第三章萃取與色譜分離設(shè)備詳解演示文稿

第三章萃取與色譜分離設(shè)備詳解演示文稿當(dāng)前1頁，總共40頁。優(yōu)選第三章萃取與色譜分離設(shè)備當(dāng)前2頁，總共40頁。萃取分離的特點(diǎn)1、比化學(xué)沉淀法分離程度高；

2、比離子交換法選擇性好、傳質(zhì)快；

3、比蒸餾法能耗低，生產(chǎn)能力大，周期短，連續(xù)操作，可以自動(dòng)化控制；

4、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)當(dāng)前3頁，總共40頁。雙水相萃取的原理聚合物的不相溶性(incompatibility)：當(dāng)兩種高分子聚合物之間存在相互排斥作用時(shí)，由于相對(duì)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(shí)，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容性。當(dāng)前4頁，總共40頁。采用雙水相萃取時(shí)，通常將蛋白質(zhì)分配在上相（PEG聚乙二醇），細(xì)胞碎片分配在下相（鹽）。反過來對(duì)相的分離不利，因?yàn)楫?dāng)上相固含量高時(shí)，分離機(jī)的性能會(huì)受到影響。在操作時(shí)、單位重量相系統(tǒng)中料漿的加入量是一個(gè)重要的參數(shù)。顯然，料漿的加入量愈多愈經(jīng)濟(jì)，但過量的漿會(huì)影響原來聚合物的成相系統(tǒng)，使分配系數(shù)降低，結(jié)果收率降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般每1kg萃取系統(tǒng)處理200～400g濕菌體為宜。當(dāng)前5頁，總共40頁。兩級(jí)雙水相系統(tǒng)萃取酶的流程。

圖兩級(jí)雙水相萃取酶的流程

1一細(xì)胞懸浮液2一細(xì)胞破碎機(jī)3一冷卻器4-PEG一鹽貯罐5一混合器6一離心機(jī)

7一廢渣相貯罐8一暫存罐9一鹽貯罐10一酶液貯罐當(dāng)前6頁，總共40頁。單級(jí)萃取流程單級(jí)萃取只包括一個(gè)混合器和一個(gè)分離器，如圖2－3－1所示。料液F和溶劑S加入混合器中經(jīng)接觸達(dá)到平衡后，用分離器分離得到萃取液L和萃余液R。設(shè)料液體積為VF，溶劑的體積為Vs，則經(jīng)過萃取后。溶質(zhì)在萃取相中的濃度為山，在萃余相中的濃度為C2當(dāng)前7頁，總共40頁。當(dāng)前8頁，總共40頁。設(shè)K-分配系數(shù)，即萃取相中溶質(zhì)濃度與萃余相中溶質(zhì)濃度的比值；

E—萃取因數(shù)(extractionfactor)，即溶質(zhì)在萃取相中的數(shù)量與在萃余相中的數(shù)量（重量或摩爾量）的比值；

m—體積濃縮倍數(shù)，即料液體積與溶劑體積的比值。

E=mL/H另外，用φ表示萃余分率，則在單級(jí)萃取時(shí)有當(dāng)前9頁，總共40頁。多級(jí)萃取

當(dāng)前10頁，總共40頁。萃取設(shè)備液一液萃取設(shè)備應(yīng)包括3個(gè)部分：混合設(shè)備、分離設(shè)備和溶劑回收設(shè)備?；旌显O(shè)備是真正進(jìn)行萃取的設(shè)備，它要求料液與萃取劑充分混合形成乳濁液，欲分離的生物產(chǎn)品自料液轉(zhuǎn)入萃取劑中。分離設(shè)備是將萃取后形成的萃取相和萃余相進(jìn)行分離。溶劑回收設(shè)備需要把萃取液中的生物產(chǎn)品與萃取溶劑分離并加以回收。當(dāng)前11頁，總共40頁?；旌贤ǔＴ跀嚢韫拗羞M(jìn)行，也可將料液與萃取劑在管道內(nèi)以很高速度混合，稱管道萃取，也有利用噴射泵進(jìn)行渦流混合，稱噴射萃取。分離多采用分離因數(shù)較高的離心機(jī)，也可將混合與分離同時(shí)在一個(gè)設(shè)備內(nèi)完成，稱萃取機(jī)。大多數(shù)生物產(chǎn)品在pH變化較大時(shí)不穩(wěn)定，這就要求混合分離能夠快速進(jìn)行，其次，由于料液中常含有可溶性蛋白質(zhì)和糖，萃取過程中會(huì)產(chǎn)生乳化現(xiàn)象而影響分離，因此，各種類型的萃取分離塔是不適用的。溶劑回收利用各種蒸餾設(shè)備來完成當(dāng)前12頁，總共40頁。混合設(shè)備混合罐的結(jié)構(gòu)類似于帶機(jī)械攪拌的密閉式反應(yīng)罐，如圖2－3－5所示。采用螺旋槳式攪拌器，轉(zhuǎn)速為400～1000r／min；若用渦輪式攪拌器，轉(zhuǎn)速為300～600r／min，為防止中心液面下凹，在罐壁設(shè)置擋板，罐頂上有萃取劑、料液、調(diào)節(jié)pH的酸（堿）液及去乳化劑的進(jìn)口管，底部有排料管。料液在罐內(nèi)的平均混合停留時(shí)間約1～2min。由于攪拌器的作用，罐內(nèi)幾乎處于全混流狀態(tài)，使罐內(nèi)兩液相的平均濃度與出口濃度近似相等。

