南農(nóng)--生物分離工程--生物分離2-萃取教學(xué)大全詳解

1、編輯ppt溶劑萃取法溶劑萃取法 編輯ppt通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握以下內(nèi)容通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握以下內(nèi)容：編輯ppt分 類按參與溶質(zhì)分配的兩相不同而分為按參與溶質(zhì)分配的兩相不同而分為液液-液萃取液萃取(liquid-liquid extraction)液液-固萃取固萃取(liquid-solid extraction)固相萃取固相萃取(solid phase extraction, SPE)利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附 雙水相萃取雙水相萃取(two water phase extraction)超臨界流體萃取超臨界流體萃取(supercritica

2、l fluid extraction)編輯ppt適合于非極性、弱極性溶質(zhì)適合于非極性、弱極性溶質(zhì)編輯ppt編輯ppt雜質(zhì)雜質(zhì)溶質(zhì)溶質(zhì)原溶劑原溶劑萃取劑萃取劑Light phaseHeavy phase編輯ppt分配定律平衡時溶質(zhì)在兩相中的濃度之比為一平衡時溶質(zhì)在兩相中的濃度之比為一常數(shù)常數(shù)K， K 萃取相濃度萃取相濃度/萃余相濃度萃余相濃度 c1c2 應(yīng)用條件：應(yīng)用條件： (1)稀溶液；稀溶液； (2)溶質(zhì)對溶劑之互溶度沒有影響；溶質(zhì)對溶劑之互溶度沒有影響； (3)必須是同一種分子類型，即不發(fā)生締合或離必須是同一種分子類型，即不發(fā)生締合或離解。解。編輯ppt弱酸或弱堿性溶質(zhì)還要考慮弱電解質(zhì)在水

3、相中的電弱酸或弱堿性溶質(zhì)還要考慮弱電解質(zhì)在水相中的電離平衡。離平衡。兩相中的游離酸分子的分配平衡用分配系數(shù)兩相中的游離酸分子的分配平衡用分配系數(shù)K0表征表征電離平衡用電離常數(shù)電離平衡用電離常數(shù)KP來表征。來表征。青霉素的分配平衡與電離平衡 編輯pptK0和和KP是客觀存在的，但一般測定得到的是是客觀存在的，但一般測定得到的是PCOOHPCOO的總濃度的總濃度c2，在這種情在這種情況下，況下， c1c2K 這里的這里的K稱之為表觀分配系數(shù)。稱之為表觀分配系數(shù)。 溶質(zhì)在不互溶兩相中的分配不僅與本身的性溶質(zhì)在不互溶兩相中的分配不僅與本身的性質(zhì)質(zhì)(決定決定KP)、萃取溶劑萃取溶劑(決定決定K0)有關(guān)，

4、也與水有關(guān)，也與水相的相的pH有關(guān)。有關(guān)。編輯ppt弱電解質(zhì)的分配平衡青霉素 (light phase) 青霉素 = 青霉素- + H+(water)1）青霉素萃?。┣嗝顾剌腿∏嗝顾厥怯袡C酸, pH值對其分配系數(shù)有很大影響。很明顯, 在較低pH下有利于青霉素在有機相中的分配, 當(dāng)pH大于6.0時,青霉素幾完全分配于水相中。從圖中可知,選擇適當(dāng)?shù)膒H, 不僅有利于提高青霉素的收率, 還可根據(jù)共存雜質(zhì)的性質(zhì)和分配系數(shù),提高青霉素的萃取選擇性。2) 青霉素反萃取青霉素反萃取編輯ppt弱電解質(zhì)的分配平衡3）紅霉素萃?。┘t霉素萃取紅霉素是堿性電解質(zhì)，在乙酸戊酯和pH9.8的水相之間分配系數(shù)為44.7，而

5、水相pH降至5.5時, 分配系數(shù)降至14.4。4）紅霉素反萃取反萃取操作同樣可通過調(diào)節(jié)pH值實現(xiàn)。如，紅霉素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃取則用pH5.0的水溶液。紅霉素 (light phase) 紅霉素 + H+ = 紅霉素+ (water)編輯ppt分離因子萃取劑對溶質(zhì)A和B分離能力的大小可用分離因子來表征： (c1A/c1B)(c2A/c2B) KAKB 下標(biāo)1、2分別代表萃取相和萃余相， 如果A是產(chǎn)物，B為雜質(zhì)， K產(chǎn)K雜 =1? 越大，A、B的分離效果越好，即產(chǎn)物與雜質(zhì)越容易分離。編輯ppt水相條件的影響(1) pH值pH值直接影響表觀分配系數(shù)K，對選擇性有影響。如青霉

