生化分离技术课件

萃取和浸取技術

第一節溶劑萃取

將所選定的某種溶劑，加入到液體混合物中，根據混合物中不同組分在該溶劑中的溶解度不同，將需要的組分分離出來，這個操作過程稱為溶劑萃取。萃取操作的基本過程如圖3-1所示。原料液（液體混合物）由A、B兩組分組成，若待分離的組分為A，則稱A為溶質，B組分為原溶劑（或稱稀釋劑），加入的溶劑稱為萃取劑S。首先將原料液和溶劑加入混合器中，然後進行攪拌。萃取劑與原料液互不相溶，混合器記憶體在兩個液相。通過攪拌可使其中一個液相以小液滴的形式分散於另一相中，造成很大的相接觸面積，有利於溶質A由原溶劑B向萃取劑S擴散。

第一節溶劑萃取A在兩相之間重新分配後，停止攪拌，將兩液相放入澄清器內，依靠兩相的密度差進行沉降分層。上層為輕相，通常以萃取劑S為主，並溶入較多溶質A，同時含有少量B，為萃取相，以E表示；下層為重相，以原溶劑B為主及未擴散溶質A，同時含有少量的S，稱為萃餘相，以R表示。在實際操作中，也有輕相為萃餘相，重相為萃取相的情況。萃取相和萃餘相都是A、B、S的均相混合物，為了得到分離後的A組分，應除去溶劑S，稱為溶劑回收。回收後的溶劑S，可供迴圈使用。通常用蒸餾的方法回收S，如果溶質A很難揮發，也可用蒸發的方法回收S。萃取相脫去溶劑S後，稱為萃取液，以E`表示；萃餘相脫去S後，稱為萃餘液，以R`表示。第一節

溶劑萃取

圖3-1萃取過程示意圖由此可見，一個完整的萃取過程應包括：原料液（A+B）與萃取劑（S）的充分混合，以完成溶質（A）由原溶劑（B）轉溶到萃取劑S的傳質過程；萃取相與萃餘相的分離過程；從兩相中回收溶劑S最後得到產品的過程。下麵以溶劑萃取為例，介紹萃取過程的理論基礎。第一節溶劑萃取一、溶劑萃取的理論基礎1．物質的溶解和相似相溶原理一種物質（溶質）均勻地分散在另一種物質（溶劑）中的過程，稱為溶解。從熱力學角度來看，一個溶解過程要能自動進行，體系的熵將增大。吉布斯自由能應下降。當△G<0時，溶解自動進行；△G=0達到溶解平衡；△G>0時，溶解不能進行。△G=△H–T△S（3-1）△H=△E+△(PV)（3-2）第一節溶劑萃取式中

G——吉布斯自由能，J；H——焓，J；S——熵，J.K—1；E——能量，J；P——壓力，Pa;V——體積，m3;T——熱力學溫度，K。一般溶解過程，壓力和體積的變化很小，熵的變化引起吉氏函數的變化也很小，因此可忽略熵、體積和壓力的變化，只考慮體系能量的變化。第一節溶劑萃取溶解過程能量的變化，從以下三個方面綜合考慮。（1）溶質A各質點的相互分離。原先是固態或液態的溶質A，先分離成單個的分子或離子，這個過程需要吸收能量△H1。對離子晶體而言該能量等於晶格能，對液體分子而言是汽化能或昇華能。根據分子間作用力大小的一般規律可知，該作用力一般順序為：非極性物質<極性物質<氫鍵物質<離子型化合物。（2）溶劑S在溶質A的作用下形成可容納A分子的空穴。此過程需吸收能量△H2,該能量大小與溶劑S分子之間的作用力大小有關，一般順序為：非極性物質<極性物質<氫鍵物質。該能量大小△H2還與溶質A的分子大小有關，溶質A的分子大，則容納A質點的空穴就要大些，所需破壞溶劑S的分子間作用力的能量就要多些。第一節溶劑萃取（3）溶質A進入溶劑S形成的空穴，A與S之間也存在作用力，此時放出能量△H3。該能量的大小順序為：A、S均為非極性分子<一為極性分子<均為極性分子<A被S溶劑化。所謂溶劑化是指一定數目的溶劑分子較牢固地結合在溶質質點上。根據熱力學知識，體系吸收能量為正值，放出能量為負值。若△H1+△H2+△H3<0，△G<0,溶質A自動溶解於溶劑S中；若△H1+△H2+△H3=0，△G=0,溶質A與溶劑S達到溶解平衡；若△H1+△H2+△H3>0，△G>0,溶質A不能溶解於溶劑S中。第一節溶劑萃取目前還不能定量的解釋溶解的規律,用得較多的是相似相溶原理：相似物易溶解在相似物中。相似體現在二個方面：一是結構相似，如分子的組成，官能團，形態結構和極性相似；二是溶質A與溶劑S的相互作用力相似，即能量相似。兩種物質如相互作用力相似，則能互相溶解。而分子間作用力與分子的極性緊密相關，故兩種物質極性相似，則能互相溶解。下麵先從能量的角度，說明相似相溶原理對溶解過程的應用。（1）兩種不能形成氫鍵的溶劑，如烷烴、苯、四氯化碳等，在相互溶解過程中，吸收的能量△H1、△H2都很小，A與S相互作用放出的能量△H3足以補償吸收的能量，△G<0，因此溶解情況良好。第一節溶劑萃取（2）水向油中溶解。在溶解過程中，吸收的能量△H1很大，△H2較小，但水與油相互作用放出的能量△H3不足以補償吸收的能量，△G>0,故難以溶解。（3）油向水中溶解。在溶解過程中，吸收的能量△H1較小，而由於油的分子量比水大得多，吸收的能量△H2很大，兩者之間作用放出的能量△H3也不能補償所需的能量△H1，△H2，△G>0，故難以溶解。（4）水和乙醇的溶解。兩者都有氫鍵，△H1，△H2都很大，但水和乙醇相互之間能形成氫鍵，放出的能量△H3足以補償吸收的能量，△G<0,故水與乙醇能以任何比例相互溶解。第一節溶劑萃取

2．溶劑的互溶性規律在萃取操作中，萃取劑與原溶劑的互溶度對萃取操作有重大影響，因此必須對溶劑的互溶性規律有所瞭解。物質分子之間的作用與物質種類有關，分子間力包括氫鍵力和分子間作用力。氫鍵鍵能比化學鍵鍵能小得多，但氫鍵鍵能加上範得華力對分子物理性質的影響很大。化合物分子中凡是和電負性大的原子相連的氫原子都有可能再和同一分子或另一分子內的另一個電負性較大的原子相連接，這樣形成的鍵，叫做氫鍵。也就是說一個氫原子可以和兩個電負性大的原子相結合。如A—H……B，這裏……表示氫鍵。形成氫鍵必須有兩個條件：可接受電子的電子受體，A—H……B中的H可接受電子；可提供孤對電子的電子供體，A—H……B中的B有孤對電子。F、O、N形成的氫鍵強，S、Cl形成的氫鍵較弱。第一節溶劑萃取按照生成氫鍵的能力，可將溶劑分成四種類型。（1）N型溶劑不能形成氫鍵，如烷烴、四氯化碳，苯等，稱惰性溶劑。（2）A型溶劑只有電子受體的溶劑。如氯仿，二氯甲烷等，能與電子供體形成氫鍵。（3）B型溶劑只有電子供體的溶劑，如酮、醛、醚、酯等，萃取溶劑中的磷酸三丁酯（TBP）胺等。（4）AB型溶劑

