萃取分离与逆流分配

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2012/10/7,#,萃取分离与逆流分配,萃取原理,萃取操作,逆流分配,双水相萃取,超临界流体萃取,1,萃取原理,（,1,）,原理：,利用物质在互不相溶的两相中溶解度或分配系数的不同,实现,提取、分离及纯化。即,:,萃取是通过溶质在两相的溶解竞争而实现的。,分配定律：,在一定温度下,，有机化合物,在有机相和水相的浓度之比为一常数。,2,分配定律数学表达式：,C,A,/C,B,= K,（溶解度之比）,一般地：有机物在有机溶剂中的溶解度比在水中的大，所以较易将它们从水溶液中萃取出来。,其中：,K,为常数，又叫分配系数。,C,A,、,C,B,有机物在两液相,A,、,B,中的浓度。,3,（,2,）,萃取效率：,使用一定量的有机溶剂去萃取一定量的水溶液中的有机物质，应该采取,“,少量多次,”,的方法。这样既节省溶剂，又可以实现高的萃取率。,利用分配定律可以定量地说明萃取次数、溶剂量与萃取后剩余物之间的关系。即：,原溶液,体积,V,质量,Wo,用,s,（,ml,）萃取剂，,n,次萃取,剩余量,体积,V,质量,Wn,4,可以看出：,结论：,用,X mL,萃取剂来萃取，则应将其中分成几份，多萃取几次，效果会比一次萃取好得多。即遵循,“,少量多次,”,的原则。,则：,Wn = Wo,（,V,ks+V,）,n,V,ks+V,1,n,越大，,Wn,越小。,例题：,在,100,mL,水溶液中含有,4,克正丁酸，若用,100,mL,苯来萃取正丁酸。已知,15,时正丁酸和水中的分配系数,K=3,。操作如果在,15,进行。计算：,100,mL,苯作,1,次萃取后，在水中的正丁酸的量及萃取效率？ ,100,mL,苯作,3,次萃取后，在水中的正丁酸的量及萃取效率？,5,解：,代入公式, W,1,= 4100/(3100+100) =1.0 g,萃取效率,E%,=,萃取剂中物质量,(Wo-Wn),样品中物质总量,(Wo),100%, E,1,% = 75%, W,3,= 0.5g E,3,%=87.5%,可见：“少量多次”萃取效率高。,但过多次数没必要,。,6,2,萃取操作,萃取方法：,人工手摇法,机械振荡法,机械搅拌法,超声搅拌法,连续萃取法,液体,固体,萃取对象,7,2.1,液体中物质的萃取,(,液,-,液萃取,),（,1,）实验室常用仪器,：,分液漏斗。（有球形和长梨形两种）,（,2,）常见操作过程：,用有机溶剂从水溶液中萃取有机物；,用水从有机溶液中萃取水溶液。,（,3,）操作步骤：,（见下页图）,分液漏斗检漏；,装样液与萃取剂；,充分摇动（注意放气）；,静置分层；,分离。,注：,一般操作,35,次,8,液,-,液萃取操作,9,（,4,）对有机萃取剂的要求：,与水不溶且易分层；,被萃取物在其中溶解度大；,常见萃取剂,石油醚,（被萃取物水溶性小）,苯,or,乙醚,（被萃取物水溶性中）,乙酸乙酯,（被萃取物水溶性大）,萃取剂与被萃取物不发生反应，且易分离。,（一般使用低沸点溶剂）,10,常用,溶剂的互溶性,不互溶,互溶,11,（,5,）应用,：（例子）,12,液,-,液萃取在有机工业中的应用,部门,料 液,溶 剂,被 萃 物,石油工业,石油原料,(,宽馏分,),二甘醇,/,三甘醇,苯,/,甲苯,/,二甲苯,汽油和煤油馏分,环丁砜,芳香烃,炼油工业,粗焦馏物,甲醇,-,水和乙烷,焦油酸,商品焦油酸馏分,NaOH,溶液,-,甲苯,2,4 -,二甲苯酚,油脂工业,植物油和动物油,丙烷,不饱和甘油酯和维生素,植物油,糠醛,不饱和甘油酯,医药工业,麻黄草浸渍液,苯,/,二甲苯,麻黄素,含青霉素发酵液,醋酸丁酯,青霉素,其他,醋酸稀溶液,乙酸乙酯,醋酸,纸厂黑液,甲基乙基酮,甲酸与乙酸,13,2.2,固体中物质的萃取,(,浸取,),（,1,）浸取过程,机理：,在浸取过程中，干燥的固体首先吸收溶剂，溶剂则进入固体的小孔或细胞内，溶质成分就在其中扩散，直到相平衡。