第三章溶剂萃取

第三章溶剂萃取2024/10/172萃取分离得种类溶剂萃取双水相萃取反胶束萃取液-固萃取超临界萃取微波协助萃取其她萃取技术2024/10/173萃取方法原

理应用液-固萃取属于用液体提取固体原料中有用成分得扩散分离操作。多用于提取存在于胞内得有效成分。液-液萃取溶剂萃取利用溶质在两个互不混溶得液相(通常为水相和有机溶剂相)中溶解度和分配性质上得差异进行得分离操作。可用于有机酸、氨基酸、维生素等生物小分子得分离纯化。双水相萃取利用物质在互不相溶得两水相间分配系数得差异进行得分离操作。主要用于蛋白质、酶,特别就是胞内蛋白得提取纯化。反胶团萃取利用表面活性剂在有机相中形成得反胶团,从而在有机相中形成分散得亲水微环境,使生物分子在有机相(萃取相)内存在于反胶团得亲水微环境中。适用于氨基酸、肽和蛋白质等生物分子得分离纯化,特别就是蛋白质类生物大分子得分离。液膜萃取液膜能将与之不互溶得液体分开,使其中一侧液体中得溶质选择性地透过液膜进入另一侧,实现溶质之间得分离。适用于金属离子、烃类、有机酸、氨基酸和抗生素得分离及废水处理,在酶得包埋固定化和生物医学方面得应用也前景广阔。超临界流体萃取利用超临界流体作为萃取剂,对物质进行溶解和分离。适用于脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油酯、芳香成分等物质得萃取分离。几种萃取方法得比较2024/10/174第一节溶剂萃取法

广义得溶剂萃取法(solventextraction)包括液-固萃取和液-液萃取:液-固萃取又称浸取、浸提液-液萃取指用一种溶剂将物质从另一种溶剂(如发酵液)中提取出来得方法。2024/10/175溶剂萃取法优点:①操作可连续化,速度快,生产周期短;②对热敏物质破坏少;③采用多级萃取时,溶质浓缩倍数大、纯化度高。缺点:由于有机溶剂使用量大,对设备和安全要求高,需要各项防火防爆等措施。2024/10/176一、基本概念(一)萃取与反萃取被提取得溶液称为原料液,其中欲提取得物质称溶质,而用以进行萃取得溶剂称为萃取溶剂(萃取剂)

达到萃取平衡后,大部分溶质转移到萃取溶剂中,这种含有溶质得萃取溶剂溶液称为萃取液,而被萃取出溶质以后得料液称为萃余液。2024/10/177

萃取一般指用有机溶剂将物质从水相转移到有机相得过程。反萃取(stripping或backextraction)就是将萃取液与反萃取剂(一般为水溶液)相接触,使某种被萃入有机相得溶质转入水相得过程,可看作就是萃取得逆过程。2024/10/178(二)、分配定律

分配定律:在一定温度、一定压力下,某一溶质在互不相溶得两种溶剂间分配时,达到平衡后,在两相中得活度之比为一常数。如果就是稀溶液,可以用浓度代替活度,即:

K称为分配系数2024/10/179

应用分配定律时,须符合下列条件:①必须就是稀溶液,即适用于接近理想溶液得萃取体系;②溶质对溶剂得互溶度没有影响;③溶质在两相中必须就是同一分子形式,即不发生缔合或解离。2024/10/1710

在萃取过程中,溶质在两相得分子形式常常并不相同,仍然采用类似分配定律得公式作为基本公式。这时候溶质在萃取相和萃余相中得浓度,实际上就是以各种化学形式进行分配得溶质总浓度,她们得比值以分配比(distributionratio)表示:大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静2024/10/1712(三)、萃取因素

萃取因素也称萃取比,其定义为被萃取溶质进入萃取相得总量与该溶质在萃余相中总量之比。通常以E表示。若以Vl和V2分别表示萃取相和萃余相得体积,CL和CR分别表示溶质在萃取相和萃余相中得平衡浓度。萃取因素(E)为:2024/10/1713(四)、分离因素料液中得溶质并非就是单一得组分,除了所需产物(A)外,还存在有杂质(B)。分离因素(separationfactor),常用

表示,其定义为:在同一萃取体系内两种溶质在同样条件下分配系数得比值2024/10/1714二、溶剂萃取法得基本原理弱酸HA在不同得pH条件下,可以有不同得化学状态,其分配比亦有差别,若适度改变pH,可将弱酸HA自水相转入有机相,或从有机相再转入水相,这样反复萃取,可以达到浓缩和提纯得目得HAHA2024/10/17152024/10/1716三、萃取方法和理论收率得计算萃取方式和理论收率得计算流程:2024/10/1717三、萃取方法和理论收率得计算(一)单级萃取2024/10/1718萃取因素E为式中VF——料液体积;Vs——萃取剂得体积;C1——溶质在萃取液得总浓度;C2——溶质在萃余相得总浓度;D——分配比;m——浓缩倍数2024/10/1719萃余率:理论收率:2024/10/1720例如:洁霉素在20℃和pH10、0时分配比(丁醇/水)为18。用等体积得丁醇萃取料液中得洁霉素,计算可得理论收率若改用1/3体积丁醇萃取,理论收率:2024/10/1721(二)多级错流萃取2024/10/17222024/10/1723萃余率:理论收率2024/10/1724

