第三章萃取与色谱分离设备.ppt

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1、第三章萃取与色谱分离设备现在学习的是第1页，共42页第一节萃取分离原理及设备萃取分离原理萃取分离原理：萃取萃取(extraction)(extraction)是利用液体或超临界流体为溶是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作，所以，萃取操作中至少剂提取原料中目标产物的分离纯化操作，所以，萃取操作中至少有一相为流体，一般称该流体为萃取剂有一相为流体，一般称该流体为萃取剂(extractant)(extractant)。以液体为萃。以液体为萃取剂时，如果含有目标产物的原料也为液体，则称此操作为液取剂时，如果含有目标产物的原料也为液体，则称此操作为液-液液萃取；如果含有目标产物的

2、原料为固体，则称此操作为液萃取；如果含有目标产物的原料为固体，则称此操作为液-固固萃取或浸取萃取或浸取(Leaching)(Leaching)。以超临界流体为萃取剂时，含有目。以超临界流体为萃取剂时，含有目标产物的原料可以是液体，也可以是固体，称此操作为超临标产物的原料可以是液体，也可以是固体，称此操作为超临界流体萃取。另外，在液界流体萃取。另外，在液-液萃取中，根据萃取剂的种类和形式的液萃取中，根据萃取剂的种类和形式的不同又分为有机溶剂萃取不同又分为有机溶剂萃取(简称简称 溶剂萃取溶剂萃取)、双水相萃取、液膜萃取、双水相萃取、液膜萃取和反胶束萃取等。溶剂萃取一般用于小分子物质的提取，双水相萃

3、取和反胶束萃取等。溶剂萃取一般用于小分子物质的提取，双水相萃取常用于蛋白质等大分子物质的提取常用于蛋白质等大分子物质的提取 现在学习的是第2页，共42页萃取分离的特点1、比化学沉淀法分离程度高；2、比离子交换法选择性好、传质快；3、比蒸馏法能耗低，生产能力大，周期短，连续操作，可以自动化控制；4、和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型分离技术现在学习的是第3页，共42页双水相萃取的原理聚合物的不相溶性聚合物的不相溶性(incompatibility)：当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将

4、聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相容性。现在学习的是第4页，共42页采用双水相萃取时，通常将蛋白质分配在上相（PEG聚乙二醇），细胞碎片分配在下相（盐）。反过来对相的分离不利，因为当上相固含量高时，分离机的性能会受到影响。在操作时、单位重量相系统中料浆的加入量是一个重要的参数。显然，料浆的加入量愈多愈经济，但过量的浆会影响原来聚合物的成相系统，使分配系数降低，结果收率降低。根据经验，一般每1kg萃取系统处理200400g湿菌体为宜。现在学习的是第5页，共42页两级双水相系统萃取酶的流程。图两级双水相萃

5、取酶的流程1一细胞悬浮液2一细胞破碎机3一冷却器4-PEG一盐贮罐5一混合器6一离心机7一废渣相贮罐8一暂存罐9一盐贮罐10一酶液贮罐现在学习的是第6页，共42页单级萃取流程单级萃取只包括一个混合器和一个分离器，如图231所示。料液F和溶剂S加入混合器中经接触达到平衡后，用分离器分离得到萃取液L和萃余液R。设料液体积为VF，溶剂的体积为Vs，则经过萃取后。溶质在萃取相中的浓度为山，在萃余相中的浓度为C2现在学习的是第7页，共42页现在学习的是第8页，共42页设设设设K-K-分配系数，即萃取相中溶质浓度与萃余相中溶分配系数，即萃取相中溶质浓度与萃余相中溶质浓度的比值；质浓度的比值；EE萃取因数萃

6、取因数萃取因数萃取因数 (extraction factor)(extraction factor)，即溶质在萃取相中，即溶质在萃取相中，即溶质在萃取相中，即溶质在萃取相中的数量与在萃余相中的数量的数量与在萃余相中的数量的数量与在萃余相中的数量的数量与在萃余相中的数量 （重量或摩尔量）的比值；（重量或摩尔量）的比值；（重量或摩尔量）的比值；（重量或摩尔量）的比值；mm体积浓缩倍数，即料液体积与溶剂体积的比值。体积浓缩倍数，即料液体积与溶剂体积的比值。E E=mL mL/H/H另外，用 表示萃余分率，则在单级萃取时有表示萃余分率，则在单级萃取时有现在学习的是第9页，共42页多级萃取多级萃取现在学

