第五章-萃取技术课件

第五章萃取技术第五章第一节萃取技术概述一．基本概念1．萃取2．反萃取3．物理萃取和化学萃取第一节萃取技术概述一．基本概念1．萃取萃取原理：利用溶质在互不相溶两相间分配系数的不同使溶质得到纯化或浓缩。萃取技术的发展

传统有机溶剂萃取

液膜萃取、反胶束萃取

双水相萃取、超临界流体萃取1.萃取萃取原理：利用溶质在互不相溶两相间分配系数的不同使溶质得到纯萃取技术的分类萃取剂液体原料固体原料超临界流体液固萃取（浸取）双水相萃取液膜萃取反胶束萃取有机溶剂萃取液液萃取液体萃取技术的分类萃取剂液体原料固体原料超临界流体液固萃取（浸取2．反萃取定义：调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的操作。作用：为了进一步纯化目标产物或便于后续分离操作。洗涤：常常加在萃取与反萃取操作之间，目的是除去与目标产物同时萃取到有机相的杂质，提高反萃取液中目标产物纯度。2．反萃取定义：调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相第五章-萃取技术课件3．物理萃取和化学萃取物理萃取定义：溶质根据相似相溶原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质间不发生化学反应。应用：广泛应用于抗生素及天然植物中有效成分的提取。如利用乙酸丁酯萃取青霉素。3．物理萃取和化学萃取物理萃取

化学萃取定义：利用脂溶性萃取剂与溶质的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有机相分配。应用：用于氨基酸、抗生素和有机酸等生物产物的分离回收。化学萃取例：利用季铵盐(如氯化三辛基甲铵，R+Cl-)为萃取剂萃取氨基酸时，阴离子氨基酸(A-)通过与萃取剂在水相和萃取相间发生下述离子交换反应而进入萃取相。

其中横杠表示该组分存在于萃取相。例：二．分配定律与分配平衡

分配定律即溶质的分配平衡规律，即：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（摩尔浓度）之比为常数，即（5-1）

A称为分配常数。二．分配定律与分配平衡分配定律即溶质的分配平衡多数情况下，溶质在各相中并非以同一种分子形态存在，特别是在化学萃取中。因此，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，该比值称为分配系数或分配比（5-2）其中，c1,t和c2,t为溶质在相1和相2中的总摩尔浓度，m为分配系数。多数情况下，溶质在各相中并非以同一种分子形态存在，特别是在化第二节溶剂萃取特点：处理量大、能耗低、速度快，且易于实现连续操作和自动化控制。应用：生物产物分离中用于抗生素、有机酸、维生素等发酵产物的提取。第二节溶剂萃取特点：处理量大、能耗低、速度快，且易于实一．弱电解质的分配平衡弱电解质在水相中发生不完全解离，仅仅是游离酸或游离碱在两相产生分配平衡，而酸根或碱基不能进入有机相。萃取达到平衡状态时，一方面弱电解质在水相中达到解离平衡，另一方面未解离的游离电解质在两相中达到分配平衡。一．弱电解质的分配平衡弱电解质在水相中发生不完全解离，仅仅是弱酸性电解质的解离平衡关系为：解离平衡常数为

（5-3）其中，Ka为弱酸的解离常数；

[AH]和[A-]分别为游离酸和其酸根离子的浓度。弱酸性电解质的解离平衡关系为：如果在有机相中溶质不发生缔和，仅以单分子形式存在，则游离的单分子溶质符合分配定律，其分配常数为（5-4）其中，表示有机相中游离酸的浓度，Aa为游离酸的分配常数。如果在有机相中溶质不发生缔和，仅以单分子形式存在，则游离的单利用一般的分析方法测得的水相浓度为游离酸和酸根离子的总浓度，故为方便起见，用水相总浓度c表示酸的浓度，即（5-5）合并上述三式，可得到有机相中游离酸浓度：（5-6）利用一般的分析方法测得的水相浓度为游离酸和酸根离子的总浓度，设有机相中的浓度和水相中浓度c之比为分配系数，则（5-7）该式还可表示为（5-8）其中，pKa＝-logKa第五章-萃取技术课件二．化学萃取平衡氨基酸等两性电解质不能采用物理萃取，而需采用化学萃取方法。常用氨基酸的萃取剂有季铵盐类（如氯化三辛基甲铵）、磷酸酯类等。二．化学萃取平衡氨基酸等两性电解质不能采用物理萃取，而需采氨基酸解离平衡为其中K1和K2为解离平衡常数。分别用A、A+、A-表示偶极离子、阳离子、阴离子型氨基酸。氨基酸解离平衡为

（5-9）（5-10）第五章-萃取技术课件利用阴离子交换萃取剂氯化三辛基甲铵(TOMAC，记作R+Cl-)，只有阴离子型氨基酸与萃取剂发生离子交换反应，反应平衡常数为（5-11）利用阴离子交换萃取剂氯化三辛基甲铵(TOMAC，记作R+Cl氨基酸和Cl-的表观分配系数分别为

（5-12）（5-13）其中，mA和mCl分别为氨基酸和氯离子的分配系数，cA为水相氨基酸总浓度（5-14）氨基酸和Cl-的表观分配系数分别为从式(5-9)至(5-14)可推导出下式（5-15）事实上，阴离子氨基酸的离子交换反应需在高于其等电点的pH范围内进行，所以式（5-14）中的[A+]可忽略不计，式(5-15)简化成下式（5-16）从式(5-9)至(5-14)可推导出下式事实上，阴离子氨基酸三．溶剂萃取操作1．水相物理条件的影响水相pH值温度无机盐三．溶剂萃取操作1．水相物理条件的影响水相pH值无论是物理萃取还是化学萃取，水相pH值对弱电解质分配系数均具有显著影响。物理萃取时，弱酸性电解质的分配系数随pH降低而增大，而弱碱性电解质则正相反。

水相pH值无论是物理萃取还是化学萃取，水相pH值对弱电解质分配系数均具青霉素是较强的有机酸，较低pH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。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。水相pH值对青霉素分配系数的影响青霉素是较强的有机酸，较低pH有利于青霉素在有机相中的分配，红霉素是碱性电解质，在乙酸乙酯和pH9.8的水相之间分配系数为44.7，而水相pH降至5.5时，分配系数为14.4。通过调节水相的pH值，控制溶质的分配行为，从而提高萃取率的方法已广泛应用于抗生素和有机酸等弱电解质的萃取操作。操作时需要注意的是pH值应尽量选择在使产物稳定的范围内。红霉素是碱性电解质，在乙酸乙酯和pH9.8的水相之间分配系数温度是影响溶质分配系数和萃取速度的重要因素。选择适当的操作温度，有利于目标产物的回收和纯化。由于生物产物在较高温度下不稳定，故萃取操作一般在常温或较低温度下进行。

温度温度是影响溶质分配系数和萃取速度的重要因素。选择适当的操作温无机盐的存在可降低溶质在水相中的溶解度，有利于溶质向有机相中分配；另一方面可降低有机溶剂在水中的溶解度。盐的添加量要适当，用量过多可能促使杂质一起转入溶剂相中，同时还要考虑其经济性，必要时要回收。

