青霉素溶劑萃取專家講座

青霉素性質(zhì)青霉素萃取溶劑青霉素萃取操作條件青霉素萃取方式青霉素萃取設(shè)備目錄青霉素溶劑萃取專家講座第1頁(yè)青霉素理化性質(zhì)青霉素本身為一元酸，可與鉀、鈉、鎂、鈣、鋁和銨等化合成鹽類。易溶于水，游離酸易溶于醇、酮、醚、酯等普通有機(jī)溶劑。游離酸或鹽類水溶液均不穩(wěn)定，極易失去抗菌效力。不耐熱，普通保留于冰箱中，但青霉素鹽結(jié)晶純品，在干燥條件下可于室溫保留多年。青霉素抗菌效力與其分子中β-內(nèi)酰胺環(huán)相關(guān)。青霉素溶劑萃取專家講座第2頁(yè)青霉素萃取溶劑依據(jù)相同相溶原理，選擇與目標(biāo)物結(jié)構(gòu)相近溶劑

分子結(jié)構(gòu)相同:組成,官能團(tuán)依據(jù)萃取目標(biāo)物介電常數(shù)尋找極性相近溶劑為萃取溶劑.青霉素溶劑萃取專家講座第3頁(yè)青霉素萃取溶劑不一樣萃取劑對(duì)溶質(zhì)萃取效果不一樣。如疏水性青霉素G和V酸性很強(qiáng)，其pKa值為2.5～3.1，相對(duì)分子質(zhì)量分別為334和350，適宜用有機(jī)溶劑從發(fā)酵液中萃取，在pH2.5～3.0范圍內(nèi)，用乙酸戊酯和乙酸丁酯作為萃取劑萃取效率高（以下表青霉素溶劑萃取專家講座第4頁(yè)青霉素萃取溶劑溶劑pH2.5（溶劑/水）pH7.0（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12/11/190青霉素溶劑萃取專家講座第5頁(yè)青霉素萃取溶劑依據(jù)以上原因，我組選定乙酸丁酯作為萃取溶劑青霉素溶劑萃取專家講座第6頁(yè)青霉素萃取操作條件萃取壓力

萃取過(guò)程中，SF密度改變直接影響萃取效果。萃取壓力是影響SF密度主要參數(shù)。壓力改變能顯著提升SF溶解物質(zhì)能力。依據(jù)萃取壓力改變，可將SFE分為3類：(1)高壓區(qū)全萃取。高壓時(shí)，SF溶解能力強(qiáng)，可最大程度地溶解全部成份；青霉素溶劑萃取專家講座第7頁(yè)青霉素萃取操作條件壓力(2)低壓臨界區(qū)萃取，僅能提取易溶解成份，或除去有害成份；(3)中壓區(qū)選擇萃取，在高低壓之間，可依據(jù)物料萃取要求，選擇適宜壓力進(jìn)行有效萃取。當(dāng)壓力增加到一定程度后，則溶解增加遲緩，這是因?yàn)楦邏合鲁R界相密度隨壓力改變遲緩所致。另外，壓力對(duì)萃取效果影響還與溶質(zhì)性質(zhì)相關(guān)。青霉素溶劑萃取專家講座第8頁(yè)青霉素萃取操作條件溫度由圖可見(jiàn)，溫度升高青霉素穩(wěn)定性急劇下降，即溫度越低越穩(wěn)定。工廠都在pH=2.0下操作，所以只能選擇在低溫(5℃)下進(jìn)行，以降低因降解而造成損失，這大大增加了操作能耗。圖5溫度對(duì)青霉素半衰期影響青霉素溶劑萃取專家講座第9頁(yè)青霉素萃取操作條件溫度

而將萃取操作pH提升到3.0，操作溫度就能夠提升。另首先，大量試驗(yàn)證實(shí)，在低溫下萃取，乳化嚴(yán)重，提升溫度將有利于兩相分離，對(duì)操作是有利。以年產(chǎn)1kt青霉素規(guī)模計(jì)算，每年冷卻費(fèi)用在200萬(wàn)元以上。而將萃取pH提升到3.0，萃取操作溫度能夠從低溫提升到常溫，節(jié)約了大量能源。同時(shí)，試驗(yàn)證實(shí)，有機(jī)萃取劑萃取率隨溫度升高也有所上升。

