第四章 萃取分离技术PPT课件

第四章萃取分离技术 第一节萃取分离的基本原理第二节双水相萃取第三节超临界流体萃取第四节反胶束萃取第五节化学萃取 2 萃取的概念液 液萃取从机理上分析可分为哪些 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 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 通过本章学习应掌握以下内容 3 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 4 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 第一节萃取分离的基本原理 5 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 6 杂质 溶质 原溶剂 萃取剂 Lightphase Heavyphase 7 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 8 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 9 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 10 优点 萃取过程具有选择性 能与其他需要的纯化步骤 如结晶 蒸馏 相配合 通过转移到具有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 可从潜伏的降解过程中 如代谢或微生物过程 分离产物 适用于各种不同的规模 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 11 萃取的分类 1按组分数目分 多组元体系 原料液中有两个以上组分或溶剂为两种不互溶的溶剂三元体系 原料液中含有两个组分 溶剂为单溶剂2按有无化学反应分 物理萃取 萃取过程中 萃取剂与原料液中的有关组分不发生化学反应化学萃取本章主要讨论三元体系的物理萃取 12 萃取方式 单组分萃取 双组分萃取 回流萃取 单级萃取或并流接触萃取 多级错流萃取 多级逆流萃取 连续逆流萃取 微分萃取 分馏萃取 13 对于一种液体混合物 究竟是采用蒸馏还是萃取加以分离 主要取决于技术上的可行性和经济上的合理性 一般地 在下列情况下采用萃取方法更为有利 1 原料液中各组分间的相对挥发度接近于1或形成恒沸物 若采用蒸馏方法不能分离或很不经济 2 原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发组分 若采用蒸馏方法须将大量稀释剂汽化 能耗较大 3 原料液中需分离的组分是热敏性物质 蒸馏时易于分解 聚合或发生其它变化 4 其它 如多种金属物质的分离 核工业材料的制取 治理环境污染等 14 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 15 连续逆流萃取装置 16 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 17 18 操作流程 19 步骤 萃取剂 S 和含有组分的料液混合接触 进行萃取 溶质 A 从料液转移到萃取剂中 分离互不相溶的两相并回收溶剂 萃余液脱溶剂其中离开液 液萃取器的萃取剂相称为萃取液 用E表示 经萃取剂相接触后离开的料液相称为萃余液 用R表示 选用的溶剂称为萃取剂 以S表示 原料液中易溶于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 20 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 21 离心萃取器 22 萃取罐 23 24 萃取分离的特点 1 简便快速 有分液漏斗即可 2 有较高的灵敏度 选择性 3 应用广泛 4 手工操作 工作量大 5 所用有机溶剂易挥发 易燃和有毒 25 萃取过程的本质 是将物质由亲水性转化为疏水性的过程 任务 选择适当的萃取剂 在适当的条件下 