,（即：固,液传质过程）,浸取过程中的相平衡可用分配系数衡量：,D = m,(,液,),/ m,(,固,),m,(,液,),、,m(,固,),分别表示溶质在液相和饱和固相中的浓度，其单位：,kg/m,3,。则,D,值一般保持不变。,14,常见有机物质浸取过程,产物,固体,溶质,溶剂,咖啡,粗烤咖啡,咖啡溶质,水,豆油,大豆,豆油,己烷,大豆蛋白,豆粉,蛋白质,NaOH,溶液,PH=9,香料提取物,丁香,/,胡椒,/,麝香草,香料提取物,80%,乙醇,维生素,B,碎米,维生素,B (VB),乙醇,-,水,果胶,去糖的果渣,果胶,稀酸,鱼油,碎鱼块,鱼油,己烷,/,二氯甲烷,/,丁醇,鸦片提取物,罂粟,鸦片提取物,二氯甲烷,/,超临界,CO2,胰岛素,牛、猪的胰脏,胰岛素,酸性醇,肝提取物,哺乳动物的肝,肽,/,缩氨酸,水,灰退的皮革,畜皮,去胶质的蛋白质,Ca(OH)2,水溶液,脱盐的海藻,海藻,海盐,稀盐酸,中草药汁,中草药,药用成分,水,15,溶剂的选择,食品工业：水、酸、无毒的盐水溶液、己烷、乙醇、二氯甲烷、丙酮等。,植物油的浸取：己烷、醇类、醇,-,水混合液,制药与化工工业：溶剂范围广（因为治疗效果比溶剂可能导致的副作用重要得多）。,注：超临界的萃取可用于食品和生物物质的浸出。,16,（,2,）方法,冷浸法：,最方便的方法,在天然产物研究中常称为提取。萃取之前，固体材料一般均需要粉碎至,20,目左右。,用新鲜溶剂室温反复浸泡,3,次，每次溶剂用量为材料的,5,倍左右，每次,12,24h,或数天。,缺点,：溶剂用量大，萃取效率低，浓缩工作量大，如用水萃取还需防止发霉变质。,适用范围,：富含淀粉、树胶、粘液质和果胶等成分的材料以及不宜采用热提取法的物料。,17,渗漉法：,优点：,在各部分始终维持了一个被萃物料与萃取液之间被萃物的浓度差。 效果比好。,常用的仪器：渗滤筒；分液漏斗；粗色谱柱等。,操作步骤：,粉碎,润湿,拌匀,静置 （,30min,）,装料,压实,添加溶剂,静置（,6h,）,渗漉,注意事项：,流速,：随物料的多少而定，如,100g,料，可控制,1mLmin,-1,。,终点判定,：颜色或体积,(,10,倍,),图,3-3,渗漉装置,18,加热回流萃取法：,适宜于实验室和工业生产，一般需要加上搅拌。工业上多用蒸气加热，实验室多用水浴加热。但不适宜于热敏性物质的提取。,19,连续加热萃取法：,实验室多用索氏提取器（也称索氏提取法）,索氏提取器是利用溶剂回流后流过固体样品的滤纸套，样品不断地被新冷凝下来的纯溶剂萃取。,溶剂：回流,冷凝,萃取,虹吸入烧瓶,蒸发,回流,周而复始，被萃取的物质浓集在烧瓶内。,优点：提取效率高（省溶剂）,20,（,a,）较轻溶剂萃取较 （,b,）较重溶剂萃取较轻 （,c,）兼具（,a,）和（,b,） （,d,）脂肪提取器,重溶液中物质 溶液中的物质,连续萃取装置,21,超声波提取：,适宜于实验室和工业生产。小量提取可利用实验室的超声波清洗器进行，一般物料比控制在,51,91,之间，提取温度控制在,30-40,，提取次数为,2-3,次。工业提取可采用专用的超声波提取机进行，超声功率一般为,1600-2000W,，提取时间为,30min,。该法提取效率极高，对于热敏性物质尤为合适。,超临界提取（后面讨论）,22,超声波,提取机,23,2.3,萃取液的浓缩,实验室常用的浓缩方法是蒸馏（普通蒸馏和减压蒸馏）和真空旋转薄膜蒸发。,真空旋转薄膜蒸发器（下页图）由旋转蒸发烧瓶、可调速的驱动马达、加热恒温装置、高效冷凝器、溶剂收集瓶组成。,24,旋转薄膜蒸发器,25,3,逆流分配,（,2,）实质：,连续的多次萃取。