第7章萃取与色谱分离设备

全国高等学校高职高专药品类专业卫生部“十一五”规划教材《生物制药设备》目录第一节萃取设备

第二节萃取工艺流程第三节离子交换分离设备

第四节色谱分离设备

第七章萃取与色谱分离设备学习目标【学习目的】学习萃取和色谱分离基本知识，培养萃取和色谱分离操作基本技能，为进入分离纯化车间工作打下理论和技术基础。【知识要求】1.了解萃取基本原理，了解色谱分离基本原理；2.熟悉各种萃取设备和色谱分离设备的工作过程；3.掌握萃取、色谱分离设备的结构和性能。【能力要求】1.学会液液萃取设备和色谱分离设备的操作技术；2.熟练应用萃取技术和色谱分离技术进行混合物的分离纯化操作。第一节萃取设备一、萃取基本知识（一）萃取过程1.萃取过程

萃取：两互不相溶的溶剂构成的非均相体系中，组分从一相转移到另一相的过程。萃取剂：转移组分的溶剂。萃取液：萃取剂萃取组分后所得溶液。萃余液：被萃取剂萃取后的溶液。2.萃取原理萃取推动力：遵守相似相溶原理，组分在两溶剂中溶解度之差即为推动力，推动力越大萃取大越容易进行。（二）分配定律在其他条件不变的情况下，萃取过程达到平衡后，萃取液中溶质浓度与萃余液中溶质浓度的比值是常数，这个规律叫分配定律。令原料液体积萃取剂体积组分在萃取液中的摩尔浓度组分在萃余液中的摩尔浓度则K：

分配系数，萃取液中组分浓度与在萃余液中浓度之比值。m：原料液体积与萃取剂体积的比值，又称浓缩倍数。E：

萃取因数，组分在萃取相中的数量与萃余相中数量之比值。萃取分率

萃取过程完成后，组分在萃余液中的数量与原料液中总数量的比值。组分的回收率在多次萃取过程中，每一次萃取都服从分配定律，且每次萃取过程的分配系数都相同。

所以，随着萃取次数的增加，残留在原料体系中的组分越来越少，但无论进行多少次萃取，都不可能将组分从原料体系中彻底萃取出来。在生产中，为降低蒸发溶剂成本，只进行有限次萃取。二、萃取设备（一）混合设备1.机械搅拌式混合罐由罐体、搅拌器和挡板等组成

混合罐的搅拌器通常采用螺旋桨式搅拌器，转速控制400～1000范围。2.管式混合器

是一种没有运动部件的高效混合设备，由分布器、直管和混合单元组成。静态混合器的结构一定流速的液体在管道中形成湍流，各液体质点的运动方向不规则，进而快速混合。

管式混合器的混合单元，能使液体分散成0.5～的液滴，混合不均匀度系数≤1%，没有放大效应。3.喷射式混合器

喷射式混合器工作原理与水力喷射泵的相同，结构上相似，但体积小得多，最小型号的扩大管公称直径只有10mm。喷射式混合器压差小，功率低，会使液体稀释。（二）分离设备工业上常采用离心沉降法分离溶剂萃取体系。碟片式离心机（常规）管式离心机（常规）萃取分离设备（三）常见萃取设备连续逆流萃取机组双水相萃取机组液液萃取塔三、离心萃取机

液液萃取设备发展很快，逐渐趋向于将混合与分离功能集于一体的方向发展。混合与分离一体化转鼓式倾析式逆流离心萃取机三相倾析离心机（一）a—LavalABE-216离心萃取机

该离心萃取机的组成部件有转鼓、圆筒、中心管、传动轴、轻相进口和出口、重相进出口等。采用强制传质和强制分离原理。其特点是应用范围广泛,可应用于任何两相比重大于0.1的可分层液体,具有处理能力大,功耗低，运转平稳，占地面积小和易于清洗维护等优点。（二）三相倾析离心机

三相倾析离心机可同时分离重液、轻液和固体，主要应用于生物技术中。

在重力场中，由轻相、重相液体以及固相颗粒组成的悬浮液静置后会分为三层，固体颗粒会下沉到容器最底部，最上面为轻相液体，在两者之间是重相液体。在离心场中，分层过程会更加迅速而彻底。1.工作原理

当悬浮液进入离心机转鼓并随转鼓高速旋转时，悬浮液中的固体颗粒比重较大，受到的离心力也大，迅速沉降到转鼓内壁，而液相则被挤向转鼓中心，其中重相靠近转鼓壁，轻相靠近转鼓中心。在三相分离机中，设置了轻相液体和重相液体排出口以及残渣出口，从而将固相、重相和轻相分离开来。2.结构与特点

