生物分離工程第7章-萃取

1、第七章 萃?。‥xtraction,萃?。豪梦镔|(zhì)在互不相溶的兩相之間溶解度的不同，使所需提取的生化物質(zhì)有選擇性地發(fā)生轉(zhuǎn)移，集中到一相中，而其它雜質(zhì)（如中間代謝產(chǎn)物、雜蛋白等）分配在另一相中，從而達(dá)到某種程度的提純和濃縮。 反萃?。和瓿奢腿〔僮骱螅瑸檫M(jìn)一步純化目標(biāo)產(chǎn)物或便于下一步分離操作的實(shí)施，將目標(biāo)產(chǎn)物從有機(jī)相轉(zhuǎn)入水相的操作就稱為反萃?。˙ack extraction) 萃取在化工上是分離液體混合物常用的單元操作，在發(fā)酵和其它生物工程生產(chǎn)上的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛， 萃取操作可以提取和增濃產(chǎn)物，使產(chǎn)物獲得初步的純化，甚至獲得純的天然產(chǎn)物,溶劑萃取法廣泛應(yīng)用于抗生素、有機(jī)酸、維生素、激素等發(fā)酵產(chǎn)物工業(yè)

2、規(guī)模的提取上,利用一種溶質(zhì)組分（如產(chǎn)物）在兩個(gè)互不混溶的液相（如水相和有機(jī)溶劑相）中競(jìng)爭(zhēng)性溶解和分配性質(zhì)上的差異來(lái)進(jìn)行分離操作的,溶劑萃取法,比化學(xué)沉淀法分離程度高； 比離子交換法選擇性好、傳質(zhì)快； 比蒸餾法能耗低； 生產(chǎn)能力大、周期短、便于連續(xù)操作、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,優(yōu)點(diǎn),溶劑萃取法和其他新型分離技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了一系列新型分離技術(shù)： 雙水相萃取技術(shù)（Partition of two aqueous phase system）等。 反膠團(tuán)萃?。≧eversed micelle extraction） 超臨界流體萃?。⊿upercritical fluid extraction） 用于高品質(zhì)的

3、天然物質(zhì)、胞內(nèi)物質(zhì)（胞內(nèi)酶、蛋白質(zhì)、多肽、核酸等）的分離提取上,萃取方法分類,物理萃?。焊鶕?jù)相似相溶的原理，溶質(zhì)在兩相間達(dá)到分配平衡，萃取劑與溶質(zhì)之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的萃取過(guò)程。 化學(xué)萃取: 利用萃取劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)生成脂溶性復(fù)合分子實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)向有機(jī)相的分配。 物理萃取的理論基礎(chǔ)是分配定律，而化學(xué)萃取服從相律及一般化學(xué)反應(yīng)的平衡定律。 液-固萃取：用某種溶劑把有用物質(zhì)從固體原料中提取到溶液中的過(guò)程，又稱為浸取或浸出。 液-液萃取： 溶劑萃取、雙水相萃取、反膠團(tuán)萃取、液膜萃取等 超臨界萃取,表1 幾種萃取方法的比較,第一節(jié) 液-固萃取,液-固萃取又叫浸取或浸出，是將固相物質(zhì)萃取到溶劑相中，在許

4、多行業(yè)中得到應(yīng)用,表2 浸取的應(yīng)用舉例,溶劑傳遞到固體顆粒表面； 溶劑擴(kuò)散到固體內(nèi)部微孔隙中； 溶質(zhì)溶解到溶劑中； 溶質(zhì)通過(guò)固體微孔隙通道擴(kuò)散到固體表面，并進(jìn)入溶劑主體。 一般而言，第一、二兩步都很迅速，不是浸取過(guò)程總速率的控制性步驟。 溶質(zhì)通過(guò)多孔固體的擴(kuò)散可用有效擴(kuò)散系數(shù)來(lái)描述，而有效擴(kuò)散系數(shù)與Fick定律有關(guān),浸取的過(guò)程,浸取的影響因素,1相平衡 浸取過(guò)程中的相平衡用分配系數(shù)KD表示 KD y / x y達(dá)到平衡時(shí)溶質(zhì)在液相中的濃度 x平衡時(shí)溶質(zhì)在固相中的濃度 2溶劑的選擇 KD大且對(duì)目的物質(zhì)的選擇性高，溶劑的價(jià)格應(yīng)低廉，無(wú)腐蝕性，無(wú)毒，閃點(diǎn)高，無(wú)爆炸性，產(chǎn)品中易去除,容易回收。 3增溶

