《有机溶剂萃取》PPT课件

1、原料原料前处置前处置生物反响生物反响工程工程生物分别生物分别工程工程产品产品固固液液分分别别分分别别提提取取纯纯化化精精制制u分子构造类似:组成,官能团u根据萃取目的物的介电常数寻觅极性相近的溶剂为萃取溶剂.一个良好的溶剂要满足以下几方面要求:u有大的萃取容量:即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产物u有良好选择性:理想情况只萃取产物而不萃取杂质u与被萃取的液相(通常是水相)互溶度小,且粘度低,;界面张力不或适中,有利于相的分散和两相分别.u溶剂的回收和再容易u化学稳定性好,不易分解,对设备腐蚀性小u经济性好,价廉易得u平安性好,无毒性或毒性低.u不同的萃取剂对溶质的萃取效果不同。如疏水性的青霉素

2、G和V酸性很强，其pKa值为2.53.1，相对分子质量分别为334和350，适宜用有机溶剂从发酵液中萃取，在pH 2.53.0范围内，用乙酸戊酯和乙酸丁酯作为萃取剂的萃取效率高如下表。 青霉素在不同萃取剂中的分配系数青霉素在不同萃取剂中的分配系数溶剂pH 2.5（溶剂/水）pH 7.0（溶剂/水）乙酸戊酯45/11/235乙酸丁酯47/11/186乙酸乙酯39/11/260氯仿39/11/220乙醚12/11/190u物理萃取即溶质根据类似相溶的原理在两物理萃取即溶质根据类似相溶的原理在两相间到达分配平衡，萃取剂与溶质之间不相间到达分配平衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反响。例如，利用乙酸丁酯萃

3、取发生化学反响。例如，利用乙酸丁酯萃取发酵液中的青霉素即属于物理萃取。发酵液中的青霉素即属于物理萃取。u化学萃取那么利用脂溶性萃取剂与溶质之化学萃取那么利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反响生成脂溶性复合分子实现溶间的化学反响生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配。萃取剂与溶质之间的质向有机相的分配。萃取剂与溶质之间的化学反响包括离子交换和络合反响等。化学反响包括离子交换和络合反响等。化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有机化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理件质，此时的有溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理件质，此时的有机溶剂称为稀释剂机溶剂称为稀

4、释剂(diluent)(diluent)。u由于氨基酸和一些极性较大的抗生素的水由于氨基酸和一些极性较大的抗生素的水溶性很强，在有机相中的分配系数很小甚溶性很强，在有机相中的分配系数很小甚至为零，利用普通的物理萃取效率很低，至为零，利用普通的物理萃取效率很低，需采用化学萃取。需采用化学萃取。u可用于抗生素的化学萃取剂有长链脂肪酸可用于抗生素的化学萃取剂有长链脂肪酸(如月桂酸如月桂酸)、烃基磺酸、三氯乙酸、四丁胺、烃基磺酸、三氯乙酸、四丁胺和正十二烷胺等。它们与抗生素构成复合和正十二烷胺等。它们与抗生素构成复合物分子的疏水性比抗生素分子本身高得多，物分子的疏水性比抗生素分子本身高得多，从而在有机

5、相中有很高的溶解度。从而在有机相中有很高的溶解度。萃取和反萃取萃取和反萃取u在溶剂萃取分别过程中，当完成萃取操在溶剂萃取分别过程中，当完成萃取操作后，为进一步纯化目的产物或便于下作后，为进一步纯化目的产物或便于下一步分别操作的实施，往往需求将目的一步分别操作的实施，往往需求将目的产物转移到水相。这种调理水相条件，产物转移到水相。这种调理水相条件，将目的产物从有机相转入水相的萃取操将目的产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取作称为反萃取(Back extraction)。除溶剂。除溶剂萃取外，其他萃取过程普通也要涉及反萃取外，其他萃取过程普通也要涉及反萃取操作。萃取操作。对于一个完好的萃取过程

