第四章 萃取1

1、第四章 萃取第一節(jié) 基本概念及分配定律 1、基本概念 1.1 萃取 萃取劑：萃取操作中至少有一相為流體，稱該流體為萃取劑。 萃取過程中，離開液-液萃取器的萃取劑相為萃取液；經(jīng)萃取劑相接觸后離開的料液相稱為萃余液（殘液）。 萃取過程萃取劑S原料液A+B12萃取相E萃余相R 圖111 萃取過程示意圖1混合器；2分層器1.2 反萃取 定義：當完成萃取操作后，為進一步純化目標產(chǎn)物或便于下一步分離操作的實施，而調(diào)節(jié)水相條件，將目標產(chǎn)物從有機相轉(zhuǎn)入水相的萃取操作即為反萃取。 一個完整的萃取過程中，常在萃取和反萃取操作之間增加洗滌操作，目的是除去與目標產(chǎn)物同時萃取到有機相的雜質(zhì)，提高反萃液中目標產(chǎn)物的純度。

2、 1.3 物理萃取和化學萃取 物理萃?。喝苜|(zhì)根據(jù)相似相容的原理在兩相間達到分配平衡，萃取劑與溶質(zhì)間不發(fā)生化學反應。 例如：利用乙酸丁酯萃取發(fā)酵液中的青霉素； 應用:石油化工和抗生素及天然植物中有效成分的提取過程。 化學萃?。豪弥苄暂腿┡c溶質(zhì)之間的化學反應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)之間的化學反應包括離子交換和絡合反應等。 稀釋劑：化學萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和笨等有機溶劑溶解萃取劑，改善萃取相的物理性質(zhì)，此時的有機溶劑稱為稀釋劑。 應用:金屬的提取，也可用于氨基酸、抗生素和有機酸等生物產(chǎn)物的分離回收。 2、分配定律 分配定律：在恒溫恒壓條件下，溶質(zhì)在互不

3、相溶的兩相中達到分配平衡時，如果其在兩相中的相對分子質(zhì)量相等,則其在兩相中的平衡濃度之比為常數(shù)，這個常數(shù)稱為分配系數(shù) m=C2/C1 適用條件：相同分子形態(tài)存在于兩相中的溶質(zhì)的濃度之比。不適合化學萃取，固溶質(zhì)在各相中并非以同一種分子狀態(tài)存在。 如果原料中有兩種溶質(zhì)，A(產(chǎn)品)與B（雜質(zhì)），由于溶質(zhì)A、B的分配系數(shù)不同，這樣經(jīng)萃取后A和B得到了一定程度的分離，產(chǎn)品的純度提高。溶劑對溶質(zhì)A、B分離能力的大小用分離因數(shù)來表示。 為分離因數(shù)，或稱選擇性，值的大小反映了萃取分離的效果。BBAABAxyxymm/ 多數(shù)情況下，溶質(zhì)在各相中并非以同一種分子形態(tài)存在，特別是化學萃取中，這時分配系數(shù)常用溶質(zhì)在兩

4、相中的總濃度之比來表示， 當生物產(chǎn)品濃度很低時，可表示成Henry型平衡關系： 當溶質(zhì)濃度很高時，用Langmuir型平衡關系：第二節(jié) 溶劑萃取 溶劑萃取：也稱有機溶劑萃取，是石油化工、濕法冶金和生物產(chǎn)物分離純化的重要手段； 優(yōu)點：處理量大、能耗低、速度快并易于實現(xiàn)連續(xù)操作和自動化控制 1、弱電解質(zhì)的分配平衡 溶劑萃取常用于有機酸、氨基酸和抗生素等弱酸或弱堿性電解質(zhì)萃取 萃取達到平衡狀態(tài)時，一方面弱電解質(zhì)在水相中達到解離平衡，另一方面未解離的游離電解質(zhì)在兩相中達到分配平衡。 對弱酸性和弱堿性電解質(zhì)，解離平衡關系為： 萃取平衡時，弱酸的分配系數(shù)為： 弱堿的分配系數(shù)為：2、化學萃取平衡 由于氨基酸

5、和一些極性較大的抗生素水溶性很強，在有機相中的分配系數(shù)很小，甚至為0，利用一般的物理萃取效率很低，甚至無法萃取，這時可用化學萃取解決。 常用于氨基酸的萃取劑有：季銨鹽類(氯化三辛基甲銨)、磷酸酯類二（2-乙基己基）磷酸等。事例說明： 利用陰離子交換萃取劑:氯化三辛基甲銨（TOMAC,記作R+Cl-） 陰離子氨基酸的離子交換反應需在高于其等電點的pH范圍內(nèi)進行，可簡化為： 3、溶劑萃取操作溶劑萃取操作 3.1 水相物理條件的影響 pH值：由分配系數(shù)的計算可知，無論是物理萃取還是化學萃取，水相pH值對弱電解質(zhì)分配系數(shù)有顯著影響。 物理萃取時，弱酸性電解質(zhì)的分配系數(shù)隨pH 降低而增大，而弱堿性電解質(zhì)