无机盐无机盐的存在可降低溶质在水相中的溶解度，有利于溶质向有机相中2．有机溶剂的选择由相似相溶原理，选择与目标产物极性相近的有机溶剂；价廉易得；与水相不互溶；与水相有较大密度差，粘度小，表面张力适中，相分散和相分离容易；容易回收和再利用；毒性低，腐蚀性小，使用安全；不与目标产物发生反应。2．有机溶剂的选择由相似相溶原理，选择与目标产物极性相近的有常用溶剂醇类：丁醇乙酸酯类：甲基异丁基甲酮乙酸乙酯乙酸丁酯乙酸戊酯常用溶剂醇类：丁醇乙酸乙酯3．化学萃取剂化学萃取是利用脂溶性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。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。化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。3．化学萃取剂化学萃取是利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应用于氨基酸的化学萃取剂有季铵盐（如氯化三辛基甲铵）等；用于抗生素的化学萃取剂有长链脂肪酸(如月桂酸[CH3(CH2)10COOH])、烃基磺酸、三氯乙酸、四丁胺和正十二烷胺等。用于氨基酸的化学萃取剂有季铵盐（如氯化三辛基甲铵）等；月桂酸可与链霉素形成易溶于丁醇、乙酸丁酯和异辛醇的复合物，该复合物在酸性（pH5.5～5.7）条件下可分解。因此，链霉素可在中性条件下和月桂酸的存在下进行萃取，然后用酸性水溶液进行反萃取，使复合物分解，链霉素重新溶于水相中。带溶剂

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，该复合物在一定条件下又要容易分解。月桂酸可与链霉素形成易溶于丁醇、乙酸丁酯和异辛醇的复合物，该4．乳化现象乳化即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。

产生乳化使有机相和水相分层困难，出现两种夹带：①发酵废液(萃余液)中夹带有机溶剂(萃取液)微滴，使目标产物受到损失；②有机溶剂(萃取液)中夹带发酵液(萃余液)，给后处理操作带来困难。4．乳化现象乳化即水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水乳化产生的原因

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性作用，使有机溶剂(油)和水的表面张力降低，油或水易于以微小液滴的形式分散于水相或油相中，形成水包油型（O/W型）乳浊液或油包水型（W/O型）乳浊液。乳化产生的原因解决办法在萃取操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理。产生乳化后，可根据乳化的程度和乳浊液的形式，采取适当的破乳手段。解决办法常用的破乳方法如果乳化现象不严重，可采用过滤或离心沉降的方法。对于O/W型乳浊液，加入亲油性表面活性剂，可使乳浊液从O/W型转变成W/O型，但由于溶液条件不允许W/O型乳浊液的形成，即乳浊液不能存在，从而达到破乳的目的。对于W/O型乳浊液，加入亲水性表面活性剂如十二烷基磺酸钠可达到破乳的目的。常用的破乳方法第三节反胶束萃取概述反胶束及其基本性质反胶束萃取的基本原理影响反胶束萃取蛋白质的主要因素反胶束萃取蛋白质的应用示例第三节反胶束萃取概述1）大部分蛋白质不溶于有机溶剂，而且接触有机溶剂会变性；2）蛋白质分子表面带有许多电荷，普通的离子缔合型萃取剂很难进行萃取。传统溶剂萃取方法难以应用于蛋白质的提取和分离：1）大部分蛋白质不溶于有机溶剂，而且接触有机溶剂会变性；传统反胶束萃取的研究始于20世纪70年代末期，近年来该研究已经在国内外深入开展。反胶束萃取的问世，为蛋白质的分离提取开辟了一条具有工业开发前景的新途径。反胶束萃取的研究始于20世纪70年代末期，近年来该研究已经在反胶束萃取的本质仍是液液有机溶剂萃取，但又有区别：1）利用表面活性剂在有机相中形成反胶束，从而在有机相内形成分散的亲水微环境。2）生物分子可溶解在反胶团的亲水微环境中，消除了蛋白质类生物活性物质难溶于有机相或在有机相中发生不可逆变性的现象。反胶束萃取的本质仍是液液有机溶剂萃取，但又有区别：1）利用表反胶束萃取的优点：成本低、溶剂可反复使用、萃取率和反萃取率都很高。解决蛋白质在非细胞环境中迅速失活的问题；用于直接从整细胞中提取蛋白质和酶。潜在的优势：反胶束萃取的优点：成本低、溶剂可反复使用、萃取率和反萃取率都概述反胶束及其基本性质反胶束萃取的基本原理影响反胶束萃取蛋白质的主要因素反胶束萃取蛋白质的应用示例概述向水中加入表面活性剂，浓度达到一定值后，将发生表面活性剂分子的缔合或自聚集，形成胶束。表面活性剂在水溶液中形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度（CMC）。胶束的形成胶束中，表面活性剂亲水头部向外，与水相接触，而疏水尾部埋在胶束内部。向水中加入表面活性剂，浓度达到一定值后，将发生表面活性剂分子向有机溶剂中加入某种表面活性剂，浓度超过一定值时，也会形成胶束。反胶束的形成有机溶剂中胶束的表面活性剂分子的疏水尾部向外，而亲水头部向内，称为反胶束。向有机溶剂中加入某种表面活性剂，浓度超过一定值时，也会形成胶当表面活性剂在有机溶剂中形成反胶束时，水在有机溶剂中的溶解度随表面活性剂浓度线性增大。通过测定有机相中平衡水浓度的变化，可以确定形成反胶束的最低表面活性剂浓度。当表面活性剂在有机溶剂中形成反胶束时，水在有机溶剂中的溶解度反胶束的形成是表面活性剂分子自发形成的纳米尺度的聚集体，是热力学稳定的体系。在有机相中反胶束以非常高的速度生成和破灭，不停地交换其构成分子，这一过程符合二级反应动力学，速率常数约为106-107m3/kmol·s。反胶束的形成是表面活性剂分子自发形成的纳米尺度的聚集体，是热形状：多为球形或近球形。反胶束内溶解的水通常称为微水相或“水池”。大小：与溶剂和表面活性剂的种类与浓度、温度、离子强度等有关。一般为5~20nm。反胶束的基本性质形状：多为球形或近球形。反胶束的基本性质常用于制备反胶束的表面活性剂是AOT，其化学名为丁二酸-2-乙基己基酯磺酸钠。常用于制备反胶束的表面活性剂是AOT，其化学名为丁二酸-2-利用AOT形成的反胶束水核直径一般不超过12nm，其中大致可容纳一个直径5～10nm的蛋白质。当蛋白质的相对分子量超过100kD时便难于溶解到反胶束中。利用AOT形成的反胶束水核直径一般不超过12nm，其中大致可概述反胶束及其基本性质反胶束萃取的基本原理影响反胶束萃取蛋白质的主要因素反胶束萃取蛋白质的应用示例概述1．蛋白质在反胶束中的溶解模型水壳模型蛋白质被吸附在反胶束内壁蛋白质的疏水部分直接与有机相接触蛋白质的疏水区与被多个反胶束疏水尾部作用，并被反胶束所溶解1．蛋白质在反胶束中的溶解模型水壳模型蛋白质被吸附在反胶束内对于亲水性蛋白质，目前普遍接受的是“水壳”模型：大分子的蛋白质被封闭在“水池”中，表面存在一层水化层与胶束内表面分隔开，从而使蛋白质不与有机溶剂直接接触。对于亲水性蛋白质，目前普遍接受的是“水壳”模型：大分子的蛋白①光散射研究证实了在蛋白质分子周围至少存在一个单分子水层；②α-糜蛋白酶在反胶束中的荧光特性与在主体水中很相像；③反胶束中酶所显示的动力学特性接近于在主体水中。水壳模型的间接证据：①光散射研究证实了在蛋白质分子周围至少存在一个单分子水层；2．蛋白质溶入反胶束溶液的推动力

