2023学年完整公开课版溶剂萃取法

第六章溶剂萃取法

(solventextraction)第一讲溶剂萃取概述萃取：当含有生化物质的溶液与互不相溶的第二相接触时，生化物质倾向于在两相之间进行分配，当条件选择得恰当时，所需提取的生化物质就会有选择性地发生转移，集中到一相中，而原来溶液中所混有的其它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相中，这样就能达到某种程度的提纯和浓缩。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，萃取操作不仅可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，所以广泛应用在抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物的提取上。萃取过程溶剂萃取概述杂质溶质原溶剂萃取剂LightphaseHeavyphase溶剂萃取概述萃取的基本概念①萃取:溶质从料液转移到萃取剂的过程。②反萃取：溶质从萃取剂转移到反萃剂的过程。在完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，将目标产物从有机相转入水相的操作就称为反萃取（Backextraction)③物理萃取和化学萃取：物理萃取的理论基础是分配定律，而化学萃取服从相律及一般化学反应的平衡定律。溶剂萃取概述萃取的基本概念萃取法是利用液体混合物各组分在某有机溶剂中的溶解度的差异而实现分离的。料液：在溶剂萃取中，被提取的溶液，溶质：其中欲提取的物质，萃取剂：用以进行萃取的溶剂，萃取液：经接触分离后，大部分溶质转移到萃取剂中，得到的溶液，余液：被萃取出溶质的料液。溶剂萃取概述实验室液液萃取过程溶剂萃取概述一般工业液液萃取过程

生物萃取与传统萃取相比的特殊性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液中除去大部分的水，而且反应液中存在多种副产物和杂质，使生物萃取具有特殊性。①成分复杂 ②传质速率不同③相分离性能不同④

产物的不稳定性

萃取过程有选择性能与其它步聚相配合通过相转移减少产品水解适用于不同规模传质快周期短，便于连续操作毒性与安全环境问题溶剂萃取法的特点6.1萃取过程的理论基础液液萃取是以分配定律为基础分配定律：一定T、P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。K-分配系数在常温常压下Ｋ为常数；应用前提条件（1）稀溶液（2）溶质对溶剂互溶没有影响（3）必须是同一分子类型，不发生缔合或离解分配定律推导当温度一定时，标准化学位为常数如为稀溶液，用浓度代替活度根据相律（F=C-P+2），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：μL=μH分离因素（β）如果原来料液中除溶质A以外，还含有溶质B，则由于A、B的分配系数不同，萃取相中A和B的相对含量就不同于萃余相中A和B的相对含量。如A的分配系数较B大，则萃取相中A的含量（浓度）较B多，这样A和B就得到一定程度的分离。萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因素（β）来表征。分离因素表示有效成分A与杂质B的分离程度。ＫＡ

β=ＫＢ

β=1KA=KB

分离效果不好；β>1KA>KB

分离效果好；β越大，KA

越大于KB，分离效果越好。分离因素（β）弱电解质在有机溶剂-水相的分配平衡分配系数中CL和CH

必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。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。

例如青霉素在水中部分离解成负离子（青COO－），而在有机溶剂相中则仅以游离酸（青COOH）的形式存在，则只有两相中的游离酸分子才符合分配定律。此时，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中的电离平衡（图18-2）。前者用分配系数K0来表征，后者用电离常数Kp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：热力学分配系数K0

：萃取平衡时，单分子化合物溶质在两相中浓度之比。弱酸性电解质K0＝

[AH]/[AH]=弱碱性电解质K0＝

[B]/[B]=Kp=弱电解质的表观分配系数K：分配达平衡时，溶质在两相的总浓度之比

对于弱酸性电解质对于弱碱性电解质=K0/(1＋10pH－pK

)=K0/(1＋10pK

－

pH)K0－只与T、P有关；K－与T、P和pH有关K可通过实验求出，而K0不能，可由公式求出。为什么青霉素在酸性（pH≤2.5）条件下，而红霉素却要在碱性（pH≥9.8）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？

2不同pH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，在弱极性的丁酯中极性小的分子溶解度比水中大1根据表观分配系数公式可知，弱酸的表观分配系数：K=K0/(1＋10pH－pK)弱酸的表观分配系数：K=K0/(1＋10pK－pH)对于弱酸：pH<pK时，分配系数大对于弱碱：pH>pK时，分配系数大为什么青霉素在酸性（pH≤2.5）条件下，而红霉素（pH8-10.5）却要在碱性（pH≥9.8）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？

