第4章-液液传质分离过程ppt课件.ppt

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1、第第4章章. 液液传质分离过程液液传质分离过程主要内容及要求主要内容及要求1 1、液液萃取的计算、液液萃取的计算2 2、超临界流体萃取、反胶团萃取和、超临界流体萃取、反胶团萃取和 双水相萃取的基本原理及应用双水相萃取的基本原理及应用4.1液液萃取液液萃取液液传质分离是利用溶质在两液相中不同的分配液液传质分离是利用溶质在两液相中不同的分配特性，通过相间传质达到分离的目的。特性，通过相间传质达到分离的目的。萃取是液液传质分离过程中常用的操作单元，广萃取是液液传质分离过程中常用的操作单元，广泛应用于石油化工、湿法冶金、精细化工等领域泛应用于石油化工、湿法冶金、精细化工等领域。超临界流体萃取技术、双水

2、相萃取技术、反胶团超临界流体萃取技术、双水相萃取技术、反胶团萃取技术等则是新型萃取分离技术的代表。萃取技术等则是新型萃取分离技术的代表。4.1.1 萃取剂的选择和萃取体系的分类萃取剂的选择和萃取体系的分类一、萃取剂的选择一、萃取剂的选择 一个合用的萃取剂应与原溶液形成不互溶的两液相，萃取一个合用的萃取剂应与原溶液形成不互溶的两液相，萃取剂还应具备以下性质：剂还应具备以下性质：两液相容易分开，不形成乳化液；两液相容易分开，不形成乳化液；萃取剂与任何进料组分之间不形成共沸物；萃取剂与任何进料组分之间不形成共沸物；萃取剂对关键组分的选择性尽可能地高；萃取剂对关键组分的选择性尽可能地高；萃取剂在萃余相

3、中的溶解度应尽可能地低。萃取剂在萃余相中的溶解度应尽可能地低。萃取剂要易于回收萃取剂要易于回收萃取剂的搜寻方法：萃取剂的搜寻方法： (1) (1) 搜寻数据库。搜寻数据库。 (2) (2) 主要筛选方法：主要筛选方法： a)a) 选择同系物为萃取剂，选择同系物为萃取剂，b b）罗宾斯表，）罗宾斯表，c c）氢键，）氢键， d d）极性作用，）极性作用， e) e) 特定萃取剂的认定。特定萃取剂的认定。4.1.1 萃取剂的选择和萃取体系的分类萃取剂的选择和萃取体系的分类表 4-1 溶质溶剂基团相互作用的罗宾斯 与拉乌尔定律的偏差 基团 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 结结合

4、合氢氢的的给给予予体体 酚 1 0 0 0 酸、硫醇 2 0 0 0 0 0 0 0 醇、水 3 0 0 多盐杆菌的活性氢 4 0 0 0 0 结结合合氢氢的的受受体体 酮、二取代基胺、砜、 氢化氧磷（phosphine oxide） 5 0 叔胺 6 0 0 0 0 0 仲胺 7 0 0 0 0 0 0 伯胺、氨、无取代基的氨基化物 8 0 0 0 醚、氧化物、亚砜 9 0 0 0 0 0 酯、醛、碳酸酯、磷酸酯 硝酸酯、亚硝酸酯、腈、分子 内部结合体 10 0 0 0 芳烃、烯烃、环芳烃 无活性氢的多环烷烃、单环烷 烃 11 0 0 0 0 0 0 非非氢氢键键合合 石蜡烃、二硫化碳 12

5、 0 0 0 案例案例 苯中分离链烃。苯在罗宾斯表中属于第苯中分离链烃。苯在罗宾斯表中属于第1111组，而所选的链烃组，而所选的链烃庚烷属庚烷属于第于第1212组。由罗宾斯表可见，第组。由罗宾斯表可见，第8 8组（伯胺、氨、无取代基的氨基化组（伯胺、氨、无取代基的氨基化合物）与芳烃形成的物系对拉乌尔定律产生负偏差，与链烃形成的物合物）与芳烃形成的物系对拉乌尔定律产生负偏差，与链烃形成的物系产生正偏差。系产生正偏差。 尽管胺或氨基化合物在分离该混合物上很可能是有效的，没有迹象尽管胺或氨基化合物在分离该混合物上很可能是有效的，没有迹象表明是否一定分层。罗宾斯表也指出，第表明是否一定分层。罗宾斯表也