同時具備電子受體A—H和供B的溶劑，可締合成多聚分子。因氫鍵的結合形式不同，又可分為三類：

第一節溶劑萃取①AB（1）型

交鏈氫鍵締合溶劑，如水，多元醇，氨基取代醇，羥基羧酸，多元羧酸，多酚等。②AB（2）型

直鏈氫鍵締合劑，如醇、胺、羧酸等，見圖3-2。③AB（3）型

生成分子內氫鍵，見圖3-2，這類分子因已生成分子內氫鍵，同類分子間不再生成氫鍵，故AB（3）型溶劑的性質與N型或B型分子相似。各類溶劑互溶性的規律，可由氫鍵形成的情況來推斷。由於氫鍵形成的過程，是釋放能量的過程，如果兩種溶劑混合後能形成氫鍵或形成的氫鍵強度更大，則有利互溶，否則不利於互溶。AB（1）型與N型幾乎不互溶，如水與四氯化碳，因為溶解要破壞水分子之間的氫鍵；A型、B型易互溶，如氯仿和丙酮混合後可形成氫鍵。第一節溶劑萃取圖3-3粗略地表示了各類溶劑的互溶性規律，為選擇萃取劑S提供了依據。圖3-2AB(2)型、AB(3)型舉例

圖3-3溶劑互溶性規律

第一節溶劑萃取

3．溶劑的極性溶劑萃取的關鍵是萃取劑S的選擇，萃取劑S既要與原溶劑互不相溶，又要與目標產物有很好的互溶度。根據相似相溶原理，分子的極性相似，是選擇溶劑的重要依據之一。極性液體與極性液體易於相互混合，非極性液體與非極性液體易於相互混合。鹽類和極性固體易溶於極性液體中，而非極性化合物易溶於低極性或沒有極性的液體中。衡量一個化合物摩爾極化程度的物理常數是介電常數ε。兩物質的介常數相似，兩物質的極性相似。物質的介電常數ε，可通過該物質在電容器二極板間的靜電容量C來確定。第一節溶劑萃取

（3-3）

式中，C0是同一電容器在沒有任何介質時的靜電容量值。在實際操作中，是在同一電容器中測出試樣的電容量和一個已知介電常數的標準溶液的電容量，加以比較，獲得試樣的介電常數。介電常數可通過查物理化學手冊得到。通過測定萃取目標物質的介電常數，尋找極性相近的溶劑作為萃取劑，是溶劑選擇的重要方法之一。第一節溶劑萃取

4．分配定律和分離因數在恒溫恒壓條件下，溶質A在互不相溶的兩相中達到分配平衡時，如果其在兩相中以相同的分子形態存在，則其在兩相中的平衡濃度之比為常數，稱為分配常數。這就是溶質的分配平衡定律，簡稱為分配定律。其數學運算式：式中K——分配常數；C2——A在萃取相E中的濃度，mol/L；C1——A在萃合相R中的濃度，mol/L。

（3-4）第一節溶劑萃取分配常數是以相同分子形態存在於兩相中的溶質濃度之比。但在多數情況下，特別是在化學萃取中，溶質在各相中並非以同一種分子形態存在。因此，萃取過程中常用溶質在萃取相E和萃餘相R中的總濃度之比表示溶質的分配平衡，該比值稱為分配係數，用k表示。對溶質A在兩相中的分配係數。第一節溶劑萃取對原溶劑B在兩相中的分配係數顯然分配常數K是分配係數的特殊情況。不同體系有不同的分配係數值。對同一體系，分配係數一般不是常數，其值隨系統的溫度和溶質的組成變化而變化。當溶質的組成變化不大時，在恒溫恒壓條件下，k為常數，其值由實驗決定。一般情況下，習慣上取E相中的溶質A的組成為分子，因此kA值越大，表示萃取效果越好。第一節溶劑萃取在萃取操作中，不僅要求萃取劑S對溶質A的效果好，而且要求萃取劑S盡可能與原溶劑B不互溶，這種性質稱為溶劑的選擇性，通常用分離因數β來表示。分離因數β也稱為分離因數，或選擇性係數。（3-5）式中β——分離因數萃取劑S對溶質A和原溶劑B的選擇性係數；yA——溶質A在萃取相E中的摩爾分數；yB——原溶劑B在萃取相E中的摩爾分數；第一節溶劑萃取

xA——溶質A在萃餘相R中的摩爾分數；xB——原溶劑B在萃餘相R中的摩爾分數。分離因數β值越大，說明萃取分離的效果越好。若β=1，表示A、B兩組分在E相和R相中分配係數相等，不能用萃取的方法對A、B進行分離。

5．影響因素（1）萃取劑對萃取的影響

根據萃取原理，分配定律和分離因數等知識，萃取劑對溶劑萃取的影響主要體現在以下幾個方面：第一節溶劑萃取萃取劑S的選擇性。萃取劑S對溶質A的分配係數要大，對原溶劑B的分配係數要小，分離因數β值大，萃取劑S的選擇性就好。只有選擇性好，才能利用不同溶質在兩相中的分配平衡的差異實現萃取分離。萃取劑S與原溶劑B的互溶度要小。互溶度越小，溶質A在萃取相E中的濃度就越高。萃取劑S與原溶劑B之間要有密度差。有利於萃取後的萃取相E與萃餘相R分層。同時介面溶劑的張力要適中。溶劑的介面張力過小，分散後的液滴不易凝聚，產生乳化現象不利於分層，使兩相分離困難；溶劑的介面張力過大，兩相分散困難，單位體積內的相介面面積小，對傳質不利，但細小的液滴易凝聚對分離有利。一般情況下，傾向於選擇介面張力較大的溶劑。第一節溶劑萃取溶劑的粘度過大，不利於傳質；溶劑的粘度小，不僅有利於傳質，而且有利於兩相的混合與分離，還可節省操作和輸送過程的能量。因此常根據需要加入稀釋劑，降低溶劑的粘度。以上是萃取劑S對萃取分離的影響。在選擇萃取劑時除必須考慮上述因素外，還應滿足下列要求：①不與目標產物發生化學反應；②有較高的化學穩定性，不易燃，不易爆，毒性低，對設備的腐蝕性小；③價格低廉，來源方便；④容易回收和利用。在萃取操作中，萃取劑的回收操作往往是費用最多的環節，回收萃取劑的難易，直接影響萃取操作的經濟效益。回收萃取劑的主要方法是蒸餾和蒸發。用蒸餾的方法回收萃取劑，萃取劑與溶質的相對揮發度要大，不形成恒沸物，且最好是含量低的組分是易揮發的，以便節約能源。用蒸發的方法回收萃取劑，萃取劑的沸點越小越易蒸發，以節省操作費用。第一節溶劑萃取（2）溫度對溶劑萃取的影響