,（,1,）概念：,利用混合物中各组分在两种互不相溶的液相间分配系数的差别，在两液相互相逆流中不断地进行萃取，使物质实现分离的方法。,（,3,）原理：,（见下页图）,（,4,）用途：,能解决一般方法所不能解决的困难问题。,如分离性质很近似的同系物,or,同分异构体。,26,逆流分配各管中溶质的分布曲线,逆流分配操作示意图,27,例子：,设：含等量,A,、,B,两成分混合物中其分配系数在同样的,两个互不相溶,的溶剂内分别为,0.707,及,1.414,。 所用二溶剂体积相等。在作了,100,次移置后，,A,及,B,的理论分布如下图：,由图知：,第,44,至,56,容器为,A,、,B,未能完全分离；,由,22,至,43,容器含纯,A,；由,57,至,75,号容器含纯,B,。,（每成分可有,93%,分离为纯度很高化合物，再,增加移置数，,A,及,B,便可完全分开。）,二,成分混合物的,100,次移置分布,28,例如：,柴胡里含有多种皂甙。七个,a,、,b,1,、,b,2,、,b,3,、,b,4,、,c,、,d,。结构上差异小，一般分离方法难分纯，尤其是柴胡皂甙,a,和,d,在,C,16,位的,-OH,构型不同，在薄层上的,R,f,非常接近。采用液滴逆流分配法可成功分离。,多效分配的结果,：,两化合物的分配系数差别越大， 其混合物越容易分离。,应用,液滴分配法曾满意地分离纯化多种成分。如：皂甙、,生物碱、酸性化合物、蛋白质、多肽、氨基酸类等。,29,3.4,双水相萃取,（,1,）原理：,例子：将,2.2%,(,质量分数,),的葡聚糖水溶液与等体积的,0.72%,的甲基纤维素的水溶液相混并静置后，可以得到两个粘稠的液层，下层含有大部分葡聚糖，上层含有大部分甲基纤维素，两层的主要成分是水。,0.39%,葡聚糖,0.65%,甲基纤维素,98.96%,水,1.58%,葡聚糖,0.15%,甲基纤维素,98.27%,水,图,3-10,等体积的,2.2%,葡聚糖与,0.72%,甲基纤维素的水溶液所形成的双水相,30,双水相萃取原理,:,绝大多数天然的或合成的亲水性聚合物的水溶液在与第二种亲水性聚合物混合并达到一定浓度时，就会产生两相，两种高聚物分别溶于互不相溶的两相中。即,:,高聚物,/,高聚物双水相体系,某些聚合物溶液与这一些无机盐溶液相混时，在一定的浓度范围内也会形成两相。即,:,高聚物,/,无机盐双水相体系,这两种双水相体系中,各相的含水量都很大。一些生物活性物质，特别象酶、蛋白质和核酸这样的生物大分子在两相中有不同的分配，从而可用双水相萃取来实现它们的提取和分离,。,31,常用的聚合物,:,聚乙二醇、葡聚糖、聚乙烯醇,常用的无机盐,:,磷酸盐、硫酸铵,(2),、影响溶质在双水相体系中分配平衡的因素,聚合物平均分子量的影响,例如：,聚乙二醇分子量越低，成相的,临界浓度,（,与盐溶液组成两相的临界浓度,）,越高，组成体系需要的聚乙二醇越多。但分子量太大，聚合物溶解度下降，不利于使用。,32,聚合物浓度的影响,在一定浓度下（如在,10-25%,的聚乙二醇中），蛋白质在聚合物相的分配随聚合物浓度的增大而增大。达到一个最大值后，聚合物浓度再增大，蛋白质在聚合物相的分配反而减小。,盐的种类及浓度,盐的种类既影响分配平衡，对蛋白质稳定性有不同,影响。如：盐酸胍、尿素加入后会使蛋白质失活。,盐浓度的影响与“”类似。,33,pH,值,不仅影响分配系数，而且影响蛋白质和酶的稳定。因此在溶质是蛋白质和酶的双水相萃取中，,pH,值的选择以考虑溶质的稳定性为主。,离子强度,增加离子强度有利于相分离。,34,（,3,）应用,适合于分离提取有生物活性的大分子；, 直接从含菌体的发酵液和培养液中提取目标产品。,优点：,使活性物质不失活，操作及设备简单，无,毒、分离规模大。,不足：,理论和实用方面有待进一步研究。