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生物制药工艺学 第4章 萃取法_图文

时间:2019-01-03

第四章 萃取法

第一节 溶剂萃取法
广义的溶剂萃取法(solvent extraction) 包括液-固萃取和液-液萃取: ? 液-固萃取又称浸取、浸提
?
?

液-液萃取指用一种溶剂将 物质从另一种溶剂(如发酵 液)中提取出来的方法。

溶剂萃取法优点: ①操作可连续化,速度快,生产周期短; ②对热敏物质破坏少; ③采用多级萃取时,溶质浓缩倍数大、纯 化度高。 缺点: 由于有机溶剂使用量大,对设备和安全要 求高,需要各项防火防爆等措施。

一、基本概念
(一)萃取与反萃取 被提取的溶液称为料液,其中欲提取的 物质称溶质,而用以进行萃取的溶剂称 为萃取剂(extractant) 达到萃取平衡后,大部分溶质转移到萃 取剂中,这种含有溶质的萃取剂溶液称 为萃取液,而被萃取出溶质以后的料液 称为萃余液。

萃取一般指用有机溶剂将物质从水相转移 到有机相的过程。 反萃取(stripping或back extraction)是将萃 取液与反萃取剂(一般为水溶液)相接触, 使某种被萃入有机相的溶质转入水相的过 程,可看作是萃取的逆过程。

(二)、分配定律
能斯特分配定律:在一定温度、一定压 力下,某一溶质在互不相溶的两种溶剂 间分配时,达到平衡后,在两相中的活 度之比为一常数。如果是稀溶液,可以 用浓度代替活度,即: CL 萃取相浓度 ? ?K CR 萃余相浓度 K 称为分配系数

应用分配定律时,须符合下列条件: ①必须是稀溶液,即适用于接近理想溶 液的萃取体系; ②溶质对溶剂的互溶度没有影响; ③溶质在两相中必须是同一分子形式, 即不发生缔合或解离。

在萃取过程中,溶质在两相的分子形式常 常并不相同,仍然采用类似分配定律的公 式作为基本公式。这时候溶质在萃取相和 萃余相中的浓度,实际上是以各种化学形 式进行分配的溶质总浓度,它们的比值以 分配比(distribution ratio)表示:

CL CL1 ? CL2 ? CL3 ? ? ? CLn D? ? ? K表 CR CR1 ? CR2 ? CR3 ? ? ? CRn

(三)、萃取因素
?

萃取因素也称萃取比,其定义为被萃取 溶质进入萃取相的总量与该溶质在萃余 相中总量之比。通常以E表示。若以Vl和 V2分别表示萃取相和萃余相的体积,M1 和M2分别表示溶质在萃取相和萃余相中 的平衡浓度。萃取因素(E)为:

萃取相中溶质总量 M 1V 1 V1 E? ? ? K表 萃余相中溶质总量 M 2V 2 V2

(四)、分离因素
?

料液中的溶质并非是单一的组分,除了所需 产物(A)外,还存在有杂质(B)。分离因 素(separation factor),常用?表示,其定义为: 在同一萃取体系内两种溶质在同样条件下分 配系数的比值

CA1 / CB1 KA β? ? CA 2 / CB 2 K B

二、溶剂萃取法的基本原理
?

抗生素在不同的pH条件下,可以有不同 的化学状态,其分配系数亦有差别,若 适度改变pH,可将抗生素自水相转入有 机相,或从有机相再转入水相,这样反 复萃取,可以达到浓缩和提纯的目的

AH
Ko

有机相 Kp

AH

A + H+

水相

K0 K0 K表 ? ? pH ? pK P KP 1 ? 10 1? ? [H ]

三、萃取方法和理论收率的计算
(一)单级萃取

萃取因素E为
萃取相中溶质总量 C1VS VS 1 E? ? ?K ?K 萃余相中溶质总量 C 2VF VF m

式中 VF——料液体积;Vs——萃取剂的体 积;C1——溶质在萃取液的浓度; C2— — 溶质在萃余相的浓度; K—— 表观分配 系数; m——浓缩倍数

萃余率:
萃余液中溶质总量 1 ?? ? 100% ? ? 100% 原始料液中溶质总量 E ?1

理论收率:

