萃取与离交吸附色谱分离设备培训教程(ppt 71页).ppt

,第二章萃取与离交吸附色谱分离设备,1萃取分离与设备,萃取操作是指将选定的溶剂加入到混合液中，使溶剂与料液充分混合，因混合液中各组分在该溶剂中溶解度不同，可将所需提取的成分达到分离、提取的操作。一般非极性化合物、非水溶性或既能溶于水又能溶于溶剂的极性化合物可采用萃取方法提取。,萃取法特点：分离程度高，选择性好，传质快，对热敏性产物破坏少，能耗低，设备投资少；生产能力大，若采用多级萃取可使产品达到较高浓度，可减少后续过程的设备和操作费用；周期短、易连续和自控等。根据被萃取的原料，萃取分：溶剂萃取法：化学工业广泛于小分子物质的提取；双水相萃取法：常用于大分子物质提取；,一、溶剂萃取：,溶剂萃取操作：指将一种溶剂加入到料液中，使溶剂与料液充分混合，待分离的物质能较多溶解在溶剂中，并与剩余的料液分层，达到分离目的操作。名词：溶质；萃取剂；萃取液；萃余液。溶剂萃取以分配定律为基础。萃取过程由混合、分离、溶剂回收、发酵液预处理等组成。,溶剂回收的目的：减少溶剂用量，降低成本，减少溶剂对环境的污染。常用蒸发浓缩或蒸馏方法回收。发酵液与处理的目的：提高收率，减少设备体积和降低投资费用，减少溶剂用量，便于操作。常用除杂或蒸发浓缩进行预处理。1、溶剂萃取方法：从操作上分单级萃取、多级萃取错流、逆流,A单级萃取：萃取剂S萃取液L设料液体积VF，溶剂体积VS，混合器分离器经萃取达平衡后，料液F萃余液R溶质在萃取相中浓度c1，在萃余相中浓度c2，则：Kc1/c2又Ec1VS/c2VFKVS/VF=K1/mK：分配系数，即萃取相中溶质浓度与萃余相中溶质浓度的比值。m：体积浓缩倍数E：萃取因数，在萃取相中的溶质数量与在萃余相中的溶质数量的比值；,单级,B多级错流萃取：萃余液多次与新鲜溶剂接触萃取三级萃取S1L1S2L2S3L3FR1R2R3若每级新鲜溶剂量相等，则每级萃取因数E也相等，则：未被萃取分率=c2VF/（c2VF+c1VS）=1/E1一级未被萃取分率1=1/E1二级1=1/E12,混合器,混合器,分离器,混合器,分离器,分离器,萃余相溶质数量/溶质总量,经n级萃取后，未被萃取分率n=1/E1n理论收率：1n=E1n1/E1n萃取级数n=n/（E+1）可预测理论级数若每级萃取时的萃取剂不同，则萃取因数E不同则有：n=1/（E1+1）（E2+1）（E3+1）,C、多级逆流萃取：料液加入第一级，顺次下流至最后一级，萃取剂加入最后一级，逐级流过至第一级，料液与萃取剂方向相反。L1萃取剂S例：萃取液L3料F萃余液R3未被萃取的分率：E-1/En+11推导见生物工艺学上册P317,多级,理论收率：1EEn1/En+11理论级数：n(E-1)/+1/E1多级逆流萃取，与相同级数的错流萃取相比，在使用相同的萃取剂条件下，多级逆流萃取可获得更高的收得率。,D】微分间歇萃取将一定量的料液每次用极微量的萃取剂进行多次萃取，而一旦萃取液形成，立即被分离。溶剂经分离回收后又再次进行萃取。,例：当某萃取系统，萃取因数E4单级理论萃取率：1-=E/（E+1）=4/5=80%若改为二级错流萃取，总萃取剂不变，E1=E2=2则理论萃取率：1-2=（E+1）2-1/（E+1）2=8/9=88.9%若改为二级逆流萃取，只在最后加萃取剂E=4，逆流萃取收率：1E（E2-1）/（E2+1-1）=415/63=95.2%即多级错流萃取比单级优越，同级逆流萃取比错流萃取优越，逆流萃取具有使用萃取剂量少，萃余液浓度高，更经济适用。,2、萃取剂的选择,分配系数K越大越好（K为萃取相中溶质浓度与萃余相中溶质浓度的比值）；料液的原溶剂与萃取剂不互溶；不产生乳化现象，有利于分离；毒性要低，腐蚀性要小；稳定性要高，蒸气压低；廉价易得。