分离工程第四章.ppt

第四章萃取,萃取的概念液液萃取从机理上分析可分为哪两类？何谓物理萃取和化学萃取？何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？了解单级萃取的计算方法。了解多级萃取的计算方法。,通过本章学习应掌握以下内容：,何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？何谓双水相萃取?常见的双水相构成体系有哪些？反胶团的构成以及反胶团萃取的基本原理。,萃取是生物分离中常用的单元操作,固液分离,分离提取,纯化,精制,萃取原理：利用溶质在互不相溶两相间分配系数的不同使溶质得到纯化或浓缩的方法。,杂质,溶质,原溶剂,萃取剂,Lightphase,Heavyphase,使含溶质的溶液（h）和萃取剂（L）解出混合，静止后分成两层。,单级萃取,连续逆流萃取装置,萃取技术的发展传统有机溶剂萃取液膜萃取、反胶团萃取双水相萃取、超临界流体萃取,第一节基本概念,一、萃取,定义：利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。萃取剂：萃取操作中的流体,根据萃取剂类型分类：,二、反萃取,定义：调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的操作。作用：为了进一步纯化目标产物或便于后续分离操作。洗涤：有时加在萃取与反萃取之间，除去与目标产物同时萃取到有机相的杂质，提高反萃液中目标产物纯度。,物理萃取定义：溶质根据相似相溶原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质间不发生化学反应。应用：广泛应用于抗生素及天然植物中有效成分的提取。如利用乙酸丁酯萃取青霉素。,化学萃取定义：利用脂溶性萃取剂与溶质的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有机相分配。萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和络合反应。应用：用于氨基酸、抗生素和有机酸等生物产物的分离回收。如利用季铵盐萃取氨基酸。,季铵盐：氯化三辛基甲铵，阴离子的氨基酸通过与萃取剂在水相和萃取相间发生离子交换而进入萃取相。R+Cl-+A-R+A-+Cl-萃取相萃取相PH高，酸性氨基酸带负电PH低，酸性氨基酸带正电,分配定律：一定温度、压力下，溶质在互不相溶的两相中达到分配平衡后，在两相的浓度比为一常数,即分配系数m。,其中：CL为萃取相溶质浓度；CR为萃余相溶质浓度。溶质在两相中的相对分子量相等，不解离，不缔合。,萃取因子E：萃取平衡后萃取相与萃余相中目标产物质量之比，是衡量萃取效率的指标之一。,其中：VL和FL分别为萃取剂体积和流量；VR和FR分别为料液体积和流量。,分离因素：产物与杂质分配系数之比，反映萃取选择性或分离程度的高低。,其中：CLp和CRp分别为目标产物在萃取相和萃余相中的浓度；CLi和CRi分别为杂质在萃取相和萃余相中的浓度；mp和mi分别为目标产物和杂质的分配系数。,等于分配系数之比，越大分离效果越好。,1、名词解释:萃取反萃取物理萃取化学萃取分配定律萃取因子(E)分离因素()2、萃取的原理是什么？生物分离中常用的萃取技术有哪些？,第二节有机溶剂萃取,特点：处理量大、能耗低、速度快，且易于实现连续操作和自动化控制。应用：生物产物分离中用于抗生素、有机酸、维生素等发酵产物的提取，不能用于大分子如多肽、酶、蛋白质、核酸。,一、影响因素,（一）萃取剂选择与目标产物极性相近的有机溶剂价廉易得；与水相不互溶；与水相有较大密度差，粘度小，表面张力适中，相分散和相分离容易；容易回收和再利用；毒性低，腐蚀性小，使用安全；不与目标产物发生反应。,举例：常用于抗生素萃取的有机溶剂有醇类、乙酸酯类及甲基异丁基甲酮等。（二）水相pH对弱电解质萃取，水相pH影响分配系数。如青霉素在水中电离，电离平衡常数用Ka表示。,（三）乳化现象1、乳化指一种液体以微小液滴（分散相）形式分散在另一不相溶液体（连续相）中，这种现象称为乳化现象，生成的这种液体称为乳状液或乳浊液。