【生物工程下游技术】第五章-溶剂萃取和浸取

第五章,溶剂萃取和浸取,萃取：利用物质在互不相溶的两相之间溶解度的不同而使物质得到纯化或浓缩的方法。反萃取：调节水相条件，将目标产物从萃取相转入水相的萃取操作。物理萃取：根据相似相溶的原理，溶质在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应的萃取过程。化学萃取:利用萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配。,有机溶剂萃取法广泛应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物工业规模的提取上。,利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行分离操作的。,有机溶剂萃取,比化学沉淀法分离程度高；比离子交换法选择性好、传质快；比蒸馏法能耗低；生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动化控制。,优点,溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型分离技术：超临界流体萃取（Supercriticalfluidextraction）反胶团萃取（Reversedmicelleextraction）双水相萃取技术（Partitionoftwoaqueousphasesystem）等。用于高品质的天然物质、胞内物质（胞内酶、蛋白质、多肽、核酸等）的分离提取上。,用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程称为浸取或浸出。,用温水从甜菜中提取糖，用有机溶剂从大豆、花生等油料作物中提取食用油，用水或有机溶剂从植物中提取药物、香料或色素等。,几种萃取方法的比较,第一节溶剂萃取,一、溶剂萃取过程的理论基础1物质的溶解和相似相溶原理从热力学角度考虑，一个过程要能自动进行，体系的自由能应下降，自由能的变化包括焓变化和熵变化两部分：为了简单起见，忽略熵的变化，并忽略压力和体积变化(一般溶解过程压力和体积的变化很小)，这样只要考虑体系能量的变化即可。,溶解过程的三个能量变化过程,(1)溶质B各质点的分离；原先是固态或液态的溶质B，先分离成分子或离子等单个质点。此过程需要吸收能量，这种能量的大小通常与分子之间的作用力有关，一般顺序为：非极性物质极性物质氢键物质离子型物质(2)溶剂A在溶质B的作用下形成可容纳B质点的空位；此过程也需要吸收能量，其大小与溶剂分子A之间的相互作用力有关，一般顺序与上述相同：非极性物质极性物质氢键物质该能量还与溶质分子B的大小有关。(3)溶质质点B进入溶剂A形成的空位；此过程放出能量，放出能量的大小有以下规律：A、B均为非极性分子一非极性分子、另一极性分子均为极性分子B被A溶剂化,（1）两种惰性溶剂互溶（2）水向油中溶解（3）油向水中溶解（4）水和乙醇的溶解,从能量角度分析几种溶解过程：,“相似相溶”原理,分子之间可以有两方面的相似：一是分子结构相似，如分子的组成、官能团、形态结构的相似；二是能量(相互作用力)相似，如相互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。与水“相似”的物质易溶于水，与油“相似”的物质易溶于油就是相似相溶原理的表现。,2溶剂的互溶性规律,物质分子之间的作用力与物质种类有关，包括较强的氢键力和较弱的范德华力。氢键力与化合键能相比较弱，但比范德华力要强得多。按照生成氢键的能力，可将溶剂分成四种类型。(1)N型溶剂不能形成氢键，如烷烃、四氯化碳、苯等,称惰性溶剂。(2)A型溶剂只有电子受体的溶剂，如氯仿、二氯甲烷等，能与电子供体形成氢键。(3)B型溶剂只有电子供体的溶剂，如酮、醛、醚、酯等，萃取溶剂中的TBP(磷酸三丁酯)、叔胺等。,(4)AB型溶剂同时具备电子受体AH和供体B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：AB(1)型：交链氢键缔合溶剂，如水、多元醇、多元羧酸、多酚等。AB(2)型：直链氢键缔合溶剂，如醇、胺、羧酸等。AB(3)型：生成内氢键分子，例如邻硝基苯酚等，这类溶剂中的电子受体AH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N型或B型相似。