溶剂萃取法课件

18溶剂萃取法又称液—液萃取；是一种常用化工单元操作。

应用广泛：石油化工、湿法冶金、精细化工、生化物质的分离和纯化。18溶剂萃取法又称液—液萃取；是一1优点：①、具有选择性；②、能与其他纯化步骤(例如：结晶、蒸馏)相配合③、将产品及时转移到具有不同理化特性的第二相中，可减少由于水解引起的产品损失；④、可从潜伏的降解过程中(代谢或微生物过程)分离产物；⑤、适用于各种不同的规模；⑥、传质速度快，生产周期短，便于连续操作．容易实现计算机控制。优点：2液—液萃取的操作步骤：①、萃取剂和料液混合接触，进行萃取；②、分离互不相溶的两相，并回收溶剂；③、萃余液(残液)脱溶剂。液—液萃取的操作步骤：①、萃取剂和料液混合接触，进行萃取；3溶剂萃取法课件4溶剂萃取在生物产品分离中的典型应用：

(1)、从发酵培养液中萃取产物(2)、从生物反应液或生物转化液中萃取产物。溶剂萃取在生物产品分离中的典型应用：5根据被萃取物的分子大小，萃取有两种主要类型：(1)、小分子类抗生素、有机酸等，能用传统液—液萃取法萃取到有机相中．(2)、大分子类有酶、抗体、蛋白质等，传统的液体萃取技术不适用，要采用双水相萃取。根据被萃取物的分子大小，萃取有两种主要类型：6逆胶束萃取(ReversedMicelleExtraction)超临界萃取(SupercriticalfluidExtraction)液膜萃取(LiquidmembraneExtraction)

溶剂萃取与其他技术相结合，产生的新型分离技术：用于生物制品如酶、蛋白质、核酸、多肽和氨基酸等的提取精制。本章重点介绍有机溶剂萃取法的理论与实践。逆胶束萃取(ReversedMicelleExtra7一、分配定律

萃取平衡时，根据相律，有：

F＝c－P十2其中：F自由度，c组分数，P相数。若系统中除两种溶剂外，只含有一种溶质，则c＝3。因为P＝2，代入相律，得F＝3。当温度、压力一定时，F＝1，即一个变数就能决定整个系统。亦即：一相的浓度如果固定，另一相的浓度亦应固定，其关系可用分配定律表示。一、分配定律萃取平衡时，根据相律，有：8（一）分配定律的导出：在一定的温度和压力下达成平衡时，溶质在两相中的化学位相等，即：（一）分配定律的导出：在一定的温度和压力下达9标准化学位和组成无关，但和温度、压力有关。所以有：当温度一定时，标准化学位为常数，故得如为稀溶液，可以浓度代替活度标准化学位和组成无关，但和温度、压力有关。所以有：当温度一10应用式(18—1)时，须注意下列条件：

1)、必须是稀溶液。2)、溶质对溶剂之互溶度没有影响：3)、必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。

例如：青霉素。应用式(18—1)时，须注意下列条件：例如：青霉素。11

溶质A、B由于分配系数不同，在萃取相中的相对含量就不同。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A和B分离能力可用分离因素(ß)来表征：分离因素(ß)溶质A、B由于分配系数不同，在萃取相中的相对12二、溶剂的选择1、对产物的溶解度大。2、选择性好。3、溶剂与被萃取的液相互溶度要小，粘度低，界面张力适中，使相的分散和两相分离有利。4、溶剂的回收和再生容易，化学稳定性。5、溶剂价廉易得。6、溶剂的安全性好，如闪点高、低毒等。常用的溶剂有乙酸乙酯、乙酸丁酯和丁醇等。对萃取溶剂的要求：二、溶剂的选择1、对产物的溶解度大。对萃取溶剂的要求：13可根据类似物容易溶解类似物的原则来选择溶剂（极性上的类似）。

介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量度，如果已知这个值，就可预知此化合物是否极性。可根据类似物容易溶解类似物的原则来选择溶剂（14若已知一个物质的介电常数D，即可用此物质在一个电容器中两极板之间所得的静电容量C来量度:介电常数D的求法若已知一个物质的介电常数D，即可用此物质在一15可以测定被提取物（产物）的介电常数，来寻找相当的溶剂。可以测定被提取物（产物）的介电常数，来寻找相16影响萃取操作的因素很多，主要有pH、温度、盐析、带溶剂等。三、水相条件的影响