當(dāng)前13頁，總共40頁。混合罐當(dāng)前14頁，總共40頁。為了加大罐內(nèi)兩相間的傳質(zhì)推動(dòng)力，可用帶有中心孔的圓形水平隔板將混合罐分隔成上下連通的幾個(gè)混合室（類似于萃取塔），每個(gè)室中都設(shè)有攪拌器。這樣只有底部一個(gè)室中的混合液濃度與出口濃度相同。除機(jī)械攪拌混合罐外，尚有氣流攪拌混合罐，即將壓縮空氣通入料液中，借鼓泡作用進(jìn)行攪拌，特別適用于化學(xué)腐蝕性強(qiáng)的料液，但不適用攪拌揮發(fā)性強(qiáng)的料液。當(dāng)前15頁，總共40頁?；旌瞎墚?dāng)前16頁，總共40頁。a）為器內(nèi)混合過程，即萃取劑及料液由各自導(dǎo)管進(jìn)入器內(nèi)進(jìn)行混合；（b）、（c）則為兩液相已在器外匯合，后經(jīng)噴嘴或孔板進(jìn)入器內(nèi)，從而加強(qiáng)了湍流程度，提高了萃取效率。噴射式混合柱是一種體積小效率高的混合裝置，特別適用于低黏度、易分散的料液。這種設(shè)備投資小，但需要料液在較高的壓力下進(jìn)入混合器。噴射式混合器的壓力降、吸液量計(jì)算可參考有關(guān)資料。另外，若兩液相容易混合時(shí)，可直接利用離心泵在循環(huán)輸送過程中進(jìn)行混合。當(dāng)前17頁，總共40頁。級(jí)離心萃取機(jī)是在一臺(tái)設(shè)備中裝有兩級(jí)或三級(jí)混合及分離裝置的逆流萃取設(shè)備。圖2是LuwestaEK10007三級(jí)逆流離心萃取機(jī)的示意圖。分上、中、下三段，下段是第一級(jí)混合與分離區(qū)，中段是第二級(jí)，上段是第三級(jí)，每一段的下部都是混合區(qū)域，中部是分離區(qū)域，上部都是重液相引出區(qū)域，新鮮的萃取劑由第三級(jí)加入，待萃取料液則由第一級(jí)加入，萃取輕液相在第一級(jí)引出，萃余液則在第三級(jí)引出。操作時(shí)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為4500r／min，料液最大處理量為7m3／h，料液進(jìn)口壓力5×105Pa，萃取劑進(jìn)口壓力3×105Pa。當(dāng)前18頁，總共40頁。連續(xù)逆流離心萃取機(jī)連續(xù)逆流離心萃取機(jī)是將萃取劑與料液在逆流情況下進(jìn)行多次接觸和多次分離的萃取設(shè)備。圖1是a－LavalABE－216型離心萃取機(jī)的結(jié)構(gòu)。其主要部件為一由11個(gè)不同直徑的同心圓筒組成的轉(zhuǎn)鼓，每個(gè)圓筒上均在一端開孔，作為料液和萃取劑流動(dòng)的通道，由于相鄰?fù)仓g開孔位置上下錯(cuò)開，使液體上了曲折流動(dòng)。從中心向外數(shù)第4～11筒的外壁上均焊有螺旋形導(dǎo)流板，這樣就使兩個(gè)液相的流動(dòng)路程大為加長，從而延長了兩液相的混合與分離時(shí)間，在螺旋形導(dǎo)流板上又開設(shè)大小不同的缺口，使螺旋形長通道中形成很多短路，增加了兩液相之間的接觸機(jī)會(huì)。