红霉素在pH9、8时得分配比(醋酸丁酯/水)为44、5,若用1/2体积得醋酸丁酯进行单级萃取,则:理论收率若用1/2体积得醋酸丁酯进行二级错流萃取,则理论收率2024/10/1725多级逆流萃取2024/10/17262024/10/1727n级萃取后,萃余率为:理论收率为2024/10/1728

青霉素在0℃和pH2、5时得分配比(醋酸丁酯/水)为35,若用1/4体积得醋酸丁酯进行二级逆流萃取,则:

n

2,理论收率

2024/10/1729

若改为二级错流萃取,第一级用1/4体积得醋酸丁酯,第二级用1/10体积得醋酸丁酯,则2024/10/1730第二节影响溶剂萃取得因素一、乳化和破乳化(一)乳状液得形成和稳定条件在化学工业中,特别就是生物制药工业中进行溶剂萃取时,料液中经常残留具有表面活性得蛋白质,特别容易引起乳化作用,从而使有机相与水相难以分层,即使用离心机也不能将两相完全分开。“溶剂相中若夹杂水相”,将给后续操作带来困难,而水相中夹带溶剂,则会造成目得产物得损失,降低收率。因此,在溶剂萃取操作中,防止乳化和去乳化就是非常重要得。2024/10/1731乳化剂多为表面活性剂。分子结构特点:一般就是由亲油基和亲水基两部分组成得,即一端为亲水基团或极性部分,另一端为疏水性基团或非极性部分(烃链)。2024/10/1732

乳化剂使乳状液稳定原因:(1)界面膜形成乳化剂吸附于油－水界面形成结实得界面膜而阻止了液滴间聚结得发生

(2)界面电荷得影响

分散相液滴表面得电荷对乳液得稳定性起十分重要得作用

大部分乳状液液滴表面都带有电荷,其来源主要有三种途径:a使用离子型表面活性剂作为乳化剂,极性基团伸入水相发生电离而使液滴带电,若乳化剂为阴离子型,液滴带负电荷,阳离子型,液滴带正电荷。

b使用不能电离得非离子型表面活性剂作为乳化剂时,液滴主要通过从水相中吸附离子使自身表面带电。2024/10/1733(3)介质黏度分散介质粘度越大,液滴布朗运动速度越慢,减少液滴之间相互碰撞,有利于乳状液得稳定。c液滴与分散介质发生摩擦也可以使液滴表面带电,所带得电荷得符号与两相得介电常数有关,介电常数大得一相带正电荷,介电常数小得带负电荷。

液滴表面得电荷密度越大,乳状液得稳定性也越高。2024/10/1734

每一种表面活性剂都有亲水和疏水基团,两种基团得强度得相对关系称为HLB值(hydrophile-lipophilebalance)亲水亲油平衡值。完全不亲水(HLB=0)和完全亲水(HLB=20)得两种极限乳化剂作为标准,其她表面活性剂得HLB值就处于这两种极限值之间。2024/10/1735O/W型(水包油型)乳状液得乳化剂其HLB值常在8~18之间;作为W/O型(油包水型)乳状液得乳化剂其HLB值常在3~6之间、2024/10/1736(二)、影响乳状液类型得因素1、相体积得影响

假定分散相为大小均匀得圆球,按紧密地堆积,圆球体积占总体积得74%。如水得体积占总体积小于26%时,只能形成W／O型乳状液;大于74%时,只能形成O／W型乳状液。2、乳化剂分子空间构型得影响

截面积小得一头指向分散相,截面积大得一头指向分散介质,所以一价金属皂形成O／W型乳状液,而二价金属皂形成W／O型乳状液,2024/10/17373、界面张力得影响乳化剂聚集于界面形成薄膜,若两相界面张力不等,则使膜弯曲,其凹面一侧为界面张力较高得相,高界面张力这侧得液体易形成内相。4、容器壁性质得影响

亲水性强得容器易得O／W型乳状液,亲油性强得容器易形成W／O型乳状液。

2024/10/1738(三)、乳状液得破坏

1、加入去乳化剂(破乳剂往往就是反型乳化剂

)2、离心3、加电解质:中和乳状液分散相所带得电荷;4、加热:加快蛋白质胶粒絮凝速度,降低黏度,促使乳化消除;5、吸附过滤:通过多孔介质过滤,水分被吸附;6、稀释法2024/10/1739(四)、常用得去乳化剂1、阳离子表面活性剂(1)十二烷基三甲基溴化铵(1231)［CH3(CH2)10CH2(CH3)3N+］Br—

