生物工程設備第九章 萃取和離子交換分離設備

萃取和離子交換別離設備9.1萃取別離原理及設備9.2浸取9.3超臨界萃取9.4離子交換別離原理及設備9.1萃取別離原理及設備9.1.1溶劑萃取流程實現組分別離的萃取操作過程由混合、分層、萃取相別離、萃余相別離等一系列步驟組成。這些步驟相關設備的合理組合就構成了萃取操作流程。工業(yè)生產中常見的萃取流程有單級萃取和多級逆流萃取兩種。9.1萃取別離原理及設備1．單級萃取流程單級萃取流程是液-液萃取中最簡單的操作形式，一般用于間歇操作。如圖9-1所示。原料液F與萃取劑S一起參加混合器1內，并用攪拌器加以攪拌，使兩種液體充分混合，然后將混合液M引入別離器2．經靜置后分層，萃取相E進入別離器3，經別離后獲得萃取劑S和萃取液E；萃余相進入別離器4，經別離后獲得萃取劑S和萃余液R，別離器3和別離器4的萃取劑S循環(huán)使用。單級萃取操作不能對原料液進行較完全的別離，萃取液E濃度不高，萃余液R中仍含有較多的溶質A；但是，流程簡單，操作可以間歇也可以連續(xù)。9.1萃取別離原理及設備圖9-1單級萃取流程1－混合器；2－分層器；3－萃取相別離器；4－萃余相9.1萃取別離原理及設備2．多級逆流萃取流程圖9-2所示為多級逆流萃取流程。原料液F從第一級參加，依次經過各級萃取，成為各級的萃余相，其溶質A含量逐級下降，最后從第N級流出；萃取劑那么從第N級參加，依次通過各級與萃余相逆相接觸，進行屢次萃取，其溶質含量逐級提高，最后從第1級流出。最終的萃取相E1送至溶劑回收裝置Ⅰ中別離出E和S，S循環(huán)使用；最終的萃余相RN送至溶劑回收裝置Ⅱ中別離出R和S，S循環(huán)使用。9.1萃取別離原理及設備圖9-2多級逆流萃取流程9.1萃取別離原理及設備9.1萃取別離原理及設備9.1萃取別離原理及設備9.1萃取別離原理及設備9.1萃取別離原理及設備9.1萃取別離原理及設備圖9-4三種常見的噴射式混合器〔a〕交錯噴嘴混合；〔b〕同向射流混合；〔c〕混合孔板9.1萃取別離原理及設備2．離心萃取機離心萃取機是利用離心力的作用使兩相快速混合、快速別離的萃取設備?？砂磧上嘟佑|的方式分為逐級接觸式和微分接觸式兩類?！?〕轉筒式離心萃取器轉筒式離心萃取器是一種單級接觸式設備，如圖9-5所示。重液和輕液由設備底部的三通管同時進入混合室，在攪拌槳的作用下，兩相被充分混合傳質，然后一起進入高速的轉鼓。轉鼓中混合液在離心力的作用下，重液被甩向轉鼓外緣，輕液被擠向轉鼓的中心部位。9.1萃取別離原理及設備圖9-5轉筒式離心萃取器

9.1萃取別離原理及設備〔2〕盧威式離心萃取器盧威式離心萃取器的優(yōu)點是：可以靠離心力的作用處理密度差小或易產生乳化現象的物系；設備結構緊湊，占地面積小，效率較高。缺點是：動能消耗大，設備費用也較高。盧威式離心萃取器簡稱LUWE離心萃取器，是一種立式逐級接觸式離心萃取設備。如圖9-6所示為三級離心萃取器，其主體是固定在外殼上的環(huán)形盤，此盤隨殼體作高速旋轉。在殼體中央有固定不動的垂直空心軸，軸上裝有圓形圓盤且開有假設干個噴出口。9.1萃取別離原理及設備萃取操作時，原料液和萃取劑均由空心軸的頂部參加，重液沿空心軸的通道下流至萃取器的底部而進入第3級的外殼內，輕液由空心軸的通道流入第1級，在空心軸內，輕液與來自下一級的重液混合，進行相際傳質，然后混合物經空心軸上的噴嘴沿轉盤與上方固定盤之間的通道被甩到外殼的四周?？侩x心力的作用使輕、重相分開，重液由外部沿著轉盤與下方固定盤之間的通道而進入軸的中心，并由頂部排出，其流向為由第3級經第2級再到第1級，然后進入空心軸的排出通道。9.1萃取別離原理及設備圖9-6盧威式離心萃取器9.1萃取別離原理及設備〔3〕波德式離心萃取器波德式離心萃取器又稱離心薄膜萃取器，簡稱POD離心萃取器，是一種微分接觸式萃取設備，如圖9-7所式。主要由一水平空心軸和一隨軸高速旋轉的圓柱形轉鼓以及固定外殼組成。轉鼓由一多孔的長帶卷繞而成，其轉速一般為2000～5000r/min，產生的離心力為重力的幾百至幾千倍。操作時，在帶有機械密封裝置的套管式空心轉軸的兩端分別引入重液和輕液，重液引入轉鼓的中心，輕液由外向內，重液由內向外，兩相沿徑向逆流通過螺旋帶上的各層篩孔，分散并進行相際傳質。9.1萃取別離原理及設備圖9-7波德式離心萃取器返回

