萃取和色谱分离1

第三章

萃取与色谱分离设备萃取与色谱分离设备萃取分离原理及设备溶剂萃取双水相萃取萃取操作过程及设备

离子交换分离原理及设备离子交换树脂及其分离原理离子交换设备及计算吸附分离原理及设备吸附分离原理吸附操作及设备色谱分离原理及设备色谱分离原理色谱分离操作条件及设备色谱分离过程的放大生化下游加工过程可分为4个阶段：

1）发酵液的预处理和固液分离

2）产物提取3）产物精制4）成品加工第一节萃取分离原理和设备溶剂萃取操作是将一种溶剂加入料液中，使溶剂和料液充分混合，则欲分离的物质能较多的溶解在溶剂中，并与剩余料液分层，从而达到分离的目的萃取分离的实质是利用欲分离组分在溶剂中与原料液中溶解度的差异来实现萃取分离的种类溶剂萃取双水相萃取反胶束萃取液-固萃取超临界萃取微波协助萃取其他萃取技术萃取方法原

理应用液-固萃取属于用液体提取固体原料中有用成分的扩散分离操作。多用于提取存在于胞内的有效成分。液-液萃取溶剂萃取利用溶质在两个互不混溶的液相（通常为水相和有机溶剂相）中溶解度和分配性质上的差异进行的分离操作。可用于有机酸、氨基酸、维生素等生物小分子的分离纯化。双水相萃取利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异进行的分离操作。主要用于蛋白质、酶，特别是胞内蛋白的提取纯化。反胶团萃取利用表面活性剂在有机相中形成的反胶团，从而在有机相中形成分散的亲水微环境，使生物分子在有机相（萃取相）内存在于反胶团的亲水微环境中。适用于氨基酸、肽和蛋白质等生物分子的分离纯化，特别是蛋白质类生物大分子的分离。液膜萃取液膜能将与之不互溶的液体分开，使其中一侧液体中的溶质选择性地透过液膜进入另一侧，实现溶质之间的分离。适用于金属离子、烃类、有机酸、氨基酸和抗生素的分离及废水处理，在酶的包埋固定化和生物医学方面的应用也前景广阔。超临界流体萃取利用超临界流体作为萃取剂，对物质进行溶解和分离。适用于脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油酯、芳香成分等物质的萃取分离。几种萃取方法的比较萃取分离原理及设备静置分层振荡萃取含Ni2+水溶液（水相）氨性缓冲液（pH9）丁二酮肟萃取剂加入CHCl3有机相

萃取过程

1 混合-澄清式萃取混合-澄清式萃取器(Mixer-settler,最常用的液液萃取设备)

溶剂萃取方法1单级萃取混合器分离器SLFR分配系数K和萃取因数E：所以单级萃取的理论收率：2、多级错流萃取:是多个单级萃取的串联过程，料液经一级萃取后，萃余液再与新鲜萃取剂接触再进行萃取。混合器分离器S1L1FR1混合器分离器S2L2混合器分离器R2R3L3S3第一级第二级第三级多级错流萃取的理论收率：或2 多级错流接触萃取多级错流接触过程3多级逆流萃取：在第一级中加入物料，在最后一级中加入萃取剂，料液和萃取剂移动方向相反多级逆流萃取的理论收率:混合器分离器S1FR1混合器分离器混合器分离器R2R3L3S第一级第二级第三级L13多级逆流接触萃取

将多个混合-澄清器单元串联起来,分别在左右两端的混合器中连续通入料液和萃取液,使料液和萃取液逆流接触,即构成多级逆流接触萃取.逆流型多级萃取方式4液滴逆流分配法利用混合物中各成分在两液相间分配系数的差别，由流动相形成液滴，通过作为固定相的液体柱而达到分离纯化的目的。其装置示意图见2-7影响萃取操作的因素

主要有萃取剂，ｐＨ，此外包括乳化，盐析，带溶剂等１。萃取剂的选择要求萃取能力强，分离程度高。一般相似相溶２。ＰＨ的范围ＰＨ一方面影响选择性，另一方面又影响分配系数

其次还应选择在产物稳定的范围内３。温度的确定１）防止温度过高造成生物铲平的不稳定２）适度提高温度以提高分配系数４。盐析，带溶剂，去乳化的作用二 双水相萃取双水相系统(aqueoustwo-phasesysten,ATPS)