影响萃取操作的因素很多，主要有pH、温度、盐171、PH影响分配系数。如对弱碱性抗生素红霉素，当pH9.8时，它在乙酸戊酯与水相间的K为44.7，而在PH5.5时，K为14.4。2、pH对选择性有影响。如酸性产物一般在酸性下萃取到有机溶剂，而碱性杂质则成盐而留在水相。如为酸性杂质则应根据其酸性之强弱，选择合适的PH，以尽可能除去之。对于碱性产物则相反，在碱性下萃取到有机溶剂中。3、PH还应选择在尽量使产物稳定的范围内。（一）、pH值1、PH影响分配系数。如对弱碱性抗生素红霉素，当pH9.818生化产物在温度较高时不稳定，萃取应在室温或较低温度下进行。但如低温对萃取速度影响较大，为提高萃取速度可适当升高温度。

（二）、温度此外，温度也会影响分配系数。例如:温度对红霉素分配系数的影响。生化产物在温度较高时不稳定，萃取应在室温或19加入盐析剂（硫酸铵等）可使产物在水中溶解度降低，而易于转入溶剂中去。另一方面也能减少有机溶剂在水中的溶解度。

举例：提取维生素B12时加入硫酸铵，对B12自水相转移到有机溶剂中有利。提取青霉素时加入NaCl，对青霉素从水相转移到有机溶剂中有利。盐析剂的用量要适当，用量过多会使杂质也一起转入溶剂中。当盐析剂用量大时，也应考虑回收和再利用问题。（三）、盐析加入盐析剂（硫酸铵等）可使产物在水中溶解度降20

带溶剂：能和欲提取的生物物质形成复合物，而易溶于溶剂中，且此复合物在一定条件下又要容易分解。

应用场合：1、有的产物的水溶性很强，在通常有机溶剂中溶解度都很小，则如要采用溶剂萃取法来提取，可借助于带溶剂。2、即使水溶性不强的产物，有时为提高其收率和选择性，也可考虑采用带溶剂。（四）、带溶剂带溶剂：能和欲提取的生物物质形成复合物，而易21

水溶性较强的碱(如链霉素)可与脂肪酸(如月桂酸)形成复合物而能溶于丁醇、醋酸丁酯、异辛醇中，在酸性下(pH5.5—5.7)，此复合物分解成链霉素而可转入水相。链霉素在中性下能与二异辛基磷酸酯相结合，而从水相萃取到三氯乙烷中，然后在酸性下，再萃取到水相。举例：链霉素水溶性较强的碱(如链霉素)可与脂肪酸(22青霉素作为一种酸，可用酯肪碱作为带溶剂。如能和正十二烷胺、四丁胺等形成复合物而溶于氯仿中。这样萃取收率能够提高，且可以在较有利的PH范围内操作，适用于青霉素的定量测定中。这种正负离子结合成对的萃取，也称为离子对萃取。举例：青霉素青霉素作为一种酸，可用酯肪碱作为带溶剂。如能和23

土霉素在碱性下成负离子能与溴代十六烷基吡啶相结合而溶于异辛醇中，然后再在酸性下萃取到水相。也可以看作土霉素负离子与溴离子相交换而溶于异辛醇中，因此这种带溶剂有时也称为液体离子交换剂。

柠檬酸在酸性条件下，可与磷氧键类萃取剂如磷酸三丁酯(TBP)形成中性络合物而进入有机相，有时也称为反应萃取。举例：土霉素在碱性下成负离子能与溴代十六烷基吡啶相24四、乳化和去乳化

乳化是一种液体分散在另一种不相混合的液体中的现象。乳化会使有机相和水相分层困难，出现两种夹带即：

1、发酵液废液中夹带有机溶剂微滴，发酵单位损失；2、溶剂相中夹带发酵液微滴，给后续精制造成困难。

四、乳化和去乳化乳化是一种液体分散在另一种不25（一）、乳浊液的形成乳浊液的两种形式：1、以油滴分散在水中，称为水包油型或O／W型。2、水以水滴分散在油中，称为油包水型或W／O型。（一）、乳浊液的形成乳浊液的两种形式：26

油与水不相溶，混在一起能很快分层，不能形成乳浊液。一般要有表面活性剂存在时，才容易发生乳化，这种物质称为乳化剂。表面活性剂：分子一端具有亲水基，另一端具有亲油基，且能降低界面张力。能够把不相溶的油与水连在一起，且其分子处在任一相中都不稳定，而当处在两相界面上，亲水基伸向水、亲油基伸向油时就比较稳定。油与水不相溶，混在一起能很快分层，不能形成乳27乳化机理所以表面张力降低，液体容易分散成微滴而发生乳化。在乳浊液中，界面积大，物系的自由能大，故为热力学不稳定系统，会自行破坏。因此要形成乳浊液，还应具备使其稳定的条件。乳化机理所以表面张力降低，液体容易分散成微滴而发生乳化。在乳28（二）、乳浊液的稳定条件和乳浊液的类型