9.2浸取

浸取或固-液萃取是讓固體與某一種液體〔即溶劑〕相接觸，通過兩相的密切接觸，固體中的一種或幾種有用物質透過界面擴散到液相中，從而使固體中某些組分到達別離的目的。浸取的原料，多數情況下是溶質與不溶性固體所組成的混合物。溶質是浸取所需要的可溶組分，一般在溶劑中不溶解的固體，稱為載體或惰性物質。浸取操作廣泛應用于食品工業(yè)、制藥工業(yè)和冶金工業(yè)中。所使用的溶劑也是多種多樣的，如表9-1所示。

9.2浸取

表9-1浸取常用溶劑產物固體溶質溶劑咖啡大豆蛋白香料蔗糖維生素B玉米蛋白質膠質果汁魚油鴉片提取物胰島素肝提取物灰皮低水分水果脫鹽海藻去咖啡因的咖啡中草藥汁藥酒粗烤咖啡豆粉丁香、胡椒、麝香草甘蔗、甜菜碎米玉米膠原水果塊碎魚塊罌粟牛、豬姨臟哺乳動物的肝獸皮高水分水果海藻綠咖啡豆中草藥材中草藥材咖啡溶質蛋白質香料成分蔗糖維生素B玉米蛋白質膠質果汁魚油鴉片提取物胰島素肽、縮氨酸去膠質的蛋白質碳水化合物水海鹽咖啡因藥用成分藥用成分水NaOH溶液，pH980%乙醇水乙醇-水90%乙醇稀酸水乙烷，丁醇CH2Cl2CH2Cl2酸性醇水Ca（OH）2水溶液50%的糖液稀鹽酸氯代甲烷水酒

9.2浸取

在浸取過程中，物質由固相轉移到液相是一個傳質過程。整個過程中，固體物料是否需要進行預處理，固體物料中的溶質能否很快地接觸溶劑，是影響浸取速率的一個最大因素。預處理的方法包括粉碎、研磨、切片等。通常工業(yè)上是將這類物質加工成一定的形狀，如在甜菜提取中加工成的甜菜絲，或在植物籽的提取中將其壓制加工成薄片。對于動植物細胞，溶質存在于細胞中，如果細胞壁沒有破裂，細胞壁產生的阻力會使浸取速率降低，所以，要進行細胞破碎。

9.2浸取

9.2.1多級間歇逆流浸取器這種工藝是從單級接觸簡歇式改進而來的。它主要是建立在使用相同量的溶劑浸取，溶劑分成幾次浸取所得的結果比一次浸取的效果好的根底上。該工藝應用了許多間歇浸取器所組成的浸提器組，被浸取物先參加第一級，經浸取后再送到第二級，依次類推。如圖9-8所示。這種浸提器組最初應用于制糖工業(yè)中，其后在但寧和藥物的提取中也使用。在制糖工業(yè)中，從甜菜中提取糖，應用封閉型的槽，用71～77℃的熱水來提取糖。

