-溶剂萃取和浸取课件

第四章第四章 溶剂萃取和浸取溶剂萃取和浸取基本要求：基本要求：掌握溶剂萃取和浸取的概念。掌握溶剂萃取和浸取的概念。重点：重点：溶剂萃取过程的理论基础；工业萃取方溶剂萃取过程的理论基础；工业萃取方式和理论收得率；萃取设备；浸取过程的式和理论收得率；萃取设备；浸取过程的应用；浸取速率。应用；浸取速率。萃取萃取（Extraction）指任意两相之间的指任意两相之间的传质过程。传质过程。在液在液-液萃取过程中常用有机溶剂作为萃液萃取过程中常用有机溶剂作为萃取试剂，故常称液取试剂，故常称液-液萃取为溶剂萃取。液萃取为溶剂萃取。原理：原理：利用一种溶质组分（如产物）在利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水相和有机溶剂两个互不混溶的液相（如水相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行的分离操作。进行的分离操作。萃取萃取是生物分离过程中常用的单元操作。是生物分离过程中常用的单元操作。应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物工业化提取上。发酵产物工业化提取上。优点：比化学沉淀法分离程度高；比离优点：比化学沉淀法分离程度高；比离子交换法选择性好、传质快；比蒸馏法能子交换法选择性好、传质快；比蒸馏法能耗低；产能大，周期短，易于连续操作和耗低；产能大，周期短，易于连续操作和自动化控制。自动化控制。由萃取法发展的新技术：超临界流体萃由萃取法发展的新技术：超临界流体萃取、双水相萃取、反胶团萃取等。取、双水相萃取、反胶团萃取等。浸取：浸取：用某种溶剂把目的物质从固体用某种溶剂把目的物质从固体原料中提取到溶液中的过程称为浸取，也原料中提取到溶液中的过程称为浸取，也称为浸出。称为浸出。茶水茶水 药酒药酒 有机溶剂提取食用油有机溶剂提取食用油 水或有机溶剂提取色素、香料水或有机溶剂提取色素、香料 第一节第一节 溶剂萃取溶剂萃取 一、溶剂萃取过程的理论基础一、溶剂萃取过程的理论基础 溶剂萃取中，溶质必须在两相中有不同溶剂萃取中，溶质必须在两相中有不同的的溶解度溶解度，而且，这种溶解能力的差别越，而且，这种溶解能力的差别越大，萃取越有应用价值。大，萃取越有应用价值。溶液中物质的溶解作用是应用溶剂萃取溶液中物质的溶解作用是应用溶剂萃取技术中溶剂选择的前提。技术中溶剂选择的前提。相似相溶原理相似相溶原理 溶剂的互溶性规律溶剂的互溶性规律 溶剂的极性溶剂的极性Light phase杂质溶质原溶剂Heavy phase萃取剂1 1、物质的溶解和相似相溶原理、物质的溶解和相似相溶原理 假定假定溶解溶解过程从纯物质和纯溶剂开始，过程从纯物质和纯溶剂开始，到形成均匀的分子混合物结束。到形成均匀的分子混合物结束。从热力学角度考虑，一个过程要能自从热力学角度考虑，一个过程要能自动进行，则体系的自由能应下降，自由能动进行，则体系的自由能应下降，自由能G G的变化包括焓的变化包括焓H H变化和熵变化和熵S S变化两部分：变化两部分：为简便，忽略为简便，忽略熵、压力、体积变化，只考熵、压力、体积变化，只考虑体系能量变化。虑体系能量变化。从能量变化的角度可将溶解过程分为三个从能量变化的角度可将溶解过程分为三个过程：过程：（1 1）溶质）溶质B B各质点的分离各质点的分离 固态或液态的溶质固态或液态的溶质B B，先分离成分子或离，先分离成分子或离子等单个质点。此过程需要子等单个质点。此过程需要吸收能量吸收能量。能量的大小与分子之间的作用力有关，顺能量的大小与分子之间的作用力有关，顺序为：序为：非极性物质非极性物质 极性物质极性物质 氢键物质氢键物质 离子型物质离子型物质 （2）溶剂）溶剂A在溶质在溶质B的作用下溶剂分子相的作用下溶剂分子相互作用形成可容纳互作用形成可容纳B质点的空位。此过程也质点的空位。此过程也需要需要吸收能量吸收能量。能量的大小与溶剂分子能量的大小与溶剂分子A之间的相互作之间的相互作用力有关，顺序与上述相同为：用力有关，顺序与上述相同为：非极性物质非极性物质 极性物质极性物质 氢键物质氢键物质 该能量还与溶质分子该能量还与溶质分子B的大小有关，如的大小有关，如溶质分子溶质分子B较大，则容纳较大，则容纳B质点的空穴就要质点的空穴就要大些，要破坏较多的溶剂分子大些，要破坏较多的溶剂分子A之间的键或之间的键或作用力，相应的能量需要就较大。