生物分离工程 第7章-萃取1.ppt

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1、生物分离工程 第7章-萃取1 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u萃取：萃取：利用物质在互不相溶的两相之间溶解度的不同，使利用物质在互不相溶的两相之间溶解度的不同，使所需提取的生化物质有选择性地发生转移，集中到一相中，所需提取的生化物质有选择性地发生转移，集中到一相中，而其它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相中，而其它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相中，从而达到某种程度的提纯和浓缩。从而达到某种程度的提纯和浓缩。u反萃取：反萃取：

2、完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，将目标产物从或便于下一步分离操作的实施，将目标产物从有机有机相相转入转入水相水相的操作就称为反萃取（的操作就称为反萃取（Back extraction)Back extraction)u萃取在化工上是分离液体混合物常用的单元操作，在发酵和萃取在化工上是分离液体混合物常用的单元操作，在发酵和其它生物工程生产上的应用也相当广泛，其它生物工程生产上的应用也相当广泛，v萃取操作可以萃取操作可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，甚，甚至获得至获得纯的天然产物纯的天然

3、产物。溶剂萃取法广泛应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等发溶剂萃取法广泛应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物工业规模的提取上。酵产物工业规模的提取上。利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水水相和有机溶剂相相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行分离操作的。分离操作的。溶剂溶剂萃取法萃取法萃取法萃取法a)a)比化学沉淀法分离程度高；比化学沉淀法分离程度高；b)b)比离子交换法选择性好、传质快；比离子交换法选择性好、传质快；c)c)比蒸馏法能耗低；比蒸馏法能耗低；d)d)生产能

4、力大、周期短、便于连续操作、易实现自动生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动化控制。化控制。优点优点溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型分溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型分离技术：离技术：q双水相萃取技术（双水相萃取技术（Partition of two aqueous phase system）等。）等。q反胶团萃取（反胶团萃取（Reversed micelle extraction）q超临界流体萃取（超临界流体萃取（Supercritical fluid extractionSupercritical fluid extraction）用于高品质的

5、天然物质、胞内物质（胞内酶、蛋白质、用于高品质的天然物质、胞内物质（胞内酶、蛋白质、多肽、核酸等）的分离提取上。多肽、核酸等）的分离提取上。萃取方法分类萃取方法分类u物理萃取：物理萃取：根据相似相溶的原理，溶质在两相间达到分配平根据相似相溶的原理，溶质在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质之间衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应不发生化学反应的萃取过程。的萃取过程。u化学萃取化学萃取:利用萃取剂与溶质之间的利用萃取剂与溶质之间的化学反应化学反应生成脂溶性复生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配。合分子实现溶质向有机相的分配。物理萃取的理论基础是物理萃取的理论基础是分配定律分配定律，而化学萃，而化学

6、萃取服从取服从相律相律及一般化学反应的及一般化学反应的平衡定律平衡定律。u液液-固萃取固萃取：用某种溶剂把有用物质从用某种溶剂把有用物质从固体原料固体原料中提取到溶中提取到溶液中的过程，又称为液中的过程，又称为浸取或浸出浸取或浸出。u液液-液萃取液萃取：溶剂萃取、双水相萃取、反胶团萃取、液膜萃取等溶剂萃取、双水相萃取、反胶团萃取、液膜萃取等u超临界萃取超临界萃取表表1 1 几种萃取方法的比几种萃取方法的比较较萃取方法萃取方法原原 理理应应 用用液液-固萃取固萃取属于用液体提取固固体体原原料料中有用成分的扩散分离操作。多用于提取存在于胞胞内内的有效成分。液液-液液萃萃取取溶剂萃取溶剂萃取利用溶质

7、在两个互不混溶的液相（通常为水水相相和和有有机机溶溶剂剂相相）中溶解度和分配性质上的差异进行的分离操作。可用于有机酸、氨基酸、维生素等生物小分子小分子的分离纯化。双水相萃取双水相萃取利用物质在互不相溶的两两水水相相间间分配系数的差异进行的分离操作。主要用于蛋蛋白白质质、酶酶，特别是胞内蛋白的提取纯化。反胶团萃取反胶团萃取利用表表面面活活性性剂剂在在有有机机相相中中形形成成的的反反胶胶团团，从而在有机相中形成分散的亲水微环境，使生物分子在有机相（萃取相）内存在于反胶团的亲水微环境中。适用于氨基酸、肽和蛋白质等生物分子的分离纯化，特别是蛋白质类生物大分子生物大分子的分离。液膜萃取液膜萃取液液膜膜能

8、将与之不互溶的液体分开，使其中一侧液体中的溶质选择性地透过液膜进入另一侧，实现溶质之间的分离。适用于金属离子、烃类、有机酸、氨基酸和抗生素的分离及废水处理，在酶的包埋固定化和生物医学方面的应用也前景广阔。超临界流体萃取超临界流体萃取利用超超临临界界流流体体作作为为萃萃取取剂剂，对物质进行溶解和分离。适用于脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油酯、芳香成分等物质的萃取分离。第一节第一节 液液-固萃取固萃取 液液-固固萃萃取取又又叫叫浸浸取取或或浸浸出出，是是将将固固相相物物质质萃萃取到溶剂相中，在许多行业中得到应用。取到溶剂相中，在许多行业中得到应用。产物产物固体固体溶质溶质溶剂溶剂咖啡咖啡粗烤咖啡粗