9.2浸取

圖9-8浸提器組的原理

〔a〕第三槽進料時〔b〕第三槽排料時

9.2浸取

9.2.2移動床式連續(xù)浸取器移動床式連續(xù)浸取器，如圖9-9所示。它是一種斗式浸取器，由多個懸掛于環(huán)行鏈上的吊斗組成。當鏈輪轉動時，吊斗以順時針方向循環(huán)回轉。溶劑從此處的吊斗中通過餅渣淋入下面的吊斗。因此，它與移動的固定床以逆流接觸，溶劑與豆油組成的溶液，層層下流后最后到達浸取器的底部左面的溶液池A中，由泵將半濃液送到半濃液儲槽。在浸取器右側的吊斗向下移動時，在頂部加料斗內參加一定量的固體物料。

9.2浸取

圖9-9移動床浸取器1-純溶劑2-出料斗3-螺旋運輸機4-密閉外殼5-溶液池A6--溶液池B7-粗油溶液到過濾機8-泵9-環(huán)行鏈10-鏈輪11-多孔旋鏈12-啟動裝置13-半濃液14-來自半濃液貯槽15-加料斗返回

9.3超臨界萃取

9.3超臨界萃取

9.3.1超臨界流體的性質超臨界流體最重要的物理性質是密度、粘度和擴散系數，見表9-2。超臨界流體的性質介于氣液兩相之間，主要表現在：有近似于氣體的流動行為，黏度小、傳質系數大，但其密度大，溶解度也比氣相大得多，又表現出一定的液體行為。此外，介電常數、極化率和分子行為與氣液兩相均有著明顯的差異。

9.3超臨界萃取

表9-2超臨界流體、氣體、液體的性質比較密度/(g/cm101010～1010擴散系數/cm·s101010性質液體超臨界流體氣體)10.1～0.5黏度/Pa·s

9.3超臨界萃取

作為超臨界萃取的溶劑可以分為非極性和極性溶劑兩種。表9-3列出了一些常用超臨界萃取劑的臨界溫度和臨界壓力。表中最后五個萃取劑為極性萃取劑，由于極性和氫鍵的緣故，具有較高的臨界溫度和臨界壓力。

9.3超臨界萃取

表9-3一些超臨界萃取劑的臨界性質萃取劑臨界溫度/K臨界壓力/Pa臨界密度/（g/cm-3）二氧化碳304.173.80.469氙289.758.41.109乙烷305.448.80.203乙烯282.450.40.215丙烷369.842.50.217丙烯364.946.00.232環(huán)己烷553.540.70.273苯562.248.90.302甲苯591.841.00.292對二甲苯616.235.10.280三氟氯烷302.038.40.579氟三氯烷471.244.10.554甲醇512.680.90.272乙醇513.961.40.276已丙醇508.347.60.273氨405.5113.50.235水647.3221.20.315

9.3超臨界萃取

在常用的超臨界流體萃取劑中，非極性的二氧化碳應用最為廣泛。這主要是由于二氧化碳的臨界點較低，特別是臨界溫度接近常溫，并且無毒無味、穩(wěn)定性好、價格低廉、無殘留。圖9-10為CO2的p-V(p)–T相圖，圖中飽和蒸汽曲線和飽和液體曲線包圍的區(qū)域為氣液共存區(qū)。從圖中可以看出，在臨界點附近的超臨界狀態(tài)下等溫線的斜度平緩，即溫度或壓力的微小變化就會引起密度發(fā)生很大的變化。

9.3超臨界萃取

圖9-10CO2的p-V-T相圖

9.3超臨界萃取

9.3超臨界萃取

9.3超臨界萃取

9.3.3超臨界萃取的典型過程及應用實例1超臨界萃取的典型過程超臨界萃取的典型過程是由萃取階段和別離階段組合而成。在萃取階段，超臨界流體將所需組分從原料中提取出來。在別離階段，通過變化某個參數或其他方法，使萃取組分從超臨界流體中別離出來，并使萃取劑循環(huán)使用。根據別離方法的不同，可以把超臨界萃取的典型過程分為三類：等溫法、等壓法和吸附吸收法。如圖9-11所示。

9.3超臨界萃取

〔1〕等溫法等溫法是超臨界萃取中應用最為方便的一種流程。它是通過變化壓力而使萃取組分從超臨界流體中別離出來。如圖9-11〔a〕所示，萃取了溶質的超臨界流體經過膨脹閥后壓力下降，其溶質的溶解度下降。溶質析出由別離槽底部取出，充當萃取劑的氣體那么經壓縮機送回萃取槽循環(huán)使用。

