生产开发单位的技术人员作为科研参考书使用。
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精彩书摘
第一章中药制药分离过程工程概述
  根据《中国科协办公厅关于征集2020重大科学问题和工程技术难题的通知》(科协办函字〔2020〕18号),中华中医药学会在张伯礼院士主持下,开展了有关遴选工作,共征集建议18项,其中前沿科学问题10项,工程技术难题8项。经专家推荐委员会审定,*终遴选前沿科学问题及工程技术难题各3项(《中医杂志》2020年7月22日以“2020年度中医药重大科学问题及工程技术难题”为题发表,下简称难题)。其中与本书直接相关的,即名列“工程技术难题”第一位的:“如何加强中药制造高质量发展的中药制药工程技术装备创新关键工程技术”。
  该难题的问题背景指出:中药现代化的核心是疗效和质量标准现代化,而中药制药工艺又是影响中药质量*为关键的因素之一,要保证制药工艺合理规范,*重要的因素是制药装备。中药提取、分离、浓缩、干燥、灭菌等制剂技术及装备水平是衡量中药制造业现代化程度的标杆。目前,中药制药过程中普遍存在能耗高、效率低、成分损失多、活性成分转移率低、所得中间体性状不佳等一系列问题。开展中药高效节能降耗关键技术及装备研究不仅具有“资源节约、环境友好”特色,而且也关系到中药产业的健康发展是国务院《中医药发展战略规划纲要(2016—2030年)》中明确的优先突破方向。
  根据遴选上述难题中所涉及的专家意见,该“工程技术难题”所“面临的关键难点与挑战”有三,本书拟就位列首位的难题中所涉及的“中药制造缺乏制药过程工程原理”“符合中药特点的高效节能制药装备研发”等进行分析,并试图借助膜科学技术等材料化学工程先进研究成果给予破解。
  第一节中药制药分离过程及其分类概述
  一、 分离过程与中药制药分离过程的基本概念
  分离科学是以“分离、浓集和纯化物质”作为宗旨的一门学科[1],它是人类剖析认识自然、充分利用自然、深层开发自然的重要手段。中药由植物、动物和矿物等天然产物构成,不可避免地需要经历中药制药过程“去伪存真,去粗取精”,因而分离是中药制药领域的共性关键技术。根据现代分离科学的理论,可以通过图11对中药制药分离过程进行概念性描述:待分离中药原料以一股或数股物流进入分离装置(提取罐、膜设备、树脂柱、萃取釜等)。对分离装置中的原料施加能量或分离剂(在利用化学能时使用),对混合物各组分所持有的性质差产生作用,使分离得以进行,产生两个以上的产品(目标产物及其伴随产生的副产品或者废弃物)。而由于中药(含复方,下同)化学组成及其多靶点作用机制的复杂性,致使中药制药分离过程的目标产物成为选择及优化中药制药分离过程的重要决定因素,从而也成为中药制药过程工程原理的重要研究内容,其关键问题是如何在中医药理论的指导下,引进现代化学工程理论及信息技术手段,构筑“分离产品”为可体现中药整体治疗作用的“中药药效物质”分离过程工程原理与技术体系。
  中药制药分离过程是以中药材为基本原料,以获取中药(单味、复方)药效物质为目标的分离过程。中药制药生产的每一阶段都包括“药效物质与废弃物”“固体与液体”“溶质与溶剂”等一个或若干个混合物的分离操作,其目的是*大限度地保留有效物质,去除无效和有害的物质。中药制药生产过程的混合物包括天然药物和生产过程中形成的混合物,其相态有气相、液相和固相,形成均一的或非均一的物系。制药分离过程就是将一混合物转变组成相互不相同的两种或几种产物的操作。本书主要从广义的角度讨论中药制药分离过程工程原理问题。
  二、基于分离体系分子行为原理的分离过程分类学说