作用力，相应的能量需要就较大。（3）溶质质点）溶质质点B进入溶剂进入溶剂A形成的空位，形成的空位，溶质分子溶质分子B与溶剂分子与溶剂分子A也存在相互作用力。也存在相互作用力。此过程此过程放出能量，放能的大小如下规律：放出能量，放能的大小如下规律：A、B均为非极性分子均为非极性分子 一非极性分子、一非极性分子、另一极性分子另一极性分子均为极性分子均为极性分子B被被A溶剂化溶剂化 溶剂化溶剂化是指一定数目的溶剂分子较牢固是指一定数目的溶剂分子较牢固地结合在溶质质点上，也称溶剂合化。地结合在溶质质点上，也称溶剂合化。若溶剂是水，则称为水（合）化。若溶剂是水，则称为水（合）化。有溶剂化能力的溶剂称为溶剂化溶剂。有溶剂化能力的溶剂称为溶剂化溶剂。目前不能定量解释溶解的规律，常用目前不能定量解释溶解的规律，常用 “相似相溶相似相溶”原理。原理。分子之间可以有两方面的相似：分子之间可以有两方面的相似：一是一是分子结构相似分子结构相似：如分子的组成、官：如分子的组成、官能团、形态结构的相似；能团、形态结构的相似；二是二是能量（相互作用力）相似能量（相互作用力）相似：如相互：如相互作用力有极性的和非极性的之分，两种物作用力有极性的和非极性的之分，两种物质如相互作用力相近，则能互相溶解。质如相互作用力相近，则能互相溶解。从能量的角度来分析几种溶解过程，说从能量的角度来分析几种溶解过程，说明相似相溶原理：明相似相溶原理：（1 1）两种惰性溶剂（不能形成氢键的溶剂，）两种惰性溶剂（不能形成氢键的溶剂，如烷烃、苯、四氯化碳等）互溶：如烷烃、苯、四氯化碳等）互溶：第一步和第二步吸收的能量都很小，易第一步和第二步吸收的能量都很小，易于由第三步放出的能量所补偿，因而溶解情于由第三步放出的能量所补偿，因而溶解情况较好。况较好。（2 2）水向油中溶解：因水分子间有很强的）水向油中溶解：因水分子间有很强的氢键作用，第一步需要吸收很大能量，第二氢键作用，第一步需要吸收很大能量，第二步吸能不大，而第三步放出的能量不足以补步吸能不大，而第三步放出的能量不足以补偿所需能量，难以溶解。偿所需能量，难以溶解。（3）油向水中溶解）油向水中溶解 第一步能量吸收小，但第二步吸能大，第一步能量吸收小，但第二步吸能大，第三步放出的能量不足以补偿所需能量，第三步放出的能量不足以补偿所需能量，故不易溶解。故不易溶解。（4）水和乙醇的溶解）水和乙醇的溶解 两者都有氢键，第一、第二步吸能虽大，两者都有氢键，第一、第二步吸能虽大，但第三步因溶质和溶剂均为极性物质，它但第三步因溶质和溶剂均为极性物质，它们之间的氢键作用又很强，放出的能量也们之间的氢键作用又很强，放出的能量也很大，故溶解可以进行。很大，故溶解可以进行。从分子结构的相似性上，说明相似相溶原理：从分子结构的相似性上，说明相似相溶原理：（1）苯在水中几乎不溶，但苯分子上引）苯在水中几乎不溶，但苯分子上引入羟基后，溶解度明显增加。入羟基后，溶解度明显增加。（2）醇的同系物中从甲醇起，碳链越长，）醇的同系物中从甲醇起，碳链越长，醇分子中与水不相似的部分越多，则在水醇分子中与水不相似的部分越多，则在水中的溶解度越低。中的溶解度越低。（3）醇中的）醇中的-OH被被-SH取代后，溶解度大取代后，溶解度大幅度降低。幅度降低。溶解度增加或下降的原因是溶解度增加或下降的原因是物质分子结物质分子结构与水的相似性构与水的相似性增加或下降了。增加或下降了。2、溶剂的互溶性规律、溶剂的互溶性规律 物质分子之间的作用力有较强的氢键和物质分子之间的作用力有较强的氢键和较弱的范德华力。较弱的范德华力。氢键：氢键：是由一个氢原子和两个电负性原是由一个氢原子和两个电负性原子结合构成，如子结合构成，如A-HB，“”表示氢键，表示氢键，它是一种带方向性的强作用力。它是一种带方向性的强作用力。要形成氢键，必须有能够接受电子的部要形成氢键，必须有能够接受电子的部分分A-H，即即电子受体电子受体；还须有给出电子的部；还须有给出电子的部分分B，即即电子供体电子供体。按照生成氢键的能力，将溶剂分成四种按照生成氢键的能力，将溶剂分成四种类型。