《有機溶劑萃取》PPT課件

1、原料原料前處置前處置生物反響生物反響工程工程生物分別生物分別工程工程產(chǎn)品產(chǎn)品固固液液分分別別分分別別提提取取純純化化精精制制u分子構(gòu)造類似:組成,官能團u根據(jù)萃取目的物的介電常數(shù)尋覓極性相近的溶劑為萃取溶劑.一個良好的溶劑要滿足以下幾方面要求:u有大的萃取容量:即單位體積的萃取溶劑能萃取大量的產(chǎn)物u有良好選擇性:理想情況只萃取產(chǎn)物而不萃取雜質(zhì)u與被萃取的液相(通常是水相)互溶度小,且粘度低,;界面張力不或適中,有利于相的分散和兩相分別.u溶劑的回收和再容易u化學穩(wěn)定性好,不易分解,對設(shè)備腐蝕性小u經(jīng)濟性好,價廉易得u平安性好,無毒性或毒性低.u不同的萃取劑對溶質(zhì)的萃取效果不同。如疏水性的青霉素

2、G和V酸性很強，其pKa值為2.53.1，相對分子質(zhì)量分別為334和350，適宜用有機溶劑從發(fā)酵液中萃取，在pH 2.53.0范圍內(nèi)，用乙酸戊酯和乙酸丁酯作為萃取劑的萃取效率高如下表。 青霉素在不同萃取劑中的分配系數(shù)青霉素在不同萃取劑中的分配系數(shù)溶劑pH 2.5（溶劑/水）pH 7.0（溶劑/水）乙酸戊酯45/11/235乙酸丁酯47/11/186乙酸乙酯39/11/260氯仿39/11/220乙醚12/11/190u物理萃取即溶質(zhì)根據(jù)類似相溶的原理在兩物理萃取即溶質(zhì)根據(jù)類似相溶的原理在兩相間到達分配平衡，萃取劑與溶質(zhì)之間不相間到達分配平衡，萃取劑與溶質(zhì)之間不發(fā)生化學反響。例如，利用乙酸丁酯萃

3、取發(fā)生化學反響。例如，利用乙酸丁酯萃取發(fā)酵液中的青霉素即屬于物理萃取。發(fā)酵液中的青霉素即屬于物理萃取。u化學萃取那么利用脂溶性萃取劑與溶質(zhì)之化學萃取那么利用脂溶性萃取劑與溶質(zhì)之間的化學反響生成脂溶性復合分子實現(xiàn)溶間的化學反響生成脂溶性復合分子實現(xiàn)溶質(zhì)向有機相的分配。萃取劑與溶質(zhì)之間的質(zhì)向有機相的分配。萃取劑與溶質(zhì)之間的化學反響包括離子交換和絡(luò)合反響等。化學反響包括離子交換和絡(luò)合反響等。化學萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有機化學萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有機溶劑溶解萃取劑，改善萃取相的物理件質(zhì)，此時的有溶劑溶解萃取劑，改善萃取相的物理件質(zhì)，此時的有機溶劑稱為稀釋劑機溶劑稱為稀

4、釋劑(diluent)(diluent)。u由于氨基酸和一些極性較大的抗生素的水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)很小甚溶性很強，在有機相中的分配系數(shù)很小甚至為零，利用普通的物理萃取效率很低，至為零，利用普通的物理萃取效率很低，需采用化學萃取。需采用化學萃取。u可用于抗生素的化學萃取劑有長鏈脂肪酸可用于抗生素的化學萃取劑有長鏈脂肪酸(如月桂酸如月桂酸)、烴基磺酸、三氯乙酸、四丁胺、烴基磺酸、三氯乙酸、四丁胺和正十二烷胺等。它們與抗生素構(gòu)成復合和正十二烷胺等。它們與抗生素構(gòu)成復合物分子的疏水性比抗生素分子本身高得多，物分子的疏水性比抗生素分子本身高得多，從而在有機