,。,2、对萃取的影响：两相分离困难，并产生两种夹带：萃余液中夹带有机溶剂，造成目标产物损失；萃取相中夹带萃余液，给后处理带来困难。3、产生原因：发酵液中存在蛋白质和固体颗粒等物质，具有表面活性剂的作用。,4、乳化与去乳化：乳化和去乳化的本质是表面现象乳化是自发过程，乳状液又是不稳定的热力学系统。Gibbs公式=-c/RTd/dc:溶液单位表面上与溶液内部相比时溶质的过剩量C:本体溶液浓度,乳状液的类型及消除乳状液可分为水包油（O/W）和油包水（W/O）两种。在生成过程中形成何种类型的乳状液，主要由表面活性剂性质决定。,由蛋白质引起的乳化，构成O/W型，液滴平均粒径在2.530m之间。这种界面乳状液可放置数月不凝聚。,乳浊液稳定性：界面上保护膜是否形成；液滴是否带电；介质黏度。,破坏乳状液常用以下几种方法A、过滤或离心分离当乳化不严重时，可用过滤或离心分离的方法，分散相在重力或离心场中运动时，常可引起碰撞而聚沉，在实验室中，用玻璃棒轻轻搅动乳浊液也可促使其破坏。B、加热加热能使黏度降低，易使乳浊液破坏，在实验室中如生化物质对加热稳定可考虑采用此法。,C、稀释法在乳浊液中，加入连续相，可使乳化剂浓度降低而减轻乳化，在实验室化学分析中有时用此法比较方便。D、加电解质离子型乳化剂所成乳浊液常因分散相带电荷而稳定，可加入电解质，以中和其电性而促使聚沉，常用的电解质有NaCl.NaOH.HCl及高价离子如铝离子等。,E、吸附法例如碳酸钙易被水所润湿，但不能为有机溶剂所润湿，故将乳浊液通过碳酸钙层时，其中水分被吸附。生产上将红霉素一次丁酯抽提液通过碳酸钙层，去除微量水分，有利于以后提取。,F、顶替法加入表面活性更大，但不能形成坚固保护膜的物质，将原先的乳化剂从界面上顶替出来，但它本身不能形成坚固保护膜，因而不能形成乳浊液。常用的顶替剂是戊醇，它的表面活性很大，但碳链很短，不能形成坚固的薄膜。,G、转型法在O/W型乳浊液中，加入亲油性乳化剂，则乳浊液从O/W转化为W/O，但条件还不允许形成W/O型乳浊液，因而在转变过程中，乳浊液被破坏，同样在W/O型乳浊液中，加入亲水性乳化剂，也会使乳浊液破坏。最好的发酵液预处理，除去蛋白质和大部分固体颗粒。,思考题,1、影响有机溶剂萃取的因素有哪些?2、有机溶剂萃取中，破坏乳状液常用方法有哪些？,二、操作方式及理论计算,工业萃取设备分类：,工业生产中萃取操作一般应包括以下三个过程混合：料液与萃取剂密切接触分离：萃取相与萃余相分离溶剂回收：萃取剂从萃取相中除去,1、单级萃取操作,其中：E为萃取因子；为萃余分率。,特点：只用一个混合器和一个澄清器；流程简单，但萃取效率不高，产物在水相中含量仍较高。而增加萃取剂用量会使产品浓度降低，并且萃取剂的回收、处理工作量增加，为改善上述缺点，可采用多级错流萃取操作。,2、多级错流萃取操作,多级错流萃取是由几个萃取器串联而成，料液经第一级萃取（每级萃取由萃取器与分离器所组成）后分离成两相。萃余相流入下一个萃取器，再加入新鲜萃取剂继续萃取。萃取相则分别由各级排出，混合在一起，再进入回收器回收溶剂，回收得到的溶剂仍作萃取剂循环使用。,特点：优点：由几个单级萃取单元串联组成，萃取剂分别加入各萃取单元；萃取推动力较大，萃取效率较高。缺点：仍需加入大量萃取剂，因而产品浓度稀，需消耗较多能量回收萃取剂。,3、多级逆流萃取操作,在多级逆流萃取中，在第一级中加入料液，并逐渐向下一级移动，而最后一级加入萃取剂，并逐渐向前一级移动，料液移动的方向和萃取剂移动方向相反，故称为逆流萃取。在逆流萃取中，只在最后一级加入萃取剂，故和错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液平均浓度较高。,特点：亦由几个单级萃取单元串联组成，料液和萃取剂分别从两端连续加入，互成逆流接触；在三种操作方式中，萃取效率最高，萃取剂用量最少，因而工业上普遍采用。塔式萃取器,第三节双水相萃取,一、双水相系统：某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可形成两相系统。