PEG=聚已二醇(polyethyleneglycol)Kpi=磷酸钾DX=葡聚糖(dextran)1、Pro如何分布2、影响因素3、应用萃取分离原理及设备

双水相萃取(aqueoustwo-phasepartitioning，ATPP)

双水相萃取原理

双水相萃取原理：基于物质在双水相体系中的选择性分配。双水相体系：某些有机物之间或有机物与无机盐之间，在水中以适当的浓度溶解后形成互不相溶的两相或多相水相体系。常用生物分离的双水相体系：PEG－Dextran系列和PEG－无机盐系列。双水相体系在生物分离的应用：用于蛋白质、酶、核酸、菌体、细胞、细胞器以及氨基酸、抗生素等生物小分子物质的分离、纯化。双水相萃取(ATPP)

双水相萃取方法萃取分离原理及设备两级双水相萃取酶的流程

萃取操作过程及设备萃取分离原理及设备液-液萃取设备应包括三部分：混合部分、分离部分和溶剂回收设备

混合设备混合罐喷射式混合器（一）混合设备1混合罐结构类似于带机械搅拌的密闭式反应罐，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。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。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，每个室中都设有搅拌器。除机械搅拌混合罐外，尚有气流搅拌混合罐，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。通常采用混合排管。萃取剂及料液在一定流速下进入管道一端，混合后从另一端导出，为了保证较高的萃取效果，料液在管道内应维持足够的停留时间，并使流动呈完全涡流状态，强迫料液充分混合。混合管的萃取效果高于混合罐，且为连续操作。2混合管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。喷射式混合器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。3喷射式混合器常见的喷射式混合器示意图二、液-液两相分离设备离心机

管式离心机分离设备提圈是一组外径相同的有孔金属薄板，置于重液相出口处，对于不同的料液，必须选用适当开孔直径的提圈才能使两相分离清楚。常用的液-液分离碟片式离心机碟式离心机

萃取操作过程及设备萃取分离原理及设备

离心萃取机

萃取操作过程及设备萃取分离原理及设备

离心萃取机多级离心萃取机Luwesta三级离心萃取机多级离心萃取

卢威式离心萃取器简称LUWE离心萃取器，是一种立式逐级接触式离心萃取设备。为三级离心萃取器，其主体是固定在外壳上的环形盘，此盘随壳体作高速旋转。在壳体中央有固定不动的垂直空心轴，轴上装有圆形圆盘且开有若干个喷出口。卢威式离心萃取器的优点是：可以靠离心力的作用处理密度差小或易产生乳化现象的物系；设备结构紧凑，占地面积小，效率较高。缺点是：动能消耗大，设备费用也较高。

多级离心萃取机Luwesta三级离心萃取机设备中装有两级或三级混合及分离装置的逆流萃取设备。图示是三个单级混合和分离设备的叠合装置，分上、中、下三段，下段是第１级混合和分离区，中段是第２级，上段是第３级。每段的下部是混合区域，中部是分离区域，上部是重液引出区域。

新鲜的萃取剂由第３级加入，待萃取料液由第１级加入，萃取后的轻液在第１级引出，萃余重液则在第３级引出。立式连续逆流离心萃取机α-LavalABE-216离心萃取机

萃取操作过程及设备萃取分离原理及设备

离心萃取机ABE-216离心萃取机轻重液走向示意图2立式连续逆流离心萃取机其主要部件为一由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，使液体上下曲折流动。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。操作时，重液相（料液）由底部轴周围的套管进入转鼓，沿螺旋形通道由内向外顺序流经各管，最后由外管经溢流环到向心泵室排出。轻液（萃取剂）由底部的中心管进入转鼓，流入第十圆筒，从下端进入螺旋形通道，由外向内顺序流入各筒，最后从第一筒经出口排出。三相倾析式离心机结构倾析式离心萃取机

萃取操作过程及设备萃取分离原理及设备

离心萃取机3倾析式离心机它由圆柱-圆锥形转鼓、螺旋输送器、驱动装置、进料系统等组成。操作时，料液从重液相进料管进入转鼓的逆流萃取区后受到离心力场的作用，与中心管进入的轻液相（萃取剂）接触，迅速完成相之间的物质转移和液-液-固分离。固体渣子沉积于转鼓内壁，借助于螺旋转子缓慢推向转鼓顶端，并连续地排出转鼓。而萃取液则由转鼓柱端经调节环进入向心泵室，借助向心泵的压力排出。中心管三.超临界流体萃取的基本原理

