生物工程设备第九章 萃取和离子交换分离设备

萃取和离子交换别离设备9.1萃取别离原理及设备9.2浸取9.3超临界萃取9.4离子交换别离原理及设备9.1萃取别离原理及设备9.1.1溶剂萃取流程实现组分别离的萃取操作过程由混合、分层、萃取相别离、萃余相别离等一系列步骤组成。这些步骤相关设备的合理组合就构成了萃取操作流程。工业生产中常见的萃取流程有单级萃取和多级逆流萃取两种。9.1萃取别离原理及设备1．单级萃取流程单级萃取流程是液-液萃取中最简单的操作形式，一般用于间歇操作。如图9-1所示。原料液F与萃取剂S一起参加混合器1内，并用搅拌器加以搅拌，使两种液体充分混合，然后将混合液M引入别离器2．经静置后分层，萃取相E进入别离器3，经别离后获得萃取剂S和萃取液E；萃余相进入别离器4，经别离后获得萃取剂S和萃余液R，别离器3和别离器4的萃取剂S循环使用。单级萃取操作不能对原料液进行较完全的别离，萃取液E浓度不高，萃余液R中仍含有较多的溶质A；但是，流程简单，操作可以间歇也可以连续。9.1萃取别离原理及设备图9-1单级萃取流程1－混合器；2－分层器；3－萃取相别离器；4－萃余相9.1萃取别离原理及设备2．多级逆流萃取流程图9-2所示为多级逆流萃取流程。原料液F从第一级参加，依次经过各级萃取，成为各级的萃余相，其溶质A含量逐级下降，最后从第N级流出；萃取剂那么从第N级参加，依次通过各级与萃余相逆相接触，进行屡次萃取，其溶质含量逐级提高，最后从第1级流出。最终的萃取相E1送至溶剂回收装置Ⅰ中别离出E和S，S循环使用；最终的萃余相RN送至溶剂回收装置Ⅱ中别离出R和S，S循环使用。9.1萃取别离原理及设备图9-2多级逆流萃取流程9.1萃取别离原理及设备9.1萃取别离原理及设备9.1萃取别离原理及设备9.1萃取别离原理及设备9.1萃取别离原理及设备9.1萃取别离原理及设备图9-4三种常见的喷射式混合器〔a〕交错喷嘴混合；〔b〕同向射流混合；〔c〕混合孔板9.1萃取别离原理及设备2．离心萃取机离心萃取机是利用离心力的作用使两相快速混合、快速别离的萃取设备。可按两相接触的方式分为逐级接触式和微分接触式两类。〔1〕转筒式离心萃取器转筒式离心萃取器是一种单级接触式设备，如图9-5所示。重液和轻液由设备底部的三通管同时进入混合室，在搅拌桨的作用下，两相被充分混合传质，然后一起进入高速的转鼓。转鼓中混合液在离心力的作用下，重液被甩向转鼓外缘，轻液被挤向转鼓的中心部位。9.1萃取别离原理及设备图9-5转筒式离心萃取器

9.1萃取别离原理及设备〔2〕卢威式离心萃取器卢威式离心萃取器的优点是：可以靠离心力的作用处理密度差小或易产生乳化现象的物系；设备结构紧凑，占地面积小，效率较高。缺点是：动能消耗大，设备费用也较高。卢威式离心萃取器简称LUWE离心萃取器，是一种立式逐级接触式离心萃取设备。如图9-6所示为三级离心萃取器，其主体是固定在外壳上的环形盘，此盘随壳体作高速旋转。在壳体中央有固定不动的垂直空心轴，轴上装有圆形圆盘且开有假设干个喷出口。9.1萃取别离原理及设备萃取操作时，原料液和萃取剂均由空心轴的顶部参加，重液沿空心轴的通道下流至萃取器的底部而进入第3级的外壳内，轻液由空心轴的通道流入第1级，在空心轴内，轻液与来自下一级的重液混合，进行相际传质，然后混合物经空心轴上的喷嘴沿转盘与上方固定盘之间的通道被甩到外壳的四周。靠离心力的作用使轻、重相分开，重液由外部沿着转盘与下方固定盘之间的通道而进入轴的中心，并由顶部排出，其流向为由第3级经第2级再到第1级，然后进入空心轴的排出通道。9.1萃取别离原理及设备图9-6卢威式离心萃取器9.1萃取别离原理及设备〔3〕波德式离心萃取器波德式离心萃取器又称离心薄膜萃取器，简称POD离心萃取器，是一种微分接触式萃取设备，如图9-7所式。主要由一水平空心轴和一随轴高速旋转的圆柱形转鼓以及固定外壳组成。转鼓由一多孔的长带卷绕而成，其转速一般为2000～5000r/min，产生的离心力为重力的几百至几千倍。操作时，在带有机械密封装置的套管式空心转轴的两端分别引入重液和轻液，重液引入转鼓的中心，轻液由外向内，重液由内向外，两相沿径向逆流通过螺旋带上的各层筛孔，分散并进行相际传质。9.1萃取别离原理及设备图9-7波德式离心萃取器返回

