萃取与色谱分离设备

关于萃取与色谱分离设备第1页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三第一节萃取分离原理及设备萃取分离原理：

萃取(extraction)是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作，所以，萃取操作中至少有一相为流体，一般称该流体为萃取剂(extractant)。以液体为萃取剂时，如果含有目标产物的原料也为液体，则称此操作为液-液萃取；如果含有目标产物的原料为固体，则称此操作为液-固萃取或浸取(Leaching)。以超临界流体为萃取剂时，含有目标产物的原料可以是液体，也可以是固体，称此操作为超临界流体萃取。另外，在液-液萃取中，根据萃取剂的种类和形式的不同又分为有机溶剂萃取(简称溶剂萃取)、双水相萃取、液膜萃取和反胶束萃取等。溶剂萃取一般用于小分子物质的提取，双水相萃取常用于蛋白质等大分子物质的提取第2页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三萃取分离的特点1、比化学沉淀法分离程度高；

2、比离子交换法选择性好、传质快；

3、比蒸馏法能耗低，生产能力大，周期短，连续操作，可以自动化控制；

4、和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型分离技术第3页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三双水相萃取的原理聚合物的不相溶性(incompatibility)：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。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相容性。第4页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三采用双水相萃取时，通常将蛋白质分配在上相（PEG聚乙二醇），细胞碎片分配在下相（盐）。反过来对相的分离不利，因为当上相固含量高时，分离机的性能会受到影响。在操作时、单位重量相系统中料浆的加入量是一个重要的参数。显然，料浆的加入量愈多愈经济，但过量的浆会影响原来聚合物的成相系统，使分配系数降低，结果收率降低。根据经验，一般每1kg萃取系统处理200～400g湿菌体为宜。第5页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三两级双水相系统萃取酶的流程。

图两级双水相萃取酶的流程

1一细胞悬浮液2一细胞破碎机3一冷却器4-PEG一盐贮罐5一混合器6一离心机

7一废渣相贮罐8一暂存罐9一盐贮罐10一酶液贮罐第6页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三单级萃取流程单级萃取只包括一个混合器和一个分离器，如图2－3－1所示。料液F和溶剂S加入混合器中经接触达到平衡后，用分离器分离得到萃取液L和萃余液R。设料液体积为VF，溶剂的体积为Vs，则经过萃取后。溶质在萃取相中的浓度为山，在萃余相中的浓度为C2第7页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三第8页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三设K-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；

E—萃取因数(extractionfactor)，即溶质在萃取相中的数量与在萃余相中的数量（重量或摩尔量）的比值；

m—体积浓缩倍数，即料液体积与溶剂体积的比值。

E=mL/H另外，用φ表示萃余分率，则在单级萃取时有第9页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三多级萃取

第10页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三萃取设备液一液萃取设备应包括3个部分：混合设备、分离设备和溶剂回收设备。混合设备是真正进行萃取的设备，它要求料液与萃取剂充分混合形成乳浊液，欲分离的生物产品自料液转入萃取剂中。分离设备是将萃取后形成的萃取相和萃余相进行分离。溶剂回收设备需要把萃取液中的生物产品与萃取溶剂分离并加以回收。第11页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三混合通常在搅拌罐中进行，也可将料液与萃取剂在管道内以很高速度混合，称管道萃取，也有利用喷射泵进行涡流混合，称喷射萃取。分离多采用分离因数较高的离心机，也可将混合与分离同时在一个设备内完成，称萃取机。大多数生物产品在pH变化较大时不稳定，这就要求混合分离能够快速进行，其次，由于料液中常含有可溶性蛋白质和糖，萃取过程中会产生乳化现象而影响分离，因此，各种类型的萃取分离塔是不适用的。溶剂回收利用各种蒸馏设备来完成第12页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三混合设备混合罐的结构类似于带机械搅拌的密闭式反应罐，如图2－3－5所示。采用螺旋桨式搅拌器，转速为400～1000r／min；若用涡轮式搅拌器，转速为300～600r／min，为防止中心液面下凹，在罐壁设置挡板，罐顶上有萃取剂、料液、调节pH的酸（碱）液及去乳化剂的进口管，底部有排料管。料液在罐内的平均混合停留时间约1～2min。由于搅拌器的作用，罐内几乎处于全混流状态，使罐内两液相的平均浓度与出口浓度近似相等。