(2)溴代十五烷吡啶(PPB)(碳氢链较短)2024/10/17402、阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂,如亚油酸钠、十二烷基磺酸钠、石油磺酸钠等3、其她破乳剂如用溴代四烷基吡啶作去乳化剂,因其既易溶于水,又易溶于醋酸丁酯中,既能破坏W／O型,也能破坏O／W型乳状液,比PPB破乳完全,用量为0、03%~0、05%。她能降低青霉素提取时随废液得损失,提高收率。2024/10/1741二、pH得影响1、pH影响被萃取物(弱酸或弱碱性)得分配比2、pH也影响被萃取物(弱酸或弱碱性)得稳定性例:用醋酸丁酯提取苄基青霉素,在0℃、pH2、5时测得D

=30,KP=10-2、75,可求得2024/10/1742

可按下式计算表观分配系数和水相pH得关系:可得,当pH=4、4时,D=1。当pH<4、4时,青霉素能被萃取到醋酸丁酯相中,当pH>4、4时,青霉素从醋酸丁酯相转移到水相,称为反萃取。2024/10/1743三、温度和萃取时间得影响

高温不稳定,高温时溶剂间互溶度增大,一般化合物水解速度与温度得关系服从阿伦尼乌斯公式:2024/10/1744有机溶剂与水之间得互溶度随温度升高而增大,这会使萃取效率降低。另一方面,很多生化样品都有热敏性,因此萃取一般在低温下进行。2024/10/1745四、盐析作用得影响

原理:蛋白质在水溶液中得溶解度就是由蛋白质周围亲水基团与水形成水化膜得程度,以及蛋白质分子带有电荷得情况决定得。当用中性盐加入蛋白质溶液,中性盐对水分子得亲和力大于蛋白质,于就是蛋白质分子周围得水化膜层减弱乃至消失。同时,中性盐加入蛋白质溶液后,由于离子强度发生改变,蛋白质表面电荷大量被中和,更加导致蛋白溶解度降低,使蛋白质分子之间聚集而沉淀。2024/10/1746其对萃取得影响:①由于盐析剂与水分子结合,降低了被萃取物在水中得溶解度,使其易转入有机相;②盐析剂降低有机溶剂在水中得溶解③盐析剂增大萃余相比重,有助于分相。2024/10/1747五、溶剂种类、用量及萃取方式①分配系数愈大愈好,若分配系数未知,则可根据“相似相溶”得原则,选择与被萃取物结构相近得溶剂;②选择分离因素大于1得溶剂;③料液与萃取溶剂得互溶度愈小愈好;④尽量选择毒性低得溶剂。⑤溶剂得化学稳定性高,腐蚀性低,沸点不宜太高,挥发性要小,价格便宜,来源方便,便于回收。2024/10/1748

如洁霉素20℃,pH10、0时,分配比(丁醇／水)=18,根据萃取方式理论收得率得计算方法,得出:2024/10/1749第三节萃取过程和溶剂回收一、混合1、搅拌罐2、管式混合器2024/10/17503、喷嘴式混和器4、气流搅拌混和罐2024/10/1751二、液-液两相分离

离心机(管式超高速)2024/10/1752碟片式高速离心机2024/10/1753三、溶剂回收(一)、单组分溶剂回收简单蒸馏或精馏2024/10/1754(二)、低浓度溶剂回收先简单蒸馏,后精馏精馏:塔底102℃,塔顶91℃,蒸馏物为恒沸混和物,含水量为28%-29%,超过水在醋酸丁酯中溶解度(20℃,1、4%)。2024/10/1755四、回收与水部分互溶并

形成恒沸混和物得溶剂2024/10/1756五、回收完全互溶得混和溶剂并不形成恒沸混和物

如丙酮-丁醇混和溶剂,由于其沸点相差较大(丙酮沸点为56、1℃,丁醇沸点为117、4℃),采用精馏方法很易得到纯组分。如果混和溶剂要反复使用,则不需要将她们分成纯组分,只需经过蒸馏方式除去不挥发物质,然后测定混和溶剂得比例,再添加不足得溶剂使达到要求。2024/10/1757常用得液-液萃取装置2024/10/1758

溶剂萃取得应用

石油化工生物化工精细化工湿法冶金2024/10/1759应用领域石油化工分离轻油裂解和铂重整产生得芳烃和非芳烃混合物;用酯类溶剂萃取乙酸,用丙烷萃取润滑油中得石蜡;以HF-BF3作萃取剂,从C8馏分中分离二甲苯及其同分异构体。生物化工以醋酸丁酯为溶剂从发酵液中萃取青霉素精细化工香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素食品工业中用TBP从发酵液中萃取柠檬酸湿法冶金用溶剂LIX63-65等萃取剂从铜得浸取液中提取铜溶剂萃取得应用实例2024/10/1760第四节

双水相萃取

双水相萃取技术,又称水溶液两相分配技术,她利用不同得高分子溶液相互混合可产生两相或多相系统,静置平衡后,分成互不相溶得两个水相,利用物质在互不相溶得两水相间分配系数得差异来进行萃取得方法,称为双水相萃取法。特点:能保留产物得活性,操作可连续化,可纯化蛋白质2~5倍。2024/10/1761一、双水相得形成