6、指出，第4 4组（具有活性氢原子的多组（具有活性氢原子的多环链烃）、第环链烃）、第7 7组（仲胺）和第组（仲胺）和第9 9组（醚、氧化物、亚砜）均与链烃形组（醚、氧化物、亚砜）均与链烃形成正偏差物系，与芳烃形成理想物系。这类溶剂同样可认为是可行的成正偏差物系，与芳烃形成理想物系。这类溶剂同样可认为是可行的溶剂。但没有表明形成的液相数目。溶剂。但没有表明形成的液相数目。 (1) (1) 简单分子萃取体系简单分子萃取体系(2) (2) 中性络合体系中性络合体系(3) (3) 酸性络合萃取体系酸性络合萃取体系(4) (4) 离子缔合萃取体系离子缔合萃取体系(5) (5) 胺类萃取体系胺类萃取体系 二

7、、萃取体系的分类二、萃取体系的分类 4.1.2 多级逆流萃取的计算多级逆流萃取的计算 逆流萃取塔 11Nee1Ne1N11UuuuvvvN1111NeeUuu5 . 025. 0) 1(2/11Neuuu ui = R / E mi 定义定义 E为进料中组分为进料中组分i被萃取的分数被萃取的分数 1eee1N1N0N0Elll集团法集团法: :定义定义U为进料中组分为进料中组分i进入萃余相中的分数进入萃余相中的分数 5 . 025. 0) 1(e2/1N1i = E mi / R /N11N112EEEEE0U1N1)1 (lvv11N0Nvvll各式可用质量单位或摩尔单位。由于在绝热萃取塔中

8、温度变化一般都不各式可用质量单位或摩尔单位。由于在绝热萃取塔中温度变化一般都不大，因此一般不需要焓平衡方程，只有当原料与溶剂有较大温差或混和大，因此一般不需要焓平衡方程，只有当原料与溶剂有较大温差或混和热很大时才需考虑。热很大时才需考虑。 对比：对比：萃取吸收与蒸出5 . 025. 0)1(11)1(11111111 AAAAAAAAvvvNeNeeNeeNeNN 萃余项的分数萃余项的分数进入进入i )1393( )1413(11111115 .025.0)1()1403(11)1(1 UUUUUUUUvvvNeNeeUNeeNeNNU对比：对比：萃取吸收与蒸出5 . 025. 0)1(111

9、11110 SSSSSSlllCNeNeeNeNN)1433(5 . 025. 0)1(11)1423(1100 NeiNeeNeNEEEEEEElll被被萃萃取取的的分分数数对比：对比：萃取吸收与蒸出)1463(1111)( NNnnVVVVNNnnVVVV1111)( )1473(011)1( EUNlvv0011)1(ClvvN 方法特点：方法特点： 1. 热量变化不大，无须热平衡计算热量变化不大，无须热平衡计算 2. 影响大，有时不可靠影响大，有时不可靠ig g例例4-14.1.3 分馏萃取分馏萃取n通常采用塔中部进料的分馏萃取流程。通常采用塔中部进料的分馏萃取流程。(a)(b)（c)

10、洗涤液溶剂进料萃余液溶剂溶剂萃余液进料SR溶剂脱溶剂的萃取相SRTR溶剂 S进料A,B溶剂 T溶剂 T脱溶剂的产品B脱溶剂的产品A溶剂S(a) 分馏萃取(b) 单回流的分馏萃取(c) 双溶剂分馏萃取适用于那些分配系数差别较小或虽差别较大但分离效适用于那些分配系数差别较小或虽差别较大但分离效果要求很高的体系。果要求很高的体系。4.1.4 微分逆流萃取模型微分逆流萃取模型n一一活塞流模型活塞流模型活塞流模型是一个完全理想化的微分逆流萃取模型。它假定活塞流模型是一个完全理想化的微分逆流萃取模型。它假定塔内同一截面上任一点每一相的流速相等，两相在塔内作塔内同一截面上任一点每一相的流速相等，两相在塔内作