9.3超臨界萃取

〔2〕等壓法等壓法是利用溫度的變化來實現溶質與萃取劑的別離。如圖9-11〔b〕所示，萃取了溶質的超臨界流體經加熱升溫使萃取劑與溶質別離，由別離槽下方取出溶質。作為萃取劑的氣體經降溫升壓后送回萃取槽使用?！?〕吸附法吸附法那么是采用可吸附溶質而不吸附萃取劑的吸附劑使兩者別離。如圖9-11〔c〕所示。萃取劑氣體經壓縮后循環(huán)使用。這種方法通?？捎糜诶贸R界流體萃取產物中的雜質以純化產品的工藝過程中。

9.3超臨界萃取

圖9-11超臨界萃取的三種典型過程

T1=T2P1＞P21－萃取槽；2－膨脹閥；3－別離槽；4－壓縮機(a)等溫法T1＜T2P1=P21－萃取槽；2－加熱器；3－別離槽；4－泵；5－冷卻器；(b)等壓法T1=T2P1=P21－萃取槽；2－吸收劑〔吸附劑〕；3－別離槽；4－泵(c)吸附法

9.3超臨界萃取

2．超臨界萃取的應用實例〔1〕天然產物中有效成分的別離提取將超臨界流體萃取應用于天然產物中有效成分的提取，咖啡豆中提取咖啡因是十分典型的應用范例。咖啡因存在于咖啡、茶等天然產物中。醫(yī)藥中用作利尿劑和強心劑。將浸泡過的生咖啡豆置于壓力容器中，其間不斷有CO2循環(huán)通過，操作溫度為70～90℃，壓力為16～20MPa，密度為0.4～0.65g/cm?？Х榷怪械目Х纫蛑饾u被CO2提取出來。帶有咖啡因的CO2用水洗滌，咖啡因轉入水相，CO2循環(huán)使用。〔見圖9-12〕。

9.3超臨界萃取

圖9-12用CO2從咖啡豆中脫除咖啡因的工藝流程

9.3超臨界萃取

CO2是一種很理想的萃取劑，它不僅不會在生理上引起問題，而且對咖啡因有極好的選擇性。經CO2處理后的咖啡豆除了提取咖啡因外，其他芳香物質并不損失，CO2也不會殘留于咖啡豆中。對于其他一些天然產物的超臨界萃取工藝也進行了大量的應用研究工作，如從酒花及胡椒等物料中提取香味成分和香精等。利用超臨界CO2流體在溫度為40～80℃，壓力為80～610Bar條件下，從大豆中提取香油，其質量與用己烷浸取的產物質量相同。按中試結果計算，超臨界萃取的本錢僅為己烷法的2/3。

9.3超臨界萃取

〔2〕超臨界CO2處理食品原料制作酒的原料米或面中的脂質含量對酒的質量的影響很大。將各種精米和面用超臨界CO2進行脫脂，能除去30%左右的粗脂質。處理后的米和面釀造出來的酒色度降低，與提高白酒質量有關的醋酸異戊酯和異戊醇的含量提高，而與質量成反比關系的紫外吸收波降低。利用儀器分析和品嘗實驗都證明，經這類處理，白酒的質量有顯著提高。