  为了从科学的角度对中药制药分离过程工程原理进行深入、系统地探索,需要对分离过程进行分类。如何对各种分离方法进行分类,并研究它们之间联系的问题,属于分类学范畴,它是自然科学的一个分支。其本质过程是把表面上看起来似乎毫无联系的一些方法进行归类,找出其内在联系,而该过程本身又会反过来促进新分离方法的问世。目前科学界与工业界所用的分离方法甚多,科学家提出了各自不同的分离分类法,如史春[3](Strain H H)采用分离对阻力类型的不同进行分类;卡格尔[4](Karger B L)提出相平衡速率和颗粒大小3种不同类型分离分类方法;吉丁斯[5](Giddings J C)提出的用场和流的类型不同来进行分类的“场流分类法”;罗恩[6](Rony P R)则又有其自己的分类方法等。本书主要采用日本学者大矢晴彦提出的分离分类法。
  日本分离科学界著名学者大矢晴彦教授采用现象学分类法,基于待分离体系中组分的群体分子所表现出来的物理或化学性质的差异原理,将常见主要用于工业生产中的分离过程大致分为速度差分离、平衡分离、反应分离三类[2]。
  1.速度差分离过程: 输入能量,强化特殊梯度场的方法利用重力梯度、压力梯度、温度梯度、浓度梯度、电位梯度等场中,各组分的移动速度差进行分离的方法称为速度差分离操作。当原料是由固体和液体,或是由固体和气体,或是由液体和气体所构成的非均相混合物时,就可以利用力学能量如重力或压力来对它们进行分离。例如,在固液或固气系统中,当固体粒子尺寸较大,处于重力场时短时间内就可以沉下去或是浮上来而实现分离。然而当固体粒子较小,两相密度差又较小时,粒子下沉或上浮的速度会很低,这时就要用到离心力场,甚至超高速离心力场或者过滤材料等来形成移动速度差,才能实现分离。进一步当粒子尺寸小到与分子的大小相当时,还要用到下面要讲的驱动力来强化移动速度的差别,进行分离。把各种速度差分离操作,按所利用的能量及其与场的组合整理分类,列于表1-1中。
  能够产生速度差的场,又可以分为中间不存在任何介质的均一空间和存在着某种介质的非均一空间。非均一空间一般指多孔体,其孔径大至毫米,小至分子尺寸,范围很广。由线性高分子和球状粒子所构成的网状结构,在客观上可视为连续的凝胶相,即属于非均一空间。如果网孔被堵住,就变成了固体。这种非均一空间和一般认为应该存在细孔的固体,在狭义上可当作多孔体。尽管这个界限并不清晰,但若能让胶体通过的,就可以认为它是狭义的多孔体。
  2.平衡分离过程: 输入能量,使原混合物系形成新的相界面的方法常常使用不互溶的两个相界面上的平衡关系,来对由气体或者液体组成的均相混合物进行分离。通常所见的蒸馏过程,就是利用了下部烧瓶被加热所产生的水蒸气与上部冷凝器冷凝所形成的液相,这两者之间的气液平衡关系,使易挥发组分集于气相,使难挥发组分集于液相,从而将液相均相混合物分离成塔顶的馏出组分与塔底的釜残组分。像这种利用相间平衡关系进行分离的方法称为平衡分离操作。表1-2所列是具有代表性的平衡分离操作。
  3.反应分离过程:输入能量,促进反应的方法
  利用反应进行分离操作的方法很多。例如,通过调整pH,把溶解于水中的重金属变成氢氧化物的不溶性结晶而沉淀分离的方法;利用离子交换树脂的交换平衡反应的离子交换分离法;通过微生物进行生物反应,将溶解于水中的有机物质(BOD)分离除去的方法等,都可以看作是反应分离操作。表1-3把反应分离操作按反应种类做了分类。大体可以分为利用反应体的分离和不利用反应体的分离。反应体又可以分为再生型反应体,一次性反应体和生物体型反应体。
  在对再生型反应体进行再生操作时,要用到再生剂。这时,再生剂在制造时所吸纳的能量就有一部分转移到了反应体上,分离反应时,就会利用到这部分能量。也有用加热的方法来再生反应体的,在这种场合,可以认为反应体再生时所吸收的热能变成了分离所需的能量。
  不可逆反应过程中所需要的能量,有来自一次性反应体在制造时所吸收的能量,还有采用其他手段从外部向反应场补充的能量。在生物学反应中,是使用光能或者是原料中所含有机物的资质来推进反应的。不需要反应体而进行反应分离的例子是电化学反应,使用电能作为反应所需的能量。