溫度升高，溶解度增加；但溫度過高，兩相互溶度增大，可能導致萃取分離不能進行；溫度降低，溶解度減小。但溫度過低，溶劑粘度增大，不利於傳質。因此要選擇適宜的操作溫度，有利於目標產物的回收和純化。由於生物產物在較高溫度下的不穩定，萃取操作一般在室溫或較低溫度下進行。（3）原溶劑pH值對溶劑萃取的影響

pH值對分配係數有顯著影響。如青黴素在pH=2時，醋酸丁酯萃取液中青黴素烯酸可達青黴素含量的12.5%，當pH>6.0時，青黴素幾乎全部分配在水相中。可見選擇適當的pH值，可提高青黴素的收率。紅黴素是鹼性電解值，在乙酸戊酯和pH=9.8的水相之間分配係數為44.7，而pH=5.5時，分配係數降至14.4。第一節溶劑萃取通過調節原溶劑B的pH值可控制溶質的分配行為，提高萃取劑S的選擇性，同樣可以通過調節pH值來實現反萃取操作。反萃取是在萃取分離過程中，當完成萃取後，為進一步完成純化目標產物或便於完成下一步分離操作的實施，往往需要將目標產物轉移到水相。這種調節水相條件，將目標產物從有機相轉入水相的萃取操作稱為反萃取。例如在pH值在10～10.2的水溶液中萃取紅黴素，而反萃取則在pH=5.0的水溶液中進行。（4）鹽析作用對溶劑萃取的影響無機鹽類如硫酸銨，氯化鈉等在水相中的存在，一般可降低溶質A在水中的溶解度，使溶質A向有機相中轉移。如萃取青黴素時加入NaCl，萃取維生素B12時添加（NH4）2SO4等。但鹽析劑的添加要適量，用量過多時可能促使雜質也轉入有機相。第一節溶劑萃取二、溶劑萃取方式在工業生產操作中，完整的萃取操作應該包括：①混合：原料液與萃取劑的充分混合，完成溶質A由原溶劑B轉移到萃取劑S的過程；②分離：萃取相與萃餘相分離過程；③萃取劑S的回收：從萃取相和萃餘相中回收萃取劑S，供迴圈使用的過程。萃取操作流程按不同的分類方法，可分為間歇和連續，單級和多級萃取流程。在多級萃取流程中，又可分為多級錯流和多級逆流萃取流程。

第一節溶劑萃取不論是何種萃取方式，萃取效率（級效率）是實際萃取級與理論級的比值。經過萃取後，萃取相E與萃餘相R為互成平衡的兩個液相，則稱為理論級。而工業生產中的萃取設備，若要達到理論級的狀態是不太可能的。因為萃取過程是傳質過程，隨著過程的進行，傳質推動力越來越小，意味著要達到平衡需要無限長時間，而工業萃取過程，兩相接觸的時間是有限的；其次兩相完全分離也是不可能的。引入理論級的概念是為了便於研究萃取級的傳質情況，並可作為實際萃取級傳質優劣的標準。實際萃取級則是通過實驗得到的。在萃取操作過程的計算中，每一級均按理論級計算。第一節溶劑萃取

1．單級萃取單級萃取是液—液萃取中最簡單的操作形式，一般用於間歇操作，也可用於連續操作。單級萃取流程示意圖見圖3-1，單級萃取常用設備——單級混合澄清器見圖3-4。

圖3-4單級混合澄清器

第一節溶劑萃取下麵以間歇操作為例，說明單級萃取操作的計算。假定萃取劑全部進入萃取相，料液中溶劑全部進入萃餘相，對（圖3-1）所示萃取過程進行物料衡算，溶質A在萃取前的總品質應等於萃取後的總品質。式中H為料液中溶劑的品質或物質的量；L為萃取劑S的品質或物質的量；xF為初始料液B中溶質A的濃度；yF為萃取劑S中溶質A的濃度；x為萃取平衡後萃餘相R中溶質A的濃度；y為萃取平衡後萃取相E中溶質A的濃度。在單級萃取中，初始萃取劑S中溶質A的濃度一般為零（yF=0）。上式變為：（3-6）（3-7）第一節溶劑萃取對於稀釋溶液，當兩相萃取平衡時：

（3-8）把代入上式，可得：，同理可得：式中ε稱為萃取因數，為萃取平衡後萃取相E與萃餘相R中溶質量之比。單級萃取中，萃取相ε中溶質A的量為Lx，溶質A的總量為HxF，其收率或萃取分率η為二者的比值。

（3-9）第一節溶劑萃取

未被萃取的分率為：當分配平衡關係為非線性方程時，用圖解法求算萃取平衡濃度就比較方便。在圖解法中，溶質平衡關係式稱為平衡線方程，品質衡算關係式稱為操作線方程。直線坐標系上描點作圖，得到兩條曲線分別稱為平衡線和操作線，兩條線的交點座標即為萃取平衡時溶質在兩相中的濃度。如圖3-5所示。圖3-5單級萃取的圖解計算第一節溶劑萃取

2．多級錯流萃取單級萃取效率不高，萃餘相中溶質A的組成仍然很高。為使萃餘相中溶質A的組成達到要求值時，可採取多級錯流萃取。其流程如圖3-6所示。圖3-6多級錯流萃取流程示意圖

第一節溶劑萃取多級錯流萃取是由幾個萃取器串聯組成，原料液自第一級進入，各級均加入新鮮萃取劑S1，S2，……，Sn。由第一級放出的萃餘相R1引入第二級，作為第二級的原料液，由新鮮萃取劑S2萃取，依次類推，直到第n級引出的萃餘相Rn中含溶質A的含量達到規定的值。各級所得的萃取相E1，E2，……，En彙集在一起進入回收設備，回收萃取劑S供迴圈使用。經過n級錯流萃取，最終溶質A在萃餘相的濃度為Xn，在萃取相的濃度為Yn。第一節溶劑萃取設溶質A在兩相中的分配均達到平衡狀態，則：

（i=1，2，……，n）設通入各級萃取中溶劑的用量相等，則第一級的物料衡算式為：其中y0為萃取劑S中溶質A的濃度。當y0=0時，

因為，所以，則第一節溶劑萃取對於第二級同樣得到：對於第n級同理可得：解方程可得理論級數n為：(3-10)而萃取分率為：

第一節溶劑萃取萃餘分率為：當萃取平衡不符合線性關係時，用圖解法比解析法更方便。設平衡線方程為：若通入每一級中的萃取溶劑的用量相等，第i級的物料衡算式為：由此可得第i級的操作線方程：第一節溶劑萃取若各級加入的均為新鮮萃取劑S，則y0=0。第一級操作線方程為第二級操作線方程為第n級操作線方程為各操作曲線的斜率均為，分別通過x軸上的點（xF,0），（x1,0），…（xn-1,0）。具體解法見圖3-7。①首先在直角坐標圖上，根據平衡線方程的數據，作出平衡線；②確定第一操作線的初始點（xF,0）。以為斜率，自F1點（xF,0）作直線與平衡線交於E1，E1點的座標為（x1,y1）,得出的第一級中萃餘相與萃取相溶質濃度。第一節溶劑萃取

③第二級的進料濃度為x1，由E1點作垂線交x軸於F2點（x1,0），F2是第二級操作線的初始點。從F2點開始以斜率作直線與平衡線相交於E2點，E2點座標（x2,y2），即為第二級萃餘相和萃取相的平衡溶質濃度。圖3-7互不相溶體系多級錯流萃取的圖解示意圖