11、活塞流动；两相的传质只发生在水平方向上，在垂直方向活塞流动；两相的传质只发生在水平方向上，在垂直方向上，每一相内没有物质传递。上，每一相内没有物质传递。用苯作萃取剂在喷淋塔内萃取水溶液中的醋酸。已知塔高用苯作萃取剂在喷淋塔内萃取水溶液中的醋酸。已知塔高H=1.4 m ，塔截面积，塔截面积A=4.510-3(m2)，萃取相进出口的醋酸浓度分别为，萃取相进出口的醋酸浓度分别为y1=0.00397，y0=0.0115，萃余相进出口醋酸浓度分别为，萃余相进出口醋酸浓度分别为x0=0.688，x1=0.683 (均为均为kmol/m3)。苯的流率。苯的流率E=5.6710-6 m3/s，萃取平衡，萃取平

12、衡关系为关系为 ：y=0.0247x。试求：试求：(1)萃取相总传质单元数；萃取相总传质单元数；(2) 萃取相体积传质系数萃取相体积传质系数Koa。 例题：解解: 设萃取塔中传质速率为设萃取塔中传质速率为N。 则则 N = E (y0y1) = 5.6710-6 (0.01150.00397)=4.26910-8 kmol/s塔顶和塔底的萃取相平衡浓度为：塔顶和塔底的萃取相平衡浓度为：y0*=0.02470.688=0.01699 kmol/m3y1*=0.02470.683=0.01687 kmol/m3塔顶、塔底的传质推动力为：塔顶、塔底的传质推动力为：y0*y0 = 0.01699 0.

13、0115= 0.00549 kmol/m3y1*y1 = .01687 0.00397= 0.01290 kmol/m3对数平均浓度差为：对数平均浓度差为： 因此得：因此得： 则则 此塔萃取相的总传质单元数为此塔萃取相的总传质单元数为0.869，其萃取相的体积传质系数，其萃取相的体积传质系数Koa等于等于7.81610-4 1/s。 31*10*01*10*0ln*kmol/m00867. 000549. 001290. 0ln000549. 001290. 0ln)()()(yyyyyyyyyy869. 000867. 000397. 00115. 0)()(ln*100yyyyNTU(m)

14、61. 1869. 04 . 1)()(00NTUHHTU/s110816. 7105 . 461. 11067. 5)(4360oAHTUEaK4.1.4 微分逆流萃取模型微分逆流萃取模型n二二轴向扩散模型轴向扩散模型轴向扩散模型做了如下假设：轴向扩散模型做了如下假设：每相的返混可用一恒定的轴向扩散系数每相的返混可用一恒定的轴向扩散系数E来描述；来描述；各相的表观速度在横截面上处处相同，在轴向上是恒定的；各相的表观速度在横截面上处处相同，在轴向上是恒定的；仅仅是溶质在两相间传质，各相体积总传质系数为一常数；仅仅是溶质在两相间传质，各相体积总传质系数为一常数；溶质的分配系数为一常数；溶质的分配

15、系数为一常数；n在实验室对某稀溶液物系进行萃取实验，活塞流工况下测得（在实验室对某稀溶液物系进行萃取实验，活塞流工况下测得（HTU）ox= 0.9144 m。现放大设计一个工业塔，已知。现放大设计一个工业塔，已知 : （NTU）ox= 4 、 Pex=19、 Pey=50 、 E=0.5 。求塔高是多少。求塔高是多少 ？ 解：对于活塞流解：对于活塞流,塔高塔高H 活塞流活塞流=（HTU）ox（NTU）ox ，将已知数据代入式，将已知数据代入式（4-39）：）：该方程为非线形方程，用迭代方法求解该方程为非线形方程，用迭代方法求解H = 5.26 m效率效率 =（HTU）ox（NTU）ox / H