,3、萃取操作条件的选择（影响因素）：A】温度：降低系统的温度可提高效率，分离度相应提高，但易导致大，扩散系数小，多维持在室温或稍低。B】pH的影响：影响选择性及分配系数。酸性产物在酸性条件下萃取到萃取剂中；反之亦然红霉素在pH9.8和pH6.5萃取时相差650倍；青霉素pH92.5和pH7.0相差1000倍。C】溶媒比（萃取量与料液量之比）溶媒比大，整个萃取分离效率提高，对要求达到一定分离程度的料液，其分离级数可减少，而级数不变时，可提高产物收得率。,影响因素,D】盐析、带溶剂、去乳化作用：盐析剂：硫酸铵、氯化钠等可使产物在水溶液中溶解度降低，有利于产物萃取到萃取剂中。提VB12带溶剂：水溶性强、在有机萃取剂中溶解度小的产物，可加入带溶剂和产物形成复合物，再提取分离例：柠檬酸在酸性条件与带溶剂磷酸三丁酯形成复合物。去乳化：一种液体分散在另一种不相混合的液体中方法：过滤、离心分离、加热、稀释、加电解质、吸附等可破坏乳化。,二、双水相萃取提取蛋白质、核酸等大分子1、萃取原理：亲水性聚合物加入水中形成两相，聚合物以不同比例分配于这两相中，水分在两相中占很大比例。两种聚合物的水溶液混合时，混合结果取决于分子间的作用力：聚合物分子间存在斥力，平衡后形成两相，可分离聚合物分子间存在吸引力，平衡后形成一相，不可分离。影响因素：分子质量、浓度、pH、盐的种类和浓度、操作温度等。双水相萃取优点：可直接从破碎细胞浆液中得到蛋白质,双水相萃取,2、双水相萃取的方法：提胞内酶萃取系统：一次可达到分离、纯化两个目的聚乙二醇（PEG）葡萄糖聚乙二醇（PEG）无机盐（磷酸盐、硫酸盐）例：用PEG/盐提取：天冬氨酸酶、青霉素酰化酶、酒精脱氢酶等，收率均在90以上。分离时，PEG在上相，细胞碎片在下相盐较好一般每kg萃取系统处理200400g湿菌体为宜。,两级双水相萃取流程图：回收PEG（聚乙二醇）PEG+盐细胞悬浮液盐罐破碎机混合器暂存罐离心机废渣产品,冷却,三、萃取操作过程与设备萃取操作包括混合、分离、溶剂回收、发酵液预处理等过程。（一）液-液萃取设备1、液-液萃取设备分类：A】多级接触器：混合分离机、非机械多层塔（筛板塔、泡罩塔）B】微分接触萃取器：非机械重力分离器（喷雾塔、挡板塔、填料塔）、机械重力塔（转盘接触塔、脉动塔）C】离心萃取机：立式、卧式D】碟片离心分离机,2、混合分离器水平式：在混合罐混合，沉降器中分为轻重两相，分别进入下一步操作。立式：各级重叠，形成一个箱式整体，带搅拌，轻重液分别从底部和顶部进入，逆流相对流过。每一级分成混合区和分离区。例：偏心转盘塔,沉降区,混合区,轻液进口,重液出口,重液进口,轻液出口,轻液通道,重液通道,偏心转盘塔内部结构示意图,转盘,横向水平挡板,混合区,澄清区,筛板萃取塔,3、筛板塔和填料塔4、离心萃取机（见后）,填料萃取塔及填料,填料具有自分散功能，可以有效的防止双相之间的夹带。填料应具壁薄、耐热、空隙大、通量大、阻力小、分离效率高等特点。尤适于真空精馏塔，处理热敏性、易分解、易聚合、易结碳的物料。,碳钢、不锈钢、铝合金,5、混合罐：混合罐、混合管、喷射萃取器、泵A立式混合罐：例似机械搅拌罐立式罐：旋浆搅拌器：4001000rpm；涡轮搅拌器：300600rpm；罐内设挡板，罐顶设料液进口管、底部设排料管，混合时间12min。也可在罐内设带中心孔的圆形水平隔板，将混合室分成若干个，加强两相间混合效果。对强腐蚀性的物料，也可用气体搅拌混合罐。