《生物分离提取技术》课件-5第五章 萃取

第五章

萃取

本章概要概述溶剂萃取固液萃取双水相萃取7.1概述萃取技术的发展：■溶剂萃取法是20世纪40年代兴起的一项化工分离技术。■60年代后在生物工业得以广泛应用，如抗生素、有机酸、维生素、激素等。■80年代后，萃取技术与其他技术相结合产生了一系列新的分离技术，如逆胶束萃取（ReversedMicelle

Extraction）、超临界萃取（SupercriticalfluidExtraction）、液膜萃取（LiquidMembrane）、双水相萃取等。这些新技术被用来分离DNA重组技术和动植物细胞工程的生物产品。7.1概述分离机理：■萃取——是利用物质溶解于某种液体的一种提取方法，它基于混合物中各组分在同种溶剂中的溶解度不同而使所需组分得以分离和浓缩。■不同的物质具有不同的极性（介电常数不同），当溶质与某种溶剂的极性接近时，溶质

在该溶剂中的溶解度就高。萃取方法的适用性：• 非极性化合物、非水溶性化合物(多为胞内产物)——易于萃取分离• 既溶于水又能溶于溶剂的弱极性化合物——可萃取分离• 极性化合物（离子型化合物）——多用离子交换法分离萃取操作的基本条件：目的产物在所选溶剂中的溶解度

较大所选溶剂与混合液溶剂(水)互不相溶目的产物大部分转移到溶剂萃取工艺过程：（1）发酵培养液预处理：■ 过滤或离心——除去细胞及其他悬浮颗粒；■ 絮凝、沉淀等——除蛋白质等高分子化合物；■ 沉淀、络合——除高价无机离子；■ 膜过滤、蒸发等——浓缩以减少萃取剂用量。（2）两相混合萃取——使目的产物大部分转移到萃取相。（3）两相分离——离心、沉降等。（4）产品回收与溶剂回收——蒸馏、反相萃取等。培养液溶 剂混合器萃取：目的产物转移至萃取相沉降器溶剂回收目的产物萃取相萃余相二次萃取或废液处理萃取操作的特点：（1）选择性好（沉淀法的分离基础是不同物质在一个液相中的溶解度，蒸馏法不适合于蒸汽压相近的组分）；（2）操作条件温和，适合于热敏物料的分离；（3）能量消耗较少，成本较低；（4）传质快，生产能力大，便于连续化操作；（5）采用多级萃取可达较高的分离程度；（6）不适合极性强的物质的分离；（7）有机溶剂法不适合活性物质的分离。7.2

溶剂萃取7.2.1

萃取原理7.2.2

溶剂的选择7.2.3

萃取操作方式7.2.4

操作条件7.2.1萃取原理•

只适合于稀溶液的萃取系统；•溶质对原溶剂（料液）和溶媒（萃取剂）之间的互溶

度没有影响；•

溶质在两相中为同一种分子类型，即不发生缔

合或离解。 C2 溶质在萃余相中的浓度（1）分配定律当温度一定时，溶质在萃取相中的浓度与萃余相中的浓度之比为一常数K——分配系数C1

溶质在萃取相中的浓度

K（2）分离因素■设原液中有溶质A和B，若A、B的分配系数不同，则两种溶质可得到一定程度的分离。■萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因素来表示：KBC2

A

/

C2

B

C1A/

C1B

KAβ值越大，说明溶质A在上相分配的比例越大β值越小，说明溶质B在上相分配的比例越大溶质

A与B易分离β值接近于1，说明溶质A与B的溶解性相近，二者不易分离（3）溶质发生缔合时的分配系数■如溶质分子在萃取剂中有缔合现象，则分配定律可改写为：K=C1/C2n其中n=M1/M2n为溶质在溶剂中缔合分子量变化的数目，其值等于溶质在上下相中分子量之比。例如：醋酸在水中分子量为M2=60，用苯萃取时，在苯中形成缔合分子(CH3COOH)2，分子量M1=120，于是：n=M1/M2=2，