青霉素溶劑萃取專家講座第10頁(yè)青霉素萃取操作條件pH圖3萃取率與萃取pH關(guān)系

從圖看到：伴隨青霉素萃取操作pH值降低，單級(jí)萃取率急劇升高，直到pH<2.5曲線才開(kāi)使平緩。所以，應(yīng)該采取低pH值萃取(pH=1.8～2.2)，以抵達(dá)最大萃取率。不過(guò)，因?yàn)榍嗝顾仉x解是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)分子態(tài)青霉素被萃取到有機(jī)相時(shí)，離子態(tài)青霉素會(huì)向分子態(tài)轉(zhuǎn)化以維持平衡，而且pH＝3.0條件下單級(jí)萃取率仍能夠抵達(dá)80%以上。青霉素溶劑萃取專家講座第11頁(yè)青霉素萃取操作條件

萃取劑流量、萃取時(shí)間在超臨界流體萃取過(guò)程中，萃取劑流量一定時(shí)，萃取時(shí)間越長(zhǎng)，收率越高。萃取剛開(kāi)始時(shí)，因?yàn)槿軇┡c溶質(zhì)未抵達(dá)良好接觸，收率較低。伴隨萃取時(shí)間加長(zhǎng)，傳質(zhì)抵達(dá)某種程度，則萃取速率增大，直到抵達(dá)最大之后，因?yàn)榇蛛x組分降低，傳質(zhì)動(dòng)力降低而使萃取速率降低。萃取劑流量主要影響萃取時(shí)間。普通來(lái)說(shuō)，收率一定時(shí)，流量越大，溶劑、溶責(zé)問(wèn)傳熱阻力越小，則萃取速度越快，所需要萃取時(shí)間越短，但萃取回收負(fù)荷大，從經(jīng)濟(jì)上考慮應(yīng)選擇適宜萃取時(shí)間和流量。青霉素溶劑萃取專家講座第12頁(yè)青霉素萃取操作條件物料性質(zhì)物料粒度影響萃取效果，普通情況下，粒度越小，擴(kuò)散時(shí)間越短，有利于SF向物料內(nèi)部遷移，增加了傳質(zhì)效果，但物料粉碎過(guò)細(xì)會(huì)增加表面流動(dòng)阻力，反而不利于萃取。對(duì)于多孔疏松物料，粒度對(duì)萃取率影響較小，菌體脂肪存在于細(xì)胞內(nèi)，萃取脂肪時(shí)，應(yīng)考慮使細(xì)胞破壁。水分是影響萃取效率主要原因。物料中含水量較高時(shí)，其水分主要以單分子水膜形式在親水性大分子界面形成連續(xù)系統(tǒng)，從而增加了超臨界相流動(dòng)阻力，當(dāng)繼續(xù)增加水分時(shí)，多出水分子主要以游離態(tài)存在，對(duì)萃取不產(chǎn)生顯著影響。青霉素溶劑萃取專家講座第13頁(yè)青霉素萃取操作條件物料性質(zhì)而當(dāng)含水量較低時(shí)，水分子主要以非連續(xù)單分子層形式存在?？梢?jiàn)，破壞傳質(zhì)界面連續(xù)水膜，使溶質(zhì)與溶劑之間進(jìn)行有效接觸，形成連續(xù)主體傳質(zhì)體系就可減小水分影響。超臨界流體極性是影響萃取速率又一原因。在弱極性溶劑中，強(qiáng)極性物質(zhì)溶解度遠(yuǎn)小于非極性物質(zhì)，可萃取性隨極性增加而降低，如超臨界CO2是一個(gè)非極性溶劑，所以，它非常適合用于弱極性物質(zhì)萃取。經(jīng)過(guò)使用不一樣夾帶劑來(lái)改變COz極性，使萃取范圍擴(kuò)大，可萃取極性較強(qiáng)物質(zhì)青霉素溶劑萃取專家講座第14頁(yè)青霉素萃取操作條件依據(jù)以上原因，我組選定青霉素萃取工藝在壓力為中壓，pH=3.0±0.2，溫度為低溫(5℃)下進(jìn)行，能夠使產(chǎn)品質(zhì)量和收率有所提升，生產(chǎn)能耗和物耗也顯著降低。青霉素溶劑萃取專家講座第15頁(yè)青霉素萃取方式單級(jí)萃取

單級(jí)萃取只包含一個(gè)混合器和一個(gè)分離器。料液F和溶劑S加入混合器中經(jīng)接觸到達(dá)平衡后，用分離器分離得到萃取液L和萃余液R。如分配系數(shù)為K，料液體積為VF，溶媒體積為VS，則經(jīng)過(guò)萃取后，溶質(zhì)在萃取相與萃余相中數(shù)量之比值為青霉素溶劑萃取專家講座第16頁(yè)K=CS/CF式中