,混合罐,蒸汽,溶剂,出渣口,带搅拌的萃取器,蒸汽,萃取液,有关计算：出口流量：Q=VF+VSVF0VS平均混合时间：0V/Qs物料衡算：VF0VS1+VF2罐容V且1/2=K，VF/VS=mQ1，2萃取相、萃余相中溶质浓度kg/m32=0/1K/m；1=0/1/K+1/m上式成立的基础是：两液相间在混合罐内达到完全平衡。实际上，因存在反混、死角、短路及时间所限等原因，不可能达到完全平衡，1和2校正后：,校正后的公式：P2411=0/1/K+1/m1/K2=0/1+K/m/(1+)式中：=kL0/KdP无因次校正系数kLdP/D=2+0.55(dP/）0.5（/D）0.33分散相液滴直径：分散相所占分率H1/1+mdP0.0140.6/0.2(P/V)0.4*H0.5(d/)0.25米液滴环流速度：5.98（P/V）0.20.6/0.4(m/s),kL：溶质在两液相间传质系数m/s；D：两相间分子扩散系数m2/s；：两相间界面张力，N/m。P242例题：达到平衡与否，对萃取浓度有影响。,混合管,B混合管：多用混合排管，一般要求Re510104，液体在管内平均停留1020s；连续操作，优于混合罐。C喷射式混合器：体积小，效率高，适于低粘度交错喷嘴混合：同向射流混合：混合孔板：若两液相容易混合时，也可直接利用离心泵。,（二）固-液萃取设备1、单效间歇萃取采用夹套加热，萃取剂蒸汽经萃取器上部的冷凝器回流，与浓缩蒸发或蒸馏釜耦联，萃取器内带过滤板，实现固液及时分离。,产物,内外夹套萃取器,热水,出渣口,热水进口,萃取液,萃取剂,滤板层,2、多效逆流连续分离萃取器A】螺旋萃取机（分立式、卧式）用螺旋输送机作搅拌混合、输送的设备进行固液萃取。,B】水平式萃取机圆柱形壳下部为渣槽，上部分为分隔成若干空室的回转体（料槽），可缓慢转动。物料由加料口加入第一空室，因转动，当转过该空室后，物料落入下一空室，依次类推。溶剂与物料运动方向相反，有上部喷淋管淋入下面的料槽，与固体料接触萃取。萃取液通过筛板落入下面的料槽，再由泵打到前面的料槽，进行逆流萃取，萃取后的残渣落入料斗口由螺旋输送机送出。,料槽,（三）分离设备：乳浊液，难分离A管式离心机：转速10000rpm以上国产GF105型、1280型；美国的Sharpler型等长筒式转筒底部设料液与萃取剂形成的乳浊液进口，筒顶设轻液、重液出口。B碟式离心机：国产碟片离心机是用提圈调节鼓内轻重液相的分界半径。前苏联CA3型则是在鼓顶不同半径的同心圆上开有若干螺孔来作为分界半径的调节装置。,分离设备,（四）离心萃取机：P245272混合分离一机完成.A多级离心萃取机：一台设备中装有两级或三级混合及分离装置的逆流萃取设备。萃取剂即轻液加入最上面第3级,料液则在第一级加入,萃取轻液相在最下面第1级引出，萃余液即重液则在第3级引出.,B立式连续逆流离心萃取机P246273多次接触多次分离关键件:由11个不同直径的同心圆筒组成转鼓.每个圆筒都在一端开孔,构成料液和萃取剂通道,因相邻筒之间开孔位置上下错开,使液体流动曲折.从中心向外第411筒外壁焊有螺旋导流板延长液体路径，增加两相混合时间。同时，导流板上开设大小不同的缺口,使螺形通道形成很多短路,增加两液相的接触时间.,C倾析式离心机P247273实现重液、轻液和固体间的分离。有卧式、立式两种类型。根据处理量和物料的特点及具体要求选择.,*全醪液分离,用萃取法提取发酵产品时，原位全醪液分离工艺，可以大大提高效率，降低成本。利用传统的有机溶剂萃取工艺易发生乳化现象，而且需要萃取、反萃取反复操作才能有结晶成为产品。采用双水相萃取技术，可以避免乳化，直接从醪液中分离纯化。细胞、细胞碎片和培养基的不溶性物对分配行为没有显著影响，故可以在不同批次的发酵液中取得几乎相同的结果。