7、习的是第10页，共42页萃取设备液一液萃取设备应包括3个部分：混合设备、分离设备和溶剂回收设备。混合设备是真正进行萃取的设备，它要求料液与萃取剂充分混合形成乳浊液，欲分离的生物产品自料液转入萃取剂中。分离设备是将萃取后形成的萃取相和萃余相进行分离。溶剂回收设备需要把萃取液中的生物产品与萃取溶剂分离并加以回收。现在学习的是第11页，共42页混合通常在搅拌罐中进行，也可将料液与萃取剂在管道内以很高速度混合，称管道萃取，也有利用喷射泵进行涡流混合，称喷射萃取。分离多采用分离因数较高的离心机，也可将混合与分离同时在一个设备内完成，称萃取机。大多数生物产品在pHpH变化变化较大时不稳定，这就要求混合分离

8、能够快速进行，其较大时不稳定，这就要求混合分离能够快速进行，其次，由于料液中常含有可溶性蛋白质和糖，萃取过程次，由于料液中常含有可溶性蛋白质和糖，萃取过程中会产生乳化现象而影响分离，因此，各种类型的萃中会产生乳化现象而影响分离，因此，各种类型的萃取分离塔是不适用的。溶剂回收利用各种蒸馏设备来取分离塔是不适用的。溶剂回收利用各种蒸馏设备来完成完成现在学习的是第12页，共42页混合设备混合罐的结构类似于带机械搅拌的密闭式反应罐，如混合罐的结构类似于带机械搅拌的密闭式反应罐，如图图23 35所示。采用螺旋桨式搅拌器，转速为4001000r1000rmin；若用涡轮式搅拌器，转速为300600rmin

9、min，为防止中心液面下凹，在罐壁设置挡板，为防止中心液面下凹，在罐壁设置挡板，罐顶上有萃取剂、料液、调节罐顶上有萃取剂、料液、调节pHpH的酸（碱）液及去乳化剂的进口管，底部有排料管。料液在罐内的平均混合停留时间约1 12min2min。由于搅拌器的作用，罐内几乎处于全混流状态，使罐内两液相的平均浓度与出口浓度近似相等。现在学习的是第13页，共42页混合罐现在学习的是第14页，共42页为了加大罐内两相间的传质推动力，可用带有中心孔的圆形水平隔板将混合罐分隔成上下连通的几个混合室（类似于萃取塔），每个室中都设有搅拌器。这样只有底部一个室中的混合液浓度与出口浓度相同。除机械搅拌混合罐外，尚有气流

10、搅拌混合罐，即将压缩空气通入料液中，借鼓泡作用进行搅拌，特别适用于化学腐蚀性强的料液，但不适用搅拌挥发性强的料液。现在学习的是第15页，共42页混合管现在学习的是第16页，共42页a a）为器内混合过程，即萃取剂及料液由各自导管进入器）为器内混合过程，即萃取剂及料液由各自导管进入器内进行混合；（内进行混合；（b）、（）、（c）则为两液相已在器外汇合，后经喷嘴或孔板进入器内，从而加强了湍流程度，提高了萃取效率。喷射式混合柱是一种体积小效率高的混合装置，特别适用于低黏度、易分散的料液。这种设备投资小，但需要料液在较高的压力下进入混合器。喷射式混合器的压力降、吸液量计算可参考有关资料。另外，若两液相

11、容易混合时，可直接利用离心泵在循环输送过程中进行混合。现在学习的是第17页，共42页级离心萃取机是在一台设备中装有两级或三级混合及分离级离心萃取机是在一台设备中装有两级或三级混合及分离装置的逆流萃取设备。图装置的逆流萃取设备。图2 2是LuwestaEK10007LuwestaEK10007三级逆三级逆流离心萃取机的示意图。分上、中、下三段，下段是第流离心萃取机的示意图。分上、中、下三段，下段是第一级混合与分离区，中段是第二级，上段是第三级，每一级混合与分离区，中段是第二级，上段是第三级，每一段的下部都是混合区域，中部是分离区域，上部都是一段的下部都是混合区域，中部是分离区域，上部都是重液相引

