第3章 液液萃取

1、制药分离工程，授课教师：邱建华e-mail : work room : room 113，黄建生，第3章液体萃取，第1节基本概念和分配规律1，基本概念1.1萃取精华：萃取操作中至少一相为流体，该流体称为萃取精华。 在提取过程中，离开液-液萃取器的萃取剂相与作为萃取液的萃取剂接触而分离的材料的液相被称为萃取液(残液)。 提取过程、物理提取、物理提取：溶质基于相似相容性原理在两相间达到分配平衡，萃取剂和溶质之间不发生化学反应。 例如，用乙酸戊酯提取发酵液中青霉素； 应用：石油化工、抗生素和天然植物有效成分的提取过程。 化学萃取、化学萃取：利用脂溶性萃取剂与溶质的化学反应生成脂溶性复合分子，实现溶质

2、在有机相中的分配。 萃取剂和溶质的化学反应有离子交换和络合反应等。 稀释剂：化学提取常用煤油、己烷、四氯化碳、傻瓜等有机溶剂溶解提取剂，为了改善提取相的物性，此时的有机溶剂称为稀释剂。 应用：金属的提取，也可用于氨基酸、抗生素和有机酸等生物产物的分离回收。 反萃取、反萃取：萃取操作完成后，为了进一步精制目标物或容易实施下一次分离操作，调整水相条件，将目标物从有机相转移到水相中的萃取操作就是反萃取。 在完全提取过程中，经常在提取和反提取操作之间增加清洗操作，去除目标物同时提取到有机相中的杂质，提高反提取液中目标物的纯度。 提取系统的分类、提取过程机制主要有以下4种类型： (1)将简单分子提取的成

3、分以简单分子的形式物理分配到两相间。 二相中作为中性分子存在，溶剂和提取的成分之间不发生化学反应。 (2)中性溶剂络合萃取被萃取物为中性分子，萃取剂也为中性分子，萃取剂和被萃取物作为中性溶剂络合进入有机相。 主要是使用中性磷化合物提取剂和含氧有机提取剂的提取过程。 提取体系的分类，(3)酸性阳离子交换提取剂为弱酸性有机酸或酸性螯合剂。 金属离子在水相中作为阳离子或能解离成阳离子的络合离子存在，金属离子与萃取剂反应生成中性螯合化合物。 由于这种过程具有高选择性，应用极为广泛。 这种提取剂分为酸性磷提取剂、螯合提取剂、羧酸系提取剂三种。 (4)离子络合提取被提取物通常金属作为络合阴离子进入有机相，

4、即，金属离子在水相中形成络合阴离子，提取剂和氢离子与阳离子结合，两者构成离子缔合体系进入有机相液液萃取的平衡关系、三角相图、液液萃取的平衡关系、溶解度曲线、连接线及临界混合点、液液萃取的平衡关系、杠杆规则、分配规律、分配规律：恒温恒电压条件下溶质在互不相容的二相中达到分配平衡时，若该二相中的相对分子质量相等，则该二相中的平衡浓度比称为常数，该常数为不适合化学提取，固体溶质并不是以同一分子状态存在于各相中。 分配曲线和平衡连接线的关系、分配系数和分配曲线、选择性系数，原料中有2种溶质时，a (产品)和b (杂质)溶质a、b的分配系数不同，因此提取的a和b在一定程度上分离，产品纯度提高。 对于溶质

5、a、b的溶剂分离能力的大小用选择性系数表示。 由于被称为选择性系数或分离系数，所以值的大小反映了提取分离的效果。提取率、提取率表示提取过程中提取的成分从原溶液相转移到提取相的量，即提取的完全度，通常用e表示：分配系数可以表示生物制品浓度低时，Henry型平衡关系：溶质浓度高时，Langmuir型平衡关系：液提取过程的影响因素是， 提取剂作为提取剂使用的有机溶剂，需要1 .提取剂分子具有至少一个提取功能基，其与被提取物结合形成提取物这两个条件。 常见的提取功能基是o、n、p、s等原子。 2 .提取剂的分子需要相当长的链烃和芳香族烃，其目的是使提取剂和提取物可溶于有机溶剂，难溶于水相。 但是，碳链