  三、场分离原理与速度差分离过程
  在均一的或者是非均一的空间里,制造一个某种驱动力的作用场,使之可以在被分离的物体之间产生移动速度差,从而得到分离,这就是速度差分离过程[2]。
  1.产生速度差的场分离原理由上述定义可知,速度差分离是在场(重力梯度、压力梯度、温度梯度、浓度梯度、电位梯度等场)作用下产生的。首先来分析一下施加于场的驱动力是怎样作用于被分离物体的,以及这些物体在移动时所受阻力的情况。
  假设直径为、密度为、质量的某球形颗粒,以相对于流体的速度在密度为,黏度为的流体中运动,该粒子的推动力F可为重力、压力、电磁力、弹性力、分子间力等,其强度可用势、梯度等定义。在力F、阻力Ff(粒子前进时为推开流体所遭遇的来自流体的阻力)的双重作用下,其移动速度v可用运动方程式(1-1)来表示:
  (1-1)
  一般情况下,阻力Ff的大小,与球形粒子的投影面积和相对于流体运动时的动能成正比,其比例常数Cf即为阻力系数,于是有:
  (1-2)
  需要说明的是:上述可有效地作用于粒子的力F的种类,和粒子的质量大小密切相关。
  亦即,当粒子质量m非常小,且处于原子、分子的尺度范围,那么重力对它们的作用,即使从微观看,也可忽略不计。另外,当粒子的质量较大时,分子间力的作用就可不予考虑。若粒子的质量非常大时,只考虑重力的影响就足够了。这一点对于分析分离所需的能量十分重要。
  式(1-2)中,阻力系数Cf是粒子雷诺数的函数。与分离相关的颗粒都比较小,Re数常常小于1,把Re<2的区域定义为斯托克斯区域,其阻力系数与雷诺数的关系可以写为
  (1-3)
  将式(1-3)代入式(1-2)中,求出斯托克斯区域粒子所受阻力:
  (1-4)
  这就是众所周知的斯托克斯阻力。必须指出的是,式(1-4)成立的前提是:流体被视为连续介质。如果流体像气体那样,在微小尺度下不能被视为连续体,则必须考虑其不连续性。因为当粒子大小与气体分子的平均自由行程相当,甚至更小时,粒子与流体之间就会产生滑动。粒子在运动时所受到的流体阻力就会减小,这时虽因粒子小到可称为微粒,其雷诺数也很小,所受阻力当然应适用于式(1-4)。但要用修正系数Cc来校正粒子在运动时所受到的流体阻力的减小。Cc被称为斯利浦修正系数,或被称为卡宁加姆修正系数。这种情况下,式(1-4)可改写为以下形式:
  (1-5)
  显然Cc>1。Cc可用一些经验公式来计算,例如:
  (1-6)
  而气体分子的平均自由行程为
  (1-7)
  式(1-7)中,σ为气体分子的直径;n为单位体积气体的分子数。
  
  当空气作理想气体处理时,其,压力P=nkT(k是玻耳兹曼常数,其值为1.380×10-23J/K)。于是式(17)改写为
  (1-8)
  式(1-8)中,T为热力学温度(K),P为压力(Pa)。液体中的卡宁加姆修正系数Cc=1.0。
  根据爱因斯坦的理论,以速度v运动的粒子,其粒径dp与黏度为μf的液体介质的分子尺寸处于同一档级时,粒子所受到的阻力是:
  (1-9)
  式(1-9)与斯托克斯区域粒子所受阻力的表达相同,这就是斯托克斯爱因斯坦公式。
  以上是粒子在流体内移动时受到的阻力分析,当粒子以速度v在固体内移动时,会受到来自固体的阻力。这种情况与气体、液体的情况相比要复杂得多。其原因在于:①固体存在的状态是多种多样的,有坚硬的金属钢材,有柔软的高分子物质橡胶,还有近乎液体的丙烯酰胺胶等。②固体可以加工成各种各样的形状。例如,金属筛网,就兼有“固体”与“空间”共存。这种状态下,粒子所受到的阻力可大致分为两部分,即固体和粒子之间的相互作用,以及粒子在空间移动时受到的存在于空间的流体的作用。
  2.场分离原理构成场分离技术的要素与强化手段那么怎样将粒子的移动速度更好地适用于分离过程中呢?也就是如何巧妙应用场分离原理,将速度差分离模式构成技术手段,确保分离操作得以高效进行呢?