青霉素红霉素酸碱性pH<pKpH>pK弱酸性(2.75)弱碱性(9.4)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，这样就达到一定程度的纯化酸性物质：pH>pK时，主要以负离子存在；

pH<pK时，主要以游离分子存在；

pH＝pK时，两种形式各占50％6.2有机溶剂萃取的影响因素1．影响萃取操作的因素：pH、温度、盐析2．有机溶剂的选择3．带溶剂4．乳化与去乳化1.

pH的影响●pH对表观分配系数的影响（pH~K）pH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pH↓K↑,当pH<<pK时，K→K0

例：已知penpK=2.75T=10℃K0=47

求:pH4.4pH2.5pH2.0时的K?pH4.4时:pH2.5时:K=30pH2.0时:K=39.9∴pH↓K↑解释原理:pH<pK时，[pen]>[pen-]易溶于丁酯●控制pH，去除杂质

例:pen当pH<pK时,萃取→丁酯中

(1)碱性杂质

pKpen<pK碱杂当pH<pKpen(2.75)pH<<pK碱杂

碱性杂质呈正离子状态，易溶于水相中，∴自然分离除去(2)酸性杂质pK酸杂<

pKpen例:青霉烯酸pK烯<

pKpen

∴pH控制:pK酸杂负离子(3)酸性杂质pK酸杂>pKpen

例:苯乙酸pK乙(4.8)>pKpen(2.75)

∴

萃取时无法去除;反萃时4.8>pH>2.75

与杂质的分离程度归纳生化物质杂质萃取操作条件的控制酸性碱性(pK碱杂>pK生)酸性(pK酸杂<pK生)酸性(pK酸杂>pK生)碱性

酸性(pK酸杂<pK生)

碱性(pK碱杂>pK生)

碱性(pK碱杂<pK生)萃取时杂质自然除去pK酸杂<pH<pK生萃取时无法去除反萃取pK酸杂>pH>pK生萃取时杂质自然除去pK碱杂>pH>pK生萃取时无法去除反萃取pK碱杂

<pH<pK生2.温度T

◆T↑，分子扩散速度↑，故萃取速度↑

◆

T影响分配系数例：pen―T↑水中的溶解度↑

∴萃取时T↓使K↑；反萃时T↑使K反↑

红霉素、螺旋霉素―T↑水中的溶解度↓

∴萃取时T↓使K↑；反萃时T↑使K反↑◆

T影响两溶剂的互溶度影响

一般生化物质的萃取在室温或较低温度下进行3.盐析：无机盐——氯化钠、硫酸铵，作用：生化物质在水中溶解度↓，K↑；两相比重差↑两相互溶度↓例：pen从水相→丁酯中，加氯化钠洗涤，消除有机相水滴，提高质量和收率；分相容易。2．有机溶剂的选择根据相似相溶的原理，选择与目标产物极性相近的有机溶剂为萃取剂，可以得到较大的分配系数（根据介电常数判断极性）；有机溶剂与水不互溶，与水有较大的密度差，黏度小，表面张力适中，相分散和相分离容易；应当价廉易得，容易回收，毒性低，腐蚀性小，不与目标产物反应。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。3．带溶剂

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，使溶质向有机相转移。①抗生素萃取剂：月桂酸、脂肪碱或胺类等。②氨基酸萃取剂：氯化三辛基甲铵。溶质与带溶剂之间的作用：离子对萃取、离子交换萃取、反应萃取。4.乳化乳化：水或有机溶剂以微小液滴分散在有机相或水相中的现象。这样形成的分散体系称乳浊液。乳化带来的问题：有机相和水相分相困难，出现夹带，收率低，纯度低。乳化固体粉末乳化剂：除表面活性剂外，能同时为两种液体所润湿的固体粉末也能作为乳化剂，如粉末对水的润湿性强于对油的润湿性，则根据自由能最小的原则，形成水包油O/W型乳浊液。反之形成油包水型乳化发酵液乳化的原因：a蛋白质的存在，起到表面活性剂b固体粉末对界面的稳定作用2）乳浊液的稳定条件乳浊液稳定性和下列几个因素有关：①界面上保护膜是否形成；②液滴是否带电；③介质的粘度。表面活性剂分子在分散相液滴周围形成保护膜。保护膜具有一定的机械强度，不易破裂，能防止液滴碰撞而引起聚沉。介质粘度较大时能增强保护膜的机械强度。物理法：离心、加热，吸附，稀释化学法：加电解质、其他表面活性剂*转型法加入一种乳化剂，条件：①形成的乳浊液类型与原来的相反，使原乳浊液转型②在转型的过程中，乳浊液破坏，控制条件不允许形成相反的乳浊液，*顶替法加入一种乳化剂，将原先的乳化剂从界面顶替出来：①形成的乳浊液类型与原来的一致②它本身的表面活性>原来的表面活性③不能形成坚固的保护膜。3）乳浊液的破坏措施6.3萃取方式与过程计算※萃取过程：1）混和2）分离3）溶剂回收※操作方式单级萃取多级萃取多级错流多级逆流※理论收率计算假定：两相中的分配很快达到平衡；两相完全不互溶，完全分离：★萃取因素：

