《萃取技术》PPT课件

第六章 生物大分子萃取技术,刘耀玺 河南科技大学林业职业学院生物技术教研室,第一节 概 述,一、基本概念与分类 萃取：是利用溶质在互不相溶（或微溶）的两相之间溶解度（或分配系数）的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法。 萃取相与萃余相：在萃取操作中，加入的能够使目标产物最大限度地溶解在其中的流体，称为萃取剂。萃取剂连同溶质和少量原溶剂称萃取相，而另一相含有少量溶质、溶剂和大量原溶剂的为萃余相。萃余相可以为固体或液体。,反萃取：为进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，而将目标产物从有机相转入水相的萃取操作过程，称为反萃取。 物理萃取与化学萃取：根据萃取剂与原料液中的组分有无化学反应发生可以分为：物理萃取和化学萃取。物理萃取即溶质根据相似相容的原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应。化学萃取是利用萃取剂与溶质发生络合或离子交换等作用实现溶质向有机相的分配。,分类： 根据参与溶质分配的两相即溶剂种类不同 液-固萃取(浸取 ) 有机溶剂萃取 萃取 液-液萃取 双水相萃取 液膜萃取 超临界萃取 反胶团萃取 根据组分数目不同：多组元体系和三元体系 根据有无化学反应不同：物理萃取和化学萃取,二、萃取技术的操作特点及注意事项 （一）特点 从发酵液或其他生物反应溶液中提取和分离产物时，萃取技术与其他分离技术相比有如下特点: 1、萃取过程具有选择性； 2、能与其他需要的纯化步骤（如结晶、蒸馏）相配合；,3、通过转移到不同物理或化学特性的第二相中来减少由于降解（水解）引起的产品损失； 4、可从潜伏的降解过程中（如代谢或微生物过程）分离产物； 5、适用于各种不同的规模； 6、传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易实现计算机控制。 7、溶剂消耗量大，对生产设备与安全要求高。,第二节 溶剂萃取技术,溶剂萃取技术即典型的液液萃取，即有机溶剂萃取。即在液体混合物（原料液）中加入一种与其基本不相混溶的液体作为溶剂，构成第二相，利用原料液中各组分在两个液相中的溶解度不同而使原料液混合物得以分离。,一、液-液萃取过程 实现组分分离的萃取操作过程由混合、分层、萃取相分离、萃余相分离等一系列步骤共同完成，这些设备的合理组合就构成了萃取操作流程。 选用的有机溶剂称为萃取剂，以S表示；原料液中容易溶于S的组分称为溶质，以A表示；难溶于S的组分称为原溶剂（或稀释剂），以B表示。萃取过程如下图：,工业生产中常见的萃取流程有单级萃取、多级错流萃取和多级逆流萃取。 1、单级萃取 是液-液萃取中最简单的操作形式，一般用于间歇操作，也可以进行连续操作。 （缺点）不能对原料液进行较完全的分离，萃取液浓度不高，萃余液中仍含有较多的溶质。 （优点）萃取流程简单，特别适用于萃取剂分离能力大、分离效果好或工艺对分离要求不高的情况。,2、多级错流萃取流程 过程：原料液依次通过各级，新鲜溶剂则分别加入各级的混合槽内，萃取相和最后一级的萃余相分别进入溶剂回收设备。 特点：采用多级错流萃取时，萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大，能耗较大。,3、多级逆流萃取流程 过程：原料液F从第1级加入，依次经过各级萃取，成为各级的萃余相，其溶质A含量逐级下降，最后从N级流出；萃取剂则从第N级加入，依次通过各级与萃余相逆向接触，进行多次萃取，其溶质含量逐级提高，最后从第1级流出。