,实例：,酶,菌 种,相分离系统,分配系数,收率,延胡索酸酶,产氨短杆菌,PEG/,盐,3.3,83%,天冬氨酸酶,大肠肝菌,PEG/,盐,5.7,96%,葡糖异构酶,链霉菌,PEG/,盐,3.0,86%,L-2-,羟,-,异己酸脱氢酶,干酪乳杆菌,PEG/,盐,6.5,93%,35,5,超临界流体萃取技术,概念：,利用超临界流体作为萃取剂，从液体和固体中提出某种高沸点的成分，以达到分离或提纯目的。,3.5.1,超临界流体,（,SCF,）,的性质,超临界流体：,是处于临界温度和压力以上的流体。,在这种条件下，流体即使处于很高的压力下，,也不会凝缩为液体。,36,图,3-11 CO,2,的,P-T,相图,例如：,CO,2,的,P-T,相图,37,某些超临界萃取剂的临界参数,38,（,1,）传递性质：,性质：,超临界流体的密度与液体相近；黏度与普通气体相近；自扩散系数也远大于一般液体。,表明：,与一般液体溶剂相比，在超临界流体中，可更快地进行传质，在短时间内达到分配平衡，从而高效地进行分离。尤其是对固体物质中的某些成分进行提取时，由于溶剂的扩散系数大，黏度小，渗透性能好，所以可以简化固体粉碎的预处理过程。,气体,(,常温、常压,),超临界流体,液体,(,常温，常压,),(Tc,，,Pc),(Tc,，,4Pc),密度,/(g/cm3),0.006,0.002,0.2,0.5,0.4,0.9,0.6,1.6,黏度,/(10,-5,kg/ms),1,3,1,3,3,9,20,300,自扩散系数,(10,-4,m,2,/s),0.1,0.4,0.710,-3,0.210,-3,(0.2,2)10,-5,39,（,2,）溶解性能,与一般熔媒相比，,SCF,具有十分独特的物理化学性质，对某些物质具有异乎寻常的溶解能力。,SCF,对液体、固体的溶解度与液体接近。,温度和压力的变化会大大改变超临界流体的溶解能力。,例如：,图,3-12,萘在,CO,2,中溶解度与压力的关系图,图,3-13,萘在,CO,2,中溶解度与温度的关系图,40,由图看出：,萘在,CO,2,中溶解度随着压力上升而急剧上升。,温度对萘在,CO,2,中溶解度也有很大的影响：,当压力,150 10,5,Pa,时，随温度的升高，萘溶解度逐渐加大。,当压力减小（,150 10,5,Pa,）时，则温度升高时，溶解度却急剧下降。溶剂,CO,2,的密度急剧减小的缘故。,41,5.2,基本原理,超临界流体萃取：是气体溶剂于低温、高压的高密度条件下，萃取所需的有效成分，然后采取恒压升温（或恒温降压或降压又升温）的方法，可将溶剂与所萃取的有效成分分离，它兼利用蒸汽压和溶解度之间的差异（又称,Distraction,）即具备精馏和萃取两者混合的分离方法。,5.3,主要的临界萃取剂,二氧化碳,、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、苯、氨,42,5.4,提高溶剂选择性的基本原则（对工艺要求）,（,1,）操作温度与超临界流体的临界温度相近。,（,2,）超临界流体的化学性质与被萃取的化学性质相近。,5.5,应用,（,1,）从石油残渣油中回收油品；,（,2,）从咖啡中提炼咖啡因；,（,3,）从啤酒花中提取有效成分；,（,4,）从大豆中提取豆油；,（,5,）从烟草中提取尼古丁；,（,6,）从动植物体中提取有用成分。,43,5.6,超临界流体萃取优点,（,1,）所得产物无残留毒性。,（,2,）能量消耗非常少。,不足：,超临界流体萃取发展处于初级阶段，所,需高压系统给它的大规模应用带来一定,的困难。,44,思 考 题,1,、萃取与双水相萃取的原理有什么异同？,为什么双水相萃取不会引起生物物质,失活？,2,、索氏提取器的工作原理。,3,、超临界流体萃取中流体指什么？二氧化,碳萃取的优点？,45,