萃取的原理過程及應(yīng)用

萃取是在兩個液相間進(jìn)行。大部分萃取米用一個是水相。另一個是有機(jī)相。但有機(jī)相易使蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)變性。最近，發(fā)現(xiàn)有一些高分子水溶液（如分子量從幾千到幾萬的聚乙二醇硫酸鹽水溶液）可以分為兩個水相，蛋白質(zhì)在兩個水相中的溶解度有很大的差別。故可以利用雙水相萃取過程分離蛋白質(zhì)等溶于水的生物產(chǎn)品。例如用聚乙二醇（PEGMr為6000）/磷酸鉀系統(tǒng)從大腸桿菌勻漿中提取B-半乳糖苷酶。這是一個很有前途的新的分離方法，特別適用于生物工程得出的產(chǎn)品的分離。萃取技術(shù)是一種分離技術(shù)，主要用于物質(zhì)的分離和提純，這里將介紹幾種常用的萃取技術(shù)，有溶劑萃取、雙水相萃取、凝膠萃取三種，本文將分別從它們的原理、過程及應(yīng)用三方面介紹，這些技術(shù)廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、原子能、冶金、電子、環(huán)境保護(hù)、生物化學(xué)和醫(yī)藥等領(lǐng)域。關(guān)鍵字溶劑萃取雙水相萃取凝膠萃取原理過程應(yīng)用TOC\o"1-5"\h\z摘要 1目錄 2一、 溶劑萃取 3\o"CurrentDocument"1原理 3\o"CurrentDocument"2過程 5\o"CurrentDocument"3應(yīng)用 5二、 雙水相萃取 6\o"CurrentDocument"1原理 6\o"CurrentDocument"2過程 7\o"CurrentDocument"3應(yīng)用 8三、 凝膠萃取 8\o"CurrentDocument"1原理 8\o"CurrentDocument"2過程 10\o"CurrentDocument"3應(yīng)用 11\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 11第一章溶劑萃取利用在兩個互不相溶的液相中各種組分（包括目的產(chǎn)物）溶解度的不同，從而達(dá)到分離的目的。溶劑對需分離組分有較高的溶解能力，分離過程純屬物理過程。溶質(zhì)：被萃取的物質(zhì)原溶劑：原先溶解溶質(zhì)的溶劑萃取劑：加入的第三組分萃取劑選擇原則：使溶質(zhì)在萃取相中有最大的溶解度1、原理溶劑萃取法也稱液一液萃取法，簡稱萃取法。萃取法由有機(jī)相和水相相互混合，水相中要分離出的物質(zhì)進(jìn)入有機(jī)相后，再靠兩相質(zhì)量密度不同將兩相分開。有機(jī)相一般由三種物質(zhì)組成，即萃取劑、稀釋劑、溶劑。有時還要在萃取劑中加入一些調(diào)節(jié)劑，以使萃取劑的性能更好。從氤化物溶液中萃取有色金屬氤絡(luò)物一般用高分子有機(jī)胺類，如氯化三烷基甲胺（N263）、稀釋劑為高碳醇、溶劑是磺化煤油。水相即是要處理的廢水。溶劑萃取利用化合物在兩種互不相溶（或微溶）的溶劑中溶解度或分配系數(shù)的不同，使化合物從一種溶劑內(nèi)轉(zhuǎn)移到另外一種溶劑中。經(jīng)過反復(fù)多次萃取，將絕大部分的化合物提取出來。分配定律是萃取方法理論的主要依據(jù)，物質(zhì)對不同的溶劑有著不同的溶解度。同時，在兩種互不相溶的溶劑中，加入某種可溶性的物質(zhì)時，它能分別溶解于兩種溶劑中，實驗證明，在一定溫度下，該化合物與此兩種溶劑不發(fā)生分解、電解、締合和溶劑化等作用時，此化合物在兩液層中之比是一個定值。不論所加物質(zhì)的量是多少，都是如此。用公式表示。CA/CB=KCA.CB分別表示一種化合物在兩種互不相溶地溶劑中的摩爾濃度。K是一個常數(shù)，稱為“分配系數(shù)”。有機(jī)化合物在有機(jī)溶劑中一般比在水中溶解度大。用有機(jī)溶劑提取溶解于水的化合物是萃取的典型實例。在萃取時，若在溶解度，常可提高萃取效果。