表面活性剂与蛋白质的静电相互作用反胶束与生物分子的空间相互作用反胶束与生物分子的疏水性相互作用2．蛋白质溶入反胶束溶液的推动力表面活性剂与蛋白质的静电相（1）静电相互作用反胶束相一般使用离子型表面活性剂来制备，其中应用最多的是阴离子型表面活性剂化学名为丁二酸-2-乙基己基酯磺酸钠AOT，阳离子型表面活性剂主要有氯化三辛基甲铵（TOMAC）和溴化十六烃基三甲胺（CATB）等季铵盐。这些表面活性剂所形成的反胶束内表面带有负电荷（AOT）或正电荷（TOMAC和CATB）。（1）静电相互作用反胶束相一般使用离子型表面活性剂来制备，当水相pH偏离蛋白质等电点时，蛋白质带正电荷或负电荷，与表面活性剂间的静电相互作用影响其萃取率。理论上，蛋白质所带电荷与表面活性剂相反时，易溶于反胶束，反之，则不能溶解。当水相pH偏离蛋白质等电点时，蛋白质带正电荷或负电荷，与表面（2）位阻效应反胶束的含水量W0（每个反胶束中水与表面活性剂的摩尔浓度比）是衡量反胶束增溶能力的重要参数。含水量的变化影响反胶束“水池”的物理性能(大小、形状等)及其中水的活度，进而会影响蛋白质等大分子的增溶或排斥，达到选择性萃取的目的，这就是所谓的位阻效应。（2）位阻效应反胶束的含水量W0（每个反胶束中水与表面活性剂反胶束含水量降低时，反胶束直径减小，空间排阻作用增大，蛋白质萃取率降低；蛋白质相对分子量增大时，空间排阻作用增大，蛋白质萃取率降低。反胶束含水量降低时，反胶束直径减小，空间排阻作用增大，蛋白质（3）疏水性相互作用蛋白质的疏水性影响它在反胶束中的溶解形式，因而影响其萃取率。疏水性较大的蛋白质溶解在反胶束中的形式并非水壳模型，因而其分配系数随蛋白质疏水性的增大而增大。（3）疏水性相互作用蛋白质的疏水性影响它在反胶束中的溶解形式概述反胶束及其基本性质反胶束萃取的基本原理影响反胶束萃取蛋白质的主要因素反胶束萃取蛋白质的应用示例概述蛋白质的萃取，与蛋白质的表面电荷和反胶束内表面电荷间的静电作用，以及反胶束的大小有关。所以，任何可以增强这种静电作用或导致形成较大的反胶束的因素，都有助于蛋白质的萃取。蛋白质的萃取，与蛋白质的表面电荷和反胶束内表面电荷间的静电作通过对这些因素进行系统的研究，确定最佳操作条件，就可得到合适的目标蛋白质萃取率，从而达到分离纯化的目的。通过对这些因素进行系统的研究，确定最佳操作条件，就可得到合适1．水相pH值对萃取的影响水相的pH值决定了蛋白质表面电荷的状态，从而对萃取过程造成影响。只有当反胶束内表面电荷，也就是表面活性剂极性基团所带的电荷与蛋白质表面电荷相反时，两者产生静电引力，蛋白质才有可能进入反胶束。1．水相pH值对萃取的影响水相的pH值决定了蛋白质表面电荷的对于阳离子表面活性剂，溶液的pH值需高于蛋白质的pI值，反胶束萃取才能进行；对于阴离子表面活性剂，当pH>pI时，萃取率几乎为零，当pH<pI时，萃取率急剧提高；如果pH值很低，在界面上会产生白色絮凝物，并且萃取率也降低，这种情况可认为是蛋白质变性之故。对于阳离子表面活性剂，溶液的pH值需高于蛋白质的pI值，反胶2．离子强度对萃取率的影响离子强度对萃取率的影响主要是由离子对表面电荷的屏蔽作用所决定的：①离子强度增大→反胶束内表面双电层变薄→蛋白质与反胶束内表面静电吸引减弱→蛋白质溶解度减少；②同时，反胶束内表面双电层变薄→表面活性剂极性基团之间斥力减弱→反胶束变小→蛋白质不能进入其中；2．离子强度对萃取率的影响离子强度对萃取率的影响主要是由离子③离子强度增加时，增大了离子向反胶束内“水池”的迁移并取代其中蛋白质的倾向，使蛋白质从反胶束内被盐析出来；④盐与蛋白质或表面活性剂的相互作用，可以改变溶解性能，盐的浓度越高，其影响就越大。③离子强度增加时，增大了离子向反胶束内“水池”的迁移并取代其在较低的KCl浓度下，蛋白质几乎全部被萃取，当KCl浓度高于一定值时，萃取率就开始下降，直至几乎为零。在较低的KCl浓度下，蛋白质几乎全部被萃取，当KCl浓度高于3．表面活性剂类型的影响从反胶束萃取蛋白质的机理来看，应选用有利于增强蛋白质表面电荷与反胶束内表面电荷间的静电作用和增加反胶束大小的表面活性剂。实践中，为了改善萃取性能，可在单一表面活性剂中加入具有亲合作用的生物表面活性剂或另一种非离子型表面活性剂。3．表面活性剂类型的影响从反胶束萃取蛋白质的机理来看，应选用4．表面活性剂浓度的影响增大表面活性剂的浓度可增加反胶束的数量，从而增大对蛋白质的溶解能力。表面活性剂浓度过高时，有可能在溶液中形成比较复杂的聚集体，同时会增加反萃取过程的难度。应选择蛋白质萃取率最大时的表面活性剂浓度为最佳浓度。4．表面活性剂浓度的影响增大表面活性剂的浓度可增加反胶束的数5．离子种类对萃取的影响阳离子的种类对萃取率的影响主要体现在改变反胶束内表面的电荷密度上。通常反胶束中表面活性剂的极性基团不是完全电离的，有很大一部分阳离子仍在胶团的内表面上（相反离子缔合）。极性基团的电离程度愈大，反胶束内表面的电荷密度愈大，产生的反胶束也愈大。5．离子种类对萃取的影响阳离子的种类对萃取率的影响主要体现在表面活性剂电离的程度与离子种类有关。极性基团的电荷密度按K+，Ca2+，Na+，Mg2+的顺序逐渐增大，电离程度也相应地增大。表面活性剂电离的程度与离子种类有关。6．影响反胶束结构的其他因素①有机溶剂的影响

有机溶剂的种类影响反胶束的大小，从而影响水增溶的能力，所以可以利用因溶剂作用引起的不同胶束结构实现选择性增溶生物分子的目的。

6．影响反胶束结构的其他因素①有机溶剂的影响②助表面活性剂的影响

当使用阳离子表面活性剂时，引入助表面活性剂，能够增进有机相的溶解容量，这是由于胶束尺寸增加而产生的。③温度的影响温度的变化对反胶束系统中的物理化学性质有激烈的影响，增加温度能够增加蛋白质在有机相的溶解度。