9、烤咖啡咖啡溶质咖啡溶质水水果汁果汁水果水果果汁果汁水水药酒药酒中药材中药材药用成分药用成分酒酒大豆蛋白大豆蛋白豆粉豆粉蛋白质蛋白质NaOH溶液溶液表表2 浸取的应用举例浸取的应用举例u 溶剂溶剂传递到固体颗粒表面；传递到固体颗粒表面；u 溶剂溶剂扩散到固体内部微孔隙中；扩散到固体内部微孔隙中；u 溶质溶质溶解到溶剂中；溶解到溶剂中；u 溶质溶质通过固体微孔隙通道扩散到固体表面，并进入溶剂通过固体微孔隙通道扩散到固体表面，并进入溶剂主体。主体。一般而言，第一、二两步都很迅速，不是浸取过程一般而言，第一、二两步都很迅速，不是浸取过程总速率的控制性步骤。总速率的控制性步骤。溶质通过多孔固体的扩散可用

10、溶质通过多孔固体的扩散可用有效扩散系数有效扩散系数来描述，来描述，而有效扩散系数与而有效扩散系数与Fick定律有关。定律有关。浸取的过程：浸取的过程：浸取的影响因素浸取的影响因素1相平衡相平衡 浸取过程中的相平衡用分配系数浸取过程中的相平衡用分配系数KD表示表示 KD y/x y达到平衡时溶质在液相中的浓度达到平衡时溶质在液相中的浓度x平衡时溶质在固相中的浓度平衡时溶质在固相中的浓度 2溶剂的选择溶剂的选择 KD大且对目的物质的选择性高，溶剂的价格应低廉，无腐蚀性，大且对目的物质的选择性高，溶剂的价格应低廉，无腐蚀性，无毒，闪点高，无爆炸性，产品中易去除无毒，闪点高，无爆炸性，产品中易去除,容

11、易回收。容易回收。3增溶作用增溶作用 原先不溶或难溶性的生物大分子物质向可溶性的、分子量较小的原先不溶或难溶性的生物大分子物质向可溶性的、分子量较小的生物物质转变，但不能过度。也有向不溶性转变的。生物物质转变，但不能过度。也有向不溶性转变的。4固体原料的预处理固体原料的预处理：如如粉碎、干燥粉碎、干燥等。等。浸取过程的前加工：浸取过程的前加工：干燥干燥：有助于细胞膜的破裂，溶剂也容易进入细胞内部有助于细胞膜的破裂，溶剂也容易进入细胞内部，直接，直接溶解溶质。溶解溶质。滚压滚压：将原料滚压成片，使其减小到：将原料滚压成片，使其减小到0.1一一0.5mm，则大豆及，则大豆及许多植物种子的细胞壁极大

12、地破裂，植物油容易进入溶剂。许多植物种子的细胞壁极大地破裂，植物油容易进入溶剂。切片切片：减小水溶剂从水相主体扩散到每个细胞的距离，细胞基：减小水溶剂从水相主体扩散到每个细胞的距离，细胞基本上保持完好，水溶性物质可以通过半透性细胞膜扩散进本上保持完好，水溶性物质可以通过半透性细胞膜扩散进入水溶剂中，蛋白质和胶体组分因透不过细胞膜而不能溶入水溶剂中，蛋白质和胶体组分因透不过细胞膜而不能溶入水相。入水相。粉碎粉碎:液液-固萃取设备固萃取设备 美美 国国 Applied Separ-ations(ASI)公公 司司 产产one/fast PSE型型压压力力/快快速速溶溶剂剂提提取取仪仪。15分分钟钟

13、内内可可同同时时处处理理6个个样样品品，全全自自动动溶溶剂剂分分配配系系统统，可可自自由由实实现现4种种不不同同溶溶剂剂的的切切换换。该该法法具具有有环环保保、高高效效、清清洁洁、快快速速等等诸诸多多特特点点，已已被被美美国国EPA推推荐荐为为3545A标标准准方法。方法。美国戴安公司美国戴安公司产产ASE快速溶剂萃快速溶剂萃取仪取仪，可对固体、，可对固体、半固体样品中的目半固体样品中的目标分析物进行快速标分析物进行快速全自动地萃取。系全自动地萃取。系统带有多项安全特统带有多项安全特性以避免潜在的危性以避免潜在的危险险。德国产德国产IKA固液萃取固液萃取仪，所需化学溶剂更少，仪，所需化学溶剂更