除双聚合系统，聚合物与无机盐也可形成双水相。应用：主要用于胞内蛋白质的分离纯化。（目标蛋白分配上相，细胞碎片分配于下相),形成原因：聚合物的不相容性，即聚合物分子的空间阻碍作用，无法形成均一相，具有相分离倾向，一定条件下分成两相。当两种聚合物溶液相互混合时，究竟是否分层或混合成一相，决定于两种因素，一为熵增加，另一为分子间作用力。,双水相萃取是利用物质在不相溶的，两水相间分配系数的差异进行萃取的方法是否分层或混合成一相，取决于：熵增与分子数目有关分子间作用力与分子大小有关可以构成双水相的体系有：离子型高聚物非离子型高聚物（分子间斥力）PEGDEXTRAN高聚物相对低分子量化合物（盐析作用）PEG硫酸铵,常用于生物分离的双水相系统：1、双聚合物：聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dx)。该系统上相富含PEG，下相富含Dx；2、聚合物与无机盐：聚乙二醇(PEG)/磷酸钾（KPi)。该系统上相富含PEG，下相富含KPi。,双水相系统的相图（双结点线）系线：连接双结点线上两点的直线。系线长度：衡量两相间相对差别的尺度。越长则两相间性质差别越大，反之则越小；趋向于零时（临界点），两相差别消失，成为均一相。,杠杆规则,VTVB,BMMT,=,二、双水相中的分配平衡,溶质在双水相中的分配系数：,其中：C2和C1分别表示平衡状态下上相和下相中溶质的浓度。,影响分配系数的主要因素：溶质与双水相系统间的静电作用和疏水作用。,其中：HF和HFS分别表示双水相系统和蛋白质的疏水性；F、R和T分别为法拉第常数、气体常数和绝对温度；Z为溶质的净电荷数；为相间电位。,三、影响萃取效果的因素,1、聚合物的分子量当聚合物的分子量降低时，蛋白质易分配于富含该聚合物的相。2、聚合物的浓度总浓度越大则两相性质差别越大，系线越长，蛋白质越容易分配于其中的某一相。,3、盐的种类和浓度,其中：m+和m分别为电解质的阳离子和阴离子的分配系数；Z和Z分别为电解质的阳离子和阴离子的电荷数。,水溶液中，存在的离子会影响溶质在两相的分配，在一个含水混合物中引入盐时，由于盐的阳离子和阴离子不均匀分配会在界面产生一个电位。,（1）影响：,（2）影响HFS不同盐的盐析效果不同，盐的种类和浓度影响蛋白质的HFS：A、由于盐析作用，盐浓度增加则蛋白质表面疏水性增大。B、盐浓度不仅影响蛋白质表面的疏水性，而且扰乱双水相系统：改变上、下相中成相物质的组成和相体积比。,如PEG/KPi系统中，PEG、KPi浓度以及氯离子在上、下相中的分配平衡随NaCl增大而改变，这种相组成的改变直接影响蛋白质的分配系数。离子强度对不同蛋白质影响程度不同，通过调节双水相系统中的盐浓度，可有效地萃取分离不同的蛋白质,4、pH值（1）PH会影响蛋白质中可解离基团的离解度，因而改变蛋白质所带电荷和分配系数。（2）PH影响：影响磷酸盐的解离。,5、温度主要影响双水相系统的相图。温度影响相图，临界点附近，尤为显著，因而也影响分配系数，但当远离临界点时这种影响较小。大规模双水相萃取操作一般在室温下进行：PEG对蛋白质有稳定作用；温度高时溶液粘度较低，容易相分离；节省冷却费用。,四、双水相萃取操作,1、双水相系统的选择根据目标蛋白质和杂质的疏水性、分子量、等电点和表面电荷等性质上的差别，综合利用静电作用、疏水作用和添加适当种类和浓度的盐，可选择性萃取目标产物。设计试差实验，确定最佳萃取系统：常利用多组10mL刻度离心管进行分配平衡实验，直接放大到工业规模。,A、配制高浓度的聚合物和盐的备用溶液，利用其配制一系列不同浓度、pH和离子强度的双水相；B、加入料液后，再加水稀释，然后充分混合；C、离心使两相完全分离；D、分别测定上、下相中目标产物浓度或生物活性，计算分配系数。,具体实验步骤如下：,2、胞内蛋白质的萃取（1）优势可选择性地使细胞碎片分配于下相，目标产物分配于上相，同时实现目标产物的部分纯化和细胞碎片的除去。（2）实际操作A、细胞匀浆液浓度选择为降低成本，应尽量高，但过高会扰乱系统，降低分配系数，系统粘度增高，相分离困难。一般上限为200400g湿细胞/Kg萃取系统。