南农生物分离工程生物分离2 萃取.ppt

南农 生物分离工程 生物分离2 萃取 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 萃取的概念萃取的概念萃取的概念萃取的概念 液液萃取从机理上分析可分为哪两类？液液萃取从机理上分析可分为哪两类？液液萃取从机理上分析可分为哪两类？液液萃取从机理上分析可分为哪两类？常见物理萃取体系由那些构成要素？常见物理萃取体系由那些构成要素？常见物理萃取体系由那些构成要素？常见物理萃取体系由那些构成要素？何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？掌握单级萃取过程的计算解析方法。掌握单级萃取过程的计算解析方法。掌握单级萃取过程的计算解析方法。掌握单级萃取过程的计算解析方法。掌握多级萃取萃取级数的计算方法。掌握多级萃取萃取级数的计算方法。掌握多级萃取萃取级数的计算方法。掌握多级萃取萃取级数的计算方法。通过本章学习应掌握以下内容通过本章学习应掌握以下内容：分 类按参与溶质分配的两相不同而分为按参与溶质分配的两相不同而分为 液液-液萃取液萃取(liquid-liquid extraction)液液-固萃取固萃取(liquid-solid extraction)固相萃取固相萃取(solid phase extraction,SPE)利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附 双水相萃取双水相萃取(two water phase extraction)超临界流体萃取超临界流体萃取(supercritical fluid extraction)利用在两个利用在两个利用在两个利用在两个互不相溶互不相溶互不相溶互不相溶的液相中各种组分的液相中各种组分的液相中各种组分的液相中各种组分（包括目的产物）（包括目的产物）（包括目的产物）（包括目的产物）溶解度溶解度溶解度溶解度的不同，从而的不同，从而的不同，从而的不同，从而达到分离的目的达到分离的目的达到分离的目的达到分离的目的物理萃取物理萃取物理萃取物理萃取化学萃取化学萃取化学萃取化学萃取适合于非极性、弱极性溶质适合于非极性、弱极性溶质何谓萃取 利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力，利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力，利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力，利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力，分离过程纯属物理过程分离过程纯属物理过程分离过程纯属物理过程分离过程纯属物理过程 萃取体系的构成萃取体系的构成萃取体系的构成萃取体系的构成 溶质：被萃取的物质溶质：被萃取的物质溶质：被萃取的物质溶质：被萃取的物质 原溶剂：原先溶解溶质的溶剂原溶剂：原先溶解溶质的溶剂原溶剂：原先溶解溶质的溶剂原溶剂：原先溶解溶质的溶剂 萃取剂：加入的第三组分萃取剂：加入的第三组分萃取剂：加入的第三组分萃取剂：加入的第三组分 萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大的溶解度的溶解度的溶解度的溶解度物理萃取杂质杂质溶质溶质原溶剂原溶剂萃取剂萃取剂Light phaseHeavy phase分配定律平衡时溶质在两相中的浓度之比为一平衡时溶质在两相中的浓度之比为一常数常数K，K 萃取相浓度萃取相浓度/萃余相浓度萃余相浓度 c1c2 应用条件：应用条件：(1)稀溶液；稀溶液；(2)溶质对溶剂之互溶度没有影响；溶质对溶剂之互溶度没有影响；(3)必必须须是是同同一一种种分分子子类类型型，即即不不发发生生缔缔合合或或离离解。解。