9.2浸取

浸取或固-液萃取是让固体与某一种液体〔即溶剂〕相接触，通过两相的密切接触，固体中的一种或几种有用物质透过界面扩散到液相中，从而使固体中某些组分到达别离的目的。浸取的原料，多数情况下是溶质与不溶性固体所组成的混合物。溶质是浸取所需要的可溶组分，一般在溶剂中不溶解的固体，称为载体或惰性物质。浸取操作广泛应用于食品工业、制药工业和冶金工业中。所使用的溶剂也是多种多样的，如表9-1所示。

9.2浸取

表9-1浸取常用溶剂产物固体溶质溶剂咖啡大豆蛋白香料蔗糖维生素B玉米蛋白质胶质果汁鱼油鸦片提取物胰岛素肝提取物灰皮低水分水果脱盐海藻去咖啡因的咖啡中草药汁药酒粗烤咖啡豆粉丁香、胡椒、麝香草甘蔗、甜菜碎米玉米胶原水果块碎鱼块罂粟牛、猪姨脏哺乳动物的肝兽皮高水分水果海藻绿咖啡豆中草药材中草药材咖啡溶质蛋白质香料成分蔗糖维生素B玉米蛋白质胶质果汁鱼油鸦片提取物胰岛素肽、缩氨酸去胶质的蛋白质碳水化合物水海盐咖啡因药用成分药用成分水NaOH溶液，pH980%乙醇水乙醇-水90%乙醇稀酸水乙烷，丁醇CH2Cl2CH2Cl2酸性醇水Ca（OH）2水溶液50%的糖液稀盐酸氯代甲烷水酒

9.2浸取

在浸取过程中，物质由固相转移到液相是一个传质过程。整个过程中，固体物料是否需要进行预处理，固体物料中的溶质能否很快地接触溶剂，是影响浸取速率的一个最大因素。预处理的方法包括粉碎、研磨、切片等。通常工业上是将这类物质加工成一定的形状，如在甜菜提取中加工成的甜菜丝，或在植物籽的提取中将其压制加工成薄片。对于动植物细胞，溶质存在于细胞中，如果细胞壁没有破裂，细胞壁产生的阻力会使浸取速率降低，所以，要进行细胞破碎。

9.2浸取

9.2.1多级间歇逆流浸取器这种工艺是从单级接触简歇式改进而来的。它主要是建立在使用相同量的溶剂浸取，溶剂分成几次浸取所得的结果比一次浸取的效果好的根底上。该工艺应用了许多间歇浸取器所组成的浸提器组，被浸取物先参加第一级，经浸取后再送到第二级，依次类推。如图9-8所示。这种浸提器组最初应用于制糖工业中，其后在但宁和药物的提取中也使用。在制糖工业中，从甜菜中提取糖，应用封闭型的槽，用71～77℃的热水来提取糖。