1.单级萃取单级萃取流程示意图单级萃取：只包括一个混合器和一个分离器未被萃取的分率φ和理论收得率1－φ萃取因素未被萃取的分率理论收率1.单级萃取18-92）多级错流萃取料液经萃取后，萃余液再与新鲜萃取剂接触，再进行萃取。第一级的萃余液进入第二级作为料液，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料液，以此类推。此法特点在于每级中都加溶剂，故溶剂消耗量大，而得到的萃取剂平均浓度较稀，但萃取较完全。多级错流萃取示意图料液入口第一级第二级第三级萃余液出口多级错流萃取未被萃取分率和理论收率经一级萃取后，未被萃取的分率φ1：经二级萃取后，未被萃取的分率φ2：经n级萃取后，未被萃取的分率：理论收率：多级错流萃取未被萃取分率Φ、级数n、萃取因数E之间的关系未被萃取分率Φ级数n3）多级逆流萃取在多级逆流萃取中，在第一级中连续加入料液，并逐渐向下一级移动，而在最后一级中连续加入萃取剂，并逐渐向前一级移动。料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故称为逆流萃取。在逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂，故和错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液平均浓度较高。多级逆流萃取图青霉素的多级逆流萃取青霉素发酵过滤液进入第一级萃取罐，在此与从第二级分离器来的萃取相（含产品青霉素）混合萃取，然后流入第一级分离器分成上下层，上层为萃取相，富含目的产物，送去蒸馏回收溶剂和产物进一步精制；下一层为萃余相，含目的产物浓度比新鲜料液低得多，送第二级萃取；如此经三级萃取后，最后一级的萃余相作为废液排走。多级逆液萃取计算公式推导12K-1kK+1n-1nLFSR令Ｑk代表第k级中溶质总量（萃取相和萃余相），因为是连续操作，则表示单位时间内通过第k级溶质总量。先求出相邻三级所含溶质总量Ｑk-1，Qk

和Qk+1

之间关系自第(k+1)级进入第k级的溶质的量＝而自(k-1)级进入第k级的量＝则第K级的溶剂总量为多级逆液萃取计算公式推导理论收得率：未被萃取的分率：

条件：萃取相和萃余相很快达到平衡两相完全不互溶，完全分离每级的萃取因素E相同上面讨论的萃取属于物理萃取，是指用一个有机溶剂择优溶解目标溶质，符合分配定律。在物理萃取的应用中一个主要的限制是需要发现一个在有机相和水相之间对目标溶质分配系数足够高的溶剂除此以外，用有机溶剂萃取弱电解质（有机酸或有机碱）时都要调节溶液的pH使其小于pKa（对有机酸）或大于pKa（对有机碱），这样会影响目标溶质的稳定性，因此启发人们寻找新的萃取体系。6.4离子对/反应萃取离子对/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溶性的复合络合物，易从水相转移到有机溶剂/萃取系统中。主要有两类萃取剂：1.有机磷类萃取剂2.胺类萃取剂离子对/反应萃取介绍①有机磷类萃取剂磷酸三丁酯（TBP）氧化三辛基膦（TOPO）二2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，而易于转移到萃取相，在类似的条件下，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要高很多。②胺类萃取剂胺类萃取剂(三辛胺)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合物是一个可行的过程，并用于从发酵液中大规模回收柠檬酸。离子对/反应萃取-稀释剂此类萃取剂都要溶解在稀释剂中，稀释剂：溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质的有机溶剂。如煤油、己烷、辛烷、苯。离子对/反应萃取-稀释剂稀释剂的选择：①分配系数：稀释剂能够影响分配系数，特别是通过萃取剂/溶剂复合物的溶剂化作用。②选择性：为萃取尽可能少的杂质，使用非极性稀释剂更好。③水溶性：低的水溶性，使溶剂的损失最少。④毒性：对食品和药品应低毒或无毒的溶剂，长链烷烃由于它们具有低毒和低水溶性，因此理应优先使用。⑤粘度和密度：低粘度和低密度的稀释剂会使分相更容易。⑥稳定性：烷烃比醇、酯和卤代烃更难降解离子对/反应萃取的应用1.青霉素-TBP(磷酸三丁酯)萃取：体系中存在电离平衡Kp和萃取反应平衡KsHP(W)+nS(0)