第一節溶劑萃取④依照②、③步驟，依次作操作線，直到某操作線與平衡線交點的橫坐標值（萃餘相濃度）小於生產指標為止。此時重複所做的操作線即為所需的級數。若入口處萃取劑S已帶有少量溶質A，則y0≠0，在相圖上有一截距存在，垂線不與x軸相交，而是與平行x軸，截距為y0的直線相交，其餘步驟與上述相同。若萃取劑S的入口處流量L不等時，則各操作線斜率不同。多級錯流萃取流程特點是萃取的推動力大，萃取效果好，但所用萃取劑量較大，回收萃取劑時能耗大，不經濟，工業上此種流程較少。第一節溶劑萃取

3．多級逆流萃取將若干個單級萃取器分別串聯起來，料液和萃取劑分別從兩端加入，使料液和萃取液逆向流動，充分接觸，即構成多級逆流萃取操作。圖3—8為多級逆流萃取示意圖。萃取劑S從第一級加入，逐次通過第二、三…n各級萃取相E，從n級流出，濃度為yn；料液B從第n級加入，逐次通過n-1、…二、一各級，萃餘相R由第一級排出，濃度為x1。

圖3-8多級逆流液液流程示意圖

第一節溶劑萃取設各級中溶質的分配均達到平衡，第i級的物料衡算式為：平衡線方程為：對於第一級（i=1）,y0=0,解得：對於第二級：同理，對於第n級：

（3-11）

（3-12）第一節溶劑萃取該式為最終萃餘相和料液溶質之間的關係。若已知進料液度（xF）、萃取因數（ε）和級數（n），即可計算萃餘相中溶質濃度（x1）。同樣可以計算出多級逆流萃取過程的萃餘分率為：萃取分率η為：第一節溶劑萃取當萃取平衡關係為非線性方程時，解析方法不適用。可用圖解法。見圖3-9。圖3-9互不相溶體系多級逆流萃取的圖解示意圖第一節溶劑萃取平衡線方程：對整個流程作物料衡算，得出操作線方程：

（3-13）①先在直角坐標上繪出平衡線；②確定操作線的起始點A（x1,y0）、H（xF,yn），作出操作線。或根據A（x1,y0）和斜率繪出操作線。③在兩曲線之間作梯形線，至x小於給定值為止。梯級數即為理論級數。實際所需級數總大於理論級數。（如虛線所示）第一節溶劑萃取若平衡線為一過原點直線可用解析法求解。工業生產的萃取操作中，溶劑S與原溶劑B完全不互溶情況很少，為方便計算，通常將S與B互溶度很小的體系，近似按完全不互溶處理。在多級逆流萃取中，萃餘相在最後一級與純溶劑相接觸，使其所含溶質A減少到最低程度，同時在各級中分別與平衡濃度更高的物料接觸，有利於傳質的進行。該流程消耗溶劑少，萃取效果好，所以在工業生產中廣泛使用。第一節溶劑萃取4．微分萃取微分萃取設備多為塔式設備，（見圖3-10）。原料液與溶劑中密度較大者（稱為重相）從塔頂加入，密度較小者自塔底加入。兩相中其中有一相經分佈器分散成液滴（稱為分散相），另一相保持連續（稱為連續相），分散的液滴在沉降或上浮過程中與連續相逆流接觸，進行溶質A由B相轉移到S相傳質過程，最後輕相由塔頂排出，重相由塔底排出。圖3-10塔式液液萃取流程第一節溶劑萃取塔內溶質在其流動方向的濃度變化是連續的；需用微分方程來描述塔內溶質的品質守恆定律，因此稱為微分萃取。圖3-11是部分塔式設備示意圖。

圖3-11部分塔式萃取設備示意圖

第一節溶劑萃取微分接觸逆流萃取通常是在塔內進行的，萃取相與萃餘相中的溶質沿塔高連續變化，微分萃取的計算實質上就是塔的高度計算。根據分配平衡，物料平衡和微分體積A△Z範圍內重相中的物料衡算，可得出塔高的計算公式為：

（3-14）式中L——微分萃取器的高度（或塔高）；HTU——傳質單元高度，代表萃取設備的效率，數值越小，達到一定程度的萃取所需塔的高度越小；NTU——傳質單元數，反映了分離的難易。第一節溶劑萃取

5．分餾萃取分餾萃取是對多級逆流萃取的溶質進入體系的位置進行了改進，料液從中間位置引入。圖3-12是分餾萃取流程示意圖。圖3-12分餾萃取流程示意圖

第一節溶劑萃取如圖所示，進料部位將萃取流程分為萃取段和洗滌段。重相從右端第n級進入，此重相與進料的組成相同但不含溶質，在與萃取相逆流接觸的過程中，除去目標產物中不希望有的第二種溶質，相當於“洗滌”。第二種物質隨重相離開接觸器，結果使目標產物純度增加而濃度減小，重相在此稱為洗滌劑；萃取劑S從左端第一級進入，將“洗滌劑”帶走的目標產物萃取出來，減少目標產物損失，此段稱為萃取段，進入進料混合器，對目標產物萃取，萃取後再進入洗滌段對目標產物進行純化。與多級逆流接觸萃取相比，萃取段萃取溶質，洗滌段提純溶質。分餾萃取顯著提高了目標產物的純度。第一節溶劑萃取在分餾萃取計算中，平衡關係式為：對進料級左端萃取級作物料衡算得：（i=1，2，…，k-1）對進料級右端洗滌段做物料衡算得：（i=1，2，…，n）對整個系統的物料衡算得：入口處萃取劑S不含目標產物y0=0;入口處洗滌劑不含目標產物xn+1=0。第一節溶劑萃取在萃取段中：（i=1，2，…，k）其中在洗滌段中：（i=k，k+1，…，n）將三式結合可消去其中的xk和yk後，得：

（3-15）與總物料平衡式結合起來，就可對離開體系的輕重濃度求解。

第一節溶劑萃取

6．離子對/反應萃取前面討論的液液萃取，萃取劑與溶質之間不發生化學反應，依據相似相溶原理在兩相間達到分配平衡而實現的。這類萃取稱為物理萃取。而化學萃取則是利用脂溶性萃取劑與溶質之間的化學反應生成脂溶性複合物實現溶質向有機相的分配。離子對/反應萃取屬於化學萃取範疇。在萃取過程中，萃取劑與溶質通過配合反應，酸堿反應或離子交換反應生成可溶性的配合物，實現從水相向有機相轉移。離子對/反應萃取劑中主要有兩類萃取劑：（1）胺類萃取劑用溶解在稀釋劑中的長鏈脂肪胺從水溶液中萃取帶質子的有機化合物，如從發酵液中大規模回收檸檬酸。典型的胺類萃取劑如三辛胺（TOA）和二辛胺（DOA）。第一節溶劑萃取