6、則正相反，而分配系數(shù)又直接影響萃取收率；另外，溶液的pH也影響藥物的穩(wěn)定性。 紅霉素是堿性電解質(zhì)，在乙酸戊酯和pH 9.8的水相之間分配系數(shù)為44.7，而水相pH 降至5.5時，分配系數(shù)降至14.4舉例： 1）紅霉素萃取 青霉素是較強的有機酸，pH 值對其分配系數(shù)有很大影響。在較低pH 下有利于青霉素在有機相中的分配，當pH 大于6.0時，青霉素幾乎完全分配與水相中。因此，選擇適當?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）青霉素萃取 反萃取操作同樣可通過調(diào)節(jié)pH 值實現(xiàn)。紅霉素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃取用pH5.0的

7、水溶液。 溫度：選擇適當?shù)牟僮鳒囟龋欣谀繕水a(chǎn)物的回收和純化。由于生物產(chǎn)物在較高溫度下不穩(wěn)定，故萃取操作一般在常溫或較低溫度下進行。 無機鹽：無機鹽的存在可降低溶質(zhì)在水相中的溶解度，有利于溶質(zhì)向有機相中分配。但鹽的添加量要適當，用量過多會使雜質(zhì)轉(zhuǎn)入有機相，不利于目標產(chǎn)物的選擇性萃取。 3）紅霉素反萃取 3.2 有機溶劑或稀釋劑的選擇有機溶劑或稀釋劑的選擇 選擇合適的有機溶劑，可使目標產(chǎn)物有較大的分配系數(shù)和較高的選擇性。 由相似相溶的原理，重要的相似是在分子的極性上。選擇與目標產(chǎn)物極性相近的有機溶劑為萃取劑，可以得到較大分配系數(shù)。 有機溶劑應滿足: （1）價廉易得； （2）與水相不互溶； （3

8、）容易回收和再利用； （4）與水相有較大的密度差，且粘度 小，表面張力適中，相分散和相分 離較容易； （5）毒性低，腐蝕性小，閃電低，使 用安全 （6）不與目標產(chǎn)物發(fā)生反應。 常用于抗生素類生物產(chǎn)物萃取的有機溶劑有：丁醇等醇類、乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯類以及甲基異丁基甲酮等。 化學萃取氨基酸的稀釋劑主要有：煤油、己烷、異辛烷、正十二烷等 3.3 化學萃取劑化學萃取劑 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，利用一般的物理萃取效率很低，須采用化學萃取。 由于萃取劑與抗生素形成復合物分子的疏水性比抗生素高，從而在有機相中有很高的溶解度。因此，在抗

9、生素萃取中，萃取劑又稱帶溶劑。 應用：青霉素為有機酸，可與四丁胺等脂肪堿通過離子鍵結(jié)合而容易溶于氯仿中。因此，對于在一定pH下容易物理分配于有機相中的目標產(chǎn)物（如青霉素），亦可通過加入萃取劑，增大其在不同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。3.4 乳化現(xiàn)象乳化現(xiàn)象 乳化：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。產(chǎn)生乳化后使有機相和水相分層困難。 產(chǎn)生乳化原因：發(fā)酵液中存在蛋白質(zhì)和固體顆粒等物質(zhì)，具有表面活性劑的作用，使有機溶劑（油）和水的表面張力降低，油或水易于以微小液滴的形式分散于水相或油相中，形成了乳濁液。 水包油型（O/W型）乳濁液：油

10、滴分散于水相； 油包水型（W/O型）乳濁液：水滴分散于油相。 在通常的有機溶劑萃取操作中需盡量避免乳化現(xiàn)象的產(chǎn)生。 防止乳化現(xiàn)象的方法： （1）操作前對發(fā)酵液進行過濾或絮凝沉淀處理, 除去大部分蛋白質(zhì)及固體微粒，防止乳化現(xiàn)象發(fā)生。 （2）產(chǎn)生乳化后，根據(jù)乳化的程度和乳濁液的形式采取適當?shù)钠迫槭侄巍?乳化現(xiàn)象不嚴重：采用過濾或離心沉降的方法； O/W型乳濁液：加入親油性表面活性劑 ； W/O型乳濁液：加入親水性表面活性劑； 4、液液萃取設備及其設計的理論基礎液液萃取設備及其設計的理論基礎 液液萃取設備主要分為： 1)混合-澄清式萃取器 2)塔式微分萃取器 4.1 混合混合-澄清式萃取澄清式萃取