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前言
第一章 中药制药分离过程工程概述 1
第一节 中药制药分离过程及其分类概述/1
一、分离过程与中药制药分离过程的基本概念/1
二、基于分离体系分子行为原理的分离过程分类学说/2
三、场分离原理与速度差分离过程/4
四、相平衡分离原理及其分离过程/6
五、反应分离原理及其分离过程/8
第二节 中药制药分离过程工程原理的构成要素/10
一、工程原理概述与中药制药分离过程工程原理的科学内涵/10
二、中药制药分离过程的目标/12
三、可供制药分离过程利用的中药物性/17
四、中药制药分离过程工程原理的构成要素/22
五、中药制药分离过程工程原理研究面临的关键问题/23
第三节 基于过程科学的中药制药关键工序解读/24
一、中药制药分离过程的广义与狭义概念/24
二、提取过程的本质特征/24
三、精制过程的本质特征/24
四、浓缩过程的本质特征/25
五、干燥过程的本质特征/26
六、灭菌过程的本质特征/26
第四节 中药制药分离过程的化工原理解析/26
一、与中药制药分离过程相关的传统化工“三传一反”原理概述/26
二、混合与分离的熵变过程/31
三、分离所需的理论耗能量及其热力学原理/36
四、传统“三传一反”化学工程理论对中药制药分离过程的剖析/39
第五节 中药制药工程学科及其工程原理研究发展态势/46
一、中药制药过程中的时空多尺度结构及效应/46
二、大数据技术对中药制药过程及其工程原理研究模式的颠覆性改变/54
三、现代化工新视野对中药制药过程工程原理研究的启示/56
第二章 面向中药制药过程的先进分离材料:作用、机理及其应用 62
第一节 材料学概述及其新进展/63
一、材料学的基本概念/63
二、材料分类/63
三、材料表征/69
四、材料科学的新进展/71
第二节 膜分离材料的分类、作用机理及其应用/71
一、膜材料分类与常见中药制药用膜/72
二、面向不同作用机理的膜材料性能与微结构/73
三、膜的化学损伤与物理损伤/79
四、膜材料的吸附作用与膜污染/79
五、与膜材料理化性质相关的膜污染防治与膜清洗方法/81
六、面向中药绿色制造的特种膜设计与制备探索/82
第三节 树脂分离材料的分类、作用机理及其应用/85
一、大孔吸附树脂分类/85
二、大孔吸附树脂的形态结构、表征参数及国内外产品标准状况/86
三、基于树脂材料学特征的常见中药成分精制机理/87
四、大孔吸附树脂的毒化与再生/91
五、高选择性吸附树脂的分离原理与应用/93
第四节 面向重金属去除需求的分离材料的分类、作用机理及其应用/97
一、以13X 分子筛为主体的重金属吸附剂/97
二、键合硅胶类复合材料/98
三、凝胶类材料/99
四、以壳聚糖为基质的重金属吸附材料/101
五、新型固体吸附剂 PEP 0/103
六、石墨烯基复合材料/103
七、纳米纤维素/104
八、生物碳/105
九、农林可再生资源材料/107
第五节 分子印迹聚合物的作用机理及其应用/107
一、分子印迹技术及其识别原理概述/107
二、基于中药成分母核化学结构的分子印迹聚合物设计策略/108
三、常用聚合物功能单体/110
四、分子印迹聚合物的制备/113
第三章 中药制药分离过程优化原理的考察指标、数学评估方法 121
第一节 关于中药制药分离过程优化原理的思考/121
一、中药制药分离过程优化原理的科学本质/121
二、中药制药分离过程优化原理要素之一:配伍协同性/121