,3溶剂的极性,溶剂萃取的关键是萃取溶剂的选择，而选择的依据是“相似相溶”的原则。“相似”有两个方面：一是分子结构相似，这相对容易考察；另一个是分子间作用能相似，即分子问相互作用力相似。在生物工业上，对后一点考察较多的是分子极性。介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量度，如果已知介电常数，就能预测该化合物是极性的还是非极性的。物质的介电常数可通过测定该物质在电容器二极板间的静电容量C来决定。根据萃取目标物质的介电常数，寻找极性相接近的溶剂作为萃取溶剂，也是溶剂选择的重要方法之一。,一个良好溶剂要满足的要求：,(1)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；(2)有良好的选择性，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质；(3)与被萃取的液相互溶度要小，且粘度界面张力小或适中，这样有利于相的分散和两相分离；(4)溶剂的回收和再生容易；(5)化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；(6)经济性好，价廉易得；(7)安全性好，闪点高，对人体无毒性或毒性低。,生物工业上常用的溶剂有酯类、醇类和酮类等。,小知识：,闪点又叫闪燃点，是指可燃性液体表面上的蒸汽和空气的混合物与火接触而初次发生闪光时的温度。闪点可通过标准仪器测定。闪点温度比着火点温度低些。燃点又叫着火点，是指可燃性液体表面上的蒸汽和空气的混合物与火接触而发生火焰能继续燃烧不少于5s时的温度。可在测定闪点后继续在同一标准仪器中测定。可燃性液体的闪点和燃点表明其发生爆炸或火灾的可能性的大小，对运输、储存和使用的安全有极大关系。,4分配定律和分离因数,分配定律：在一定温度一定压力的条件下，溶质分配在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。如果是稀溶液，活度可用浓度代替，则达到平衡时溶质在两相中的浓度之比为一常数。称之为分配系数K，即有,分离因数(),萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因数()来表征：若原来料液中除溶质A以外，还含有溶质B，则由于A、B的分配系数不同，萃取相中A和B的相对含量就不同于萃余相中A和B的相对含量。如A的分配系数较B大，则萃取相中A的含量(浓度)较B多，这样A和B就得到了一定程度的分离。越大，A、B的分离效果越好，即产物与杂质越容易分离。,5水相条件的影响,发酵液中存在与产物性质相近的杂质、未完全利用的底物、无机盐、供微生物生长代谢的其他营养成分等。必须考虑这些物质对萃取过程的影响。(1)pH值直接影响表观分配系数。另外对选择性有影响。pH值还应尽量选择在使产物稳定的范围内。(2)温度温度会影响生化物质的稳定性，所以一般在室温或低温下进行。同时影响分配系数K。(3)盐析硫酸铵、氯化钠等可降低产物在水中的溶解度，还能减小有机溶剂在水相中的溶解度。但过多可能促使杂质一起转入溶剂相，必要时要考虑回收。(4)带溶剂能和产物形成复合物，使产物更易溶于有机溶剂相中，提高分配系数。复合物又要容易分解。,1）青霉素萃取青霉素是有机酸,pH值对其分配系数有很大影响。很明显,在较低pH下有利于青霉素在有机相中的分配,当pH大于6.0时,青霉素几乎完全分配于水相中。从图中可知,选择适当的pH,不仅有利于提高青霉素的收率,还可根据共存杂质的性质和分配系数,提高青霉素的萃取选择性。,溶剂萃取应用,2）红霉素萃取红霉素是碱性电解质，在乙酸戊酯和pH9.8的水相之间分配系数为44.7，而水相pH降至5.5时,分配系数降至14.4。3）红霉素反萃取反萃取操作同样可通过调节pH值实现。如，红霉素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃取则用pH5.0的水溶液。,二、工业萃取方式和理论收得率,工业萃取的流程,料液F与萃取溶剂S一起加入混合器内搅拌混合萃取，达到平衡后的溶液送到分离器内分离得到萃取相L和萃余相R，萃取相送到回收器，萃余相R为废液。在回收器内产物与溶剂分离（如蒸馏、反萃取等），溶剂则可循环使用。,1.