5、相中有很高的溶解度。從而在有機相中有很高的溶解度。萃取和反萃取萃取和反萃取u在溶劑萃取分別過程中，當完成萃取操在溶劑萃取分別過程中，當完成萃取操作后，為進一步純化目的產(chǎn)物或便于下作后，為進一步純化目的產(chǎn)物或便于下一步分別操作的實施，往往需求將目的一步分別操作的實施，往往需求將目的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到水相。這種調(diào)理水相條件，產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到水相。這種調(diào)理水相條件，將目的產(chǎn)物從有機相轉(zhuǎn)入水相的萃取操將目的產(chǎn)物從有機相轉(zhuǎn)入水相的萃取操作稱為反萃取作稱為反萃取(Back extraction)。除溶劑。除溶劑萃取外，其他萃取過程普通也要涉及反萃取外，其他萃取過程普通也要涉及反萃取操作。萃取操作。對于一個完好的萃取過程

6、，經(jīng)常在萃取和反對于一個完好的萃取過程，經(jīng)常在萃取和反萃操作之間添加洗滌操作，如以下圖所示，萃操作之間添加洗滌操作，如以下圖所示，洗滌操作的目的是除去與目的產(chǎn)物同時萃洗滌操作的目的是除去與目的產(chǎn)物同時萃取到有機相的雜質(zhì)，提高反萃液中目的產(chǎn)取到有機相的雜質(zhì)，提高反萃液中目的產(chǎn)物的純度。以下圖中虛線表示洗滌段出口物的純度。以下圖中虛線表示洗滌段出口溶液中含有少量目的產(chǎn)物，為提高收率，溶液中含有少量目的產(chǎn)物，為提高收率，需將此溶液前往到萃取段。經(jīng)過萃取、洗需將此溶液前往到萃取段。經(jīng)過萃取、洗滌和反萃取操作，大部分目的產(chǎn)物進入到滌和反萃取操作，大部分目的產(chǎn)物進入到反萃相反萃相(第二水相第二水相)，而大

7、部分雜質(zhì)那么殘，而大部分雜質(zhì)那么殘留在萃取后的料液相留在萃取后的料液相(稱作萃余相稱作萃余相)。萃取、洗滌和反萃操作過程表示圖萃取、洗滌和反萃操作過程表示圖雜質(zhì)雜質(zhì)溶質(zhì)溶質(zhì)料液原料液原萃取劑萃取劑Light phase萃取相Heavy phase、萃余相在一定溫度和壓力下，溶質(zhì)分配在兩個不相溶的溶劑中到達平衡后，溶質(zhì)在這兩相的濃度比為一常數(shù)K，此常數(shù)稱為分配系數(shù)是衡量萃取體系能否合理的重要參數(shù)：y-平衡時溶質(zhì)在萃取相中的濃度X-平衡時溶質(zhì)在萃余相中的濃度xyk/分配系數(shù)分配系數(shù)u操作過程中，分配系數(shù)操作過程中，分配系數(shù)K越大，提越大，提取效率也越大，萃取就越容易進展取效率也越大，萃取就越容易進

8、展完全。當完全。當K值較小時，可以采取分值較小時，可以采取分次參與溶劑、延續(xù)對此提取來提高次參與溶劑、延續(xù)對此提取來提高萃取率。萃取率。u產(chǎn)物的萃取效率與萃取溶劑和水相產(chǎn)物的萃取效率與萃取溶劑和水相的性質(zhì)有關(guān)的性質(zhì)有關(guān).水相條件對萃取的影響 u1PH 影響選擇性影響選擇性.如青霉素在如青霉素在PH2萃取萃取,萃取萃取液中液中(醋酸醋酸_酯酯)青霉烯酸可達青霉素青霉烯酸可達青霉素_量度量度2.5%,在在PH3中那么下降到中那么下降到4%,PH選擇在使產(chǎn)選擇在使產(chǎn)物穩(wěn)定的范圍內(nèi)物穩(wěn)定的范圍內(nèi).u2溫度溫度:影響穩(wěn)定性影響穩(wěn)定性,普通在低溫下進展普通在低溫下進展,影響影響分配子數(shù)分配子數(shù)u3鹽析鹽析