相

密度(g/ml)扩散系数(cm2/s)粘度(g/cm.s)气体(G)10-3

10-1

10-4

超临界流(SCF)0.3～0.910-3～10-4

10-4～10-3

液体(L)110-5

10-2

超临界流体萃取的原理主要是根据超临界流体对物质有很强的溶解能力，且改变温度或压力即可改变流体的密度、粘度和扩散系数，流体对物质的溶解特性也随之改变，因此，可将不同性质的成分分段萃取或分步析出，达到萃取分离的目的。超临界流体萃取的基本流程分离釜

萃取釜CO2热交换器

压缩机或泵

过滤器

图2超临界CO2萃取的基本流程

热交换器压缩机

萃取釜

制冷MVC-760L

二氧化碳循环泵

北京超流萃取技术研究所美晨集团股份有限公司北京天安嘉华超临界科技发展有限公司云南亚太致兴生物工程研究所1.德国伍德公司美国SupercriticalProcessingInc

P-3E-5进料出渣R-1R-2F-1E-1V-1E-2V-3V-2V-4F-2E-3X-1E-4V-5P-1P-2放空去产品贮槽VP-1应用范围品种功能性油脂沙棘油、小麦胚芽油、鱼油、葡萄籽油、耐鹊油等中药及中药提取物穿心莲提取物、当归油、丹参提取物、厚朴提取物、薄荷油、五味子油、车前子油、柴胡油、川穹油、姜黄色素、菟丝子油、枸杞子油、鸦胆子油、天然咖啡因、紫草素、丹皮酚、乳香提取物、野菊花油、苍术油、我术油、香附油、青蒿素、霍香游、紫苏叶油、熊果酸调味品姜油、辣素、辣椒色素、花椒油、胡椒油香料、香精辛夷花精油、烟叶精油

超临界萃取技术的应用四.离子交换分离原理及设备

离子交换树脂及其分离原理

离子交换树脂的分类及合成离子交换树脂的理化性能离子交换机理及选择性离子交换装置及再生离子交换设备及计算离子交换设备的结构离子交换设备的计算离子交换树脂的分类依据活性基团分类阳离子交换树脂阴离子交换树脂螯合树脂两性交换树脂强酸型弱酸型交换基为酸性，H+与阳离子交换—SO3H—COOH—OHpH>2pH>6使用pH范围pH>10交换基为碱性，阴离子发生交换强碱型弱碱型—N+(CH3)3Cl-—N+H3OH-—N+H2ROH-—N+HR2OH-pH<12pH<4含有特殊螯合基团的树脂电子交换树脂，含有氧化还原功能基团交换反应阳离子交换树脂阴离子交换树脂R-SO3H+M+R-SO3M+H+RN+(CH3)3Cl-+X-RN+(CH3)3X-+Cl-R-NH2+H2OR-N+H3OH-

水合作用RN+H3OH-+X-RN+H3X-+OH-螯合交换树脂R-L+M(R-L)nM离子交换树脂的性能参数交联度交换容量表征骨架性能的参数表征活性基团的性能参数是指交联剂在反应物中所占的质量分数交联度大，树脂孔隙，交换反应速度，选择性小慢高交联度小，树脂孔隙，交换反应速度，选择性。大快低氨基酸的分离，交联度8%，多肽的分离2~4%每克干树脂所能交换的物质的量（mmol)。决定于网状结构中活性基团的数目。交换容量由实验测得请设计一个测定强碱型阴离子交换树脂容量的方法。离子交换亲合力离子交换树脂与电解质溶液接触时发生离子交换反应R-A++B+R-B++A+