类型。（1）N型溶剂：不能形成氢键，称惰性溶型溶剂：不能形成氢键，称惰性溶剂。如烷烃、四氯化碳、苯等。剂。如烷烃、四氯化碳、苯等。（2）A型溶剂：只有电子受体的溶剂，能型溶剂：只有电子受体的溶剂，能与电子供体形成氢键。如氯仿、二氯甲烷与电子供体形成氢键。如氯仿、二氯甲烷等。等。（3）B型溶剂：只有电子供体的溶剂。型溶剂：只有电子供体的溶剂。如酮、醛、醚、酯等。如酮、醛、醚、酯等。（4）AB型溶剂：同时具备电子受体型溶剂：同时具备电子受体A-H和供体和供体B的溶剂，可缔合成多聚分子，因氢键的结合形式的溶剂，可缔合成多聚分子，因氢键的结合形式不同又可分成三类：不同又可分成三类：AB（1）型：交链氢键缔合溶剂，如水、多元型：交链氢键缔合溶剂，如水、多元醇、羟基羧酸、多元羧酸、多酚等。醇、羟基羧酸、多元羧酸、多酚等。AB（2）型：直链氢键缔合溶剂，如醇、胺、型：直链氢键缔合溶剂，如醇、胺、羧酸等。羧酸等。AB（3）型：生成内氢键分子。这类溶剂中的型：生成内氢键分子。这类溶剂中的电子受体电子受体A-H因已形成内氢键而不再起作用。故因已形成内氢键而不再起作用。故AB（3）型溶剂的氢键性质与型溶剂的氢键性质与N型或型或B型相似。型相似。由形成氢键的情况可以推断各类溶剂相由形成氢键的情况可以推断各类溶剂相互溶解的规律：互溶解的规律：形成氢键过程是释放能量的过程，如果形成氢键过程是释放能量的过程，如果两种溶剂混合后形成的氢键比混合前增强两种溶剂混合后形成的氢键比混合前增强或强度更大，则有利于互溶，否则不利于或强度更大，则有利于互溶，否则不利于互溶。互溶。如如AB型和型和N型几乎不相溶，因溶解要破型几乎不相溶，因溶解要破坏坏AB型之间的氢键；型之间的氢键；A、B型易互溶，因型易互溶，因混合后生成氢键。混合后生成氢键。图表示各类溶剂的互溶规律，图表示各类溶剂的互溶规律，B型溶剂与各型溶剂与各类溶剂绝大多数都能互溶。类溶剂绝大多数都能互溶。表中所处位置越接近，越表中所处位置越接近，越易互溶，越远越难互易互溶，越远越难互溶。溶。3、溶剂的极性、溶剂的极性 萃萃取取溶溶剂剂的的选选择择依依据据是是“相相似似相相溶溶”原原则则：一一是是分分子子结结构构相相似似；另另一一是是分分子子间间作用能相似，即分子间相互作用力相似。作用能相似，即分子间相互作用力相似。分子间相互作用力相似，用分子极性。分子间相互作用力相似，用分子极性。引入了介电常数引入了介电常数 介电常数：介电常数：是一个化合物摩尔极化程是一个化合物摩尔极化程度的量度，如果已知介电常数，就能预测度的量度，如果已知介电常数，就能预测该化合物是极性的还是非极性的。该化合物是极性的还是非极性的。介电常数的测定方法：介电常数的测定方法：物质的物质的介电常数介电常数可通过测定该物质在可通过测定该物质在电容器二极板间的静电容量电容器二极板间的静电容量C来确定，如果来确定，如果C0为无介质时的同一电容器的电容，则：为无介质时的同一电容器的电容，则：比较在同一电容器试样中的电容比较在同一电容器试样中的电容和已知的标准液的电容，即可获得介和已知的标准液的电容，即可获得介电常数。电常数。如以如以1和和2分别代表分别代表试样和标准液试样和标准液的介电常数，的介电常数，C1和和C2表示充满这两种表示充满这两种液体时的液体时的电容器的电容，则：电容器的电容，则：1/2=C1/C2 根据萃取目标物质（产物）的介电常数，根据萃取目标物质（产物）的介电常数，寻找极性相接近的溶剂作为萃取溶剂，是寻找极性相接近的溶剂作为萃取溶剂，是溶剂选择的重要方法之一。溶剂选择的重要方法之一。生物工业常用的溶剂有：生物工业常用的溶剂有：酯类、醇类、酮类等。酯类、醇类、酮类等。