三、中药制药分离过程优化原理要素之二:系统共存性/123
四、中药制药分离过程优化原理要素之三:复杂相关性/124
五、中药制药分离过程优化原理要素之四:多元有序性/127
六、中药制药分离过程优化原理要素之五:动态平衡性/130
第二节 中药制药分离过程工艺优化考察指标的选择/131
一、基于化学范畴的工艺优化考察指标的选择/131
二、基于“生物学及生物学+化学”范畴的工艺优化考察指标的选择/133
三、基于现代生物医药信息理念的工艺优化考察指标的选择/138
第三节 中药制药分离过程工艺优化设计方法的数学原理与应用/139
一、正交试验设计/139
二、均匀设计/140
三、多元统计分析/142
四、人工神经网络/143
五、响应曲面法/144
六、基于指纹图谱的相关评价分析法/150
第四节 提取工艺优化设计多指标评价体系的权重系数研究/151
一、基于层次分析法的研究/152
二、基于化学计量学结合多指标综合指数法的研究/152
三、基于熵权法的研究:基于信息熵理论的中药提取工艺参数权重系数评价方法/153
第四章 中药制药分离工程的过程控制 161
第一节 过程系统工程及其在中药制药分离过程中的应用/161
一、过程系统工程概述/161
二、中药制药分离工艺流程的过程特征/162
三、中药制药分离过程升级换代对过程系统工程的需求/162
四、过程系统工程在中药制药分离过程中的应用/165
第二节 质量源于设计的基本原理与实施方略/166
一、质量源于设计的原理与应用/166
二、基于整体观的中药制剂质量过程控制体系探讨/169
三、基于质量源于设计原理的制药分离过程优化/171
第三节 过程分析技术概述与过程分析工具/182
一、过程分析技术概述/182
二、过程分析技术工具/183
三、过程分析技术框架下的风险等问题/185
第四节 过程分析技术中的主要质量属性研究模式/185
一、过程性能指数模式/185
二、近红外光谱模式/188
三、知识图谱模式/192
四、指纹图谱及其制备过程药效相关性模式/195
五、多维结构过程动态模式/196
六、代谢组学方法模式/198
第五节 过程分析技术中的关键工艺参数辨识/200
一、灰色关联分析法及其与层次分析法的比较/200
二、统计过程控制技术/202
三、3种辨识方法评估关键工艺参数比较/203
第五章 基于现代信息科学的中药制药分离过程原理研究 208
第一节 现代信息技术与中药制药分离工程的相关性/208
一、现代信息技术是中药制药分离科学的重要标志/208
二、数据科学概述/210
三、计算机化学在中药制药分离工程领域应用的基本模式与算法/211
四、计算机化学用于中药提取、浓缩等工艺过程控制的研究/212
五、传感器技术及其对中药制药分离工程实施智能控制的原理简述/213
第二节 基于计算机化学的中药制药分离过程工程原理研究/214
一、中药制药分离过程动力学模型的构建/214
二、中药制药分离工程原理的分子机制探索/215
第三节 中药膜过程的数据科学研究/219
一、中药膜过程的复杂系统特征及其对于数据科学的重大需求/219
二、数据科学引入中药膜科技领域的技术瓶颈/221
三、基于数据科学手段探索中药膜过程及其机理的研究实践/223
第四节 超临界二氧化碳流体萃取过程的人工神经网络模拟研究/225
一、鸦胆子油在超临界二氧化碳流体中的溶解度及其人工神经网络模拟研究/225
二、超临界二氧化碳流体萃取鸦胆子油的过程模拟研究/229
第六章 基于相平衡原理的中药浸提过程工程原理与技术应用 237