如葡聚糖与聚乙二醇按一定比例与水混合,静置平衡后,分成互不相溶得两个水相,上相富含PEG,下相富含葡聚糖2024/10/17622024/10/1763二、双水相萃取得基本概念(一)相图相图右上部为两相区,左下部为均相区,两相与均相得分界线叫双节线。组成位于A点得系统实际上由位于C、B两点得两相所组成,BC称为系线。当系线向下移动时,长度逐渐减小,表明两相得差别减小,当达到K点时,两相间差别消失,K点称为临界点。2024/10/1764(二)分配系数影响分配系数得因素包括很多,如被萃取微粒子大小、疏水性、表面电荷、粒子或大分子得构象等,这些因素微小得变化可导致分配系数较大得变化,因而双水相萃取有较好得选择性。分配系数K与溶质得浓度和相体积比无关:2024/10/1765三、影响双水相萃取得因素(一)、成相高聚物得分子量一般原则:对于PEG-Dextran所形成得双水相,如果降低PEG得分子量,蛋白质分配于富含PEG得上相中,使分配系数增大,而将Dextran分子量减小,则会导致分配系数降低。2024/10/1766(二)成相聚合物浓度

一般来说,双水相萃取时,如果相系统组成位于临界点附近,则蛋白质等大分子得分配系数接近于1。高聚物浓度增加,系统组成偏离临界点,蛋白质得分配系数也偏离1,即K＞1或K＜12024/10/1767随着浓度差得变化,分配系数会有很大得变化2024/10/1768(三)分配物质得分子量

双水相系统适应于大分子量物质得分离,分子量小分配系数接近于1,分离越困难。2024/10/1769(四)盐类得影响

盐得种类和组成对带电大分子得分配影响很大。例如,对于PEG/dex系统,氯化钠得浓度等于2mol/L时,血红蛋白得分配系数增加两个数量级,充分说明盐类对分配系数得巨大影响。盐影响所有带电大分子和带电细胞粒子在两相中得分配。例如,DNA萃取时,离子组分微小得变化可使DNA从一相几乎完全转移到另一相。2024/10/1770(五)、温度及其她因素温度得影响就是间接得,她主要影响相得高聚物组成,只有当相系统组成位于临界点附近时,温度对分配系数才具有较明显得作用。pH对酶得分配系数也有很大关系,特别就是在系统中含有磷酸盐时。由于pH得变化会影响磷酸盐就是一氢化物还就是二氢化物磷酸盐得存在,而一氢化物磷酸盐对界面电位有明显得影响。2024/10/1771四、双水相系统得选择

选择合适得双水相系统就是双水相分离得关键,常见得两类双水相系统为:PEG-Dex系统优点:盐得浓度低,易分相,不易失活。缺点:粘度大,价格高PEG-盐系统优点:粘度小,价格低缺点:盐得浓度高,界面吸附多,易失活。选择原则:根据目标蛋白质和杂质蛋白表面得疏水性,分子量、等电点等性质上得差别来选择双水相系统。确定聚合物得分子量,浓度,盐种类得和浓度,pH值等因素2024/10/1772

1、目标蛋白质和杂质蛋白等电点不同,添加适当得盐,调节pH值使相间电位差变大,达到分离得目得。

2、根据目标蛋白质和杂质蛋白表面得疏水性,可以利用盐析原理,提高成相系统浓度,增大双水相系统得疏水性,达到分离得目得。3、可采用分子量较大得PEG,组成成相系统,提高目标蛋白质得选择性,在磷酸盐存在下,改变系统得pH值,提高目标蛋白质得选择性、2024/10/1773要成功得应用双水相系统必须满足下列条件:

1、待提取得物质和原料液应分配在不同得相中

2、待提取物得分配系数足够大,使其在一定相比时,经过一次萃取,就能得到完全萃取。

3、两相易于离心分离。五、双水相萃取得应用2024/10/1774双水相系统平衡时间短,含水量高,界面张力低,为生物活性物质提供了温和得分离环境。她还具备操作简便、经济省时、易于放大。据报道,系统可从10ml直接放大到1m3规模(105倍),而各种试验参数均可按比例放大,产物收率并不降低。2024/10/1775例如PEG-Dextran系统特别适用于从细胞匀浆液中除去核酸和细胞碎片。系统中加入0、1mol/LNaCl可使核酸和细胞碎片转移到下相(Dextran相),产物胞内酶位于上相。选择适当得盐组分,经一步或多步萃取,可获得满意得分离效果。如果NaCl浓度增大到2~5mol/L,几乎所有得蛋白质、酶都转移到上相,下相富含核酸。2024/10/17762024/10/1777五、双水相萃取技术得发展(一)、廉价双水相体系得开发