K=C1/C22（4）弱电解质的分配定律•当弱酸溶质（如青霉素）在有机溶剂中进行萃取时，只有游离的弱酸分子能在溶剂中存在，故只有游离酸才能在水和溶剂两相中进

行分配。

A

H

AH

■弱电解质在水中能部分离解成离子，如弱酸溶质的电离平衡为：AH

⎯

A

H

KP

平衡常数

：设：[AH]‘——有机相中游离酸的浓度[AH]——水相中游离酸的浓度[A-]——水相中酸根离子的浓度■两相中的实际分配系数为

：K0=

[AH]‘/[AH]■由于，水相中的弱酸浓度是游离酸与酸根离子的总和，于是表观分配系数为：K=

[AH]‘/([AH]+[A-])■

将以上三式化简后合并可得：0[H

]PK

[H

]K

K■

采用同样方法可得其分配系数为：−

B

H

BH

•对于弱碱溶质：BH

⎯

B

H

KP

平衡常数：0PK

[H

]KPK

K7.2.2溶剂的选择（1）较大的分配系数——节省溶剂用量■K值越大，溶剂用量越少，可采用较少的萃取级数获得较高的产品提取收率。■可根据相似相溶的原则来选择萃取剂，即选择与溶质极性相近的溶剂，其溶质的溶解度就大，所需的溶剂用量就较少。■各物质的极性可根据其介电常数的大小来量度，也即介电常数越大，极性越强。一些溶剂的介电常数（25℃

）溶剂己烷环己烷四氯化碳苯甲苯介电常数1.90极性最小2.022.242.282.37溶剂二乙醚氯仿乙酸乙酯2-丁醇1-丁醇介电常数4.434.876.0215.817.8溶剂1-戊醇丙酮丙醇乙醇水介电常数20.120.722.224.378.54极性最强（2）较大的分离因素——分离效果好■ 当目的产物与杂质的分配系数相差较大时，分离的效果就越好，所得产品的纯度就越高。■ 当目的产物与杂质的分配系数相差较小，

β值接近于1时，产物与杂质的分离效果就差。■ 在许多时候，要综合K值和β值的大小来选择溶剂。（3）溶剂与溶液的关系——便于两相

分散与分离■ 溶剂与溶液互溶度小；■ 粘度低，界面张力适中，不产生难以分离的乳化现象；■ 两相之间有一定密度差，便于混合后的两相分离。（4）毒性要低■ 低毒性：乙醇、丁醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯等；■ 中等毒性：甲苯、环己烷、甲醇等；■ 强毒性：苯、氯仿、四氯化碳等。（5）回收容易，稳定性好；（6）腐蚀性低，安全性好；（7）操作条件下的蒸汽压低，以减小汽化损失；（8）价格低廉，易得。■生物工业常用溶剂：乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、丁醇等。7.2.3萃取操作方式错流逆流错流逆流单级多级单级多级回流分级间歇连续操作方式7.2.3.1单级萃取混合器溶剂

S料液

F分离器萃取相

L萃余相

R连续操作萃取相VS，C1萃余相VF，C2间歇操作7.2.3.1单级萃取萃取相VS，C1萃余相VF，C2间歇操作•萃取因素——溶质在萃取相与萃余相中的数量之比。

K

VSVFE

C1VSC2VF•未被萃取的溶质分率：

C2VF

1C1VS

C2VF E

1•溶质理论收得率：单级萃取：■单级萃取只有在较大的分配系数下，采用较多的溶剂才能达到较高的分离程度。

KK

VF

/VS

E KVSE

1 KVS

VF1

⎪⎫⎬(1

)

(VF/VS)

⎪⎭K

• 采用单级萃取，溶剂用量大，萃取效率低，在工业生产中很少应用。7.2.3.2多级错流（并流）萃取混合器1分离器1S1L1F混合器2分离器2S2L2R1 R2混合器3分离器3S3L3R3•从最后一个分离器取出萃余相，而萃取相从各级分离器单独取出。•可达高的溶质回收率，但溶剂用量大，回收费用高，在工业生产中很少使用，而在实验操作中应用较多。1n（(

E

1

1)(E2

1)1E1

11(E1

1)(E2

1)L(En

1)