良好溶剂要满足的要求：良好溶剂要满足的要求：（1 1）有很大的萃取容量，即单位体积的萃取溶剂能）有很大的萃取容量，即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产物；萃取大量的产物；（2 2）有良好的选择性，理想情况是只萃取产物而不）有良好的选择性，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质；萃取杂质；（3 3）与被萃取的液相（通常是水相）互溶度要小，）与被萃取的液相（通常是水相）互溶度要小，且粘度低、界面张力小或适中，有利于相的分散和且粘度低、界面张力小或适中，有利于相的分散和两相分离；两相分离；（4 4）溶剂的回收和再生容易；）溶剂的回收和再生容易；（5 5）化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；）化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；（6 6）经济性好，价廉易得；）经济性好，价廉易得；（7 7）安全性好，闪点高，对人体无毒性或毒性低。）安全性好，闪点高，对人体无毒性或毒性低。4、分配定律和分离因数、分配定律和分离因数（1）萃取的萃取的几个概念几个概念 料液：料液：在溶剂萃取过程中，将供提取的溶液称为在溶剂萃取过程中，将供提取的溶液称为料液，通常是水溶液；料液，通常是水溶液；溶质：溶质：从料液中提取出来的物质称为溶质；从料液中提取出来的物质称为溶质；萃取剂：萃取剂：用来萃取产物的溶剂常称为萃取剂；用来萃取产物的溶剂常称为萃取剂；萃取液：萃取液：溶质转移到萃取剂中与萃取剂形成的溶溶质转移到萃取剂中与萃取剂形成的溶液称为萃取液；液称为萃取液；萃余液：萃余液：被萃取出溶质后的料液称萃余液（萃残被萃取出溶质后的料液称萃余液（萃残液）液）。萃萃 取取 相相 浓浓 度度 分配系数分配系数K=萃萃 余余 相相 浓浓 度度（2）分配系数）分配系数K 在一定温度和压力下，溶质分配在在一定温度和压力下，溶质分配在两个互不相溶的溶剂中，达到平衡时溶两个互不相溶的溶剂中，达到平衡时溶质在两相中的活度之比为一常数，为质在两相中的活度之比为一常数，为分分配定律配定律。如果溶液是稀溶液，活度可用浓度代如果溶液是稀溶液，活度可用浓度代替，则达到平衡时溶质在两相中的浓度替，则达到平衡时溶质在两相中的浓度之比为一常数，即为分配系数之比为一常数，即为分配系数K。常温下常温下K为常数，为常数，C的单位为的单位为mol/L。分配系数分配系数K 反映一种萃取剂性能的优劣，反映一种萃取剂性能的优劣，分配系数分配系数K越大，萃取收率越高。越大，萃取收率越高。K式的应用条件：式的应用条件：（1）稀溶液）稀溶液（否则用活度计算）。（否则用活度计算）。（2）溶质对溶剂之互溶度没有影响）溶质对溶剂之互溶度没有影响。（3）必须是同一种分子类型，即不发生）必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。缔合或离解。弱酸或弱碱性溶质在水相中存在电离现弱酸或弱碱性溶质在水相中存在电离现象，既要考虑两相中的分配平衡，还要考象，既要考虑两相中的分配平衡，还要考虑弱电解质在水相中的电离平衡，即要考虑弱电解质在水相中的电离平衡，即要考虑应用条件（虑应用条件（3）。）。青霉素是一种弱酸，在水中会有一部分离解青霉素是一种弱酸，在水中会有一部分离解成负离子（青成负离子（青.COO-），萃取青霉素的有机溶剂是），萃取青霉素的有机溶剂是醋酸丁酯等，极性很低，不能萃取带电荷的离子。醋酸丁酯等，极性很低，不能萃取带电荷的离子。青霉素在醋酸丁酯等有机相中仅以游离酸分子青霉素在醋酸丁酯等有机相中仅以游离酸分子（青（青.COOH）的形态存在。只有两相中的游离酸）的形态存在。只有两相中的游离酸分子才符合分配定律。分子才符合分配定律。当用醋酸乙酯萃取青霉素时，发酵液中同时当用醋酸乙酯萃取青霉素时，发酵液中同时存在着两种平衡，一种是青霉素游离酸分子在有存在着两种平衡，一种是青霉素游离酸分子在有机溶剂相和水相间的分配平衡；另一种是青霉素机溶剂相和水相间的分配平衡；另一种是青霉素游离酸在水中的电离平衡。游离酸在水中的电离平衡。分配平衡用分配系数分配平衡用分配系数K0表征，电离平衡表征，电离平衡用电离常数用电离常数Kp来表征。来表征。醋酸丁酯醋酸丁酯 目前还不能单独测定水相中游离酸的目前还不能单独测定水相中游离酸的（青（青.COOH）浓度，能测定浓度，能测定青青.COOH+青青.COO-的总浓度的总浓度c2，用表观分配系数用表观分配系数K表示，表示，K=K和和K0、Kp的关系式经理论推导如下：的关系式经理论推导如下：K=K0H+/(KpH+)（弱酸）弱酸）K=K0Kp/(KpH+)（弱碱）弱碱）溶质在不互溶两相中的分配与萃取溶剂溶质在不互溶两相中的分配与萃取溶剂（决定（决定K0）有关，也与水相的性质（）有关，也与水相的性质（H+）有）有关。