（2）有機磷類萃取劑典型的有機磷類萃取劑有磷酸三丁酯（TBP）、氧化三辛基磷（TOPO）和二—2—乙基已基磷酸（DEHPA）。最初有機磷類萃取劑主要用於貴金屬和重金屬離子的萃取；後來用於萃取有機物，其分配比與醋酸丁酯等碳氧類萃取劑相比要高出很多。上述兩類萃取劑都需溶解在稀釋劑中。常用的稀釋劑有煤油、已烷、四氯化碳等有機溶劑，以改善萃取相的物理性質。稀釋劑除應具有萃取劑的選擇性、毒性、水溶性、穩定性，黏度、密度等要求外，有兩點是很重要的。第一節溶劑萃取第一，分配係數。在萃取時分配系數要大於1.0，而在把目標產物轉移到水相的反萃取過程中，分配係數應小於0.1，只有這樣，才能提高反萃相中目標產物的濃度。第二，當被萃取的溶質達到臨界值時，離子對/反應萃取體系會形成第三相。所有的離子對都有一定的極性，因此在非極性的稀釋劑中穩定性差，超過了離子對的溶解度就會從有機物中分離出第三相。離子對/反應萃取體系具有選擇性高，溶劑損耗小，產物穩定等優點，但由於對溶劑的毒性會引起產品殘留毒性影響健康，所以國內外尚無應用實例。第一節溶劑萃取

三、溶劑萃取過程中的工藝問題及處理在溶劑萃取過程中，兩相介面上經常會產生乳化現象。乳化是指液體以細小液滴的形式分散在另一不相溶的液體中。例如水以細小液滴的形式分散在有機相中，或有機溶劑以細小液滴的形式分散在水相中。在發酵液的溶劑萃取中產生乳化現象後，使水相和有機相分層困難，影響萃取分離操作的進行。它可能產生兩種夾帶：萃餘相中夾帶溶劑，目標產物的收益率降低；萃取相中夾帶發酵液，給分離提純製造困難。一般形成乳狀液要有兩個條件：互不相溶的兩相溶劑和表面活性物質。在發酵液中有蛋白質和固體微粒，這些物質具有表面活性劑的作用。因此溶劑萃取中，乳化現象極易發生。第一節溶劑萃取在形成的乳狀液中，如果表面活性物質親水基團強度大於親油基團，易形成水包油型（O/W）型乳狀液；如果表面活性物質親油基團強度大於親水基團，易形成油包水型（W/O）乳狀液。在發酵液溶劑萃取中，由蛋白質引起的乳狀液是水包油型的（O/W）的。這種介面乳狀液可放置數月而不凝聚。一方面由於蛋白質分散在兩相介面，形成無定形黏性膜保護作用，另一方面，發酵液中存在一定數量的固體顆粒，對於已產生的乳化層也有穩定作用。因此，防止萃取過程發生乳化和破乳，就成為溶劑萃取提高萃取操作效率的重要課題。在發酵液溶劑萃取過程中，防止發生乳化現象的手段就是在實施萃取操作前，對發酵液進行過濾和絮凝沉澱處理，除去大部分蛋白質及固體微粒，消除引起水相乳化因素。第一節溶劑萃取發生乳化後，可根據乳化的程度和乳狀液的性質，採用適當的破乳手段。乳化程度不嚴重時，可採用過濾和離心沉降的方法。針對乳狀液和介面型活性劑類型，加入相反的介面活性劑，促使乳狀液轉型變型性。對於水包油型（O/W）乳狀油，加入十二烷基磺酸鈉，可使乳狀液從O/W型向W/O型轉化，但由於溶液條件不允許W/O型號乳濁液的形成，從而達到破乳的目的。破乳的其他方法還有；加入強電解質，破壞乳狀液雙電層的化學法；加熱、稀釋吸附的物理法；加入表面活性更強物質，把介面活性替代出來的頂替法等等。但這些方法耗時、耗能、耗物，最好在實施溶劑萃取操作前，對發酵液進行預處理，從源頭上消除乳化現象的發生。第二節浸取

浸取是固液萃取的通稱。用萃取劑S自固體（B也稱為載體或惰性物質）中溶解某一種（或多種）溶質A的單元操作過程稱為浸取。浸取是溶質A從固相轉移至液相的傳質過程。在浸取操作中首先是萃取劑S與固體B的充分浸潤滲透，溶解溶質A，然後分離萃取液和固體殘渣。同溶劑萃取一樣，浸取是生物分離過程中從細胞或生物體中提取目標產物或除去有害成份的重要手段之一。一、浸取理論浸取的傳質過程是以擴散原理為基礎。因此，可以借用品質傳遞理論中的費克定律加以描述。第二節浸取

1．分子擴散的費克定律分子擴散是在一相內部有濃度差異的條件下，由於分子的無規則運動而造成的物質傳遞現象。在密閉的房間裏打開一瓶香水，很快就可以聞到香味，這就是分子擴散的結果。取一勺蜂蜜放在一杯水中，過一會兒整杯水都有甜味，但杯底的更甜，這是分子擴散的表現；如果用勺子攪，很快甜得更快更勻。這便是渦流擴散的效果。憑藉分子熱運動，在靜止或滯流流體裏的擴散是分子擴散；憑藉流體質點的湍動或旋渦而傳遞物質的，在湍流流體中的擴散主要是渦流擴散。第二節浸取費克定律表示了分子擴散與渦流擴散共同的結果：

（3-16）式中JA——擴散通量，組分A在Z方向單位時間，單位面積上的擴散量，kmol/(m2·S)；D——分子擴散係數，m2/S；De——渦流擴散係數，m2/S；——沿Z方向的濃度梯度，kmol/m4；（CA為A組分摩爾濃度）。式中負號表示A的擴散方向與濃度梯度方向相反，即擴散方向是沿著組分A濃度降低的方向進行。第二節浸取

在浸取中，由於兩相均在容器中，渦流擴散係數De可忽略不計，自固體顆粒單位時間的有效成份量為擴散通量。

如圖3-12是固液浸取示意圖。品質傳遞先在有孔固體中進行至介面，物質的擴散距離為L，有效成份自C1變化C2，然後從固液介面在液體中擴散，距離為Z，有效成份自C2變化到C3。圖3-12固液浸取示意圖第二節浸取將有效成份分別計算，物質傳遞在有孔物質中進行時：分離變數：兩邊積分：得：；L為物質在多孔性物質內擴散距離。由介面至液相內部擴散時：

第二節浸取

式中k為傳質分數，。解上式，並將C2代入至式中，得：於是得到：（3-17）式中K——為浸出時傳質總係數，m/s；

△C——為溶質固體與液相主體中目標產物的濃度差，△C=（C1—C3），kmol/m3。

第二節浸取

（3-17）式稱為固體浸出過程的速率方程。在實際浸取過程中，固體與液體主體中有目標產物的濃度差並非為定值，△C可如下表示：

（3-18）式中△C始，△C終——為浸出開始和浸出結束時，固液兩相濃度，kmol/m3。2．物質在不同介質中的擴散物質的浸取機理可分為兩類，一類是有細胞的固體物料，溶質包含在細胞內部，根據分子擴散理論，認為有如下機理：第二節浸取