當(dāng)前19頁，總共40頁。操作時(shí)，重液相（料液）由底部軸周圍的套管進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓后，沿螺旋形通道由內(nèi)向外順次流經(jīng)各筒，最后由外筒經(jīng)溢流環(huán)到向心泵室被排出。輕液（萃取劑）則由底部的中心管進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，流入第十圓筒，從下端進(jìn)入螺旋報(bào)通道，由外向內(nèi)順次流過各筒，最后從第一筒經(jīng)出口排出。圖2是ABE－216型離心萃取機(jī)液體流向圖。當(dāng)前20頁，總共40頁。當(dāng)前21頁，總共40頁。臥式連續(xù)逆流離心萃取機(jī)

轉(zhuǎn)鼓水平放置同心圓筒上均勻開有小孔，兩相連續(xù)接觸分離轉(zhuǎn)軸處有空隙，為輕液的澄清區(qū)，鼓壁處有空隙，為重液的澄清區(qū)輕液進(jìn)口壓強(qiáng)最高，出口壓強(qiáng)稱為背壓；重液進(jìn)口壓強(qiáng)應(yīng)大于背壓，出口壓強(qiáng)常壓要求鼓內(nèi)輕液多時(shí)，可增加背壓。當(dāng)前22頁，總共40頁。當(dāng)前23頁，總共40頁。第二節(jié)離子交換分離原理及設(shè)備當(dāng)前24頁，總共40頁。一、離子交換與離子交換樹脂1.離子交換反應(yīng)離子交換分離法是通過試樣離子在離子交換劑（固相）和淋洗液（液相）之間的分配（離子交換）而達(dá)到分離的方法。分配過程是一離子交換反應(yīng)過程。陽離子交換反應(yīng)：Resin-SO3H+Na+=Resin-SO3Na+H+Resin-SO3Na+H+=Resin-SO3H+Na+陰離子交換反應(yīng)：Resin-N(CH3)3OH+Cl-=N(CH3)3Cl+OH+Resin-N(CH3)3Cl+OH-=N(CH3)3OH+Cl-當(dāng)前25頁，總共40頁。2.離子交換樹脂離子交換反應(yīng)發(fā)生在離子交換樹脂上的具有可交換離子的活性基團(tuán)上。離子交換樹脂是以高分子聚合物為骨架，反應(yīng)引入活性基團(tuán)構(gòu)成。高分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯共聚物小球常見，可引入各種特性的活性基團(tuán)，使之具有選擇性。Resin-SO3H（氫型）樹脂的酸性最強(qiáng)，其Resin-SO3Na（鈉型）比氫型穩(wěn)定，商品常為鈉型，使用前用酸淋洗轉(zhuǎn)型（再生）。陰離子交換樹脂的Cl型穩(wěn)定。以磷酸基團(tuán)-PO(OH)2和次磷酸基團(tuán)-PO(OH)作為活性基團(tuán)的樹脂具有中等強(qiáng)度的酸性。最多的為732#

離子交換反應(yīng)是一可逆反應(yīng)。離子交換樹脂使用后需要進(jìn)行再生處理當(dāng)前26頁，總共40頁。弱酸性陽離子交換樹脂

這類樹脂的活性基團(tuán)有羧基-COOH，酚羥基-OH等，它們的電離程度小，交換性能受溶液pH的影響很大，其交換能力隨溶液pH的增加而提高。在酸性溶液中，這類樹脂幾乎不發(fā)生交換反應(yīng)、對(duì)于羧基樹脂，應(yīng)該在pH>7的溶液中操作，而對(duì)于酚羥基樹脂，應(yīng)使溶液的pH＞9。

和強(qiáng)酸樹脂不同，弱酸樹脂和氫離子結(jié)合能力很強(qiáng)，故再生成氫型較容易，耗酸量少。當(dāng)前27頁，總共40頁。強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂

這類樹脂有兩種，一種含三甲胺基稱為強(qiáng)堿I型，另一種含二甲基-b羥基-乙基胺基團(tuán)，為強(qiáng)堿型。和強(qiáng)酸離子交換相似，活性基團(tuán)電離程度較強(qiáng)且不受pH變化的影響，在pH1～14范圍內(nèi)均可使用。這類樹脂成氯型時(shí)較羥型穩(wěn)定，耐熱性也較好，因此，商品大多以氯型出售。I型的堿性比對(duì)Ⅱ型強(qiáng)，但再生較困難，Ⅱ型樹脂的穩(wěn)定性較差。典型的交換反應(yīng)為RN(CH3)3CI＋NaOH—→RN(CH3)3OH+NaCl當(dāng)前28頁，總共40頁。弱堿性陰離子交換樹脂