16、 = 40.9144 / 5.26 100 % = 69.5 % 例题：4 0.9144111 19(0.9144/)0.5(1/4)HH 0.550(0.9144/) 1 0.5(1/4)H 4.2 超临界流体萃取超临界流体萃取 超临界流体萃取是一种以超临界流体作为萃取剂，从固体超临界流体萃取是一种以超临界流体作为萃取剂，从固体或液体中提取出待分离的高沸点或热敏性物质的新型萃取或液体中提取出待分离的高沸点或热敏性物质的新型萃取技术。技术。 超临界流体萃取技术的起源超临界流体萃取技术的起源:1879年，年，J.B.Hannay等发现无等发现无机物在高压乙醇或乙醚中溶解度异常增加的现象机物在高压

17、乙醇或乙醚中溶解度异常增加的现象,用高压的用高压的乙醇可溶解金属卤化物，压力越高，溶解能力越强。而当乙醇可溶解金属卤化物，压力越高，溶解能力越强。而当压力降低到一定程度以后，溶解的无机物又从乙醇或乙醚压力降低到一定程度以后，溶解的无机物又从乙醇或乙醚中析出。中析出。 通常物质有三种状态，如果提高温度和压力，会出现液体与通常物质有三种状态，如果提高温度和压力，会出现液体与气体界面消失的现象，该点称为临界点。气体界面消失的现象，该点称为临界点。 超临界流体是指物质的温度和压力分别超过其临界温度（超临界流体是指物质的温度和压力分别超过其临界温度（TC）和临界压力（和临界压力（ PC ）的流体，处于临

18、界点状态的物质可实现）的流体，处于临界点状态的物质可实现从液态到气态的连续状态。从液态到气态的连续状态。 例如：水的温度和压力升高到临界（例如：水的温度和压力升高到临界（T=374.3，P=22.05MPa）以上时，就会处于一种既不同于水，也不同）以上时，就会处于一种既不同于水，也不同于液态和固态的新的流体态于液态和固态的新的流体态- -超临界态，该状态水即称之为超临界态，该状态水即称之为超临界水。超临界水。 超临界流体超临界流体 超临界流体与气体和液体的物性比较超临界流体与气体和液体的物性比较 物物 性性流流 体体密度密度, g/cm3粘度粘度，Pa.S扩散系数扩散系数D,cm2/s气体气体

19、1530，常压，常压（0.62）10-3(13) 10-50.10.4液体液体1530，常压，常压0.61.6(0.23) 10-3(0.22) 10-5超临界流体，超临界流体，Tc，4Pc0.40.9(39) 10-50.210-2技术优势：技术优势： 超临界流体具有极强的溶解能力，能实现从固体中提超临界流体具有极强的溶解能力，能实现从固体中提取有效成分。取有效成分。 可通过温度、压力的调节改变超临界流体的溶解能可通过温度、压力的调节改变超临界流体的溶解能力的大小，因而超临界流体萃取具有较好的选择性。力的大小，因而超临界流体萃取具有较好的选择性。 超临界流体传质系数大，可大大缩短分离时间。超

20、临界流体传质系数大，可大大缩短分离时间。 萃取剂的分离回收容易。萃取剂的分离回收容易。 4.2.1 超临界流体萃取的热力学基础超临界流体萃取的热力学基础 固体固体超临界流体的相平衡超临界流体的相平衡 VSff22ppS2S2S2S2S2)/(expdpRTvpfpyfV222ppSSSSRTdpvppy222222expEppyS22ppSSSRTdpvE2222expzRTdvvRTnpRTvlnlnjnv,T,224.2.1 超临界流体萃取的热力学基础超临界流体萃取的热力学基础 由于固体的饱和蒸气压非常低，所以用来校正纯固体的饱和蒸气压的由于固体的饱和蒸气压非常低，所以用来校正纯固体的饱和