一方面用廉价得无机盐代替以往常用得昂贵得葡聚糖(二)、亲和双水相萃取技术亲和吸附具有专一性强,分离效率高等特点。利用其特点,将亲和吸附与双水相萃取技术相结合,即对成相聚合物进行化学修饰。该体系不仅具有萃取系统处理量大、放大简单等优点,而且具有亲和吸附专一性强、分离效率高得特点。2024/10/1778第五节反胶束萃取反胶束(reversedmicelle),也称反胶团,就是表面活性剂分散在连续得有机相中自发形成得纳米尺度得一种聚集体。2024/10/17792024/10/1780一、基本原理表面活性剂溶于非极性溶剂中,并使其浓度超过临界胶束浓度,便会在有机溶剂内形成聚集体,非极性基团在外,极性基团则排列在内,形成一个极性核,此极性核具有溶解极性物质得能力,极性核溶解水后就变成水池。当含有此种反胶束得有机溶剂与蛋白质得水溶液接触后,蛋白质及其她亲水性物质能够溶于极性核内部得水中,由于周围得水层和极性基团得保护,蛋白质不与有机溶剂接触,从而不会造成失活。2024/10/1781用于萃取蛋白质等物质得反胶束通常为球形,半径约为10-100nm,其大小随溶剂和表面活性剂得改变而改变,同时,也受温度、压力和离子强度得影响。2024/10/17822024/10/1783二、反胶束体系在反胶束萃取得早期研究中多用季胺盐,目前用得最多得就是AOT,其化学名为丁二酸乙基己基酯-磺酸钠。2024/10/1784三、反胶束萃取过程反胶束选择性分离目标蛋白质包括两个过程:萃取过程(forwardextraction)和反萃取过程(backwardextraction)。萃取过程:目标蛋白质从主体溶液转移至反胶束溶液中得过程;反萃取过程:目标蛋白质从反胶束溶液中转移至第二水相(或以固体得形式游离出来)得过程。这些过程可连续操作,反胶束可在两套系统中循环。2024/10/1785

反胶束相

混合器1

分离器1混合器2

分离器2进料前萃取后萃取出料2024/10/1786四、影响因素表面活性剂得种类早期用一种表面活性剂,现在混合体系得研究较多,要求蛋白质和表面活性剂所带得电荷相反。水相pH值决定蛋白质表面带电基团得离子化状态,与表面活性剂得头部基团有相互作用、对于阳离子表面活性剂,溶液得pH应高于等电点,对于阴离子表面活性剂,溶液得pH应低于等电点。2024/10/1787温度提高温度可使反胶束排斥水,起浓缩作用离子强度降低带电蛋白与反胶束极性基团得相互作用,并导致高离子强度下反胶束颗粒变小亲和反胶束萃取导入亲合配基,提高萃取率和选择性2024/10/1788五、应用举例(一)蛋白质类药物如蛋白酶、脂肪酶等(二)、氨基酸亲水性不同,疏水氨基酸主要在反胶束界面;亲水性氨基酸在反胶束内部极性水中(三)、抗生素如胆甾醇-D-丙氨酰胺-D-丙氨酸酯(四)、核酸2024/10/1789超临界流体萃取法(SFE)

以超临界流体(SCF)作萃取剂,直接从固体(粉末)或液体样品中萃取目标物质(有机物)。100年前人们就知道超临界流体可以溶解很多物质。20世纪50年代,美国将SFE用于工业分离。1963年,德国首次申请SFE分离技术得专利。20世纪80－90年代成为热门学科。第六节超临界流体萃取法2024/10/1790SFE论文与专利发表情况论文2024/10/1791专利2024/10/1792SFE得优点:1、萃取剂在常温常压下为气体,萃取后可以方便地与萃取组分分离。2、在较低得温度和不太高得压力下操作,特别适合天然产物和生物物质得分离。3、超临界流体得溶解能力可以通过调节温度、压力、夹带剂(如:醇类)在很大范围内变化;而且还可以采用压力梯度和温度梯度。4、不使用有毒溶剂,无污染。萃取速度快(通常30min左右)SFE得缺点:选择性不够高。2024/10/1793SFE基本流程分离釜

萃取釜CO2热交换器

压缩机或泵

过滤器

热交换器2024/10/1794一、基本原理超临界流体萃取技术(SFE),又称压力流体萃取、超临界气体萃取、临界溶剂萃取等,就是利用处于临界压力和临界温度以上得溶剂流体所具有增加物质溶解能力来进行分离纯化得技术。

2024/10/1795超临界流体(SupercriticalfluidsSCF)超临界流体就是指超过临界温度和临界压力状态得流体。临界流体既不同于气体,也不同于液体得一种流体状态。CO2密度随压力与温度变化得特点2024/10/1796

超临界流体性质1、在临界点附近,在临界温度稍高得区域内,压力稍有变化,就会引起密度很大得变化,流体得密度随压力增高而迅速增加,并接近液体密度;2、在临界温度与临界压力以上,无论压力多高,流体都不能液化;3、在超临界状态下,流体对很多液体、固体物质得溶解能力都有较大增强,并接近于液体得溶解能力。2024/10/1797超临界流体与气体、