影响乳浊液稳定性的因素：1)、界面上保护膜是否形成。表面活性剂分子聚集在界面上，在分散相液滴周围形成保护膜。保护膜应具有一定的机械强度，不易破裂，能防止液滴碰撞而引起聚沉。2)、液滴是否带电。如为离子型的表面活性剂，则除了形成保护膜外，还会使分散相液滴带电荷。3)、介质的粘度。介质粘度较大时能增强保护膜的机械强度。其中以第一个因素最重要。（二）、乳浊液的稳定条件和乳浊液的类型影响乳浊液稳定性的因29

除表面活性剂外，能同时为两种液体所润湿的固体粉末也能作为乳化剂，这是因为这种固体粉末也能存在于界面上而形成保护膜。

除表面活性剂外，能同时为两种液体所润湿的固体30

乳浊液的类型决定于水和油对它的润湿性的相对强弱。如粉末对水的润湿性强于对油的润湿性(称为亲水性粉末)，则根据自由能最小的原则，这种粉末被拉入水内，即大部分表面为水所润湿，其接触角为锐角(图18—8a)，能促使形成水包油O／W型乳油液(图18—9a)。相反，亲油性粉末作为乳化剂时，得到的是W／O型乳浊液。乳浊液的类型决定于水和油对它的润湿性的相对强31

固体粉末所稳定的乳浊液的理论，可以推广到其它型式的乳化剂。例如：表面活性剂的亲水基强度大于亲油基，则易形成O／W型乳浊液；反之如亲油基强度大于亲水基则易形成W／O型乳浊液。固体粉末所稳定的乳浊液的理论，可以推广到其它32

表面活性剂的亲水与亲油程度的相对强弱，在工业上常用HLB数来表示。

HLB数即亲水与亲油平衡程度，HLB越大，亲水性越强，形成O／W型乳浊掖，HLB越小，亲油性越强，形成W／O型乳浊液.

HLB表面活性剂的亲水与亲油程度的相对强弱，在工业33当HLB数未知时，可根据其溶解度或分散程度粗略估计，见表18—2。不同HLB的表面活性剂的用途见表16—3。当HLB数未知时，可根据其溶解度或分散程度粗略34

在生物工业上，引起乳化的常为蛋白质，由蛋白质引起的乳化是相当稳定的，构成型式多为W／O型。发酵液,蛋白质对表面张力的影响最明显.在生物工业上，引起乳化的常为蛋白质，由蛋白35乳浊液稳定性大小可用乳浊液在离心机中(分离因素一定)分离一定时间后，分出的有机相体积与原来有机溶剂体积之比作为指标来表征。比值愈小，乳浊液愈稳定。乳浊液稳定性大小可用乳浊液在离心机中(分离36（三）、乳浊液的破坏破坏方法:(1)、过滤和离心分离当乳化不严重时，可用过滤或离心分离的方法。分散相在重力或离心力场中运动时，常可引起碰撞而聚沉。在实验室中，用玻璃棒轻轻搅动乳浊液也可促使其破坏。(2)、如热能使粘度降低，易促使乳浊液破坏。如生化物质对热稳定，可考虑此法。(3)、稀释法在乳浊液中，加入连续相，可使乳化剂浓度降低而减轻乳化。（三）、乳浊液的破坏破坏方法:37(4)、加电解质离子型乳化剂所成乳浊液常因分散相带电荷而稳定，可加入电解质，以中和其电性而促使聚沉。

(5)、吸附法例如，碳酸钙易为水所润湿，但不能为有机溶剂所润湿，故将乳浊液通过碳酸钙层时，其中水分被吸附，生产上将红霉素一次丁酯抽提液通过碳酸钙层，以除去微量水分，有利于以后的提取。(4)、加电解质离子型乳化剂所成乳浊液常38

(6)、顶替法加入表面活性更大，但不能形成坚固保护膜的物质，格原先的乳化剂从界面上顶替出来，但由于不能形成坚固保护膜，因而不能形成乳浊液。常用的顶替剂是戊醇，它的表面活性很大，但碳链很短，不能形成坚固的薄膜。(6)、顶替法加入表面活性更大，但不能形39(7)、转型法

在O／W型乳浊液中，加入亲油性乳化剂，则乳浊液有从O／W型转变成W／O型的趋向，但条件还不允许形成W／O型乳浊液，因而在转变过程中，乳浊液就破坏。同样，在W／O型乳浊液中，加入亲水性乳化剂，也会使乳浊浓破坏。

(7)、转型法40上述这些方法虽有一定效果，但需耗费能量和物质，而且都在乳化发生后再破处，故宜将发酵液先顶处理，除去其中的表面活性物质(蛋白质)，即消除水相乳化的起因.