14、少，可减少废料处理费用。可减少废料处理费用。全电脑控制，可同时进全电脑控制，可同时进行行4个萃取过程。个萃取过程。labworldsoft软件组合，软件组合，可方便的建立自动化的可方便的建立自动化的处理程序，一套软件可处理程序，一套软件可同时控制八台仪器。同时控制八台仪器。瑞瑞士士产产B-811索索氏氏抽抽提提仪仪（固固液液萃萃取取设设备备），抽抽提提速速度度快快，45-60分分钟钟即即可可完完成成抽抽提提，无无须须烘烘干干。提提供供4种种抽抽提提方方法法：索索氏氏抽抽提提，索索氏氏双双加加热热，热抽提，连续流法。热抽提，连续流法。美美国国产产AutoTrace,RapidTrace固固相相萃

15、萃取取自自动动工工作作站站，计计算算机机程程序序控控制制，可可在在15分分钟钟内内完完成成六六个个样样品品的的萃萃取取。可可以以配配合合自自动动浓浓缩缩工工作作站站使使用用，自自动动浓缩萃取出来的样品。浓缩萃取出来的样品。法法国国吉吉尔尔森森公公司司生生产产的的ASPEC Xli全全自自动动固固相相萃萃取取仪仪，可可在在线线自自动动进进行行样样品品的的固固相相萃萃取取。采采用用正正相相液液压压技技术术控控制制液液体体流流速速，保保证证液液体体传传送送的的准准确确性性和和重重现现性性，便便于于方方法法的的实实验验室室间间转转移移及及建建立立行行业业乃乃至至国国家家的实验室标准。的实验室标准。意意

16、大大利利Milestone公公司司 Milestone微微波波萃萃取取系系统统，可可溶溶剂剂萃萃取取12份份样样品品，在在15分分钟钟内内完完成成。专专业业的的计计算算机机控控制制终终端端，自自动动控控制制温温度度、压压力力、时间、微波功率等参数。时间、微波功率等参数。上海产上海产ME-3000微波萃取微波萃取/合成系统合成系统 ZCT转盘萃取塔转盘萃取塔 转转盘盘塔塔是是一一种种靠靠外外输输入入能能量量强强化化液液液液萃萃取取过过程程的的设设备备。可可用用于于含含固固体体粒粒子子液液体体的的纯纯化化，已已广广泛泛用用于于食食油油纯纯化化、核核燃燃料料处处理理、原原油油净净化化、维维生生素素纯

17、纯化化、废废水水处处理理等等行行业业中中，具有良好的工业背景。具有良好的工业背景。该该装装置置可可全全视视萃萃取取过过程程，具具有有优优良良的的教教学学效效果果，也也可可广广泛泛用用于于科科研研和和生生产产部部门门的的实实验验室室，作作过过程程研研究究与参数测定之用。与参数测定之用。装置特点：装置特点：该该装装置置由由转转盘盘萃萃取取塔塔、情情、重重相相供供料料系系统统、转转速速无无级调节装置和仪表控制柜组成一体。级调节装置和仪表控制柜组成一体。1.1.轻重相流体经稳压装置处理，流量稳定。轻重相流体经稳压装置处理，流量稳定。2.2.选用选用0 0起动直流调速装置，确保设备运行安全。起动直流调速

18、装置，确保设备运行安全。3.3.塔塔节节为为优优质质无无机机玻玻璃璃制制作作，视视觉觉效效果果好好，塔塔径径 871300mm871300mm。4.4.塔内构件及管道均由不锈钢材质制作。塔内构件及管道均由不锈钢材质制作。5.5.选用优质磁力泵为供料泵，无泄漏。选用优质磁力泵为供料泵，无泄漏。吊篮式萃取设备吊篮式萃取设备适用产业适用产业:1、中药单方、复方之萃取浓缩。、中药单方、复方之萃取浓缩。2、茶、青草茶、咖啡及健康食品之萃、茶、青草茶、咖啡及健康食品之萃取。取。3、肉类、鱼类之萃取、分离、浓缩。、肉类、鱼类之萃取、分离、浓缩。4、药酒之泡制。、药酒之泡制。5、生物科技。、生物科技。特点：特

19、点：1、适用于：量少，种类多生产工厂。、适用于：量少，种类多生产工厂。2、药材置于冲孔编制的药篮内，利用、药材置于冲孔编制的药篮内，利用吊车升降作业。吊车升降作业。3、构造简单，所需空间较小。、构造简单，所需空间较小。4、萃取温度自动操作。、萃取温度自动操作。5、盖予启闭采用气动操作。、盖予启闭采用气动操作。6、附冷凝器，可在完全密闭的状况下、附冷凝器，可在完全密闭的状况下操作。（在大氮压力下作业）操作。（在大氮压力下作业）7、附过滤装置，可减少沉淀物。、附过滤装置，可减少沉淀物。搅拌机萃取设备搅拌机萃取设备1、入料、加水、萃取、排液、过滤、药渣积压、排渣、自动、入料、加水、萃取、排液、过滤、