最终的萃取相E送至溶剂分离装置中分离出产物和溶剂，溶剂循环使用；最终的萃余相R送至溶剂回收装置中分离出溶剂供循环使用。 特点：多级逆流萃取可以获得溶质含量很高的萃取液和含溶质浓度很低的萃余液，而且萃取剂用量少，因此在工业生产中得到广泛的应用。特别适用于以原料液中两组分为过程产品，且工艺要求将混合液进行彻底分离的情况。,二、液液萃取过程机理 萃取过程机理主要有以下四种类型： 1、简单分子萃取（物理萃取） 简单分子萃取是简单的物理分配过程，被萃取组分以一种简单分子的形式在两相间物理分配。它在两相中均以中性分子形式存在，溶剂与被萃取组分之间不发生化学反应。,2、中性溶剂络合萃取 在这类萃取过程中，被萃取物是中性分子，萃取剂也是中性分子，萃取剂与被萃取物结合成为中性溶剂络合物而进入有机相。 这类萃取体系主要采用中性磷化合物萃取剂和含氧有机萃取剂。,3、酸性阳离子交换萃取 这类萃取体系的萃取剂为弱酸性有机酸或酸性螯合剂。金属离子在水相中以阳离子或能解离为阳离子的络离子的形式存在，金属离子与萃取剂反应生成中性螯合物。由于酸性阳离子交换萃取过程具有高度的选择性，所以在分离过程中应用极为广泛。 这类萃取剂可分为三类：酸性磷萃取剂、螯合萃取剂和羧酸类萃取剂。,4、离子络合萃取 这类萃取有两种方式： （1） 金属离子在水相中形成络合阴离子，萃取剂与氢离子结合成阳离子，然后两者构成离子缔合体系进入有机相； （2）金属阳离子与中性螯合剂结合成螯合阳离子，然后与水相中存在的阴离子构成离子缔合体系而进入有机相。,三、分配系数和分配因素 液-液萃取是一种利用物质在两个互不相溶的液相中分配特性的不同来进行分离的过程。溶质在两相中的分配受平衡的限制，溶质的分配平衡可用分配定律来描述。 分配定律是指在一定温度和压力下，溶质分子分布在两个互不相溶的溶剂里，达到平衡后，它在两相中的浓度比为一个常数。这个常数称为分配系数。即：K=X/Y=萃取相浓度/萃余相浓度,不同溶质在相同的萃取操作条件下和同一种溶质在不同萃取条件下的分配系数不同。另外，在生物活性物质的制备过程中，料液中的溶质并非是单一的组分，除了所需的产物外，还存在有杂质B。萃取时难免会把杂质一同带到萃取液中，为了定量地表示某种萃取剂分离两种溶质的难易程度，引入分离因素的概念，常用表示。 分离因素的定义为：在同一萃取体系内，两种溶质在同样条件下分配系数的比值。即=KA/KB,根据溶质的分配系数K可以判定萃取剂对溶质的萃取能力，可以用来指导选择合适的萃取溶剂体系。 不同溶质在两相中分配平衡的差异，即分离因素是实现萃取分离的基础，决定了两种溶质能否分离。,四、萃取剂的选择 1、萃取剂的分类 萃取剂通常是有机溶剂，其种类繁多，常用的萃取剂大致可以分为以下四类： (1)、中性络合萃取剂，如醇、酮、醚、脂、醛及烃类。 (2)、酸性萃取剂，如羧酸、磺酸、酸性磷酸酯等。 (3)、螯合萃取剂，如羟肟类化合物。 (4)、离子对（胺类）萃取剂，主要是叔胺和季胺盐。,2、萃取剂选择的原则 （1）萃取剂分子至少有一个萃取功能基，通过它与被萃取物结合形成萃合物。 常见的萃取功能基O、N、P、S等原子。以氧原子为功能基的萃取剂最多。,（2）萃取剂分子中必须有相当长的链烃或是芳烃，其目的是萃取剂及萃合物易溶于有机溶剂，而难溶于水相。 萃取剂的碳链增长，油溶性增大，容易与被萃取物形成难溶于水而易溶于有机溶剂的聚合物。但如果碳链过长，碳原子数过多，相对分子质量太大，则不易用作萃取剂，这是因为他们黏度太大或可能是固体，使用不便，同时萃取容量降低。因此，一般萃取剂的相对分子质量介于350-500之间为宜。