12、出区域，新鲜的萃取剂由第三级加入，待萃取重液相引出区域，新鲜的萃取剂由第三级加入，待萃取料液则由第一级加入，萃取轻液相在第一级引出，萃余料液则由第一级加入，萃取轻液相在第一级引出，萃余液则在第三级引出。操作时转鼓转速为液则在第三级引出。操作时转鼓转速为 4500rminmin，料液最大处理量为料液最大处理量为7m37m3h，料液进口压力，料液进口压力 5105Pa5105Pa，萃取剂进口压力，萃取剂进口压力 3105Pa3105Pa。现在学习的是第18页，共42页连续逆流离心萃取机连续逆流离心萃取机是将萃取剂与料液在逆流情况下连续逆流离心萃取机是将萃取剂与料液在逆流情况下进行多次接触和多次分离

13、的萃取设备。图进行多次接触和多次分离的萃取设备。图 1 1是是a aLavalABE216216型离心萃取机的结构。其主要部件为一型离心萃取机的结构。其主要部件为一由由11个不同直径的同心圆筒组成的转鼓，每个圆筒上均个不同直径的同心圆筒组成的转鼓，每个圆筒上均在一端开孔，作为料液和萃取剂流动的通道，由于相邻在一端开孔，作为料液和萃取剂流动的通道，由于相邻筒之间开孔位置上下错开，使液体上了曲折流动。从中筒之间开孔位置上下错开，使液体上了曲折流动。从中心向外数第心向外数第4 41111筒的外壁上均焊有螺旋形导流板，这样筒的外壁上均焊有螺旋形导流板，这样就使两个液相的流动路程大为加长，从而延长了两液

14、相的就使两个液相的流动路程大为加长，从而延长了两液相的混合与分离时间，在螺旋形导流板上又开设大小不同的缺混合与分离时间，在螺旋形导流板上又开设大小不同的缺口，使螺旋形长通道中形成很多短路，增加了两液相之间口，使螺旋形长通道中形成很多短路，增加了两液相之间的接触机会。的接触机会。现在学习的是第19页，共42页操作时，重液相（料液）由底部轴周围的套管进入转鼓后，沿螺旋形通道由内向外顺次流经各筒，最后由外筒经溢流环到向心泵室被排出。轻液（萃取剂）则由底部的中心管进入转鼓，流入第十圆筒，从下端进入螺旋报通道，由外向内顺次流过各筒，最后从第一筒经出口排出。图2是ABE216型离心萃取机液体流向图。现在学

15、习的是第20页，共42页现在学习的是第21页，共42页卧式连续逆流离心萃取机卧式连续逆流离心萃取机转鼓水平放置同心圆筒上均匀开有小孔，两相连续接触分离转轴处有空隙，为轻液的澄清区，鼓壁处有空隙，为重液的澄清区轻液进口压强最高，出口压强称为背压；重液进口压强应大于背压，出口压强常压要求鼓内轻液多时，可增加背压。现在学习的是第22页，共42页现在学习的是第23页，共42页第二节离子交换分离原理及设备现在学习的是第24页，共42页一、离子交换与离子交换树脂1.1.离子交换反应离子交换反应离子交换反应离子交换反应 离子交换分离法是通过试样离子在离子交换剂（固相）和离子交换分离法是通过试样离子在离子交换

16、剂（固相）和离子交换分离法是通过试样离子在离子交换剂（固相）和离子交换分离法是通过试样离子在离子交换剂（固相）和淋洗液（液相）之间的分配（离子交换）而达到分离的方法。淋洗液（液相）之间的分配（离子交换）而达到分离的方法。淋洗液（液相）之间的分配（离子交换）而达到分离的方法。淋洗液（液相）之间的分配（离子交换）而达到分离的方法。分配过程是一离子交换反应过程。分配过程是一离子交换反应过程。分配过程是一离子交换反应过程。分配过程是一离子交换反应过程。阳离子交换反应：阳离子交换反应：阳离子交换反应：阳离子交换反应：Resin-SO3H +Na+=Resin-SO3 Na+H+Resin-SO3H +N