关。分配系数的选择分配系数的选择 （3）分离因数分离因数 若料液中有溶质若料液中有溶质A、B，由于两者分配系，由于两者分配系数不同，萃取相、萃余相中数不同，萃取相、萃余相中A、B的相对含的相对含量各不相同。量各不相同。若若A的分配系数较的分配系数较B大，则萃取相中大，则萃取相中A的的含量（浓度）较含量（浓度）较B多，多，A和和B就得到一定程就得到一定程度的分离。度的分离。分离因数：表示分离因数：表示萃取剂对溶质萃取剂对溶质A和和B分离分离能力的大小。能力的大小。分离因数（分离因数（）：）：=(C1A/C1B)/(C2A/C2B)=(C1A/C2A)/(C1B/C2B)=KA/KB 若若A是产物，是产物，B为杂质，分离因数写为：为杂质，分离因数写为：K产产/K杂杂 越大，越大，A、B的分离效果越好，即产物与的分离效果越好，即产物与杂质越容易分离。杂质越容易分离。5、水相条件对萃取的影响、水相条件对萃取的影响 水相的水相的pH、温度、盐析剂以及带溶剂对萃取温度、盐析剂以及带溶剂对萃取的影响。的影响。（1）pH值值 pH直接影响表观分配系数直接影响表观分配系数K；还对选择性有影；还对选择性有影响。响。pH值值应在产物稳定的范围内。应在产物稳定的范围内。（2）温度）温度 影响生化物质的稳定性；影响生化物质的稳定性；它还影响分配系数它还影响分配系数K，因为温度通过影响溶质的化学位而影响溶质在两因为温度通过影响溶质的化学位而影响溶质在两相中的分配。相中的分配。（3）盐析剂）盐析剂 无机盐类一般可降低产物在水中的溶解度而使无机盐类一般可降低产物在水中的溶解度而使其更易于转入有机溶剂相中，另一方面还能减小其更易于转入有机溶剂相中，另一方面还能减小有机溶剂在水相中的溶解度。有机溶剂在水相中的溶解度。无机盐的用量适宜，过多会促使杂质也一起转无机盐的用量适宜，过多会促使杂质也一起转入到溶剂相；要考虑其回收利用。入到溶剂相；要考虑其回收利用。（4）带溶剂）带溶剂 为提高分配系数为提高分配系数K，常添加带溶剂。，常添加带溶剂。带溶剂是能和产物形成复合物，使产物更易溶带溶剂是能和产物形成复合物，使产物更易溶于有机溶剂相中的物质，该复合物在一定条件下于有机溶剂相中的物质，该复合物在一定条件下又能容易分解。又能容易分解。二、二、工业萃取方式和理论收得率工业萃取方式和理论收得率 工业上萃取操作通常包括三个步骤：工业上萃取操作通常包括三个步骤：(1)(1)混合：混合：要求形成具有很大比表面积要求形成具有很大比表面积的乳浊液，产物转到萃取剂中。的乳浊液，产物转到萃取剂中。(2)(2)分离：分离：将乳浊液分离成萃取相和萃将乳浊液分离成萃取相和萃余相。余相。(3)(3)溶剂回收溶剂回收 工业萃取设备：混合器、分离器和溶工业萃取设备：混合器、分离器和溶剂回收装置（如蒸馏塔）。剂回收装置（如蒸馏塔）。一般萃取过程很快，一般萃取过程很快，如果接触表面足够大，如果接触表面足够大，则在则在15秒秒1分钟之内就分钟之内就可完成。可完成。管道萃取、喷射萃管道萃取、喷射萃取技术。取技术。萃取操作分为单级萃取和多级萃取。萃取操作分为单级萃取和多级萃取。1、单级萃取、单级萃取 （1）单级萃取流程）单级萃取流程 单级萃取即使用一个混合器和一个分离单级萃取即使用一个混合器和一个分离器的萃取操作。器的萃取操作。液液-液萃取过程图液萃取过程图1-萃取器；萃取器；2-溶剂溶质塔；溶剂溶质塔；3-汽提塔；汽提塔；4-冷凝器；冷凝器；5-分离器；分离器；6-热交换器热交换器 （2）单级萃取的理论收率）单级萃取的理论收率 萃取操作理论收得率的计算须符合以下萃取操作理论收得率的计算须符合以下两个假定：两个假定：（1）萃取相和萃余相很快达到平衡，即）萃取相和萃余相很快达到平衡，即每一级都是理论级；每一级都是理论级；（2）两相完全不互溶，在分离器中能完）两相完全不互溶，在分离器中能完全分离。全分离。