第13页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三混合罐第14页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三为了加大罐内两相间的传质推动力，可用带有中心孔的圆形水平隔板将混合罐分隔成上下连通的几个混合室（类似于萃取塔），每个室中都设有搅拌器。这样只有底部一个室中的混合液浓度与出口浓度相同。除机械搅拌混合罐外，尚有气流搅拌混合罐，即将压缩空气通入料液中，借鼓泡作用进行搅拌，特别适用于化学腐蚀性强的料液，但不适用搅拌挥发性强的料液。第15页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三混合管第16页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三a）为器内混合过程，即萃取剂及料液由各自导管进入器内进行混合；（b）、（c）则为两液相已在器外汇合，后经喷嘴或孔板进入器内，从而加强了湍流程度，提高了萃取效率。喷射式混合柱是一种体积小效率高的混合装置，特别适用于低黏度、易分散的料液。这种设备投资小，但需要料液在较高的压力下进入混合器。喷射式混合器的压力降、吸液量计算可参考有关资料。另外，若两液相容易混合时，可直接利用离心泵在循环输送过程中进行混合。第17页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三级离心萃取机是在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。图2是LuwestaEK10007三级逆流离心萃取机的示意图。分上、中、下三段，下段是第一级混合与分离区，中段是第二级，上段是第三级，每一段的下部都是混合区域，中部是分离区域，上部都是重液相引出区域，新鲜的萃取剂由第三级加入，待萃取料液则由第一级加入，萃取轻液相在第一级引出，萃余液则在第三级引出。操作时转鼓转速为4500r／min，料液最大处理量为7m3／h，料液进口压力5×105Pa，萃取剂进口压力3×105Pa。第18页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三连续逆流离心萃取机连续逆流离心萃取机是将萃取剂与料液在逆流情况下进行多次接触和多次分离的萃取设备。图1是a－LavalABE－216型离心萃取机的结构。其主要部件为一由11个不同直径的同心圆筒组成的转鼓，每个圆筒上均在一端开孔，作为料液和萃取剂流动的通道，由于相邻筒之间开孔位置上下错开，使液体上了曲折流动。从中心向外数第4～11筒的外壁上均焊有螺旋形导流板，这样就使两个液相的流动路程大为加长，从而延长了两液相的混合与分离时间，在螺旋形导流板上又开设大小不同的缺口，使螺旋形长通道中形成很多短路，增加了两液相之间的接触机会。

第19页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三操作时，重液相（料液）由底部轴周围的套管进入转鼓后，沿螺旋形通道由内向外顺次流经各筒，最后由外筒经溢流环到向心泵室被排出。轻液（萃取剂）则由底部的中心管进入转鼓，流入第十圆筒，从下端进入螺旋报通道，由外向内顺次流过各筒，最后从第一筒经出口排出。图2是ABE－216型离心萃取机液体流向图。第20页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三第21页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三卧式连续逆流离心萃取机

转鼓水平放置同心圆筒上均匀开有小孔，两相连续接触分离转轴处有空隙，为轻液的澄清区，鼓壁处有空隙，为重液的澄清区轻液进口压强最高，出口压强称为背压；重液进口压强应大于背压，出口压强常压要求鼓内轻液多时，可增加背压。第22页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三第23页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三第二节离子交换分离原理及设备第24页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三一、离子交换与离子交换树脂1.离子交换反应离子交换分离法是通过试样离子在离子交换剂（固相）和淋洗液（液相）之间的分配（离子交换）而达到分离的方法。分配过程是一离子交换反应过程。阳离子交换反应：

Resin-SO3H+Na+=Resin-SO3Na+H+Resin-SO3Na+H+=Resin-SO3H+Na+

阴离子交换反应：

Resin-N(CH3)3OH+Cl-=N(CH3)3Cl+OH+Resin-N(CH3)3Cl+OH-=N(CH3)3OH+Cl-第25页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三2.离子交换树脂离子交换反应发生在离子交换树脂上的具有可交换离子的活性基团上。离子交换树脂是以高分子聚合物为骨架，反应引入活性基团构成。高分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯共聚物小球常见，可引入各种特性的活性基团，使之具有选择性。

Resin-SO3H（氢型）树脂的酸性最强，其Resin-SO3Na（钠型）比氢型稳定，商品常为钠型，使用前用酸淋洗转型（再生）。阴离子交换树脂的Cl型稳定。以磷酸基团-PO(OH)2和次磷酸基团-PO(OH)作为活性基团的树脂具有中等强度的酸性。最多的为732#