17、a+=Resin-SO3 Na+H+Resin-SO3Na +H+=Resin-SO3 H+Na+Resin-SO3Na +H+=Resin-SO3 H+Na+阴离子交换反应：阴离子交换反应：阴离子交换反应：阴离子交换反应：Resin-N(CH3)3OH +Cl-=N(CH3)3 Cl +OH+Resin-N(CH3)3OH +Cl-=N(CH3)3 Cl +OH+Resin-N(CH3)3 Cl+OH-=N(CH3)3 OH+Cl-Resin-N(CH3)3 Cl+OH-=N(CH3)3 OH+Cl-现在学习的是第25页，共42页2.2.离子交换树脂离子交换树脂离子交换反应发生在离子交换树脂

18、上的具有可交换离子的活性基团上。离子交换反应发生在离子交换树脂上的具有可交换离子的活性基团上。离子交换反应发生在离子交换树脂上的具有可交换离子的活性基团上。离子交换反应发生在离子交换树脂上的具有可交换离子的活性基团上。离子交换树脂是以高分子聚合物为骨架，反应引入活性基团构成。高离子交换树脂是以高分子聚合物为骨架，反应引入活性基团构成。高离子交换树脂是以高分子聚合物为骨架，反应引入活性基团构成。高离子交换树脂是以高分子聚合物为骨架，反应引入活性基团构成。高分子聚合物以苯乙烯分子聚合物以苯乙烯分子聚合物以苯乙烯分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯共聚物小球常见，可引入各种特性的二乙烯苯共聚物小球常见，可引

19、入各种特性的二乙烯苯共聚物小球常见，可引入各种特性的二乙烯苯共聚物小球常见，可引入各种特性的活性基团，使之具有选择性。活性基团，使之具有选择性。活性基团，使之具有选择性。活性基团，使之具有选择性。Resin-SO3HResin-SO3H（氢型）树脂的酸性最强，其（氢型）树脂的酸性最强，其（氢型）树脂的酸性最强，其（氢型）树脂的酸性最强，其Resin-SO3 Na Resin-SO3 Na（钠型）比氢型稳定，商品常为钠型，使用前用酸淋洗转型（钠型）比氢型稳定，商品常为钠型，使用前用酸淋洗转型（钠型）比氢型稳定，商品常为钠型，使用前用酸淋洗转型（钠型）比氢型稳定，商品常为钠型，使用前用酸淋洗转型（

20、再生）。阴离子交换树脂的（再生）。阴离子交换树脂的（再生）。阴离子交换树脂的（再生）。阴离子交换树脂的ClCl型稳定。型稳定。型稳定。型稳定。以磷酸基团以磷酸基团以磷酸基团以磷酸基团-PO(OH)2和次磷酸基团和次磷酸基团-PO(OH)-PO(OH)作为活作为活作为活作为活性基团的树脂具有中等强度的酸性。最多的为性基团的树脂具有中等强度的酸性。最多的为性基团的树脂具有中等强度的酸性。最多的为性基团的树脂具有中等强度的酸性。最多的为732#732#离子交换反应是一可逆反应。离子交换反应是一可逆反应。离子交换反应是一可逆反应。离子交换反应是一可逆反应。离子交换树脂使用后需要进行再生处理离子交换树脂

21、使用后需要进行再生处理离子交换树脂使用后需要进行再生处理离子交换树脂使用后需要进行再生处理现在学习的是第26页，共42页弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂这类树脂的活性基团有羧基这类树脂的活性基团有羧基-COOH-COOH，酚羟基-OH-OH等，等，它们的电离程度小，交换性能受溶液它们的电离程度小，交换性能受溶液pH的影响很大，其的影响很大，其交换能力随溶液交换能力随溶液pHpH的增加而提高。在酸性溶液中，这类的增加而提高。在酸性溶液中，这类树脂几乎不发生交换反应、对于羧基树脂，应该在树脂几乎不发生交换反应、对于羧基树脂，应该在pH7的溶液中操作，而对于酚羟基树脂，应使溶液的溶液中操作，