细胞和产物分离在两相，避免了胞内降解酶类对产物的破坏作用。,工艺方面,设备方面,工业生产时，应考虑达到萃取平衡所需的时间和两相分离的设备：在两相系统中，若表面张力很低时，搅拌时极易分散成微滴，几秒中即可达到平衡，且能耗也很少。若两相系统中，若表面张力很大时，搅拌时不易分散，两相分离比较困难，粘度较大，易引起阻塞，可采用自动除渣的喷嘴分离机。,分离流程示意图,*超临界流体萃取,超临界萃取技术是现代化工分离中出现的最新学科，是目前国际上兴起的一种先进的分离工艺。所谓超临界流体是指热力学状态处于临界点(Pc、Tc)之上的流体，临界点是气、液界面刚刚消失的状态点。,超临界流体具有十分独特的物理化学性质，它的密度接近于液体，粘度接近于气体，而扩散系数大、粘度小、介电常数大等特点，使其分离效果较好，是很好的溶剂。超临界萃取即在高压、合适温度下在萃取缸中溶剂与被萃取物接触，溶质扩散到溶剂中，再在分离器中改变操作条件，使溶解物质析出以达到分离目的。,超临界萃取的特点,操作范围广，便于调节。选择性好，可通过控制压力和温度，有针对性地萃取所需成份。操作温度低，在接近室温条件下进行萃驭，这对于热敏性成份尤其适宜，萃取过程中排除了遇氧氧化和见光反应的可能性，萃取物能够保持其自然风味。从萃取到分离一步完成，萃取后的C02不残留在萃取物上。CO2无毒、无味、不然、价廉易得，且可循环使用。萃取速度快。,一般讲，超临界流体的密度大，其溶解度就大，反之亦然。即超临界流体中物质的溶解度在恒温下随压力P（PPc）升高而增大，而在恒压下，其溶解度随温度（TTc）增高而下降，这种特性有利于从物质中萃取某些易溶解的成分，而超临界流体的高流动性和扩散能力，则有助于所溶解的各成分之间的分离，并能加速溶解平衡，提高萃取效率。,2离子交换分离原理及设备,离子交换树脂广泛用于提取氨基酸、有机酸、抗生素等小分子生物制品。优点：树脂无毒；可再生反复使用；不用或少用有机溶剂，提取成本低；设备简单，操作方便。缺点：生产周期长；pH变化范围大；设备易腐蚀,1、离子交换树脂与分离原理离子交换树脂具有网状立体结构、不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物。树脂有两部分：立体结构的网络骨架且不可移动；可交换的活性离子。活性离子在网络骨架和溶液间自由迁移，当树脂在溶液中时，其活性离子可与溶液中同性离子进行等当量交换。,树脂分类：强酸性阳离子交换树脂：SO3HCH2SO3H弱酸性阳离子交换树脂：COOH、酚羟基OH强碱性阴离子交换树脂：N+(CH3)3CI、-N+(CH3)2C2H4OH弱碱性阴离子交换树脂NH2、=NH、N和吡啶基合成方法：加聚法缩聚法用苯乙烯、丙烯酸酯等含双键材料在含分散剂的介质中加热搅拌悬浮聚合，得到立体网状结构的球体，再进行化学反应引入活性集团。结构确定，性能稳定。带2个或以上功能基的单体通过功能基之间互相作用而制成，结构不确定，性能不稳定。,交换性能比较强酸性弱酸性强碱性弱碱性活性基团磺酸羧酸季胺伯仲叔胺pH对交换能力影响无pH7无pH7盐的稳定性稳定洗涤时水解稳定洗涤时水解再生剂3-5倍1.5-2倍3-5倍1.5-2倍交换速度快慢快慢,交换机理：A+从溶液扩散到树脂表面；A从树脂表面扩散到内部活性中心；A在活性中心发生交换反应；解吸离子B从内部活性中心扩散到树脂表面；B从树脂表面扩散到溶液中。其中，步骤同时发生且速度相等，同时同速，方向相反。交换反应，速度很快。交换过程由内外扩散速度控制。液相流速快，浓度低，颗粒大，吸附弱，趋向内部扩散控制；反之，趋向外部扩散控制。