2

n级二级一级未被萃取的溶质分率：混合器1分离器1S1L1FR1混合器2分离器2S2L2R2混合器3分离器3S3L3R3n1(E

1)n1

1

而理论收得率：n(E

1)n

S1

S2

S3

L

SnF

R1

R2

L

RnE

E1

E2

L

En1设：则：合器1分离器1S1混L1FR1混合器2分离器2S2L2R2混合器3分离器3S3L3R37.2.3.3

多级逆流（对流）萃取分离器2混合器2L2分离器1混合器1SL1分离器3混合器3L3

FR3 R2 R1在第一级中加入溶剂（S），并逐渐向下一级移动；而在最后一级加入料液（F），并逐渐向前一级移动。萃取相（L3）自最后级取出，而萃余相（R3）自第一级取出。En

1

1E

1

未被萃取的溶质分率：理论收得率：En

1

E1

En

1

1分离器2混合器2L2分离器1混合器1SL1

FR1R2分离器3混合器3L3R34 444

1

4

0.988

98.8%E

4

1

E

4Y

1

EVFCFY

VLCLYCF

VLCL

VF例：对于K=20，E=4的3级逆流萃取系统，试计算其理论收得率与溶质的浓缩倍数（CL/CF）。解：理论收得率：又：可得：萃取因素：浓缩倍数：

L

5

0.988

4.94CFC注：VR=VF

VL=VSVS

E

4VF

＝

K

＝

20＝5SFVFE

KVS

，习题：对于K=5，溶剂总用量VS=0.6VF的萃取系统，试分别计算采用单级、三级错流和三级逆流萃取流程时，溶质

的理论收得率，并对计算结果进行讨论。7.2.4操作条件（1）温度■

生物产品的稳定性；■较高的温度常引起两相（溶剂与料液）部分互溶，萃取效率下降。■温度低，液体粘度增大，扩散系数减少，传质受一定影响。■采用低温萃取时，将增加萃取系统的冷却负荷和动力消耗。（2）pH■

pH影响分配系数，因而对萃取收率影响很大。0[H

]PK

[H

]K

K]0

PPK

[HKK

K例如：红霉素乙酸戊酯/水青霉素乙酸戊酯/水pH9.8pH5.5pH2.5pH7.0K=44.7K=14.7K=45K=1/237（2）pH酸性产物■pH对选择性的影响——由于pH对不同物质K值的影响有所不同，选择合适的pH可除去某些杂质。■当水相为酸性时，酸性溶质较易萃取到有机相，而碱性杂质则成盐被留在水相中。■对于碱性产物则相反，在碱性条件下较易萃取到有机相，而将酸性杂质留在水相中。溶液pH↑→K值↓

→溶质易分配到水相溶液pH↓

→K值↑→溶质易分配到溶剂相• pH对产物稳定性的影响。（3）溶剂比的影响■溶剂用量大，溶质

收率高，分离级数可减少。S/F↑→

E↑→

（1-φ

）

↑■溶剂比增大，溶质浓度（CL）下降，溶剂回收费用增大，能耗也相应增加。S/F↓→CL

↓→溶剂回收费用

↑（4）盐析剂的影响■加入一定量的盐析剂后，弱电解质在水中的溶解度下降，K值增大。如：在VB12提取时，常加入硫酸铵提高K值；而用乙酸丁酯萃取青霉素，常加食盐以提高K值。■加入盐析剂后，萃余相密度增大，有助于两相分离。乳浊液类型当将有机溶剂（通称为油）和水混在一起搅拌时，可能产生两种形式的乳浊液。乳浊液类型：水包油型；油包水型油滴 O/W 水滴W/O

水

油亲水性基团强度>亲油性基团强度（HLB数越大），O/W；亲油性基团强度>亲水性基团强度（HLB

数越小），W/O发酵液的乳化现象主要由蛋白质引起。（5）乳化与去乳化7.3固液萃取7.3.1应用场合（1）某些胞内产物，如灰黄霉素、制霉菌素、淀粉酶、蛋白酶等。（2）采用固态发酵法生产的产物，如固态糖化酶、纤维素酶等。产物存在于细胞内及固体原料或载体中，通常用水作为溶媒萃取（提取）。（3）残留在滤饼、废渣、及其他固相废弃物中的有效成分。7.3.2工艺过程溶剂↓发酵液→预处理→固液分离→固-液萃取→固液分离→萃取液↓ ↓废液 废渣7.3.3萃取原理■