②助表面活性剂的影响③温度的影响概述反胶束及其基本性质反胶束萃取的基本原理影响反胶束萃取蛋白质的主要因素反胶束萃取蛋白质的应用示例概述1．分离蛋白质混合物

分子量相近的蛋白质，由于它们的pI值及其它因素而具有不同的溶解度，可利用反胶束溶液的选择性溶解进行分离。

1．分离蛋白质混合物2．浓缩α-淀粉酶用TOMAC/异辛烷反胶束溶液对α-淀粉酶水溶液进行两级连续萃取和反萃取操作，结果可使α-淀粉酶浓缩8倍，酶活力的得率约为45％。如果在反胶束相中添加非离子型表面活性剂以提高其分配系数并增大搅拌转速提高其传质速率，则反萃取水相中的α-淀粉酶活力得率可达到85％，浓缩17倍。2．浓缩α-淀粉酶用TOMAC/异辛烷反胶束溶液对α-淀粉酶3.反胶束萃取分离核糖核酸酶、细胞色素C和溶菌酶在pH=9时,核糖核酸酶的溶解度很小,保留在水相而与其他两种蛋白质分离相分离得到的反胶束相（含细胞色素C和溶菌酶）与0.5mol/L的KCl水溶液接触后，细胞色素C被反萃到水相，而溶菌酶保留在反胶束相含溶菌酶的反胶束相与2.0mol/LKCl，pH值为11.5的水相接触，将溶菌酶反萃取到水相中3.反胶束萃取分离核糖核酸酶、细胞色素C和溶菌酶在pH=9时反胶束萃取的优点：成本低、溶剂可反复使用、萃取率和反萃取率都很高。反胶束萃取工业化待解决问题：表面活性剂对产品的沾染工业规模所需的基础数据反胶束萃取过程的模拟和放大技术反胶束萃取的优点：成本低、溶剂可反复使用、萃取率和反萃取率都第四节双水相萃取概述双水相体系双水相萃取过程的理论基础影响物质分配平衡的因素成相聚合物的回收双水相系统的应用与发展方向第四节双水相萃取概述双水相萃取出现的背景能够保留产物的活性，整个操作可以连续化，在除去细胞或细胞碎片时，还可以纯化蛋白质2～5倍。处理量相同时，双水相萃取法比传统的分离方法，设备需用量要少3～10倍。双水相萃取法的特点：双水相萃取出现的背景能够保留产物的活性，整个操作可以连续化，概述双水相体系双水相萃取过程的理论基础影响物质分配平衡的因素成相聚合物的回收双水相系统的应用与发展方向概述1．双水相的形成在聚合物-盐或聚合物-聚合物系统混合时，会出现两个不相混溶的水相。1．双水相的形成在聚合物-盐或聚合物-聚合物系统混合时，会出当各种溶质均在低浓度时，可以得到单相匀质液体；当溶质的浓度增加时，溶液会变得浑浊，在静止的条件下，会形成两个液层，上层富集了PEG，而下层富集了葡聚糖。聚乙二醇（PEG）和葡聚糖体系当各种溶质均在低浓度时，可以得到单相匀质液体；聚乙二醇（PE双水相形成原因根据热力学第二定律，混合是熵增加的过程，因而可自发进行，但另一方面，分子间存在相互作用力，并且这种相互作用力随着相对分子质量的增大而增大。当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子量较大，分子间的相互排斥作用于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。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物不相容性。双水相形成原因根据热力学第二定律，混合是熵增加的过程，因而可某些聚合物溶液与一些无机盐溶液相混时，只要浓度达到一定范围时，体系也会形成两相，成相机理目前还不十分清楚。葡聚糖本质上是一种几乎不能形成偶极现象的球形分子，而PEG是一种具有共享电子对的高密度直链聚合物。某些聚合物溶液与一些无机盐溶液相混时，只要浓度达到一定范围时2．双水相系统的类型

高聚物／高聚物体系高聚物／低分子物质体系2．双水相系统的类型高聚物／高聚物体系第五章-萃取技术课件在高聚物／低分子物质体系中，PEG／盐体系是最常见的价廉体系。由于PEG/盐体系中盐浓度太高，使得后续的纯化工艺不能采用有效的层析方法。虽然该体系的成本低，比较适合于工业规模的应用，但废盐水的处理比较困难。在高聚物／低分子物质体系中，PEG／盐体系是最常见的价廉体系高聚物／高聚物体系可以直接用离子交换层析进一步纯化，而且可回收高聚物，使成本大大降低。该体系的成本比PEG／盐体系的成本的高出3～5倍，但不会造成严重的环境污染。高聚物／高聚物体系可以直接用离子交换层析进一步纯化，而且可回3．混溶性和相平衡（1）相图当PEG、葡聚糖的组成位于曲线的上方M点时，体系就会分成两相，分别有不同的组成密度，上相组成用A点表示，下相组成用B点表示，A、B点称为结点。由相图可知，上相主要含PEG，下相主要含葡聚糖。3．混溶性和相平衡（1）相图当PEG、葡聚糖的组成位于直线AMB称为系线，是相图的重要特征，关系到相的平衡组成。所有组成在系线上的点，分成两相后，其上下相组成均分别为A和B，但是其体积比(VA/VB)不同，相体积比可由相图上的线段比(BM/MA)估算，即服从杠杆规则。直线AMB称为系线，是相图的重要特征，关系到相的平衡组成。图中褶点S代表系统的临界点，在该点，两相的差异减小，它们的组成和体积相等。体系中总组成的微小变化，都会导致一个两相体系向单相体系的转变。图中褶点S代表系统的临界点，在该点，两相的差异减小，它们的组从相图可见，靠近临界点的相间密度差较小，因此相的分离速度较慢；远离临界点的聚合物浓度高，聚合物富相的粘度会增加也会导致低的分离速度，所以在中间组成时，分离速度最佳。从相图可见，靠近临界点的相间密度差较小，因此相的分离速度较慢(2)混溶性任何两个组分的距离间隔反映了它们可能的混溶性，两个组分在表上靠得越近就越易混溶，相反离得越远，则越不易混溶，这个疏水阶梯的概念，在选择合理的溶质对时是有用的，在有水的情况下，可以呈现两相的特性。(2)混溶性任何两个组分的距离间隔反映了它们可能的混溶性概述双水相体系双水相萃取过程的理论基础影响物质分配平衡的因素成相聚合物的回收双水相系统的应用与发展方向概述1．表面自由能的影响

蛋白质等生物大分子物质在两相中的分配也服从Nerst分配定律，即（5-18）式中ct、cb分别为上相和下相中溶质(分子或粒子)的浓度。当相系统固定时，分配系数K为一常数，与溶质的浓度无关。1．表面自由能的影响蛋白质等生物大分子物质在两相

根据两相平衡时化学位相等的原则，可以求得分配系数K服从Brownstedt方程式，即：（5-19）式中M为物质相对分子质量；λ为系统的表面特性系数；k是为波尔兹曼常数；T为温度。因为大分子物质的M值很大，λ的微小改变就会引起分配系数很大的变化。因此，利用不同的表面性质(表面自由能)，可以达到分离大分子物质的目的。根据两相平衡时化学位相等的原则，可以求得分配系数2．表面电荷的影响如果粒子带有电荷，并在两相中分配不相等时，就会在相间产生电位，称为道南电位，可用下式表示：（5-20）式中U2、U1分别表示相2和相1的电位；

Z+、Z-分别表示一种盐的正、负离子价；

KAZ+、KBZ-分别表示当正、负离子不带电时在两相间的分配系数；

F为法拉第常数；

R为气体常数；

T为绝对温度。

2．表面电荷的影响如果粒子带有电荷，并在两相中分配不相等时，综合起来，分配系数可用Gerson提出的公式表示：（5-21）式中α为表面积；△γ为两相表面自由能之差；δ为电荷数；△Φ为电位差；β为由标准化学位和活度系数等组成的常数。分配系数和表面自由能及电位差成指数关系。综合起来，分配系数可用Gerson提出的公式表示：分配系数和由于影响分配系数的因素很多，加上各因素间又互相影响，因此目前最佳条件还得靠实验来得到。由于影响分配系数的因素很多，加上各因素间又互相影响，因此目前概述双水相体系双水相萃取过程的理论基础影响物质分配平衡的因素成相聚合物的回收双水相系统的应用与发展方向概述双水相系统的聚合物组成(包括聚合物类型、平均分子量)；盐类(包括离子的类型和浓度、离子强度、pH值)；溶质的物理化学性质(包括分子量、等电点)；体系温度。双水相系统的聚合物组成(包括聚合物类型、平均分子量)；1．双水相中聚合物组成的影响