设设K为分配系数，为分配系数，VF 为料液体积，为料液体积，Vs为萃取剂为萃取剂体积，体积，E为萃取平衡后，溶质在萃取相与萃余相中为萃取平衡后，溶质在萃取相与萃余相中数量的比值，则：数量的比值，则：E KVS/VF K/m 其中其中m为浓缩比，即为浓缩比，即m VF/VS 令未被萃取的体积分数为令未被萃取的体积分数为，则：则：=1/(E+1)而理论收得率为：而理论收得率为：1-=E/(E+1)2、多级萃取、多级萃取 分为多级错流萃取和多级逆流萃取。分为多级错流萃取和多级逆流萃取。（1）多级错流萃取多级错流萃取 多多级级错错流流萃萃取取流流程程的的特特点点：每每级级均均加加新新鲜鲜溶溶剂剂，故故溶溶剂剂消消耗耗量量大大，得得到到的的萃萃取取液液产物平均浓度较稀，但萃取较完全。产物平均浓度较稀，但萃取较完全。三级错流萃取装置三级错流萃取装置(a)a)艾德连式；艾德连式；(b)b)泵混合分离器；泵混合分离器；(c)c)加当加当齐格勒接触齐格勒接触器；器；(d)d)霍米霍米莫脱接触器莫脱接触器 多级逆流萃取流程的特点：多级逆流萃取流程的特点：料液走向和萃取剂料液走向和萃取剂走向相反，只在最后一级中加入萃取剂。走向相反，只在最后一级中加入萃取剂。和错流萃取相比，萃取剂消耗少，萃取液产物和错流萃取相比，萃取剂消耗少，萃取液产物平均浓度高，产物收率最高。平均浓度高，产物收率最高。在工业上应采用多级逆流萃取流程。在工业上应采用多级逆流萃取流程。（2）多级逆流萃取）多级逆流萃取三级逆流萃取装置分离青霉素三级逆流萃取装置分离青霉素（3）多级萃取的理论收率）多级萃取的理论收率 由理论推导，经由理论推导，经n级萃取后，两种多级级萃取后，两种多级萃取流程的产物收率分别为：萃取流程的产物收率分别为：多级错流萃取流程：多级错流萃取流程：1-=1-1/(E1+1)(E2+1)(En+1)多级逆流萃取流程：多级逆流萃取流程：1-=(En+1-E)/(En+1-1)三、三、乳化和去乳化乳化和去乳化 1 1、乳化、乳化 乳化是一种液体乳化是一种液体(分散相分散相)分散在另一种分散在另一种不相混溶的液体（连续相）中的现象。不相混溶的液体（连续相）中的现象。产生乳化，难以将有机溶剂相和水相分产生乳化，难以将有机溶剂相和水相分离完全，出现两种夹带，即发酵废液中夹带离完全，出现两种夹带，即发酵废液中夹带有机溶剂微滴和溶剂相中夹带发酵液的微滴，有机溶剂微滴和溶剂相中夹带发酵液的微滴，故必须破坏乳化。故必须破坏乳化。乳化的结果可能形成两种形式的乳浊液。乳化的结果可能形成两种形式的乳浊液。一种是水包油型（一种是水包油型（O/W），），另一种为油包另一种为油包水型（水型（W/O）。）。稳定的乳浊液形成是因为有表面活性剂稳定的乳浊液形成是因为有表面活性剂的存在，活性剂通过降低界面张力，使液的存在，活性剂通过降低界面张力，使液体容易分散成微滴而发生乳化。体容易分散成微滴而发生乳化。乳浊液的稳定性和下列几个因素有关：乳浊液的稳定性和下列几个因素有关：界面上保护膜是否形成（最重要）；界面上保护膜是否形成（最重要）；液滴是否带电；液滴是否带电；介质的粘度。介质的粘度。发酵液中的蛋白质是引起乳化的最重要发酵液中的蛋白质是引起乳化的最重要的表面活性物质，多为的表面活性物质，多为O/W型。型。2、破乳化、破乳化 乳浊液的形式：当表面活性剂的亲水基乳浊液的形式：当表面活性剂的亲水基团强度大于亲油基团，易生成水包油型团强度大于亲油基团，易生成水包油型（O/W）乳浊液；反之则易生成油包水型乳浊液；反之则易生成油包水型（W/O）。）。破乳化是破乳化是用过滤或离心、物理或化学方用过滤或离心、物理或化学方法，使乳浊液失去稳定性而分相的操作。法，使乳浊液失去稳定性而分相的操作。最好方法是防止乳化，若是蛋白质引最好方法是防止乳化，若是蛋白质引起乳化，应先去除蛋白质。起乳化，应先去除蛋白质。四、萃取设备四、萃取设备 1 1、单级萃取设备、单级萃取设备 单级萃取用一套混合器和分离机。单级萃取用一套混合器和分离机。萃取流程如前。萃取流程如前。混合、萃取和分离也可在同一台设备中混合、萃取和分离也可在同一台设备中进行。进行。2、多级萃取设备、多级萃取设备 一般用萃取塔一般用萃取塔 （1）脉动筛板塔）脉动筛板塔 脉动筛板塔适合：处理量小于脉动筛板塔适合：处理量小于20M3/h情情况；物系较难分离，要求萃取理论级数高况；物系较难分离，要求萃取理论级数高的情况（的情况（520级）；含有固体的悬浮液级）；含有固体的悬浮液（15%）优点：优点：操作方便、密闭性好；操作方便、密闭性好；萃取萃取剂用量少；剂用量少；占地面积小。