9.2浸取

图9-8浸提器组的原理

〔a〕第三槽进料时〔b〕第三槽排料时

9.2浸取

9.2.2移动床式连续浸取器移动床式连续浸取器，如图9-9所示。它是一种斗式浸取器，由多个悬挂于环行链上的吊斗组成。当链轮转动时，吊斗以顺时针方向循环回转。溶剂从此处的吊斗中通过饼渣淋入下面的吊斗。因此，它与移动的固定床以逆流接触，溶剂与豆油组成的溶液，层层下流后最后到达浸取器的底部左面的溶液池A中，由泵将半浓液送到半浓液储槽。在浸取器右侧的吊斗向下移动时，在顶部加料斗内参加一定量的固体物料。

9.2浸取

图9-9移动床浸取器1-纯溶剂2-出料斗3-螺旋运输机4-密闭外壳5-溶液池A6--溶液池B7-粗油溶液到过滤机8-泵9-环行链10-链轮11-多孔旋链12-启动装置13-半浓液14-来自半浓液贮槽15-加料斗返回

9.3超临界萃取

9.3超临界萃取

9.3.1超临界流体的性质超临界流体最重要的物理性质是密度、粘度和扩散系数，见表9-2。超临界流体的性质介于气液两相之间，主要表现在：有近似于气体的流动行为，黏度小、传质系数大，但其密度大，溶解度也比气相大得多，又表现出一定的液体行为。此外，介电常数、极化率和分子行为与气液两相均有着明显的差异。

9.3超临界萃取

表9-2超临界流体、气体、液体的性质比较密度/(g/cm101010～1010扩散系数/cm·s101010性质液体超临界流体气体)10.1～0.5黏度/Pa·s

9.3超临界萃取

作为超临界萃取的溶剂可以分为非极性和极性溶剂两种。表9-3列出了一些常用超临界萃取剂的临界温度和临界压力。表中最后五个萃取剂为极性萃取剂，由于极性和氢键的缘故，具有较高的临界温度和临界压力。

9.3超临界萃取

表9-3一些超临界萃取剂的临界性质萃取剂临界温度/K临界压力/Pa临界密度/（g/cm-3）二氧化碳304.173.80.469氙289.758.41.109乙烷305.448.80.203乙烯282.450.40.215丙烷369.842.50.217丙烯364.946.00.232环己烷553.540.70.273苯562.248.90.302甲苯591.841.00.292对二甲苯616.235.10.280三氟氯烷302.038.40.579氟三氯烷471.244.10.554甲醇512.680.90.272乙醇513.961.40.276已丙醇508.347.60.273氨405.5113.50.235水647.3221.20.315

9.3超临界萃取

在常用的超临界流体萃取剂中，非极性的二氧化碳应用最为广泛。这主要是由于二氧化碳的临界点较低，特别是临界温度接近常温，并且无毒无味、稳定性好、价格低廉、无残留。图9-10为CO2的p-V(p)–T相图，图中饱和蒸汽曲线和饱和液体曲线包围的区域为气液共存区。从图中可以看出，在临界点附近的超临界状态下等温线的斜度平缓，即温度或压力的微小变化就会引起密度发生很大的变化。

9.3超临界萃取

图9-10CO2的p-V-T相图

9.3超临界萃取

9.3超临界萃取

9.3超临界萃取

9.3.3超临界萃取的典型过程及应用实例1超临界萃取的典型过程超临界萃取的典型过程是由萃取阶段和别离阶段组合而成。在萃取阶段，超临界流体将所需组分从原料中提取出来。在别离阶段，通过变化某个参数或其他方法，使萃取组分从超临界流体中别离出来，并使萃取剂循环使用。根据别离方法的不同，可以把超临界萃取的典型过程分为三类：等温法、等压法和吸附吸收法。如图9-11所示。

9.3超临界萃取

〔1〕等温法等温法是超临界萃取中应用最为方便的一种流程。它是通过变化压力而使萃取组分从超临界流体中别离出来。如图9-11〔a〕所示，萃取了溶质的超临界流体经过膨胀阀后压力下降，其溶质的溶解度下降。溶质析出由别离槽底部取出，充当萃取剂的气体那么经压缩机送回萃取槽循环使用。