三相倾析离心机是具有圆锥形转鼓的高速离心萃取分离机，它由圆柱－圆锥形转鼓及螺旋输送器、差速驱动装置、进料系统、润滑系统及底座组成。3.工作过程转鼓与螺旋输送器在摆线针形行星宙轮的带动下，以一定的差转速同时高速旋转，形成一个大于重力场数千倍的离心力场。料液从重相进料管进入转鼓的逆流萃取区后受到离心场的作用，在此与中心管进入的轻相相接触，迅速完成相之间的物质转移和液－液固分离，固体渣子沉积于转鼓内壁，借助于螺旋转子缓慢推向转鼓锥端，并连续地排出转鼓。而萃取液则由转鼓柱端经调节环进入向心泵室，借助离心泵的压力排出。重相和轻相相对流动为逆流流动方式

4.操作工艺流程第二节萃取工艺流程混合分离溶剂回收萃取过程一、常用萃取工艺流程（一）单级萃取只进行一次萃取操作的过程叫单级萃取。（二）多级错流萃取

料液经萃取后，所得萃取液多次与新鲜萃取剂接触，进行反复萃取操作。

三级错流萃取过程中，第一级的萃余液作为料液进入第二级，并加入新鲜萃取剂进行萃取。第二级的萃余液再作为第三级的原料液，也同样用新鲜萃取剂进行萃取，将三级萃取液合并送入贮存罐贮存备用。

在错流萃取中，随着萃取的级数增加，萃取液中组分总数量增多，溶剂体积逐级增大，萃取液中组分浓度逐级降低。溶媒消耗量大，后续蒸发浓缩量大，但萃取较完全。（三）多级逆流萃取在多级逆流萃取中，在第一级加入原料液，在第三级加入新鲜萃取剂。在第三级萃取后所得萃取液作为萃取剂进入第二级，第一级的萃余液作为原料液进入第二级，两股流体混合萃取后，所得萃余液作为原料液进入第三级。而萃取液作为萃取剂进入第一级，在第一级对原料液萃取后，所得萃取液被送入贮罐贮存备用。三级逆流萃取工艺流程

在多级逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂，故和三级错流萃取相比，萃取剂的消耗量较少。随着级数的增加，萃取液中组分的浓度逐级升高。在生物制药生产中，萃取法具有分离效率高、生产能力大，传质速度快、生产周期短，便于连续操作、容易实现自动化控制，能量消耗少，设备投资费用不高等系列优点。特别是采用多级萃取可使产品达到较高纯度，便于下一步处理，减少以后工序的设备和操作费用。二、双水相萃取工艺流程（一）双水相萃取原理

将亲水性聚合物加入水中会形成两相，聚合物在两相中以不同的比例分配。水分在两相中的比例约85%～95%，蛋白质等生物大分子在这种溶液体系中保持自然活性。

当两种聚合物的水溶液混合时，在一定条件下会形成两相而分层，从而可用来进行萃取操作。这种萃取叫双水相萃取。常用聚合物构成的双水相体系：聚乙二醇葡聚糖++聚乙二醇聚乙烯醇+羧甲基纤维素聚乙烯醇聚丙二醇甲氧基聚乙二醇+常用聚合物与无机盐构成的双水相体系：聚乙二醇磷酸钾++聚乙二醇磷酸铵+硫酸钠聚乙二醇聚乙二醇葡萄糖+

由于双水相体系不损伤生物大分子的活性，因而可应用于蛋白质、酶、核酸、人生长激素、干扰素等的分离纯化。（二）双水相萃取酶的工艺流程工业上采用两级双水相萃取工艺流程。

细胞悬浮液经泵输送到管式混合器中与PEG的盐液混合，再用蝶片式离心机或管式离心机分离得萃取液，将萃取液输送到中间罐中暂存，萃余液进入废渣贮罐贮存待后续处理。第一级萃取：将中间罐中的萃取液放出并与无机盐溶液在管式混合器中混合，混合液再次经过蝶片式离心机或管式离心机分离得萃取液，将萃取液打入贮存罐中贮存备用，萃余液进入废渣贮罐贮存待后续处理。第二级萃取：在双水相萃取中，PEG的回收采用盐溶蛋白质和离子交换法，无机盐的回收采用结晶沉淀法进行。第三节离子交换分离设备一、离子交换树脂（一）离子交换树脂1.离子交换树脂的组成

由聚苯乙烯与二乙烯苯交联所得多孔网状高分子有机化合物,其多孔网状结构上连接了活性基团。连接酸性基团的称为阳离子交换树脂，连接碱性基团的称为阴离子交换树脂。732强酸型阳离子交换树脂结构通式717强碱型阴离子交换树脂结构通式2.离子交换树脂的性能参数（1）颗粒度0.2～1.2mm之间（2）交换容量