第一步为固相中的产物的溶解，第二步为产物在固相中的扩散，而其中起决定作用的主要是扩散过程。J

DF

ΔCΔx式中：F为扩散面积，D为扩散系数,ΔC为溶质浓度差，

Δx

为溶质扩散的距离。ΔxJ

DF

ΔC固相颗粒直径↓→

F↑→J↑（1）提高固相的破碎程度Δx

↓→(ΔC/Δx)↑→J↑（2）进行搅拌，使固体表面溶质浓度接近主体溶液（

ΔC达最大），可消除外扩散限制。（3）分次提取，不断更新溶剂，

增大ΔC，可有效提高萃取速度。（4）适当提高温度，减少溶液粘度，以提高扩散系数D。•提高萃取速度的措施：7.3.4溶质收率■在多级（或多次）萃取中，设：W—固相物的体积Q0—固相物中原有溶质重量Qn—n次萃取后固相物中所剩溶质重量V—每次萃取所用溶剂体积K—溶质在固相和液相的分配系数（K=CS/CL）nKWKWQKW)n)n

QQ000CS

1W1KW

VKW

VQ

(KW

VQ0

CS1W

CL1V1

1

Qn

1

(理论收得率：于是： Q

7.4双水相萃取■

溶剂萃取法用于生物大分子存在的问题：（1）变性失活；（2）许多大分子物质亲水性很强，不易溶于有机溶剂。■70年代中期，M.R.Kula等首先将双水相系统用于从细胞匀浆液中分离蛋白质和酶。7.4.1

双水相的形成7.4.2

双水相的分配理论7.4.3

影响双水相分配的因素7.4.4

双水相的应用7.4

双水相萃取7.4.1双水相的形成A B A-B■当两种聚合物水溶液混合时，其混合后的状况取决于聚合物分子间的作用力：（1）两种聚合物间存在较强的引力，混合后它们相互结合而存在于同一相中。ABA，B（2）两种聚合物间不存在较强的引力或斥力，则两者可相互混溶于同一相中。ABAB（3）两种聚合物间存在较强的斥力，混合后由于相互排斥作用而形成两相。这种现象称为聚合物的不相溶性（Incompatibility）。■当混合液中的溶质与上相（A相）聚合物的亲和力较强时，则在上相中的分配就较多，反之则在下相分配较多。■由于不同的溶质与两种聚合物的相溶性有所不同，其各自的分配系数也就有所不同，因而可产生分离，此即为双水相萃取。■不相溶性在许多聚合物分子间都存在，此外，由于盐析作用的存在，聚合物与盐类溶液也能形成双水相。几种典型的双水相系统类 型轻相化合物重相化合物A两种非离子型聚合物聚丙二醇聚乙二醇、聚乙稀醇、葡聚糖聚乙二醇EOPO聚乙稀醇、葡聚糖、聚乙稀吡喏烷酮、羟丙基淀粉B其中一种为带电荷的聚电解质DEAE葡聚糖·HCl聚丙二醇NaCl聚乙二醇Li2SO4C两种聚电解质羧甲基葡聚糖钠盐羧甲基纤维素钠盐D聚合物/无机盐聚乙二醇磷酸钾、硫酸钾、硫酸钠7.4.2双水相的分配理论■同溶剂萃取一样，双水相的分配系数仍可表示为：

K=C1/C2■

双水相分配理论的解释有：（1）表面能的影响（2）电荷的影响（3）综合影响7.4.3影响双水相分配的因素7.4.3.1聚合物的分子量■

蛋白质易分配于聚合物分子量较小的相。对于PEG/Dx系统：PEG分子量↑→

蛋白质的分配系数K↓Dx分子量↑→蛋白质的分配系数K

↑■通过改变PEG的分子量可使蛋白质分配在不同的相。■通过选择不同分子量的PEG可分离不同分子量的蛋白质。■由于细胞碎片的分子量较大，所以增加PEG的分子量更易使细胞碎片趋于下相。7.4.3.2聚合物浓度（1）对于双水相系统，在增加某一聚合物的含量时，双水相形成后其所占的体积也大。于是PEG浓度↑→上相体积V1↑→上、下相体积比R↑→溶质收率Y↑KV1KV1

V2Y

（2）增加聚合物浓度，使上、下相热力学特性差异增大，不同物质间的K值差别也会增大，有利于杂质的分离。（3）聚合物