9、:降低產(chǎn)物在水中的溶解度降低產(chǎn)物在水中的溶解度.如提如提Vb12時加硫銨，促進時加硫銨，促進Vb12從水從水轉(zhuǎn)入有機相中；提青霉素進加轉(zhuǎn)入有機相中；提青霉素進加NaCl.促進青霉素從水轉(zhuǎn)入有機相中促進青霉素從水轉(zhuǎn)入有機相中u4帶溶劑帶溶劑:它們能與產(chǎn)物構(gòu)成復合它們能與產(chǎn)物構(gòu)成復合物物,使產(chǎn)物易溶于有機溶劑中使產(chǎn)物易溶于有機溶劑中.復合物復合物在一定條件下又要易分解在一定條件下又要易分解.如青霉素如青霉素可用脂肪堿作帶溶劑可用脂肪堿作帶溶劑.化學萃取化學萃取萃取操作萃取操作u(1)混合混合:料液與萃取劑充分混合構(gòu)成具有料液與萃取劑充分混合構(gòu)成具有很大比外表積的乳濁液很大比外表積的乳濁液.產(chǎn)物自料

10、液轉(zhuǎn)入產(chǎn)物自料液轉(zhuǎn)入萃取劑中萃取劑中.u(2)分別分別:分別或萃取相和萃余相分別或萃取相和萃余相u(3)溶劑回收溶劑回收:從萃取相中分別出有機溶劑從萃取相中分別出有機溶劑.u所需設(shè)備：混合器如攪拌混合器所需設(shè)備：混合器如攪拌混合器、分別器如碟片式離心機、分別器如碟片式離心機、溶劑回收安裝如蒸餾塔溶劑回收安裝如蒸餾塔u混合萃取和分別也可在同一臺設(shè)備混合萃取和分別也可在同一臺設(shè)備中，如中，如Alfa-Laval萃取機。萃取機。u單級萃取：單級萃?。簎 料液與萃取劑參與混合物中攪拌平衡料液與萃取劑參與混合物中攪拌平衡后的溶液送到分別器內(nèi)分別得萃取相后的溶液送到分別器內(nèi)分別得萃取相L萃萃余相余相R,L

11、送到回收器送到回收器.u多級萃?。菏枪I(yè)消費最常用的萃取流多級萃?。菏枪I(yè)消費最常用的萃取流程程u 分別效率高分別效率高u 產(chǎn)品回收率高產(chǎn)品回收率高u 溶劑用量少溶劑用量少u u使含溶質(zhì)的溶液使含溶質(zhì)的溶液hu和萃取劑和萃取劑L混混u合，靜止后分成兩層。合，靜止后分成兩層。多級錯流萃?。簩⒍鄠€混合廓清器單元串聯(lián)多級錯流萃取：將多個混合廓清器單元串聯(lián)起來，各個混合器中分別通入新穎萃取劑，起來，各個混合器中分別通入新穎萃取劑，而料液從第一級通入，逐次進入下一級混合而料液從第一級通入，逐次進入下一級混合器的萃取操作稱為多級錯流接觸萃取，器的萃取操作稱為多級錯流接觸萃取， 每次加新溶劑每次加新溶劑,

12、目的物濃度低目的物濃度低, 萃取完全萃取完全 多級逆流萃取將多個混合廓清器單元串聯(lián)起多級逆流萃取將多個混合廓清器單元串聯(lián)起來，分別在左右兩端的混合器中延續(xù)通入料液來，分別在左右兩端的混合器中延續(xù)通入料液和萃取液，使料液和萃取液逆流接觸，即構(gòu)成和萃取液，使料液和萃取液逆流接觸，即構(gòu)成多級逆流接觸萃取。多級逆流接觸萃取。反向進入，目的物在萃取液中濃度高，耗量少反向進入，目的物在萃取液中濃度高，耗量少乳化和去乳化乳化和去乳化u實踐發(fā)酵產(chǎn)物的萃取操作中常發(fā)生乳化景實踐發(fā)酵產(chǎn)物的萃取操作中常發(fā)生乳化景象。乳化即水或有機溶劑以微小液滴方式象。乳化即水或有機溶劑以微小液滴方式分散于有機相或水相中的景象。分散