5、作用 原先不溶或難溶性的生物大分子物質(zhì)向可溶性的、分子量較小的生物物質(zhì)轉(zhuǎn)變，但不能過(guò)度。也有向不溶性轉(zhuǎn)變的。 4固體原料的預(yù)處理： 如粉碎、干燥等,浸取過(guò)程的前加工： 干燥：有助于細(xì)胞膜的破裂，溶劑也容易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，直接溶解溶質(zhì)。 滾壓：將原料滾壓成片，使其減小到0.1一0.5mm，則大豆及許多植物種子的細(xì)胞壁極大地破裂，植物油容易進(jìn)入溶劑。 切片：減小水溶劑從水相主體擴(kuò)散到每個(gè)細(xì)胞的距離，細(xì)胞基本上保持完好，水溶性物質(zhì)可以通過(guò)半透性細(xì)胞膜擴(kuò)散進(jìn)入水溶劑中，蛋白質(zhì)和膠體組分因透不過(guò)細(xì)胞膜而不能溶入水相。 粉碎,液-固萃取設(shè)備,美國(guó)Applied Separ-ations (ASI)公司產(chǎn)on

6、e/fast PSE型壓力/快速溶劑提取儀。15分鐘內(nèi)可同時(shí)處理6個(gè)樣品，全自動(dòng)溶劑分配系統(tǒng)，可自由實(shí)現(xiàn)4種不同溶劑的切換。該法具有環(huán)保、高效、清潔、快速等諸多特點(diǎn)，已被美國(guó)EPA推薦為3545A標(biāo)準(zhǔn)方法,美國(guó)戴安公司產(chǎn)ASE快速溶劑萃取儀 ，可對(duì)固體、半固體樣品中的目標(biāo)分析物進(jìn)行快速全自動(dòng)地萃取。系統(tǒng)帶有多項(xiàng)安全特性以避免潛在的危險(xiǎn),德國(guó)產(chǎn)IKA固液萃取儀，所需化學(xué)溶劑更少，可減少?gòu)U料處理費(fèi)用。全電腦控制，可同時(shí)進(jìn)行4個(gè)萃取過(guò)程。labworldsoft軟件組合，可方便的建立自動(dòng)化的處理程序，一套軟件可同時(shí)控制八臺(tái)儀器,瑞士產(chǎn)B-811索氏抽提儀（固液萃取設(shè)備），抽提速度快，45-60分鐘即

7、可完成抽提，無(wú)須烘干。提供4種抽提方法：索氏抽提，索氏雙加熱，熱抽提，連續(xù)流法,美國(guó)產(chǎn)AutoTrace, RapidTrace固相萃取自動(dòng)工作站，計(jì)算機(jī)程序控制，可在15分鐘內(nèi)完成六個(gè)樣品的萃取?？梢耘浜献詣?dòng)濃縮工作站使用，自動(dòng)濃縮萃取出來(lái)的樣品,法國(guó)吉爾森公司生產(chǎn)的ASPEC Xli全自動(dòng)固相萃取儀，可在線自動(dòng)進(jìn)行樣品的固相萃取。采用正相液壓技術(shù)控制液體流速，保證液體傳送的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性，便于方法的實(shí)驗(yàn)室間轉(zhuǎn)移及建立行業(yè)乃至國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn),意大利Milestone公司 Milestone微波萃取系統(tǒng)，可溶劑萃取12份樣品，在15分鐘內(nèi)完成。專業(yè)的計(jì)算機(jī)控制終端，自動(dòng)控制溫度、壓力、時(shí)間、

8、微波功率等參數(shù),上海產(chǎn)ME-3000微波萃取/合成系統(tǒng),ZCT轉(zhuǎn)盤萃取塔,轉(zhuǎn)盤塔是一種靠外輸入能量強(qiáng)化液液萃取過(guò)程的設(shè)備?？捎糜诤腆w粒子液體的純化，已廣泛用于食油純化、核燃料處理、原油凈化、維生素純化、廢水處理等行業(yè)中，具有良好的工業(yè)背景。 該裝置可全視萃取過(guò)程，具有優(yōu)良的教學(xué)效果，也可廣泛用于科研和生產(chǎn)部門的實(shí)驗(yàn)室，作過(guò)程研究與參數(shù)測(cè)定之用,裝置特點(diǎn)： 該裝置由轉(zhuǎn)盤萃取塔、情、重相供料系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置和儀表控制柜組成一體。 1.輕重相流體經(jīng)穩(wěn)壓裝置處理，流量穩(wěn)定。 2.選用0起動(dòng)直流調(diào)速裝置，確保設(shè)備運(yùn)行安全。 3.塔節(jié)為優(yōu)質(zhì)無(wú)機(jī)玻璃制作，視覺(jué)效果好，塔徑 871300mm。 4.塔