①萃取劑S通過固體顆粒內部的毛細管道向固體內部擴散；②萃取劑穿過細胞壁進入細胞的內部；③萃取劑在細胞內部將溶質溶解並形成溶液。由於細胞壁內外的濃度差，萃取劑分子繼續向細胞內擴散，直至細胞內的溶液將細胞脹破；④固體內溶液向固液介面擴散；⑤溶質由固液介面擴散至液相主體。如將人參浸泡於乙醇中，人參的有效成份人參皂甙逐漸溶解於乙醇的過程，符合上述機理。對於無細胞物質的浸取歷程要簡單些，①萃取劑穿過液固介面向固體內部擴散；②溶質自固相轉移至液相，形成溶液；③毛細通道內溶液中的溶質擴散至固液兩介面；④溶質由固液介面向液相主體擴散。第二節浸取

根據浸取機理可知，不同物質的擴散速率是不同的，主要反應在擴散係數和傳質係數上。即使是同一物質擴散係數會隨介質的性質、溫度、壓力及濃度的不同而變。下麵以無細胞物質浸取為例，討論物質在不同介質中的擴散。先討論溶質在固體中的擴散。溶質在固體中的擴散有兩類：一類是遵從費克定律，基本上與固體無關的擴散。當擴散的流體或溶質在固體中形成均勻的溶液，溶質在大量的溶劑中進行擴散進，便發生這種類型的擴散。這種擴散方式與流體內的擴散極為相似，故仍可用費克定律。第二節浸取

（3-19）式中DAB——為物質A通過固體B的擴散係數，m2/s。另一類是溶質在多孔介質中的擴散。溶質通過固體孔道中的溶劑進行擴散，其路徑是一個曲折的孔道，孔道影響了擴散的類型。對於稀溶液，此類溶質穩度擴散可表示為：

（3-20）式中DAB——雙組分混合物的一般分子擴散係數，m2/s；ε——多孔介質的自由截面積或孔隙率，m2/m2；——曲折因數，由實驗確定。第二節浸取

令，上式為

式中DABP為有效擴散係數，相當於採用單位固體總表面積計的擴散通量與垂直於表面的單位嘗試梯度計的擴散係數，m2/s。接下來討論溶質在液相中的擴散係數。對於稀溶液，當大分子溶質A擴散到小分子溶劑B中時，可將溶質分子看成球形顆粒。這些球形顆粒在連續介續為層流時作緩慢運動。理論上可用下式表示擴散係數。（3-21）第二節浸取

式中DAB——擴散係數，m2/s；γ——球形溶質A的分子半徑，m；μB——溶劑B的黏度，Pa·S；B——波爾茲曼常數，B=1.38×10—23J/K；T——熱力學溫度，K。當分子半徑rA用分子體積表示時，將代入上式得：

（3-22）式中VA——正常沸點下溶質的摩爾體積，m3/kmol；n——阿伏加德羅常數，n=6.02×1023。第二節浸取

該式適用於相對分子量大於1000，且水溶液中VA大於0.5m3/k·mol非水合的大分子溶質。對於溶質較小的稀溶液，DAB可用下式表示：

（3-23）式中MB——溶劑的摩爾品質，kg/kmol；α——溶劑的締合參數。其值對某些溶劑為：水為2.6；甲醇為1.9；乙醇為1.5；苯、乙醚、庚烷以及其他不締合溶劑均為1.0。結合物質在不同介質中的擴散狀況，結合溶質在浸取過程中的機理，總傳質係數應由下列擴散係數組成：第二節浸取

內擴散係數D內，表示溶質內部有效成分的傳遞速率；自由擴散係數D自，在溶質細胞內有效成分的傳遞速率；對流擴散係數D對，在流動的萃取劑中有效成分的傳遞速率。總傳質係數H為：

（3-24）式中：L為顆粒尺寸；S為邊界層厚度，其值與溶解過程流速有關；h為溶質內擴散距離。在上式中，D自就是DAB，其值與D內相比大了很多，若在帶有攪拌的過程D對值也很大，在此情況下，浸取過程的決定因素就是內擴散係數。第二節浸取

3．相平衡浸取的相平衡關係，是溶液相的溶質濃度與包含於固體相中溶質濃度之間的關係。浸取相平衡的條件是兩者濃度相等；只有溶液相的溶質濃度小於固體相中溶液中溶質濃度，浸取過程才能發生。4．影響浸取因素（1）固體物質的顆粒度根據擴散理論，固體顆粒度越小，固液兩相接觸介面越大，擴散速率越大，傳質速率越高，浸出效果好；另一方面固體顆粒度太小，使液體的流動阻力增大而不利於浸取。（2）溶劑的用量及浸取次數根據少量多次原則，在定量溶劑條件下，多次提取可以提高浸取的效率。一般第一次提取要超過溶質的溶解度所需要的量。不同的固體物質所用的溶劑用量和浸取次數都需要實驗決定。第二節浸取

（3）溫度提高浸取操作溫度增大了溶質的溶解度，降低了溶液的粘度，有利於傳質的進行。但溫度過高，一些無效成分萃出，增加了分離提純的難度；如溶質是易揮發，易分解的，會造成目標產物損失。（4）浸取的時間一般來說浸取時間越長，擴散越充分，有利於浸取。但當擴散達到平衡後，時間不起作用。但是長時間浸取雜質大量溶出，有些苷類易被在一起的酶所分解。若以水作溶劑時，長期浸泡易黴變，影響浸取液的品質。（5）攪拌攪拌強度越大，越有利於擴散的進行。因此在萃取設備中應增加攪拌、強制迴圈等措施；提高液體湍動程度，提高萃取效率。（6）溶劑的pH根據需要調整萃取劑的pH，有利於某些有效成份的提取，如用酸性物質提取生物鹼，用鹼性物質提取皂苷等。第二節浸取

二、浸取過程1．浸取流程（1）單級浸取和多級錯流浸取①浸出量設固體中所含待浸取的物質量為G，浸取平衡後，放出的浸取劑的量為G`，浸出後剩餘在藥材中的溶劑量為g`，浸出後殘留在固體中的浸出物質量為g，對待浸出的物質進行物料衡算得：

（3-25）式中α——浸出後放出的與剩餘在固體中的浸取劑量之比，。對一定量的浸出溶劑，α值越大，殘留在固體中的溶質A的量越少，浸出率越高。第二節浸取

分離出第一次浸取液後，再加入相同數量的新溶劑進行第二次浸取。將代入上式得：

（3-26）式中G2——第二次浸取後放出的溶劑量，g；——第二次浸取後剩餘在固體中溶劑的量，g；g2——第二次浸取後剩餘在固體中可浸出的溶質的量，g。第二節浸取

第n次浸取後，剩餘在固體中溶質A的量為：

（3-27）上式還適用於平衡狀態下多級錯流浸取。條件是各級進料量相等，各級所用的溶劑量相等且不含溶質。②浸出率浸取效果可用固體中浸出溶質A的浸出率表示。表示浸取後所放出的萃取液中所含溶質的量與原固體中所含浸出物質總量的比值。若浸取後固體中所含的溶劑量為1，加入溶劑的總量為M，則所放出的溶劑量為M—1。在平衡條件下浸取一次的浸出率為：第二節浸取