——萃取原因。由E可求得未被萃取分率和理論收得率1-

：

青霉素萃取方式青霉素溶劑萃取專家講座第17頁(yè)青霉素萃取方式多級(jí)錯(cuò)流萃取青霉素溶劑萃取專家講座第18頁(yè)青霉素萃取方式多級(jí)逆流萃取

青霉素溶劑萃取專家講座第19頁(yè)在多級(jí)逆流萃取中，在第一級(jí)中加入料液，并逐步向下一級(jí)移動(dòng)，而在最終一級(jí)中加入萃取劑，并逐步向前一級(jí)移動(dòng)。料液移動(dòng)方向和萃取劑移動(dòng)方向相反，故稱為逆流萃?。▓D9-3）。在逆流萃取中，只在最終一級(jí)中加入萃取劑，故和錯(cuò)流萃取相比，萃取劑消耗量較少，因而萃取液平均濃度較高。

注意青霉素溶劑萃取專家講座第20頁(yè)青霉素萃取方式依據(jù)以上原因，我組選定二級(jí)逆流萃取

青霉素溶劑萃取專家講座第21頁(yè)一、分段式萃取設(shè)備1、混合設(shè)備（1）混合罐：

為傳統(tǒng)混合設(shè)備。利用攪拌將料液和萃取劑相混和。其缺點(diǎn)為間歇操作，停留時(shí)間較長(zhǎng)，傳質(zhì)效率較低。但因?yàn)槠溲b置簡(jiǎn)單，操作方便，仍廣泛應(yīng)用于工業(yè)中。青霉素萃取設(shè)備青霉素溶劑萃取專家講座第22頁(yè)（2）混合管

工作原理是使液體在一定流速下在管道中形成湍流狀態(tài)。因?yàn)橐后w在管道中流動(dòng)時(shí)不外乎兩種流態(tài)，即滯流和湍流。所謂滯流是指在同一截面上不一樣點(diǎn)流體流動(dòng)方向是相互平行；而在湍流時(shí)，各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向是不規(guī)則，易于到達(dá)混合。－般來(lái)說(shuō)，管道萃取效率比攪拌罐萃取來(lái)得高，且為連續(xù)操作。青霉素萃取設(shè)備青霉素溶劑萃取專家講座第23頁(yè)青霉素萃取設(shè)備（1）管式離心機(jī)

分離設(shè)備青霉素溶劑萃取專家講座第24頁(yè)⑶離心萃取器轉(zhuǎn)筒式離心萃取器

離心萃取器是利用離心力作用，使兩液相快速混合、快速分離一類萃取裝置。離心萃取器種類很多，廣泛應(yīng)用于制藥、香料、廢水處理等離域。

如圖所表示，轉(zhuǎn)筒式離心萃取器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，傳質(zhì)效率高，易控制，運(yùn)行可靠。青霉素溶劑萃取專家講座第25頁(yè)青霉素萃取設(shè)備碟片式離心機(jī)

這類離心機(jī)適合用于分離乳濁液或含少許固體乳濁液。其結(jié)構(gòu)大致可分為三部分：第－部分是機(jī)械傳動(dòng)部分；第二部分是由轉(zhuǎn)鼓碟片架、碟片分液蓋和碟片組成分離部分；第三部分是輸送部分，在機(jī)內(nèi)起輸送已分離好兩種液體作用，由向心泵等組成。青霉素溶劑萃取專家講座第26頁(yè)青霉素萃取設(shè)備多級(jí)離心萃取機(jī)青霉素溶劑萃取專家講座第27頁(yè)盧威式離心萃取器

盧威(Luwesta)式離心萃取器是一個(gè)立式逐層接觸式離心萃取設(shè)備。

如圖所表示，Luwesta式離心萃取器主體是固定在機(jī)殼體上，并隨之作高速旋轉(zhuǎn)環(huán)形盤，殼體中央有固定垂直空心軸，軸上也裝有圓形盤，盤上開(kāi)有若干個(gè)噴出孔。