9、內(nèi)構(gòu)件及管道均由不銹鋼材質(zhì)制作。 5.選用優(yōu)質(zhì)磁力泵為供料泵，無(wú)泄漏,吊籃式萃取設(shè)備,適用產(chǎn)業(yè): 1、中藥單方、復(fù)方之萃取濃縮。 2、茶、青草茶、咖啡及健康食品之萃取。 3、肉類、魚類之萃取、分離、濃縮。 4、藥酒之泡制。 5、生物科技。 特點(diǎn)： 1、適用于：量少，種類多生產(chǎn)工廠。 2、藥材置于沖孔編制的藥籃內(nèi)，利用吊車升降作業(yè)。 3、構(gòu)造簡(jiǎn)單，所需空間較小。 4、萃取溫度自動(dòng)操作。 5、蓋予啟閉采用氣動(dòng)操作。 6、附冷凝器，可在完全密閉的狀況下操作。（在大氮壓力下作業(yè)） 7、附過(guò)濾裝置，可減少沉淀物,攪拌機(jī)萃取設(shè)備,1、入料、加水、萃取、排液、過(guò)濾、藥渣積壓、排渣、自動(dòng)清洗，可完全電腦化，在

10、中央控制室操控。 2、適用于量大，種類較少的生產(chǎn)工廠 3、立體式設(shè)計(jì)，占地面積小。 4、使用容積大，所需加的水比吊籃式少。 5、被萃取物經(jīng)攪拌作用，萃取效率高。 6、不需使用吊籃，作業(yè)輕松，并減少萃取液滴在地上。 7、入水可加自動(dòng)計(jì)量，精確又方便。 8、萃取溫度，計(jì)時(shí)，自動(dòng)控制。 9、送料：可使用真空輸送方式，密閉又快速。 10、所需工作售貨員12位就可以,11、可加入機(jī)介面觸控書面，直接在中央控制室操控。 12、配合振動(dòng)過(guò)濾，液渣分離及過(guò)濾效果非常好。 13、自動(dòng)排液（第一次萃取）排料（第二次萃?。?。 14、排出的藥渣可經(jīng)過(guò)擠壓機(jī)，將殘留的萃取液在擠出。 15、擠壓后的藥渣可經(jīng)輸送帶輸送至室

11、外。 16、工作環(huán)境，溫度較低及干凈。 17、完全密閉合乎安全衛(wèi)生要求。 18、附冷凝器，可在大氣壓力下完全密閉操作，使香氣及酒精不流失。 19、可加CIP自動(dòng)清洗。 20、若使用酒精，可加防爆裝置。 21、可加裝精油回收裝置,CTL型離心萃取機(jī),CTL型離心萃取機(jī)是新一代圓筒式離心萃取機(jī)，處理能力大、功耗低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、清洗維護(hù)方便；可單機(jī)使用，也可多機(jī)串聯(lián)使用，該機(jī)還可根據(jù)不同萃取體系及使用條件通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速、攪拌漿及重相堰直徑等參數(shù)來(lái)改善萃取時(shí)兩相混合程度及分離效果和萃取效率?？赏耆娲腿∷葌鹘y(tǒng)萃取設(shè)備。 該機(jī)工作包括兩個(gè)過(guò)程即混合傳質(zhì)過(guò)程與兩相分離過(guò)程，而這兩個(gè)過(guò)程都是在同一機(jī)內(nèi)完成的

12、,性能特點(diǎn)： 處理能力大，萃取速度快，效率高。對(duì)物料的適應(yīng)性好，能處理兩相密度差很小，難以利用重力分離的物系； 當(dāng)物料情況出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，可更換相堰板，以適應(yīng)物料的變化；適用于物料情況經(jīng)常變化的場(chǎng)合，如中藥萃??； 物料在機(jī)內(nèi)停留的時(shí)間短，適用于處理易變質(zhì)的物料，如抗菌素等。利用輪式攪拌原理，能使兩相充分混合，傳質(zhì)效率高、效果好； 結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，占用空間少，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，拆裝方便，維護(hù)費(fèi)用、操作費(fèi)用低廉，可實(shí)現(xiàn)密閉防爆要求,自動(dòng)化操作，無(wú)需人工參與，勞動(dòng)強(qiáng)度小，能耗低，節(jié)約運(yùn)行成本； 可單機(jī)使用，也可多機(jī)串聯(lián)使用； 易實(shí)現(xiàn)多級(jí)串聯(lián)及反萃取工藝。 該機(jī)還可根據(jù)不同萃取體系及使用條件通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速、攪