促使物质由亲水性向疏水性转化 物质亲水性与疏水性强弱的规律 3 物质含疏水性基团越多 其疏水性越强 常见的疏水基团 烷基 芳香基等 1 凡是离子都有亲水性 2 物质含亲水性基团越多 其亲水性越强 常见的亲水基团 OH SO3H NH2 NH等 26 27 28 萃取溶剂的选择 选择一种对被分离物质溶解度大而对杂质溶解度小的溶剂 使被分离物质从混合组分中有选择性地分离 选择一对被分离物质溶解度小而对杂质溶解度大的溶剂 使杂质分离 溶剂的选择原则 相似相溶 常见溶剂的极性大小顺序 饱和烃类 全氯代烃类 不饱和烃类 醚类 未全氯代烃类 酯类 芳胺类 酚类 酮类 醇类 水 29 常见溶剂极性表 30 31 32 双水相现象是当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一溶剂时 由于聚合物之间或聚合物与盐之间的不相容性 当聚合物或无机盐浓度达到一定值时 就会分成不互溶的两相 因使用的溶剂是水 因此称为双水相 在这两相中水分都占很大比例 85 一95 活性蛋白或细胞在这种环境中不会失活 但可以不同比例分配于两相 这就克服了有机溶剂萃取中蛋白容易失活和强亲水性蛋白难溶于有机溶剂的缺点 第二节双水相萃取 33 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 可形成双水相的双聚合物体系很多 如聚乙二醇 polyethyleneglycol PEG 葡聚糖 dextran Dx 聚丙二醇 polypropyleneglycol 聚乙二醇和甲基纤维素 methylcellulose 葡聚糖等 双水相萃取中常采用的双聚合物系统为PEG Dx 该双水相的上相富含PEG 下相富含Dx 除双聚合物系统外 聚合物与无机盐的混合溶液也可形成双水相 例如 PEG 磷酸钾 KPi PEG 磷酸铵 PEG 硫酸钠等常用于生物产物的双水相萃取 PEG 无机盐系统的上相富含PEG 下相富含无机盐 34 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 易于连续操作 处理量大 适合工业应用 双水相萃取的优点 35 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 36 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 双水相系统中目标物分配系数的影响因素 37 38 超临界流体 当一种流体处于其临界点的温度和压力之下 则称之为超临界流体 超临界流体 SCF 是指在临界温度和临界压力以上的流体 高于临界温度和临界压力而接近临界点状态 称为超临界状态 处于超临界状态时 气液两相性质非常接近 以至于无法分辨 故称为SCF 特点 密度接近液体 萃取能力强粘度接近气体 传质性能好 第三节超临界流体萃取 39 超临界流体萃取技术 萃取原理 超临界流体具有选择性溶解物质的能力 并随着临界条件 T P 而变化 超临界流体可从混合物中有选择地溶解其中的某些组分 然后通过减压 升温或吸附将其分离析出 40 41 超临界流体的主要特性 密度类似液体 因而溶剂化能力很强 压力和温度微小变化可导致其密度显著变化压力和温度的变化均可改变相变粘度 扩散系数接近于气体 具有很强传递性能和运动速度SCF的介电常数 极化率和分子行为与气液两相均有着明显的差别 42 超临界流体的性质 SCF传递特性与气体 液体的特征比较 43 临界点 参见P41T 31 1 P 7 38MPa优点 缺点 临界条件温和设备投资大产品分离简单无毒 无害不燃无腐蚀性价格便宜 超临界二氧化碳萃取 44 大型超临界流体萃取装置 45 五粮液公司的超临界萃取装置 46 超临界二氧化碳萃取流程图 47 超临界CO2萃取的特点 可以在接近室温 35 40 及CO2气体笼罩下进行提取 有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散 完整保留生物活性 而且能把高沸点 低挥发度 易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来 由于全过程不用有机溶剂 