要把所需要的水溶液中加入一定量的電解質(zhì)(如氯化鈉)，利用“鹽析效應(yīng)”以降低有機(jī)物和萃取溶劑在水溶液中的化合物從溶液中完全萃取出來，通常萃取一次是不夠的，必須重復(fù)萃取數(shù)次。利用分配定律的關(guān)系，可以算出經(jīng)過萃取后化合物的剩余量。設(shè)：V為原溶液的體積w0為萃取前化合物的總量w1為萃取一次后化合物的剩余量w2為萃取二次后化合物的剩余量w3為萃取n次后化合物的剩余量S為萃取溶液的體積經(jīng)一次萃取，原溶液中該化合物的濃度為w1/V；而萃取溶劑中該化合物的濃度為(w0-w1)/S；兩者之比等于K，即：w1/V=Kw1=w0KV(w0-w1)/SKV+S同理，經(jīng)二次萃取后，則有w2/V=K即(w1-w2)/Sw2=w1KV=w0KVKV+SKV+S因此，經(jīng)n次提取后：wn=w0(KV)KV+S單級萃取：使含溶質(zhì)的溶液(h)和萃取劑(L)解出混合，靜止后分成兩層。多級萃取：是工業(yè)生產(chǎn)最常用的萃取流程，分離效率高，產(chǎn)品回收率高，溶劑用量少。當(dāng)用一定量溶劑時，希望在水中的剩余量越少越好。而上式KV/(KV+S)總是小于1，所以n越大，wn就越小。也就是說把溶劑分成數(shù)次作多次萃取比用全部量的溶劑作一次萃取為好。但應(yīng)該注意，上面的公式適用于幾乎和水不相溶地溶劑，例如苯，四氯化碳等。而與水有少量互溶地溶劑乙醚等，上面公式只是近似的。但還是可以定性地指出預(yù)期的結(jié)果。水相與一完全或部分不相溶的有機(jī)相密切接觸后，水相中的溶質(zhì)轉(zhuǎn)入有機(jī)相，并在兩相中重新分配的過程。由于它能有效地從含量很低的鈾礦浸出液中分離、富集和提純原子能工業(yè)中應(yīng)用的鈾。分配比、萃取率和分離系數(shù)物質(zhì)M在水相和有機(jī)相之間的重新分配服從能斯脫(Nernst)分配定律，即在一定溫度下：Kd=[M]0/[M]

[M]0、[M]分別表示平衡時溶質(zhì)在水相和有機(jī)相中的濃度，Kd為分配系數(shù)。當(dāng)含有溶質(zhì)的兩相溶液接近于理想溶液，且溶質(zhì)在兩相中的分子狀態(tài)相同，溫度一定時，Kd為常數(shù)。2、過程溶劑萃取的工藝過程，除了萃取和反萃取這兩個主要工序以外，還包括負(fù)載有機(jī)相的洗滌和貧有機(jī)相再生兩個工序。由有機(jī)萃取劑、添加劑和有機(jī)溶劑（稀釋劑）組成的有機(jī)相，從溶液（或礦漿）中萃取鈾，萃余水相在回收有機(jī)相后尾棄；負(fù)載鈾的有機(jī)相采用洗滌劑，通過洗滌去除部分雜質(zhì)；然后用反萃取劑把鈾轉(zhuǎn)入水相，得到反萃取成品液，用于制備鈾化合物產(chǎn)品。如果反萃取過程中還有部分雜質(zhì)留在有機(jī)相中，需要采用其它試劑（再生劑）使這些雜質(zhì)轉(zhuǎn)入水相，同時使有機(jī)相再生，達(dá)到可以返回萃取的目的。萃取-洗滌-反萃取-再生-萃取，加上從水相中回收有機(jī)相，這就是溶劑萃取工藝的全部過程。每個具體的工藝流程，可以根據(jù)實際情況的需要，決定采用全部或部分工序。有機(jī)相回收*有機(jī)相回收*尾液萃取員技有機(jī)相■洗滌凈化H機(jī)相反萃取貧有帆相■再生有機(jī)相反莘取劑再生劑莘焯液洗添刺有機(jī)相再生液洗海被反莘取液（成品液）章余水相E9-3溶劑萃取工藝I的原則流程3、應(yīng)用萃取劑在使用過程中，有機(jī)相必須能夠再生和反復(fù)使用，才有工業(yè)應(yīng)用的價值。溶于水相的溶質(zhì)與有機(jī)溶劑接觸后，經(jīng)過物理或化學(xué)作用，部分或幾乎全部轉(zhuǎn)移到有機(jī)相的過程。又稱液液萃取。是一種分離技術(shù)，主要用于物質(zhì)的分離和提純，具有裝置簡單、操作容易的特點，既能用來分離、提純大量物質(zhì)，更適合于微量或痕量物質(zhì)的分離、富集，廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、原子能、冶金、電子、環(huán)境保護(hù)、生物化學(xué)和醫(yī)藥等領(lǐng)域。