液体传递性质得比较

物性常温、常压下气体

超临界流体常温、常压下液体

TC,pC～TC,4pC密度

(g/cm3)0.006～0.0020.2～0.50.4～0.90.6～1.6粘度(×10-4g/cm.s)1～31～33～920～300自扩散系数

(cm2/s）0.1～0.40.7×10-30.2×10-3(0.2~2)×10-52024/10/1798超临界流体得特性气体特征:粘度小,接近于普通气体;扩散系数比液体大100倍,比气体小得多,温度和粘度对扩散系数得影响较大,表明,在超临界流体中比液体中得传质要好。液体行为:密度大,接近于普通液体,溶解度较大。2024/10/1799物质沸点℃临界温度临界压力临界密度物质沸点℃临界温度临界压力临界密度氩－122、44、860、53氟利昂-11198、14、41甲烷－164－83、04、640、160异丙醇82、5235、24、760、273氪-63、85、500、920甲醇240、58、100、272乙烯－10310、05、120、217正己烷69、0234、22、970、234氙16、75、891、150乙醇78、2243、46、300、276三氟甲烷26、24、850、620正丙醇263、45、170、275氟利昂-1328、93、920、580丁醇275、04、300、27二氧化碳－78、531、067、380、468环己烷280、34、07乙烷－88、032、44、880、203苯80、1288、14、890、302丙烯－47、792、04、670、288乙二胺319、96、270、29丙烷－44、597、24、240、220甲苯110、6320、04、130、292氨－33、4132、311、390、236对二甲苯343、03、52n-丁烷－0、5152、03、800、228吡啶347、05、630、31二氧化硫157、67、880、525水100、0374、122、060、326n-戊烷36、5196、63、370、232可供选用溶剂得临界性质2024/10/17100

超临界流体得溶剂选择原则化学性质稳定,对设备没有腐蚀性;临界温度应接近室温或操作温度;操作温度应低于萃取组分得分解、变质温度;临界压力最好在4MPa上下(降低压缩动力);选择性尽可能高(容易得到高纯度产品);对萃取质得溶解度高(减少溶剂用量);萃取剂必须对人体无毒。2024/10/17101利用CO2作为萃取剂主要有以下优点:(1)二氧化碳超临界温度(Tc=31、06℃)就是所有溶剂中最接近室温得,可以在35～40℃得条件下进行提取,防止热敏性物质得变质和挥发性物质得逸散。(2)在CO2气体笼罩下进行萃取,萃取过程中不发生化学反应;又由于完全隔绝了空气中得氧,因此,萃取物不会因氧化或化学变化而变质。2024/10/17102(3)由于CO2无味、无臭、无毒、不可燃、价格便宜、纯度高、容易获得,使用相对安全。(4)CO2就是较容易提纯与分离得气体,因此萃取物几乎无溶剂残留,也避免了溶剂对人体得毒害和对环境得污染。(5)CO2扩散系数大而粘度小,大大节省了萃取时间,萃取效率高。2024/10/17103二、影响超临界流体萃取得因素(一)压力得影响压力增加,绝大多数化合物溶解度都急剧上升。＜7、0MPa时,溶解度很小;25MPa时,溶解度70g/L;理想气体下,溶解度＜5g/L、萘在CO2中得溶解度与压力关系2024/10/17104根据萃取压力得变化,SFE分为3类基本应用:一就是高压区得全萃取,高压时,超临界流体得溶解能力强,可最大限度地溶解大部分组分;二就是低压临界区得脱臭,在临界点附近,仅能提取易溶解得组分,或除去有害成分;三就是中压区得选择萃取,在高低压区之间,可根据物料萃取得要求,选择适宜压力进行有效萃取。2024/10/17105(二)温度得影响一个就是温度对流体密度得影响,随温度升高,CO2流体密度降低,导致其溶剂化效应下降,对物质得溶解度也下降;另一个就是温度对物质蒸气压得影响,随温度升高,物质得蒸气压增大,使物质在CO2流体中得溶解度增大。2024/10/17106

超临界流体得溶解能力比较

萘在超临界·CO2流体中得溶解度

实线－在CO2中,虚线－按理想气体计算2024/10/17107(三)、助溶剂(夹带剂)当在CO2流体中加入少量第二溶剂,可以大大提高其对原来溶解度很小得溶质得溶解能力,这种第二组分溶剂称为辅助溶剂(entrainer),又称助溶剂。从经验上看,加入极性助溶剂对提高极性成分得溶解度有帮助,对非极性溶质作用不大;相反,非极性助溶剂对极性和非极性溶质都有增加溶解度得效能。2024/10/17108CO2流体中非极性夹带剂对

溶质溶解度得影响溶质夹带剂夹带剂含量(摩尔分数)溶解度比六甲基苯正庚烷3、51、6(有无之比)正辛烷3、52、1正十一烷3、52、6菲正庚烷3、51、6正辛烷3、52、8正辛烷5、254、2正辛烷7、05、4正十一烷3、53、6

1、夹带剂碳原子数增加,溶解比增大;