13、拌漿及重相堰直徑等參數(shù)來(lái)改善萃取時(shí)兩相混合程度及分離效果和萃取效率。擴(kuò)大了機(jī)器的使用范圍,溶劑萃取(Solvent Extraction)是生物工業(yè)中重要的分離提純方法，它是利用一種溶質(zhì)組分在兩個(gè)互不相溶的液相中（通常為水相和有機(jī)相）分配特性不同來(lái)進(jìn)行分離的過(guò)程,第二節(jié) 溶劑萃取法,料液：在溶劑萃取中，要被提取的原料溶液； 溶質(zhì)：欲提取出來(lái)的物質(zhì)； 萃取劑：用以進(jìn)行萃取的溶劑； 萃取液：經(jīng)接觸分離后，大部分溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到萃取劑中所得到的溶液； 萃余液：被萃取出溶質(zhì)后剩余的料液,一、溶劑萃取的基本概念,溶劑萃取包含兩步：混合；分層,在溶劑萃取分離過(guò)程中，當(dāng)完成萃取操作后，為進(jìn)一步純化目標(biāo)產(chǎn)物或便于下

14、一步分離操作的實(shí)施，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(jī)相轉(zhuǎn)入水相的操作就稱為反萃?。˙ack extraction,溶劑萃取的操作流程,萃取過(guò)程具有選擇性； 能與其他需要的純化步驟相配合； 通過(guò)轉(zhuǎn)移到具有不同物理或化學(xué)特性的第二相中，來(lái)減少由于降解（水解）引起的產(chǎn)品損失； 可從潛伏的降解過(guò)程中（如代謝或微生物過(guò)程）分離產(chǎn)物； 適用于各種不同的規(guī)模； 傳質(zhì)速度快，生產(chǎn)周期短，便于連續(xù)操作，容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制,溶劑萃取的優(yōu)點(diǎn),生物萃取與傳統(tǒng)萃取相比的特殊性,生物工程不同于化工生產(chǎn)，主要表現(xiàn)在生物分離往往需要從濃度很稀的水溶液中除去大部分的水，而且反應(yīng)液中存在多種副產(chǎn)物

15、和雜質(zhì)，使生物萃取具有特殊性。 成分復(fù)雜 傳質(zhì)速率不同 相分離性能不同 產(chǎn)物的不穩(wěn)定性,生物產(chǎn)品溶劑萃取的典型應(yīng)用主要在兩個(gè)方面： 從發(fā)酵培養(yǎng)液中萃取產(chǎn)物； 從生物反應(yīng)液或生物轉(zhuǎn)化液中萃取產(chǎn)物,根據(jù)被萃取物的分子大小，一般可區(qū)分為兩種主要類型： 小分子類； 大分子類,二、萃取過(guò)程的理論基礎(chǔ),液液萃取是以分配定律為基礎(chǔ) 分配定律：一定溫度、壓力下，溶質(zhì)在兩個(gè)互不相溶的溶劑中分配，平衡時(shí)，溶質(zhì)在兩相中濃度之比為常數(shù)。 K-分配系數(shù) 在常溫常壓下為常數(shù)；應(yīng)用前提條件 （1） 稀溶液 （2） 溶質(zhì)對(duì)溶劑互溶沒(méi)有影響 （3） 必須是同一分子類型，不發(fā)生締合或離解,分配定律推導(dǎo),當(dāng)溫度一定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)位為

16、常數(shù),如為稀溶液，用濃度代替活度,根據(jù)相律（F=C-P+2），在一定溫度和壓力下萃取達(dá)到平衡時(shí)，溶質(zhì)在兩相中的化學(xué)位相等：L=H,分離因素（,如果原來(lái)料液中除溶質(zhì)A以外，還含有溶質(zhì)B，則由于A、B的分配系數(shù)不同，萃取相中A和B的相對(duì)含量就不同于萃余相中A和B的相對(duì)含量。 如A的分配系數(shù)較B大，則萃取相中A的含量（濃度）較B多，這樣A和B就得到一定程度的分離。 萃取劑對(duì)溶質(zhì)A和B分離能力的大小可用分離因素（）來(lái)表征,分離因素表示有效成分A與雜質(zhì)B的分離程度。 = =1 KA = KB 分離效果不好； 1 KA KB 分離效果好； 越大，KA 越大于KB，分離效果越好,分離因素（,弱電解質(zhì)在有機(jī)溶