9.3超临界萃取

〔2〕等压法等压法是利用温度的变化来实现溶质与萃取剂的别离。如图9-11〔b〕所示，萃取了溶质的超临界流体经加热升温使萃取剂与溶质别离，由别离槽下方取出溶质。作为萃取剂的气体经降温升压后送回萃取槽使用。〔3〕吸附法吸附法那么是采用可吸附溶质而不吸附萃取剂的吸附剂使两者别离。如图9-11〔c〕所示。萃取剂气体经压缩后循环使用。这种方法通常可用于利用超临界流体萃取产物中的杂质以纯化产品的工艺过程中。

9.3超临界萃取

图9-11超临界萃取的三种典型过程

T1=T2P1＞P21－萃取槽；2－膨胀阀；3－别离槽；4－压缩机(a)等温法T1＜T2P1=P21－萃取槽；2－加热器；3－别离槽；4－泵；5－冷却器；(b)等压法T1=T2P1=P21－萃取槽；2－吸收剂〔吸附剂〕；3－别离槽；4－泵(c)吸附法

9.3超临界萃取

2．超临界萃取的应用实例〔1〕天然产物中有效成分的别离提取将超临界流体萃取应用于天然产物中有效成分的提取，咖啡豆中提取咖啡因是十分典型的应用范例。咖啡因存在于咖啡、茶等天然产物中。医药中用作利尿剂和强心剂。将浸泡过的生咖啡豆置于压力容器中，其间不断有CO2循环通过，操作温度为70～90℃，压力为16～20MPa，密度为0.4～0.65g/cm。咖啡豆中的咖啡因逐渐被CO2提取出来。带有咖啡因的CO2用水洗涤，咖啡因转入水相，CO2循环使用。〔见图9-12〕。

9.3超临界萃取

图9-12用CO2从咖啡豆中脱除咖啡因的工艺流程

9.3超临界萃取

CO2是一种很理想的萃取剂，它不仅不会在生理上引起问题，而且对咖啡因有极好的选择性。经CO2处理后的咖啡豆除了提取咖啡因外，其他芳香物质并不损失，CO2也不会残留于咖啡豆中。对于其他一些天然产物的超临界萃取工艺也进行了大量的应用研究工作，如从酒花及胡椒等物料中提取香味成分和香精等。利用超临界CO2流体在温度为40～80℃，压力为80～610Bar条件下，从大豆中提取香油，其质量与用己烷浸取的产物质量相同。按中试结果计算，超临界萃取的本钱仅为己烷法的2/3。

9.3超临界萃取

〔2〕超临界CO2处理食品原料制作酒的原料米或面中的脂质含量对酒的质量的影响很大。将各种精米和面用超临界CO2进行脱脂，能除去30%左右的粗脂质。处理后的米和面酿造出来的酒色度降低，与提高白酒质量有关的醋酸异戊酯和异戊醇的含量提高，而与质量成反比关系的紫外吸收波降低。利用仪器分析和品尝实验都证明，经这类处理，白酒的质量有显著提高。