例如:某有机酸发酵液，经酸化预处理后，蛋白质含量从0.396％下降到0.1810％，其它物性变化甚少，进行清液萃取时，就未发生乳化现象。上述这些方法虽有一定效果，但需耗费能量和物质，41（四）、常用的去乳化剂在生物合成工业上使用的去乳化剂有两种：1、阳离子表面活性剂：溴代十五烷基吡啶。2、阴离子表面活性剂：十二烷基磺酸钠。当然并，不排斥试用其它高效去乳化剂的可能性。（四）、常用的去乳化剂在生物合成工业上使用的去乳化剂有两种：421、溴代十五烷基吡啶

棕褐色稠厚液体，在水中溶解度约6％，在有机溶剂中溶解度较小，因此，适用于破坏W／O型乳浊液，去乳化效果很好。使用时要先溶解在热水中，用量为0.01％一0.05％。1、溴代十五烷基吡啶棕褐色稠厚液体，在水中432、十二烷基磺酸钠是一种洗涤剂，淡黄色透明液体，含量为25％，易溶于水，微溶于有机溶剂，因此适用于破坏W／O型乳浊液。价廉，仅为溴代十五烷基吡啶的1/20。其分子式如下：2、十二烷基磺酸钠是一种洗涤剂，淡黄色透明液体44

国外报导采用溴代四烷基吡啶作为去乳化剂，效果很好。它可由丁醇合成，价廉，既易溶于水，又易溶于丁酯中，因此它既能破坏w／o型，也能破坏O／W型。与溴代十五烷基吡啶相比，乳浊液破坏较完全，能降低青霉素随废液的损失，用量为0.03％——0.05％。应用举例：青霉素青霉素提炼的乳化现象过去曾用过磺化蓖麻油以及石油煤油部分的磺化产物（碳链为C12-C18）等，但去乳化能力不强。国外报导采用溴代四烷基吡啶作为去乳化剂，效果45去乳化剂的选择方法1、以HLB数可作为指标；2、主要应用实验方法来决定。

将发酵液和有机溶剂按一定比例混合，加入一定量去乳化剂，搅拌，(此时，仍产生一定程度的乳化)，然后用离心机分离，观察分层和乳化破坏程度，就可比较去乳化能力。去乳化剂用量也可按此实验方法决定。3、去乳化剂不应破坏发酵单位和污染成品。例如:红霉素在碱性下提取到丁酯相，过去用溴代十五烷基吡啶作为乳化剂，因它是碱性物质，在碱性下易混入丁酯相。而现在改用十二烷基磺酸钠，是酸性物质，在碱性下留在水相，成品色泽有所改进。去乳化剂的选择方法46五、萃取方式和理论收的率的计算

工业上萃取操作包括三个步骤：1、混和：料液和萃取剂充分混和形成乳浊液，生物物质自料液转入萃取剂中。混和通常在搅拌罐中进行；也可以将料液和萃取剂以很高的速度在管道内混和，湍流程度很高，称为管道萃取；也有利用在喷射泵内涡流混和进行萃取的，称为喷射萃取。2、分离将乳浊液分成萃取相和萃余相。通常利用离心机。也有将混和分离同时在一个设备内完成的。3、溶剂回收可利用蒸馏的方式。五、萃取方式和理论收的率的计算工业上萃取操作包47对于利用混和-分离器的萃取过程，按其操作方式分类，可以分为单级萃取和多级萃取，后者又可以分为错流萃取和逆流萃取，还可以将错流和逆流结合起来操作。

对于利用混和-分离器的萃取过程，按其操作方48下面讨论各种萃取操作的理论收得率的计算方法。在计算中假定萃取相和萃余相能很快达到平衡，即每个级都是理论级，且两相完全不互溶，而能完全分开。下面讨论各种萃取操作的理论收得率的计算方法。49（一）、单级萃取（一）、单级萃取50（二）、多级错流萃取特点：每级都加新鲜溶剂，溶剂消耗大，萃取液浓度低，但萃取完全。（二）、多级错流萃取特点：每级都加新鲜溶剂，51溶剂萃取法课件52