当两种不同聚合物的溶液混合时，可能存在三种情况：①完全混溶性(均相溶液)；②物理的不相容性(相分离)；③复杂的凝聚(相分离，聚合物聚集在同一相中，纯溶剂-水聚集在另一相中)。1．双水相中聚合物组成的影响当两种不同聚合物的溶高聚物/低分子物质(盐)体系同样可以得到双水相系统。近年来已作为大规模生产研究中使用的双水相体系，这些物质是没有毒性的，它们可以广泛地应用在食品和制药工业中酶和活性蛋白的回收。高聚物/低分子物质(盐)体系同样可以得到双水相系统。聚合物分子量对分配系数的影响取决于聚合物的化学性质。在PEG/葡聚糖系统中，蛋白质的分配系数随着葡聚糖相对分子质量的增加而增加。聚合物分子量对分配系数的影响取决于聚合物的化学性质。在PEG同样，在PEG/葡聚糖系统中，蛋白质的分配系数随PEG相对分子质量的增加而降低。同样，在PEG/葡聚糖系统中，蛋白质的分配系数随PEG相对分1)经济因素；2)葡聚糖的黏度非常高，经常会产生凝胶状物质，使溶液的过程控制产生了困难。葡聚糖的使用限制了PEG/葡聚糖系统的应用。1)经济因素；葡聚糖的使用限制了PEG/葡聚糖系统的应用。2．双水相系统物理化学性质的影响双水相系统的性质主要取决于下列物理化学参数：密度(ρ)和两相间的密度差，黏度(μ)和两相间的黏度差以及表面张力（σ）。2．双水相系统物理化学性质的影响双水相系统的性质主要取决于下表中列出了聚合物浓度对这些参数的影响。聚合物浓度的增加对相体积比改变不大，但是界面宽度、两相间的密度差、下相的黏度和界面张力都明显增加，富含PEG上相的黏度相对较低并且大致保持恒定。表中列出了聚合物浓度对这些参数的影响。聚合物浓度的增加对相体3．盐和缓冲液的影响在水溶液中，存在的离子会影响溶质在两水相间的分配。在一个含水混合物中引入盐时，由于盐的阳离子和阴离子的不均匀分配，会在界面上产生一个电位，进而影响溶质在两相间的分配。3．盐和缓冲液的影响在水溶液中，存在的离子会影响溶质在两水相第五章-萃取技术课件由于多价离子分配取决于水溶液的pH值，故pH值也会影响分配系数。使用磷酸盐缓冲液，在pH值大于7并且下相是负电时，会产生一个高的界面电位。因此，等电点小于7的蛋白质优先地聚集在上相，这样便增加了分配系数。由于多价离子分配取决于水溶液的pH值，故pH值也会影响分配系增加盐浓度的办法可以用来提高酶的分配系数。增加盐浓度的办法可以用来提高酶的分配系数。相界面的电位(道南电位)是影响荷电大分子如蛋白质和核酸等分配的主要因素。若在聚乙二醇-葡聚糖系统中加入NaClO4或KI，能增加上相对带正电荷物质的亲和效应，并迫使带负电的物质进入下相；若加入Li3PO4，则与上述效应正好相反。相界面的电位(道南电位)是影响荷电大分子如蛋白质和核酸等分配只要设法改变界面电位，就能控制蛋白质等荷电大分子转入某一相。加入pH值大于7的磷酸盐缓冲液，由于其中的HPO42-离子在聚乙二醇-葡聚糖系统中的分配系数相当低，因此可方便地改变界面电位，而使带负电荷的蛋白质转入富PEG相。只要设法改变界面电位，就能控制蛋白质等荷电大分子转入某一相。4．温度的影响用Bronstedt方程式可以评述温度对物料在两水相间分配的影响。系统温度较小的变化，可以强烈地影响临界点附近相的组成。4．温度的影响用Bronstedt方程式可以评述温度对物料在温度的变化也同样影响液相物理性质的变化，例如黏度和密度，从而影响了溶质在两相间的分配。总的来说，温度对分配系数的影响不是很敏感。温度的变化也同样影响液相物理性质的变化，例如黏度和密度，从而成相聚合物对蛋白质有稳定化作用，所以在室温下操作活性收率依然很高，并且黏度较冷却(4℃)时低，有利于相分离和节省了能源开支。成相聚合物对蛋白质有稳定化作用，所以在室温下操作活性收率依然概述双水相体系双水相萃取过程的理论基础影响物质分配平衡的因素成相聚合物的回收双水相系统的应用与发展方向概述热诱导相分离热诱导相分离相体系回收示意图相体系回收示意图PhaseseparationTopphaseBottomphaseRecycleLight

pHLightpH

RecyclingPolymersFormingAqueousTwo-phaseSystems

PhaseseparationTopphaseBotto

两水相成相、分相、聚合物回收示意图两水相成相、分相、聚合物回收示意图实践表明，膜分离也是分离和浓缩被纯化的蛋白质并同步去除聚合物的最佳方法。如果蛋白质分配在盐相，则盐可用超滤膜或渗析膜过滤回收；如果蛋白质积聚在聚乙二醇中，可以加入盐使蛋白质在盐相中重新分配，再用选择性半透膜来截留蛋白质，同时排除PEG进行回收。实践表明，膜分离也是分离和浓缩被纯化的蛋白质并同步去除聚合物概述双水相体系双水相萃取过程的理论基础影响物质分配平衡的因素成相聚合物的回收双水相系统的应用与发展方向概述1．双水相系统的应用双水相萃取自发现以来，在若干生物工艺过程中得到了应用，其中最重要的领域是蛋白质的分离和纯化。1．双水相系统的应用双水相萃取自发现以来，在若干生物工艺过程第五章-萃取技术课件2．双水相萃取技术的进展双水相萃取技术不但可用于生物物质的分离和纯化，而且已成为新的分析测试手段。（1）廉价双水相体系的开发（2）双水相萃取技术同其他分离技术结合，提高分离效率2．双水相萃取技术的进展双水相萃取技术不但可用于生物物质的分（1）廉价双水相体系的开发在生化工程中得到应用的双水相体系有高聚物/高聚物和高聚物/盐体系。目前比较成功的是用变性淀粉PPT来代替昂贵的Dextran。PPT-PEG体系已被用于从发酵液中分离过氧化氢酶、β-半乳糖苷酶等。（1）廉价双水相体系的开发在生化工程中得到应用的双水相体系有PPT-PEG体系比PEG-盐体系稳定，和PEG-Dextran体系相图非常相似，并具有以下优点：①蛋白质溶解度大；②黏度小；③价格便宜。PPT-PEG体系比PEG-盐体系稳定，和PEG-De（2）双水相萃取技术同其他分离技术结合A．双水相体系同生物转化相结合将双水相萃取同生物转化结合在一起，可解决在许多生物转化中存在的两个问题：一是由于双水相体系对菌体及酶没有毒性，同时又可将产物萃入上相，所以可消除产物抑制效应；二是使分布在下相的细胞(酶)循环使用，从而为固定化细胞及酶的应用开辟了新路。（2）双水相萃取技术同其他分离技术结合A．双水相体系同生物B．双水相萃取同膜分离技术结合将膜分离同双水相萃取技术结合起来，可解决双水相体系容易乳化和生物大分子在两相界面的吸附等问题并能加快萃取速率。B．双水相萃取同膜分离技术结合将膜分离同双水相萃取技术结合C．双水相萃取同亲和层析相结合——亲和双水相亲和双水相，即在PEG或Dextran上接上一定的亲和配基，这样不但使体系具有双水相处理量大的特点，而且具有亲和层析专一性高的优点。C．双水相萃取同亲和层析相结合——亲和双水相亲和双水相，即在第五节液膜萃取第五节液膜萃取液膜萃取法诞生于上世纪60年代中期，是一种以液膜为分离介质、以浓度差为推动力的膜分离操作。液膜萃取与溶剂萃取虽然机理不同，但都属于液-液系统的传质分离过程。液膜萃取法诞生于上世纪60年代中期，是一种以液膜为分离介质、