溶劑萃取法廣泛地應(yīng)用于冶金和化工行業(yè)中。在黃金行業(yè)中，用溶劑萃取法提取純金、銀已有許多研究，在國外，其成熟技術(shù)已經(jīng)工業(yè)應(yīng)用多年。用萃取法從含氤廢水中提取銅、鋅的研究也多有報導(dǎo)。在我國，1997年由清華大學(xué)和山東省萊州黃金冶煉廠合作完成了萃取法從氤化貧液中分離銅的工業(yè)試驗，取得了較好的效果。第二章雙水相萃取利用物質(zhì)在不相溶的，兩水相間分配系數(shù)的差異進(jìn)行萃取的方法。1、原理某些親水性高分子聚合物的水溶液超過一定濃度后可以形成兩相，并且在兩相中水分均占很大比例，即形成雙水相系統(tǒng)（aqueoustwo-phasesystem,ATPS）。利用親水性高分子聚合物的水溶液可形成雙水相的性質(zhì)，Albertsson于20世紀(jì)50年代后期開發(fā)了雙水相萃取法（aqueoustwo-phaseextraction），又稱雙水相分配法。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家又發(fā)展了雙水相萃取在生物分離過程中的應(yīng)用，為蛋白質(zhì)特別是胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分離和純化開辟了新的途徑。雙水相萃取的聚合物不相容性：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，混合是熵增過程可以自發(fā)進(jìn)行，但分子間存在相互作用力，這種分子間作用力隨相對分子質(zhì)量增大而增大。當(dāng)兩種高分子聚合物之間存在相互排斥作用時，由于相對分子質(zhì)量較大的分子間的排斥作用與混合熵相比占主導(dǎo)地位，即一種聚合物分子的周圍將聚集同種分子而排斥異種分子，當(dāng)達(dá)到平衡時，即形成分別富含不同聚合物的兩相。這種含有聚合物分子的溶液發(fā)生分相的現(xiàn)象稱為聚合物的不相溶性?？尚纬呻p水相的雙聚合物體系很多，如聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dx），聚丙二醇/聚乙二醇，甲基纖維素/葡聚糖。雙水相萃取中采用的雙聚合物系統(tǒng)是PEG/Dx，該雙水相的上相富含PEG，下相富含Dx。另外，聚合物與無機(jī)鹽的混合溶液也可以形成雙水相，例如，PEG/磷酸鉀（KPi）、PEG/磷酸銨、PEG/硫酸鈉等常用于雙水相萃取。PEG/無機(jī)鹽系統(tǒng)的上相富含PEG,下相富含無機(jī)鹽。生物分子的分配系數(shù)取決與溶質(zhì)于雙水相系統(tǒng)間的各種相互作用，其中主要有靜電作用、疏水作用和生物親和作用。因此，分配系數(shù)是各種相互作用的和。

2、過程十F甘佇席一￡兩*代奉卑I有時TOC\o"1-5"\h\z■C 1^下并 上用筆肛碎片 產(chǎn)對牌白 ［件（臨政、夢函｝ 革一抨脂衣園莘避］艘游-海I 氐 二費(fèi)險務(wù)袱 產(chǎn)品雜萱閂 !十丑策三古相莓聯(lián)部母分用i 沱 一五相產(chǎn)另 p世仁、全匿白、色肯隹Ig噸正耳茵鄧相萃取的的拖於m雙水相的形成（1） 如兩種聚合物間存在強(qiáng)的吸引力，則它們結(jié)合后存在于一相中;如兩種聚合物間有斥力，即某種分子希望在它周圍的分子是同種分子而不是異種分子，達(dá)到平衡后會形成兩相，兩種聚合物分處一相。（2） 加入鹽分，由于鹽析作用，聚合物與鹽類溶液也能形成兩相。雙水相體系聚合物的不相溶性：當(dāng)兩種高分子聚合物之間存在相互排斥作用時，由于相對分子質(zhì)量較大，分子間的相互排斥作用與混合過程的熵增加相比占主導(dǎo)地位，一種聚合物分子的周圍將聚集同種分子而排斥異種分子，當(dāng)達(dá)到平衡時，即形成分別富含不同聚合物的兩相。這種含有聚合物分子的溶液發(fā)生分相的現(xiàn)象稱為聚合物的不相溶性。雙水相中的分配平衡：（1）與溶劑萃取相同，溶質(zhì)在雙水相中的分配系數(shù)也用m=c2/c1表示。（2）為簡便起見，用4和匕分別表示平衡狀態(tài)下下相和上相中溶質(zhì)的總濃度。 1 2