13、于有機相或水相中的景象。u產(chǎn)生乳化后使有機相和水相分層困難，出產(chǎn)生乳化后使有機相和水相分層困難，出現(xiàn)兩種夾帶：發(fā)酵廢液現(xiàn)兩種夾帶：發(fā)酵廢液(萃余液萃余液)中夾帶中夾帶有機溶劑有機溶劑(萃取液萃取液)微滴，使目的產(chǎn)物遭到微滴，使目的產(chǎn)物遭到損失；有機溶劑損失；有機溶劑(萃取相萃取相)中夾帶發(fā)酵液中夾帶發(fā)酵液(萃余液萃余液)，給后處置操作帶來閑難。，給后處置操作帶來閑難。u 油水是互不相容的，要構(gòu)成穩(wěn)定的乳濁液油水是互不相容的，要構(gòu)成穩(wěn)定的乳濁液，普通要有第三種物質(zhì)外表活性劑的存，普通要有第三種物質(zhì)外表活性劑的存在。在。u外表活性劑指一端具親水基團外表活性劑指一端具親水基團,一端具有親一端具有親油

14、基團油基團,發(fā)酵液中發(fā)酵液中PRO/W是主要的外是主要的外表活性劑表活性劑.u假設(shè)當外表活性劑的親水基團強度大于親假設(shè)當外表活性劑的親水基團強度大于親油基團易生成水包油型油基團易生成水包油型,反之構(gòu)成油包水型反之構(gòu)成油包水型.u產(chǎn)生乳化的主要緣由是發(fā)酵液中存在的產(chǎn)生乳化的主要緣由是發(fā)酵液中存在的蛋白質(zhì)相固體顆粒等物質(zhì)，這些物質(zhì)具蛋白質(zhì)相固體顆粒等物質(zhì)，這些物質(zhì)具有外表活性劑的作用，使有機溶劑有外表活性劑的作用，使有機溶劑(油油)和水的外表張力降低，油或水易于以微和水的外表張力降低，油或水易于以微小液滴的方式分散于水相或油相中。小液滴的方式分散于水相或油相中。u產(chǎn)生乳化后，需采取某種手段破壞乳濁

15、產(chǎn)生乳化后，需采取某種手段破壞乳濁液，提高萃取操作收率。液，提高萃取操作收率。破乳方法破乳方法u在實施萃取操作前，對發(fā)酵液進展過濾在實施萃取操作前，對發(fā)酵液進展過濾或絮凝沉淀處置，可除去大部分蛋白質(zhì)或絮凝沉淀處置，可除去大部分蛋白質(zhì)及固體微攪，防止乳化景象的發(fā)生。及固體微攪，防止乳化景象的發(fā)生。u破乳方法破乳方法:過濾過濾,離心離心,參與電解質(zhì)參與電解質(zhì),物理法物理法(加熱加熱,稀釋釋稀釋釋,吸附吸附)、頂替法、頂替法(戊醇戊醇)、轉(zhuǎn)型、轉(zhuǎn)型法法u防止乳化防止乳化:除去除去Pr.雙水相萃取Two-aqueous phase extraction 基因工程產(chǎn)品如蛋白質(zhì)和酶往往是胞內(nèi)產(chǎn)品，需經(jīng)細胞

16、破碎后才干提取、純化，細胞顆粒尺寸的變化給固-液分別帶來了困難，同時這類產(chǎn)品的活性和功能對pH值、溫度和離子強度等環(huán)境要素特別敏感。由于它們在有機溶劑中的溶解度低并且會變性，因此傳統(tǒng)的溶劑萃取法并不適宜。采用在有機相中添加外表活性劑產(chǎn)生反膠束的方法可抑制這些問題，但同樣存在相的分別問題。u因此基因工程產(chǎn)品的商業(yè)化迫切需求開發(fā)適宜大規(guī)模消費的、經(jīng)濟簡便的、快速高效的分別純化技術(shù)。其中雙水相萃取技術(shù)(two-aqueous phase extraction,ATPS)，又稱水溶液兩相分配技術(shù)(Partion of two aqueous phase extraction)是近年來出現(xiàn)的引人注目、極