6、素在pH 2萃取時，乙酸丁酯萃取液中青霉烯酸可達(dá)青霉素含量的12.5，而在pH 3的條件下萃取，則可降低至4。pH值還應(yīng)盡量選擇在使產(chǎn)物穩(wěn)定的范圍內(nèi)。編輯pptpH值 青霉素青霉素 K=1 PH=4.4 不萃取不萃取 K1 PH4.4（2.2） 正萃取正萃取 K1 PH4.4 （7.2） 編輯ppt(2) 溫度溫度會影響生化物質(zhì)的穩(wěn)定性。溫度會影響生化物質(zhì)的穩(wěn)定性。影響分配系數(shù)影響分配系數(shù)K。有機溶劑與水互溶度隨有機溶劑與水互溶度隨T T升高而增加，升高而增加， 收率下降。收率下降。 編輯ppt(3) 鹽析（NaCl NH4Cl (NH4)2SO4) 無機鹽類如硫酸銨、氯化鈉等一般可降低產(chǎn)物無

7、機鹽類如硫酸銨、氯化鈉等一般可降低產(chǎn)物在水中的溶解度而使其更易于轉(zhuǎn)入有機溶劑相在水中的溶解度而使其更易于轉(zhuǎn)入有機溶劑相中，中，減小有機溶劑在水相中的溶解度。減小有機溶劑在水相中的溶解度。 如提取維生素如提取維生素B12時，加入硫酸銨，可促使維時，加入硫酸銨，可促使維生素生素B12自水相轉(zhuǎn)移到有機相中；自水相轉(zhuǎn)移到有機相中； 提取青霉素時加入提取青霉素時加入NaCl，也有利于青霉素從水也有利于青霉素從水相轉(zhuǎn)移到有機溶劑相中。相轉(zhuǎn)移到有機溶劑相中。增加水相比重增加水相比重編輯ppt反萃取反萃取(Back extraction)：當(dāng)萃取操作后，為進一步純化目標(biāo)產(chǎn)物或便于下步分離當(dāng)萃取操作后，為進一步

8、純化目標(biāo)產(chǎn)物或便于下步分離操作，往往需要將目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到水相。這種調(diào)節(jié)水相操作，往往需要將目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到水相。這種調(diào)節(jié)水相條件，將目標(biāo)產(chǎn)物從有機相轉(zhuǎn)入水相的萃取操作稱為反條件，將目標(biāo)產(chǎn)物從有機相轉(zhuǎn)入水相的萃取操作稱為反萃取。萃取。編輯ppt操作的一般過程萃取萃取 洗滌洗滌 反萃取反萃取洗滌操作洗滌操作(washing processing)：對于一個完整的萃取過程，常在對于一個完整的萃取過程，常在萃取和反萃取之間增加洗滌操作萃取和反萃取之間增加洗滌操作 編輯ppt 優(yōu) 點對熱敏物質(zhì)破壞少對熱敏物質(zhì)破壞少多級萃取時，溶質(zhì)濃縮倍數(shù)高，純化度高多級萃取時，溶質(zhì)濃縮倍數(shù)高，純化度高便于連續(xù)生產(chǎn)，周期短

9、便于連續(xù)生產(chǎn)，周期短溶劑耗量大，對設(shè)備和安全要求高溶劑耗量大，對設(shè)備和安全要求高編輯ppt萃取操作理論收得率的計算須符合以下 兩個假定： 萃取相和萃余相很快達(dá)到平衡 兩相完全不互溶，在分離器中能完全分離。單級萃取編輯ppt萃取方式和理論收得率工業(yè)上萃取操作通常包括三個步驟： 混合分離溶劑回收 工業(yè)萃取的流程中須有混合器(如攪拌混合器)、分離器(如碟片式離心機)和溶劑回收裝置(如蒸餾塔)?；旌陷腿『头蛛x也可在同一臺設(shè)備內(nèi)完成。一般萃取過程很快，如果接觸表面足夠大，則在1560 s之內(nèi)就可完成。編輯ppt溶劑回收溶劑回收 簡單蒸餾：沸點相差大，溶劑質(zhì)量要求不高簡單蒸餾：沸點相差大，溶劑質(zhì)量要求不高