6、，经常在萃取和反对于一个完好的萃取过程，经常在萃取和反萃操作之间添加洗涤操作，如以下图所示，萃操作之间添加洗涤操作，如以下图所示，洗涤操作的目的是除去与目的产物同时萃洗涤操作的目的是除去与目的产物同时萃取到有机相的杂质，提高反萃液中目的产取到有机相的杂质，提高反萃液中目的产物的纯度。以下图中虚线表示洗涤段出口物的纯度。以下图中虚线表示洗涤段出口溶液中含有少量目的产物，为提高收率，溶液中含有少量目的产物，为提高收率，需将此溶液前往到萃取段。经过萃取、洗需将此溶液前往到萃取段。经过萃取、洗涤和反萃取操作，大部分目的产物进入到涤和反萃取操作，大部分目的产物进入到反萃相反萃相(第二水相第二水相)，而大

7、部分杂质那么残，而大部分杂质那么残留在萃取后的料液相留在萃取后的料液相(称作萃余相称作萃余相)。萃取、洗涤和反萃操作过程表示图萃取、洗涤和反萃操作过程表示图杂质杂质溶质溶质料液原料液原萃取剂萃取剂Light phase萃取相Heavy phase、萃余相在一定温度和压力下，溶质分配在两个不相溶的溶剂中到达平衡后，溶质在这两相的浓度比为一常数K，此常数称为分配系数是衡量萃取体系能否合理的重要参数：y-平衡时溶质在萃取相中的浓度X-平衡时溶质在萃余相中的浓度xyk/分配系数分配系数u操作过程中，分配系数操作过程中，分配系数K越大，提越大，提取效率也越大，萃取就越容易进展取效率也越大，萃取就越容易进

8、展完全。当完全。当K值较小时，可以采取分值较小时，可以采取分次参与溶剂、延续对此提取来提高次参与溶剂、延续对此提取来提高萃取率。萃取率。u产物的萃取效率与萃取溶剂和水相产物的萃取效率与萃取溶剂和水相的性质有关的性质有关.水相条件对萃取的影响 u1PH 影响选择性影响选择性.如青霉素在如青霉素在PH2萃取萃取,萃取萃取液中液中(醋酸醋酸_酯酯)青霉烯酸可达青霉素青霉烯酸可达青霉素_量度量度2.5%,在在PH3中那么下降到中那么下降到4%,PH选择在使产选择在使产物稳定的范围内物稳定的范围内.u2温度温度:影响稳定性影响稳定性,普通在低温下进展普通在低温下进展,影响影响分配子数分配子数u3盐析盐析

9、:降低产物在水中的溶解度降低产物在水中的溶解度.如提如提Vb12时加硫铵，促进时加硫铵，促进Vb12从水从水转入有机相中；提青霉素进加转入有机相中；提青霉素进加NaCl.促进青霉素从水转入有机相中促进青霉素从水转入有机相中u4带溶剂带溶剂:它们能与产物构成复合它们能与产物构成复合物物,使产物易溶于有机溶剂中使产物易溶于有机溶剂中.复合物复合物在一定条件下又要易分解在一定条件下又要易分解.如青霉素如青霉素可用脂肪碱作带溶剂可用脂肪碱作带溶剂.化学萃取化学萃取萃取操作萃取操作u(1)混合混合:料液与萃取剂充分混合构成具有料液与萃取剂充分混合构成具有很大比外表积的乳浊液很大比外表积的乳浊液.产物自料

10、液转入产物自料液转入萃取剂中萃取剂中.u(2)分别分别:分别或萃取相和萃余相分别或萃取相和萃余相u(3)溶剂回收溶剂回收:从萃取相中分别出有机溶剂从萃取相中分别出有机溶剂.u所需设备：混合器如搅拌混合器所需设备：混合器如搅拌混合器、分别器如碟片式离心机、分别器如碟片式离心机、溶剂回收安装如蒸馏塔溶剂回收安装如蒸馏塔u混合萃取和分别也可在同一台设备混合萃取和分别也可在同一台设备中，如中，如Alfa-Laval萃取机。萃取机。u单级萃取：单级萃取：u 料液与萃取剂参与混合物中搅拌平衡料液与萃取剂参与混合物中搅拌平衡后的溶液送到分别器内分别得萃取相后的溶液送到分别器内分别得萃取相L萃萃余相余相R,L