11、混合-澄清式萃取器由料液與萃取劑的混合器和用于兩相分離的澄清器構(gòu)成。 計算-解析法 解析法解析法：常從料液的初始濃度,計算平衡時的最終濃度。欲達這一目的,需用兩個關系式,溶質(zhì)的物料衡算式和平衡關系式. 物料衡算式:LyHxLyHxFF平衡式平衡式: 萃取后萃取后,輕重兩相溶質(zhì)在平衡時的濃度輕重兩相溶質(zhì)在平衡時的濃度:其中其中E為萃取因子為萃取因子:萃余分率萃余分率:萃取分率p為: p表示經(jīng)一次萃取后,有多少溶質(zhì)被取出來。p值越大越好。E和p都是萃取操作中的重要參數(shù)圖解法： 平衡關系: 物料衡算關系: 把上述式子標繪于同一坐標紙上，由平衡關系描述的曲線，稱平衡線；由物料衡算關系表示的曲線，稱操作

12、線；它們的交點， 便是萃取后的y和x值. 存在問題： 單級萃取簡單，效率低，目的產(chǎn)物在萃余相中的殘余量仍然較多；為達到一定的萃取率，間歇操作時需要的萃取劑量較大，或者連續(xù)操作時所需萃取劑的流量較大。 解決辦法： 需要采取多級萃取， 增大萃取效率。4.2 多級錯流接觸萃取多級錯流接觸萃取 多級錯流萃取示意圖見圖 4.3 多級逆流接觸萃取多級逆流接觸萃取 4.4 分餾萃取分餾萃取 分餾萃取是對多級逆流接觸萃取的改進，料液從中間的某一級加入。 分餾萃取過程兼有兩種功能，即從料液中把溶質(zhì)分離出來的功能和對萃取液進行洗滌，使其中的溶質(zhì)純度提高的功能。前者發(fā)生在加料級的左側(cè)，稱為萃取段；后一功能，發(fā)生在加

13、料級的右側(cè)，稱為洗滌段，它是用外加入的純凈重液（如純凈的水）來洗滌萃取液，目的是把雜質(zhì)洗掉，而使特定的溶質(zhì)更為純粹。由此，采用分餾萃取的流程，即可使溶質(zhì)的濃度提高，同時又可使溶質(zhì)的純度提高，這是該種流程不同于其他而獨具的特點。 4.5 微分萃取微分萃取 當輕相和重相連續(xù)不斷地逆流通過萃取器時，就會產(chǎn)生微分萃取，在兩相的接觸中，溶質(zhì)從一相轉(zhuǎn)移至另一相中，但一般不可能達到平衡，這種微分萃取方法同樣能達到產(chǎn)物分離的目的，且不需要在多級萃取中的沉降時間。 塔式萃取又稱微分萃取。微分萃取設備的計算常采用平推流模型和軸向擴散模型。 第三節(jié) 雙水相萃取發(fā)展背景： 隨著生物技術的發(fā)展，特別是基因工程技術的出現(xiàn)

14、，很多生物產(chǎn)品無法使用有機溶劑萃取的方法來進行分離純化，其原因是有機溶劑對這些生物物質(zhì)有毒害作用。因此需要開發(fā)大規(guī)模生產(chǎn)的、經(jīng)濟簡便的、快速高效的分離純化技術，其中雙水相萃取技術是極有前途的新型分離技術。 雙水相萃取簡介： 雙水相萃取是近年來發(fā)展起來的一種新萃取方法，主要用于酶和蛋白質(zhì)的萃取。其特點是用兩種不互相溶的聚合物，如聚乙二醇（PEG）和葡聚糖（DX）進行萃取，而不用常規(guī)的有機溶劑為萃取劑。因為所獲得的兩相，均含有很高的水含量，一般達7090，故稱雙水相系統(tǒng)。 定義：雙水相萃取法是指利用物質(zhì)在不相容 的兩水相間分配系數(shù)的差異進行萃取 的方法。優(yōu)點： (1):平衡時間短,含水量高,界面張