K——选择性系数，也叫分离因素可以推导得衡量树脂对离子的亲和力的大小的参数亲和力水合离子的半径离子的电荷K半径小K电荷数离子交换分离的基础亲和力的差异离子交换机理及选择性离子交换机理B+A+薄膜离子交换过程包括5步：1.A+自溶液扩散到树脂表面；2.A+从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心；3.A+在活性中心发生交换反应；4.解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面；5.B+从树脂表面扩散到溶液；SampleapplicationandwashElutionEquilibrationRegeneration--------------------------------------------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++-----------离子交换机理及选择性离子交换机理强酸型阳离子交换树脂分离示例Cl-,K+,Na+,Ag+的分离K：亲和力H+<Na+<K+<Ag+H2O游离状态交换反应H+<Na+<K+<Ag+CtNa+K+Ag+前一状态洗脱淋洗曲线离子交换机理及选择性离子交换过程的选择性

离子的水化半径离子的化合价溶液的酸碱度交联度、膨胀度和分子筛树脂与交换离子之间的辅助力有机溶剂的影响应用:氨基酸的分离(阳离子交换树脂)用pH递增的柠檬酸盐缓冲溶液洗脱侧链pKa增大的氨基酸蛋白质、酶、核酸等生物活性物质的分离、纯化和富集.离子交换装置及再生料液处理液单床式料液处理液多床式料液处理液复床式料液处理液混合床式离子交换装置离子交换装置及再生再生方式料液再生液处理液废液顺流再生料液再生液处理液废液逆流再生离子交换装置及再生再生方式废液再生液料液再生液处理液对流逆流再生废液再生液料液再生液处理液对流再生离子交换装置及再生再生操作交换反洗再生水洗交换料液处理液废水反洗水再生水再生废液正洗水废水料液处理液动画演示离子交换装置及再生再生操作混合床再生的操作过程具有多孔支持板的离子交换罐圆筒体的高径比一般为2～3，树脂层高度约为圆筒高度的50～70％。1-视镜2-进料口3-手口4-液体分布器5-树脂层6-多孔板7-尼龙层8-出液口具有块石支持层的离子交换罐1-进料口2-视镜3-液位计4-树脂层5-卵石层6-出液口被交换溶液进口淋洗水、解吸液及再生剂进口废液出口分布器分布器淋洗水、解吸液及再生剂出口，反洗水进口反吸附离子交换罐扩口式离子交换器混合床交换罐制备无机盐的流程筛板式连续离子交换设备漩涡式连续离子交换设备离子交换设备的计算罐体积罐体积Vt：罐高径比一般取Hi/D=2～3。

交换设备的放大1.根据交换罐负荷相同的原则放大；2.根据交换罐中溶液空塔流速相同的原则放大；3.溶液通过床层的压力降色谱法也称层析法，是1903年俄国植物学家MichaelTswett发现并命名的。将植物色素溶液通过装有CaCO3吸附剂的柱子，然后用石油醚淋洗，各种色素以不同的速率流动后形成不同的色带而被分开。

色谱分离法色谱起源色谱组分色素石油醚碳酸钙颗粒用色彩（chroma）和图谱（graphs）组成色谱一词（Chromatography)。一色谱法

当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。

两相及两相的相对运动构成了色谱法的基础二

色析法的发展过程圆形滤纸长条滤纸薄层层析(TLC)管柱层析容量变大容量更大加展开液AdaptedfromScopeRK(1987)ProteinPurification–PrinciplesandPracticep.9Paperpartitionchromatography(PPC)Martin,Synge(1952)

气相色谱：流动相为气体（称为载气）。按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱二

色析法的发展过程液相色谱液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）。按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。离子色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂为固定相，不同pH值的水溶液为流动相。超临界色谱:高效毛细管电泳:

三色谱分离的特点分离效率高应用范围广选择性强高灵敏度的在线检测快速分离过程自动化操作色谱分离的分类一、按分离机理不同分类吸附色谱分离（AdsorptionChromatography，AC）分配色谱（DistributionChromatography，DC）离子交换色谱（IonExchangeChromatography，IEC）凝胶色谱（GelChromatography，GC）亲合色谱（AffinityChromatography，AFC）吸附色谱分离是指混合物随流动相通过固定相（吸附剂）时，由于固定相对不同物质的吸附力不同而使混合物分离的方法。新的吸附色谱技术有：疏水作用色谱（HydrophobicInteractionChromatography，HIC）、金属螯合作用色谱（MetalChelationChromatography，MCC）、共价作用色谱（CovalentInteractionChromatography，CIC）等；吸附剂有氧化铝、硅胶、活性炭、膨润土、磷酸钙、氧化钛、氢氧化锌凝胶等。无机吸附剂在有机大分子色层分离中的实用例子——丝裂霉素的精制。丝裂霉素的发酵滤液用活性炭吸附，丙酮洗脱，→蒸去丙酮的浓缩水溶液，用氯仿萃取。→氯仿萃取液上氧化铝柱，先用氯仿冲洗，能部分分带，→接着以氯仿－丙酮（3:2）展开，约2小时后，能分出色层，其中蓝→紫色色带为有效成分丝裂霉素C。→将柱推出，切取蓝紫色部分，用10％甲醇－氯仿洗脱，减压蒸干，→在甲醇－苯中结晶，即可得蓝紫色丝裂霉素C结晶。分配色谱是利用混合物中各物质在两液相中的分配系数不同而分离。根据固定相和流动相的极性与非极性的差别，分配色谱可分为正相色谱和反相色谱。正相色谱（NormalPhaseChromatography，NPC）的固定相为极性，流动相为非极性，当混合物随流动相通过固定相时，极性较强的化合物被保留，极性较弱的化合物先被洗脱下来。反相色谱（ReversedPhaseChromatography，RPC），固定相为非极性，流动相为极性，用于分离非极性或弱极性物质。离子交换色谱是基于离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子进行可逆交换，由于混合物中不同溶质对交换剂具有不同的亲合力而将它们分离。该法适合于离子和在溶剂中可发生电离的物质的分离。大多数生物大分子都是极性的，都可使其电离，所以离子交换色谱广泛用于生物大分子的分离纯化，特别是在蛋白质、多肽、核酸等生物物质的分离纯化中，离子交换色谱分离占主导地位。碱性水溶性抗生素的分离和分析也常用离子交换色层分离法。例卡那霉素A,B,C可以用强碱性树脂Dowex1×2（OH型），以水作展开剂，进行离子交换色层分离法分离。在0.9×39cm的色层分离柱中（树脂用量25～50mL，粒度200～400目），流速控制在20～30mL/h，卡那霉素B最先流出，接着卡那霉素C，最后卡那霉素A自柱中流出。凝胶色谱以凝胶为固定相，是一种根据各物质分子大小不同而进行分离的色谱技术，又称为分子筛色谱（MolecularSieveChromatography，MSC）、空间排阻色谱或尺寸排阻色谱（SizeExclusionChromatography，SEC）。凝胶是一种不带电荷的具有三维空间的多孔网状结构的物质，凝胶的每个颗粒的细微结构就如一个筛子。当混合物随流动相流经凝胶柱时，较大的分子不能进入所有的凝胶网孔而受到排阻，它们将与流动相一起首先流出，较小的分子能进入部分凝胶网孔，流出的速度较慢，更小的分子能进入全部凝胶网孔，而最后从凝胶柱中流出。凝胶色谱主要用于脱盐、分级分离及分子量的测定。应用举例（1）去热原（2）纯化青霉素（3）大分子物质的分子量测定将离子交换树脂制备的无盐水通过羟型DEAE-A-25凝胶，可制得无热原水，用于注射。用葡聚糖凝胶G-25（粒度为20～80μm）分离青霉素中的一些高分子杂质（青霉素聚合物、青霉噻唑蛋白），去除这些强烈致敏性的全抗原。生物体中许多大分子化合物具有与其结构相对应的专一分子可逆结合的特性，如酶蛋白与辅酶、抗原和抗体、激素与其受体、核糖核酸与其互补的脱氧核糖核酸等体系，把与目的产物具有特异亲合力的生物分子固定化后作为固定相，当含有目的产物的混合物（流动相）流经此固定相时，即可把目的产物从混合物中分离出来。亲合色谱对于生物大分子化合物的分离纯化具有特别重要的意义。酶——底物或底物类似物外源凝集素——多糖化合物——抑制剂——糖蛋白——辅因子——细胞表面受体蛋白抗体——抗原——细胞——病毒核酸——互补碱基链段——细胞——组蛋白激素、微生物——受体蛋白——核酸聚合酶——载体蛋白——核酸结合蛋白生物亲和关系柱色谱，具有进样量大，回收容易等优点，但其分辨率不如纸上色谱和薄层色谱高；纸上色谱，以滤纸为载体