南农--生物分离工程--生物分离2-萃取教学大全详解

1、编辑ppt溶剂萃取法溶剂萃取法 编辑ppt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：编辑ppt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(supercritica

2、l fluid extraction)编辑ppt适合于非极性、弱极性溶质适合于非极性、弱极性溶质编辑ppt编辑ppt杂质杂质溶质溶质原溶剂原溶剂萃取剂萃取剂Light phaseHeavy phase编辑ppt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)必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。解。编辑ppt弱酸或弱碱性溶质还要考虑弱电解质在水

3、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 编辑pptK0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，

4、也与水有关，也与水相的相的pH有关。有关。编辑ppt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编辑ppt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

5、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)编辑ppt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。编辑ppt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

6、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。编辑pptpH值 青霉素青霉素 K=1 PH=4.4 不萃取不萃取 K1 PH4.4（2.2） 正萃取正萃取 K1 PH4.4 （7.2） 编辑ppt(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。 编辑ppt(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

7、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，可促使维时，加入硫酸铵，可促使维生素生素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编辑ppt反萃取反萃取(Back extraction)：当萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下步分离当萃取操作后，为进一步

8、纯化目标产物或便于下步分离操作，往往需要将目标产物转移到水相。这种调节水相操作，往往需要将目标产物转移到水相。这种调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取。萃取。编辑ppt操作的一般过程萃取萃取 洗涤洗涤 反萃取反萃取洗涤操作洗涤操作(washing processing)：对于一个完整的萃取过程，常在对于一个完整的萃取过程，常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 编辑ppt 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

9、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编辑ppt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。单级萃取编辑ppt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。编辑ppt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

10、 精馏：沸点接近精馏：沸点接近编辑ppt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编辑ppt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。单级萃取编辑ppt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 编辑ppt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1

11、00%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编辑ppt编辑ppt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。 编辑ppt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 编辑ppt 多级逆流萃取 将多个混合将多个混合-澄清器单元串联起来澄清器单元串联起来,分别在左右两端的混合分别在左右两端的混合器中连续通入料液和萃取液器中连续通入料液和萃取液,使料液

12、和萃取液逆流接触使料液和萃取液逆流接触,即即构成多级逆流接触萃取构成多级逆流接触萃取. 编辑ppt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 编辑ppt连续逆流萃取装置编辑ppt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编辑ppt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 E23

13、5103.5 理论收得率 1 11(17.51)(3.51)98.79编辑ppt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。编辑ppt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

14、99.14编辑ppt溶剂的选择 根据根据相似相溶相似相溶的原理，选择与目标产物性质相近的萃取的原理，选择与目标产物性质相近的萃取剂，可以得到较大分配系数。此外，有机溶剂还应满足剂，可以得到较大分配系数。此外，有机溶剂还应满足以下要求：以下要求：1)、价廉易得；、价廉易得；2)、与水相不互溶；、与水相不互溶；3)、与水相有较大的密度差，并且粘度小，表面张力适中，、与水相有较大的密度差，并且粘度小，表面张力适中，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；编辑ppt溶剂的

15、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编辑ppt化学萃取由于氨基酸和一些极性较大的抗生素的水溶性很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至为零，利用强，在有机相中的分配系数很小甚至为零，利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

16、化学萃取解决。编辑ppt化学萃取化学萃取： 用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配。的分配。稀释剂稀释剂(diluent)：化学萃取中通常用煤油、化学萃取中通常用煤油、乙烷和苯等溶解萃取剂，改善萃取相的乙烷和苯等溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，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。编辑ppt 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B

17、A（11） pH3.5-4.0 收率提高 BA pH2.2 对酸不稳定 编辑ppt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。反萃取：反萃取：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。编辑ppt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

18、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 回收率低编辑ppt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-

19、(light phase)青霉素- + H+ = 青霉素 (water phase)编辑ppt乳化现象乳化现象乳化乳化：水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象。常常发生在实际发酵产物的萃取操相中的现象。常常发生在实际发酵产物的萃取操作中。产生乳化后使有机相和水相分层困难，出作中。产生乳化后使有机相和水相分层困难，出现两种夹带：现两种夹带：发酵液中夹带有机溶剂微滴，使目标产物受到损发酵液中夹带有机溶剂微滴，使目标产物受到损失；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。编辑ppt产生原因：产生原因

20、：发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质，这发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质，这些物质具有表面活性剂的作用，使有机溶剂和些物质具有表面活性剂的作用，使有机溶剂和水的表面张力降低，水的表面张力降低， 水易于以微小液滴的形式分散于油相称为油包水易于以微小液滴的形式分散于油相称为油包水型水型W/O乳浊液；乳浊液； 相反，为相反，为O/W型乳浊液。型乳浊液。编辑ppt 乳化现象 有机相乳化层水 相编辑ppt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

21、水 HLB=20 完全亲水HLB越大，亲水性强， O/ WHLB越小，亲油性强， W / O 亲水基疏水基编辑ppt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）型编辑ppt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

22、皂W/O编辑ppt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编辑ppt破乳破乳 1)在操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处在操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理，可除去大部分蛋白质及固体微粒，防止乳化理，可除去大部分蛋白质及固体微粒，防止乳化现象的发生。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。 编辑ppt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