第8章萃取分离

1、萃取分离设备萃取分离设备 第一节第一节 萃取分离设备萃取分离设备 1 1、液、液- -液萃取分离设备液萃取分离设备 2 2、液、液- -固萃取分离设备固萃取分离设备 3 3、超临界萃取分离设备、超临界萃取分离设备 萃取定义：溶质溶解与某种液体中的一种提取方法。萃取定义：溶质溶解与某种液体中的一种提取方法。 萃取原理萃取原理: :根据溶解度的不同而分离根据溶解度的不同而分离 液液- -液萃取：萃取的混合物料为液体。液萃取：萃取的混合物料为液体。 液液- -固萃取：萃取的混合物料为固体。固萃取：萃取的混合物料为固体。 超临界流体萃取：超临界状态下的流体对各组分超临界流体萃取：超临界状态下的流体对各

2、组分 溶解度不同而分离。溶解度不同而分离。 （一）混合设备（一）混合设备 传统的混合设备是搅拌罐传统的混合设备是搅拌罐 1 1、管式混合器、管式混合器 在管道中混合在管道中混合 2 2、气流搅拌混合罐、气流搅拌混合罐 将空气通入液体介质，将空气通入液体介质， 借鼓泡作用发生搅拌。借鼓泡作用发生搅拌。 一、液一、液-液萃取分离设备液萃取分离设备 设备动画设备动画88萃取器萃取器8-018-01混合沉降萃取混合沉降萃取 器器.swf.swf 设备动画设备动画88萃取器萃取器 混合器与澄清器混合混合器与澄清器混合 装置装置.swf.swf 设备动画设备动画88萃取器萃取器 单级转筒式离心萃取单级转筒

3、式离心萃取 器器.swf.swf 3 3、喷嘴式混合器、喷嘴式混合器 利用工作流体在一定利用工作流体在一定 压力下经过喷嘴以高速压力下经过喷嘴以高速 度射度射 出，当流体流至喷嘴时出，当流体流至喷嘴时 速度增大，压力降低产速度增大，压力降低产 生真空，这样就将第二生真空，这样就将第二 种液体吸入达到混合目种液体吸入达到混合目 的。的。 原理原理: :靠两相互不相溶的液体的密度不同，在离心力的靠两相互不相溶的液体的密度不同，在离心力的 作用下，将液体分离。作用下，将液体分离。 1 1、碟片式离心萃取机、碟片式离心萃取机 2 2、管式离心机、管式离心机 （二）分离设备（二）分离设备 一级一级 二级

4、二级 三级三级 下部为混合区下部为混合区,中部是分中部是分 离区离区,上部是外沿重液相上部是外沿重液相 引出区引出区,内沿是轻相引出内沿是轻相引出 区区 新鲜萃取剂由第三级加入新鲜萃取剂由第三级加入, 待萃取料液由第一级加待萃取料液由第一级加 入入,萃取轻相在第一级引萃取轻相在第一级引 出出,萃余重液在第三级引萃余重液在第三级引 出出 （三）离心萃取机（三）离心萃取机 重液相由底部轴周围的套管进入重液相由底部轴周围的套管进入 转鼓后转鼓后,沿螺旋通道由内向外沿螺旋通道由内向外 流经各筒流经各筒,最后由外筒经溢流最后由外筒经溢流 环到向心泵室被排出环到向心泵室被排出. 轻液由底部中心管进入转鼓轻

5、液由底部中心管进入转鼓,流入流入 第十圆筒第十圆筒,从下端进入螺旋通从下端进入螺旋通 道道,由外向内流过各筒由外向内流过各筒,最后从最后从 第一筒经出口排出第一筒经出口排出 由由11个不同直径的同心圆筒组成个不同直径的同心圆筒组成 的转鼓的转鼓,每个圆筒上均在一端每个圆筒上均在一端 开孔开孔,相邻筒开孔位置上下错相邻筒开孔位置上下错 开开, 料液和萃取剂上下曲折流料液和萃取剂上下曲折流 动动 设备动画设备动画88萃取器萃取器8-078-07离心萃取机离心萃取机.swf.swf 设备动画设备动画88萃取器萃取器8-028-02筛板萃取塔筛板萃取塔.swf.swf 设备动画设备动画88萃取器萃取器