1 E 1?? ? 1? ?100 % ? ?100 % E ?1 E ?1

例如: 洁霉素在20℃和pH10.0时表观分配系数 (丁醇/水)为18。用等量的丁醇萃取料 液中的洁霉素,计算可得理论收率
18 1?? ? ? 100 % ? 94 .7% 18 ? 1

若改用1/3体积丁醇萃取, 1/ 3 E ? 18 ? ? 6 理论收率: 1
6 1?? ? ? 100 % ? 85.7% 6 ?1

(二)多级错流萃取

萃余率:

1 ?n ? ? 100% ?E1 ? 1??E 2 ? 1???En ? 1?
?n ?
理论收率

?E ? 1?

1

n

? 100%

? 1 E ? 1? ? 1 1 ? ?n ? 1 ? ?100% ? ?100% n n ?E ? 1? ?E ? 1?
n

红霉素在pH 9.8时的分配系数(醋酸丁酯/ 水)为44.5,若用1/2体积的醋酸丁酯进行 单级萃取,则: E ? 44.5 ? 1 / 2 ? 22.25 1 理论收率
22.25 1?? ? 1? ? 100 % ? 95.7% 22.25 ? 1

若用1/2体积的醋酸丁酯进行二级错流萃取, 则 1/ 4
E1 ? E 2 ? 44.5 ? 1 ? 11.125
2 ? 11.125? 1? ? 1 理论收率 1 ? ? ? ? 100% ? 99.32% ?11.125? 1??11.125? 1?

多级逆流萃取

n级萃取后,萃余率为:

E ?1 ? ? n ?1 ? 100 % E ?1
理论收率为
E ?1 E n ?1 ? E 1 ? ? ? 1 ? n ?1 ?100% ? n ?1 ?100% E ?1 E ?1

青霉素在0℃和pH2.5时的分配系数(醋酸 丁酯 / 水)为 35 ,若用 1/4 体积的醋酸丁 酯进行二级逆流萃取, 则: E ? 35 ? 1 / 4 ? 8.75
1

n?2,理论收率
2?1 ? 8.75? ? 8.75 1?? ? ? 100% ? 98.84% 2?1 ?8.75? ? 1

若改为二级错流萃取,第一级用1/4体积的醋 酸丁酯,第二级用1/10体积的醋酸丁酯,则
1/ 4 E1 ? 35 ? ? 8.75 1

1 / 10 E 2 ? 35 ? ? 3.5 1

1 1?? ? 1? ? 100% ? 97.72% ?8.75 ? 1??3.5 ? 1?

第二节 影响溶剂萃取的因素
一、乳化和破乳化 (一)乳状液的形成和稳定条件 乳化剂多为表面活性剂。分子结构特点: 一般是由亲油基和亲水基两部分组成的, 即一端为亲水基团或极性部分 ,另一端 为疏水性基团或非极性部分(烃链) 。
亲油基 (a) 亲水基

乳化剂使乳状液稳定与以下因素有关: (1)界面膜形成 (2)界面电荷的影响 (3)介质黏度

每一种表面活性剂都有亲水和疏水基团,两 种基团的强度的相对关系称为HLB值 (hydrophile-lipophile balance)。完全不亲 水(HLB=0)和完全亲水(HLB=20)的两 种极限乳化剂作为标准,其它表面活性剂的 HLB值就处于这两种极限值之间。

分散性质 在水中不分散 分散性不好 激烈振荡后成乳状液分散 稳定的乳状液分散 半透明到透明分散 透明溶液

HLB 范围 1~4 3~6 6~8 8~10 10~13 13 以上

HLB 值 3~6 7~9 8~15 13~15 15~18

用途 W/O 型乳浊液 润湿剂 O/W 型乳浊液 洗涤剂 助溶剂

(二)、影响乳状液类型的因素
1.相体积的影响 假定分散相为大小均匀的圆球,按紧密地堆积, 圆球体积占总体积的74%。如水的体积占总体 积小于26%时,只能形成W/O型乳状液;大 于74%时,只能形成O/W型乳状液。 2.乳化剂分子空间构型的影响 截面积小的一头指向分散相,截面积大的一头 指向分散介质,所以一价金属皂形成O/W型 乳状液,而二价金属皂形成W/O型乳状液,

