萃取过程及设备ppt课件

,第十八章溶剂萃取法(solventextraction),第一讲,1,溶剂萃取概述,萃取：当含有生化物质的溶液与互不相溶的第二相接触时，生化物质倾向于在两相之间进行分配，当条件选择得恰当时，所需提取的生化物质就会有选择性地发生转移，集中到一相中，而原来溶液中所混有的其它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相中，这样就能达到某种程度的提纯和浓缩。萃取在化工上是分离液体混合物常用的单元操作，在发酵和其它生物工程生产上的应用也相当广泛，萃取操作不仅可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，所以广泛应用在抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物的提取上。,2,萃取过程,溶剂萃取概述,3,杂质,溶质,原溶剂,萃取剂,Lightphase,Heavyphase,溶剂萃取概述,4,萃取的基本概念,萃取:溶质从料液转移到萃取剂的过程。反萃取：溶质从萃取剂转移到反萃剂的过程。在完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，将目标产物从有机相转入水相的操作就称为反萃取（Backextraction)物理萃取和化学萃取：物理萃取的理论基础是分配定律，而化学萃取服从相律及一般化学反应的平衡定律。,溶剂萃取概述,5,萃取法是利用液体混合物各组分在某有机溶剂中的溶解度的差异而实现分离的。料液：在溶剂萃取中，被提取的溶液，溶质：其中欲提取的物质，萃取剂：用以进行萃取的溶剂，萃取液：经接触分离后，大部分溶质转移到萃取剂中，得到的溶液，余液：被萃取出溶质的料液称为。,溶剂萃取概述,萃取的基本概念,6,实验室液液萃取过程,溶剂萃取概述,7,一般工业液液萃取过程,8,生物萃取与传统萃取相比的特殊性,生物工程不同于化工生产，主要表现在生物分离往往需要从浓度很稀的水溶液中除去大部分的水，而且反应液中存在多种副产物和杂质，使生物萃取具有特殊性。成分复杂传质速率不同相分离性能不同产物的不稳定性,9,萃取过程有选择性能与其它步聚相配合通过相转移减少产品水解适用于不同规模传质快周期短，便于连续操作毒性与安全环境问题,溶剂萃取法的特点,10,18.1萃取过程的理论基础,液液萃取是以分配定律为基础分配定律：一定T、P下，溶质在两个互不相溶的溶剂中分配，平衡时，溶质在两相中浓度之比为常数。K-分配系数在常温常压下为常数；应用前提条件（1）稀溶液（2）溶质对溶剂互溶没有影响（3）必须是同一分子类型，不发生缔合或离解,11,分配定律推导,当温度一定时，标准化学位为常数,如为稀溶液，用浓度代替活度,根据相律（F=C-P+2），在一定温度和压力下萃取达到平衡时，溶质在两相中的化学位相等：L=H,12,分离因素（）,如果原来料液中除溶质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就得到一定程度的分离。萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因素（）来表征。,13,分离因素表示有效成分A与杂质B的分离程度。=1KA=KB分离效果不好；1KAKB分离效果好；越大，KA越大于KB，分离效果越好。,分离因素（）,14,弱电解质在有机溶剂-水相的分配平衡,分配系数中CL和CH必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。对于弱电解质，在水中发生解离，则只有两相中的单分子化合物的浓度才符合分配定律。例如青霉素在水中部分离解成负离子（青COO），而在溶剂相中则仅以游离酸（青COOH）的形式存在，则只有两相中的游离酸分子才符合分配定律。此时，同时存在着两种平衡，一种是青霉素游离酸分子在有机溶剂相和水相间的分配平衡；另一种是青霉素游离酸在水中的电离平衡（图18-2）。前者用分配系数K0来表征，后者用电离常数Kp来表征。对于弱碱性物质也有类似的情况。,15,青霉素的分配平衡,16,弱电解质的分配系数：,热力学分配系数K0：萃取平衡时，单分子化合物溶质在两相中浓度之比。弱酸性电解质K0AH/AH=弱碱性电解质K0B/B=,Kp=,17,弱电解质的表观分配系数K：,分配达平衡时，溶质在两相的总浓度之比对于弱酸性电解质对于弱碱性电解质,=K0/(110pHpK),=K0/(110pKpH),K0只与T、P有关；K与T、P和pH有关K可通过实验求出，而K0不能，可由公式求出。