人教版-功率-课件(上课用)2

南农生物分离工程生物分离2萃取南农生物分离工程生物分离2萃取1萃取的概念液－液萃取从机理上分析可分为哪两类？常见物理萃取体系由那些构成要素？何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？掌握单级萃取过程的计算解析方法。掌握多级萃取萃取级数的计算方法。通过本章学习应掌握以下内容：萃取的概念通过本章学习应掌握以下内容：2 分类按参与溶质分配的两相不同而分为

液-液萃取(liquid-liquidextraction)

液-固萃取(liquid-solidextraction)

固相萃取(solidphaseextraction,SPE)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(twowaterphaseextraction)

超临界流体萃取(supercriticalfluidextraction) 分类按参与溶质分配的两相不同而分为3人教版-功率-PPT课件(上课用)24人教版-功率-PPT课件(上课用)25杂质溶质原溶剂萃取剂LightphaseHeavyphase杂质溶质原溶剂萃取剂LightphaseHeavypha6分配定律平衡时溶质在两相中的浓度之比为一常数K，

K＝萃取相浓度/萃余相浓度＝c1／c2应用条件：(1)稀溶液；(2)溶质对溶剂之互溶度没有影响；(3)必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。分配定律7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。两相中的游离酸分子的分配平衡用分配系数K0表征电离平衡用电离常数KP来表征。青霉素的分配平衡与电离平衡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。青霉素的8K0和KP是客观存在的，但一般测定得到的是[P·COOH＋P·COO－]的总浓度c2，在这种情况下，

c1／c2＝K

这里的K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质(决定KP)、萃取溶剂(决定K0)有关，也与水相的pH有关。K0和KP是客观存在的，但一般测定得到的是[P·COOH＋P9 弱电解质的分配平衡青霉素(lightphase)

青霉素=青霉素-+H+(water)1）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 弱电解质的分配平衡青霉素(lightphase)10 弱电解质的分配平衡3）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(lightphase)

红霉素+H+=红霉素+(water) 弱电解质的分配平衡红霉素(lightphase)11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β来表征：

β＝(c1A/c1B)／(c2A/c2B)＝KA／KB

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，

β＝K产／K杂

=1?

β越大，A、B的分离效果越好，即产物与杂质越容易分离。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β来表12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。如青霉素在pH2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pH3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。水相条件的影响13pH值

青霉素K=1PH=4.4不萃取

K﹥1PH﹤4.4（2.2）正萃取

K﹤1PH﹥4.4（7.2）pH值

14(2)温度

温度会影响生化物质的稳定性。影响分配系数K。有机溶剂与水互溶度随T升高而增加，收率下降。

(2)温度

温度会影响生化物质的稳定性。15(3)盐析（NaClNH4Cl(NH4)2SO4)

无机盐类如硫酸铵、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中，减小有机溶剂在水相中的溶解度。如提取维生素B12时，加入硫酸铵，可促使维生素B12自水相转移到有机相中；提取青霉素时加入NaCl，也有利于青霉素从水相转移到有机溶剂相中。增加水相比重

(3)盐析（NaClNH4Cl(NH4)2SO4)16反萃取(Backextraction)：

当萃取操作后，为进一步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。反萃取(Backextraction)：17 操作的一般过程萃取–洗涤–反萃取洗涤操作(washingprocessing)：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

操作的一般过程萃取–洗涤–反萃取18优点对热敏物质破坏少多级萃取时，溶质浓缩倍数高，纯化度高便于连续生产，周期短溶剂耗量大，对设备和安全要求高优点对热敏物质破坏少19萃取操作理论收得率的计算须符合以下两个假定：①萃取相和萃余相很快达到平衡②两相完全不互溶，在分离器中能完全分离。单级萃取萃取操作理论收得率的计算须符合以下单级萃取20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15~60s之内就可完成。萃取方式和理论收得率21溶剂回收

简单蒸馏：沸点相差大，溶剂质量要求不高

精馏：沸点接近溶剂回收22 混合-澄清式萃取Mixer-settler最常用的液液萃取设备 混合-澄清式萃取Mixer-settler最常用的液液萃23使含溶质的溶液（h）和萃取剂（L）充分混合，静止后分成两层。单级萃取使含溶质的溶液（h）单级萃取24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(extractionfactor)即萃取平衡后，溶质在萃取相与萃余相中质量的比值，则：

