溶剂萃取法.ppt

Chapter6萃取SolventExtraction 萃取的概念液 液萃取从机理上分析可分为哪两类 常见物理萃取体系由那些构成要素 何谓萃取的分配系数 其影响因素有哪些 掌握单级萃取的过程 掌握多级萃取的萃取级 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 本章应掌握的内容 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 利用在两个互不相溶的液相中各种组分 包括目的产物 溶解度的不同 从而达到分离的目的物理萃取化学萃取 何谓萃取 利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力 分离过程纯属物理过程萃取体系的构成溶质 被萃取的物质原溶剂 原先溶解溶质的溶剂萃取剂 加入的第三组分萃取剂选择原则 使溶质在萃取相中有最大的溶解度 物理萃取 杂质 溶质 原溶剂 萃取剂 Lightphase Heavyphase 萃取法 根据混合物中不同组分在溶剂中的溶解度不同 将所需要的一种或几种组分分离出来的过程称为萃取 又称为提取或抽提 简介 广义溶剂萃取液 固萃取 浸取 固体溶质首先溶解于溶剂 然后由两相的界扩散到溶剂中 多用于提取存在于细胞内的有效成分 例如 用丙酮从菌丝体内提取灰黄霉素液 液萃取 溶剂与被处理的液体互相不混淆 但对液体中的组分有不同的溶解能力 用一种溶剂将物质从另外一种溶剂 如发酵液 中提取出来的方法 液 液萃取 几个概念 料液 在溶剂萃取中 被提取的溶液 溶质 欲被提取的物质 萃取剂 用来进行萃取的溶剂 萃取液与萃余液 料液与萃取剂接触后 料液向萃取剂转移 达到萃取平衡后 大部分溶质转移到萃取剂中 含有溶质的萃取剂溶液称为萃取液 被萃取出溶质以后的料液称为萃余液 相 体系中具有相同物理性质和化学性质的均匀部分 类型 提取目的将经过处理或破碎的组织放置于一定条件下的溶剂中 让被提取的生化产品充分释放出来 浸渍 用冷溶剂从固体物质中提取过程 浸提 煮 用热溶剂从固体物质中提取过程 浸取 用溶剂从液体中将某溶质取出 优点 1萃取过程具有选择性 2能与其他需要的纯化步骤 如蒸馏 相配合 3通过转移到不同的物理或化学特性的第二相中来减少由于降解引起的产品损失 4可从潜伏的降解过程中分离产物 5适用于各种规模 6传质速度快 生产周期短 便于操作 物质的性质与提取方法的选择 物质性质溶解性质 分子量 等电点 存在方式 稳定性 比重 粒度 粘度 目的物含量 主要杂质种类及溶解性 有关酶类的特征 目的扩大目的物与主要杂质在溶解度方面的差异以及它们的稳定性 增加目的物的溶出度 尽可能减少杂质的溶出度 重视生物材料及目的物在提取过程中的活性变化 原则 1酶类生化产品要防止辅酶的丢失和其它失活因素的干扰 2对蛋白质类生化产品要防止其高级结构的破坏 即变性作用 应避免高热 强烈搅拌 大量泡沫 强酸 强碱及重金属的作用 3对多肽类和核酸类生化产品要避免酶的降解作用 提取过程应该在低温下进行 并添加某些酶抑制剂 4对脂类生化产品应该防止氧化作用 减少与空气的接触 可添加抗氧化剂 通入氮气及避光等 活性物质的保护方法 1采用缓冲系统目的 防止某些酸碱基团的解离导致溶液pH的大幅度变化 使某些活性物质变性失活或因pH变化影响提取效果常用缓冲系统 磷酸盐缓冲液 柠檬酸盐缓冲液 Tris缓冲液 醋酸缓冲液 碳酸盐缓冲液 硼酸盐缓冲液注意事项 