17、劑-水相的分配平衡,分配系數(shù)中CL和CH 必須是同一種分子類型，即不發(fā)生締合或離解。對(duì)于弱電解質(zhì)，在水中發(fā)生解離，則只有兩相中的單分子化合物的濃度才符合分配定律。 例如青霉素在水中部分離解成負(fù)離子（青COO），而在溶劑相中則僅以游離酸（青COOH）的形式存在，則只有兩相中的游離酸分子才符合分配定律。 此時(shí)，同時(shí)存在著兩種平衡，一種是青霉素游離酸分子在有機(jī)溶劑相和水相間的分配平衡；另一種是青霉素游離酸在水中的電離平衡（圖18-2）。前者用分配系數(shù)K0來(lái)表征，后者用電離常數(shù)Kp來(lái)表征。對(duì)于弱堿性物質(zhì)也有類似的情況,青霉素的分配平衡,弱電解質(zhì)的分配系數(shù),熱力學(xué)分配系數(shù)K0 ：萃取平衡時(shí)，單分子化合物

18、溶質(zhì)在兩相中濃度之比。 弱酸性電解質(zhì)K0 AH/AH= 弱堿性電解質(zhì)K0 B/B,Kp,弱電解質(zhì)的表觀分配系數(shù)K,分配達(dá)平衡時(shí)，溶質(zhì)在兩相的總濃度之比 對(duì)于弱酸性電解質(zhì) 對(duì)于弱堿性電解質(zhì),K0 /(1 10 pH pK,K0 /(1 10 pK pH,K0只與T、P有關(guān)； K與T、P和pH有關(guān) K可通過(guò)實(shí)驗(yàn)求出，而K0不能，可由公式求出,思考題： 將青霉素由水相萃取到丁酯相中，其pK=2.75，萃取條件：pH=2.5，T=10，VFVS = 11，測(cè)得萃取前發(fā)酵液（水相）效價(jià)20000 u/ml，平衡后廢液效價(jià)645.2 u/ml，求分配系數(shù)K和K0,弱酸的表觀分配系數(shù)：K=K0 /(1 10

19、 pH pK ) 弱酸的表觀分配系數(shù)： K=K0 /(1 10 pK pH,為什么青霉素在酸性（pH2.5）條件下，而紅霉素卻要在堿性（pH9.8）條件下才能被萃取到丁酯中去呢,2 不同pH條件影響弱電解質(zhì)電離，從而影響分子的極性，根據(jù)相似相溶原則，在弱極性的丁酯中極性小的分子溶解度比水中大,1 根據(jù)表觀分配系數(shù)公式可知， 弱酸的表觀分配系數(shù)：K=K0 /(1 10 pH pK ) 弱酸的表觀分配系數(shù)： K=K0 /(1 10 pK pH ) 對(duì)于弱酸：pH pK 時(shí)，分配系數(shù)大,根據(jù)相似相溶原則，在弱極性的丁酯中游離分子極性小，溶解度比水中大，故從水相轉(zhuǎn)入丁酯相中，而發(fā)酵液中存在的其它雜質(zhì)由

20、于極性情況與抗生素不同，故很少進(jìn)入丁酯中，這樣就達(dá)到一定程度的純化,酸性物質(zhì)：pH pK時(shí)， 主要以負(fù)離子存在； pH pK時(shí) ， 主要以游離分子存在； pH pK時(shí) ， 兩種形式各占50,三、溶劑萃取的影響因素,1影響萃取操作的因素：pH、溫度、鹽析 2有機(jī)溶劑的選擇 3帶溶劑 4乳化與去乳化,1. 影響萃取操作的因素,1） pH對(duì)表觀分配系數(shù)的影響（pHK） pH低有利于酸性物質(zhì)分配在有機(jī)相，堿性物質(zhì)分配在水相。 對(duì)弱酸隨pHK, 當(dāng)pH pK時(shí)，KK0,例：已知pen pK=2.75 T=10 K0=47 求: pH4.4 pH2.5 pH2.0時(shí)的K? pH4.4時(shí): pH2.5時(shí):

21、K=30 pH2.0時(shí): K=39.9 pHK,解釋原理,pH pen- 易溶于丁酯,控制pH，去除雜質(zhì) 例: pen 當(dāng)pHpK時(shí), 萃取丁酯中,1) 堿性雜質(zhì) pKpen pK堿雜 當(dāng)pH pKpen(2.75) pH pK堿雜 堿性雜質(zhì)呈正離子狀態(tài)，易溶于水相中， 自然分離除去,2) 酸性雜質(zhì) pK酸雜 pKpen 例: 青霉烯酸 pK烯 pKpen pH控制: pK酸雜負(fù)離子,3)酸性雜質(zhì) pK酸雜 pKpen 例: 苯乙酸 pK乙(4.8) pKpen(2.75) 萃取時(shí)無(wú)法去除; 反萃時(shí) 4.8 pH 2.75,與雜質(zhì)的分離程度歸納,萃取時(shí) 雜質(zhì)自然除去,pK酸雜 pH pK生,萃