因此萃取物绝无残留溶媒 同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染 100 的纯天然 符合当今 绿色环保 回归自然 的高品位追求 控制工艺参数可以分离得到不同的产物 可用来萃取多种产品 而且原料中的重金属 无机物 尘土等都不会被CO2溶解带出 48 蒸馏和萃取合二为一 可以同时完成蒸馏和萃取两个过程 尤其适用于分离难分离的物质 如有机混合物 同系物的分离精制等 能耗少 热水 冷水全都是闭路循环 无废水 废渣排放 CO2也是闭路循环 仅在排料时带出少许 不会污染环境 由于能耗少 用人少 物料消耗少 所以运行费用非常低 须在高压下操作 设备与工艺要求高 一次性投资比较大 因此 CO2特别适合天然产物有效成分的提取 对于天然物料的萃取 其产品真正称得上是100 纯天然的 绿色产品 超临界CO2萃取的特点 49 咖啡因萃取植物油 胚芽油 玉米油 亚麻酸天然香料 杏仁油 柠檬油啤酒花尼古丁 超临界流体的应用 50 超临界萃取应用 51 超临界萃取应用 52 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 即形成微团和反微团 第四节反胶束萃取 53 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 54 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 55 56 反胶束萃取 随着基因工程和细胞工程的发展 尽管传统的分离方法 如溶剂萃取技术 已在抗生素等物质的生产中广泛应用 并显示出优良的分离性能 但它却难以应用于蛋白质的提取和分离 其主要原因有两个 一是被分离对象 蛋白质等在40 50 便不稳定 开始变性 而且绝大多数蛋白质都不溶于有机溶剂 若使蛋白质与有机溶剂接触 也会引起蛋白质的变性 二是萃取剂问题 蛋白质分子表面带有许多电荷 普通的离子缔合型萃取剂很难奏效 因此研究和开发易于工业化的 高效的生化物质分离方法己成为当务之急 反胶团萃取法就是在这一背景下发展起来的一种新型分离技术 57 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 58 优点 从所得结果来看 反胶团萃取具有成本低 溶剂可反复使用 萃取率和反萃取率都很高等突出的优点 此外 反胶团萃取还有可能解决外源蛋白的降解 即蛋白质 胞内酶 在非细胞环境中迅速失活的问题 而且由于构成反胶团的表面活性剂往往具有溶解细胞的能力 因此可用于直接从整细胞中提取蛋白质和酶 反胶团溶液形成的条件和特性反胶团溶液的概念 反胶团溶液是透明的 热力学稳定的系统 反胶团 reversedmicelle 是两性表面活性剂在非极性有机溶剂中亲水性基团自发向内聚集而成的 内含微小水滴的 空间尺度仅为纳米级的集合型胶体 所以表面活性剂是反胶团溶液形成的关键 59 1 1表面活性剂 表面活性剂是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 它们都可用于形成反胶团 常用的表面活性剂及相应的有机溶剂见表1 在反胶团萃取蛋白质的研究中 用得最多的是阴离子表面活性剂AOT AerosolOT 其化学名为丁二酸 2 乙基己基磺酸钠 结构式见图 60 这种表面活性剂容易获得 其特点是具有双链 极性基团较小 形成反胶团时不需加助表面活性剂 并且所形成的反胶团较大 半径为15nm 有利于大分子蛋白质进入 常使用的阳离子表面活性剂名称和结构如下 1 CTAB cetyl methyl ammoniumbromide 溴化十六烷基三甲胺 十六烷基三甲基胺溴 2 DDAB didodecyldimethylammoniumbromide 溴化十二烷基二甲铵 61 3 TOMAC triomethyl ammoniumchloride 氯化三辛基甲铵 将阳离子表面活性剂如CTAB溶于有机溶剂形成反胶团时 与AOT不同 还需加入一定量的助溶剂 助表面活性剂 这是因为它们在结构上的差异造成的 62 1 2临界胶团浓度 CriticalMicelleConcentrationCMC 