液膜分离技术的特点萃取与反萃取同时进行；液膜萃取不仅可用于分离，而且可以实现浓缩；液膜萃取技术的传递速率较一般萃取明显提高，甚至可以使溶质从低浓度向高浓度扩散。液膜分离技术的特点1986年，澳大利亚科学家首次成功实现了乳化液从粘胶废液中回收锌的实用化中等规模运转，在液膜法的工业化应用上迈出了第一步。气体分离烃类提纯湿法冶金环境保护发酵产物分离1986年，澳大利亚科学家首次成功实现了乳化液从粘胶废液中回液膜的定义液膜是悬浮在液体中很薄的一层乳液微粒。它能把两个组成不同而又互溶的溶液隔开，并通过渗透现象起到分离的作用。液膜的定义液膜是悬浮在液体中很薄的一层乳液微粒。添加剂用于控制膜的稳定性和渗透性

乳液微粒溶剂（水和有机溶剂）表面活性剂添加剂溶剂构成膜基体表面活性剂起乳化作用，它含有亲水基和疏水基，可以促进液膜传质速度并提高其选择性；液膜的组成添加剂用于控制膜的稳定性和渗透性乳液微粒溶剂（通常将含有被分离组分的料液作连续相，称为外相；接受被分离组分的液体，称内相；处于两者之间的成膜的液体称为膜相，三者组成液膜分离体系。通常将含有被分离组分的料液作连续相，称为外相；接受被分离组分液膜乳状液膜支撑液膜根据构型和操作方式的不同液膜乳状液膜支撑液膜根据构型和操作方式的不同乳状液膜首先将两个不互溶的相即内相与膜相充分乳化制成乳液，再将此乳液在搅拌条件下分散在外相中而成。内相与外相互溶，而膜相既不溶于内相也不溶于外相。在萃取过程中，外相的传递组分通过膜相扩散到内相而达到分离的目的。乳状液膜首先将两个不互溶的相即内相与膜相充分乳化制成乳液，支撑液膜支撑液膜是由溶解了载体的液膜含浸在多孔支撑体的微孔内而制得。由于将液膜含浸在多孔支撑体上，可以承受较大的压力，且具有更高的选择性。缺点：膜相仅靠表面张力和毛细作用吸附在多孔膜的孔内，使用过程中容易流失。支撑液膜支撑液膜是由溶解了载体的液膜含浸在多孔支撑体的微孔选择性渗透属单纯迁移选择性渗透机理，即单纯靠不同组分在膜中的溶解度和扩散系数的不同导致透过膜的速度不同来实现分离。选择性渗透属单纯迁移选择性渗透机理，即单纯靠不同组分在膜中

滴内化学反应（І型促进迁移）在液膜内相添加试剂R，它能与料液C发生不可逆化学反应并生成一种不能逆扩散透过膜的新产物P，从而使C在内相中的浓度为零。C在液膜内外两相具有最大的浓度差，C的传输被强化。其它溶质不能与试剂R反应，即使渗透进入内相，但很快就达到渗透平衡。滴内化学反应（І型促进迁移）在液膜内相添加试剂R，它能与膜相化学反应（属载体传输，Ⅱ型促进迁移）在膜相中加入载体Rl，先与料液D发生化学反应，生成络合物Pl，在浓差作用下内扩散至膜相与内相界面处，并与内相中的试剂R2发生解络反应，溶质D与R2结合留于内相，而流动载体R1又扩散返回至膜相与外相界面一侧。在整个过程中，流动载体并没有消耗，只起了搬移溶质的作用。膜相化学反应（属载体传输，Ⅱ型促进迁移）在膜相中加入载体Rl萃取和吸附分离过程具有萃取和吸附的性质，它能把有机化合物萃取和吸附到液膜中，也能吸附各种悬浮的油滴及悬浮固体等，达到分离的目的。萃取和吸附分离过程具有萃取和吸附的性质，它能把有机化合物萃有载体液膜分离机理根据向流动载体供能方式的不同，载体输送分为逆向迁移和同向迁移两种。利用载体输送的萃取过程可大大提高溶质的渗透性和选择性。而且载体输送具有能量泵的作用，使目标溶质从低浓度区逆浓度梯度向高浓度区持续迁移。有载体液膜分离机理根据向流动载体供能方式的不同，载体输送分为逆向迁移载体C在膜界面I与欲分离的溶质离子1反应，生成络合物C1，同时放出供能溶质2。生成的C1在膜内扩散到界面Ⅱ并与溶质2反应，由于供入能量而释放出溶质l，形成载体络合物C2并在膜内逆向扩散，释放出的溶质1在膜内溶解度很低，故其不能返回去，结果是供能溶质2的迁移引起了溶质1逆浓度迁移，所以称其为逆向迁移。逆向迁移载体C在膜界面I与欲分离的溶质离子1反应，生成络合同向迁移供能物质与目标溶质迁移方向相同。液膜中含有非离子型载体时，它所携带的溶质是中性盐，在与阳离子选择性络合的同时，又与阴离子络合形成离子对而一起迁移，故称为同向迁移。同向迁移供能物质与目标溶质迁移方向相同。载体C在界面I与溶质1、2反应(溶质1为欲浓集离子，而溶质2供应能量)，生成载体络合物C12并在膜内扩散至界面Ⅱ，在界面Ⅱ释放出溶质2，并为溶质1的释放提供能量，解络载体C在膜内又向界面I扩散。结果，溶质2顺其浓度梯度迁移，导致溶质1逆其浓度梯度迁移，但两溶质同向迁移。载体C在界面I与溶质1、2反应(溶质1为欲浓集离子，而溶质2液膜分离技术的关键是选择最适宜的流动载体、表面活性剂和有机溶剂等材料来制备合乎要求的液膜，并构成合适的液膜体系。液膜分离技术的关键是选择最适宜的流动载体、表面活性剂和有机溶①溶解性流动载体及其络合物必须溶于膜相，而不溶于邻接的溶液相；②络合性作为有效载体，其络合物形成体应该有适中的稳定性；③载体应不与膜相的表面活性剂反应，以免降低膜的稳定性。流动载体应当具备的条件①溶解性流动载体及其络合物必须溶于膜相，而不溶于邻接的流动载体按电性可分为带电载体与中性载体，一般来说中性载体的性能比带电载体(离子型载体)好；中性载体中又以大环化合物最佳。流动载体按电性可分为带电载体与中性载体，一般来说中性载体的性表面活性剂的选择首先要知道适合于该体系的乳化剂的HLB值（亲水亲油平衡值）。表面活性剂的HLB值是表面活性剂分子中亲水基和憎水基之间的平衡数值。表面活性剂的选择首先要知道适合于该体系的乳化剂的HLB值（HLB愈大，表面活性剂的亲水性愈强。一般HLB为3－6的表面活性剂用作油包水型乳化剂，HLB为8－15的表面活性剂用作水包油型乳化剂。非离子表面活性剂的HLB值可用下式计算：HLB愈大，表面活性剂的亲水性愈强。非离子表面活性剂的HLB①表面活性剂以非离子表面活性剂为佳，易制成液状物并在低浓度时乳化性能良好，所以在液膜技术中普遍采用；②要用憎水基与被乳化物结构相似并有很好亲和力的乳化分散剂，这样乳化效果好；③乳化分散剂在被乳化物中易溶解，乳化效果好。表面活性剂选择的其它依据①表面活性剂以非离子表面活性剂为佳，易制成液状物并在低浓度时Span80(山梨糖醇单油酸酯)Saponin(皂角甙)ENJ-3029(聚胺)等。常用表面活性剂Span80(山梨糖醇单油酸酯)常用表面活性剂膜溶剂的选择应考虑液膜的稳定性和对溶质的溶解度。在有流动载体时溶剂能溶解载体而不溶解溶质；在无流动载体时能对欲分离的溶质优先溶解而对其他溶质溶解度很小。膜溶剂的选择应考虑液膜的稳定性和对溶质的溶解度。Sloon(中性油)Isopar-M(异链烷烃)辛醇聚丁二烯其它有机溶剂常用膜溶剂Sloon(中性油)常用膜溶剂第五章-萃取技术课件液膜体系组成的影响根据处理体系的不同，选择适宜的配方，保证液膜有良好的稳定性、选择性和渗透速度，可以提高分离效果。液膜的稳定性是液膜分离过程的关键，它包括液膜的溶胀和破损两个方面。溶胀是指外相水透过膜进入了液膜内相，从而使液膜体积增大；破损则是由于液膜被破坏，使内相水溶液泄漏到外相。液膜体系组成的影响根据处理体系的不同，选择适宜的配方，保证液影响液膜溶胀的因素影响溶胀的因素主要体现在外界对膜相物性的影响、内外水相化学位的影响和膜相与水结合的加溶作用，其中表面活性剂和载体起重要作用。此外，影响因素还有：①搅拌强度②温度③膜溶剂影响液膜溶胀的因素影响溶胀的因素主要体现在外界对膜相物性的影响液膜破损的因素外界剪切力作用产生破损膜结构及其性质变化产生破损其它因素：搅拌、温度、膜溶剂、外相电解质影响液膜破损的因素外界剪切力作用产生破损搅拌速度的影响搅拌速度过低，料液与乳液不能充分混合；搅拌速度过高，液膜易破裂。搅拌速度的影响搅拌速度过低，料液与乳液不能充分混合；接触时间的影响由于液膜表面积大，渗透很快，料液与乳液在最初接触的一段时间内，溶质会迅速渗透过膜进入内相；如果延长接触时间，那么乳液滴则容易破裂，造成料液相中的溶质浓度上升。接触时间的影响由于液膜表面积大，渗透很快，料液与乳液在最初接料液的浓度和酸度的影响液膜分离特别适合于低浓度物质的分离提取。料液中酸度决定了渗透物的存在状态，在一定的pH值下，渗透物能与液膜中的载体形成络合物而进入膜相，则分离效果好，反之分离效果就差。料液的浓度和酸度的影响液膜分离特别适合于低浓度物质的分离提取液膜乳化体积与料液体积之比称为乳水比。对液膜分离来说，乳水比愈大，渗透过程的接触面积愈大，则分离效果越好；但是，乳水比过大会导致乳液消耗增多，不经济。乳水比的影响液膜乳化体积与料液体积之比称为乳水比。乳水比的影响膜内比（Roi）的影响膜相体积与内相体积之比称为膜内比。传质速率随Roi的增加而增大，但这种增加趋势不大。一方面Roi增加，载体量也增大，对苯丙氨酸提取过程有利；另一方面，Roi增加亦使膜厚度增大，从而增加传质阻力，不利于提取过程。膜内比（Roi）的影响膜相体积与内相体积之比称为膜内比。操作温度的影响一般在常温或料液温度下进行分离操作。提高温度虽能加快传质速率，但降低了液膜的稳定性和分离效果。操作温度的影响一般在常温或料液温度下进行分离操作。液膜分离技术的应用良好的选择性和定向性分离效率高能达到浓缩、净化和分离目的液膜分离技术的应用良好的选择性和定向性液膜分离萃取有机酸传统的柠檬酸的提取方法为钙盐法，该工艺存在流程长、产品收率低、原材料消耗大、污染环境等问题。液膜分离技术可用于分批或连续萃取发酵产物。液膜分离萃取有机酸传统的柠檬酸的提取方法为钙盐法，该工艺存在