21、蒸气压的逸度系数值近乎等于逸度系数值近乎等于1；因固体的摩尔体积通常很小，在压力变化为；因固体的摩尔体积通常很小，在压力变化为几十兆帕范围内，几十兆帕范围内，Poynting因子积分值通常不超过因子积分值通常不超过2；因此，决定增；因此，决定增强因子强因子E的大小的主要因素是高压流体混合物中溶质的大小的主要因素是高压流体混合物中溶质2的逸度系数。的逸度系数。经热力学推导可得：经热力学推导可得： 在压力不高的情况下（大约不超过轻组分临界压力的一半），在压力不高的情况下（大约不超过轻组分临界压力的一半），E可由简可由简化的维里方程计算：化的维里方程计算： vBvES2122ln 4.2.2 4.2

22、.2 超临界流体萃取过程超临界流体萃取过程 作为萃取溶剂的超临界流体必须具备以下条件：作为萃取溶剂的超临界流体必须具备以下条件：萃取剂应具有化学稳定性，对设备无腐蚀性；萃取剂应具有化学稳定性，对设备无腐蚀性；临界温度不能太高或太低，最好在室温附近；临界温度不能太高或太低，最好在室温附近；操作温度应低于被萃取溶质的变性温度；操作温度应低于被萃取溶质的变性温度；为减小能耗，临界压力不能太高；为减小能耗，临界压力不能太高；选择性好，容易得到高纯产品；选择性好，容易得到高纯产品；溶解度要高，可减少溶剂的循环量；溶解度要高，可减少溶剂的循环量；萃取溶剂易得，价格便宜。萃取溶剂易得，价格便宜。 表 4-3

23、常见超临界流体的物理性质 临界参数 化合物 蒸发潜热(25) KJ/mol 沸点() Tc, pc, MPa dc g/cm3 CO2 25.25 -78.5 31.3 7.15 0.448 氨 23.27 -33.4 132.3 11.27 0.24 甲醇 35.32 64.7 240.5 8.1 0.272 乙醇 38.95 78.4 243.4 6.2 0.276 异丙醇 40.06 82.5 235.5 4.6 0.273 丙烷 15.1 -44.5 96.8 4.12 0.22 正丁烷 22.5 0.05 152.0 3.68 0.228 正戊烷 27.98 36.3 196.6 3

24、.27 0.232 苯 33.9 80.1 288.9 4.89 0.302 乙醚 26.02 34.6 193.6 3.56 0.267 典型的萃取流程典型的萃取流程 4.2.3 超临界流体萃取的应用超临界流体萃取的应用 案例：案例：超临界流体超临界流体CO2提取啤酒花中有效成分提取啤酒花中有效成分 啤酒花中对酿酒有用的部分是挥发油和软树脂中的律草酮，挥啤酒花中对酿酒有用的部分是挥发油和软树脂中的律草酮，挥发就赋予啤酒特有的香气。起初，使用二氯甲烷或有机溶剂萃取，发就赋予啤酒特有的香气。起初，使用二氯甲烷或有机溶剂萃取，其利用率达到其利用率达到60%-80%, ,但残留的有机溶剂不仅需要进一

25、步精制还但残留的有机溶剂不仅需要进一步精制还具有毒性，且会影响啤酒的风味和品质。采用超临界具有毒性，且会影响啤酒的风味和品质。采用超临界CO2萃取技术萃取技术后软树脂的提取率可达后软树脂的提取率可达96.5%，律草酮的萃取率可达，律草酮的萃取率可达98.7% %。 酒花经过粉碎成适和粒度后装入萃取器中，选择适当的温酒花经过粉碎成适和粒度后装入萃取器中，选择适当的温度和压力度和压力,CO2通入萃取器中，啤酒花中的有效成分溶解在超临界通入萃取器中，啤酒花中的有效成分溶解在超临界状态的状态的CO2中，中，CO2流体经过分离器，通过降低压力和升高温度等流体经过分离器，通过降低压力和升高温度等途径将其转