HP·Sn(0)

化学萃取表观分配系数：对比物理分配K：虽然离子对/反应萃取体系对生物产物的萃取具有选择性高、溶剂损耗小、产物稳定等优点，但是由于溶剂的毒性会引起产品残留毒性影响健康，只有那些可用于工业原料的产物，才有使用价值，故有待进一步研究开发。思考题：1理解概念：分配系数，萃取因素，带溶剂，未被萃取分率，理论收率，离子对/反应萃取，化学萃取2pH对弱电解质的萃取效率有何影响？3发酵液乳化现象产生原因与影响？如何消除乳化现象？4萃取方式包括哪些，其理论收率如何计算？

第六章溶剂萃取法

(solventextraction)第二讲溶剂萃取法新技术近20年来研究溶剂萃取技术与其他技术相结合从而产生了一系列新的分离技术，如：超临界萃取（SupercriticalFluidExtraction）逆胶束萃取（ReversedMicelleExtraction）液膜萃取（LiquidMembraneExtraction）微波辅助萃取（microwave-assistedextraction)两水相萃取（aqueoustwo-phasesystem)

一超临界流体萃取概念：利用超临界流体的特殊性质，使其在超临界状态下，与待分离的物料(液体或固体)接触，萃取出目的产物，然后通过降压或升温的方法，使萃取物得到分离。所谓超临界流体(SCF)即处于临界温度、临界压力以上的流体。在临界温度、压力以上，无论压力多高，气体都不能液化但流体的密度随压力增高而增加。特点：密度接近液体萃取能力强 粘度接近气体传质性能好1.超临界流体的含义

超临界流体（SCF）是指在临界温度和临界压力以上的流体。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。处于超临界状态时，气液两相性质非常接近，以至于无法分辨，故称之为SCF。超临界流体萃取

超临界流体具有选择性溶解物质的能力，并随着临界条件（T，P）而变化。超临界流体可从混合物中有选择地溶解其中的某些组分，然后通过减压，升温或吸附将其分离析出。2.基本原理超临界流体的选择性超临界萃取剂的临界温度越接近操作温度，则溶解度越大。临界温度相同的萃取剂，与被萃取溶质化学性质越相似，溶解能力越大。因此应该选取与被萃取溶质相近的超临界流体作为萃取剂。超临界流体（ＳＣＦ）的选取：溶质在某溶剂中的溶解度与溶剂的密度呈正相关，SCF也与此类似。因此，通过改变压力和温度，改变SCF的密度，便能溶解许多不同类型的物质，达到选择性地提取各种类型化合物的目的。可作为SCF的物质很多，如二氧化碳、一氧化亚氮、六氟化硫、乙烷、甲醇、氨和水等。超临界二氧化碳萃取常用萃取剂极性萃取剂：乙醇、甲醇、水（难）非极性萃取剂：二氧化碳（易）二氧化碳因其临界温度低（Ｔc＝31.3℃),接近室温；临界压力小(Ｐv＝7.15MPa)，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力。且无色、无味、无毒、不易燃、化学惰性、低膨胀性、价廉、易制得高纯气体等特点，现在应用最为广泛。超临界二氧化碳萃取超临界二氧化碳临界点：Tc=31.26℃、Pc=7.2MPa

优点：缺点：临界条件温和设备投资大产品分离简单无毒、无害不燃无腐蚀性价格便宜二氧化碳超临界萃取的溶解作用：在超临界状态下，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性、沸点和分子量密切相关。一般来说有以下规律：亲脂性、低沸点成分可在104KPa以下萃取，如挥发油、烃、酯、内酯、醚、环氧化合物等；像天然植物和果实中的香气成分，如桉树脑、麝香草酚、酒花中的低沸点酯类等；化合物的极性基团(如-OH、-COOH等)愈多，则愈难萃取。强极性物质如糖、氨基酸的萃取压力则要在4×104KPa以上；化合物的分子量愈大，愈难萃取。分子量在200～400范围内的组分容易萃取，有些低分子量、易挥发成分甚至可直接用CO2液体提取；高分子量物质(如蛋白质、树胶和蜡等)则很难萃取。超临界CO2萃取的特点：1、可以在接近室温(35-40℃)及CO2气体笼罩下进行提取，有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸点，低挥发渡、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来。