要成功地運(yùn)用兩水相萃取胞內(nèi)酶，應(yīng)滿足下列條件：欲提取的酶和細(xì)胞應(yīng)分配在不同的相中；酶的分配系數(shù)應(yīng)足夠大，使在一定的相體積比時，經(jīng)過一次萃取，就能得到高的收率；兩相用離心機(jī)很容易分離。3、應(yīng)用雙水相萃取自發(fā)現(xiàn)以來，無論在理論上還是實踐上都有很大的發(fā)展。在最近幾年中更為突出。雙水相萃取技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化工和食品化工等領(lǐng)域，并取得了許多成功的范例，在若干生物工藝過程中得到了應(yīng)用，其中最重要的領(lǐng)域是蛋白質(zhì)的分離和純化，其應(yīng)用舉例如表所示。雙水相萃取技術(shù)可用于多種生活活性物質(zhì)的分離和純化，見下表:分離物質(zhì)舉例體系分配系數(shù)收率％酶過氧化氫酶的分離PEG\dextran2.9581核酸分離有活性核酸DNAPEG\dextran生長素人生長激素的純化PEG\鹽6.460病毒脊髓病毒和線病毒純化PEG\NaDS90干擾素分離干擾素PEG-磷酸酯'鹽63097細(xì)胞組織分離含有膽堿受體的細(xì)胞三甲胺-PEG\dextran3.6457注：PEG為聚乙二醇；dextran為葡聚糖。此外雙水相還可用于稀有金屬/貴金屬分離，傳統(tǒng)的稀有金屬/貴金屬溶劑萃取方法存在著溶劑污染環(huán)境，對人體有害，運(yùn)行成本高，工藝復(fù)雜等缺點。雙水相技術(shù)萃取技術(shù)引入到該領(lǐng)域，無疑是金屬分離的一種新技術(shù)。第三章凝膠萃取1、原理凝膠一一是一種高分子膠體微粒的聚合物。微粒經(jīng)交聯(lián)鍵合形成三維網(wǎng)絡(luò)并與溶劑分子組成的體系。凝膠具有敏感的自我調(diào)節(jié)能力，受外界影響能發(fā)生溶脹和體積收縮。凝膠萃取即利用凝膠的這一特性。凝膠既不是液體，也有別于固體物質(zhì)，能產(chǎn)生明顯的變形和溶脹。凝膠受到外界環(huán)境的pH值、溫度、電場變化、離子強(qiáng)度等因素的影響，體積發(fā)生變化。低溫時，大分子溶液中的凝膠能大量吸收水分而膨脹，使溶液得到濃縮；溫度升高后，凝膠能釋放出所吸的水分而收縮，可重新使用。萃取用凝膠的要求：在一定溫度下不溶解、不熔融、不污染溶液，溶脹量大，溶脹和收縮塊，易與溶液分離及再生，強(qiáng)度大，壽命長等。凝膠的相變溫度指凝膠的臨界溫度Tc。TVTc時，凝膠隨著溫度的下降而急劇膨脹T〉Tc時，凝膠隨著溫度的上升而急劇收縮Tc與凝膠的結(jié)構(gòu)、側(cè)基的種類等因素有關(guān)。凝膠的溶脹與收縮機(jī)理：凝膠是由具有彈性的交聯(lián)高分子組成的三維網(wǎng)絡(luò)。在純水中，帶有負(fù)電荷的聚合物鏈由于斥力作用而呈伸展?fàn)顟B(tài)，體積大大膨脹；在鹽溶液中，帶正電荷的鹽離子中和了聚合物鏈上的負(fù)電荷，使斥力消失，凝膠由伸展變?yōu)轵榭s，體積大大縮小。因此，凝膠具有在水中膨脹而在鹽溶液中收縮的特性。利用此特性可進(jìn)行萃取。引起凝膠體積變化的因素有：pH值、溫度、電場效應(yīng)、溶液組成、金屬離子濃度等。凝膠的性質(zhì)與它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)所包含的溶劑的性質(zhì)密切相關(guān)：a溶劑與聚合物長鏈的親和性越好，凝膠的溶脹能力越大；b聚合物鏈上交聯(lián)點的數(shù)量越少，溶脹能力也越大。凝膠的篩分作用：凝膠由于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在著孔隙，對液體中的大小分子有篩分的作用。