17、有出路的新型分別技術(shù)。 雙水相萃取法的特點是可以保管產(chǎn)物的活性，整個操雙水相萃取法的特點是可以保管產(chǎn)物的活性，整個操作可以延續(xù)化，在除去細胞或細胞碎片時，還可以純化蛋作可以延續(xù)化，在除去細胞或細胞碎片時，還可以純化蛋白質(zhì)白質(zhì)2 25 5倍，與傳統(tǒng)的過濾法和離心法去除細胞碎片相比，倍，與傳統(tǒng)的過濾法和離心法去除細胞碎片相比，無論在收率上還是本錢上都要優(yōu)越得多。無論在收率上還是本錢上都要優(yōu)越得多。除此以外，處置量一樣時，雙水相萃取法比傳統(tǒng)的分別方除此以外，處置量一樣時，雙水相萃取法比傳統(tǒng)的分別方法法, ,設(shè)備需用量要少設(shè)備需用量要少3 31010倍，因此已被廣泛地運用在生物倍，因此已被廣泛地運用在

18、生物化學、細胞生物學和生物化工領(lǐng)域，進展生物轉(zhuǎn)化、蛋白化學、細胞生物學和生物化工領(lǐng)域，進展生物轉(zhuǎn)化、蛋白質(zhì)、核酸和病毒等產(chǎn)品的分別純化和分析等。用此法來提質(zhì)、核酸和病毒等產(chǎn)品的分別純化和分析等。用此法來提純的酶已達數(shù)十種，其分別過程也到達相當規(guī)模，如乙醇純的酶已達數(shù)十種，其分別過程也到達相當規(guī)模，如乙醇脫氫酶的分別已到達幾十千克濕細胞規(guī)模，脫氫酶的分別已到達幾十千克濕細胞規(guī)模，-半乳糖苷酶半乳糖苷酶的提取也到了中試規(guī)模等。的提取也到了中試規(guī)模等。雙水相萃取法和傳統(tǒng)的分別方法雙水相萃取法和傳統(tǒng)的分別方法(如鹽析或有機如鹽析或有機溶劑沉淀等溶劑沉淀等)相比也有很大的優(yōu)勢，如以相比也有很大的優(yōu)勢，如

19、以-半乳半乳糖苷酶為例，用沉淀或雙水相萃取純化的比較糖苷酶為例，用沉淀或雙水相萃取純化的比較見下表。見下表。u雙水相系統(tǒng)：某些親水性高分子聚合物的水溶液超越一定濃度后可構(gòu)成兩相系統(tǒng)。u利用物質(zhì)在不相溶的，兩水相間分配系數(shù)的差別進展萃取的方法u運用：蛋白質(zhì)特別是胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分別純化。一、雙水相系統(tǒng)u構(gòu)成緣由：聚合物的不相容性，即聚合物分子的空間妨礙作用，無法構(gòu)成均一相，具有相分別傾向，一定條件下分成兩相。u常用于分別的雙水相系統(tǒng)：u雙聚合物：聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dex)。該系統(tǒng)上相富含PEG，下相富含Dex；u聚合物與無機鹽：聚乙二醇(PEG)/磷酸鉀KPi)。該系統(tǒng)上相富含PEG，下相

20、富含KPi。雙水相萃取的原理雙水相萃取的原理u根據(jù)懸浮粒子與其周圍物質(zhì)具有的根據(jù)懸浮粒子與其周圍物質(zhì)具有的復雜的相互作用：復雜的相互作用：u氫鍵氫鍵u電荷力電荷力u疏水作用疏水作用u范德華力范德華力u構(gòu)象效應構(gòu)象效應a兩相區(qū)雙節(jié)線均相區(qū)兩相區(qū)臨界點u雙水相系統(tǒng)的相圖雙節(jié)線u系線：銜接雙節(jié)線上兩點的直線。u同一系線上各點：兩相組成一樣，體積不同。u系線(TMB)長度：衡量兩相間相對差別的尺度。越長那么兩相間性質(zhì)差別越大，反之那么越?。悔呄蛴诹銜r，雙節(jié)線上的點，臨界點，兩相差別消逝，成為均一相。 在系線上各點處系統(tǒng)的總濃度不同，但均分成組成一樣而體積不同的兩相。兩相的體積近似服從杠桿規(guī)那么，即二、