20、药渣积压、排渣、自动清洗，可完全电脑化，在中央控制室操控。清洗，可完全电脑化，在中央控制室操控。2、适用于量大，种类较少的生产工厂、适用于量大，种类较少的生产工厂 3、立体式设计，占地面积小。、立体式设计，占地面积小。4、使用容积大，所需加的水比吊篮式少。、使用容积大，所需加的水比吊篮式少。5、被萃取物经搅拌作用，萃取效率高。、被萃取物经搅拌作用，萃取效率高。6、不需使用吊篮，作业轻松，并减少萃取液滴在地上。、不需使用吊篮，作业轻松，并减少萃取液滴在地上。7、入水可加自动计量，精确又方便。、入水可加自动计量，精确又方便。8、萃取温度，计时，自动控制。、萃取温度，计时，自动控制。9、送料：可使用

21、真空输送方式，密闭又快速。、送料：可使用真空输送方式，密闭又快速。10、所需工作售货员、所需工作售货员12位就可以。位就可以。11、可加入机介面触控书面，直接在中央控制室操控。、可加入机介面触控书面，直接在中央控制室操控。12、配合振动过滤，液渣分离及过滤效果非常好。、配合振动过滤，液渣分离及过滤效果非常好。13、自动排液（第一次萃取）排料（第二次萃取）。、自动排液（第一次萃取）排料（第二次萃取）。14、排出的药渣可经过挤压机，将残留的萃取液在挤出。、排出的药渣可经过挤压机，将残留的萃取液在挤出。15、挤压后的药渣可经输送带输送至室外。、挤压后的药渣可经输送带输送至室外。16、工作环境，温度较

22、低及干净。、工作环境，温度较低及干净。17、完全密闭合乎安全卫生要求。、完全密闭合乎安全卫生要求。18、附冷凝器，可在大气压力下完全密闭操作，使香气及酒、附冷凝器，可在大气压力下完全密闭操作，使香气及酒精不流失。精不流失。19、可加、可加CIP自动清洗。自动清洗。20、若使用酒精，可加防爆装置。、若使用酒精，可加防爆装置。21、可加装精油回收装置。、可加装精油回收装置。CTL型离心萃取机型离心萃取机 CTL型型离离心心萃萃取取机机是是新新一一代代圆圆筒筒式式离离心心萃萃取取机机，处处理理能能力力大大、功功耗耗低低、运运转转平平稳稳、清清洗洗维维护护方方便便；可可单单机机使使用用，也也可可多多机

23、机串串联联使使用用，该该机机还还可可根根据据不不同同萃萃取取体体系系及及使使用用条条件件通通过过调调整整转转速速、搅搅拌拌浆浆及及重重相相堰堰直直径径等等参参数数来来改改善善萃萃取取时时两两相相混混合合程程度度及及分分离离效效果果和和萃萃取取效效率率。可可完完全全替替代代萃萃取取塔塔等等传传统统萃萃取取设设备。备。该该机机工工作作包包括括两两个个过过程程即即混混合合传传质质过过程程与与两两相相分分离离过程，而这两个过程都是在同一机内完成的。过程，而这两个过程都是在同一机内完成的。性能特点：性能特点：处处理理能能力力大大，萃萃取取速速度度快快，效效率率高高。对对物物料料的的适适应应性性好好，能处

24、理两相密度差很小，难以利用重力分离的物系；能处理两相密度差很小，难以利用重力分离的物系；当当物物料料情情况况出出现现波波动动时时，可可更更换换相相堰堰板板，以以适适应应物物料料的的变变化化；适用于物料情况经常变化的场合，如中药萃取；适用于物料情况经常变化的场合，如中药萃取；物物料料在在机机内内停停留留的的时时间间短短，适适用用于于处处理理易易变变质质的的物物料料，如如抗抗菌菌素素等等。利利用用轮轮式式搅搅拌拌原原理理，能能使使两两相相充充分分混混合合，传传质质效效率高、效果好；率高、效果好；结结构构紧紧凑凑，占占地地面面积积小小，占占用用空空间间少少，结结构构优优化化，拆拆装装方方便，维护费用

25、、操作费用低廉，可实现密闭防爆要求便，维护费用、操作费用低廉，可实现密闭防爆要求；自自动动化化操操作作，无无需需人人工工参参与与，劳劳动动强强度度小小，能能耗耗低低，节约运行成本；节约运行成本；可单机使用，也可多机串联使用可单机使用，也可多机串联使用；易实现多级串联及反萃取工艺易实现多级串联及反萃取工艺。该该机机还还可可根根据据不不同同萃萃取取体体系系及及使使用用条条件件通通过过调调整整转转速速、搅搅拌拌浆浆及及重重相相堰堰直直径径等等参参数数来来改改善善萃萃取取时时两两相相混混合合程程度及分离效果和萃取效率。扩大了机器的使用范围。度及分离效果和萃取效率。扩大了机器的使用范围。溶溶剂剂萃萃取取