E＝K·VS／VF＝K／m

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

单级萃取设K为分配系数，VF为料液体积，VS为萃取剂体积，E25萃余率Φ=萃余液中溶质总量/溶质总量×100%=1/（E+1）×100%

理论收得率为：1－φ＝E／(E＋1)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萃余率Φ=萃余液中溶质总量/溶质总量×100%26是工业生产最常用的萃取流程分离效率高产品回收率高溶剂用量少多级萃取是工业生产最常用的萃取流程多级萃取27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。

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28 多级错流萃取萃余率Φ=1/（E+1）n理论收率：1－φ

多级错流萃取萃余率Φ=1/（E+1）n29

多级逆流萃取

将多个混合-澄清器单元串联起来,分别在左右两端的混合器中连续通入料液和萃取液,使料液和萃取液逆流接触,即构成多级逆流接触萃取.多级逆流萃取将多个混合-澄清器单元串联起来,分别在左右30萃余率Φ=第n级萃余相溶质量/料液溶质量

=（E-1）/（En+1-1）

理论收率1-Φ多级逆流萃取

萃余率Φ=第n级萃余相溶质量/料液溶质量

31连续逆流萃取装置连续逆流萃取装置32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：E＝35×1／1＝35

理论收得率1－φ＝35／(35＋1)＝97.2％例1：赤霉素在10℃、pH值2.5时的分配系数(乙酸乙酯／水33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：E1＝35／2＝17.5E2＝35／10＝3.5

理论收得率1－φ＝1－1／[(17.5＋1)×(3.5＋1)]＝98.79％例2：赤霉素二级错流萃取时，第一级用1/2体积乙酸乙酯，第二34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：

E＝35／2＝17.5n＝2

理论收得率1－φ＝[17.53－17.5]／[17.53－1]＝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的流程。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35溶剂用量及萃取方式洁霉素Ｋ（丁醇:水）18收率浓缩比萃取二级错流二级逆流三级逆流194.799.099.6999.981/290.096.798.999.881/385.793.897.799.611/481.892.596.199.14溶剂用量及萃取方式浓缩比萃取二级错流二级逆流三级逆流194.36 溶剂的选择

根据相似相溶的原理，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，有机溶剂还应满足以下要求：1)、价廉易得；2)、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，相分散和相分离较容易；4)、容易回收和再利用；5)、毒性低，腐蚀性小，挥发性小、使用安全； 溶剂的选择根据相似相溶的原理，选择与目标产物性质37溶剂的选择常用于抗生素类萃取剂有：丁醇等醇类、乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯类以及甲异丁基甲酮（methylisobutylketone）等。青霉素ＢＡCHCl3

乙醚Ｋ39:139:112:1人教版-功率-PPT课件(上课用)238 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。 这种情况可用化学萃取解决。

化学萃取39化学萃取：

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的分配。稀释剂(diluent)：化学萃取中通常用煤油、乙烷和苯等溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。化学萃取：用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶40

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

K＞K1+K2

青霉素：正己醇+醋酸丁酯BA（1﹕1）pH3.5-4.0收率提高

BApH2.2对酸不稳定阳离子交换反应萃取41

带同萃取反应

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：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。

带同萃取反应

链霉素++月桂酸=链霉素月桂酸+42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：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回收率低络合反应萃取柠檬酸+磷酸三丁酯=柠檬酸-磷酸三丁酯柠檬酸343离子缔合反应萃取

青霉素萃取 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-(lightphase)青霉素-+H+=青霉素(waterphase)离子缔合反应萃取青霉素-+四丁胺=青霉素-四丁胺++44

乳化现象乳化：

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作中。产生乳化后使有机相和水相分层困难，出现两种夹带：①发酵液中夹带有机溶剂微滴，使目标产物受到损失；②有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。 乳化现象乳化：45产生原因：

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型W/O乳浊液；相反，为O/W型乳浊液。产生原因：46乳化现象

有机相乳化层水相乳化现象有机相乳化层水相47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-lipophilebalance）:0—20

HLB=0完全不亲水HLB=20完全亲水HLB越大，亲水性强，→

O/WHLB越小，亲油性强，→

W

/O

亲水基疏水基表面活性剂亲水基疏水基48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49乳浊液类型的影响因素相体积的影响假定水的体积＜26%W/O＞74%O/W乳化剂分子的空间构型截面积大头指向连续相，小头指向分散相一价金属皂O/W二价金属皂W/O乳浊液类型的影响因素50乳化剂分配系数的影响K大