,B+A+,离子交换树脂的选择：离子化合价越高，亲和力大，越易吸附；反之亦然离子水合半径越小，亲和力越大，吸附力越大；pH值影响：强酸、强碱性树脂不受pH影响；弱酸、弱碱树值分别在偏碱、偏酸或中性凝胶型树脂：交联度大，结构紧密，膨胀度小，吸附量大；反之亦然。有机溶剂存在：树脂脱水收缩，结构紧密，吸附力小，但相对提高无机离子吸附力。,2、离子交换设备与计算固定床：单床、多床、复床、混合床动态交换设备流动床：正吸附、反吸附连续流动床：指溶液及树脂以相反方向连续不断流入和离开交换设备；有单床、多床之分。,离子交换设备1常用离子交换罐结构圆筒形，椭圆形底顶；H:D235；树脂高占5070；可用石块或鹅卵石在罐底支撑；材料：不锈钢、普通钢内衬橡胶，防酸碱腐蚀。2反吸附离子交换罐被交换液体由罐底部分布器导入，树脂在罐内呈沸腾状态，废液由罐顶排出。顶部可设计为喇叭状。3混合床交换罐：阴阳树脂混装，制备无盐水。4连续离子交换设备；实验室有用。,计算:上柱量控制饱和量的701树脂量和罐体积单位体积树脂的吸附量mL树脂吸附量：Q1Vq106V：树脂装填量m3产物被树脂吸附的量：Q2V1c1c2106Fc1c2106式中c1、c2进出浓度单位/mL；V1：每批处理量m3F：液体进入交换罐的流量m3/h；：操作时间，h；由Q1=Q2VV1c1-c2/qFc1c2/q,干树脂重量：mV103/V2m：罐中干树脂量，kg；V2：每g干树脂相当于湿树脂体积，mL湿/g干.吸附、水洗、解吸或再生需要时间：V/FV/V2fVH/V2f：吸附、水洗、解吸或再生的交换罐负荷，m3溶液/m3树脂h：操作时的空塔流速，m3溶液/m3床面积h罐体积：VtV/ym3y：正吸附0.50.7,2交换设备放大：放大原则：f=溶液体积流量q/湿树脂体V1根据交换罐负荷相同的原则即f1=f2D2=m1/3D1H2=D2/D1*H1其中m=V2/V1D2/D132根据交换罐中溶液空塔流速相等的原则放大D2=m1/2D1m=A2/A1D2/D12V2=/4*D2H2H2=H1树脂层高度相同,放大,3溶液通过床层的压力降p2001-2H/3dp2正吸附p：液体压力降，Pa；：液体粘度，PaS；：床层空隙率；dp：树脂的平均粒径，m；沸腾时反吸附压降：pHbs-1bgHs-1g溶液的最低流速、最高流速P257。,3吸附分离原理及设备吸附法指用适宜的吸附剂，在一定条件下，使发酵液中的产物被吸附在固定吸附剂的内外表面，再用解吸剂将产物解吸下来，达到分离浓缩的方法。少或不用有机溶剂，适宜稳定性较差物质的分离一、吸附分离原理物理、化学、交换吸附1、吸附等温线吸附达到平衡时，恒温条件下：q=f（c）兰格缪尔Langmuir吸附等温线：q=ac/1+bc浓度很低时：q=ac；中等浓度：q=Kc1/n,吸附,常数由实验定,2、吸附剂的选择A、活性炭：粉末、颗粒、锦纶-活性炭B、活性炭纤维：孔径小，范围窄，外表面积大吸附与解吸速度快，质量轻，成型性好，毛毡、纸片C、球形炭化树脂：可人为控制孔径大小；D、大孔网状聚合物（树脂）吸附剂：选择性好，机械强度高，吸附、解吸速度快，可再生，性能稳定，不污染环境，使用方便。0.20.8mm价格高,3、影响吸附的因素一般要求吸附剂容量大、速度快、机械强度要好；吸附剂性质：颗粒大小：粒度小，吸附速度快；极性化合物选极性吸附剂，反之亦然。吸附物的性质：结构相似者，高熔点者易被吸附溶剂：单溶剂比混合溶剂易被吸附；操作条件：pH一般应选择在解离度最小的条件下吸附,二、吸附设备操作A】搅拌罐内吸附操作：在罐内搅拌吸附一段时间后，经沉降或过滤将吸附剂与液体分开，再解吸。计算：若溶液量V，浓度c0；吸附剂m，开始吸附量q0，吸附之