临界胶团浓度 是胶团形成时所需表面活性剂的最低浓度 用CMC来表示 这是体系特性 与表面活性剂的化学结构 溶剂 温度和压力等因素有关 CMC的数值可通过测定各种物理性质的突变 如表面张力 渗透压等 来确定 由于实验方法不同 所得的CMC值往往难于完全一致 但是突变点总是落在一个很窄的浓度范围内 故用CMC范围来表示更为方便 1 3胶团与反胶团的形成 1 将表面活性剂溶于水中 当其浓度超过临界胶团浓度 CMC 时 表面活性剂就会在水溶液中聚集在一起而形成聚集体 在通常情况下 这种聚集体是水溶液中的胶团 称为正常胶团 normalmicelle 在胶团中 表面活性剂的排列方向是极性基团在外 与水接触 非极性基团在内 形成一个非极性的核心 在此核心可以溶解非极性物质 63 2 若将表面活性剂溶于非极性的有机溶剂中 并使其浓度超过临界胶团浓度 CMC 便会在有机溶剂内形成聚集体 这种聚集体称为反胶团 在反胶团中 表面活性剂的非极性基团在外与非极性的有机溶剂接触 而极性基团则排列在内形成一个极性核 po1arcore 此极性核具有溶解极性物质的能力 极性核溶解水后 就形成了 水池 waterpool 当含有此种反胶团的有机溶剂与蛋白质的水溶液接触后 蛋白质及其他亲水物质能够通过螯合作用进入此 水池 由于周围水层和极性基团的保护 保持了蛋白质的天然构型 不会造成失活 64 b a c 反胶团的大小与溶剂和表面活性剂的种类与浓度 温度 离子强度等因素有关 一般为5 20nm 其内水池的直径d用下式计算 65 W0有机相中水与表面活性剂的摩尔比 称为含水率 watercontent 或水活度 M 分别为水的相对分子质量和密度 surf界面处一个表面活性剂分子的面积 N阿佛加德罗常数 常用于制备反胶团溶液的表面活性剂是二 2 乙基己基 琥珀酸酯磺酸钠 AOT AOT在异辛烷中形成的反胶团直径 D 可用下述经验式推算 D 0 3W0 2 4 nm 66 式中右侧第一项为反胶团的水核直径 第二项 2 4nm 为AOT分子长度的二倍 一般反胶团的W0不超过40 因此 AOT形成的反胶团水核直径一般不超过l2nm 其中大致可容纳一个直径为5 10nm的蛋白质 当蛋白质分子与反胶团直径相比大得多时 例如 当相对分子质量超过100 200kD 难于溶解到反胶团中 当反胶团的含水率W0较低时 反胶团水池内水的理化性质与正常水相差悬殊 例如 以AOT为表面活性剂 当W0 6 8时 反胶团内微水相的水分子受表面活性剂亲水基团的强烈束缚 表观粘度上升50倍 疏水性也极高 随W0的增大 这些现象逐渐减弱 当W0 16时 微水相的水与正常的水接近 反胶团内可形成双电层 但即使当W0值很大时 水池内水的理化性质也不能与正常的水完全相同 特别是在接近表面活性剂亲水头的区域内 67 1 4反胶团的溶解作用 由于反胶团内存在微水池 故可溶解氨基酸 肽和蛋白质等生物分子 为生物分子提供易于生存的亲水微环境 因此 反胶团萃取可用于氨基酸 肽和蛋白质等生物分子的分离纯化 特别是蛋白质类生物大分子 关于反胶团溶解蛋白质的形式 有人提出了四种模型 a 为水壳模型 蛋白质位于水池的中心 周围存在的水层将其与反胶团壁 表面活性剂 隔开 b 蛋白质分子表面存在强烈疏水区域 该疏水区域直接与有机相接触 c 蛋白质吸附于反胶团内壁 d 蛋白质的疏水区与几个反胶团的表面活性剂疏水尾发生相互作用 被几个小反胶团所 溶解 68 反胶团的溶解作用 表面性质不同的蛋白质可能以不同的形式溶解于反胶团相 但对于亲水性蛋白质 目前普遍接受的是水壳模型 69 2蛋白质溶入反胶团溶液的推动力 蛋白质溶入反胶团溶液的推动力主要包括表面活性剂与蛋白质的静电作用力和位阻效应 静电作用力在反胶团萃取体系中 表面活性剂与蛋白质都是带电的分子 因此静电相互作用肯定是萃取过程中的一种推动力 其中一个最直接的因素是pH值 它决定了蛋白质带电基团的离解速率及蛋白质的净电荷 位阻效应许多亲水性物质 如蛋白质 核酸及氨基酸等 都可以通过溶入反胶团 水池 来达到它们溶于非水溶剂中的目的 但是反胶团 水池 的物理性 大小 形状等 及其中水的活度是可以用W0的变化来调节的 并且会影响大分子如蛋白质的增溶或排斥 达到选择性萃取的目的 这就是所谓的位阻效应 