降低缓冲液浓度以便增加溶质的溶解性能 活性物质的保护方法 2添加保护剂目的 防止某些生理活性物质的活性基团及酶的活性中心受到破坏常用保护剂 A防止巯基被氧化的还原剂 半胱氨酸 a 巯基乙醇 还原型谷胱甘肽 二巯基赤藓糖醇等B适量底物以保护活性中心 C防止重金属离子抑制活性 添加金属螯合剂 活性物质的保护方法 3 抑制水解酶的作用目的 抑制水解酶的活性 防止目的物被降解常见水解酶与抑制剂 A只需要金属离子就可激活 如DNase 的水解酶加入EDTA或用柠檬酸缓冲液 以降低或除去金属离子B对热不稳定的水解酶可选择性热变性C溶解性不同的水解酶可用PH不同的缓冲体系减少酶的释放或降低酶的活力 活性物质的保护方法 3 抑制水解酶的作用D添加酶抑制剂提取RNA时抑制核糖核酸酶可添加的抑制剂有 SDS 十二烷基磺酸钠 蛋白酶K DEP 皂土 肝素提取活性蛋白和酶类时 加入蛋白酶抑制剂有 PMSF 甲基磺酰氟化物 二异丙基氟磷酸 DEP 活性物质的保护方法 其它保护措施避免紫外光 强烈搅拌 过酸 过碱或高温 高频率震荡防止氧化 冷热交替变化 萃取法原理 分配定律 能斯特定律 在一定温度 一定压力下 某一溶质在互不相溶的两种溶剂间分配时 达到平衡后 在两相中的浓度之比为一常数 适用条件 稀溶液 溶质对溶剂的互溶度没有影响 溶质在两相中必须是同一分子形式 不发生缔合或解离 萃取相浓度 萃余相浓度 衡量萃取体系是否合理的重要参数 y 平衡时溶质在轻相中的浓度X 平衡时溶质在重相中的浓度 分配系数 分配系数为 分配系数的对数值与标准状态下的化学势的差值有关 因此 要提高溶质的分配系数 必须提高标准状态下 其在重相与轻相的化学势之差可以采取的方法 改变溶剂改变溶质的特性生成有用离子对 可溶于萃取剂的离子对 表9 5 将强酸弱碱盐或强碱弱酸盐生成弱酸弱碱盐通过改变原溶剂中的pH值 P138 物质溶解度的规律 溶解度本质 固相分子间的相互作用及固 液两相分子间两种作用力的综合平衡的结果 溶剂的作用 最大限度地削弱生物分子间的作用力 尽可能地增加目的分子与溶剂分子间的相互作用力 规律 相似相溶 一方面溶质与溶剂分子结构上的相似性 另一方面溶剂与溶质的分子间作用力相似 溶剂的分类 依据 形成氢键的多少以及形成氢键能力的大小类别 1能形成2个以上氢键的溶剂分子 如 水2能形成2个氢键的溶剂分子 如 脂肪醇3只能做质子受体的溶剂分子 如 脂肪簇的醚类4只能做质子供体的溶剂分子 5不能形成氢键的烃类 如 氯仿注 1 2可作为极性化合物的提取溶剂 3 4可作为溶液中弱极性或非极性化合物 萃取法在生物产品中的应用 从发酵液中萃取化合物主要目的 将化合物从细胞释放的其他类似物中有效的分离出来 从生物反应液或生物转化液中萃取产物主要目的 从未反应的底物中分离反应得到的产物 发酵液中蛋白质的特点 蛋白质在 度不稳定 开始变性 绝大多数蛋白质都不溶于有机溶剂 有机溶剂引起蛋白质变性 蛋白质分子表面带有许多电荷 具有表面活性 存在的问题 生物系统的错综复杂和多组分特性 传质速率 相分离性能 产物的不稳定性 与时间有关的过程行为 萃取溶剂的选择原则 物理化学方面与水溶液不互相溶解 对产物有高的分配系数 与水溶液不发生乳化 低黏度 在密度上同水有大的差别生物学方面在消毒过程中热稳定经济和推理方面对生物催化剂 酶或活细胞无毒性 低成本 能大批供应 对人员无毒 不易燃烧 萃取溶剂的选择依据 利用溶解度参数理论指导溶剂的选择 根据相似相溶的规律选择 根据被提取物的介电常数来选择 