26、变成气态从分离器中分离出去，而啤酒花中的有效成途径将其转变成气态从分离器中分离出去，而啤酒花中的有效成分就留在分离器中，分离出的分就留在分离器中，分离出的CO2气体经冷凝后循环使用。萃取气体经冷凝后循环使用。萃取2.5小时后。停止运行。从分离器底部的接样阀接取样品小时后。停止运行。从分离器底部的接样阀接取样品 。4.3 4.3 反胶团萃取反胶团萃取 应用背景应用背景：常规的液液萃取技术不适用于大部分基因工程的主要产品-蛋白质的分离，原因在于:1、蛋白质在发酵液和培养介质中绝大多数呈现离子态，不溶于非极性的有机溶剂。2、若蛋白质与有机溶剂接触，会引起蛋白质的变性。为了使蛋白质能从水相萃取进入另一

27、液相，发挥液液萃取技术的优良分离性能和作用，需要找到一种与水不互溶，溶解于有机溶剂，并且蛋白质溶于其中并保持活性的液相反胶团。反胶团萃取有效解了溶剂萃取过程中蛋白质不溶于有机溶剂和易变性、失活的问题，因此得到了广泛的应用。 反胶团：表面活性剂是由亲水的极性头和疏水的非极性尾两部分组成的两性分子。表面活性剂在非极性有机相中超过一定浓度时,自发形成的纳米尺度的一种聚焦体。在这种聚焦体中，表面活性剂的憎水非极性尾向外，而极性头则向内排列形成一个极性核心，而此极性核心具有溶解水和大分（蛋白质）的能力。4.3.1 反胶团的特性反胶团的特性 反胶团示意图反胶团示意图4.3.2 反胶团萃取机理反胶团萃取机理

28、萃取过程中，生物大分子进入反胶团相需经历三步传质过程： 通过表面液膜扩散，从水相到达相界面； 在相界面处溶质进入反胶团； 含溶质的反胶团扩散进入有机相。 反萃操作中溶质亦经历相似的过程，只是方向相反，在界面处溶质从反胶团释放出来。 4.3.2 反胶团萃取机理反胶团萃取机理 萃取过程传质通量计算式萃取过程传质通量计算式反萃过程传质通量计算式反萃过程传质通量计算式)(00mccKdtdcAVdtdcAVJwfw)(w00wcmcKdtdcAVdtdcAVJrtVAKcc)(lnf0wwtVAKccr00w1ln反胶团萃取蛋白质的主要影响因素 表 4-5 反胶团萃取蛋白质的主要影响因素 胶团、蛋白质

29、间相互作用类型 与反胶团相关因素 与水相相关因素 与目标蛋白质相关因素 静电性作用 胶团内双重电荷层 pH、离子强度 等电点 pI、 表面电荷分布 立体性相互作用 胶团尺度、含水率、表面活性剂浓度 分子大小 疏水性相互作用 溶剂、胶团疏水基 亲水疏水性残基 特异性相互作用 亲和配体 构象 4.3.3 反胶团萃取的应用反胶团萃取的应用n（1 1） 分离蛋白质混合物；分离蛋白质混合物；n（2 2） 浓缩浓缩-淀粉酶；淀粉酶；n（3 3）从发酵液中提取胞外酶）从发酵液中提取胞外酶 ；n（4 4） 直接提取胞内酶；直接提取胞内酶；n（5 5） 用于蛋白质复性用于蛋白质复性; ;案例案例通过调节水相通过

30、调节水相pH值和值和KCl浓度来实现三种蛋白质的分离。在浓度来实现三种蛋白质的分离。在pH=9时，核糖核时，核糖核酸酶的溶解度很小，保留在水相而与其他两种蛋白质分离；相分离后得到的反酸酶的溶解度很小，保留在水相而与其他两种蛋白质分离；相分离后得到的反胶团相（含细胞色素胶团相（含细胞色素C和溶菌酶）与和溶菌酶）与0.5 mol/dm3的的KCl水溶液接触后，细胞水溶液接触后，细胞色素色素C被反萃取到水相，而溶菌酶留在反胶团相；含溶菌酶的反胶团与被反萃取到水相，而溶菌酶留在反胶团相；含溶菌酶的反胶团与2.0 mol/dm3KCl，pH值为值为11.5的水相接触后，将溶菌酶反萃至水相中。的水相接触后