22、取時(shí)無(wú)法去除 反萃取pK酸雜pH pK生,萃取時(shí)雜質(zhì)自然除去 pK堿雜 pH pK生 萃取時(shí)無(wú)法去除 反萃取pK堿雜 pH pK生,2） 溫度T T，分子擴(kuò)散速度，故萃取速度 T影響分配系數(shù) 例：pen T 水中的溶解度 萃取時(shí) T使K；反萃時(shí) T使K反 紅霉素、螺旋霉素 T 水中的溶解度 萃取時(shí) T使K；反萃時(shí) T使K反 T影響兩溶劑的互溶度一般生化物質(zhì)的萃取在室溫或較低溫度下進(jìn)行,3）鹽析： 無(wú)機(jī)鹽如氯化鈉、硫酸銨等，作用： 可以使生化物質(zhì)在水中溶解度,提高有機(jī)相中含量，消除有機(jī)相中的水滴；兩相比重差 兩相互溶度 例：A: pen從水相丁酯中，加氯化鈉洗滌， 消除有機(jī)相水滴，提高質(zhì)量和收率

23、； B: spm的丁酯萃取液 + 飽和鹽水洗滌， 減少spm在水中溶解度；消除有機(jī)相水滴；分相容易,2. 萃取溶劑的選擇,是溶劑萃取的關(guān)鍵，而選擇的依據(jù)是“相似相溶”的原則。 “相似相溶”原理：分子之間可以有兩方面的相似，一是分子結(jié)構(gòu)相似，如分子的組成、官能團(tuán)、形態(tài)結(jié)構(gòu)的相似；二是能量(相互作用力)相似，如相互作用力有極性的和非極性的之分，兩種物質(zhì)如相互作用力相近，則能互相溶解。 與水“相似”的物質(zhì)易溶于水，與油“相似”的物質(zhì)易溶于油就是相似相溶原理的表現(xiàn),在生物工業(yè)上，選擇溶劑時(shí)考察較多的是分子極性。 介電常數(shù)是一個(gè)化合物摩爾極化程度的量度，如果已知介電常數(shù)，就能預(yù)測(cè)該化合物是極性的還是非極

24、性的。物質(zhì)的介電常數(shù)可通過(guò)測(cè)定該物質(zhì)在電容器二極板間的靜電容量C來(lái)決定。 根據(jù)萃取目標(biāo)物質(zhì)的介電常數(shù)，尋找極性相接近的溶劑作為萃取溶劑，也是溶劑選擇的重要方法之一。 溶劑的介電常數(shù)與極性成正比,一個(gè)良好溶劑要滿足的要求,1)有很大的萃取容量，即單位體積的萃取溶劑能萃取大量的產(chǎn)物； (2)有良好的選擇性，理想情況是只萃取產(chǎn)物而不萃取雜質(zhì)； (3)與水不互溶，與水的密度差較大，粘度小或表面張力適中，這樣有利于相的分散和兩相分離； (4)溶劑的回收和再生容易； (5)化學(xué)穩(wěn)定性好，不易分解，對(duì)設(shè)備腐蝕性??； (6)經(jīng)濟(jì)性好，價(jià)廉易得； (7)安全性好，對(duì)人體無(wú)毒性或毒性低,常用于生化萃取的有機(jī)溶劑有

25、丁醇、丁酯、乙酸乙酯、 乙酸丁酯、乙酸戊酯等,表1 萃取溶劑的選擇準(zhǔn)則,3帶溶劑,對(duì)于水溶性強(qiáng)的溶質(zhì)，可利用脂溶性萃取劑與溶質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)生成脂溶性復(fù)合分子，使溶質(zhì)向有機(jī)相轉(zhuǎn)移。 抗生素萃取劑：月桂酸、脂肪堿或胺類等。 氨基酸萃取劑：氯化三辛基甲銨。 溶質(zhì)與帶溶劑之間的作用：離子對(duì)萃取、離子交換萃取、反應(yīng)萃取,離子對(duì)/反應(yīng)萃取就是使目標(biāo)溶質(zhì)與溶劑通過(guò)絡(luò)合反應(yīng)、酸堿反應(yīng)或離子交換反應(yīng)生成可溶性的復(fù)合物，從水相轉(zhuǎn)移到有機(jī)溶劑相中。 主要有兩類萃取劑： 1.有機(jī)磷類萃取劑 2.胺類萃取劑,離子對(duì)/反應(yīng)萃取介紹,有機(jī)磷類萃取劑,磷酸三丁酯（TBP） 氧化三辛基膦（TOPO） 二2乙基己基磷酸（DEHP