3.界面张力的影响 乳化剂聚集于界面形成薄膜,若两相界面 张力不等,则使膜弯曲,其凹面一侧为界 面张力较高的相,高界面张力这侧的液体 易形成内相。 4.容器壁性质的影响 亲水性强的容器易得O/W型乳状液,亲 油性强的容器易形成W/O型乳状液。

(三)、乳状液的破坏
1、加入表面活性剂 2、离心 3、加电解质 4、加热 5、吸附法破乳 6、高压电破乳 7、稀释法

(四)、常用的去乳化剂
1.阳离子表面活性剂 (1)十二烷基三甲基溴化铵(1231) [CH3(CH2)10CH2(CH3)3N+]Br — (2)溴代十五烷吡啶(PPB)
+ N C15H31 Br-

2.阴离子表面活性剂 阴离子表面活性剂,如亚油酸钠、十二烷 基磺酸钠、石油磺酸钠等 3.其他破乳剂 如用溴代四烷基吡啶作去乳化剂,因其 既易溶于水,又易溶于醋酸丁酯中,既能 破坏W/O型,也能破坏O/W型乳状液, 比PPB破乳完全,用量为0.03%~0.05%。 它能降低青霉素提取时随废液的损失,提 高收率。

二、pH的影响
1、pH影响弱酸或弱碱性药物的分配系数 2、pH也影响药物的稳定性 例:用醋酸丁酯提取苄基青霉素,在0℃、 pH2.5 时测得 K 表 =30 , KP=10-2.75 ,可求 得

K 0 ? K表?1 ? 10

pH?pK P

? ? 47

可按下式计算表观分配系数和水相pH的关系: K0 47 K表 ? ? pH ? pK P pH ? 2.75 1 ? 10 1 ? 10 可得,当pH=4.4时,K表=1。当pH<4.4时, 青霉素能被萃取到醋酸丁酯相中,当pH>4.4 时,青霉素从醋酸丁酯相转移到水相,称为 反萃取。

三、温度和萃取时间的影响
高温不稳定 高温时溶剂间互溶度增大

四、盐析作用的影响
①由于盐析剂与水分子结合,降低了药物 在水中的溶解度,使其易转入有机相; ②盐析剂降低有机溶剂在水中的溶解度; ③盐析剂增大萃余相比重,有助于分相。

五、溶剂种类、用量及萃取方式
①分配系数愈大愈好,若分配系数未知, 则可根据“相似相溶”的原则,选择与药 物结构相近的溶剂; ②选择分离因素大于1的溶剂; ③料液与萃取溶剂的互溶度愈小愈好; ④尽量选择毒性低的溶剂。 ⑤溶剂的化学稳定性高,腐蚀性低,沸 点不宜太高,挥发性要小,价格便宜,来 源方便,便于回收。

如洁霉素20℃,pH10.0时,分配系数(丁醇 /水)=18,根据萃取方式理论收得率的计 算方法,得出:
浓缩比(丁醇/水) 1 1/2 1/3 1/4 收率(%) 单级 94.7 90.0 85.7 81.8 二级错流 99.0 96.7 93.8 90.5 二级逆流 99.7 98.9 97.7 96.1 三级逆流 99.98 99.88 99.61 99.14

第三节 萃取过程和溶剂回收 一、混合
1、搅拌罐 2、管式混合器

喷嘴

扩大管 出

3、喷嘴式混和器

料液

吸入口 图3-10

4、气流搅拌混和罐

二、液-液两相分离
离心机

三、溶液回收
(一)、单组分溶剂的回收 简单蒸馏 (二)、低浓度溶剂回收 精馏:塔底102℃,塔顶91℃,蒸馏物为 恒沸混和物,含水量为28%-29%,超过水 在醋酸丁酯中溶解度(20℃,1.4%)。

三、回收与水部分互溶并形成恒 沸混和物的溶剂

四、回收完全互溶的混和溶剂并 不形成恒佛混和物
如丙酮-丁醇混和溶剂,由于其沸点相差较大 (丙酮沸点为56.1℃,丁醇沸点为117.4℃), 采用精馏方法很易得到纯组分。如果混和溶 剂要反复使用,则不需要将它们分成纯组分, 只需经过蒸馏方式除去不挥发物质,然后测 定混和溶剂的比例,再添加不足的溶剂使达 到要求。