31、，将溶菌酶反萃至水相中。 双水相萃取（双水相萃取（aqueous two-phase extraction）就是利用物质在互）就是利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来实现分离的一种新型分离技不相溶的两水相间分配系数的差异来实现分离的一种新型分离技术，由于它具有收率高、成本低、可连续化操作等技术优势，因术，由于它具有收率高、成本低、可连续化操作等技术优势，因而已被广泛应用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域，进而已被广泛应用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域，进行生物转化，蛋白质、核酸等产品的分离纯化。用此方法提纯的行生物转化，蛋白质、核酸等产品的分离纯化。用此方法提纯的酶已达数十

32、种，其分离也达到了相当规模。近年来又进行了双水酶已达数十种，其分离也达到了相当规模。近年来又进行了双水相萃取氨基酸类和病毒小分子物质的研究，大大扩展了应用范畴相萃取氨基酸类和病毒小分子物质的研究，大大扩展了应用范畴并提高了选择性，使双水相萃取技术具有更大的潜力和美好的发并提高了选择性，使双水相萃取技术具有更大的潜力和美好的发展前景。展前景。 双水相萃取双水相萃取 4.4 双水相萃取双水相萃取 4.4.1 双水相体系双水相体系 物质类型物质类型物质物质P的名称的名称物质物质Q的名称的名称两种非离子型聚合物两种非离子型聚合物聚丙二醇聚丙二醇聚乙二醇聚乙二醇 聚乙烯醇聚乙烯醇葡萄糖（葡萄糖（Dex）

33、羟丙基葡萄糖羟丙基葡萄糖 聚乙二醇（聚乙二醇（PEG）聚乙烯醇聚乙烯醇葡萄糖葡萄糖 (Dex)聚乙烯吡咯烷酮聚乙烯吡咯烷酮P为带电荷聚电解质为带电荷聚电解质硫酸葡聚糖钠盐硫酸葡聚糖钠盐羧甲基葡聚糖钠盐羧甲基葡聚糖钠盐聚丙二醇、聚乙二醇聚丙二醇、聚乙二醇甲基纤维素甲基纤维素P Q都为聚电解质都为聚电解质 羧甲基葡聚糖钠盐羧甲基葡聚糖钠盐羧甲基纤维素钠盐羧甲基纤维素钠盐P为聚合物为聚合物Q为盐类为盐类 聚乙二醇聚乙二醇 磷酸钾、硫酸铵、硫酸钠磷酸钾、硫酸铵、硫酸钠硫酸镁、酒石酸钾钠硫酸镁、酒石酸钾钠4.4.1 双水相体系双水相体系 图中把均相区与两相区分开的曲线，称为双节点曲线。如果体系总组成图中

34、把均相区与两相区分开的曲线，称为双节点曲线。如果体系总组成位于双节点曲线下方的区域，两高聚物均匀溶于水中而不分相。如果体位于双节点曲线下方的区域，两高聚物均匀溶于水中而不分相。如果体系总组成位于双节点曲线上方的区域，体系就会形成两相。上相富集了系总组成位于双节点曲线上方的区域，体系就会形成两相。上相富集了高聚物高聚物Q Q，下相富集了高聚物，下相富集了高聚物P P。用。用A A点代表体系总组成，点代表体系总组成，B B点和点和C C点分别代点分别代表互相平衡的上相和下相组成，称为节点。表互相平衡的上相和下相组成，称为节点。A A、B B、C C三点在一条直线上，三点在一条直线上，称为系线。称为

35、系线。 4.4.2 双水相中溶质分配理论双水相中溶质分配理论 溶质在双水相中的分配性质可用分配系数溶质在双水相中的分配性质可用分配系数K表示，计算方法如下：表示，计算方法如下： BTccK 溶质在双水相中的分配受表面自由能、表面电荷、疏水作用及生物亲和溶质在双水相中的分配受表面自由能、表面电荷、疏水作用及生物亲和作用等因素的影响，其中表面自由能、表面电荷对分配行为的影响最为作用等因素的影响，其中表面自由能、表面电荷对分配行为的影响最为重要，因而对这两方面的理论研究也比较深入。溶质分配的理论研究对重要，因而对这两方面的理论研究也比较深入。溶质分配的理论研究对双水相萃取起到指导作用，使萃取过程可通