单位体积树脂可交换的毫摩尔数就是树脂的体积交换容量，单位（3）含水量单位质量干树脂所能吸收水分的数量称为含水量。

离子交换树脂的含水量一般为0.3～0.7g.（二）离子交换树脂的工作原理阳离子交换树脂阴离子交换树脂混合使用，则两种交换过程同时发生，其总反应式为：如果制备去离子水，通过混合柱使交换进行得十分彻底，其出水水质优于阴、阳离子串联柱，出水电阻率可达，获得高纯度的成品水。二、离子交换树脂柱（一）常用离子交换树脂柱1.单树脂柱

由圆柱形壳体、承重板、水帽、分布器、进水管、出水管、进气口、反冲水进口管等部件组成。装填阳离子交换树脂的柱称为阳柱装填阴离子交换树脂的柱叫阴柱在同一壳体中装填有阴、阳离子交换树脂的柱叫混柱。PP玻璃柱不锈钢玻璃柱不锈钢树脂柱2.混合柱

混合柱是用来制备去离子水的树脂柱，其内装填有阴离子和阳离子树脂。混合柱的结构与单柱有所不同，在圆筒形壳体上有上下两个封头，上封头设置有酸碱液进口和反洗水及空气排出口，中上部设置有纯化水进口，中下部开有中排孔。下封头设计安装了酸碱液进口、反冲洗水及空气进口，以及去离子水出口。3.反柱

主体结构和工作过程与常规结构的单树脂柱相似，只是进料液管延长到树脂柱底部，料液从底部的分布管中均匀进入树脂层。混柱离子交换法制纯水设备三、离子交换树脂柱的操作（一）树脂预处理1.阳离子交换树脂的预处理饱和氯化钠1M氢氧化钠1M盐酸3BV12小时3BV2～4小时3BV4～8小时2.阴离子树脂的预处理饱和氯化钠1M盐酸1M氢氧化钠3BV12小时3BV2～4小时3BV4～8小时（二）装柱

1.干法装柱

将干的离子交换树脂缓缓加入柱中，同时轻轻振动色谱柱，使离子交换树脂松紧一致，树脂高度一般约为柱内径的8～10倍。随后小心沿壁加入洗脱剂，至刚好覆盖离子交换树脂顶部平面。

2.湿法装柱将湿离子交换树脂加入合适量洗脱剂调成稀糊状，然后徐徐灌入柱子，让离子交换树脂自然沉降。沉降后，树脂高度一般应在柱内径的8～10倍范围。装柱后树脂层中不能存留气泡，不能使树脂露出水面（三）上样和洗脱

1.湿法上样把被分离的组分溶解在少量洗脱剂中，小心加在离子交换树脂顶部，注意保持离子交换树脂表面为水平面，上面的液体无湍动现象。

2.干法上样

在样平液中加入适量离子交换树脂，搅拌交换一定时间，收集树脂装入树脂柱。3.洗脱

在树脂柱中缓缓加入洗脱剂，进行洗脱，各组分则先后被洗出。洗脱液合并后，回收溶剂，得到某单一组分。整个操作过程必须保持树脂表面的溶液无湍动现象，液面恒定，不流干。（四）阴、阳离子交换树脂的再生阴、阳离子树脂的再生操作过程有反冲洗、排出积水、进再生液、置换清洗、正洗等步骤。（五）混合柱的再生混合柱的再生操作包括反洗分层、排除积液、进再生液、置换清洗、混合、正洗等操作步骤，与单柱操作不同的是增加了反洗分层和混合过程。第四节色谱分离设备一、色谱分离法（一）色谱分离原理在色谱分离过程中，固定相和流动相在发生相对移动。在随流动相流动过程中，如果组分在固定相中分配比例大，则其整体移动速度慢，如果组分在流动相中分配比例大，则组分将随流动相流动，移动速度快。经过一定时间后，各组分在固定相上移动了不同的距离，从而分离开来。利用各组分物理化学性质的差异，使各组分在固定相和流动相中的分布程度有差别，导致各组分移动速度不同而被分离的过程，称为色谱分离，又叫层析分离。（二）常见色谱分离法1.按流动相状态流动相是液体的叫液相色谱，是气体的叫气相色谱。2.按作用原理划分

（1）分配层析利用不同组分在流动相和固定相之间的分配系数不同，使之分离的方法。

（2）离子交换层析利用不同组分对离子交换剂亲和力不同的分离方法。

（3）凝胶层析利用不同组分分子大小的不同进行分离的方法