单级萃取,使用一个混合器和一个分离器的萃取操作：,L,理论收得率：,E=KVS/VF,E:萃取平衡后，溶质在萃取相与萃余相中数量的比值K:分配系数VF：料液体积VS：萃取剂体积,例1：利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素D,pH3.5时分配系数K=57。令料液体积为450l/h,单级萃取剂流量为39l/h。计算单级萃取的萃取率。,解:单级萃取的萃取因子：E=57*39/450=4.94单级萃取率=4.94/（1+4.94）=0.832,为提高收率常采用多级萃取，多级萃取又有多级逆流萃取和多级错流萃取的区别。,2.多级萃取,多级错流萃取流程的特点：每级均加新鲜溶剂，故溶剂消耗量大，得到的萃取液产物平均浓度较稀，但萃取较完全。,1）若每一级萃取剂流量相等(=L),则：,萃取率=,2）若每一级萃取剂流量不等,则各级的萃取因子Ei也不相同,可采用逐级计算法，为：,萃余率:,萃取率：,=1-n,例2：利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素D,pH3.5时分配系数K=57。采用三级错流萃取,令料液体积为450l/h,三级萃取剂流量之和为39l/h。分别计算L1=L2=L3=13l/h和L1=20,L2=10,L3=9l/h时的萃取率。解:萃取剂流量相等时，E=1.65用右侧方程得：1-3=0.946。若各级萃取剂流量不等,则E1=2.53，E2=1.27，E3=1.14，由右式得1-3=0.942.所以，1-31-3单级萃取的萃取率=0.832,1-n,E=KL/VF,多级逆流萃取流程的特点：料液走向和萃取剂走向相反，只在最后一级中加入萃取剂，萃取剂消耗少，萃取液产物平均浓度高，产物收率较高。工业上多采用多级逆流萃取流程。,萃取率为:,例3：设例2中操作条件不变(L=39l/h),计算采用多级逆流接触萃取时使收率达到99%所需的级数。解：E=KL/VF=4.94;因为收率为99%,即1-n=0.99,则上式得n=2.74,故需要三级萃取操作。由计算可知，采用三级逆流接解萃取的收率为99.3%,高于例2的错流萃取,说明多级逆流接触萃取效率优于多级错流萃取.,三、乳化和去乳化,1乳化乳化是一种液体(分散相)分散在另一种不相混溶的液体(连续相)中的现象。害处：乳化产生后会使有机溶剂相和水相分层困难，产生乳化后使有机相和水相分层困难，出现两种夹带：发酵液中夹带有机溶剂微滴，使目标产物受到损失；有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。原因：是发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质，这些物质具有表面活剂性的作用，使有机溶剂和水的表面张力降低，水易于以微小液滴的形式分散于油相称为油包水型W/O乳浊液；相反，为O/W型乳浊液。,2破乳化,由蛋白质引起的乳化多为O/W型，其粒径在2.530微米之间。表面活性剂的亲水基团强度大于亲油基团。破乳方法：1.过滤或离心分离破乳法；2.化学法：加电解质中和离子型乳油液的电荷；3.物理法：加热、稀释、吸附等；4.顶替法：加入表面活性更大，但因其碳链较短难以形成坚固的保护膜的物质，取代界面上的乳化剂；5.转型法：如在O/W中加入亲油性乳化刑，使乳化液有生成W/O的倾向，但又不稳定，从而达到破乳目的。最好的方法是防止乳化，如蛋白质是乳化起因，就应设法去除蛋白质。,四、萃取设备简介,1单级萃取设备在单级萃取基本完全的情况下，用一套混合器和分离机即可。2多级萃取设备(1)脉动筛板塔(2)转盘塔,第二节浸取,浸取：也称之为浸出，用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程。一、浸取过程的应用前加工：干燥：有助于细细胞膜的破裂，溶剂也容易进入细胞内部直接溶解溶质。滚压：将原料滚压成片，使其减小到0.1一0.5mm，则大豆及许多植物种子的细胞壁极大地破裂，植物油容易进入溶剂。切片：减小水溶剂从水相主体扩散到每个细胞的距离，细胞基本上保持完好，水溶性物质可以通过半透性细胞膜扩散进入水溶剂中，蛋白质和胶体组分因透不过细胞膜而不能溶入水相。,二、浸取速率,浸取过程：(1)溶剂从溶剂主体传递到固体颗粒的表面；(2)溶剂扩散渗入固体内部和内部微孔隙内；(3)溶质溶解进入溶剂；(4)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。一般而言第一、二两步都很迅速，不是浸取过程总速率的控制性步骤。