Luwesta式離心萃取器級(jí)效率高，主要用于制藥工業(yè)。重液重液輕液輕液青霉素溶劑萃取專家講座第28頁(yè)青霉素萃取設(shè)備連續(xù)逆流離心萃取機(jī)青霉素溶劑萃取專家講座第29頁(yè)連續(xù)逆流離心萃取機(jī)優(yōu)點(diǎn)1、占用空間?。弘姍C(jī)直接驅(qū)動(dòng)、無(wú)傳動(dòng)附件，結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約占地面積和操作空間；2、適應(yīng)性能強(qiáng)：級(jí)存留時(shí)間短、分相快速、適應(yīng)兩相百分比范圍寬；經(jīng)過(guò)調(diào)換堰板和變頻調(diào)速可滿足不一樣密度、不一樣粘度液體物料。尤其適合密度差很小相系。3、萃取效率高：相平衡建立快，易于實(shí)現(xiàn)單級(jí)或多級(jí)串聯(lián)逆流或錯(cuò)流洗滌和萃??；4、操作性能好：全自動(dòng)操作，可連續(xù)無(wú)間斷運(yùn)行，也可小批量多品種使用；5、投資費(fèi)用低：萃取劑、溶劑或洗滌劑耗用最小；6、密閉性能好：滿足防爆以及有毒、有害和易揮發(fā)性介質(zhì)應(yīng)用環(huán)境和GMP規(guī)范青霉素溶劑萃取專家講座第30頁(yè)萃取塔

萃取塔結(jié)構(gòu)類型有各種，依據(jù)溶劑與原料液混合形式及塔板結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)萃取塔有噴灑塔、填料塔、篩板塔和轉(zhuǎn)盤萃取塔等基本類型。①噴灑塔

噴灑塔(噴淋塔)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔體內(nèi)除了各流股物料進(jìn)出連接管和分散裝置外，無(wú)其它內(nèi)部構(gòu)件。噴灑塔造價(jià)低，檢修方便；但在混合時(shí)流體軸向返混嚴(yán)重，傳質(zhì)效率極低，僅適合用于1－2個(gè)理論級(jí)場(chǎng)所萃取操作。重液輕液輕液輕液輕液重液重液重液輕液為分散相重液為分散相青霉素溶劑萃取專家講座第31頁(yè)填料萃取塔結(jié)構(gòu)與前面介紹精餾或吸收所用填料塔基本相同，塔內(nèi)裝有適宜填料，輕液相由塔底進(jìn)入，從塔頂排出；重液相由塔頂進(jìn)入，由塔底排出。萃取操作時(shí)連續(xù)相充滿整個(gè)塔中，分散相由分布器分散成液滴進(jìn)入填料層，并與連續(xù)相接觸傳質(zhì)。②填料萃取塔填料萃取塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可有效地降低軸向返混，適合處理腐蝕性料液；但其傳質(zhì)效率不高，僅適合用于1－3個(gè)理論級(jí)場(chǎng)所萃取操作。輕液輕液重液重液再分布器填料青霉素溶劑萃取專家講座第32頁(yè)篩板萃取塔結(jié)構(gòu)與前面介紹精餾或吸收所用篩板塔基本相同。③篩板萃取塔萃取時(shí)，輕液相由塔底經(jīng)過(guò)篩孔被分散成細(xì)小液滴，并與篩板上連續(xù)相接觸傳質(zhì)；穿過(guò)連續(xù)相輕相液滴逐步凝聚，聚集于塔板下側(cè)，待兩相分層后，借助壓強(qiáng)差推進(jìn)，再經(jīng)篩孔分散。重復(fù)分散、凝聚交替進(jìn)行，直至塔頂澄清、分層、排出。重液呈連續(xù)相由塔頂入口進(jìn)入，橫向流過(guò)篩板，并在篩板上與分散相液滴接觸、傳質(zhì)，再由降液管流至下一層篩板；如此重復(fù)進(jìn)行，最終由塔底排出。篩板塔結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，造價(jià)低，可有效地降低軸向返混，能處理腐蝕性料液，因而利用較為廣泛。輕液輕液重液重液篩板降液管青霉素溶劑萃取專家講座第33頁(yè)轉(zhuǎn)盤萃取塔基本結(jié)構(gòu)如圖所表示。在塔體內(nèi)壁面上按一定間距，安裝有若干個(gè)環(huán)形擋板（固定環(huán)），固定環(huán)將塔內(nèi)分成若干個(gè)小空間。兩個(gè)固定環(huán)之間安裝一轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤固定在中心軸上，轉(zhuǎn)軸由塔頂電機(jī)開(kāi)啟。④轉(zhuǎn)盤萃取塔（RDC塔）萃取操作時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨中心軸高速旋轉(zhuǎn)，液體產(chǎn)生剪力使分散相破裂成許多細(xì)小液滴，并使液相中產(chǎn)生強(qiáng)烈渦旋運(yùn)動(dòng)，增大相際接觸面積和傳質(zhì)系數(shù)。轉(zhuǎn)盤萃取塔結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，傳質(zhì)(萃取)效率高，生產(chǎn)能力大，對(duì)物系適應(yīng)性強(qiáng)，利用較為廣泛。輕液輕液重液重液轉(zhuǎn)盤固定環(huán)青霉素溶劑萃取專家講座第34頁(yè)四、超臨界流體萃取介紹