离子交换反应是一可逆反应。离子交换树脂使用后需要进行再生处理第26页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三弱酸性阳离子交换树脂

这类树脂的活性基团有羧基-COOH，酚羟基-OH等，它们的电离程度小，交换性能受溶液pH的影响很大，其交换能力随溶液pH的增加而提高。在酸性溶液中，这类树脂几乎不发生交换反应、对于羧基树脂，应该在pH>7的溶液中操作，而对于酚羟基树脂，应使溶液的pH＞9。

和强酸树脂不同，弱酸树脂和氢离子结合能力很强，故再生成氢型较容易，耗酸量少。第27页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三强碱性阴离子交换树脂

这类树脂有两种，一种含三甲胺基称为强碱I型，另一种含二甲基-b羟基-乙基胺基团，为强碱型。和强酸离子交换相似，活性基团电离程度较强且不受pH变化的影响，在pH1～14范围内均可使用。这类树脂成氯型时较羟型稳定，耐热性也较好，因此，商品大多以氯型出售。I型的碱性比对Ⅱ型强，但再生较困难，Ⅱ型树脂的稳定性较差。典型的交换反应为RN(CH3)3CI＋NaOH—→RN(CH3)3OH+NaCl第28页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三弱碱性阴离子交换树脂

这类树脂的活性基团有伯胺基团-NH2、仲胺基=NH、叔胺基≡N和吡啶基等。与弱酸阳离子树脂一样，交换能力受溶液pH的影响很大，pH越小交换能力越强。故在pH<7的溶液中使用。这类树脂和OH-结合能力较强，再生成羟型较容易，耗碱量少。第29页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三离子交换树脂的理化性能选择离子交换树脂时，除具有良好的化学稳定性外，其理化性能有：颗粒度、交换容量、机械强度、膨胀度、含水量、密度、孔结构等。第30页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三3.离子交换容量离子交换树脂在交换反应中可交换离子的数目用交换容量表示，单位mmol/g干树脂。将离子交换树脂装入玻璃柱即构成离子交换分离柱，可用来分离干扰离子。当淋洗液为中性水溶液时，干扰离子保留在柱中。离子交换反应是一可逆反应，被交换离子随淋洗液pH不同而在分离柱中移动，由于不同离子与离子交换树脂之间的作用力不同，流出分离柱的时间不同而被分离。一般使用的离子交换树脂的粒度为50-100目。第31页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三二、离子交换亲和力与选择性系数离子交换分离中的分配系数是组分离子在树脂上的浓度与在溶液中的浓度之比，对阳离子Mn+，分配系数KP为：第32页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三分配系数KP反映了离子与树脂的亲和力大小。不同离子对树脂的亲和力大小具有如下规律：(1)稀溶液中，离子电荷越大，亲和力越大；(2)相同电荷时，水合半径越小，亲和力越大；第33页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三(3)多元素阴离子亲和力的顺序为：SO42->C2O42->I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->Ac->F-(4)H+对强酸性离子交换树脂的亲和力在Na+与Li+之间，离子交换树脂的酸性越弱，H+与其亲和力越大；(5)OH-对强碱性离子交换树脂的亲和力在Ac-与F-之间，离子交换树脂的碱性越弱，OH-与其亲和力越大；当溶液中有多种离子可与树脂发生交换时：R-A+B+=R-B+A+此反应的平衡常数称为离子交换的选择性系数KB/A。第34页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三三、离子交换分离法的应用1.去离子水的制备实验室用去离子水及锅炉用水的软化。采用串联的阳离子交换柱和阴离子交换柱。

2.干扰组分的分离如测定矿石中的铀时，为了除去其他金属离子的干扰，将矿石溶解后处理成0.1mol/L的硫酸溶液，U(VI)形成[UO2(SO4)2]2-或[UO2(SO4)3]4-，在通过强碱性离子交换树脂时，被留在树脂上，金属离子则流出。之后，将其破坏成为UO2+形式洗脱，回收率可达98%

3.痕量组分的富集天然矿石中痕量钍的富集：钍在盐酸溶液中难以形成稳定的配位离子，保留；共存的稀土则形成稳定的配位离子，被洗脱。第35页，讲稿共46页，2023年5月2日，星期三离子交换设备根据离子交换的操作方式不同，可分为静态和动态交换设备两大类。静态设备为一带有搅拌器的反应罐，反应罐仅作静态交换用，交换后利用沉降、过滤或水力