2、由于全过程不用有机溶剂，因此萃取物绝无残留溶媒，同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，100%的纯天然，符合当今“绿色环保”、“回归自然”的高品位追求。

3、控制工艺参数可以分离得到不同的产物，可用来萃取多种产品，而且原料中的重金属、无机物、尘土等都不会被CO2溶解带出。4、蒸馏和萃取合二为一，可以同时完成蒸馏和萃取两个过程，尤其适用于分离难分离的物质，如有机混合物、同系物的分离精制等。5、能耗少；热水、冷水全都是闭路循环，无废水、废渣排放。CO2也是闭路循环，仅在排料时带出少许，不会污染环境。由于能耗少、用人少、物料消耗少，所以运行费用非常低。

因此，CO2特别适合天然产物有效成分的提取。对于天然物料的萃取，其产品真正称得上是100%纯天然的“绿色产品”。

工作流程示意大型超临界流体萃取装置超临界流体的应用超临界流体(supercriticalfluid,SCF)对脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油脂等具有特殊的溶解作用，因此可用于这类物质的萃取分离。咖啡因萃取植物油：胚芽油、玉米油、γ-亚麻酸天然香料：杏仁油、柠檬油尼古丁超临界流体萃取的应用医药工业化学工业食品工业化妆品香料中草药提取酶，纤维素精制金属离子萃取烃类分离共沸物分离高分子化合物分离植物油脂萃取酒花萃取植物色素提取天然香料萃取化妆品原料提取精制应用范围品种功能性油脂沙棘油、小麦胚芽油、鱼油、葡萄籽油、耐鹊油等中药及中药提取物穿心莲提取物、当归油、丹参提取物、厚朴提取物、薄荷油、五味子油、车前子油、柴胡油、川穹油、姜黄色素、菟丝子油、枸杞子油、鸦胆子油、天然咖啡因、紫草素、丹皮酚、乳香提取物、野菊花油、苍术油、我术油、香附油、青蒿素、霍香游、紫苏叶油、熊果酸调味品姜油、辣素、辣椒色素、花椒油、胡椒油香料、香精辛夷花精油、烟叶精油反胶束萃取技术（Reversedmicellarextraction）是近年来发展起来的一种新型萃取分离技术，主要适合于蛋白质的提取和分离。是利用表面活性剂在有机溶剂中自发形成一种纳米级的反胶束相来萃取水溶液中的大分子蛋白质。二.反胶束法料液有机相静电引力：主要是蛋白质的表面电荷与反胶束内表面电荷（离子型表面活性剂）之间的静电引力作用。空间位阻作用：增大反胶束极性核的尺寸，以减小大分子蛋白进入胶核的传质阻力。凡是能够引起静电引力，能够促使反胶束尺寸增大的因素均有利于提高分配系数。这些因素主要是pH、离子强度、表面活性剂种类和浓度等，通过因素优化，实现选择性地萃取和反萃取。反胶束萃取的原理：在反胶束内部包含了水溶液，蛋白质等生物分子萃取后进入反胶团内部的“水池”中，避免了与有机溶剂直接接触，反胶束内的微环境与生物膜内相似，故能很好保持其生物活性，解决了蛋白质在有机溶剂中容易变性失活和难溶于有机溶剂的问题，为蛋白质的提取和分离开辟了一条新的途径。成本低，有机溶剂可反复使用；容易放大和实现连续操作反胶束萃取是一条具有工业发展前景的蛋白质分离技术。反胶束法的优点三液膜萃取液膜：通常是由溶剂、表面活性剂和添加剂制成的。溶剂构成膜基体；表面活性剂起乳化作用，可以促进液膜传质速度并提高其选择性；添加剂用于控制膜的稳定性和渗透性。液膜萃取：通常将含有被分离组分的料液作连续相，称为外相；接受被分离组分的流体，称内相；处于两者之间的成膜的流体称为膜相，三者组成液膜分离体系。液膜把两个组成不同而又互溶的内、外相溶液隔开，并通过渗透现象起到分离作用。液膜的种类液膜根据其结构可分为多种，但具体有实际应用价值的主要有三种：①