超臨界流體(Supercritical

Fluid)是指，溫度、壓強(qiáng)高于臨界溫度和臨界壓強(qiáng)流體。

如圖所表示，純物質(zhì)氣－液平衡曲線隨溫度升高，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，體系性質(zhì)變得均一，氣－液相界面消失，體系不在分為氣體和液體。此處，C點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。1.超臨界流體

當(dāng)前，超臨界流體萃取應(yīng)用主要是二氧化碳和水。ptBACl純物質(zhì)p－t相圖液相區(qū)固相區(qū)氣相區(qū)超臨界流體區(qū)pctc青霉素溶劑萃取專家講座第35頁(yè)超臨界流體作為萃取劑，除了其個(gè)性外，還有兩條主要基本特征。2.超臨界流體主要特征⑴兼有氣體和液體兩重性

超臨界流體在質(zhì)量傳遞過(guò)程中兼有氣體和液體兩重性。它現(xiàn)有與液體相當(dāng)密度、溶解能力，又有與氣體相近粘度、擴(kuò)散系數(shù)和滲透能力。比如：常溫常壓下，ρ二氧化碳=1.944×10-3g?cm-3；臨界條件下，ρ二氧化碳=0.466g?cm-3。(Tc=31.1℃，pc=7.387MPa)

此特征意味著超臨界流體含有與液體溶劑相靠近溶劑能力；同時(shí)，在萃取操作中，超臨界流體傳質(zhì)速率將遠(yuǎn)大于液態(tài)下溶劑萃取速率。又如：超臨界水（水臨界點(diǎn)為374℃，22.1MPa）粘度僅為常態(tài)水十分之一。青霉素溶劑萃取專家講座第36頁(yè)

超臨界流體密度對(duì)溫度和壓強(qiáng)改變比較敏感。比如：超臨界CO2流體壓強(qiáng)由11.022.1MPa時(shí)，密度則由398860kg?m-3；溫度由61.540.2℃時(shí)，密度則由3358839kg?m-3。⑵密度對(duì)溫度和壓強(qiáng)改變敏感超臨界流體溶解性能與其密度有著親密關(guān)系。通常物質(zhì)在超臨界流體中溶解度(C)對(duì)數(shù)與其密度對(duì)數(shù)呈直線關(guān)系。即：lnC=klnρ+m

(k為正數(shù))

這么，我們可經(jīng)過(guò)改變超臨界流體溫度或壓強(qiáng)來(lái)調(diào)整其密度，到達(dá)調(diào)整其溶解能力目標(biāo)。CO2超臨界萃取裝置青霉素溶劑萃取專家講座第37頁(yè)3.超臨界流體萃取流程超臨界流體萃取過(guò)程主要由萃取階段和分離階段兩部分組成。在萃取階段，超臨界流體將目標(biāo)組分從原料中萃取出來(lái)；在分離階段，可經(jīng)過(guò)改變某個(gè)參數(shù)（如，溫度或壓強(qiáng)），使萃取組分與超臨界流體分離。依據(jù)分離方法不一樣，常見(jiàn)超臨界萃取可分為恒溫變壓流程、恒壓變溫流程和恒溫吸附流程等三類。⑴恒溫變壓流程恒溫變壓流程是利用不一樣壓強(qiáng)下，超臨界流體萃取能力不一樣，經(jīng)過(guò)改變操作壓強(qiáng)，使萃取組分與超臨界流體分離。萃取組分物料p1p2T2T1膨脹閥壓縮機(jī)萃取器分離槽首先，使萃取劑經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)到達(dá)超臨界狀態(tài)，進(jìn)入萃取器與原料混合進(jìn)行超臨界萃??；萃取了溶質(zhì)超臨界流體經(jīng)膨脹閥減壓后，其密度降低，溶解能力下，從而使溶質(zhì)與溶劑在分離槽中得以分離。T1=T2p1>p