五萃取PPT课件

.,1,第五章萃取,.,2,5.1基本概念5.2分配定律与分配平衡5.3有机溶剂萃取5.4液液萃取设备及其设计的理论基础5.5双水相萃取5.6液膜萃取5.7反胶团萃取5.8液固萃取5.9超临界流体萃取,.,3,萃取（extraction）是利用液体或超临界流体为溶剂提取物料中目标产物的分离纯化操作。萃取操作中至少有一相是流体，一般称该流体为萃取剂（extractant）。料液：被提取的溶液溶质：欲提取的物质萃取液（剂）：用于萃取的溶剂，以及萃取后得到的溶液都称为萃取液。萃余液：被萃取出溶质的料液,5.1基本概念,.,4,两相接触状态示意图,.,5,料液中溶质浓度的变化速率即萃取速度可用下式表示：式中：c料液相溶质浓度，mol/L；c*与萃取相中溶质浓度呈平衡的料液相溶质浓度，mol/L；t时间，s；K传质系数，m/s；a以料液相体积为基准的相间接触比表面积，m1。,.,6,溶质在两相中的分配平衡是状态的函数，与萃取操作方式（两相接触状态）无关。达到分配平衡所需的时间与萃取速度有关，而萃取速度不仅是两相性质的函数，更主要的是受相间接触方式即萃取操作形式的影响。,萃取过程中料液相混合萃取相溶质浓度的变化,.,7,反萃取在溶剂萃取分离过程中，当完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，往往需要将目标产物转移到水相。这种调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取（backextraction）。,.,8,物理萃取即溶质根据相似相溶的原理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。,.,9,化学萃取利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生产脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配。萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和络合反应等。,.,10,要求：生产的复合物易溶于有机溶剂中，在一定条件下又容易分解。例如，链霉素在中性下能与二异辛基磷酸酯相结合，而从水相萃取到三氯乙烷中，然后在酸性下，再萃取到水相，也称反萃。,.,11,5.2分配定律与分配平衡分配定律在恒温恒压条件下，溶质在互不相溶的两相中达到分配平衡时，如果其在两相中的相对分子质量相等，则其在两相中的平衡浓度之比为常数，称为分配常数。,.,12,萃取过程中常用溶质在两相中的总浓度之比表示溶质的分配平衡，该比值m称为分配系数（distributioncoefficient）或分配比（distributionratio）。当溶质浓度较低时，分配系数为常数，两相中溶质浓度可用Henry型平衡关系表示：,.,13,5.3有机溶剂萃取常用于有机酸、氨基酸和抗生素等弱酸或弱碱性电解质，及疏水性的脂类物质的萃取。,.,14,萃取操作水相物理条件的影响pH物理萃取时，弱酸性物质的分配系数随pH降低而增大，弱碱性物质则相反。如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，分配系数降为14.4。温度一般在常温或较低温度下进行。,.,15,有机溶剂的选择应使目标产物有较大的分配系数和较高的选择性。尽量不要带入较多的杂质；价格低廉；与水不互溶；与水有较大密度差，黏度小，容易相分散和相分离；易回收和再利用；毒性低，腐蚀性低，闪点高，使用安全；不与目的产物反应。,.,16,化学萃取剂带溶剂：能和欲提取的生物物质形成复合物，而易溶于溶剂中，在一定条件下又要容易分解。例如：青霉素作为一种酸，可用脂肪碱作为带溶剂，如正十二烷胺，四丁胺形成复合物而溶于氯仿中。这样萃取收率能够提高，而且可在较有利的pH范围内操作。这种正负离子结合成对的萃取，也称为离子对萃取。,.,17,乳化现象(emulsification)水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象。,乳化层,.,18,产生原因：存在蛋白质等具有表面活性剂的作用，使有机溶剂和水的表面张力降低。油分散于水称水包油型O/W（oilinwater）乳浊液，水分散于油中称为油包水W/O（waterinoil）。,.,19,带来问题：产生乳化后使有机相和水相分层困难，出现夹带：1、水相夹带有机相，产物损失，有机溶剂回收损失；2、有机溶剂夹带水相，给后处理带来困难。,.,20,需尽量避免出现乳化，如出现乳化，需采取一定措施破坏乳化。