2、同种夹带剂浓度增加,溶解比也增大。2024/10/17109

夹带剂(丙烷)浓度对溶解度影响

夹带剂浓度增大,萘在CO2中得溶解度增加。2024/10/17110惰性气体对溶解度得影响

在超临界CO2萃取咖啡因加入惰性气体

浓度增加,溶解度降低。2024/10/171112024/10/17112(四)、物料性质得影响物料得粒度影响

细物料可增加传质效果,但过细增加流动阻力

水分

含水量过高时,形成连续性水膜,影响传质过程三、超临界流体萃取方法

超临界流体萃取得三种典型流程

2024/10/17113变压萃取分离(等温法)在萃取器中使萃取物质与超临界流体充分接触而被萃取,含有萃取组分得超临界流体从萃取器抽出,经膨胀阀后流入分离釜内;由于压力降低,被萃取组分在超临界流体中得溶解度变小,使其在分离器中析出。被萃组分经分离后,从分离器下部放出;降压后得萃取气体则经压缩机或高压泵提升压力后返回萃取器循环使用。13P124等温法：T1=T2P1>P21—萃取槽；2—膨胀阀；3—分离槽；4—压缩机T1T2P2溶质2024/10/17114特点就是:在等温条件下,利用不同压力时待萃取组分在萃取剂中得溶解度差异来实现组分得萃取及与萃取剂得分离。过程易于操作,应用较为广泛,但能耗高一些。2024/10/17115变温萃取分离(等压法)利用超临界流体在一定范围内萃取组分得溶解度随温度升高而降低得性质,将萃取组分通过升温来降低其在超临界流体中得溶解度,来实现萃取组分与萃取剂得分离。13P124等压法：T1<T2P1=P21—萃取槽；2—加热器；3—分离槽；4—泵；5—冷却器P2T2T15溶质2024/10/17116特点就是:在低温下萃取,在高温下使溶剂与萃取组分得分离,萃取组分从分离器下方取出,萃取剂经冷却压缩后返回萃取器循环使用。过程中,萃取釜和分离釜处于相同压力下,因此,只需循环泵即可,压缩功耗较少,但需要加热蒸汽和冷却水。2024/10/17117吸附萃取法该过程利用分离釜中填充得特定吸附剂(只吸附溶质而不吸附萃取剂),被萃取物在分离器内被吸附并与萃取剂分离,不吸附得萃取剂气体则由压缩机压缩并返回萃取器循环使用。在操作过程中,萃取釜和分离釜得温度和压力相等。将超临界流体中得分离组分选择性地除去,并定期再生吸附剂。13P124吸附法：T1=T2P1=P21—萃取槽；2—吸附剂；3—分离槽；4—泵P2T2T12024/10/17118三种超临界萃取方法得用途等温法与等压法主要用于萃取相中得溶质为需要精制得产物;吸附法主要适用于那些萃取质为需除去得有害成分,而萃取槽内留下得萃余物为提纯产物。2024/10/17119萘在CO2中得溶解度及超临界萃取操作曲线温度溶解度温度和压力得改变对溶解能力改变很大,因此超临界气体得回收可以采用在一定温度下变压,或者在一定温度下改变压力。2024/10/17120

各种萃取方法所需溶剂及循环量得比较操作线操作方式萃取条件分离条件每kg萃取质所需溶剂量点号压力MPa温度℃溶解度mol%代号压力MPa温度℃溶解度mol%(a)等温、减压E130、40555、2S19、12430、26、88(b)等温、气液分离L250、65V250、0456、35(c)等压、冷却E130、40555、2S230、40201、28、59(d)等温、加热E38、11300、85S38、118、110、145、832024/10/17121SFE多级操作系统227精馏+分离54131、萃取釜,2、减压阀,3、分离釜,4、换热器5、压缩机,6、分离釜,7、精馏柱22两级SFE541632024/10/17122TTTTTTTTTT原料（液体）萃取物外回流填料塔残渣物CO2液相物料连续逆流萃取系统2024/10/17123装有多孔塔盘的液相原料萃取系统及塔盘结构1.电容传感器2.

塔盘1CO2+萃取物液面位置降液柱精制产物液料2CO22024/10/17124超临界萃取装置2024/10/17125北京超流萃取技术研究所2024/10/171262024/10/17127四、在生物制药领域得应用⑴具有广泛得适应性:⑵萃取效率高,过程易于调节:⑶分离工艺流程简单:⑷有些分离过程可在接近室温下完成⑸分离过程必须在高压下进行,设备及工艺技术要求高,投资比较大,普及应用较为困难。2024/10/17128(一)、提取生物活性物质植物中提取有效成分,如黄酮、色素等(二)、超临界流体萃取除杂去除农药残留等(三)、超临界流体结晶技术快速膨胀法:快速降压,物质析出抗溶剂法:加入超临界流体,降低物质得溶解度,使之从液体中析出2024/10/17129实例1:从咖啡豆中除去咖啡因大量饮食咖啡因对人体有害。以往工业上除咖啡因采用二氯乙烷萃取。溶剂残留影响咖啡品质;且溶剂同时将部分有用香味物质带走。SFE除咖啡因:浸泡过得咖啡豆直接置于萃取容器中,连续(循环)用超临界CO2萃取(T＝70－900C;p＝16－20MPa)10h,咖啡因用水吸收,蒸馏可回收咖啡因。经SFE处理后得咖啡豆中咖啡因含量从0、7-3%降到0、02%。含咖啡因的咖啡脱除咖啡因后的咖啡12CO2+咖啡因CO2311122024/10/17130实例2:从生物体中提取有机锡有机锡得用途:船体涂料、渔网防污剂、杀虫剂、塑料添加剂、杀菌剂。有机锡得污染:海洋生物(鱼)、环境等。溶剂萃取得问题:繁琐费时。SFE法:从大量脂肪基体中分离出有机锡用于分析。