6、8-038-03填料萃取塔填料萃取塔.swf.swf 设备动画设备动画88萃取器萃取器8-048-04转盘筛板萃取塔转盘筛板萃取塔.swf.swf 设备动画设备动画88萃取器萃取器8-058-05往复筛板萃取塔往复筛板萃取塔.swf.swf 设备动画设备动画88萃取器萃取器8-068-06脉冲筛板萃取塔脉冲筛板萃取塔.swf.swf 二、液二、液- -固萃取分离设备固萃取分离设备 液液- -固萃取固萃取: :是在一定条是在一定条 件下用一定浸出溶剂从固件下用一定浸出溶剂从固 体原料中浸出有效成分的体原料中浸出有效成分的 过程。过程。 液液- -固萃取分离设备：固萃取分离设备： （一）单级间歇萃

7、取（一）单级间歇萃取 带蒸汽加热夹套的单级带蒸汽加热夹套的单级 间歇萃取装置间歇萃取装置。 （二）多级逆流连续及半连续萃取（二）多级逆流连续及半连续萃取 1 1、多功能提取罐、多功能提取罐 2 2、多级逆流液固萃取罐组、多级逆流液固萃取罐组 第二节第二节 离子交换及其设备离子交换及其设备 根据物质吸附性质的不同，可用根据物质吸附性质的不同，可用吸附法吸附法进行分离；进行分离； 根据分子电离（电负性）的差异，可用根据分子电离（电负性）的差异，可用离子交换法、离子交换法、 电泳法和等电聚焦法电泳法和等电聚焦法等进行分离；等进行分离； 根据分子形状和大小的不同，可用根据分子形状和大小的不同，可用凝胶

8、过滤层析、凝胶过滤层析、 膜分离膜分离等分离；等分离； 根据配体特异性的不同，可用根据配体特异性的不同，可用亲和层析法亲和层析法进行分离。进行分离。 离子交换法：是应用合成的离子交换剂作为 吸附剂，将溶液中的物质，吸附在交换剂上， 然后用合适的洗脱剂将吸附物质从交换剂上 洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。 离子交换树脂是能在水溶液中交换离子的固离子交换树脂是能在水溶液中交换离子的固 体，其分子可以分成三个部分：体，其分子可以分成三个部分： 交联的具有三维空间立体结构的网络骨架交联的具有三维空间立体结构的网络骨架（通（通 常不溶于酸、碱和有机溶媒，化学稳定性良好）常不溶于酸、碱和有机溶媒，化

9、学稳定性良好） 联结在骨架上的功能基联结在骨架上的功能基（活性基）（活性基）； 活性基所带的相反电荷的离子活性基所带的相反电荷的离子（称为可交换离子）（称为可交换离子） 惰性不溶的网络骨架和活性基联成一体，不能自惰性不溶的网络骨架和活性基联成一体，不能自 由移动。由移动。 活性离子则可以在网络骨架和溶液间自由迁移。活性离子则可以在网络骨架和溶液间自由迁移。 当树脂发生离子交换时，其上的活性离子与溶液当树脂发生离子交换时，其上的活性离子与溶液 中的同性离子，按与树脂的化学亲和力不同产生中的同性离子，按与树脂的化学亲和力不同产生 交换过程。交换过程。 离子交换的一般流程离子交换的一般流程 （1）原

10、料液的预处理，使得流动相易于被吸附剂）原料液的预处理，使得流动相易于被吸附剂 吸附；吸附； （2）原料液和离子交换树脂的充分接触，使吸附）原料液和离子交换树脂的充分接触，使吸附 进行；进行； （3）淋洗离子交换树脂，以去除杂质；）淋洗离子交换树脂，以去除杂质； （4）把离子交换树脂上的有用物质解吸并洗脱下）把离子交换树脂上的有用物质解吸并洗脱下 来；来； （5）离子交换树脂的再生。）离子交换树脂的再生。 离子交换过程原理离子交换过程原理 离子交换树脂的分类离子交换树脂的分类 离子交换树脂按活性基团的性质不同可分为：离子交换树脂按活性基团的性质不同可分为： l 阳离子交换剂：前者对阳离子具有交换

11、能力，活阳离子交换剂：前者对阳离子具有交换能力，活 性基团为酸性性基团为酸性 l 阴离子交换剂：对阴离子具有交换能力，活性基阴离子交换剂：对阴离子具有交换能力，活性基 团为碱性。团为碱性。 阴阳离子交换剂又根据其活性基团的电离程度强阴阳离子交换剂又根据其活性基团的电离程度强 弱不同分为：弱不同分为： 强酸性阳离子交换剂强酸性阳离子交换剂 弱酸性阳离子交换剂弱酸性阳离子交换剂 强碱性阴离子交换剂强碱性阴离子交换剂 弱碱性阴离子交换剂弱碱性阴离子交换剂 根据离子交换剂的材料也可分为两类：根据离子交换剂的材料也可分为两类： 1、苯乙烯和聚苯乙烯树脂、苯乙烯和聚苯乙烯树脂 常用于分离离子型小分子（如多