占地面积小。（2）转盘塔）转盘塔 利用机械搅拌装置，利用机械搅拌装置，促使连续相液体的湍动，促使连续相液体的湍动，使悬浮在湍动液流中的使悬浮在湍动液流中的分散相液滴被剪切成较分散相液滴被剪切成较细小的液滴，使分布更细小的液滴，使分布更为均匀，萃取过程由此为均匀，萃取过程由此得到强化。得到强化。先加入的并充满全塔先加入的并充满全塔为连续相。为连续相。适于小于适于小于57个理论个理论级的萃取操作。级的萃取操作。第二节第二节 浸取浸取 一、一、浸取过程的应用浸取过程的应用 工业生产常用溶剂浸取物质。工业生产常用溶剂浸取物质。生物物料是由细胞组成的，可溶性物生物物料是由细胞组成的，可溶性物质通常在细胞内，细胞膜产生一种不同于质通常在细胞内，细胞膜产生一种不同于一般情况下的扩散阻力，浸取速率通常比一般情况下的扩散阻力，浸取速率通常比较小。较小。为了加快速度，可对原料进行预处理，为了加快速度，可对原料进行预处理，如干燥、切片等，以助于细胞膜如干燥、切片等，以助于细胞膜/壁破裂，壁破裂，溶剂也容易进入细胞内溶解溶质。溶剂也容易进入细胞内溶解溶质。二、二、浸取速率浸取速率 溶剂从固体颗粒中浸取可溶性物质的过溶剂从固体颗粒中浸取可溶性物质的过程一般包括以下步骤：程一般包括以下步骤：(1)(1)溶剂从溶剂主体传递到固体颗粒的表面；溶剂从溶剂主体传递到固体颗粒的表面；(2)(2)溶剂扩散渗入固体内部和内部微孔隙内；溶剂扩散渗入固体内部和内部微孔隙内；(3)(3)溶质溶解进入溶剂；溶质溶解进入溶剂；(4)(4)溶质通过固体微孔隙通道中的溶液扩散至溶质通过固体微孔隙通道中的溶液扩散至固体表面并进一步进入溶剂主体。固体表面并进一步进入溶剂主体。第一、二步都很迅速，不是浸取过程总速率的第一、二步都很迅速，不是浸取过程总速率的限制步骤。限制步骤。第三步在固体内部，溶质的溶解是简单的物理第三步在固体内部，溶质的溶解是简单的物理溶解过程，或是溶质溶解的化学或生化反应。溶解过程，或是溶质溶解的化学或生化反应。第四步溶质通过固态和溶剂到达固体表面的扩第四步溶质通过固态和溶剂到达固体表面的扩散速度与许多因素有关。散速度与许多因素有关。如果固体是有惰性多孔固体结构组成，固体的如果固体是有惰性多孔固体结构组成，固体的微孔中充满了溶质和溶剂，则溶质通过多孔固体微孔中充满了溶质和溶剂，则溶质通过多孔固体的扩散可用有效扩散系数描述，而有效扩散系数的扩散可用有效扩散系数描述，而有效扩散系数与与费克（费克（Fick）定律定律 有关。有关。1、分子扩散的费克（、分子扩散的费克（Fick）定律定律：Fick定律定律是关于流体处于静止状态时的分子扩是关于流体处于静止状态时的分子扩散。散。分子扩散是由于浓度梯度，对于分子扩散是由于浓度梯度，对于A和和B的双组分的双组分混合物，混合物，Fick定律可写成下面的形式：定律可写成下面的形式：JAc DABdxA/dl 当当c是常数时，是常数时，cA=cxA，Fick 定律定律可可表达表达为为：JADABdcA/dl （4.11）由于固体周围镜界膜的存在，物质分子的传递由于固体周围镜界膜的存在，物质分子的传递只能靠扩散进行。只能靠扩散进行。2 2、生物物质溶液中的分子扩散、生物物质溶液中的分子扩散 与小分子溶质不同，生物大分子在溶液中的扩与小分子溶质不同，生物大分子在溶液中的扩散会受其较大的空间尺度以及空间形状的影响。散会受其较大的空间尺度以及空间形状的影响。生物大分子在水溶液中的形状是不规则的；生生物大分子在水溶液中的形状是不规则的；生物大分子与小分子溶剂或溶质分子之间的相互作物大分子与小分子溶剂或溶质分子之间的相互作用，也会影响到生物大分子及小分子溶质的扩散。用，也会影响到生物大分子及小分子溶质的扩散。因此，因此，在相同浓度梯度下生物大分子的扩散速在相同浓度梯度下生物大分子的扩散速率要比小分子有机物慢率要比小分子有机物慢很多。很多。3 3、生物凝胶中的分子扩散、生物凝胶中的分子扩散 凝胶是一种凝胶是一种“多孔多孔”的半固态物质，具有不规的半固态物质，具有不规则的则的“框架结构框架结构”，凝胶结构中的孔道或敞开的，凝胶结构中的孔道或敞开的微小空间里充满了水。