22、而对于酚羟基树脂，应使溶液的的pHpH9 9。和强酸树脂不同，弱酸树脂和氢离子结合能力很强，故和强酸树脂不同，弱酸树脂和氢离子结合能力很强，故再生成氢型较容易，耗酸量少。再生成氢型较容易，耗酸量少。现在学习的是第27页，共42页强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂这类树脂有两种，一种含三甲胺基称为强碱这类树脂有两种，一种含三甲胺基称为强碱I型，另型，另一种含二甲基一种含二甲基-b-b羟基羟基-乙基胺基团，为强碱型。和强酸离乙基胺基团，为强碱型。和强酸离子交换相似，活性基团电离程度较强且不受子交换相似，活性基团电离程度较强且不受pH变化的影变化的影响，在响，在pH1pH114范围内均可使用。

23、这类树脂成氯型时较羟型稳定，耐热性也较好，因此，商品大多以氯型出售。I I型的碱性比对型的碱性比对型强，但再生较困难，型树脂的稳定性较差。典型的交换反应为型树脂的稳定性较差。典型的交换反应为RN(CH3)3CINaOHRN(CH3)3OH+NaClNaOHRN(CH3)3OH+NaCl现在学习的是第28页，共42页弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂这类树脂的活性基团有伯胺基团-NH2、仲胺基=NH、叔胺基N和吡啶基等。与弱酸阳离子树脂一样，交换能力受溶液pH的影响很大，pH越小交换能力越强。故在pHC2O42-I-NO3-CrO42-Br-SCN-Cl-SO42-C2O42-I-NO3-

24、CrO42-Br-SCN-Cl-Ac-F-Ac-F-(4)H+(4)H+对强酸性离子交换树脂的亲和力在对强酸性离子交换树脂的亲和力在对强酸性离子交换树脂的亲和力在对强酸性离子交换树脂的亲和力在Na+与与与与Li+Li+之间，离之间，离子交换树脂的酸性越弱，子交换树脂的酸性越弱，H+H+与其亲和力越大；与其亲和力越大；与其亲和力越大；与其亲和力越大；(5)OH-对强碱性离子交换树脂的亲和力在对强碱性离子交换树脂的亲和力在Ac-与与F-之间，之间，离子交换树脂的碱性越弱，离子交换树脂的碱性越弱，OH-与其亲和力越大；与其亲和力越大；当溶液中有多种离子可与树脂发生交换时：当溶液中有多种离子可与树脂发

25、生交换时：当溶液中有多种离子可与树脂发生交换时：当溶液中有多种离子可与树脂发生交换时：R-A +B+=R-B +A+R-A +B+=R-B +A+此反应的平衡常数称为离子交换的选择性系数此反应的平衡常数称为离子交换的选择性系数K KB/AB/A。现在学习的是第34页，共42页三、离子交换分离法的应用1.1.去离子水的制备去离子水的制备去离子水的制备去离子水的制备 实验室用去离子水及锅炉用水的软化。采用串联的阳离实验室用去离子水及锅炉用水的软化。采用串联的阳离实验室用去离子水及锅炉用水的软化。采用串联的阳离实验室用去离子水及锅炉用水的软化。采用串联的阳离子交换柱和阴离子交换柱。子交换柱和阴离子交

26、换柱。子交换柱和阴离子交换柱。子交换柱和阴离子交换柱。2.2.干扰组分的分离干扰组分的分离干扰组分的分离干扰组分的分离 如测定矿石中的铀时，为了除去其他金属离子的干扰，将如测定矿石中的铀时，为了除去其他金属离子的干扰，将如测定矿石中的铀时，为了除去其他金属离子的干扰，将如测定矿石中的铀时，为了除去其他金属离子的干扰，将矿石溶解后处理成矿石溶解后处理成矿石溶解后处理成矿石溶解后处理成0.10.1mol/Lmol/L的硫酸溶液，的硫酸溶液，的硫酸溶液，的硫酸溶液，U(VI)U(VI)形成形成形成形成UO2(SO4)22-UO2(SO4)22-或或或或UO2(SO4)34-UO2(SO4)34-，在