15、力小, 特別適合于生物活性物質(zhì)的分離純化 (2):操作簡單,容易實現(xiàn)連續(xù)操作 (3):易于放大 1、雙水相系統(tǒng) 1.1 雙水相系統(tǒng)的形成圖 雙水相系統(tǒng)分為兩大類： 1）高聚物高聚物如：PEG/DX,聚丙二醇/PEG,甲基纖維素/DX 2）高聚物低分子如：PEG/磷酸鉀, PEG /磷酸銨, PEG/硫酸鈉1.2 雙水相系統(tǒng)的類型 2、雙水相中的分配平衡和相平衡雙水相中的分配平衡和相平衡 溶質(zhì)在雙水相中的分配系數(shù)： 圖中的曲線稱為雙結(jié)線該雙結(jié)點線把整個圖面分成兩個區(qū)域: 雙節(jié)線以下的區(qū)域為均相區(qū),以上的區(qū)域為兩相區(qū)，即ATPS 系線：連結(jié)平衡兩相組成的直線。 PEG/Kpi系統(tǒng)的典型相圖 A.杠

16、桿規(guī)則 系線上各點均分成組成相同，而體積不同的兩相。兩相體積近似服從杠桿規(guī)則 系線反映的信息： B.性質(zhì)差異： 系線的長度是衡量兩相間相對差別的尺度，系線越長，兩相間的性質(zhì)差別越大。C.臨界點： 當系線長度趨于零時, 兩相差別消失,任何溶質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)均為1,如K點. 3、影響分配系數(shù)因素（操作條件） 的綜合考察 影響雙水相萃取的因素： 聚合物種類；聚合物的濃度；聚合物的分子量；離子種類；離子強度；p值和溫度。 3.1 成相聚合物 1）分子量M： 若降低聚合物的M，則pro分配于富含該聚合物的相中。如PEG/DX系統(tǒng)，若降低DX的M，則m減小。這一規(guī)律具有普遍意義 2）成相系統(tǒng)的總濃度：

17、 增大時,系統(tǒng)遠離臨界點,系線長度增加,兩相性質(zhì)的差別(疏水性等)增大,蛋白質(zhì)分子的分配系數(shù)將偏離臨界點處的值(m=1),即大于1或小于1.因此,成相物質(zhì)的總濃度越高,系線越長,蛋白質(zhì)越容易分配于其中的某一相. 3）存在的問題： 當系線的長度增加時，系統(tǒng)的 表面張力增加，導致溶質(zhì)的界面 上的吸附,給萃取帶來困難。 3.2 鹽的種類和濃度 圖為各種離子在PEG/DX系統(tǒng)中的m。圖示：HPO42-和H2PO4-(H1.5PO41.5-)離子在PEG/DX系統(tǒng)的m小, 因此利用pH 7的磷酸鹽buffer很容易改變（相間電位差）,使帶負電pro有較高的m。 3.3 pH值1） pH-pI=pro（Z

18、）m2）pH影響磷酸鹽的解離 pH影響磷酸鹽的解離: 即影響PEG/Kpi系統(tǒng)的相間電位和蛋白質(zhì)的分配系數(shù)。對某些蛋白質(zhì)，pH的 很小變化會使分配系數(shù)改變23個數(shù)量級 分配系數(shù)對操作溫度不敏感。所以大規(guī)模雙水相萃取一般在室溫下進行，不需冷卻，這是因為： （1） 成相聚合物PEG對蛋白質(zhì)有穩(wěn)定，常溫 下蛋白質(zhì)一般不會發(fā)生失活或變性； （2） 常溫下溶液粘度較低，容易相分離； （3） 常溫操作節(jié)省冷卻費用。 3.3 溫度雙水相萃取過程包括以下幾個步驟： 1)雙水相的形成 2)溶質(zhì)在雙水相中的分配 3)雙水相的分離4、雙水相萃取操作過程雙水相萃取操作過程 5.1 胞內(nèi)蛋白質(zhì)的萃取 雙水相萃取法可選擇

19、性地使細胞碎片分配于雙水相系統(tǒng)的下相，而目標產(chǎn)物分配于上相，同時實現(xiàn)目標產(chǎn)物的部分純化和細胞碎片的除去，從而節(jié)省利用離心法或膜分離法除碎片的操作過程。因此，雙水相萃取應用于胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分離純化是非常有利的。5、雙水相萃取應用雙水相萃取應用5.2 中草藥有效成分的提取5.3 雙水相萃取分析5.4 稀有金屬/貴金屬分離6、雙水相萃取技術的進展雙水相萃取技術的進展 6.1 廉價雙水相體系的開發(fā)生化工程中常用的兩種雙水相體系的比較： 從表可見，高聚物-高聚物體系對活性物質(zhì)變性作用很小，界面吸附少，但價格高。因而尋找廉價的高聚物-高聚物雙水相體系是雙水相萃取技術應用的一個重要發(fā)展方向。 目前比較成功地是用