這類樹脂的活性基團(tuán)有伯胺基團(tuán)-NH2、仲胺基=NH、叔胺基≡N和吡啶基等。與弱酸陽離子樹脂一樣，交換能力受溶液pH的影響很大，pH越小交換能力越強(qiáng)。故在pH<7的溶液中使用。這類樹脂和OH-結(jié)合能力較強(qiáng)，再生成羥型較容易，耗堿量少。當(dāng)前29頁，總共40頁。離子交換樹脂的理化性能選擇離子交換樹脂時(shí)，除具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性外，其理化性能有：顆粒度、交換容量、機(jī)械強(qiáng)度、膨脹度、含水量、密度、孔結(jié)構(gòu)等。當(dāng)前30頁，總共40頁。3.離子交換容量離子交換樹脂在交換反應(yīng)中可交換離子的數(shù)目用交換容量表示，單位mmol/g干樹脂。將離子交換樹脂裝入玻璃柱即構(gòu)成離子交換分離柱，可用來分離干擾離子。當(dāng)淋洗液為中性水溶液時(shí)，干擾離子保留在柱中。離子交換反應(yīng)是一可逆反應(yīng)，被交換離子隨淋洗液pH不同而在分離柱中移動(dòng)，由于不同離子與離子交換樹脂之間的作用力不同，流出分離柱的時(shí)間不同而被分離。一般使用的離子交換樹脂的粒度為50-100目。當(dāng)前31頁，總共40頁。二、離子交換親和力與選擇性系數(shù)離子交換分離中的分配系數(shù)是組分離子在樹脂上的濃度與在溶液中的濃度之比，對(duì)陽離子Mn+，分配系數(shù)KP為：當(dāng)前32頁，總共40頁。分配系數(shù)KP反映了離子與樹脂的親和力大小。不同離子對(duì)樹脂的親和力大小具有如下規(guī)律：(1)稀溶液中，離子電荷越大，親和力越大；(2)相同電荷時(shí)，水合半徑越小，親和力越大；當(dāng)前33頁，總共40頁。(3)多元素陰離子親和力的順序?yàn)椋篠O42->C2O42->I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->Ac->F-(4)H+對(duì)強(qiáng)酸性離子交換樹脂的親和力在Na+與Li+之間，離子交換樹脂的酸性越弱，H+與其親和力越大；(5)OH-對(duì)強(qiáng)堿性離子交換樹脂的親和力在Ac-與F-之間，離子交換樹脂的堿性越弱，OH-與其親和力越大；當(dāng)溶液中有多種離子可與樹脂發(fā)生交換時(shí)：R-A+B+=R-B+A+此反應(yīng)的平衡常數(shù)稱為離子交換的選擇性系數(shù)KB/A。當(dāng)前34頁，總共40頁。三、離子交換分離法的應(yīng)用1.去離子水的制備實(shí)驗(yàn)室用去離子水及鍋爐用水的軟化。采用串聯(lián)的陽離子交換柱和陰離子交換柱。2.干擾組分的分離如測定礦石中的鈾時(shí)，為了除去其他金屬離子的干擾，將礦石溶解后處理成0.1mol/L的硫酸溶液，U(VI)形成[UO2(SO4)2]2-或[UO2(SO4)3]4-，在通過強(qiáng)堿性離子交換樹脂時(shí)，被留在樹脂上，金屬離子則流出。之后，將其破壞成為UO2+形式洗脫，回收率可達(dá)98%

3.痕量組分的富集天然礦石中痕量釷的富集：釷在鹽酸溶液中難以形成穩(wěn)定的配位離子，保留；共存的稀土則形成穩(wěn)定的配位離子，被洗脫。當(dāng)前35頁，總共40頁。離子交換設(shè)備根據(jù)離子交換的操作方式不同，可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)交換設(shè)備兩大類。靜態(tài)設(shè)備為一帶有攪拌器的反應(yīng)罐，反應(yīng)罐僅作靜態(tài)交換用，交換后利用沉降、過濾或水力旋風(fēng)將樹脂分離，然后裝入解吸罐（柱）中