,（3）原溶剂与萃取剂的互溶度低，选择性好、萃取容量大。 萃取剂的选择性是指萃取剂对原料液中两个组分溶解能力的差异。 若萃取剂对溶质A的溶解能力比原溶剂B的溶解能力大得多，那么这种萃取剂的选择性就好。萃取剂的选择性高低可用分离因素表示。分离因素越大，相应的萃取剂的选择性越高。萃取剂的选择性越高，完成一定的分离任务所需的萃取剂用量也就越少，相应地用于回收溶剂的操作的能耗也就低。,（4）萃取剂与原料液中的组分的相对挥发度要大，使萃取剂回收容易，经济性好。 （5）萃取剂与被分离混合物有较大的密度差，界面张力适中，黏度适当，以使分层容易。 特别是对没有外加能量的设备，较大的密度差可加速分层，提高设备的生产能力。 萃取物系的界面张力较大时，分散相液滴容易聚结，有利于分层，但界面张力过大时，难以使两相混合，反而使萃取效果降低。界面张力过小，虽然液体容易分散，但容易产生乳化现象，使两相较难分离。 溶剂的黏度低，有利于两相的混合和分层，也有利流动与传质，故当萃取剂的黏度较大时，往往加入其他溶剂以降低其黏度。,（6）其他： 萃取剂应具有化学稳定性和热稳定性，对设备的腐蚀性要小，来源充分，价格低廉、不易燃易爆，操作安全，环境污染小等。,五、萃取设备 1、萃取设备的种类： 液液萃取操作是两液相间的传质过程。实现萃取操作的设备应具有以下两个基本要求： （1）必须使两相充分接触并伴有较高的湍动； （2）两相充分接触后，再使两相达到较完善的分离。,1、混合设备 搅拌罐、管式混合器、喷嘴式混合器 2、分离设备 分离塔和各种离心分离机 3、兼用设备 转筒式离心萃取器 芦威式离心萃取器 薄膜萃取器 4、回收设备（回收溶剂用的蒸馏塔等）,目前，工业上使用的萃取设备类型很多，常见的有： 无外加能量的设备（喷洒塔、填料塔、筛板塔）； 旋转搅拌的混合澄清器（转盘塔、偏心转盘塔） 往复搅拌的往复筛板塔； 脉冲搅拌的脉冲填料塔、液体脉冲筛板塔、振动筛板塔；离心萃取的波德式离心萃取塔等,2、萃取设备的选择 选择的原则是：在满足工艺条件和要求的前提下，从经济角度衡量，使成本趋于最低。主要考虑的因素有： (1)、工艺条件 对中小生产能力，可用填料塔、脉冲塔；处理量较大时，可选用转盘塔、筛板塔、振动筛板塔；混合澄清器既适用于大处理量，也适用于小型生产。 当分离要求的理论级数不超过3级时，各种萃取设备均可选用；当需要的理论级数较多时，可选用筛板塔；更多时（10-20级），可选用有外加能量的设备，如混合澄清器，脉冲塔、往复筛板塔、转盘塔等。,（2）物系的性质 对密度差较大、界面张力较小的物系。可以选用无外加能量的设备；对界面张力较大或黏度较大的物系，可选用有外加能量的设备；对密度差小，界面张力小，易于乳化的物系，可选用离心萃取设备。 对有较强腐蚀性的物系，可以选用结构简单的填料塔、脉冲填料塔；对于放射性物质的提取，可选用混合澄清器、脉冲塔。,对含有固体悬浮物或容易生成沉淀的物系，容易堵塞，需要定期清洗，可选用混合澄清器、转盘塔，也可考虑选用往复筛板塔、脉冲塔，因为这些设备有一定的自洗能力；对稳定性差，要求在设备内停留时间短的物系，可选用离心萃取器；对要求停留时间较长的物系，可选用混合澄清器。,（3）其他因素 如能源供应情况：能源供应紧张地区应考虑节电，选用依靠重力流动的设备；当厂房面积受限制时，可选用塔式设备，当厂房高度受限制时，可选用混合澄清器等。,作业： 1、名词解释：萃取 分配系数 分离因素 2、萃取技术的操作特点及注意事项有哪些？ 3、溶剂萃取过程的机理是什么? 4、画出多级错流萃取和多级逆流萃取的流程，并简述其萃取过程。 5、萃取时萃取剂选择的原则有哪些?,