21、雙水相中的分配平衡 與溶劑萃取一樣，溶質(zhì)在雙水相中的分配系數(shù)也用m=c2/c1表示。為簡便起見，用c1 和c2分別表示平衡形狀下下相和上相中溶質(zhì)的總濃度。 有關(guān)雙水相系統(tǒng)中溶質(zhì)分配平衡的實際已有很多研討報導。但是，由于影響雙水相系統(tǒng)中溶質(zhì)分配平衡的要素非常復雜，很難建立完好的熱力學實際體系。從雙水相萃取過程設(shè)計的角度出發(fā)，確定影響分配系數(shù)的主要要素是非常重要的。已有的大量研討闡明，生物分子的分配系數(shù)取決于溶質(zhì)與雙水相系統(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等。因此，分配系數(shù)是各種相互作用的和.lnm=lnme+lnmh+lnmlme，mh，ml 分別為靜電作用、分別為靜

22、電作用、疏水作用和生物親和作用對溶質(zhì)分疏水作用和生物親和作用對溶質(zhì)分配系數(shù)的奉獻。配系數(shù)的奉獻。u成相高聚物濃度界面張力成相高聚物濃度界面張力u成相高聚物的相對分子量成相高聚物的相對分子量u普通來說，蛋白質(zhì)等高分子量物質(zhì)易集中于低普通來說，蛋白質(zhì)等高分子量物質(zhì)易集中于低分子量相分子量相u鹽類鹽類( (包括離子的類型和濃度、離子強度、包括離子的類型和濃度、離子強度、pHpH值值) )，u溶質(zhì)的物理化學性質(zhì)溶質(zhì)的物理化學性質(zhì)( (包括分子量、等電點包括分子量、等電點) )以以及體系的溫度等。及體系的溫度等。影響物質(zhì)分配平衡的要素三、影響萃取效果的要素u1.成相聚合物u分子量：降低聚合物的分子量，那

23、么蛋白質(zhì)容易分配于富含該聚合物的相中。u總濃度：越大那么兩相性質(zhì)的差別越大，系線越長，蛋白質(zhì)越容易分配于其中的某一相。u鹽的種類和濃度對分配系數(shù)的影響主要反映在對相間電位和蛋白質(zhì)疏水性的影響。在雙聚合物系統(tǒng)中，無機離子具有各自的分配系數(shù)，不同電解質(zhì)的正負離子的分配系數(shù)個同，當雙水相系統(tǒng)中含有這些電解質(zhì)時，由于兩相均應各自堅持電中性，從而產(chǎn)生不同的相間電位，因此，鹽的種類(離子組成)影響蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的分配系數(shù)，鹽濃度不僅影響蛋白質(zhì)的外表疏水性，而且擾亂雙水相系統(tǒng)，改動各相中成相物質(zhì)的組成和相體積比。2.鹽和緩沖液的影響例如，PEG/KPi系統(tǒng)中上、下相(或稱輕重相)的PEG和磷酸鉀濃

24、度以及Cl離子在上、下相中的分配平衡隨添加NaCl濃度的增大而改動。這種相組成即相性質(zhì)的改動直接影響蛋白質(zhì)的分配系數(shù)。離子強度對不同蛋白質(zhì)的影響程度不同，利用這一特點，經(jīng)過調(diào)理雙水相系統(tǒng)中的鹽濃度，可有效地萃取分別不同的蛋白質(zhì)。u3.pH值u影響蛋白質(zhì)的外表電荷數(shù)Z：影響蛋白質(zhì)的解離度。u影響：影響磷酸鹽的解離。u4.溫度u主要影響雙水相系統(tǒng)的相圖。u大規(guī)模雙水相萃取操作普通在室溫下進展，主要基于以下思索：uPEG對蛋白質(zhì)有穩(wěn)定作用；u溶液粘度較低，容易相分別；u節(jié)省冷卻費用。雙水相萃取的優(yōu)點雙水相萃取的優(yōu)點較多用于胞內(nèi)酶的提取和精制平衡時間短、含水量高、截面張力小，特別適宜于生物活性物質(zhì)的分別純化操作簡便易于放大要勝利運用雙水相萃取應滿足的條件：u欲提取的酶和細胞碎片應分配在不同的相中；u酶的分配系數(shù)應足夠大，