弱酸或弱碱性溶质还要考虑弱电解质在水相中的电弱酸或弱碱性溶质还要考虑弱电解质在水相中的电离平衡。离平衡。两相中的游离酸分子的分配平衡用分配系数两相中的游离酸分子的分配平衡用分配系数K0表征表征电离平衡用电离常数电离平衡用电离常数KP来表征。来表征。青霉素的分配平衡与电离平衡 K0和和KP是客观存在的，但一般测定得到的是是客观存在的，但一般测定得到的是PCOOHPCOO的总浓度的总浓度c2，在这种情在这种情况下，况下，c1c2K 这里的这里的K称之为表观分配系数。称之为表观分配系数。溶质在不互溶两相中的分配不仅与本身的性溶质在不互溶两相中的分配不仅与本身的性质质(决定决定KP)、萃取溶剂萃取溶剂(决定决定K0)有关，也与有关，也与水相的水相的pH有关。有关。弱电解质的分配平衡青霉素(light phase)青霉素=青霉素-+H+(water)1）青霉素萃取）青霉素萃取青霉素是有机酸,pH值对其分配系数有很大影响。很明显,在较低pH下有利于青霉素在有机相中的分配,当pH大于6.0时,青霉素几完全分配于水相中。从图中可知,选择适当的pH,不仅有利于提高青霉素的收率,还可根据共存杂质的性质和分配系数,提高青霉素的萃取选择性。2)青霉素反萃取青霉素反萃取弱电解质的分配平衡3）红霉素萃取）红霉素萃取红霉素是碱性电解质，在乙酸戊酯和pH9.8的水相之间分配系数为44.7，而水相pH降至5.5时,分配系数降至14.4。4）红霉素反萃取反萃取操作同样可通过调节pH值实现。如，红霉素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃取则用pH5.0的水溶液。红霉素(light phase)红霉素+H+=红霉素+(water)分离因子萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因子来表征：(c1A/c1B)(c2A/c2B)KAKB 下标1、2分别代表萃取相和萃余相，如果A是产物，B为杂质，K产K杂 =1?越大，A、B的分离效果越好，即产物与杂质越容易分离。水相条件的影响(1)pH值pH值直接影响表观分配系数K，对选择性有影响。如青霉素在pH 2萃取时，乙酸丁酯萃取液中青霉烯酸可达青霉素含量的12.5，而在pH 3的条件下萃取，则可降低至4。pH值还应尽量选择在使产物稳定的范围内。pH值 青霉素青霉素 K=1 PH=4.4 不萃取不萃取 K 1 PH 4.4（2.2）正萃取正萃取 K 1 PH 4.4 （7.2）(2)温度温度会影响生化物质的稳定性。温度会影响生化物质的稳定性。影响分配系数影响分配系数K。有机溶剂与水互溶度随有机溶剂与水互溶度随T T升高而增加，升高而增加，收率下降。收率下降。(3)盐析（NaCl NH4Cl (NH4)2SO4)无机盐类如硫酸铵、氯化钠等一般可降低产物无机盐类如硫酸铵、氯化钠等一般可降低产物在水中的溶解度而使其更易于转入有机溶剂相在水中的溶解度而使其更易于转入有机溶剂相中，中，减小有机溶剂在水相中的溶解度。减小有机溶剂在水相中的溶解度。如提取维生素如提取维生素B12时，加入硫酸铵，可促使维生时，加入硫酸铵，可促使维生素素B12自水相转移到有机相中；自水相转移到有机相中；提取青霉素时加入提取青霉素时加入NaCl，也有利于青霉素从水也有利于青霉素从水相转移到有机溶剂相中。相转移到有机溶剂相中。增加水相比重增加水相比重反萃取反萃取(Back extraction)：当当萃萃取取操操作作后后，为为进进一一步步纯纯化化目目标标产产物物或或便便于于下下步步分分离离操操作作，往往往往需需要要将将目目标标产产物物转转移移到到水水相相。这这种种调调节节水水相相条条件件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取。将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取。