第一节 基于固液(气)平衡的浸提技术原理与应用/237
一、煎煮法/237
二、浸渍法/241
三、渗漉法/241
四、回流提取法/243
五、减压沸腾提取法/243
六、超高压提取法/244
七、湿法超微粉碎提取/244
八、匀浆提取法/251
第二节 基于气液、气固相平衡的中药超临界流体萃取原理与技术应用/255
一、超临界二氧化碳流体萃取中药药效物质的原理/255
二、超临界二氧化碳流体萃取天然产物的传质模型/261
三、超临界二氧化碳流体萃取技术的基本过程、设备、工艺流程与应用/262
四、超临界二氧化碳流体萃取工艺参数设计与优化/266
五、提高大分子、强极性中药成分超临界二氧化碳流体萃取效率的技术原理/268
第三节 挥发油提取:技术原理与药效的相关性探索/269
一、水蒸气蒸馏法提取挥发油的动力学过程探索/270
二、水蒸气蒸馏 膜过程耦合富集挥发油的原理/272
三、水蒸气蒸馏 膜过程耦合富集中药挥发油技术体系的构建/274
四、挥发油提取原理、方法与生物活性的相关性/280
第四节 新型绿色溶剂———低共熔溶剂提取中药原理与技术应用/283
一、低共熔溶剂概述/284
二、低共熔溶剂的制备/284
三、低共熔溶剂的性质/284
四、低共熔溶剂在中药制药分离领域的应用/285
五、低共熔溶剂的安全性问题/285
第七章 中药固液分离过程工程原理与技术应用 290
第一节 基于均一重力场的沉降分离过程工程原理与技术应用/290
一、均一重力场分离原理/290
二、颗粒沉淀速度与粒径的相关性/292
三、中药制药过程常用重力沉降设备/294
第二节 基于离心力场的沉降分离过程工程原理与技术应用/295
一、离心力场分离原理/295
二、离心沉降过程的影响因素/297
三、离心分离的先决条件与常用离心方法/299
四、离心沉降设备及应用/299
第三节 基于有障碍物的非均一场分离过程工程原理与技术应用/303
一、基于非均一重力场的分离原理与技术/303
二、过滤机理、影响因素及过滤介质阻力定量变化/304
三、过滤装置及其连续操作的设计、节能压榨过滤技术应用/307
四、带式压滤机工作机理及其对高含水率中药渣的压滤脱水技术应用/310
五、中药固液分离特征与难点:颗粒特性与柔性杂质/311
第四节 基于沉降过程强化的固液分离工程原理与技术应用/312
一、沉淀分离强化技术的安全、有效原理/313
二、絮凝原理及絮凝沉降技术/313
三、基于改变溶液体系稳定性原理的沉淀生成技术应用/316
第五节 沉降分离技术在中药制药分离工程中的应用/320
一、醇沉工艺的基本原理、强化手段与应用/320
二、中药提取收率调控机理与应用/322
三、口服液等液体制剂澄清技术应用/323
四、离心技术在中药制药其他方面的技术应用/323
第八章 中药制药精制过程工程原理与技术应用 325
第一节 中药制药精制过程概念及其作用/325
一、制药分离技术的中药精制过程概念/325
二、中药制药精制过程的共性原理与存在的问题/325
三、中药精制技术导致的中药制药过程变化及其药剂学应用/326
第二节 基于均一重力场沉降过程工程原理的醇沉精制原理与技术应用/328
一、醇沉物质的微观形态及其工艺学意义/328
二、关于中药复方制剂醇沉工艺含醇量的调研/330
三、基于中药醇沉技术原理的醇沉浓度概念辨析/331
四、ΔC的质量源于设计原理认识论及其纠正/332
五、基于水力旋流、微分散技术
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