,18,思考题：将青霉素由水相萃取到丁酯相中，其pK=2.75，萃取条件：pH=2.5，T=10，VFVS=11，测得萃取前发酵液（水相）效价20000u/ml，平衡后废液效价645.2u/ml，求分配系数K和K0,弱酸的表观分配系数：K=K0/(110pHpK)弱酸的表观分配系数：K=K0/(110pKpH),19,20,21,为什么青霉素在酸性（pH2.5）条件下，而红霉素却要在碱性（pH9.8）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？,2不同pH条件影响弱电解质电离，从而影响分子的极性，根据相似相溶原则，在弱极性的丁酯中极性小的分子溶解度比水中大,1根据表观分配系数公式可知，弱酸的表观分配系数：K=K0/(110pHpK)弱酸的表观分配系数：K=K0/(110pKpH)对于弱酸：pHpK时，分配系数大,22,为什么青霉素在酸性（pH2.5）条件下，而红霉素却要在碱性（pH9.8）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？,根据相似相溶原则，在弱极性的丁酯中游离分子极性小，溶解度比水中大，故从水相转入丁酯相中，而发酵液中存在的其它杂质由于极性情况与抗生素不同，故很少进入丁酯中，这样就达到一定程度的纯化,酸性物质：pHpK时，主要以负离子存在；pHpK时，主要以游离分子存在；pHpK时，两种形式各占50,23,18.2有机溶剂萃取的影响因素,1影响萃取操作的因素：pH、温度、盐析2有机溶剂的选择3带溶剂4乳化与去乳化,24,1.pH的影响,pH对表观分配系数的影响（pHK）pH低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配在水相。对弱酸随pHK,当pHpK时，KK0,例：已知penpK=2.75T=10K0=47求:pH4.4pH2.5pH2.0时的K?pH4.4时:pH2.5时:K=30pH2.0时:K=39.9pHK,解释原理:,pHpen-易溶于丁酯,25,26,控制pH，去除杂质例:pen当pHpK时,萃取丁酯中,(1)碱性杂质pKpenpK碱杂当pHpKpen(2.75)pHpK碱杂碱性杂质呈正离子状态，易溶于水相中，自然分离除去,(2)酸性杂质pK酸杂pKpen(2.75)萃取时无法去除;反萃时4.8pH2.75,27,与杂质的分离程度归纳,萃取时杂质自然除去,pK酸杂pK生,萃取时杂质自然除去pK碱杂pHpK生萃取时无法去除反萃取pK碱杂8.4，SPM游离分子含量增加在弱极性的有机溶剂中溶解度增大。,不能过大的理由？pH超过9.0以后，K增加不明显；SPM稳定性下降；极性比SPM更强的杂质（如pK杂9），容易被萃取到有机相中，造成纯度降低。,87,2.萃取时温度为什么应升至35左右？,螺旋霉素在水中的溶解度随温度升高而减小，低温时溶解度较大。因此，萃取时应适当提高温度，有利于螺旋霉素进入有机相。,温度对萃取分配系数的影响,温度过高，容易破坏，因此适宜的萃取温度为35左右。,88,3.反萃取主要为了除去哪类杂质?,极性比螺旋霉素弱的碱性杂质（pK杂pKSPM），使留在有机相，达到进一步提纯目的。,4.适宜的反萃取pH应满足哪些条件?过高或过低有何不利?满足pH7.1（SPM+1和SPM+2含量增大）水相溶解度应使溶液pH（pH，K反）；在SPM稳定范围，酸性水溶液易降解，pH过低，K反值反而减小；使弱碱性杂质除去，提高产品纯度pH不能过低（pK杂pHpKSPM）。,pH对反萃取分配系数的影响,89,5.若萃取液中混有一碱性杂质，极性较弱（pK杂pKSPM）如何除去？,反萃取时除去：适当提高反萃液的pH（pK杂pKSPM（使杂质解离度大，而SPM解离度小）。,6.若萃取液中混有一碱性杂质，极性较强（pK杂pKSPM）如何除去？,90,课堂讨论题2：林可霉素性质：碱性抗生素，分子中有一个胺基pK=7.6；pH7.6，Lin游离分子浓度当pH10.0时,C0=99.6%C+=0.4%选pH10,pH再升高是否更好?Lin几乎都呈游离分子,溶解度不会再增大;且耗碱量多被同时萃取的碱性杂质,分离效率Lin稳定性受影响,92,d.加NaCl,盐析作用:水中溶解度进一步K(1828)两相互溶度易分层。,e.反萃pH:2.0pH7.6原因:,pH2.0:Lin稳定性。,93,2.二级逆流萃取=3K0=15.56,94,课堂讨论题3：,某一弱碱性生化物质，在pH9.0时，用醋酸丁酯萃取，整个萃取过程包括三级，前二级为逆流萃取，将萃余液再经第三级萃取。已知第三级中新鲜丁酯的加入量是发酵滤液的1/10，该物质在pH9.0时的表观分配系数为15，把最终所得的萃取液合并，测得浓缩倍数为3.3。求经三级萃取后的理论收率。,95,解:2和3E2和E32和3,L2S2S3L3,FR2R3,二级逆流:,单级:,96,加热微波是一种频率在300MHz300kMHz的电磁波(波长lmmlm)，具有直线