10、 精餾：沸點接近精餾：沸點接近編輯ppt混合-澄清式萃取 Mixer-settler最常用的液液萃取設(shè)備最常用的液液萃取設(shè)備編輯ppt使含溶質(zhì)的溶液（使含溶質(zhì)的溶液（h）和萃取劑（和萃取劑（L）充分混）充分混合，靜止后分成兩層。合，靜止后分成兩層。單級萃取編輯ppt單級萃取設(shè)K為分配系數(shù)，VF為料液體積，VS為萃取劑體積，E為萃取因子(extraction factor)即萃取平衡后，溶質(zhì)在萃取相與萃余相中質(zhì)量的比值，則： EKVSVFKm E與相比、萃取劑濃度、T、pH、解離情況有關(guān)式中 m：濃縮倍數(shù)VF/VS 編輯ppt萃余率萃余率=萃余液中溶質(zhì)總量萃余液中溶質(zhì)總量/ /溶質(zhì)總量溶質(zhì)總量1

11、00%100% =1/ =1/（E+1E+1）100%100% 理論收得率為： 1E(E1)效率低, 為達(dá)到一定的萃取率, 需大量萃取劑，為提高收率常常采用多級萃取編輯ppt編輯ppt多級錯流萃取 多級錯流萃取由于溶劑分別加入各級萃取器，故萃取推動力較大，萃取效果較好。缺點是需加入大量的溶劑，因而產(chǎn)品濃度稀，需消耗較多的能量回收溶劑。 編輯ppt多級錯流萃取 萃余率萃余率=1/（E+1）n 理論收率：理論收率：1 編輯ppt 多級逆流萃取 將多個混合將多個混合-澄清器單元串聯(lián)起來澄清器單元串聯(lián)起來,分別在左右兩端的混合分別在左右兩端的混合器中連續(xù)通入料液和萃取液器中連續(xù)通入料液和萃取液,使料液

12、和萃取液逆流接觸使料液和萃取液逆流接觸,即即構(gòu)成多級逆流接觸萃取構(gòu)成多級逆流接觸萃取. 編輯ppt萃余率萃余率=第第n級萃余相溶質(zhì)量級萃余相溶質(zhì)量/料液溶質(zhì)量料液溶質(zhì)量 =（E-1）/（E n+1-1） 理論收率理論收率1-多級逆流萃取 編輯ppt連續(xù)逆流萃取裝置編輯ppt例1：赤霉素在10、pH值2.5時的分配系數(shù)(乙酸乙酯水)為35，用等體積乙酸乙酯單級萃取一次問理論收得率為多少？解1： E351135 理論收得率 1 35(351)97.2編輯ppt例2：赤霉素二級錯流萃取時，第一級用1/2體積乙酸乙酯，第二級用1/10體積乙酸乙酯，問理論收得率為多少？解2： E135217.5 E23

13、5103.5 理論收得率 1 11(17.51)(3.51)98.79編輯ppt例3：赤霉素進行二級逆流萃取，乙酸乙酯用量為1/2體積，問理論收得率為多少？解3： E35217.5 n2 理論收得率 1 17.5317.517.531 99.7三種萃取過程中，以逆流萃取收率最高，溶劑用量最少。因而也是工業(yè)上普遍采用工業(yè)上普遍采用的流程。編輯ppt溶劑用量及萃取方式潔霉素（丁醇:水）18收率濃縮比萃取二級錯流二級逆流 三級逆流194.7 99.0 99.69 99.981/290.0 96.7 98.9 99.881/385.7 93.8 97.7 99.611/481.8 92.5 96.1

14、99.14編輯ppt溶劑的選擇 根據(jù)根據(jù)相似相溶相似相溶的原理，選擇與目標(biāo)產(chǎn)物性質(zhì)相近的萃取的原理，選擇與目標(biāo)產(chǎn)物性質(zhì)相近的萃取劑，可以得到較大分配系數(shù)。此外，有機溶劑還應(yīng)滿足劑，可以得到較大分配系數(shù)。此外，有機溶劑還應(yīng)滿足以下要求：以下要求：1)、價廉易得；、價廉易得；2)、與水相不互溶；、與水相不互溶；3)、與水相有較大的密度差，并且粘度小，表面張力適中，、與水相有較大的密度差，并且粘度小，表面張力適中，相分散和相分離較容易；相分散和相分離較容易；4)、容易回收和再利用；、容易回收和再利用；5)、毒性低，腐蝕性小，揮發(fā)性小、使用安全；、毒性低，腐蝕性小，揮發(fā)性小、使用安全；編輯ppt溶劑的