26、(Solvent Extraction)是是生生物物工工业业中中重重要要的的分分离离提提纯纯方方法法，它它是是利利用用一一种种溶溶质质组组分分在在两两个个互互不不相相溶溶的的液液相相中中（通通常常为为水水相相和和有有机机相相）分分配配特特性性不同来进行分离的过程。不同来进行分离的过程。第二节第二节 溶剂萃取法溶剂萃取法v料液：料液：在溶剂萃取中，要被提取的原料溶液；在溶剂萃取中，要被提取的原料溶液；v溶质：溶质：欲提取出来的物质；欲提取出来的物质；v萃取剂：萃取剂：用以进行萃取的溶剂；用以进行萃取的溶剂；v萃取液：萃取液：经接触分离后，大部分溶质转移到萃经接触分离后，大部分溶质转移到萃取剂中所

27、得到的溶液；取剂中所得到的溶液；v萃余液：萃余液：被萃取出溶质后剩余的料液。被萃取出溶质后剩余的料液。一、溶剂萃取的基本概念一、溶剂萃取的基本概念v溶剂萃取包含两步：混合；分层。溶剂萃取包含两步：混合；分层。杂质杂质溶质溶质原溶液原溶液萃取剂萃取剂Light phaseHeavy phase萃取相萃取相原溶液原溶液tC在在溶溶剂剂萃萃取取分分离离过过程程中中，当当完完成成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一一步步分分离离操操作作的的实实施施，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，将将目目标标产产物

28、物从从有有机机相相转转入入水水相相的的操操作作就称为就称为反萃取（反萃取（Back extraction)。萃萃取取洗洗涤涤反反萃萃取取萃取剂萃取剂稀释剂稀释剂料液料液（待分离物（待分离物质杂质质杂质萃取液萃取液（待分离物（待分离物质少量杂质）质少量杂质）洗洗涤涤剂剂萃残液萃残液（杂质）（杂质）杂质杂质+少量少量待萃物质待萃物质产物（待萃物质）产物（待萃物质）（待返回使用）（待返回使用）萃取剂稀释剂萃取剂稀释剂反反萃萃剂剂待待萃萃物物质质溶剂萃取的操作流程溶剂萃取的操作流程 萃取过程具有萃取过程具有选择性选择性；能与其他需要的纯化步骤能与其他需要的纯化步骤相配合相配合；通过转移到具有不同物理或

29、化学特性的第二相中，来通过转移到具有不同物理或化学特性的第二相中，来减少减少由于降解（水解）引起的产品损失由于降解（水解）引起的产品损失；可从潜伏的降解过程中（如代谢或微生物过程）分离产物；可从潜伏的降解过程中（如代谢或微生物过程）分离产物；适用于各种不同的规模适用于各种不同的规模；传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易实现计算传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易实现计算机控制。机控制。溶剂萃取的优点溶剂萃取的优点 生物萃取与传统萃取相比的特殊性生物萃取与传统萃取相比的特殊性v生物工程不同于化工生产，主要表现在生物分离生物工程不同于化工生产，主要表现在生物分离往往需要从浓度很稀的水溶

30、液中除去往往需要从浓度很稀的水溶液中除去大部分的水大部分的水，而且反应液中存在而且反应液中存在多种副产物和杂质多种副产物和杂质，使生物萃，使生物萃取具有特殊性。取具有特殊性。v 成分复杂成分复杂v 传质速率不同传质速率不同v 相分离性能不同相分离性能不同v 产物的不稳定性产物的不稳定性 生物产品溶剂萃取的典型应用主要在两个方生物产品溶剂萃取的典型应用主要在两个方面：面：v 从从发酵培养液发酵培养液中萃取产物；中萃取产物；v 从从生物反应液生物反应液或或生物转化液生物转化液中萃取产物。中萃取产物。根据被萃取物的分子大小，一般可区分为根据被萃取物的分子大小，一般可区分为两种主要类型：两种主要类型：

31、v 小分子类；小分子类；v 大分子类。大分子类。二、萃取过程的理论基础二、萃取过程的理论基础液液萃取是液液萃取是以分配定律为基础以分配定律为基础分配定律：分配定律：一定温度、压力下，溶质在两个互不相溶的一定温度、压力下，溶质在两个互不相溶的溶剂中分配，平衡时，溶质在两相中浓度之比为常数。溶剂中分配，平衡时，溶质在两相中浓度之比为常数。K-分配系数分配系数v在常温常压下为常数；在常温常压下为常数；应用前提条件应用前提条件（1）稀溶液稀溶液（2）溶质对溶剂互溶没有影响溶质对溶剂互溶没有影响（3）必须是同一分子类型，不发生缔合或离解必须是同一分子类型，不发生缔合或离解分配定律推导分配定律推导当温度一

32、定时，标准化学位为常数当温度一定时，标准化学位为常数如为稀溶液，用浓度代替活度如为稀溶液，用浓度代替活度根据相律（根据相律（F=C-P+2F=C-P+2），在一定温度和压力下萃取达到），在一定温度和压力下萃取达到平衡时，溶质在两相中的化学位相等：平衡时，溶质在两相中的化学位相等：L L=H H分离因素（分离因素（）v如果原来料液中除溶质如果原来料液中除溶质A A以外，还含有溶质以外，还含有溶质B B，则由于则由于A A、B B的分配系数不同，萃取相中的分配系数不同，萃取相中A A和和B B的的相对含量就不同于萃余相中相对含量就不同于萃余相中A A和和B B的相对含量。的相对含量。v如如A A的