预处理，去除蛋白质能消除乳化。离心，离心力场中碰撞聚沉。实验室通过轻轻搅拌也可促使其破坏。加入表面活性剂（转型法）O/W型乳浊液中，加入亲油型乳化剂，在乳浊液油从O/W转为W/O的趋向，但条件还不允许形成W/O，因而在转变过程中，乳浊液就被破坏。常用破乳剂：阳离子溴代十五烷基吡啶，阴离子十二烷基磺酸钠。加热，降低黏度，促使乳浊液破坏。,.,21,5.4萃取设备及其设计的理论基础混合澄清式萃取器（mixer-settler）是最常用的液液萃取设备。单级萃取,.,22,对上图物料衡算HxF+LyF=Hx+Ly一般初始萃取相中溶质浓度为0，所以上式变为HxF=Hx+Ly因为H和L可以认为是常数，结合线性平衡（Henry）关系式，可得：式中E为萃取因子（extractionfactor），即萃取平衡后萃取相和萃余相中溶质量之比。,.,23,由E可求得萃余分数和萃取分数1-,.,24,多级错流萃取,离心萃取机,.,25,对第i级的物料衡算y0一般为0。将式代入上式，得到,.,26,即：依次类推，得到,.,27,因此，溶质的萃余分数为萃取分数为（E0）n，,.,28,如果萃取平衡不符合线性关系，或者各级的萃取剂流量不同，则各级的萃取因子Ei也不相同，可采用逐级计算法：,.,29,例题：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m57。采用三级错流萃取，令H450L/h，三级萃取剂流量之和为39L/h。分别计算L1=L2=L3=13L/h和L120，L210，L39L/h时的萃取率。解：萃取剂流量相等时E1.65，由式计算得到,.,30,当各级萃取剂流量不等，则,.,31,多级逆流萃取,.,32,假设各级中溶质的分配达到平衡，并且分配平衡符合线性关系（y=mx）第i级的物料衡算式为Lyi+Hxi=Lyi-1+Hxi+1(i=1,2,n)对于第一级I=1，设y00，则x2=(Ly1+Hx1)/H=(Lmx1+Hx1)/H=(E+1)x1同样对第二级，x3=(E2+E+1)x1对第n级，xn+1=(En+En-1+E+1)x1或,.,33,则萃余分数为萃取分数为,.,34,例题：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m57。采用多级逆流萃取，令H450L/h，萃取剂流量为39L/h。计算萃取率达到99所需的级数。解：EmL/H4.69；因为收率为99，即1-n0.99，由式计算得到n=2.74，故需三级萃取操作。计算采用三级逆流萃取操作的收率为99.3%，高于错流萃取操作。说明多级逆流接触萃取效率优于多级错流萃取。,.,35,5.5双水相萃取(aqueoustwo-phaseextraction)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，并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统。利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质，Albertsson于20世纪50年代后期开发了双水相萃取法，又称双水相分配法（aqueoustwo-phasepartitioning）。,.,36,热力学第二定律，混合是熵增加的过程，因而可自发进行。分子间存在相互作用力，并且随相对分子质量的增大而增大。两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。,.,37,聚乙二醇（polyethyleneglycol,PEG），葡聚糖(dextran,Dx)，聚合物的不相容性（incompatibility）使其形成两相。这两相中，水分都占很大比例（8595），亲水，不会引起蛋白质失活。聚合物与盐类溶液也能形成两相。应用较多的是PEG/Dx和PEG/无机盐，无毒，且能对蛋白质起稳定作用。,.,38,分配平衡，与溶剂萃取相同。生物分子的分配系数取决于溶质与双水相系统间的各种相互作用，主要有静电作用、疏水作用和生物亲和作用等。,.,39,PEG/Dx,PEG/KPi,.,40,杠杆规则：在系线上各点处系统的总浓度不同，但均分成组成相同而体积不同的两相。两相的体积近似服从杠杆规则，即VT和VB分别为上相和下相体积，BM和MT分别为B点与M点和M点与T点之间的距离。,.,41,影响分配系数的因素聚合物的相对分子量当聚合物相对分子量降低时，蛋白质易分配于富含该聚合物的相。聚合物的浓度浓度越大，偏离临界点越远，系线越长，两相差越大，蛋白质越容易分配于其中的某一相。