第四节 双水相萃取
双水相萃取技术(two-aqueous phase extraction) ,又称水溶液两相分配技术, 它利用不同的高分子溶液相互混合可产生 两相或多相系统,静置平衡后,分成互不 相溶的两个水相,利用物质在互不相溶的 两水相间分配系数的差异来进行萃取的方 法,称为双水相萃取法。 特点:能保留产物的活性,操作可连续化, 可纯化蛋白质2~5倍。

一、双水相的形成
如葡聚糖与聚乙二醇按一定比例与水混 合,静置平衡后,分成互不相溶的两个 水相,上相富含PEG,下相富含葡聚糖

高聚物(P) 聚丙二醇 聚乙二醇 甲基纤维素 乙基羟乙基纤维素 羟丙基葡聚糖 聚蔗糖 聚乙二醇

高聚物或低聚物(Q) 甲基聚丙二醇,聚乙二醇,聚乙烯醇,聚乙烯吡咯烷酮, 羟丙基葡聚糖,葡聚糖 聚乙烯醇,葡聚糖,聚蔗糖 羟甲基葡聚糖,葡聚糖 葡聚糖 葡聚糖 葡聚糖 硫酸镁,硫酸铵,硫酸钠,甲酸钠,酒石酸钾钠

二、双水相萃取的基本概念
(一)相图 相图右上部为两相区,左下部为均相区,两相与均 相的分界线叫双节线。组成位于A点的系统实际上 由位于C、B两点的两相所组成,BC称为系线。 当系线向下移动时, 长度逐渐减小,表明 两相的差别减小,当 达到K点时,两相间 差别消失,K点称为 临界点。

(二)分配系数
?

影响分配系数的因素包括很多,如粒子 大小、疏水性、表面电荷、粒子或大分 子的构象等,这些因素微小的变化可导 致分配系数较大的变化,因而双水相萃 取有较好的选择性。分配系数K与溶质的 浓度和相体积比无关:

Ct K? Cb

三、影响双水相萃取的因素
(一)、成相高聚物的分子量 一般原则:对于给定的相系统,如果一种高聚 物被低分子量的同种高聚物所代替,被萃取 的大分子物质,如蛋白质、核酸、细胞粒子等, 将有利于在低分子量高聚物一侧分配。
如以Dextran 500(MW 500 000)代 替Dextran 40(MW 40 000),即 增大下相高聚物的分子量,被萃取 的低分子量物质如细胞色素C分配 系数增加并不显著。然而,被萃取 的大分子量物质,如过氧化氢酶的 分配系数可增大到原来的6~7倍。

(二)成相聚合物浓度 ——界面张力
一般来说,双水相萃取时,如果相系统组成 位于临界点附近,则蛋白质等大分子的分配 系数接近于1。高聚物浓度增加,系统组成偏 离临界点,蛋白质的分配系数也偏离1,即K >1或K<1

(三)、电化学分配 ——盐类的影响
盐对带电大分子的分配影响很大。各种 盐的分配系数存在着微小的差异,产生 了相间电位。由于蛋白质等大分子在水 溶液中常带有电荷,相间电位造成的静 电力能影响所有带电大分子和带电细胞 粒子在两相中的分配。例如,DNA萃取时, 离子组分微小的变化可使DNA从一相几乎 完全转移到另一相。

(四)、疏水效应
?

选择适当的盐组成,相系统的电位差可 以消失。排除了电化学效应后,决定分 配系数的其它因素,如粒子的表面疏水 性能即可占主要地位。成相高聚物的末 端偶联上疏水性基团后,疏水效应会更 加明显,此时,如果被分配的蛋白质具 有疏水性的表面,则它的分配系数会发 生改变。

(五)、温度及其它因素
温度的影响是间接的,它主要影响相的高 聚物组成,只有当相系统组成位于临界点 附近时,温度对分配系数才具有较明显的 作用。 ? pH对酶的分配系数也有很大关系,特别 是在系统中含有磷酸盐时,如图4-18所示。 由于pH的变化会影响磷酸盐是一氢化物 还是二氢化物磷酸盐的存在,而一氢化物 磷酸盐对界面电位有明显的影响。
?