选用的液膜体系萃取剂为Alamine336(三元胺)；稀释剂为正庚烷；反萃取剂为Na2CO3；乳化剂为Span80。选用的液膜体系①在外相与膜相的界面上，三元胺与柠檬酸反应形成胺盐；②生成的胺盐在膜相内转移，然后在膜相与内相界面间被Na2CO3反萃取，形成柠檬酸钠。③碳酸胺盐在膜相与外相界面间转移并释放出CO2，胺得到再生。①在外相与膜相的界面上，三元胺与柠檬酸反应形成胺盐；液膜分离萃取氨基酸传统的氨基酸多用离子交换法分离提取，存在周期长、收率低、三废严重等弊端。采用液膜法分离，特别适合于从低浓度氨基酸溶液中提取氨基酸，能降低损耗，甚至可以建立无害化工艺。液膜分离萃取氨基酸传统的氨基酸多用离子交换法分离提取，存在周液膜分离萃取抗生素用传统的离心逆流溶酶萃取法从发酵液中回收青霉素时，提取过程中pH值变化较大，有机溶酶消耗量大，所以稳定性差、收率低，可用液膜萃取来改造原有工艺。液膜分离萃取抗生素用传统的离心逆流溶酶萃取法从发酵液中回收AHP扩散穿过膜相并到达膜相与内相的界面内相为Na2CO3水溶液，pH值较高，AHP复合物解离，释放出青霉素阴离子和氢离子进入内相在外相和膜相界面上，青霉素与萃取剂反应，生成AHP复合物如果内相中有过量的OH-离子存在，那么尽管内相中青霉素浓度比外相中高，青霉素仍可通过膜相转移入内相。AHP扩散穿过膜相并到达膜相与内相的界面内相为Na2CO3水液膜分离进行酶反应液膜分离技术用于酶反应，实际上是液膜包酶，类似于生化工程中的固定化酶，它是将含有酶的溶液作为内相制成乳液，再将此乳液分散于外相中。液膜分离进行酶反应液膜分离技术用于酶反应，实际上是液膜包酶，液膜包酶的优点包裹后的酶可免受外相中各组分对其活性的影响，避免了酶与底物和产物的分离，乳液可以重复使用，不必分离；物质在液体中的扩散速度比在固体中快得多，而且可以根据需要，在膜相添加载体促进底物从外相向内相的传递或产物从内相向外相的传递，这是固定化酶所无法做到的。液膜包酶的优点第六节超临界流体萃取法第六节超临界流体萃取是利用超临界流体(SCF)作为萃取剂，从固体或液体中萃取出某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和纯化的目的。超临界流体即温度和压力略超过或靠近临界温度(Tc)和临界压力(pc)、介于气体和液体之间的流体。超临界流体萃取是利用超临界流体(SCF)作为萃取剂，从固体所有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。所有物质均具有其固有的临界温度和临界压力，在压力-温度相图上对超临界现象的观察和研究已有100多年的历史，但直到上世纪70年代超临界流体萃取技术才迅速发展起来。作为一种新型分离技术，超临界流体萃取在分离药品、食品和精细化工产品等方面有着广阔的应用前景。对超临界现象的观察和研究已有100多年的历史，但直到上世纪7第五章-萃取技术课件不同的物质具有不同的临界点不同的物质具有不同的临界点第五章-萃取技术课件饱和气体曲线和饱和液体曲线包围的区域为气液共存区。在临界点附近的超临界状态下等温线的斜度平缓，即温度或压力的微小变化就会引起密度发生很大变化。另外，随压力升高，超临界流体密度增大，接近液体的密度。饱和气体曲线和饱和液体曲线包围的区域为气液共存区。超临界流体的密度接近液体，因此具有与液体相近的溶解能力。由于超临界流体粘度小、自扩散系数大，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。这是超临界流体作为萃取剂优于液体的主要特点，这一特点在提取固体内有用成分时尤为重要。超临界流体的密度接近液体，因此具有与液体相近的溶解能力。超临界流体条件下的溶解度溶质在一种溶剂中的溶解度取决于两种分子之间的作用力，这种溶剂-溶质之间的相互作用随着分子的靠近而强烈地增加，也就是随着流体相密度的增加而强烈的增加。因此，超临界流体在高的或类液体密度状态下是“好”的溶剂，而在低的或类气体密度状态下是“不好”的溶剂。超临界流体条件下的溶解度溶质在一种溶剂中的溶解度取决于两种分图示为萘在不同密度的超临界CO2中的溶解度。在恒定温度下，溶解度随CO2密度的增加而增加。图示为萘在不同密度的超临界CO2中的溶解度。选用的超临界流体与被萃取物质的化学性质越相似，溶解能力就越大。