操作的一般过程萃取萃取 洗涤洗涤 反萃取反萃取洗洗涤涤操操作作(washing processing)：对对于于一一个个完完整整的的萃萃取取过过程程，常常在在萃取和反萃取之间增加洗涤操作萃取和反萃取之间增加洗涤操作 优 点对热敏物质破坏少对热敏物质破坏少多级萃取时，溶质浓缩倍数高，纯化度高多级萃取时，溶质浓缩倍数高，纯化度高便于连续生产，周期短便于连续生产，周期短溶剂耗量大，对设备和安全要求高溶剂耗量大，对设备和安全要求高萃取操作理论收得率的计算须符合以下 两个假定：萃取相和萃余相很快达到平衡 两相完全不互溶，在分离器中能完全分离。单级萃取萃取方式和理论收得率工业上萃取操作通常包括三个步骤：混合分离溶剂回收 工业萃取的流程中须有混合器(如搅拌混合器)、分离器(如碟片式离心机)和溶剂回收装置(如蒸馏塔)。混合萃取和分离也可在同一台设备内完成。一般萃取过程很快，如果接触表面足够大，则在1560 s之内就可完成。溶剂回收溶剂回收 简单蒸馏：沸点相差大，溶剂质量要求不高简单蒸馏：沸点相差大，溶剂质量要求不高 精馏：沸点接近精馏：沸点接近混合-澄清式萃取 Mixer-settler最常用的液液萃取设备最常用的液液萃取设备使含溶质的溶液（使含溶质的溶液（h）和萃取剂（和萃取剂（L）充分混）充分混合，静止后分成两层。合，静止后分成两层。单级萃取单级萃取设K为分配系数，VF为料液体积，VS为萃取剂体积，E为萃取因子(extraction factor)即萃取平衡后，溶质在萃取相与萃余相中质量的比值，则：EKVSVFKm E与相比、萃取剂浓度、T、pH、解离情况有关式中 m：浓缩倍数VF/VS 萃余率萃余率=萃余液中溶质总量萃余液中溶质总量/溶质总量溶质总量100%100%=1/=1/（E+1E+1）100%100%理论收得率为：1E(E1)效率低,为达到一定的萃取率,需大量萃取剂，为提高收率常常采用多级萃取是工业生产最常用的萃取流程是工业生产最常用的萃取流程分离效率高分离效率高分离效率高分离效率高产品回收率高产品回收率高产品回收率高产品回收率高溶剂用量少溶剂用量少溶剂用量少溶剂用量少多级萃取多级萃取多级错流萃取 多级错流萃取由于溶剂分别加入各级萃取器，故萃取推动力较大，萃取效果较好。缺点是需加入大量的溶剂，因而产品浓度稀，需消耗较多的能量回收溶剂。多级错流萃取 萃余率萃余率=1/（E+1）n 理论收率：理论收率：1 多级逆流萃取 将将多多个个混混合合-澄澄清清器器单单元元串串联联起起来来,分分别别在在左左右右两两端端的的混混合合器器中中连连续续通通入入料料液液和和萃萃取取液液,使使料料液液和和萃萃取取液液逆逆流流接接触触,即即构成多级逆流接触萃取构成多级逆流接触萃取.萃余率萃余率=第第n级萃余相溶质量级萃余相溶质量/料液溶质量料液溶质量 =（E-1）/（E n+1-1）理论收率理论收率1-多级逆流萃取 连续逆流萃取装置例1：赤霉素在10、pH值2.5时的分配系数(乙酸乙酯水)为35，用等体积乙酸乙酯单级萃取一次问理论收得率为多少？解1：E351135 理论收得率 1 35(351)97.2例2：赤霉素二级错流萃取时，第一级用1/2体积乙酸乙酯，第二级用1/10体积乙酸乙酯，问理论收得率为多少？解2：E135217.5 E235103.5 理论收得率 1 11(17.51)(3.51)98.79例3：赤霉素进行二级逆流萃取，乙酸乙酯用量为1/2体积，问理论收得率为多少？解3：E35217.5 n2 理论收得率 1 17.5317.517.531 99.7三种萃取过程中，以逆流萃取收率最高，溶剂用量最少。因而也是工业上普遍采用工业上普遍采用的流程。溶剂用量及萃取方式洁霉素（丁醇:水）18收率浓缩比萃取二级错流二级逆流 三级逆流194.7 99.0 99.69 99.981/290.0 96.7 98.9 99.881/385.7 93.8 97.7 99.611/481.8 92.5 96.1 99.14溶剂的选择 根根据据相相似似相相溶溶的的原原理理，选选择择与与目目标标产产物物性性质质相相近近的的萃萃取取剂剂，可可以以得得到到较较大大分分配配系系数数。