70 3影响反胶团萃取蛋白质的主要因素 蛋白质的萃取 与蛋白质的表面电荷和反胶团内表面电荷间的静电作用 以及反胶团的大小有关 所以 任何可以增强这种静电作用或导致形成较大的反胶团的因素 都有助于蛋白质的萃取 影响反胶团萃取蛋白质的主要因素 见下表 只要通过对这些因素进行系统的研究 确定最佳操作条件 就可得到合适的目标蛋白质萃取率 从而达到分离纯化的目的 71 3 1水相pH值对萃取的影响水相的pH值决定了蛋白质表面电荷的状态 从而对萃取过程造成影响 只有当反胶团内表面电荷 也就是表面活性剂极性基团所带的电荷与蛋白质表面电荷相反时 两者产生静电引力 蛋白质才有可能进入反胶团 1 对于阳离子表面活性剂 溶液的pH值需高于蛋白质的pI值 反胶团萃取才能进行 对于阴离子表面活性剂 当pH pI时 萃取率几乎为零 当pH pI时 萃取率急剧提高 这表明蛋白质所带的净电荷与表面活性剂极性头所带电荷符号相反 两者的静电作用对萃取蛋白质有利 如果pH值很低 在界面上会产生白色絮凝物 并且萃取率也降低 这种情况可认为是蛋白质变性之故 水相pH值对几种相对分子质量较小的蛋白质的萃取影响见图 72 73 2 对不同相对分子质量的蛋白质 pH值对萃取率的影响有差异性 当蛋白质相对分子质量增加时 只有增大 pH PI 值的绝对值 相转移才能顺利完成 如 糜蛋白酶 相对分子质量为25000 的萃取率在pH值低于pI值2 4时达到最高 而牛血清蛋白 相对分子质量为68000 在相同的系统中根本不发生相转移 这种差异性可解释为 对于包含大蛋白分子的反胶团 其尺寸远大于 空核 的反胶团 萃取时势必要消耗较多的能量 这些能量只能通过较强的静电相互作用得到补偿 用调节pH的作用来增加蛋白质分子表面电荷的方法 正是达到增强静电作用的一条途径 蛋白质的相对分子质量Mr与最佳 pH pI 绝对值呈线性关系 见图 74 3 2离子强度对萃取率的影响 离子强度对萃取率的影响主要是由离子对表面电荷的屏蔽作用所决定的 a 离子强度增大后 反胶团内表面的双电层变薄 减弱了蛋白质与反胶团内表面之间的静电吸引 从而减少蛋白质的溶解度 b 反胶团内表面的双电层变薄后 也减弱了表面活性剂极性基团之间的斥力 使反胶团变小 从而使蛋白质不能进入其中 c 离子强度增加时 增大了离子向反胶团内 水池 的迁移并取代其中蛋白质的倾向 使蛋白质从反胶团内被盐析出来 75 d 盐与蛋白质或表面活性剂的相互作用 可以改变溶解性能 盐的浓度越高 其影响就越大 如KCl离子溶液对萃取核糖核酸酶a 细胞色素c和溶菌酶的影响 见下图 由图可见 在较低的KCl浓度下 蛋白质几乎全部被萃取 当KCl浓度高于一定值时 萃取率就开始下降 直至几乎为零 当然 不同蛋白质开始下降时的KCl浓度是不同的 76 3 3表面活性剂类型的影响前面已经提到阴离子表面活性剂 阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂都可用于形成反胶团 关键是应从反胶团萃取蛋白质的机理出发 选用有利于增强蛋白质表面电荷与反胶团内表面电荷间的静电作用 和增加反胶团大小的表面活性剂 除此以外 还应考虑形成反胶团及使反胶团变大 由于蛋白质的进入 所需的能量的大小 反胶团内表面的电荷密度等因素 这些都会对萃取产生影响 目前研究中常用的AOT反胶团体系和其他体系有许多不足 如不能用于分子量较大的蛋白质的萃取和往往在两相界面上形成不溶性的膜状物等等 为克服这些不足 可通过在单一表面活性剂中加入具有亲和作用的生物表面活性剂或另一种非离子型表面活性剂的方法来改善萃取性能 77 3 4表面活性剂浓度的影响 增大表面活性剂的浓度可增加反胶团的数量 从而增大对蛋白质的溶解能力 但表面活性剂浓度过高时 有可能在溶液中形成比较复杂的聚集体 同时会增加反萃取过程的难度 因此 应选择蛋白质萃取率最大时的表面活性剂浓度为最佳浓度 总结反胶团体系对核糖核酸酶a与伴刀豆球蛋白进行萃取的结果 得到了分配系数K同表面活性剂浓度 S 以及pH值的关系式 1nK A十B pH十 C十D pH ln S 式中系数A B C D取决于蛋白质的性质 可通过实验测定 78 3 5离子种类对萃取的影响 阳离子的种类对萃取率的影响主要体现在改变