12、肽，糖磷酸脂、抗生素等）常用于分离离子型小分子（如多肽，糖磷酸脂、抗生素等） CH2N+ CH2 CH3 CH3 CH2OH CH2NH3+ CH2NH3+ CH2NH2R + CH2NHR2 + ; 名 称 类 型功 能 团 732或Dowex50强酸性阳离子交换树脂 724或IRC-50弱酸性阳离子交换树脂 711或Dowex1强碱型阴离子交换树脂 763或Dowex2强碱型阴离子交换树脂 704或IR-45弱碱性阴离子交换树脂 701或Dowex3弱碱性阴离子交换树脂 三甲 胺基 SO3- CH 2CH COO - CH2N + CH3 CH3 CH3 CH2N+CH2 CH3 CH3

13、CH2OH CH 2 NH 3 + CH2NHR 2 + CH 2 NH 2R + CH 2 NH 3 + 磺酸 基 2、第二类离子交换剂是多糖类骨架的离子交换树脂第二类离子交换剂是多糖类骨架的离子交换树脂 目前广泛应用在离子交换分离生物大分子上目前广泛应用在离子交换分离生物大分子上 CH2O O OC OCO CH2CH 2 N CH2 CH3 CH2CH3 H + 名称 类型功能团 DEAE-纤维素和 DEAE-葡萄糖 阴离子交换 纤维素 树脂（弱碱性）或葡聚 糖 CM-纤维素和CM-葡 萄糖 阴离子交换 纤维素 树脂（弱酸性）或葡聚 糖 磷酸-纤维素 磷酸-葡聚糖 阴离子交换 纤维素 树

14、脂（强酸性）或葡聚 糖 苯甲酰化DEAE（B- DEAE）-纤维素 和（B-DEAE）- 葡聚糖 阴离子交换树脂（弱碱 性） P O O - O O - O CH 2 COO - CH 2O O OC OCO CH 2 CH 2 N CH 2 CH 3 CH 2 CH 3 H + OCH2CH2 N CH2 H CH2 CH3 CH3 + 2膨胀度 各种离子的交换树脂，都含有极性很强的交换基团，因此亲水 性极强，吸水就膨胀，脱水就收缩。膨胀是可逆地进行的，其 程度随树脂的交联度、相反离子的种类和浓度、外部溶液的浓 度而变化。 3交联度： DVB的含量% 树脂的性质随着作为交联剂的DVB的含量不

15、同而有所差异。通 常是8%12%。一般说来，交联度越大，树脂越坚固，在水中 不易溶胀。而交联度减少，树脂变得柔软，容易溶胀。 1外观 大多数商品树脂多制成球形，其直径为0.21.2mm。 一般有黄、白、黄褐、红棕等几种颜色。 4交换容量交换容量 交换容量是单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交交换容量是单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交 换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数，是表征树脂交换能力的主要参换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数，是表征树脂交换能力的主要参 数。数。 蛋白质等生物大分子与小分子化合物的离子交换特性有很大差蛋白质等生物大分子与小分子化合物的离子交换特性有很大差 别

16、：蛋白质的分子量大，树脂孔道对其空间排阻作用大，不能与所有别：蛋白质的分子量大，树脂孔道对其空间排阻作用大，不能与所有 的离子交换活性中心接触；离子交换吸附的蛋白质分子会妨碍其他蛋的离子交换活性中心接触；离子交换吸附的蛋白质分子会妨碍其他蛋 白质与未吸附蛋白质的离子交换基团发生作用，并阻碍蛋白质扩散进白质与未吸附蛋白质的离子交换基团发生作用，并阻碍蛋白质扩散进 入到其他交换区域；蛋白质带多价电荷，在离子交换中一般可与多个入到其他交换区域；蛋白质带多价电荷，在离子交换中一般可与多个 离子交换基发生作用。因此，蛋白质的交换容量远低于小分子化合物离子交换基发生作用。因此，蛋白质的交换容量远低于小分子

17、化合物 的交换容量。的交换容量。 5滴定曲线滴定曲线 滴定曲线是检验和测定离子交换剂性能的重要数据，可估算离子交滴定曲线是检验和测定离子交换剂性能的重要数据，可估算离子交 换剂的交换容量，可推算不同离子交换基团的数目。同时，滴定曲换剂的交换容量，可推算不同离子交换基团的数目。同时，滴定曲 线还表示交换容量随线还表示交换容量随pH的变化。因此，滴定曲线比较全面地表征了的变化。因此，滴定曲线比较全面地表征了 离子交换剂的性质。离子交换剂的性质。 2动力学动力学 由于树脂放入水溶液中表面就会始终存在一层薄膜，所以离子交由于树脂放入水溶液中表面就会始终存在一层薄膜，所以离子交 换过程一般包含有下列五个