此此外外，有有机机溶溶剂剂还还应应满满足足以以下要求：下要求：1)、价廉易得；、价廉易得；2)、与水相不互溶；、与水相不互溶；3)、与与水水相相有有较较大大的的密密度度差差，并并且且粘粘度度小小，表表面面张张力力适适中中，相分散和相分离较容易；相分散和相分离较容易；4)、容易回收和再利用；、容易回收和再利用；5)、毒性低，腐蚀性小，挥发性小、使用安全；、毒性低，腐蚀性小，挥发性小、使用安全；溶剂的选择溶剂的选择常用于抗生素类萃取剂有：丁醇等常用于抗生素类萃取剂有：丁醇等醇类醇类、乙酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯类乙酸酯类以及甲异丁基甲酮以及甲异丁基甲酮（methyl isobutyl ketone）等。等。青霉素CHCl 3 乙醚39:1 39:1 12:1化学萃取由由于于氨氨基基酸酸和和一一些些极极性性较较大大的的抗抗生生素素的的水水溶溶性性很很强强，在在有有机机相相中中的的分分配配系系数数很很小小甚甚至至为为零零，利利用用一般的物理萃取效率很低，甚至无法萃取。一般的物理萃取效率很低，甚至无法萃取。这种情况可用化学萃取解决。这种情况可用化学萃取解决。化学萃取化学萃取：用用脂脂溶溶性性萃萃取取剂剂与与溶溶质质之之间间的的化化学学反反应应生生成成脂脂溶溶性性复复合合分分子子实实现现溶溶质质向向有有机机相相的分配。的分配。稀稀释释剂剂(diluent)：化化学学萃萃取取中中通通常常用用煤煤油油、乙乙烷烷和和苯苯等等溶溶解解萃萃取取剂剂，改改善善萃萃取取相相的的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。阳离子交换反应萃取阳离子交换反应萃取 nHA+mn+=mAn+nH+萃取剂-弱酸性 溶质-水相中络离子形式 加合反应萃取加合反应萃取 KK1+K2 青霉素：正己醇+醋酸丁酯BA（11）pH3.5-4.0 收率提高 BA pH2.2 对酸不稳定 带同萃取反应带同萃取反应链霉素萃取链霉素萃取在中性条件下，链霉素与月桂酸CH3(CH2)10COOH可形成易溶于丁醇、乙酸丁酯和异辛醇的复合物。反反萃萃取取：此复合物在酸性(pH5.5-5.7)条 件 下 可分解。因此用酸性水溶液进行反萃取，使复合物分解，链霉素重新溶于水相中。链霉素+月桂酸=链霉素月桂酸+H+(organic)链霉素+OH-=链霉素 (water)某溶质不被萃取或很少被萃取，加入另一溶质后同时被萃取。络合反应萃取络合反应萃取柠檬酸萃取柠檬酸在酸性条件下与磷酸三丁酯反应生成中性络合物，该中性络合物易溶于有机相。然后反萃取。柠檬酸+磷酸三丁酯=柠檬酸-磷酸三丁酯(organic)柠檬酸=柠檬酸-+H+(water)柠檬酸3-Ca2+柠檬酸钙 CO32-柠檬酸3-+碳酸钙缺点：缺点：A 消耗大量钙盐B 消耗大量可溶性 碳酸盐C 产生大量钙盐D 回收率低离子缔合反应萃取离子缔合反应萃取 青霉素萃取萃取青霉素为有机酸，可与四丁胺、正十二烷胺等脂肪碱通过离子键结合而容易溶于氯仿中。通过加入萃取剂，增大其在不同的pH的水相中对有机相的分配系数，使其在稳定性高的pH下进行萃取操作。青霉素-+四丁胺=青霉素-四丁胺+OH-(light phase)青霉素-+H+=青霉素(water phase)乳化现象乳化现象乳化乳化：水水或或有有机机溶溶剂剂以以微微小小液液滴滴形形式式分分散散于于有有机机相相或或水水相相中中的的现现象象。常常常常发发生生在在实实际际发发酵酵产产物物的的萃萃取取操操作作中中。产产生生乳乳化化后后使使有有机机相相和和水水相相分分层层困困难难，出出现两种夹带：现两种夹带：发发酵酵液液中中夹夹带带有有机机溶溶剂剂微微滴滴，使使目目标标产产物物受受到到损损失；失；有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。