9.3超临界萃取

〔3〕超临界萃取在生化工程中的应用由于超临界萃取毒性低、温度低、溶氧好的特点，十分适合生化产品的别离和提取。用超临界CO2萃取氨基酸、从单细胞蛋白游离物中提取脂类等研究显示了这方面的优势。在制取各种抗生素等药品时，常常使用丙酮、甲醇等有机溶剂。最终那么利用真空枯燥法脱除这些溶剂。此外，超临界萃取在反响工程、高聚物别离等其他领域也开始显示出自己的特点和优势。返回9.4离子交换别离原理及设备9.4离子交换别离原理及设备9.4离子交换别离原理及设备9.4.1离子交换树脂及其别离原理离子交换树脂是一种带有可交换离子的不溶性固体。它具有一定的空间网络结构，在与水溶液接触时，就与溶液中的离子进行交换，即其中可交换离子由溶液中的同性离子取代。不溶性固体骨架在这一交换中不发生任何化学变化。因离子交换反响一般是可逆的，在一定条件被交换的离子可以解吸，使离子交换树脂恢复到原来的离子式，所以，离子交换树脂通过交换和再生可以反复使用。9.4离子交换别离原理及设备1．交换机理一般认为离子交换过程是按化学摩尔质量关系进行的，且交换过程是可逆的，最后到达平衡，平衡状态和过程的方向相反。因此，离子交换过程可以看作可逆多相反响。但和一般多相化学反响不同，当发生交换时，树脂体积常发生改变，因而引起溶剂分子的转移，设有一粒树脂放在溶液中，发生以下交换反响 A+RB=RA+B不管溶液的运动情况如何，在树脂外表上始终存在着一层薄膜，交换离子借助分子扩散通过薄膜，如图9-13所示。9.4离子交换别离原理及设备图9-13离子交换过程9.4离子交换别离原理及设备显然，溶液流动越剧烈，薄膜的厚度越小，那么液体主体的浓度越均匀一致。一般说来，树脂的交换容量和颗粒大小无关，因此，在树脂外表和内部都具有交换作用，和所有多相化学反响一样，离子交换过程包括五个步骤：①A+自溶液中扩散到树脂外表；②A从树脂外表再扩散到树脂内部的活动中心；③A在活动中心发生交换反响；④解吸离子B自树脂内部的活动中心扩散到树脂外表；⑤B从树脂外表扩散到溶液中。9.4离子交换别离原理及设备离子交换交换速度受最慢一步所控制。根据电荷中性原那么，步骤①和⑤同时发生且速度相等。即有1molA经薄膜扩散到达颗粒外表，同时必有1molB以相反方向从颗粒外表扩散到溶液中，同样②和④同时发生，方向相反，速度相等。因此离子交换过程实际上只有三步：外部扩散、内部扩散和离子交换反响。离子间的交换反响速度一般很快，甚至难以测定，大多数情况下交换反响不是控制步骤，而是趋向于内扩散控制。相反，液体流速慢，浓度大，颗粒小，吸附强，越是趋向于外扩散控制。9.4离子交换别离原理及设备

2．离子交换的选择性离子交换树脂的选择性是离子交换树脂对不同反离子亲和力强弱的差异。一般来说，离子和树脂间亲和力越大，就越容易吸附。对无机离子而言，离子水合半径越小，这种亲和力越大，也就越容易吸附，这是因为离子在水溶液中都要和水分子发生水合作用形成水化离子。在常温下的稀溶液中，离子交换的选择性与化合价呈现明显的规律性：离子的化合价越高，就越容易被吸附。9.4离子交换别离原理及设备对凝胶性树脂来说，交联度大，结构紧密，膨胀度小，促进吸附量增加；相反，交联度小，结构松弛，膨胀度大，吸附量减少。另外，离子交换反响是在树脂内外部的活性基上进行的，因此要求树脂有一定的孔道，以便离子的进出。离子交换树脂在水和非水体系中的行为是不同的，有机溶剂的存在会使树脂脱水收缩、结构紧密，降低吸附有机离子的能力，而相对提高吸附无机离子的能力。9.4离子交换别离原理及设备9.4.2离子交换设备1．离子交换设备的特点和分类工业上的离子交换过程一般包括：原料液中的离子与固体离子交换剂中可交换离子间的离子置换反响，饱和的离子交换剂用再生液再生并循环使用等步骤。为了使离子交换过程得以高效进行，离子交换设备应具有如下特点：①由于离子交换是液-固非均相传质过程，为了进行有效的传质，溶液与离子交换剂之间应接触良好。②离子交换设备应具有适宜的结构，来保证离子交换剂在设备内有足够的停留时间以到达饱和并能与溶液之间进行有效的别离。9.4离子交换别离原理及设备9.4离子交换别离原理及设备2．离子交换设备〔1〕间歇操作的搅拌槽搅拌槽是带有多孔支持板的筒形容器，离子交换树脂置于支撑板上，间歇操作。操作过程如下：①交换，将液体放入槽中，通气搅拌，使溶液与树脂均匀混合，进行交换反响，待过程接近平衡时，停止搅拌，将溶液排出。②再生，将再生液放入，通气搅拌，进行再