物质在超临界流体中的溶解度C与超临界流体的密度ρ之间的关系可以用下式表示：（5-22）式中m为正数；b为常数。m和b值与萃取剂及溶质的化学性质有关。选用的超临界流体与被萃取物质的化学性质越相似，溶解能力就越大在实际应用中，压力比密度更容易操作，可在保持温度恒定的条件下，通过调节压力来控制超临界流体的萃取能力或保持密度不变改变温度来提高其萃取能力。溶剂和溶质之间的分离(即萃取物的释放)可通过超临界相的等温减压膨胀来实现。在实际应用中，压力比密度更容易操作，可在保持温度恒定的条件下超临界流体的传递性质超临界流体的传递性质介于气体和液体之间。在超临界流体中的扩散系数比在液相中要高出10～100倍，但是黏度就比其小10～100倍。超临界流体是一种低黏度、高扩散系数易流动的相，所以能又快又深地渗透到包含有被萃取物质的固相中去，使扩散传递更加容易。超临界流体的传递性质超临界流体的传递性质介于气体和液体之间。超临界流体的选择性超临界流体萃取过程能否有效地分离产物或除去微杂质，关键是超临界流体萃取中使用的溶剂必须具有良好的选择性。超临界流体的选择性超临界流体萃取过程能否有效地分离产物或除去提高溶剂选择性的基本原则①操作温度应和超临界流体的临界温度相接近；②超临界流体的化学性质应和待分离溶质的化学性质相接近。提高溶剂选择性的基本原则超临界流体的选定超临界流体的选定是超临界流体萃取的主要关键。应按照分离对象与目的来选定超临界流体。超临界流体的选定超临界流体的选定是超临界流体萃取的主要关键。①萃取剂需具有化学稳定性，对设备没有腐蚀性②临界温度不能太低或太高，最好在室温附近或操作温度附近③操作温度应低于被萃取溶质的分解温度或变质温度超临界流体应具备的条件①萃取剂需具有化学稳定性，对设备没有腐蚀性超临界流体应具备④临界压力不能太高，这样可以节约压缩动力费⑤选择性要好，容易得到高纯度制品⑥溶解度要高，可减少溶剂的循环量⑦萃取溶剂要容易获取，价格要便宜④临界压力不能太高，这样可以节约压缩动力费二氧化碳的临界点较低，特别是临界温度接近常温，并且无毒、化学稳定性高、价格低廉。所以，二氧化碳是最常用的超临界流体萃取剂。二氧化碳的临界点较低，特别是临界温度接近常温，并且无毒、化学

超临界二氧化碳萃取流程图超临界二氧化碳萃取流程图超临界流体萃取的应用超临界流体萃取的应用由于超临界流体萃取毒性小、温度低、溶解性能好，非常适合生化产品的分离和提取，近年来在生化工程上的应用研究愈来愈多。由于超临界流体萃取毒性小、温度低、溶解性能好，非常适合生化产①超临界萃取同时具有液相萃取和精馏的特点。②超临界流体的萃取能力取决于流体的密度，而密度很容易通过调节温度和压力来加以控制。③超临界流体萃取中的溶剂回收简便，并能大大节省能源。超临界流体萃取优点①超临界萃取同时具有液相萃取和精馏的特点。超临界流体萃取优点④超临界流体萃取工艺可以不在高温下操作，因此特别适合于热稳定性较差的物质。⑤超临界流体萃取的操作压力可根据分离对象选择适当的萃取剂或添加夹带剂来控制，以避免高压带来的影响。④超临界流体萃取工艺可以不在高温下操作，因此特别适合于热稳定第五章-萃取技术课件由于高压带来的高昂设备投资和维护费用，所以目前应用面还不宽。对于高经济价值的产品以及精馏和液相萃取操作不宜应用的情况，应当考虑使用超临界流体萃取工艺。超临界流体萃取的主要缺点由于高压带来的高昂设备投资和维护费用，所以目前应用面还不宽。第五章萃取技术第五章第一节萃取技术概述一．基本概念1．萃取2．反萃取3．物理萃取和化学萃取第一节萃取技术概述一．基本概念1．萃取萃取原理：利用溶质在互不相溶两相间分配系数的不同使溶质得到纯化或浓缩。萃取技术的发展

传统有机溶剂萃取

液膜萃取、反胶束萃取

双水相萃取、超临界流体萃取1.萃取萃取原理：利用溶质在互不相溶两相间分配系数的不同使溶质得到纯萃取技术的分类萃取剂液体原料固体原料超临界流体液固萃取（浸取）双水相萃取液膜萃取反胶束萃取有机溶剂萃取液液萃取液体萃取技术的分类萃取剂液体原料固体原料超临界流体液固萃取（浸取2．反萃取定义：调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的操作。作用：为了进一步纯化目标产物或便于后续分离操作。洗涤：常常加在萃取与反萃取操作之间，目的是除去与目标产物同时萃取到有机相的杂质，提高反萃取液中目标产物纯度。2．反萃取定义：调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相第五章-萃取技术课件3．物理萃取和化学萃取物理萃取定义：溶质根据相似相溶原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质间不发生化学反应。应用：广泛应用于抗生素及天然植物中有效成分的提取。如利用乙酸丁酯萃取青霉素。3．物理萃取和化学萃取物理萃取

化学萃取定义：利用脂溶性萃取剂与溶质的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有机相分配。应用：用于氨基酸、抗生素和有机酸等生物产物的分离回收。化学萃取例：利用季铵盐(如氯化三辛基甲铵，R+Cl-)为萃取剂萃取氨基酸时，阴离子氨基酸(A-)通过与萃取剂在水相和萃取相间发生下述离子交换反应而进入萃取相。

其中横杠表示该组分存在于萃取相。例：二．分配定律与分配平衡

分配定律即溶质的分配平衡规律，即：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（摩尔浓度）之比为常数，即（5-1）

A称为分配常数。二．分配定律与分配平衡分配定律即溶质的分配平衡多数情况下，溶质在各相中并非以同一种分子形态存在，特别是在化学萃取中。因此，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，该比值称为分配系数或分配比（5-2）其中，c1,t和c2,t为溶质在相1和相2中的总摩尔浓度，m为分配系数。多数情况下，溶质在各相中并非以同一种分子形态存在，特别是在化第二节溶剂萃取特点：处理量大、能耗低、速度快，且易于实现连续操作和自动化控制。应用：生物产物分离中用于抗生素、有机酸、维生素等发酵产物的提取。第二节溶剂萃取特点：处理量大、能耗低、速度快，且易于实一．弱电解质的分配平衡弱电解质在水相中发生不完全解离，仅仅是游离酸或游离碱在两相产生分配平衡，而酸根或碱基不能进入有机相。萃取达到平衡状态时，一方面弱电解质在水相中达到解离平衡，另一方面未解离的游离电解质在两相中达到分配平衡。一．弱电解质的分配平衡弱电解质在水相中发生不完全解离，仅仅是弱酸性电解质的解离平衡关系为：解离平衡常数为

（5-3）其中，Ka为弱酸的解离常数；

[AH]和[A-]分别为游离酸和其酸根离子的浓度。弱酸性电解质的解离平衡关系为：如果在有机相中溶质不发生缔和，仅以单分子形式存在，则游离的单分子溶质符合分配定律，其分配常数为（5-4）其中，表示有机相中游离酸的浓度，Aa为游离酸的分配常数。如果在有机相中溶质不发生缔和，仅以单分子形式存在，则游离的单利用一般的分析方法测得的水相浓度为游离酸和酸