?

Dextran、FiColl、淀粉、纤维素等高聚物具 有光学活性,它们应该可以辨别分子的D、L 型。因此,对映体分子在上述高聚物相系统 中具有不同的分配特征。同样,一种蛋白质 对D或L型能选择性地结合而富集于一相中, 可将此用于手性分配。例如,在含血清白蛋 白的相系统中,D、L型色氨酸可获得分离。

四、双水相萃取的应用
?

双水相系统平衡时间短,含水量高,界面张 力低,为生物活性物质提供了温和的分离环 境。它还具备操作简便、经济省时、易于放 大。据报道,系统可从10ml直接放大到1m3 规模(105倍),而各种试验参数均可按比例放 大,产物收率并不降低。

?

例如PEG-Dextran系统特别适用于从细胞 匀浆液中除去核酸和细胞碎片。系统中 加入0.1mol/L NaCl可使核酸和细胞碎片 转移到下相(Dextran相),产物胞内酶位 于上相,分配系数为0.1~1.0。选择适当 的盐组分,经一步或多步萃取,可获得 满意的分离效果。如果NaCl浓度增大到 2~5mol/L,几乎所有的蛋白质、酶都转 移到上相,下相富含核酸。

五、双水相萃取技术的发展
(一)、廉价双水相体系的开发 (二)、双水相亲和分配 (三)、液体离子交换剂 ( liquid ion exchanger) 如用PEG6000-(H2PO4)4来分离纯化干扰 素时,其分配系数可高达170,而杂蛋白 的分配系数只有0.04。β值为4250,这 是一般方法所不能达到的。

第五节 反胶束萃取
?

反胶束(reversed micelle),也称反胶 团或反微团,是表面活性剂分散在连续 的有机相中自发形成的纳米尺度的一种 聚集体。

一、基本原理
?

表面活性剂溶于非极性溶剂中,并使其 浓度超过临界胶束浓度,便会在有机溶 剂内形成聚集体,非极性基团在外,极 性基团则排列在内,形成一个极性核, 此极性核具有溶解极性物质的能力。当 含有此种反胶束的有机溶剂与蛋白质的 水溶液接触后,蛋白质及其他亲水性物 质能够溶于极性核内部的水中,由于周 围的水层和极性基团的保护,蛋白质不 与有机溶剂接触,从而不会造成失活。

二、反胶束体系
?

在反胶束萃取的早期研究中多用季胺盐, 目前用得最多的是AOT,其化学名为丁 二酸乙基己基酯-磺酸钠。
表面活性剂 AOT CTAB TOMAC Brij60 Triton X 磷脂酰胆碱 磷脂酰乙醇胺 有机溶剂 n-烃类(C6~C10)异辛烷,环己烷,四氯化碳,苯 乙醇/异辛烷,己醇/辛烷,三氯甲烷/辛烷 环己烷 辛烷 己醇/环己烷 苯,庚烷 苯,庚烷

三、反胶束萃取过程
反胶束选择性分离目标蛋白质包括两个 过程:萃取过程(forward extraction)和反 萃取过程(backward extraction)。 ? 萃取过程:目标蛋白质从主体溶液转移至 反胶束溶液中的过程; ? 反萃取过程:目标蛋白质从反胶束溶液中 转移至第二水相(或以固体的形式游离出 来)的过程。这些过程可连续操作,反胶 束可在两套系统中循环。
?

四、影响因素
表面活性剂的种类 ? 水相pH值 ? 温度 ? 亲和反胶束萃取
?

五、应用举例
(一)蛋白质类药物 (二)、氨基酸 (三)、抗生素 (四)、核酸

第六节 超临界流体萃取法
?

超临界流体(supercritical fluid ,简称 SCF)萃取技术,又称压力流体萃取、 超临界气体萃取、临界溶剂萃取等,是 利用处于临界压力和临界温度以上的一 些溶剂流体所具有特异增加物质溶解能 力来进行分离纯化的技术。

一、基本原理
当气体物质处于其临界温度(Tc)和临界压 力(Pc)以上时,不会凝缩为液体,只是密 度增大,具有许多特殊的物理化学性质: ? 流体的密度接近于液体的密度,粘度接近 于气体;在临界点附近,超临界流体的溶 解度对温度和压力的变化非常敏感;
?