水的作用 1高度极性化的极性分子 具有高度的介电常数 2在水溶液中水分子自身形成氢键的趋势很强 分子内聚力 缔合力 强 3水分子的存在可减弱其它生物分子间的氢键 而与水分子形成氢键 4水分子可解离溶质分子的离子键 水合作用 用酸 碱 盐水溶液提取 作用 提取各种水溶性 盐溶性的生化物质原理 提供了一定的离子强度 pH值及相当的缓冲能力常见方法 1用高浓度盐溶液 4mol L盐酸胍 8mol L尿素 2用稀释的硫酸提取胰蛋白酶 用表面活性剂提取 表面活性剂特点 兼有亲水与疏水基团作用 去垢剂 在分布于水 油界面时有分散 乳化和增溶作用类型 阴离子型 阳离子型 中性与非离子性 乳化和去乳化 乳化现象一种液体以细小液滴 分散相 的形式分散在另外一种不相熔的液体 连续相 中 产生原因发酵液经过预先处理和过滤后 除去了大部分非水溶性的杂质和部分水溶性杂质 但残留的杂质如蛋白质等物质具有表面活性 引起乳化负面影响在有机相与水相的界面上形成一稳定的乳化层 使有机相与水相难以分层 乳化剂分子结构特点与类型 由亲油基和亲水基两部分组成 一端为亲水基团或极性部分 等 一端为疏水性基团或非极性部分 烃链 以亲水基团是离子型还是非离子型为主要依据 可分为五大类 阴离子 阳离子 非离子 两性及高分子等 值 定义每一种表面活性剂都有亲水和疏水基团 两种基团的强度的相对关系乳状液的类型水包油型油包水型 去乳化 方法过滤离心分离电解质破坏双电层加热 稀释 吸附加入其他表面活性剂将发酵液中表面活性物质除去 萃取方式 单级萃取只用一个混合器和一个分离器 将料液与萃取剂一起加入萃取器内 并用搅拌器加以搅拌 使两种液体均匀混合 在萃取器内产物由一相转入另外一相 分离得到萃取相和萃余相 萃取相送入回收器 在回收器中将溶剂与产物分离 多级萃取由几个萃取器串联组成 料液经第一级萃取后分离成两个相 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 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 假定传质处于平衡状态有 y 萃取相中溶质的浓度x 萃余相中溶质的浓度由质量守恒定律 单级萃取过程的解析计算方法 由以上两式可得 其中萃取因子 若P为萃取回收率 是工业生产最常用的萃取流程分离效率高产品回收率高溶剂用量少 多级萃取 三级错流萃取装置a 艾德连式三级错流萃取装置b 泵混合分离器三级错流萃取装置c 加挡 齐格勒接触器三级错流萃取装置d 霍米 莫脱接触器 混合 沉降器旋转圆筒萃取塔离心萃取器填充塔喷雾塔旋转圆盘塔 常用萃取设备 离心萃取器 萃取法类型 溶剂萃取反胶束萃取双水相萃取超临界流体萃取 表面活性剂在非极性有机溶剂中形成的一种聚集体当表面活性剂浓度超过临界微团浓度时 表面活性剂会在水溶液中形成聚集体微团和反微团 反胶束萃取 ReversedMicellesExtraction 微团 表面活性剂的极性头朝外 疏水的尾部朝内 中间形成非极性的 核 水 非极性的 核 极性 头 非极性 尾 反微团 表面活性剂的极性头朝内 疏水的尾部向外 中间形成极性的 核 有机溶剂 极性 头 极性的 核 非极性 尾 反胶束萃取几个概念 反胶束表面活性剂分散于连续有机相中一种自发形成的纳米尺度的聚集体表面活性剂由亲水憎油的极性基团和亲油憎水的非极性基团两部分组成的两性分子 可分为阴离子表面活性剂 阳离子表面活性剂和非离子型表面活性剂临界胶束浓度 胶束形成时所需表面活性剂的最低浓度 