33、分配系数较的分配系数较B B大，则萃取相中大，则萃取相中A A的含量（浓的含量（浓度）较度）较B B多，这样多，这样A A和和B B就得到一定程度的分离。就得到一定程度的分离。v萃取剂对溶质萃取剂对溶质A A和和B B分离能力的大小可用分离能力的大小可用分离因分离因素（素（）来表征）来表征。分离因素表示有效成分分离因素表示有效成分A与杂质与杂质B的分离程度。的分离程度。=1 KA=KB 分离效果不好；分离效果不好；1 KA KB 分离效果好；分离效果好；越大，越大，KA 越大于越大于KB，分离效果越好。，分离效果越好。分离因素（分离因素（）弱电解质在有机溶剂弱电解质在有机溶剂-水相的分配平衡水

34、相的分配平衡分配系数中分配系数中CL和和CH 必须是同一种分子类型，即不发生缔合必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。或离解。对于弱电解质，在水中发生解离，则只有两相中的对于弱电解质，在水中发生解离，则只有两相中的单分子化合物的浓度才符合分配定律。单分子化合物的浓度才符合分配定律。例如例如青霉素在水中部分离解成负离子（青青霉素在水中部分离解成负离子（青COO），而在溶），而在溶剂相中则仅以游离酸（青剂相中则仅以游离酸（青COOH）的形式存在，则）的形式存在，则只有两相只有两相中的游离酸分子才符合分配定律。中的游离酸分子才符合分配定律。此时，此时，同时存在着两种平衡，一种是青霉素游离酸分子在

35、有同时存在着两种平衡，一种是青霉素游离酸分子在有机溶剂相和水相间的分配平衡；另一种是青霉素游离酸在水机溶剂相和水相间的分配平衡；另一种是青霉素游离酸在水中的电离平衡中的电离平衡（图（图18-2）。前者用分配系数）。前者用分配系数K0来表征，后来表征，后者用电离常数者用电离常数Kp来表征。对于弱碱性物质也有类似的情况。来表征。对于弱碱性物质也有类似的情况。青霉素的分配平衡弱电解质的分配系数：弱电解质的分配系数：v热力学分配系数热力学分配系数K K0 0 ：萃取平衡时，单分子化：萃取平衡时，单分子化合物溶质在两相中浓度之比。合物溶质在两相中浓度之比。v弱酸性电解质K0 AH/AH=v弱碱性电解质K

36、0 B/B=Kp=弱电解质的表观分配系数弱电解质的表观分配系数K K：v分配达平衡时，溶质在两相的总浓度之比分配达平衡时，溶质在两相的总浓度之比 v对于弱酸性电解质v对于弱碱性电解质=K0/(1 10 pH pK)=K0/(1 10 pK pH)uK0只与只与T、P有关；有关；K与与T、P和和pH有关有关uK可通过实验求出，而可通过实验求出，而K0不能，可由公式求出。不能，可由公式求出。思考题：思考题：将青霉素由水相萃取到丁酯相中，其将青霉素由水相萃取到丁酯相中，其pK=2.75，萃取条，萃取条件：件：pH=2.5，T=10，VF VS=1 1，测得萃取前发酵液，测得萃取前发酵液（水相）效价（

37、水相）效价20000 u/ml，平衡后废液效价，平衡后废液效价645.2 u/ml，求分配系数，求分配系数K和和K0弱酸的表观分配系数：弱酸的表观分配系数：K=K0/(1 10 pH pK)弱酸的表观分配系数：弱酸的表观分配系数：K=K0/(1 10 pK pH)为什么青霉素在酸性（为什么青霉素在酸性（pH2.5pH2.5）条件下，而红霉素却要）条件下，而红霉素却要在碱性（在碱性（pH9.8pH9.8）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？2 不同不同pH条件影响弱电解质电离，从而影响分子的极性，条件影响弱电解质电离，从而影响分子的极性，根据相似相溶原则根据相似相溶原则

38、，在弱极性的丁酯中极性小的分子溶，在弱极性的丁酯中极性小的分子溶解度比水中大。解度比水中大。1 根据表观分配系数公式可知，根据表观分配系数公式可知，弱酸的表观分配系数：弱酸的表观分配系数：K=K0/(1 10 pH pK)弱酸的表观分配系数：弱酸的表观分配系数：K=K0/(1 10 pK pH)对于弱酸：对于弱酸：pH pK 时，分配系数大时，分配系数大青霉素青霉素 红霉素红霉素酸碱性酸碱性pHpK弱酸性弱酸性(2.75)弱碱性弱碱性(9.4)游离分子游离分子 “+”“”游离分子游离分子 根据相似相溶原则，在弱极性的丁酯中游离分子极性小，溶解根据相似相溶原则，在弱极性的丁酯中游离分子极性小，溶