产生原因：产生原因：发发酵酵液液中中存存在在的的蛋蛋白白质质和和固固体体颗颗粒粒等等物物质质，这这些些物物质质具具有有表表面面活活性性剂剂的的作作用用，使使有有机机溶溶剂剂和和水的表面张力降低，水的表面张力降低，水水易易于于以以微微小小液液滴滴的的形形式式分分散散于于油油相相称称为为油油包包水型水型W/O乳浊液；乳浊液；相反，为相反，为O/W型乳浊液。型乳浊液。乳化现象 有机相乳化层水 相表面活性剂定义：由亲水憎油的极性基团（亲水基）和亲油憎水的非极性基团（疏水基）两部分组成的分子。HLB值（hydrophile-lipophile balance）:020 HLB=0 完全不亲水 HLB=20 完全亲水HLB越大，亲水性强，O/WHLB越小，亲油性强，W/O 亲水基疏水基乳状液稳定条件=乳化剂=表面活性剂降低界面张力，降低表面自由能液滴带电荷，相互排斥界面膜的形成增大介质黏度，增加界面膜的机械强度表面活性剂在界面上的定向排列水包油（O/W）型 油包水（W/O）型乳浊液类型的影响因素乳浊液类型的影响因素相体积的影响相体积的影响假定假定 水的体积水的体积26%W/O 74%O/W乳化剂分子的空间构型乳化剂分子的空间构型截面积大头指向连续相，小头指向分散相截面积大头指向连续相，小头指向分散相一价金属皂一价金属皂O/W 二价金属皂二价金属皂W/O乳化剂分配系数的影响乳化剂分配系数的影响K大，大，O/W K小，小，W/O容器壁性质容器壁性质亲水性强，亲水性强，O/W 亲油性强，亲油性强，W/O破乳破乳 1)在在操操作作前前，对对发发酵酵液液进进行行过过滤滤或或絮絮凝凝沉沉淀淀处处理理，可可除除去去大大部部分分蛋蛋白白质质及及固固体体微微粒粒，防防止止乳乳化化现象的发生。现象的发生。2)乳化产生后，采取适当的破乳手段。乳化产生后，采取适当的破乳手段。破乳破乳加热加热 灰黄霉素灰黄霉素80-90操作简便、原材料消耗低操作简便、原材料消耗低 直接蒸汽、发酵液稀释直接蒸汽、发酵液稀释稀释法稀释法 加入连续相加入连续相过滤破乳过滤破乳 红霉素的一次红霉素的一次BA提取液过提取液过CaCO3，除去微量水分除去微量水分离心分离离心分离加入电解质加入电解质 中和分散相的电荷中和分散相的电荷 NaOH HCl NaCl顶替法顶替法 加入能强烈吸附于界面的表面活性剂，顶替，强度加入能强烈吸附于界面的表面活性剂，顶替，强度较低较低 戊醇戊醇转型法转型法 对于对于O/W型乳浊液，加入亲油性表面活性剂，可使型乳浊液，加入亲油性表面活性剂，可使乳浊液从乳浊液从O/W型转变成型转变成W/O型，但若溶液条件不允型，但若溶液条件不允许许W/O型乳浊液的形成，即乳浊液不能存在，从而型乳浊液的形成，即乳浊液不能存在，从而达到破坏的目的。达到破坏的目的。相相反反，对对于于W/O型型乳乳浊浊液液，加加入入亲亲水水性性表表面面活活性性剂剂，如如SDS可达到破乳的目的。可达到破乳的目的。常用的去乳化剂常用的去乳化剂 顶替：碳氢链很短或有分支结构顶替：碳氢链很短或有分支结构阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂 PPB吡啶吡啶-C15H31 Br 溴代十五烷吡啶，在有机溶剂中溶解度较小，适溴代十五烷吡啶，在有机溶剂中溶解度较小，适用于破坏用于破坏W/O乳状液，广泛用于青霉素等抗生素乳状液，广泛用于青霉素等抗生素的提取。的提取。1231 CH3(CH2)10CH2(CH3)3N+Br-十二烷基三甲基溴化铵，适用于破坏十二烷基三甲基溴化铵，适用于破坏W/O乳状液，乳状液，用于青霉素等提取。用于青霉素等提取。阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂 CH3(CH2)10CH2SO3Na 十二烷基磺酸钠，适用于破坏十二烷基磺酸钠，适用于破坏W/O乳状液，乳状液，广泛用于红霉素等提取。广泛用于红霉素等提取。非离子表面活性剂非离子表面活性剂