27、通过强碱性离子交换树脂时，在通过强碱性离子交换树脂时，在通过强碱性离子交换树脂时，在通过强碱性离子交换树脂时，被留在树脂上，金属离子则流出。之后，将其破坏成为被留在树脂上，金属离子则流出。之后，将其破坏成为被留在树脂上，金属离子则流出。之后，将其破坏成为被留在树脂上，金属离子则流出。之后，将其破坏成为UO2+UO2+形式形式形式形式洗脱，回收率可达洗脱，回收率可达洗脱，回收率可达洗脱，回收率可达98%98%3.3.痕量组分的富集痕量组分的富集痕量组分的富集痕量组分的富集 天然矿石中痕量钍的富集：钍在盐酸溶液中难以形成稳天然矿石中痕量钍的富集：钍在盐酸溶液中难以形成稳天然矿石中痕量钍的富集：钍在

28、盐酸溶液中难以形成稳天然矿石中痕量钍的富集：钍在盐酸溶液中难以形成稳定的配位离子，保留；共存的稀土则形成稳定的配位离子，被定的配位离子，保留；共存的稀土则形成稳定的配位离子，被定的配位离子，保留；共存的稀土则形成稳定的配位离子，被定的配位离子，保留；共存的稀土则形成稳定的配位离子，被洗脱。洗脱。洗脱。洗脱。现在学习的是第35页，共42页离子交换设备根据离子交换的操作方式不同，可分为静态和动态交换设备根据离子交换的操作方式不同，可分为静态和动态交换设备两大类。静态设备为一带有搅拌器的反应罐，反应罐仅作静两大类。静态设备为一带有搅拌器的反应罐，反应罐仅作静态交换用，交换后利用沉降、过滤或水力旋风将

29、树脂分离，态交换用，交换后利用沉降、过滤或水力旋风将树脂分离，然后装入解吸罐（柱）中洗涤和解吸。这种设备目前较少采然后装入解吸罐（柱）中洗涤和解吸。这种设备目前较少采用，生产中多采用动态离子交换罐或交换柱。用，生产中多采用动态离子交换罐或交换柱。按操作方式不同分间歇操作的固定床和连续操作的流动床两类。按操作方式不同分间歇操作的固定床和连续操作的流动床两类。固定床有单床（单柱或单罐操作）见图固定床有单床（单柱或单罐操作）见图3A3A、多床（多柱或多罐串、多床（多柱或多罐串联）见图联）见图3B3B、复床（阳柱、阴柱）及混合床（阳、阴树脂混、复床（阳柱、阴柱）及混合床（阳、阴树脂混合在一个柱或罐中）

30、。根据溶液进入交换柱（罐）的方向又合在一个柱或罐中）。根据溶液进入交换柱（罐）的方向又有正吸附（溶液在柱中至上而下流动）和反吸附（溶液至下有正吸附（溶液在柱中至上而下流动）和反吸附（溶液至下而上流过）两种。连续流动床是指溶液及树脂以相反方向均而上流过）两种。连续流动床是指溶液及树脂以相反方向均连续不断流入和离开交换设备，一般也有单床、多床之分连续不断流入和离开交换设备，一般也有单床、多床之分现在学习的是第36页，共42页现在学习的是第37页，共42页现在学习的是第38页，共42页现在学习的是第39页，共42页现在学习的是第40页，共42页连续式离子交换设备固定床正吸附离子交换操作中，交换仅限于很短的交换带中，树脂利用率低。生产周期长。若采用连续离子交换设备操作，则交换速度快，产品质量均匀连续化生产便于自动控制。但这种操作过程中树脂破坏大，设备及操作较复杂且不易控制，目前在软水及无盐水的中间规模生产中所采用现在学习的是第41页，共42页筛板式连续离子交换设备 现在学习的是第42页，共42页