26、A,有機(jī)磷類萃取劑與目標(biāo)溶質(zhì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)移到萃取相，在類似的條件下，用有機(jī)磷類化合物萃取弱有機(jī)酸，比醋酸丁酯等碳氧類萃取劑分配比要高很多,胺類萃取劑,胺類萃取劑(三辛胺) 可與目標(biāo)溶質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，用胺類長(zhǎng)鏈脂肪酸從水溶液中萃取帶質(zhì)子的有機(jī)化合物是一個(gè)可行的過(guò)程，并用于從發(fā)酵液中大規(guī)模回收檸檬酸,此類萃取劑都要溶解在稀釋劑中，用于改善萃取相的物理性質(zhì)。 稀釋劑：煤油、己烷、辛烷、苯等。 稀釋劑的選擇： 分配系數(shù)：稀釋劑能夠影響分配系數(shù)，特別是通過(guò)萃取劑/溶劑復(fù)合物的溶劑化作用。 選擇性：為萃取盡可能少的雜質(zhì)，使用非極性稀釋劑更好。 水溶性：低的水溶性，使溶劑的損失最少。 毒性：對(duì)食品和藥品

27、應(yīng)低毒或無(wú)毒的溶劑，長(zhǎng)鏈烷烴由于它們具有低毒和低水溶性，因此理應(yīng)優(yōu)先使用。 粘度和密度：低粘度和低密度的稀釋劑會(huì)使分相更容易。 穩(wěn)定性：烷烴比醇、酯和鹵代烴更難降解 第三相的形成,雖然離子對(duì)/反應(yīng)萃取體系對(duì)生物產(chǎn)物的萃取具有選擇性高、溶劑損耗小、產(chǎn)物穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是由于溶劑的毒性會(huì)引起產(chǎn)品殘留毒性影響健康，只有那些可用于工業(yè)原料的產(chǎn)物，才有使用價(jià)值，故有待進(jìn)一步研究開發(fā),離子對(duì)/反應(yīng)萃取的應(yīng)用,1.青霉素-TBP(磷酸三丁酯)萃?。?體系中存在電離平衡Kp和萃取反應(yīng)平衡Ks HP(W) +nS (0) HPSn (0) 化學(xué)萃取表觀分配系數(shù)： 對(duì)比物理分配K,其他應(yīng)用： 1. 青霉素：加入四丁

28、胺，形成復(fù)合物易溶于氯仿。 2. 氯化正丁胺：加入氯仿，K=1.3；加入NaAc，K=132,4乳 化,乳化：水或有機(jī)溶劑以微小液滴分散在有機(jī)相或水相中的現(xiàn)象。這樣形成的分散體系稱乳濁液。 乳化帶來(lái)的問(wèn)題：有機(jī)相和水相分相困難，出現(xiàn)夾帶，收率低，純度低。 出現(xiàn)兩種夾帶：發(fā)酵液中夾帶有機(jī)溶劑微滴，使目標(biāo)產(chǎn)物受到損失；有機(jī)溶劑中夾帶發(fā)酵液給后處理操作帶來(lái)困難。 原因：是發(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)具有表面活劑性的作用，使有機(jī)溶劑和水的表面張力降低,由蛋白質(zhì)引起的乳化多為水包油（O/W)型,親憎平衡值,表面活性劑的親水與親油程度的相對(duì)強(qiáng)弱，在工業(yè)上常用HLB數(shù)來(lái)表示。 即親水與親油

29、平衡程度，HLB數(shù)越大，親水性越強(qiáng)，形成O/W型乳濁液，HLB數(shù)越小，親油性越強(qiáng)，形成W/O型乳濁液,HLB,表18-3 各種表面活性劑的用途,固體粉末乳化劑：除表面活性劑外，能同時(shí)為兩種液體所潤(rùn)濕的固體粉末也能作為乳化劑，如粉末對(duì)水的潤(rùn)濕性強(qiáng)于對(duì)油的潤(rùn)濕性，則根據(jù)自由能最小的原則，形成水包油O/W型乳濁液。反之形成油包水型,發(fā)酵液乳化的原因： a 蛋白質(zhì)的存在，起到表面活性劑的作用 b 固體粉末對(duì)界面的穩(wěn)定作用,2）乳濁液的穩(wěn)定條件,乳濁液穩(wěn)定性和下列幾個(gè)因素有關(guān)： 界面上保護(hù)膜是否形成； 液滴是否帶電； 介質(zhì)的粘度。 表面活性劑分子在分散相液滴周圍形成保護(hù)膜。保護(hù)膜具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不易