原理：凝膠進(jìn)入溶液后，小分子溶質(zhì)能進(jìn)入凝膠內(nèi)部并占據(jù)著內(nèi)孔隙，中等分子也能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的大小適中的孔隙，而大分子溶質(zhì)仍留在溶液中。因此凝膠作固相萃取劑時，用于分離溶液中大小不同的分子。凝膠萃取有三種典型工藝：pH值敏感凝膠萃取含-COOH、-NH4等基團(tuán)的聚電解質(zhì)，可隨溶液pH值的變化而解離出氫離子，凝膠內(nèi)外溶液的離子強(qiáng)度發(fā)生改變，破壞了凝膠內(nèi)的氫鍵，使交聯(lián)點減少，凝膠溶脹，孔徑變大。（2） 溫度明凝膠萃取溫敏性凝膠含有一定比例的疏/親水基團(tuán)，溫度的改變引起基團(tuán)的相互作用和氫鍵的變化，從而使凝膠結(jié)構(gòu)和體積發(fā)生改變。（3） 電敏性凝膠萃取只要凝膠網(wǎng)絡(luò)上帶有電荷，在直流電場下均會發(fā)生凝膠的電收縮。即：-帶正電荷時，在電場下，水分從陽極放出；-帶負(fù)電荷時，在電池下，水分從陰極放出。此電收縮是可逆的，重新吸水后，凝膠可再次膨脹。實驗證明，在電場中，中性水合凝膠完全不會收縮；陰離子型凝膠在陰極附近有輕微收縮，在陽極附近有明顯收縮；陽離子型凝膠則正好相反；凝膠的電收縮率與電流的大小成正比。2、過程萃取用凝膠的膨脹特性，常受到一些因素的強(qiáng)烈作用和調(diào)節(jié)，其中主要的是PH值和溫度，因此將凝膠萃取分為PH值敏感型和溫度敏感型兩類。APH值敏感型凝膠萃?。?） 凝膠投入某一PH值的溶液并發(fā)生膨脹；（2） 濾去膨脹的凝膠的濃縮液；（3） 凝膠加酸調(diào)節(jié)PH值，皺縮再生。見下圖：濃液加入溶劑 溶脹干樹脂 '凝膠 干樹脂（回收凝膠）f沖 1 收縮酸度控制收縮平衡"酸度控制II回收溶劑酸敏凝膠萃取循環(huán)步驟B溫度敏感型凝膠萃取原料^凝膠溶液 >濃液分離^濃縮產(chǎn)品溶液濃縮| 1冷卻1 1加熱恒溫I 1溶劑或水°清液分離" 凝膠收縮39-45度溫敏凝膠萃取循環(huán)步驟對萃取分離用凝膠的要求：溶脹量大，再生容易；溶脹與皺縮過程要快，與溶液分離容易；對溶質(zhì)的吸收選擇性要高；強(qiáng)度好，使用壽命長；不溶解也不熔融、不污染溶液。3、應(yīng)用由于凝膠萃取具有耗能小，萃取劑易再生，設(shè)備及操作簡單，對物料分子不存在機(jī)械剪貼或熱力破壞等優(yōu)點，故適用于從稀溶液中提取有機(jī)物或生物制品，如淀粉脫水，發(fā)酵液中抗生素的提取以及遺傳工程蛋白質(zhì)的提取等，還可能在一定程度上替代膜分離和凝膠層析等過程。A對牛血清、藍(lán)葡聚糖、堿性蛋白酶以及某些激素等溶液進(jìn)行濃縮B對牛血清蛋白和牛血紅蛋白的分離C糖引起凝膠系統(tǒng)膨脹和收縮參考文獻(xiàn)嚴(yán)?？?生化分離技術(shù).上海：華東理工大學(xué)出版社，1996.19~53孫彥.生物分離工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.1998.64江詠，李曉璽，李琳，胡松青.雙水相萃取技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用.華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510610琳東強(qiáng).朱自強(qiáng).姚善涇.生化分離過程的新探索一一雙水相分配與相關(guān)技術(shù)的集成[J].化工學(xué)報，2000，51(1)：1—6.孫彥.生物分離工程.1998百度文庫.溶劑萃取手冊馬榮駿.溶劑萃取在濕法冶金中的應(yīng)用.北京：冶金工業(yè)出版社，1979.楊伯和.有機(jī)萃取劑體系中的離子交換.北京：冶金工業(yè)出版社，1993.27~53.百度課件.第五章，萃取分離.百度文庫課件.萃取.AlbertssonPA.Chromatographyandpartitionofcellsandcellfragments[J]Nature,1956,177：77l?774,HustedtH,KronerKH.