9.3超臨界萃取

〔3〕超臨界萃取在生化工程中的應用由于超臨界萃取毒性低、溫度低、溶氧好的特點，十分適合生化產品的別離和提取。用超臨界CO2萃取氨基酸、從單細胞蛋白游離物中提取脂類等研究顯示了這方面的優(yōu)勢。在制取各種抗生素等藥品時，常常使用丙酮、甲醇等有機溶劑。最終那么利用真空枯燥法脫除這些溶劑。此外，超臨界萃取在反響工程、高聚物別離等其他領域也開始顯示出自己的特點和優(yōu)勢。返回9.4離子交換別離原理及設備9.4離子交換別離原理及設備9.4離子交換別離原理及設備9.4.1離子交換樹脂及其別離原理離子交換樹脂是一種帶有可交換離子的不溶性固體。它具有一定的空間網絡結構，在與水溶液接觸時，就與溶液中的離子進行交換，即其中可交換離子由溶液中的同性離子取代。不溶性固體骨架在這一交換中不發(fā)生任何化學變化。因離子交換反響一般是可逆的，在一定條件被交換的離子可以解吸，使離子交換樹脂恢復到原來的離子式，所以，離子交換樹脂通過交換和再生可以反復使用。9.4離子交換別離原理及設備1．交換機理一般認為離子交換過程是按化學摩爾質量關系進行的，且交換過程是可逆的，最后到達平衡，平衡狀態(tài)和過程的方向相反。因此，離子交換過程可以看作可逆多相反響。但和一般多相化學反響不同，當發(fā)生交換時，樹脂體積常發(fā)生改變，因而引起溶劑分子的轉移，設有一粒樹脂放在溶液中，發(fā)生以下交換反響 A+RB=RA+B不管溶液的運動情況如何，在樹脂外表上始終存在著一層薄膜，交換離子借助分子擴散通過薄膜，如圖9-13所示。9.4離子交換別離原理及設備圖9-13離子交換過程9.4離子交換別離原理及設備顯然，溶液流動越劇烈，薄膜的厚度越小，那么液體主體的濃度越均勻一致。一般說來，樹脂的交換容量和顆粒大小無關，因此，在樹脂外表和內部都具有交換作用，和所有多相化學反響一樣，離子交換過程包括五個步驟：①A+自溶液中擴散到樹脂外表；②A從樹脂外表再擴散到樹脂內部的活動中心；③A在活動中心發(fā)生交換反響；④解吸離子B自樹脂內部的活動中心擴散到樹脂外表；⑤B從樹脂外表擴散到溶液中。9.4離子交換別離原理及設備離子交換交換速度受最慢一步所控制。根據電荷中性原那么，步驟①和⑤同時發(fā)生且速度相等。即有1molA經薄膜擴散到達顆粒外表，同時必有1molB以相反方向從顆粒外表擴散到溶液中，同樣②和④同時發(fā)生，方向相反，速度相等。因此離子交換過程實際上只有三步：外部擴散、內部擴散和離子交換反響。離子間的交換反響速度一般很快，甚至難以測定，大多數情況下交換反響不是控制步驟，而是趨向于內擴散控制。相反，液體流速慢，濃度大，顆粒小，吸附強，越是趨向于外擴散控制。9.4離子交換別離原理及設備

2．離子交換的選擇性離子交換樹脂的選擇性是離子交換樹脂對不同反離子親和力強弱的差異。一般來說，離子和樹脂間親和力越大，就越容易吸附。對無機離子而言，離子水合半徑越小，這種親和力越大，也就越容易吸附，這是因為離子在水溶液中都要和水分子發(fā)生水合作用形成水化離子。在常溫下的稀溶液中，離子交換的選擇性與化合價呈現明顯的規(guī)律性：離子的化合價越高，就越容易被吸附。9.4離子交換別離原理及設備對凝膠性樹脂來說，交聯度大，結構緊密，膨脹度小，促進吸附量增加；相反，交聯度小，結構松弛，膨脹度大，吸附量減少。另外，離子交換反響是在樹脂內外部的活性基上進行的，因此要求樹脂有一定的孔道，以便離子的進出。離子交換樹脂在水和非水體系中的行為是不同的，有機溶劑的存在會使樹脂脫水收縮、結構緊密，降低吸附有機離子的能力，而相對提高吸附無機離子的能力。9.4離子交換別離原理及設備9.4.2離子交換設備1．離子交換設備的特點和分類工業(yè)上的離子交換過程一般包括：原料液中的離子與固體離子交換劑中可交換離子間的離子置換反響，飽和的離子交換劑用再生液再生并循環(huán)使用等步驟。為了使離子交換過程得以高效進行，離子交換設備應具有如下特點：①由于離子交換是液-固非均相傳質過程，為了進行有效的傳質，溶液與離子交換劑之間應接觸良好。②離子交換設備應具有適宜的結構，來保證離子交換劑在設備內有足夠的停留時間以到達飽和并能與溶液之間進行有效的別離。9.4離子交換別離原理及設備9.4離子交換別離原理及設備2．離子交換設備〔1〕間歇操作的攪拌槽攪拌槽是帶有多孔支持板的筒形容器，離子交換樹脂置于支撐板上，間歇操作。操作過程如下：①交換，將液體放入槽中，通氣攪拌，使溶液與樹脂均勻混合，進行交換反響，待過程接近平衡時，停止攪拌，將溶液排出。②再生，將再生液放入，通氣攪拌，進行再