11、送到回收器送到回收器.u多级萃取：是工业消费最常用的萃取流多级萃取：是工业消费最常用的萃取流程程u 分别效率高分别效率高u 产品回收率高产品回收率高u 溶剂用量少溶剂用量少u u使含溶质的溶液使含溶质的溶液hu和萃取剂和萃取剂L混混u合，静止后分成两层。合，静止后分成两层。多级错流萃取：将多个混合廓清器单元串联多级错流萃取：将多个混合廓清器单元串联起来，各个混合器中分别通入新颖萃取剂，起来，各个混合器中分别通入新颖萃取剂，而料液从第一级通入，逐次进入下一级混合而料液从第一级通入，逐次进入下一级混合器的萃取操作称为多级错流接触萃取，器的萃取操作称为多级错流接触萃取， 每次加新溶剂每次加新溶剂,

12、目的物浓度低目的物浓度低, 萃取完全萃取完全 多级逆流萃取将多个混合廓清器单元串联起多级逆流萃取将多个混合廓清器单元串联起来，分别在左右两端的混合器中延续通入料液来，分别在左右两端的混合器中延续通入料液和萃取液，使料液和萃取液逆流接触，即构成和萃取液，使料液和萃取液逆流接触，即构成多级逆流接触萃取。多级逆流接触萃取。反向进入，目的物在萃取液中浓度高，耗量少反向进入，目的物在萃取液中浓度高，耗量少乳化和去乳化乳化和去乳化u实践发酵产物的萃取操作中常发生乳化景实践发酵产物的萃取操作中常发生乳化景象。乳化即水或有机溶剂以微小液滴方式象。乳化即水或有机溶剂以微小液滴方式分散于有机相或水相中的景象。分散

13、于有机相或水相中的景象。u产生乳化后使有机相和水相分层困难，出产生乳化后使有机相和水相分层困难，出现两种夹带：发酵废液现两种夹带：发酵废液(萃余液萃余液)中夹带中夹带有机溶剂有机溶剂(萃取液萃取液)微滴，使目的产物遭到微滴，使目的产物遭到损失；有机溶剂损失；有机溶剂(萃取相萃取相)中夹带发酵液中夹带发酵液(萃余液萃余液)，给后处置操作带来闲难。，给后处置操作带来闲难。u 油水是互不相容的，要构成稳定的乳浊液油水是互不相容的，要构成稳定的乳浊液，普通要有第三种物质外表活性剂的存，普通要有第三种物质外表活性剂的存在。在。u外表活性剂指一端具亲水基团外表活性剂指一端具亲水基团,一端具有亲一端具有亲油

14、基团油基团,发酵液中发酵液中PRO/W是主要的外是主要的外表活性剂表活性剂.u假设当外表活性剂的亲水基团强度大于亲假设当外表活性剂的亲水基团强度大于亲油基团易生成水包油型油基团易生成水包油型,反之构成油包水型反之构成油包水型.u产生乳化的主要缘由是发酵液中存在的产生乳化的主要缘由是发酵液中存在的蛋白质相固体颗粒等物质，这些物质具蛋白质相固体颗粒等物质，这些物质具有外表活性剂的作用，使有机溶剂有外表活性剂的作用，使有机溶剂(油油)和水的外表张力降低，油或水易于以微和水的外表张力降低，油或水易于以微小液滴的方式分散于水相或油相中。小液滴的方式分散于水相或油相中。u产生乳化后，需采取某种手段破坏乳浊