由浸出率定義可知，浸取後藥材中所剩浸出溶質的分率為。如重複浸取時，第二次浸取所放出的溶質浸取率為：

浸取n次後，第n次浸取所放出的溶液中溶質的浸出率為：

（3-28）由式（3-28）可知，與Mn成反比，一般取n為4～5，再大，很小，就沒有經濟價值了。浸出兩次後，浸出物質的總浸出率為：第二節浸取

如經n次浸取，浸出物質的總浸出率為：（2）多級逆流浸取圖3-13為多級逆流浸取流程示意圖。新鮮溶劑S和新固體分別從首尾兩級加入。加入溶劑的稱為第一級，加入新固體物料的稱為末級，溶劑與浸出液以相反方向流過各級為多級逆流浸取。圖3-13多級逆流浸取流程示意圖

第二節浸取

設C為加到第一級浸出器的溶劑所含溶質量，C=0；x為從第一級浸出器放出的藥渣溶劑中所含的溶質量；α為浸出器放出的溶劑量與固體中所含溶劑量之比；g1，g2，g3，g4，g5為各級浸出器浸取後所含的溶質量；S1，S2，S3，S4，S5為進入各級浸出器固體內所含的溶質量。由α的定義，對第一級浸出器作物料衡算：同理，對第二級浸出器有如下關係：由此類推，可得下列關係：第二節浸取

如果為n級逆流浸取時，則：（3-29）（3-30）式（3-30）中Sn為隨固體進入浸出系統的溶質量；x為隨固體萃餘物離開系統的溶質量。固體中不能放出溶質分率（浸餘率）為：第二節浸取

如果系統中各級浸出器的溶劑比α完全相同，上式可簡化為：（3-31）式中——為浸餘率；n——為浸出器的級數。浸出率

（3-32）式中α——為放出的溶劑量和剩餘在固體中的溶劑之比；——為浸出率。第二節浸取

2．浸取溶劑的選擇浸取溶劑的選擇原則與液液萃取劑相似，對溶質的溶解度足夠大，以節省溶劑用量；與溶質之間有足夠大的沸點差，以便於採取蒸餾方法回收利用；溶質在溶劑中的擴散係數大且粘度小；價廉易得，無毒，腐蝕性小等。常用的浸取溶劑有：水、乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、脂肪油等。三、浸取過程中的問題及其處理１．增溶作用由於細胞中各種成分間有一定的親和力，溶質溶解前必須先克服這種親和力，方能使這些待浸取的目標產物轉入溶劑中，這種作用稱為解吸作用。在溶劑中添加適量的酸、堿、甘油或表面活性劑以幫助解吸，增加目標產物的溶解。有些溶劑（如乙醇）本身就具有很好的解吸作用。第二節浸取

（1）酸酸是為了維持一定的pH，促進生物鹼生成可溶性生物鹼鹽類，適當的酸度還可對生物鹼產生穩定作用。若浸取溶質為有機酸時，適量的酸可使有機酸游離，再用有機溶劑浸取時效果更好。常用的酸有鹽酸、硫酸、冰醋酸、酒石酸等。（2）堿常用的堿為氨水、氫氧化鈣、碳酸鈣、碳酸鈉等。在從甘草浸取甘草酸時，加入氨水，能使甘草酸完全浸出。碳酸鈣為一不溶性的鹼化劑，而且能除去鞣質、有機酸、樹脂、色素等雜質。在浸取生物鹼或皂苷時常加以利用。氨水和碳酸鈣是安全的鹼化劑，在浸取過程中用得較多，但沒有酸用得普遍。（3）表面活性劑陽離子型表面活性劑有助於生物鹼的浸取；而陰離子表面活性劑對生物鹼有沉澱作用；非離子型表面活性劑毒性較小。因此，利用表面活性劑增強浸取效果時，應根據被浸固體中目標產物的種類及浸取法進行選擇。第二節浸取

2．固體物料的予處理（1）破碎動物性固體的目標產物以大分子形式存在於細胞中，一般要求粉碎得細一些，細胞結構破壞愈完全，目標產物就愈能浸取完全。植物性固體的目標產物的浸出率與粉碎方法有關。錘擊式破碎，表面粗糙，與溶劑的接觸面大，浸取效率高，可以選用粗粉；用切片機切成片狀材料，表面積小，浸出效率差，塊粒宜選用中等。根據擴散理論，固體粉碎得愈細，與萃取劑的接觸面積愈大，擴散面也愈大，浸出效果愈好。但固體物料過細時，在提高浸出效果的同時，吸附作用同時增加，因而使擴散速率受到影響。又由於固體物料中細胞大量破裂，致使細胞內大量不溶物、黏液質等混入或浸出，使溶液黏度增大，雜質增加，擴散作用緩慢，萃取過濾困難。因此，對固體物料的粉碎要根據溶劑和物料的性質，選擇顆粒的大小。第二節浸取

（2）脫脂動物性固體物料一般都會有大量的脂肪，妨礙有效成份的分離和提純。因此，要採用適宜的方法進行脫脂。常用的方法有：冷凝法。由於脂肪和類脂質在低溫時易凝固析出的特點。將浸出液加熱，使脂肪微粒乳化後或直接送入冰箱冷藏一定時間，從液面除去脂肪。也可用有機溶劑脫脂。脂肪或類脂質易溶於有機溶劑，而蛋白質類則幾乎不溶解，可用丙酮、石油醚等有機溶劑連續迴圈脫脂處理。對於植物性固體物料，不僅要考慮脫脂，還要考慮乾燥脫水。一般非極性溶劑難以從含有多量水分的固體物料中浸出目標產物；極性溶劑則不易從含有油脂的固體物料中浸出目標產物。因此，在進行浸取操作前，可根據溶劑和固體物料的性質，進行必要的脫脂和脫水處理。第三節

新型萃取技術一、雙水相萃取雙水相萃取是新型的分離技術之一，其特點是能夠保持生物物質的活性和構象，純化蛋白質2～5倍，降低設備需要量3～10倍。雙水相萃取技術在生物分離過程中的應用，為蛋白質特別是胞內蛋白質的分離開闢了新的途徑。1．雙水相萃取原理雙水相系統是指某些親水性聚合物之間或親水性聚合物與無機鹽之間，在水中超過一定的濃度溶解後形成不相溶的兩相，並且兩相中水分均占很大比例。典型的例子是聚乙二醇（PEG）和葡聚糖（Dx）形成的雙水相系統。第三節

新型萃取技術

在聚乙二醇和葡聚糖溶解過程中，當各種溶質均在低濃度時，可得到單相均質液體，超過一定濃度後，溶液會變渾濁，靜置可形成兩個液層。上層富集了聚乙二醇（PEG），下層富集了葡聚糖（Dx），兩個不相混合的液相達到平衡。典型雙水相系統示意圖見3-14。這兩個親水成份的非互溶性，是它們各自有不同的分子結構而產生的相互排斥來決定的。葡聚糖是一種幾乎不能形成偶極現象的球形分子，而聚乙二醇是一種共用電子對的高密度聚合物。一種聚合物的周圍將聚集同種分子而排斥異種分子，當達到平衡時，即形成分別富含不同聚合物的兩相。第三節

新型萃取技術這種聚合物分子的溶液發生分相的現象，稱為聚合物的不相容性。高聚物—高聚物雙水性萃取系統的形成就是依據這一特性。可形成高聚物—高聚物雙水相的物質很多，表3-1列出了常見的雙水相系統。其中最常用的是聚乙二醇（PEG）—葡聚糖（Dx）系統。第三節