例如：在一次萃取中，应用一定量之萃取剂，令萃取因数E＝4，则末被萃取的分率为20％、但如将该量之萃取剂，等分成两次萃取，则E=2,末被萃取的分率为11%。由此可见，萃取剂用量一定时，萃取次数愈多，萃取愈完全。例如：在一次萃取中，应用一定量之萃取剂，令萃53溶剂萃取法课件54（三）、多级逆流萃取多级逆流萃取中，在第一级中加入料液，并逐渐向下一级移动，而在最后一级中加入萃取剂，并逐渐向前一级移动。料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故称为逆流萃取(图19—14)。在逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂，故和错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液平均浓度较高。（三）、多级逆流萃取多级逆流萃取中，在第一级55溶剂萃取法课件56如求取多级逆流萃取的理论收得率，设共有n级，图18—15中每一方框代表一级，包括一个混和器和一个分离器。如求取多级逆流萃取的理论收得率，设共有n级，57（四）、萃取计算诺模图生化物质萃取分离、浓缩过程的主要指标：产物从一相转入另一相的完全程度、浓缩倍数以及萃取的选择性等。决定因素：所用的有机溶剂，水相pH值、萃取温度、相的体积比，设备效率等。（四）、萃取计算诺模图生化物质萃取分离、浓58

为了便于选择合理的萃取条件和相应的设备，必须恰当地分析主要因素对过程的影响。则可利用未被萃取分率、浓缩倍数m，水相pH和使用设备的理论级数n定量连结的诺模图来完成。主要可通过下列关联式进行计算：

从上面三式分析可见，主要是求取在一定温度下分配系数K和溶液pH的关系(m和n是可以任选的)，然后通过电子计算机运算即可描点绘图。为了便于选择合理的萃取条件和相应的设备，必须59溶剂萃取法课件60

诺模图的应用：设有三种萃取设备，A.两级逆流混合离心分离设备,每一级混和器的效率取为0.9，则该设备相当于1.8个理论级，即n＝1.8；B.卢怀斯特三室离心萃取机，每一室的效率取为0.7，则设备相当于n＝2.1；C.多级离心萃取机，它相当于五个理论级n＝5。如规定未被萃取的分率Φ为2％，则在pH2.0和3.0萃取时，相应的浓缩倍数见表:诺模图的应用：设有三种萃取设备，A.两级逆61

从表18—4可见，在pH2萃取时，浓缩倍数的计算值在5.0以上，但实际值却在2.5—3.0之间，即实际溶剂用量不能少于滤液体积的1/3，这是由于丁酯体积减少时，在相分界面上，每单位面积乳化杂质的量将大大增加，因而乳化严重，Φ值就要超过原来规定的2％。从表18—4可见，在pH2萃取时，浓缩倍62

实践表明，在pH2.0萃取青霉素时，主要损失不在于废水中青霉素剩余量，而是它的破坏、水相中因乳化而夹带丁酯，以及渣子中带走。因此pH2.0萃取时，多级萃取设备和两级逆流混合离心分离设备相比，显不出优越性。但在pH3.0萃取，多级萃取设备就较优越，因为浓缩倍数可达5－7，杂质析出较少，乳浊液较易破坏，青霉素破坏也较少(在pH为2.0时破坏速度要比pH为3.0时高出6倍)，选择性也增大，丁酯相中杂质减少(见图18—18和表18—5)。所以利用多级萃取设备在pH为3.0下萃取对收率、质量都是有利的。实践表明，在pH2.0萃取青霉素时，主要损失63溶剂萃取法课件64溶剂萃取法课件65六、离子对/反应萃取上述液-液萃取属于物理萃取，其应用的限制因素：1、发现一个对目标溶质分配系数足够高的溶剂是比较困难的。

2、用有机溶剂萃取弱电解质（有机酸或有机碱）时都要调节溶液的pH使其小于pKa（对有机酸）或大于pKb（对有机碱），这样会影响目标溶质的稳定性。因此,启发人们寻找新的萃取体系。六、离子对/反应萃取上述液-液萃取属于物理萃66（一）一般介绍

离子对/反应萃取：使目标溶质与溶剂通过络合反应、酸碱反应或离子交换反应生成可溶性的复合的络合物，易从水相转移到有机溶剂萃取系统中。

（一）一般介绍离子对/反应萃取：使目标溶质与67（1）有机磷类萃取剂

在类似的条件下，用有机磷类化合物萃取弱的有机酸比醋酸丁酯等碳氧类萃取剂分配比要高很多。典型的磷类萃取剂最早用于金属萃取，它们有：磷酸三丁酯（TBP），氧化三辛基膦（TOPO）和二－2－乙基己基磷酸（DEHPA），其分子式如下：主要有两类萃取剂：（1）有机磷类萃取剂主要有两类萃取剂：68（2）胺类萃取剂用溶解在稀释剂中长链脂肪酸从水溶液中萃取带质子的