15、产生乳化后，需采取某种手段破坏乳浊液，提高萃取操作收率。液，提高萃取操作收率。破乳方法破乳方法u在实施萃取操作前，对发酵液进展过滤在实施萃取操作前，对发酵液进展过滤或絮凝沉淀处置，可除去大部分蛋白质或絮凝沉淀处置，可除去大部分蛋白质及固体微搅，防止乳化景象的发生。及固体微搅，防止乳化景象的发生。u破乳方法破乳方法:过滤过滤,离心离心,参与电解质参与电解质,物理法物理法(加热加热,稀释释稀释释,吸附吸附)、顶替法、顶替法(戊醇戊醇)、转型、转型法法u防止乳化防止乳化:除去除去Pr.双水相萃取Two-aqueous phase extraction 基因工程产品如蛋白质和酶往往是胞内产品，需经细胞

16、破碎后才干提取、纯化，细胞颗粒尺寸的变化给固-液分别带来了困难，同时这类产品的活性和功能对pH值、温度和离子强度等环境要素特别敏感。由于它们在有机溶剂中的溶解度低并且会变性，因此传统的溶剂萃取法并不适宜。采用在有机相中添加外表活性剂产生反胶束的方法可抑制这些问题，但同样存在相的分别问题。u因此基因工程产品的商业化迫切需求开发适宜大规模消费的、经济简便的、快速高效的分别纯化技术。其中双水相萃取技术(two-aqueous phase extraction,ATPS)，又称水溶液两相分配技术(Partion of two aqueous phase extraction)是近年来出现的引人注目、极

17、有出路的新型分别技术。 双水相萃取法的特点是可以保管产物的活性，整个操双水相萃取法的特点是可以保管产物的活性，整个操作可以延续化，在除去细胞或细胞碎片时，还可以纯化蛋作可以延续化，在除去细胞或细胞碎片时，还可以纯化蛋白质白质2 25 5倍，与传统的过滤法和离心法去除细胞碎片相比，倍，与传统的过滤法和离心法去除细胞碎片相比，无论在收率上还是本钱上都要优越得多。无论在收率上还是本钱上都要优越得多。除此以外，处置量一样时，双水相萃取法比传统的分别方除此以外，处置量一样时，双水相萃取法比传统的分别方法法, ,设备需用量要少设备需用量要少3 31010倍，因此已被广泛地运用在生物倍，因此已被广泛地运用在

18、生物化学、细胞生物学和生物化工领域，进展生物转化、蛋白化学、细胞生物学和生物化工领域，进展生物转化、蛋白质、核酸和病毒等产品的分别纯化和分析等。用此法来提质、核酸和病毒等产品的分别纯化和分析等。用此法来提纯的酶已达数十种，其分别过程也到达相当规模，如乙醇纯的酶已达数十种，其分别过程也到达相当规模，如乙醇脱氢酶的分别已到达几十千克湿细胞规模，脱氢酶的分别已到达几十千克湿细胞规模，-半乳糖苷酶半乳糖苷酶的提取也到了中试规模等。的提取也到了中试规模等。双水相萃取法和传统的分别方法双水相萃取法和传统的分别方法(如盐析或有机如盐析或有机溶剂沉淀等溶剂沉淀等)相比也有很大的优势，如以相比也有很大的优势，如

19、以-半乳半乳糖苷酶为例，用沉淀或双水相萃取纯化的比较糖苷酶为例，用沉淀或双水相萃取纯化的比较见下表。见下表。u双水相系统：某些亲水性高分子聚合物的水溶液超越一定浓度后可构成两相系统。u利用物质在不相溶的，两水相间分配系数的差别进展萃取的方法u运用：蛋白质特别是胞内蛋白质的分别纯化。一、双水相系统u构成缘由：聚合物的不相容性，即聚合物分子的空间妨碍作用，无法构成均一相，具有相分别倾向，一定条件下分成两相。u常用于分别的双水相系统：u双聚合物：聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dex)。该系统上相富含PEG，下相富含Dex；u聚合物与无机盐：聚乙二醇(PEG)/磷酸钾KPi)。该系统上相富含PEG，下相