39、解度比水中大，故从水相转入丁酯相中，而发酵液中存在的其它度比水中大，故从水相转入丁酯相中，而发酵液中存在的其它杂质由于极性情况与抗生素不同，故很少进入丁酯中，这样就杂质由于极性情况与抗生素不同，故很少进入丁酯中，这样就达到一定程度的纯化达到一定程度的纯化酸性物质酸性物质：pH pK时，时，主要以负离子存在；主要以负离子存在；pH pK时时，主要以游离分子存在；主要以游离分子存在；pH pK时时，两种形式各占两种形式各占50三、溶剂萃取的影响因素三、溶剂萃取的影响因素v1 1影响萃取操作的因素：影响萃取操作的因素：pHpH、温度、盐析、温度、盐析v2 2有机溶剂的选择有机溶剂的选择v3 3带溶剂

40、带溶剂v4 4乳化与去乳化乳化与去乳化1 1.影响萃取操作的因素影响萃取操作的因素（1）pH对表观分配系数的影响（对表观分配系数的影响（pHK）pH低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配在水相低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配在水相。对弱酸随对弱酸随pHK,当当pH pK时，时，KK0 例：已知例：已知pen pK=2.75 T=10 K0=47 求求:pH4.4 pH2.5 pH2.0时的时的K?pH4.4时时:pH2.5时时:K=30 pH2.0时时:K=39.9 pHK解释原理解释原理:pH pen-易溶于丁酯易溶于丁酯 控制控制pH，去除杂质，去除杂质 例例:pen 当当p

41、HpK时时,萃取萃取丁酯中丁酯中 (1)碱性杂质碱性杂质 pKpen pK碱杂碱杂 当当pH pKpen(2.75)pH pK碱杂碱杂 碱性杂质呈正离子状态，易溶于水相中，碱性杂质呈正离子状态，易溶于水相中，自然分离除去自然分离除去(2)酸性杂质酸性杂质 pK酸杂酸杂 pKpen 例例:青霉烯酸青霉烯酸 pK烯烯 pKpen 例例:苯乙酸苯乙酸 pK乙乙(4.8)pKpen(2.75)萃取时无法去除萃取时无法去除;反萃时反萃时 4.8 pH 2.75 与杂质的分离程度归纳与杂质的分离程度归纳生化物质生化物质杂杂 质质萃取操作条件的控制萃取操作条件的控制酸性酸性 碱性碱性(pK碱杂碱杂pK生生)

42、酸性酸性(pK酸杂酸杂pK生生)碱性碱性 酸性酸性(pK酸杂酸杂pK生生)碱性碱性(pK碱杂碱杂pK生生)萃取时萃取时 杂质自然除去杂质自然除去pK酸杂酸杂 pH pH pK生生萃取时杂质自然除去萃取时杂质自然除去pK碱杂碱杂 pH pK生生萃取时无法去除萃取时无法去除反萃取反萃取pK碱杂碱杂 pH pK生生（2）温度温度T TT，分子扩散速度，分子扩散速度，故萃取速度，故萃取速度 T T影响分配系数影响分配系数 例：例：pen Tpen T 水中的溶解度水中的溶解度 萃取时萃取时 T T使使K K；反萃时反萃时 T T使使K K反反 红霉素、螺旋霉素红霉素、螺旋霉素 T 水中的溶解度水中的溶

43、解度 萃取时萃取时 T使使K；反萃时；反萃时 T使使K反反 T T影响两溶剂的互溶度影响两溶剂的互溶度一般生化物质的萃取在室温或较低温度下进行一般生化物质的萃取在室温或较低温度下进行（3 3）盐析：）盐析：无机盐无机盐如氯化钠、硫酸铵等，作用如氯化钠、硫酸铵等，作用：可以使生化物质在水中溶解度可以使生化物质在水中溶解度,提高有机相中含量，消提高有机相中含量，消除有机相中的水滴除有机相中的水滴；两相比重差；两相比重差 两相互溶度两相互溶度例：例：A:A:penpen从水相从水相丁酯中，加氯化钠洗涤，丁酯中，加氯化钠洗涤，消除有机相水滴，提高质量和收率；消除有机相水滴，提高质量和收率；B:B:sp

44、m spm的丁酯萃取液的丁酯萃取液+饱和盐水洗涤，饱和盐水洗涤，减少减少spmspm在水中溶解度；消除有机相水滴；分相容易。在水中溶解度；消除有机相水滴；分相容易。2.萃取溶剂的选择萃取溶剂的选择 是溶剂萃取的关键是溶剂萃取的关键，而选择的依据是，而选择的依据是“相似相溶相似相溶”的原则的原则。“相似相溶相似相溶”原理：原理：分子之间可以有两方面的相似，一是分子之间可以有两方面的相似，一是分子结构相似分子结构相似，如分子的组成、官能团、形态结构的相似；，如分子的组成、官能团、形态结构的相似；二是二是能量能量(相互作用力相互作用力)相似相似，如相互作用力有极性的和非极，如相互作用力有极性的和非极