新型萃取技術除高聚物—高聚物雙水相系統外，聚合物與無機鹽的混合溶液也可形成雙水相。其成相機理大多數學者認為是鹽析作用。最常用的是聚乙二醇（PEG）-無機鹽系統，其上相富含PEG，下相富含無機鹽。雙水相系統萃取屬於液—液萃取範疇，其基本原理仍然是依據物質在兩相間的選擇性分配，與水—有機物萃取不同的是萃取系統的性質不同。當溶質進入雙水相系統後，在上下兩相進行選擇性分配，從生物轉化介質（發酵液、細胞碎片勻漿液）中將目標蛋白質分離在一相中，回收的微粒（細胞、細胞碎片）和其他雜質性的溶液（蛋白質，多肽，核酸）在另一相中。其分配規律服從能斯特分配定律：

（3-33）第三節

新型萃取技術式中CT——上相溶質的濃度，mol/L；

CB——下相溶質的濃度，mol/L。在相體系固定時，預分離物質在相當大的濃度範圍內，分配係數K為常數，與溶質的濃度無關，完全取決於被分離物質的本身性質和特定的雙水相系統。與常規的分配關係相比，雙水相系統表現出更大或更小的分配係數。如各種類型的細胞粒子，噬菌體的分配係數都大於100或小於0.01。在雙水相系統中，兩相的水分都在85%～95%，且成相的高聚物與無機鹽都是生物相容的，生物活性物質或細胞在這種環境下，不僅不會喪失活性，而且還會提高它們的穩定性，因此雙水相系統在生物技術領域得到越來越多的應用。第三節

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2．影響雙水相萃取的因素影響雙水相萃取的因素很多，主要因素有組成雙水相系統的高聚物平均分子量和濃度，成相鹽的種類和濃度，pH值，體系的溫度等。組成雙水相系統高聚物的平均分子量和濃度是影響雙水相萃取分配係數的最重要因素，在成相高聚物濃度保持不變的前提下，降低該高聚物的相對分子量，則可溶性大分子如蛋白質或核酸，或顆粒如細胞或細胞器易分配於富含該高聚物的相中。對聚乙二醇—葡聚糖系統而言，上相富含聚乙二醇，若降低聚乙二醇的相對分子量，則分配係數增大；下相富含葡聚糖，若降低葡聚糖的相對分子量，則分配係數減小，這是一條普遍規律。第三節

新型萃取技術當成相系統的總濃度增大時，系統遠離臨界點。蛋白質分子的分配係數在臨界點處的值為1，偏離臨界點時的值大於1或小於1。因此成相系統的總濃度越高，偏離臨界點越遠，蛋白質越容易分配於其中的某一相。細胞等顆粒在臨界點附近，大多分配於一相中，而不吸附於介面。隨著成相系統的總濃度增大，介面張力增大，細胞或固體顆粒容易吸附在介面上，給萃取操作帶來困難，但對於可溶性蛋白質，這種介面吸附現象很少發生。第三節

新型萃取技術鹽的種類和濃度對雙水相萃取的影響主要反映在兩個方面，一方面由於鹽的正負離子在兩相間的分配係數不同，兩相間形成電勢差，從而影響帶電生物大分子在兩相中的分配。例如在8%聚乙烯二醇—8%葡聚糖，0.5m·mol/L磷酸鈉，pH=6.9的體系中，溶菌酶帶正電荷分配在上相，卵蛋白帶負電荷分配在下相。當加入濃度低於50mmol/L的NaCl時，上相電位低於下相電位，使溶菌酶的分配係數增大，卵蛋白的分配係數減小。另一方面，當鹽的濃度很大時，由於強烈的鹽析作用，蛋白質易分配於上相，分配係數幾乎隨鹽濃度成指數增加，此時分配係數與蛋白質濃度有關。不同的蛋白質隨鹽的濃度增加分配係數增大程度各不相同，利用此性質可有效地萃取分離不同的蛋白質。第三節

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pH值會影響蛋白質分子中可離解基團的離解度，調節pH值可改變蛋白質分子的表面電荷數，電荷數的改變，必然改變蛋白質在兩相中的分配。另外pH值影響磷酸鹽的解離，改變和之間的比例，從而影響聚乙二醇—磷酸鉀系統的相間電位和蛋白質的分配係數。對某些蛋白質，pH值的微小變化，會使蛋白質的分配係數改變2～3個數量級。溫度影響雙組分系統的相圖，因而影響蛋白質的分配係數。特別是在臨界點附近，系統溫度較小的變化，可以強烈影響臨界點附近相的組成。當雙水相系統離臨界點足夠遠時，溫度的影響很小。由於雙水相系統中，成相聚合物對生物活性物質有穩定作用，常溫下蛋白質不會失活或變性，活性效率依然很高。因此大規模雙水相萃取一般在室溫下操作，節約了冷卻費用，同時室溫下溶液黏度較低，有利於相分離。第三節

新型萃取技術

3．雙水相系統的應用實例雙水相萃取分離技術在生化工藝過程，中草藥有效成分的提取，雙水相萃取分析方面均得到成功應用，部分已實現工業化。（1）酶的提取和純化雙水相的應用始於酶的提取。由於聚乙二醇—精葡聚糖體系太貴，而粗葡聚糖黏度又太大，目前研究和應用較多的是聚乙二醇—鹽系統。如用PEG1000—磷酸鹽組成的水相系統，萃取葡萄糖—6—磷酸脫氫酶，料液中濕細胞含量可高達30%，酶的提取率可達91%。在萃取酶的雙水相系統中，酶主要分配在上相，菌體在下相或介面上。如果條件選擇合適，不僅可以從發酵液中提取酶，實現它與菌體的分離，而且還可以把各種酶加以分離純化。第三節

新型萃取技術（2）ß—干擾素的提取由於雙水相系統萃取操作條件溫和，成相的聚合物對生物活性分子有保護作用，所以特別適用於ß—干擾素這些不穩定的，在超濾時易失活的蛋白質的提取和純化。ß—干擾素是合成纖維細胞或小鼠體內細胞的分泌物，培養基中總蛋白為1g/L，而它的濃度僅為0.1mg/L,用一般的聚乙二醇—葡聚糖體系，不能將ß—干擾素與主要蛋白分開，必須使用帶電基團或親和基團的聚乙二醇衍生物如PEG—磷酸酯與鹽的系統，才能使ß—干擾素分配在上相，雜蛋白完全分配在下相而得到分離，並且ß—干擾素濃度越高，分配係數越大，純化係數甚至可高達350。這一技術已用於1×109單位ß—干擾素的回收，收率達97%，干擾素的活性≥1×106單位/mg蛋白質。這一方法與層析技術相結合，組成雙水相萃取—層析聯合流程已成功用於生產。第三節

新型萃取技術

（3）中草藥有效成份的提取有文獻報導，以聚乙二醇—磷酸氫二鉀雙水相系統萃取甘草有效成份，在最佳條件下，分配係數達12.80，收率達98.3%。用PEG6000—K2HPO4—H2O的雙水相系統對黃芩苷和黃芩素進行萃取實驗。由於芩苷和黃芩素都有一定憎水性，主要分配在富含聚乙二醇（PE