15、選擇溶劑的選擇常用于抗生素類萃取劑有：丁醇等常用于抗生素類萃取劑有：丁醇等醇類醇類、乙酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯類乙酸酯類以及甲異丁基甲酮以及甲異丁基甲酮（methyl isobutyl ketone）等。等。青霉素CHCl 3 乙醚39:1 39:1 12:1編輯ppt化學(xué)萃取由于氨基酸和一些極性較大的抗生素的水溶性很由于氨基酸和一些極性較大的抗生素的水溶性很強，在有機相中的分配系數(shù)很小甚至為零，利用強，在有機相中的分配系數(shù)很小甚至為零，利用一般的物理萃取效率很低，甚至無法萃取。一般的物理萃取效率很低，甚至無法萃取。這種情況可用化學(xué)萃取解決。這種情況可用

16、化學(xué)萃取解決。編輯ppt化學(xué)萃取化學(xué)萃?。?用脂溶性萃取劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)用脂溶性萃取劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)生成脂溶性復(fù)合分子實現(xiàn)溶質(zhì)向有機相生成脂溶性復(fù)合分子實現(xiàn)溶質(zhì)向有機相的分配。的分配。稀釋劑稀釋劑(diluent)：化學(xué)萃取中通常用煤油、化學(xué)萃取中通常用煤油、乙烷和苯等溶解萃取劑，改善萃取相的乙烷和苯等溶解萃取劑，改善萃取相的物理性質(zhì)，此時的有機溶劑稱為稀釋劑。物理性質(zhì)，此時的有機溶劑稱為稀釋劑。編輯ppt 陽離子交換反應(yīng)萃取陽離子交換反應(yīng)萃取 nHA+mn+=mAn+nH+ 萃取劑-弱酸性 溶質(zhì)-水相中絡(luò)離子形式 加合反應(yīng)萃取加合反應(yīng)萃取 KK1+K2 青霉素：正己醇+醋酸丁酯B

17、A（11） pH3.5-4.0 收率提高 BA pH2.2 對酸不穩(wěn)定 編輯ppt帶同萃取反應(yīng)帶同萃取反應(yīng)鏈霉素萃取鏈霉素萃取在中性條件下，鏈霉素與月桂酸CH3(CH2)10COOH可形成易溶于丁醇、乙酸丁酯和異辛醇的復(fù)合物。反萃?。悍摧腿。捍藦?fù)合物在酸性(pH5.5-5.7)條件下可分解。因此用酸性水溶液進行反萃取，使復(fù)合物分解，鏈霉素重新溶于水相中。鏈霉素+ + 月桂酸 = 鏈霉素月桂酸 + H+ (organic) 鏈霉素+ + OH- = 鏈霉素 (water)某溶質(zhì)不被萃取或很少被萃取，加入另一溶質(zhì)后同時被萃取。編輯ppt絡(luò)合反應(yīng)萃取絡(luò)合反應(yīng)萃取檸檬酸萃取檸檬酸在酸性條件下與磷酸三丁

18、酯反應(yīng)生成中性絡(luò)合物，該中性絡(luò)合物易溶于有機相。然后反萃取。檸檬酸 +磷酸三丁酯=檸檬酸-磷酸三丁酯 (organic)檸檬酸 = 檸檬酸 - + H+ (water)檸檬酸3- Ca2+檸檬酸鈣 CO32-檸檬酸3- + 碳酸鈣缺點：缺點：A 消耗大量鈣鹽B 消耗大量可溶性 碳酸鹽C 產(chǎn)生大量鈣鹽D 回收率低編輯ppt離子締合反應(yīng)萃取離子締合反應(yīng)萃取 青霉素萃取萃取青霉素為有機酸，可與四丁胺、正十二烷胺等脂肪堿通過離子鍵結(jié)合而容易溶于氯仿中。 通過加入萃取劑，增大其在不同的pH的水相中對有機相的分配系數(shù)，使其在穩(wěn)定性高的pH下進行萃取操作。青霉素- + 四丁胺 =青霉素-四丁胺+ + OH-