与表面活性剂的化学结构 溶剂 温度和压力等因素有关 反胶束萃取几个概念比较 正常胶束将表面活性剂溶于水中 当其浓度超过 时 表面活性剂就会在水溶液中聚集在一起而形成聚集体 此时的排列方向为极性基团在外 非极性基团在内 反胶束将表面活性剂溶于非极性的有机溶剂中 并使其浓度超过 便会在有机溶剂内形成聚集体 此时的排列方向为非极性基团在外 极性基团在内 反胶束萃取原理 图 反胶束形成 表面活性剂非极性基团在外与非极性的有机溶剂接触 而极性基团排列在内形成一个极性核 具有溶解极性物质的能力 蛋白质进入反胶束溶液时在两相界面的表面活性剂层 同邻近的蛋白质发生静电作用而变形 接着在两相界面形成了包含有蛋白质的反胶束 此反胶束扩散进入有机相中 从而实现蛋白质的萃取 蛋白质溶入反胶束溶液的推动力与分配特性 推动力 表面活性剂与蛋白质的静电作用力 位阻效应分配特性决定因素 起始两相的结构和性能 蛋白质进入反胶束后对反胶束的结构引起的变化 反胶束萃取优缺点 优点 成本低 溶剂可反复使用 萃取率和反萃取率都很高 有可能解决外源蛋白的降解问题 反胶束的表面活性剂具有溶解细胞的能力 极性 水核 具有较强的溶解能力 生物大分子由于具有较强的极性 可溶解于极性水核中 防止与外界有机溶剂接触 减少变性作用 由于 水核 的尺度效应 可以稳定蛋白质的立体结构 增加其结构的刚性 提高其反应性能 反微团的优点 阴离子表面活性剂AOT阳离子表面活性剂季铵盐 构成反胶团的表面活性剂种类 影响反胶束萃取蛋白质的主要因素 参考表格 反胶束萃取蛋白质的应用 分离蛋白质混合物 浓缩淀粉酶 从发酵液中提取胞外酶 直接提取胞内酶 反胶束萃取用于蛋白质复性 双水相萃取 通过不同的高分子溶液相互混合产生两相或多相系统 利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法 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 PEG DEXTRAN高聚物 相对低分子量化合物 盐析作用 PEG 硫酸铵 双水相萃取原理 溶质在两水相间的分配主要有其表面性质决定 通过在两相间的选择性分配而得到分离 分配系数主要取决于相系统的性质 被萃取物的表面性质和温度 与溶质的浓度和相体积比无关 依据悬浮粒子与其周围物质具有的复杂的相互作用 氢键电荷力疏水作用范德华力构象效应 双水相萃取的原理 双水相的形成 在聚合物 盐或聚合物 聚合物系统混合时 各个聚合物分子倾向于在其周围有相同形状 大小和极性的分子 不同类型分子间的斥力大于同它们的亲水性有关的相互吸引力 此时聚合物发生分离 形成两个不同的相 双水相系统的类型 参考表 双水相萃取优点 可保留产物的活性 整个操作可连续化 在除去细胞或碎片时还可以纯化蛋白质 倍目前应用 生物转化 蛋白质 核酸和病毒等产品的分离纯化和分析 操作条件温和 在常温常压下进行 两相的界面张力小 一般在10 4N cm量级 两相易分散 两相的相比随操作条件而变化 上下两相密度差小 一般在10g L 因此两相分离较困难 目前这方面研究较多易于连续操作 处理量大 适合工业应用 双水相萃取的优点 影响双水相萃取的因素 聚合物的组成 物理化学性质 盐和缓冲液 温度 成相高聚物浓度 界面张力成相高聚物的相对分子量一般来说 蛋白等高分子量物质易集中于低分子量相电化学分配双水相萃取时 蛋白质的分配系数受离子强度的影响很小疏水反应生物亲和分配温度及其它因素 双水