微小空间里充满了水。小分子溶质在凝胶的不规则的小分子溶质在凝胶的不规则的“框架结构框架结构”中中的扩散速率要比在水溶液中慢。的扩散速率要比在水溶液中慢。凝胶由大分子组成，通常是稀的水溶液，组成凝胶由大分子组成，通常是稀的水溶液，组成凝胶的物质组分只占百分之几。凝胶的物质组分只占百分之几。琼脂糖凝胶是由松散交织的含有大量氢键的多琼脂糖凝胶是由松散交织的含有大量氢键的多糖大分子组成。糖大分子组成。4、固相中的分子扩散、固相中的分子扩散 固相内的气体、液体、固体物质的分子扩散速固相内的气体、液体、固体物质的分子扩散速率比在气相和液相中要慢。率比在气相和液相中要慢。固相中的传递过程通常可分为两类：一类基本固相中的传递过程通常可分为两类：一类基本上与固体结构无关，属于服从上与固体结构无关，属于服从Fick定律的扩散，另定律的扩散，另一类是在多孔体内的扩散，固体内部的几何结构及一类是在多孔体内的扩散，固体内部的几何结构及其通道对扩散有很大影响。其通道对扩散有很大影响。（1）服从于）服从于Fick定律的扩散过程，当总浓度定律的扩散过程，当总浓度c为常数时可直接应用（为常数时可直接应用（4.11）式，即）式，即 JADABdcA/dl （2）不服从）不服从Fick定律的多孔体内的扩散定律的多孔体内的扩散三、三、浸出的其它问题浸出的其它问题 1、相平衡、相平衡 浸取过程中的相平衡用分配系数浸取过程中的相平衡用分配系数KD表表示：示：y-达到平衡时溶质在液相中的浓度达到平衡时溶质在液相中的浓度 x-平衡时溶质在固相中的浓度平衡时溶质在固相中的浓度 在浸取过程中，在浸取过程中，y和和x用体积浓度用体积浓度（kg/m3）表示时，）表示时，KD一般为常数。一般为常数。2、溶剂的选择、溶剂的选择 溶剂的重要性。溶剂的重要性。与溶剂萃取相似，溶剂的选择最主要的与溶剂萃取相似，溶剂的选择最主要的依据仍是依据仍是“相似相溶相似相溶”原理。原理。溶剂应对目的物质的溶剂应对目的物质的KD大和选择性高；大和选择性高；价格低，无毒，易分离和回收等。价格低，无毒，易分离和回收等。食品安全。食品安全。食品常用的浸取剂：水、酸、无毒的盐食品常用的浸取剂：水、酸、无毒的盐水液、乙醇或小分子醇、己烷、丙酮等。水液、乙醇或小分子醇、己烷、丙酮等。3、增溶作用增溶作用 生物工业的浸取过程中往往包含增溶作用。生物工业的浸取过程中往往包含增溶作用。原先不溶或难溶性的生物大分子物质向可溶原先不溶或难溶性的生物大分子物质向可溶性的、分子量较小的生物物质转变。性的、分子量较小的生物物质转变。在该过程中，酶或酸碱催化生物大分子在该过程中，酶或酸碱催化生物大分子水解反应或促使大分子溶解。水解反应或促使大分子溶解。浸取过程有时会促使某些溶质向不溶性浸取过程有时会促使某些溶质向不溶性物质转变。物质转变。4 4、固体原料的预处理、固体原料的预处理 为加速浸取的过程，要对原料进行预处为加速浸取的过程，要对原料进行预处理。理。（1 1）原料粉碎：缩短固体或细胞内溶质）原料粉碎：缩短固体或细胞内溶质分子向其表面扩散的距离，但原料的粉碎分子向其表面扩散的距离，但原料的粉碎并非越细越好。并非越细越好。（2 2）干燥处理：含水物料，有机溶剂浸）干燥处理：含水物料，有机溶剂浸取前，进行干燥处理。取前，进行干燥处理。基本概念基本概念：萃取萃取 浸取浸取 分配定律分配定律 分离因数分离因数 问答题问答题：1 1、简述、简述溶剂萃取过程的理论基础溶剂萃取过程的理论基础。2 2、比较多级逆流萃取和多级错流萃取的特点。、比较多级逆流萃取和多级错流萃取的特点。3 3、溶剂萃取的萃取剂选择原则是什么？、溶剂萃取的萃取剂选择原则是什么？4 4、什么是乳化现象？在萃取过程中，乳化有什么、什么是乳化现象？在萃取过程中，乳化有什么作用？作用？5 5、分析液液萃取和浸取操作的异同点。、分析液液萃取和浸取操作的异同点。类固醇的萃取，混合液浓度类固醇的萃取，混合液浓度6.8mg/L，二氯甲烷为溶剂萃取，分配系数二氯甲烷为溶剂萃取，分配系数K=170，水：，水：溶剂溶剂=82：1，单级萃取。，单级萃取。求：有机相中类固醇的浓度？萃取得率求：有机相中类固醇的浓度？萃取得率？