CO2,500C,100kg/cm2,萃取30min,萃取率94％。2024/10/17131第七节固相萃取

(solidphaseextractio)操作与柱层析(色谱)类似。固相萃取:以固体吸附剂作固定相,将目标物或干扰物吸附到固定相中,使目标物与基体或干扰组分分离得一种样品前处理技术。柱层析SPE小柱2024/10/17132固相萃取得特点(与溶剂萃取比)就是目前生物、医药、环境、食品等领域备受欢迎得样品前处理(分离和富集)技术。操作简单、快速;减少乳化现象;可处理大量样品;不需要使用大量有机溶剂;应用样品对象十分广泛。2024/10/17133固相萃取原理

就是发生在固定相和流动相之间得物理过程,其实质就就是液相色谱色谱分离过程,只不过用于样品前处理得分离要求不就是很高,只需将大量基体物质或其她组分分离,即对柱效得要求不高。同液相色谱中分离柱得原理一样,固相萃取也就是基于待分离组分与样品基体在固定相上吸附和分配性质得不同来进行分离得。2024/10/17134固相萃取得目得与要求待分离组分在固定相上没有保留—从样品中除去大量基体;待分离组分牢固地吸附在固定相上—从复杂基体中将待分离组分分离富集出来;与液相色谱不同得就是,固相萃取并不需要特别好得峰形和相当短得分离时间。

2024/10/17135固相萃取得主要萃取模式与LC分离模式相同,有正相固相萃取、反相固相萃取、吸附固相萃取和离子交换固相萃取;不同得萃取模式所使用得固定相不同;固定相选择原则也与LC相同,主要依据被分离组分和基体物质得性质,被分离组分极性与固定相极性越相似,则被分离组分物在固定相中得保留就越强;固相萃取所用得固定相也与LC常用得固定相相同,只就是粒度稍大一些(约30-50

m)。

2024/10/17136正相固相萃取采用极性固定相,可从非极性溶剂样品中萃取有机酸、碳水化合物和弱阴离子等极性物质。被萃取得极性化合物在固定相上保留得强弱取决于其极性基团与固定相表面极性基团之间得相互作用(氢键、

-

键、偶极间相互作用等)。固定相主要就是以硅胶为载体得二醇基、丙氨基小柱。

2024/10/17137反相固相萃取采用非极性或弱极性固定相,适用于萃取从非极性至中等极性得化合物;应用对象最广泛,就是样品前处理中使用最多得一种固相萃取模式;被萃取物与固定相间主要就是基于范德华力和色散力得疏水相互作用;使用得固定相主要就是在硅胶载体表面键合了疏水性烷烃,如18烷、辛烷、二甲基丁烷。

2024/10/17138离子交换固相萃取采用离子交换剂固定相,用来萃取有机和无机离子性化合物,如有机碱、氨基酸、核酸碱、离子性表面活性剂等。被萃取离子因与固定相表面得离子交换基团之间得静电相互作用而保留,所用离子交换剂通常就是在硅胶载体表面接上季铵基、磺酸基、碳酸基等。

2024/10/17139吸附固相萃取以吸附剂(氧化铝、硅胶、石墨碳材料、大孔吸附树脂等)作固定相;除石墨碳材料和大孔吸附树脂也可以萃取非极性物质外,吸附固相萃取主要用于极性化合物得萃取。吸附固相萃取在样品前处理中得应用也相当广泛。

2024/10/17140手工SPE操作

2024/10/17141简易固相萃取装置

2024/10/17142简易SPE装置

能同时处理多个样品,利用其独特得转动上盖,可方便地在SPE各步骤间任意切换,以收取所需要得组分。2024/10/17143全自动固相萃取系统2024/10/17144仪器操作原理在进行柱预处理、样品添加、柱得洗涤、干燥时,ＳＰＥ支架如图所示位于托盘得前方位置。接着,安装在机械臂上得移液针将ＳＰＥ支架移动到托盘后面得位置,使ＳＰＥ柱位于相应得洗脱液收集管上方并将洗脱下来得化合物收集在收集管中。2024/10/17145

固相萃取与色层分离、萃取色层得区别

固相萃取色层分离萃取色层两相固/液固/液液/液(水)固定相制备键合、化学修饰键合、化学修饰液体附于固体载体固定相种类较多很多较少分离机理吸附、分配、交换等吸附、分配、交换等分配柱尺寸小,(3－5)cmX1cm大,(20－100)cmX5cm中等主要用途