19、(light phase)青霉素- + H+ = 青霉素 (water phase)編輯ppt乳化現(xiàn)象乳化現(xiàn)象乳化乳化：水或有機溶劑以微小液滴形式分散于有機相或水水或有機溶劑以微小液滴形式分散于有機相或水相中的現(xiàn)象。常常發(fā)生在實際發(fā)酵產(chǎn)物的萃取操相中的現(xiàn)象。常常發(fā)生在實際發(fā)酵產(chǎn)物的萃取操作中。產(chǎn)生乳化后使有機相和水相分層困難，出作中。產(chǎn)生乳化后使有機相和水相分層困難，出現(xiàn)兩種夾帶：現(xiàn)兩種夾帶：發(fā)酵液中夾帶有機溶劑微滴，使目標(biāo)產(chǎn)物受到損發(fā)酵液中夾帶有機溶劑微滴，使目標(biāo)產(chǎn)物受到損失；失；有機溶劑中夾帶發(fā)酵液給后處理操作帶來困難。有機溶劑中夾帶發(fā)酵液給后處理操作帶來困難。編輯ppt產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因

20、：發(fā)酵液中存在的蛋白質(zhì)和固體顆粒等物質(zhì)，這發(fā)酵液中存在的蛋白質(zhì)和固體顆粒等物質(zhì)，這些物質(zhì)具有表面活性劑的作用，使有機溶劑和些物質(zhì)具有表面活性劑的作用，使有機溶劑和水的表面張力降低，水的表面張力降低， 水易于以微小液滴的形式分散于油相稱為油包水易于以微小液滴的形式分散于油相稱為油包水型水型W/O乳濁液；乳濁液； 相反，為相反，為O/W型乳濁液。型乳濁液。編輯ppt 乳化現(xiàn)象 有機相乳化層水 相編輯ppt表面活性劑定義：由親水憎油的極性基團（親水基）和親油憎水的非極性基團（疏水基）兩部分組成的分子。HLB值（hydrophile-lipophile balance）: 020 HLB=0 完全不親

21、水 HLB=20 完全親水HLB越大，親水性強， O/ WHLB越小，親油性強， W / O 親水基疏水基編輯ppt乳狀液穩(wěn)定條件=乳化劑=表面活性劑降低界面張力，降低表面自由能液滴帶電荷，相互排斥界面膜的形成增大介質(zhì)黏度，增加界面膜的機械強度表面活性劑在界面上的定向排列水包油（O/W）型 油包水（W/O）型編輯ppt乳濁液類型的影響因素乳濁液類型的影響因素相體積的影響相體積的影響假定假定 水的體積水的體積26% W/O 74%O/ W乳化劑分子的空間構(gòu)型乳化劑分子的空間構(gòu)型截面積大頭指向連續(xù)相，小頭指向分散相截面積大頭指向連續(xù)相，小頭指向分散相一價金屬皂一價金屬皂O/ W 二價金屬皂二價金屬

22、皂W/O編輯ppt乳化劑分配系數(shù)的影響乳化劑分配系數(shù)的影響K大，大，O/W K小，小，W/O容器壁性質(zhì)容器壁性質(zhì)親水性強，親水性強，O/W 親油性強，親油性強，W/O編輯ppt破乳破乳 1)在操作前，對發(fā)酵液進行過濾或絮凝沉淀處在操作前，對發(fā)酵液進行過濾或絮凝沉淀處理，可除去大部分蛋白質(zhì)及固體微粒，防止乳化理，可除去大部分蛋白質(zhì)及固體微粒，防止乳化現(xiàn)象的發(fā)生?，F(xiàn)象的發(fā)生。 2)乳化產(chǎn)生后，采取適當(dāng)?shù)钠迫槭侄?。乳化產(chǎn)生后，采取適當(dāng)?shù)钠迫槭侄巍?編輯ppt破乳破乳加熱加熱 灰黃霉素灰黃霉素80-90操作簡便、原材料消耗低操作簡便、原材料消耗低 直接蒸汽、發(fā)酵液稀釋直接蒸汽、發(fā)酵液稀釋稀釋法稀釋法 加入連續(xù)相加入連續(xù)相過濾破乳過濾破乳 紅霉素的一次紅霉素的一次BA提取液過提取液過CaCO3，除去微量水分除去微量水分離心分離離心分離加入