18、步骤。换过程一般包含有下列五个步骤。 （）液相中的反离子扩散到树脂表面；（）液相中的反离子扩散到树脂表面； （）反离子从树脂表面再扩散到树脂内部的活性中心（）反离子从树脂表面再扩散到树脂内部的活性中心 （）反离子与树脂上反离子发生交换反应（）反离子与树脂上反离子发生交换反应 （）解吸离子自树脂内部扩散到树脂表面（）解吸离子自树脂内部扩散到树脂表面 （）离子从树脂表面扩散到溶液中。（）离子从树脂表面扩散到溶液中。 其中（）和（）为外部扩散，其中（）和（）为外部扩散， （）和（）为内部扩散，（）和（）为内部扩散， （）为化学交换反应。（）为化学交换反应。 整个交换反应的控制步骤是扩散整个交换反应的

19、控制步骤是扩散 离子交换设备离子交换设备 按结构型式分按结构型式分: :罐式、塔式、槽式等。罐式、塔式、槽式等。 按操作方式分按操作方式分: :间歇式、周期式、连续式；间歇式、周期式、连续式； 按两相接触方式的不同分：固定床、移动床、流化床按两相接触方式的不同分：固定床、移动床、流化床 等。其中固定床设备是现今应用最多的离子交换设备；等。其中固定床设备是现今应用最多的离子交换设备； 使用单一交换柱不能连续生产，多柱串联虽可实现连使用单一交换柱不能连续生产，多柱串联虽可实现连 续生产，但设备投资增加。续生产，但设备投资增加。 （一）间歇式离子交换设（一）间歇式离子交换设 备备 一般的离子交换罐为

20、具一般的离子交换罐为具 有椭圆形封头的圆筒形设有椭圆形封头的圆筒形设 备，树脂层高度约占圆筒备，树脂层高度约占圆筒 高度的高度的505070%70%，须留有充，须留有充 分的空间，已备反冲时树分的空间，已备反冲时树 脂层的扩胀。脂层的扩胀。 交换罐上部溶液分布装交换罐上部溶液分布装 置，使溶液均匀通过树脂置，使溶液均匀通过树脂 层。层。 罐底罐底有多孔板、筛网及有多孔板、筛网及 滤布以支持树脂层，或者滤布以支持树脂层，或者 用石英石或卵石直接铺于用石英石或卵石直接铺于 罐底以支持树脂层。罐底以支持树脂层。 1 1、反吸附离子交换罐（流化床）、反吸附离子交换罐（流化床） 被交换的溶液由罐的被交换

21、的溶液由罐的下部导入下部导入， 其流速和粘度以使树脂在罐内呈其流速和粘度以使树脂在罐内呈 沸腾状态而不溢出罐外为宜，交沸腾状态而不溢出罐外为宜，交 换后的溶液则由罐顶的出口溢出。换后的溶液则由罐顶的出口溢出。 优点：省去菌丝过滤优点：省去菌丝过滤 、液固两、液固两 相接触面大而且较均匀，操作时相接触面大而且较均匀，操作时 不产生短路、死角，以及流速大不产生短路、死角，以及流速大 和生产周期短和生产周期短 缺点：树脂的饱和度不及正吸附缺点：树脂的饱和度不及正吸附 的高的高 、罐内树脂高度要比正吸附、罐内树脂高度要比正吸附 时低一点时低一点 ，以免树脂外溢，以免树脂外溢 。 2 2固定床离子交换设备固定床离子交换设备 用多孔陶土板、粗粒无烟煤、石英砂等作为树脂支撑体。用多孔陶土板、粗粒无烟煤、石英砂等作为树脂支撑体。 被处理的溶液从树脂上方加入，经过分布管使液体均匀分被处理的溶液从树脂上方加入，经过分布管使液体均匀分 布于整个树脂的横截面。布于整个树脂的横截面。 加料方式：重力式和压力式。加料方式：重力式和压力式。 再生方式：顺流与逆流两种。再生方式：顺流与逆流两种。 逆流再生有较好的效果，再生剂用量可减少；但要发生逆流再生有较好的效果，再生剂用量可减少；但要发生 树脂层的上浮。树脂层的上浮。 如将阳、阴两种树脂混合起来，则制成混合离子交换设如将阳、阴两种树脂