利用CO2作为萃取剂主要有以下优点: (1) 二氧化碳超临界温度(Tc=31.06℃)是所 有溶剂中最接近室温的,可以在35~ 40℃的条件下进行提取,防止热敏性物质 的变质和挥发性物质的逸散。 (2)在CO2气体笼罩下进行萃取,萃取过程中 不发生化学反应;又由于完全隔绝了空气 中的氧,因此,萃取物不会因氧化或化学变 化而变质。

(3)由于CO2无味、无臭、无毒、不可燃、 价格便宜、纯度高、容易获得,使用相对 安全。 (4)CO2是较容易提纯与分离的气体,因此萃 取物几乎无溶剂残留,也避免了溶剂对人 体的毒害和对环境的污染。 (5) CO2扩散系数大而粘度小,大大节省了 萃取时间,萃取效率高。

二、影响超临界流体萃取的因素
(一)压力的影响

根据萃取压力的变化,可分为3类基本应用: ? 一是高压区的全萃取,高压时,SCF的溶解 能力强,可最大限度地溶解大部分组分; ? 二是低压临界区的脱臭,在临界点附近, 仅能提取易溶解的组分,或除去有害成分; ? 三是中压区的选择萃取,在高低压区之间, 可根据物料萃取的要求,选择适宜压力进 行有效萃取。

(二)温度的影响
?

?

一个是温度对流体密 度的影响,随温度升 高,CO2流体密度降低, 导致其溶剂化效应下 降,对物质的溶解度 也下降; 另一个是温度对物质 蒸气压的影响,随温 度升高,物质的蒸气 压增大,使物质在CO2 流体中的溶解度增大。

(三)、助溶剂
当在CO2流体中加入少量第二溶剂,可以 大大提高其对原来溶解度很小的溶质的 溶解能力,这种第二组分溶剂称为辅助 溶剂(entrainer),又称助溶剂。 ? 从经验上看,加入极性夹带剂对提高极 性成分的溶解度有帮助,对非极性溶质 作用不大;相反,非极性夹带剂对极性 和非极性溶质都有增加溶解度的效能。
?

(四)、物料性质的影响
物料的粒度影响 ? 细胞破壁 ? 水分
?

三、超临界萃取的流程

四、在生物制药领域的应用
⑴ 具有广泛的适应性: ⑵ 萃取效率高,过程易于调节: ⑶ 分离工艺流程简单: ⑷ 有些分离过程可在接近室温下完成 ⑸ 分离过程必须在高压下进行,设备及工艺技 术要求高,投资比较大,普及应用较为困难。

(一)、提取生物活性物质 (二)、超临界流体萃取除杂 (三)、超临界流体结晶技术 快速膨胀法 抗溶剂法


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第四章 萃取的习题解答 2.在单级萃取装置中,用...故可用对数平均推动 x 法求解 NOR 由题给条件知 ...生物制药工艺学习题 第四... 2页 5下载券 萃取...

生物制药工艺学_图文.ppt

生物制药工艺学_医学_高等教育_教育专区。第二章 生物制药工艺技术基础 Basis ...双水相萃取法 5.超临界萃取法 (二)提取方法与优化 1.溶剂选择 2.选择添加...

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生物制药工艺学名词:10 个 20 分;选择 10 个 10 分;填空 10 个 20 分;...化学法:化学试剂处理、制成丙酮粉 4)生物法:酶解法、自溶 第四章 萃取法(大...

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生物制药工艺学 第一章 生物药物概述 1、我国药物的三大药源指的是 化学药物...①酸、碱、盐水溶液提取方法 ④双水相萃取法 11、盐溶作用的原理? 在稀盐...

第1章 生物药物概述_图文.ppt

生物制药工艺学》教学内容 1.生化制药与微生物制药工艺; 2.生物技术药物与生物...生物材料的预处理和液固分离 第四章 萃取法分离原理 第五章 固相析出分离法 ...