30、破裂，能防止液滴碰撞而引起聚沉。 介質(zhì)粘度較大時(shí)能增強(qiáng)保護(hù)膜的機(jī)械強(qiáng)度,3）破乳化方法,1.過(guò)濾或離心分離破乳法； 2.化學(xué)法：加電解質(zhì)中和離子型乳油液的電荷； 3.物理法：加熱、稀釋、吸附等； 4.頂替法：加入表面活性更大，但因其碳鏈較短難以形成堅(jiān)固的保護(hù)膜的物質(zhì)，取代界面上的乳化劑； 5.轉(zhuǎn)型法：如在O/W中加入親油性乳化刑，使乳化液有生成W/O的傾向，但又不穩(wěn)定，從而達(dá)到破乳目的。 最好的方法是防止乳化，如蛋白質(zhì)是乳化起因，就應(yīng)設(shè)法去除雜蛋白,四、萃取方式和理論收得率,工業(yè)萃取的流程,實(shí)驗(yàn)室中的混合器常用分離漏斗，工業(yè)上常用攪拌罐或管道，將料液和萃取劑以湍流方式混合，或用噴射泵進(jìn)行渦流混

31、合。分離器常用碟片式離心機(jī)，或管式離心機(jī),對(duì)各種萃取流程進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般先假定： 萃取相與萃余相之間能很快達(dá)到平衡； 兩相完全不互溶，并能完全分離,單級(jí)萃取,液液萃取中最簡(jiǎn)單的操作型式，一般用于間歇操作，也可用于連續(xù)操作,圖3 單級(jí)萃取流程示意圖,料液F與萃取溶劑S一起加入混合器內(nèi)攪拌混合萃取， 達(dá)到平衡后的溶液送到分離器內(nèi)分離得到萃取相L和萃余相R， 萃取相送到回收器，萃余相R為廢液。 在回收器內(nèi)產(chǎn)物與溶劑分離（如蒸餾、反萃取等），溶劑則可循環(huán)使用,1.單級(jí)萃取,使用一個(gè)混合器和一個(gè)分離器的萃取操作,L,對(duì)于稀溶液，建立平衡關(guān)系如下： 式中X為溶質(zhì)在萃取劑中的濃度； Y為溶質(zhì)在料液中的濃度,

32、單級(jí)萃取過(guò)程計(jì)算,1,溶質(zhì)的質(zhì)量平衡式為： 式中YF為料液中溶質(zhì)的濃度；XF為萃取劑中溶質(zhì)的濃度；H及L分別為兩相的體積。由（1）式和（2）式解得萃取操作達(dá)到平衡時(shí)，溶質(zhì)在兩相的濃度,2,3,式中E為萃取因子， 單級(jí)萃取過(guò)程的收率由下式定義： 未被萃取分率為,4,5,6,多級(jí)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 分為多級(jí)錯(cuò)流萃取和多級(jí)逆流萃取,2. 多級(jí)萃取,1）多級(jí)錯(cuò)流萃取,多級(jí)錯(cuò)流萃取是由幾個(gè)萃取器串聯(lián)組成。料液經(jīng)萃取后，萃余液再與新鮮萃取劑接觸，再進(jìn)行萃取。 第一級(jí)的萃余液進(jìn)入第二級(jí)作為料液，并加入新鮮萃取劑進(jìn)行萃??；第二級(jí)的萃余液再作為第三級(jí)的料液，以此類推。 此法特點(diǎn)在于每級(jí)中都加溶劑，故溶劑消耗量大，而得到的萃取劑平均濃度較稀，但萃取較完全,多級(jí)錯(cuò)流萃取示意圖,料液入口,第一級(jí),第二級(jí),第三級(jí),萃余液出口,多級(jí)錯(cuò)流萃取未被萃取分率和理論收率,經(jīng)一級(jí)萃取后，未被萃取的分率1： 經(jīng)二級(jí)萃取后，未被萃取的分率2： 經(jīng)n級(jí)萃取后，未被萃取的分率： 理論收率,多級(jí)錯(cuò)流萃取,未被萃取分率、級(jí)數(shù)n、萃取因數(shù)E之間的關(guān)系,未被萃取分率,級(jí)數(shù)n,2）多級(jí)逆流萃取,在多級(jí)逆流萃取中，在第一級(jí)中連續(xù)加入料液，并逐漸向下一級(jí)移動(dòng)，而在