36、过控制相关的影响因素而得双水相萃取起到指导作用，使萃取过程可通过控制相关的影响因素而得到优化。到优化。 4.4.2 双水相中溶质分配理论双水相中溶质分配理论(1) 表面自由能的影响表面自由能的影响 kTEK/lnkTrK)(4ln2SS12kTAK)(ln2S1SkTMKrln因为大分子物质的因为大分子物质的M Mr r很大，很大，的微小改变会引起分配系数的微小改变会引起分配系数K K发生很大发生很大的改变，因此利用不同的表面性质，可以达到分离大分子的目的。的改变，因此利用不同的表面性质，可以达到分离大分子的目的。 溶质在双水相中分配的影响因素溶质在双水相中分配的影响因素4.4.2 双水相中溶

37、质分配理论双水相中溶质分配理论 （2）表面电荷的影响）表面电荷的影响 ZZKKFZZRTUUAB12ln)(RTFZKKii*ilnln（3）疏水作用）疏水作用 两相系统中如有盐存在，会对大分子在两相间的分配系数发生改变两相系统中如有盐存在，会对大分子在两相间的分配系数发生改变 在在pH值为等电点的双水相中，蛋白质主要根据表面疏水性的差异值为等电点的双水相中，蛋白质主要根据表面疏水性的差异产生各自的分配平衡。产生各自的分配平衡。 4.4.3 双水相萃取的应用双水相萃取的应用n (1) 产品的浓缩产品的浓缩n（2）蛋白质的提取和纯化）蛋白质的提取和纯化n（3）生物小分子的分离和纯化）生物小分子的

38、分离和纯化n（4） 中草药有效成分的提取中草药有效成分的提取n（5）生物活性物质的分析检测）生物活性物质的分析检测案例案例从细胞浆液中提取蛋白质时，蛋白质均分配于上相，而细胞或细胞碎片分配从细胞浆液中提取蛋白质时，蛋白质均分配于上相，而细胞或细胞碎片分配于下相。在大多数情况下分配系数大于于下相。在大多数情况下分配系数大于3，很多杂蛋白也和细胞同时除去。很多杂蛋白也和细胞同时除去。实际操作中多数采用实际操作中多数采用PEG盐体系，主要是因为这种体系物理特性较好易盐体系，主要是因为这种体系物理特性较好易于相分离，而且价格也低。于相分离，而且价格也低。细胞浆液的加入量是一个重要参数。大量细胞或细胞碎

39、片的存在使体系两相细胞浆液的加入量是一个重要参数。大量细胞或细胞碎片的存在使体系两相的粘度，特别是下相的粘度大大增高，上、下相体积比降低从而影响蛋白的粘度，特别是下相的粘度大大增高，上、下相体积比降低从而影响蛋白质的收率。根据经验，一般质的收率。根据经验，一般1kg1kg萃取体系中加入萃取体系中加入200200400g400g湿细胞为宜。湿细胞为宜。 从细从细胞浆液中提取到的蛋白质还需要进一步纯化。通常可通过多步双水相萃取来胞浆液中提取到的蛋白质还需要进一步纯化。通常可通过多步双水相萃取来达到纯化的目的。第一步萃取后，分布于上相的蛋白质可通过加入适量的盐达到纯化的目的。第一步萃取后，分布于上相的蛋白质可通过加入适量的盐( (有时也可同时加入少量的有时也可同时加入少量的PEG)PEG)进行第二次萃取。通常第二次萃取的目的是除进行第二次萃取。通常第二次萃取的目的是除去核酸和多糖，它们的亲水性强，因而易分配于盐相中，而蛋白质留在去核酸和多糖，它们的亲水性强，因而易分配于盐相中，而蛋白质留在PEGPEG相相中。第三步萃取的目的是使目的蛋白分配于盐相，使其与中。第三步萃取的目的是使目的蛋白分配于盐相，使其与PEGPEG分离，以便进一分离，以便进一步纯化蛋白和回收步纯化蛋白和回收PEGPEG并循环使用。并循环使用。