盐的影响种类和浓度高浓度时，盐析作用使得蛋白质容易分配至上相。,.,42,pHpH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。pH也会改变磷酸盐的离解程度，使相间电位发生变化，而影响分配系数。对不同盐，pH影响也不同。温度在临界点附近影响较大。离临界点远时，影响较小。大规模的萃取操作一般在常温下进行，不需冷却。因为：PEG对蛋白质有稳定作用，常温下不易失活；容易黏度较低，易分离；可节省冷却费用。,.,43,双水相萃取操作配置不同浓度的双水相，黏度高，称重。加入料液，充分混合。离心分离。分别测定上下相目标产物和总蛋白的量，计算分配系数。分析目标产物的收率和纯化倍数，确定最佳双水相系统。,.,44,双水相萃取的特点：容易放大。可由10ml直接放大到工业规模。两相间表面张力低，轻微搅拌即能形成高度分散系统，有利于底物和产物的传递，平衡容易达到（往往只有几秒钟），可在离心机中边混合边分离，可连续化操作。高分子物质形成的水相有利于生物物质的活性保留。小分子物质也可用双水相萃取，但一般都在PEG/盐体系。适用于一些黏度大、难过滤、易乳化的发酵液。,.,45,两相密度差很小，一般通过碟片式离心机进行分离。,.,46,新发展方向亲和分配蛋白质在双水相体系重的分配系数一般不是很大，为了提高分配系数和萃取效率，可以降亲和层析和两水相结合起来，称为亲和萃取或亲和分配。即把一种配基（ligand）与一种成相聚合物以共价相结合，使该配基随成相聚合物分配在某一相中。配基可以是酶的底物、抑制剂、抗体、受体或染料等，对目标蛋白质有很强的生物亲和力，因而使蛋白质倾向于分配在配基聚合物的相中。,.,47,双水相生物转化在双水相系统中进行转化反应，如酶促反应，可以把产物移入另一相，消除产物抑制，因而提高产率。实际上是一种反应与分离耦合的过程。如果发生的是发酵过程，则也称为萃取发酵。与固定床反应器相比，阻力小，反应速度快，生产能力高；催化剂在该体系中较稳定；两相间表面张力低，轻微搅拌即能形成高度分散系统，有利于底物和产物的传递。,.,48,.,49,5.6液膜萃取,.,50,5.7反胶团萃取（reversedmicellarextraction）研究始于70年代末。还在发展中，不成熟。水溶性胶团反胶团：表面活性剂在有机溶剂中形成的胶团,.,51,.,52,反胶团的形状多为球形或近似球形，有时也呈柱状结构。表面活性剂分子的聚集使反胶团内形成极性核（polarcore），因此有机溶剂中的反胶团可溶解水。反胶团内溶解的水通常称为微水相或“水池（waterpool）”。微水池可溶解氨基酸、肽、蛋白质和核酸等生物分子，为生物分子提供易于生存的亲水微环境，因此反胶团可用于生物分子的分离纯化，特别是蛋白质类生物大分子。,.,53,.,54,5.8液固萃取（浸取）液固萃取通称浸取（leaching），是利用液体提取固体原料中的有用成分的扩散分离操作。例如，从咖啡豆中脱咖啡因，从植物组织中提取生物碱、黄酮类、皂苷等。,.,55,5.9超临界流体萃取超临界流体（supercriticalfluid,SCF）对脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油脂等具有特殊的溶解作用。利用超临界流体为萃取剂的萃取操作称作超临界流体萃取（SCFextraction）。已成功用于食品、药物、化妆品等诸多领域的分离。,.,56,基本概念和理论物质均具有其固有的临界温度和临界压力，在压力温度相图上称为临界点。在临界点以上物质处于既非液体也非气体的超临界状态，称为超临界流体(supercriticalfluid)。不同物质有不同的临界点。,.,57,二氧化碳具有较低的临界点，特别是临界温度接近常温。并且无毒、化学稳定性好，价格低廉。是最常用的超临界流体萃取剂。,.,58,二氧化碳PVT相图。,.,59,优点：1、超临界流体的密度接近液体，具有与液体相近的溶解能力。2、粘度小，自扩散系数大，（接近气体），所以可以迅速渗透到物体的内部溶解目标物质，快速达到萃取平衡。优于液体萃取剂，尤其是在提取固体内有效成分时尤其重要。,.,60,超临界流体萃取操作首先应确定目标产物的溶解度及其与温度和压力的关系。溶解度可通过相平衡理论计算，当两相达到平衡时，各相的逸度(fugacity)相等。影响物质在超临界流体中溶解度的主要因素为温度和压力，所以可通过条件萃取操作的温度和压力优化萃取操作，提高萃取速率和选择性。超临界流体萃取设备通常由溶质萃取槽和萃取溶质的分离回收槽组成，分别相当于萃取和反萃取单元。,.,61,超临界流体萃取主要分为等温法、等压法和吸附法三种操作方式。等温法：通过改变操作压力实现溶质的萃