,B、相平衡与相分离相平衡：将固状（或浓缩）聚合物和盐直接加入细胞匀浆液中，同时搅拌使之溶解，形成双水相，溶质在两相中发生物质传递，达到分配平衡。同时由于双水相系统表面张力很小，相分散容易，达到分配平衡时间很短，一般只需几秒；相分离：利用离心沉降可大大加快相分离速度，并易于连续化操作。对含细胞碎片的萃取系统，少于40秒。,五、应用,1、多步萃取细胞匀浆液中目标产物可经过多步萃取获得较高的纯化倍数。,2、大规模双水相萃取,由于双水相系统相混合能耗低，相平衡时间短，故双水相萃取规模放大非常容易。Kala等利用10mL刻度离心管的实验得到数据，直接放大处理200Kg细胞匀浆液规模，获得成功。双水相萃取，生物分离特有，用于胞内酶即蛋白质提取。,第四节液膜萃取,定义：液膜是由水溶液或有机溶剂（油）构成的液体薄膜，将与之不能互溶的液体分隔开来，使其中一侧液体中的溶质选择性透过液膜进入另一侧，实现溶质间的分离。特点：液膜结构独特，分离性能高效，可实现萃取和反萃取一步完成。应用：有机酸、氨基酸和抗生素等小分子生物产物的分离纯化。,1、乳状液膜,生物分离中主要应用（W/O)/W型，其内、外相为水相，液膜主要成分为有机溶剂。,（1）,一、液膜的种类,（2）结构与组成,乳化液滴直径:0.12mm膜相厚度:110m内部微水滴:数m水滴数1、几十、上百个,（3）制备过程向溶有表面活性剂和添加剂的油中加入水溶液，进行高速搅拌或超声波处理，制成W/O型乳化液；将上步制得的乳化液分散到第二水相（通常为待分离的料液）进行第二次乳化即可制成(W/O)/W型乳状液膜，此时第二水相为连续相。,2、支撑液膜制备：将多孔高分子固体膜浸在膜溶剂中，使膜溶剂充满膜的孔隙而形成。特点：结构简单，放大容易；但膜相使用中容易流失，造成分离性能下降。,3、流动液膜也是一种支撑液膜，但可弥补膜相易流失的缺点；膜相强制流动或减小厚度可减小传质阻力。,二、液膜萃取机理,根据待分离溶质种类的不同，主要分为：,1、单纯迁移又称物理渗透，主要基于溶质间分配系数的差别实现分离。无溶质浓缩效应。,2、反萃相化学反应促进迁移又称为型促进迁移，在有机酸等弱酸性电解质的分离中，可利用强碱（如NaOH）溶液为反萃相。溶质在反萃相可得到浓缩，并且萃取速度快。RCOOH+NaOHRCOO-+Na+,3.膜相载体输送又称型促进迁移。在膜相加入可与目标产物发生可逆化学反应的萃取剂（流动载体）。在膜相中加入一种流动载体R1,可与料液中溶质A发生化学反应.A+R1AR1(络合物)AR1+R2A+R1+R2,特点：可提高溶质的渗透性和选择性，而且载体输送具有能量泵的作用，使目标溶质从低浓区沿反浓度梯度方向向高浓区持续迁移。,根据向流动载体供能方式不同，分为：反向迁移供能物质与目标溶质迁移方向相反氨基酸及有机酸的载体输送是典型的反向迁移。,同向迁移供能物质与目标溶质迁移方向相同。钾离子的载体输送（钾离子泵）是典型的同向迁移。,三、影响因素(乳状液膜萃取),1、膜溶剂粘度影响乳状液膜稳定性、液膜厚度和传质系数；当分离需要流动载体时，应对其有较高的溶解度,2、表面活性剂HLB值：亲油亲水平衡值。HLB36(W/O)/W型乳状液膜。HLB815(O/W)/O型乳状液膜。普遍采用非离子型表面活性剂，如Span80（失水山梨醇单油酸酯）配成乳状液膜，并在低浓度下乳化效果好。表面活性剂浓度合适，过高萃取效果下降，过低乳状液膜稳定性差。,3、流动载体基本要求：仅溶于液膜相，对目标产物有特异性输送作用。,4、操作条件,（1）pH值对氨基酸和有机酸等弱电解质的萃取，pH影响其荷电形式及不同电荷形式的存在分率，从而影响萃取率。（2）搅拌速度影响乳化液的分散和液膜的稳定性，过低则操作时间长；过高则液膜易被破坏。,（3）反萃相对于型和型促进迁移的萃取过程，反萃相组成和浓度影响萃取速度和选择性。（4）操作温度一般在常温下进行，因过高虽然可提高萃取速度，但同时膜相挥发速度加快，甚至造成表面活性剂分解，对维持液膜稳定性不利。,（5）操作时间因乳状液膜为高度分散体系，相间接触比表面积极大，且液膜很薄，传质阻力小，故在短时间内可萃取完全。时间过长反而会引起液膜的破坏。,四、乳状液膜萃取操作过程,制乳,萃取,分离,破乳,