45、性的之分，两种物质如相互作用力相近，则能互相溶解。性的之分，两种物质如相互作用力相近，则能互相溶解。与水与水“相似相似”的物质易溶于水，与油的物质易溶于水，与油“相似相似”的物质易的物质易溶于油就是相似相溶原理的表现。溶于油就是相似相溶原理的表现。在生物工业上，选择溶剂时考察较多的是在生物工业上，选择溶剂时考察较多的是分子极性。分子极性。介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量度介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量度，如果已知如果已知介电常数，就能预测该化合物是极性的还是非极性的。介电常数，就能预测该化合物是极性的还是非极性的。物质物质的介电常数可通过测定该物质在电容器二极板间的静电容量的介电常数

46、可通过测定该物质在电容器二极板间的静电容量C来决定。来决定。根据萃取目标物质的介电常数，寻找极性相接近的溶剂根据萃取目标物质的介电常数，寻找极性相接近的溶剂作为萃取溶剂，也是溶剂选择的重要方法之一。作为萃取溶剂，也是溶剂选择的重要方法之一。溶剂的介电常数与极性成正比。溶剂的介电常数与极性成正比。一个良好溶剂要满足的要求：一个良好溶剂要满足的要求：(1)有很大的有很大的萃取容量萃取容量，即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产，即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产物；物；(2)有良好的有良好的选择性选择性，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质；，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质；(3)与水不互溶，与水的密度

47、差较大，粘度小或表面张力适中，与水不互溶，与水的密度差较大，粘度小或表面张力适中，这样有利于相的分散和两相分离；这样有利于相的分散和两相分离；(4)溶剂的溶剂的回收和再生容易回收和再生容易；(5)化学化学稳定性稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；好，不易分解，对设备腐蚀性小；(6)经济性好经济性好，价廉易得；，价廉易得；(7)安全性好安全性好，对人体无毒性或毒性低。，对人体无毒性或毒性低。常用于生化萃取的有机溶剂有丁醇、丁酯、乙酸乙酯、常用于生化萃取的有机溶剂有丁醇、丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯等。乙酸丁酯、乙酸戊酯等。物理化学方面物理化学方面有足够的有足够的容量容量与水溶液与水溶液不互

48、溶不互溶，不发生乳化不发生乳化对产物有高的对产物有高的分配系数分配系数低黏度低黏度在在密度密度上同水有大的差别上同水有大的差别生物学方面生物学方面在消毒过程中在消毒过程中热稳定热稳定经济方面经济方面对生物催化剂、酶或活细胞对生物催化剂、酶或活细胞无毒性无毒性低成本低成本能大批供应能大批供应对人员无毒对人员无毒不易燃不易燃表表1 萃取溶剂的选择准则萃取溶剂的选择准则3 3带溶剂带溶剂 对于水溶性强的溶质，可利用脂溶性萃取剂与溶对于水溶性强的溶质，可利用脂溶性萃取剂与溶质间的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有质间的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有机相转移。机相转移。抗生素萃取剂：月桂酸、

49、脂肪碱或胺类等。抗生素萃取剂：月桂酸、脂肪碱或胺类等。氨基酸萃取剂：氯化三辛基甲铵。氨基酸萃取剂：氯化三辛基甲铵。溶质与带溶剂之间的作用：溶质与带溶剂之间的作用：离子对萃取、离子交换离子对萃取、离子交换萃取、反应萃取。萃取、反应萃取。v离子对离子对/反应萃取就是使目标溶质与溶剂通过反应萃取就是使目标溶质与溶剂通过络合反应、酸碱反应或离子交换反应生成可络合反应、酸碱反应或离子交换反应生成可溶性的复合物，从水相转移到有机溶剂相中。溶性的复合物，从水相转移到有机溶剂相中。v主要有两类萃取剂：v1.1.有机磷类萃取剂有机磷类萃取剂v2.2.胺类萃取剂胺类萃取剂磷酸三丁酯（磷酸三丁酯（TBP）氧化三辛基

50、膦（氧化三辛基膦（TOPO）二二 2 乙基己基磷酸（乙基己基磷酸（DEHPA）有机磷类萃取剂与目标溶质发生络合反应，从而转有机磷类萃取剂与目标溶质发生络合反应，从而转移到萃取相，移到萃取相，在类似的条件下，在类似的条件下，用有机磷类化合物用有机磷类化合物萃取弱有机酸，比醋酸丁酯等碳氧类萃取剂分配比萃取弱有机酸，比醋酸丁酯等碳氧类萃取剂分配比要高很多。要高很多。胺类萃取剂胺类萃取剂(三辛胺三辛胺)可与目标溶质发生反应，用可与目标溶质发生反应，用胺类长链脂肪酸从水溶液中萃取带质子的有机化胺类长链脂肪酸从水溶液中萃取带质子的有机化合物是一个可行的过程，并用于从发酵液中大规合物是一个可行的过程，并用于