20、富含KPi。双水相萃取的原理双水相萃取的原理u根据悬浮粒子与其周围物质具有的根据悬浮粒子与其周围物质具有的复杂的相互作用：复杂的相互作用：u氢键氢键u电荷力电荷力u疏水作用疏水作用u范德华力范德华力u构象效应构象效应a两相区双节线均相区两相区临界点u双水相系统的相图双节线u系线：衔接双节线上两点的直线。u同一系线上各点：两相组成一样，体积不同。u系线(TMB)长度：衡量两相间相对差别的尺度。越长那么两相间性质差别越大，反之那么越小；趋向于零时，双节线上的点，临界点，两相差别消逝，成为均一相。 在系线上各点处系统的总浓度不同，但均分成组成一样而体积不同的两相。两相的体积近似服从杠杆规那么，即二、

21、双水相中的分配平衡 与溶剂萃取一样，溶质在双水相中的分配系数也用m=c2/c1表示。为简便起见，用c1 和c2分别表示平衡形状下下相和上相中溶质的总浓度。 有关双水相系统中溶质分配平衡的实际已有很多研讨报导。但是，由于影响双水相系统中溶质分配平衡的要素非常复杂，很难建立完好的热力学实际体系。从双水相萃取过程设计的角度出发，确定影响分配系数的主要要素是非常重要的。已有的大量研讨阐明，生物分子的分配系数取决于溶质与双水相系统间的各种相互作用，其中主要有静电作用、疏水作用和生物亲和作用等。因此，分配系数是各种相互作用的和.lnm=lnme+lnmh+lnmlme，mh，ml 分别为静电作用、分别为静

22、电作用、疏水作用和生物亲和作用对溶质分疏水作用和生物亲和作用对溶质分配系数的奉献。配系数的奉献。u成相高聚物浓度界面张力成相高聚物浓度界面张力u成相高聚物的相对分子量成相高聚物的相对分子量u普通来说，蛋白质等高分子量物质易集中于低普通来说，蛋白质等高分子量物质易集中于低分子量相分子量相u盐类盐类( (包括离子的类型和浓度、离子强度、包括离子的类型和浓度、离子强度、pHpH值值) )，u溶质的物理化学性质溶质的物理化学性质( (包括分子量、等电点包括分子量、等电点) )以以及体系的温度等。及体系的温度等。影响物质分配平衡的要素三、影响萃取效果的要素u1.成相聚合物u分子量：降低聚合物的分子量，那

23、么蛋白质容易分配于富含该聚合物的相中。u总浓度：越大那么两相性质的差别越大，系线越长，蛋白质越容易分配于其中的某一相。u盐的种类和浓度对分配系数的影响主要反映在对相间电位和蛋白质疏水性的影响。在双聚合物系统中，无机离子具有各自的分配系数，不同电解质的正负离子的分配系数个同，当双水相系统中含有这些电解质时，由于两相均应各自坚持电中性，从而产生不同的相间电位，因此，盐的种类(离子组成)影响蛋白质、核酸等生物大分子的分配系数，盐浓度不仅影响蛋白质的外表疏水性，而且扰乱双水相系统，改动各相中成相物质的组成和相体积比。2.盐和缓冲液的影响例如，PEG/KPi系统中上、下相(或称轻重相)的PEG和磷酸钾浓

24、度以及Cl离子在上、下相中的分配平衡随添加NaCl浓度的增大而改动。这种相组成即相性质的改动直接影响蛋白质的分配系数。离子强度对不同蛋白质的影响程度不同，利用这一特点，经过调理双水相系统中的盐浓度，可有效地萃取分别不同的蛋白质。u3.pH值u影响蛋白质的外表电荷数Z：影响蛋白质的解离度。u影响：影响磷酸盐的解离。u4.温度u主要影响双水相系统的相图。u大规模双水相萃取操作普通在室温下进展，主要基于以下思索：uPEG对蛋白质有稳定作用；u溶液粘度较低，容易相分别；u节省冷却费用。双水相萃取的优点双水相萃取的优点较多用于胞内酶的提取和精制平衡时间短、含水量高、截面张力小，特别适宜于生物活性物质的分别纯化操作简便易于放大要胜利运用双水相萃取应满足的条件：u欲提取的酶和细胞碎片应分配在不同的相中；u酶的分配系数应足够大，