6、过长、分子量过大时，粘度变得过大，难以使用。 提取剂大致可分为4种：1.中性络合提取剂，如醇、酮、醚、酯、醛和烃类； 2、酸性提取剂，如羧酸、磺酸、酸性磷酸酯； 3、羟基肟系化合物等螯合剂； 4 .离子对(胺类)萃取剂主要为叔胺和季铵盐。 情况、伯胺、仲胺、叔胺分子中的氮有孤立对电子，可以与无机酸的h离子稳定配位键形成对应的铵盐。 这些铵盐和季铵盐中的阴离子与水相中的金属络合物阴离子交换，被萃取物进入有机相中。 因此，该提取机制主要是阴离子交换反应。 胺类提取剂一般适合无机酸、金属离子的提取。 另外，胺类提取剂属于路易斯碱，利用其弱碱特性，可实现有机羧酸、酚类等的提取分离。 液体提取过程的影响

7、因素、提取剂的影响和选择原则(1)提取剂的选择性和选择系数(2)提取剂与原溶剂的相容性(3)提取剂的物理性质(4)提取剂的化学性质(5)提取剂的回收(6)提取剂对设备的腐蚀性和安全性。 提取剂的检索方法、提取剂的检索方法： (1)检索数据库。 (2)主要的筛选方法： a )将同系物作为提取剂，b )罗宾斯表，c )氢键，d )极性作用，e )特定提取剂的认定。 溶质溶剂基相互作用的罗宾计，受操作温度的影响，温度上升后层区消失，不能提取分离。 原溶剂条件的影响，pH值：从分配系数的计算可知，无论是物理提取还是化学提取，水相的pH值对弱电解质分配系数都有显着的影响。 物理提取时，弱酸性电解质的分配

8、系数随pH值的下降而增大，弱碱性电解质截然相反，分配系数直接影响提取收率，溶液的pH值也影响药物的稳定性。 例如：红霉素提取，红霉素为碱性电解质，乙酸戊酯和pH9.8水相间的分配系数为44.7，水相pH下降到5.5时，分配系数下降到14.4，青霉素提取，青霉素为强有机酸，pH值对其分配系数有很大影响。 在低pH下有利于青霉素在有机相中的分配，pH超过6.0时，青霉素几乎完全分配到水相中。 因此，选择合适的pH不仅可以提高青霉素的收率，还可以根据共存杂质的性质和分配系数，提高青霉素的提取选择性。 使用溶剂时，氨基酸和极性大的抗生素的水溶性强，在有机相中的分配系数小或为零，一般的物理提取效率低，所

9、以必须采用化学提取。 提取剂和抗生素形成复合体的分子的疏水性比抗生素高，因此在有机相中具有高溶解度。 因此，在抗生素提取中，萃取剂也称为带溶剂。 应用：青霉素是有机酸，与四丁胺等脂肪碱离子键合，容易溶于氯仿中。 因此，对于在一定的pH下容易物理分配到有机相的目标物(例如青霉素)，通过添加萃取剂，也可以在不同pH的水相中增大向有机相的分配系数，以高稳定性的pH进行提取操作。 乳化和破乳、乳化：水或有机溶剂作为微小液滴分散在有机相或水相中的现象。 发生乳化的话，很难形成有机相和水相的层。乳化的原因：发酵液中存在蛋白质和固体粒子等物质，具有表面活性剂的作用，降低有机溶剂(油)和水的表面张力，油和水容

10、易以微小液滴的形式分散在水相和油相中，形成了乳液。 乳化和破乳、水包油型(O/W型)乳液：油滴分散在水相中； 油包水型(W/O型)乳浊液：在油相中分散有水滴。 在通常的有机溶剂提取操作中，有必要极力避免乳化现象的发生。 防止乳化和破乳、乳化现象的方法： (1)操作前对发酵液进行过滤或凝聚沉淀处理，去除大部分蛋白质和固体微粒，防止乳化现象的发生。 (2)乳化后，根据乳化的程度和乳浊液的形式采取适当的破乳手段。 乳化现象不严重：采用过滤或离心沉降方法的O/W型乳液：加入亲油性表面活性剂； W/O型乳液：加入亲水性表面活性剂； 提取过程的特点是提取过程的技术优点(1)溶液中各成分的熔点和沸点非常接近

11、，或某成分形成共沸物，难以用精馏法分离，或(2)溶液中含有少量的高沸点成分，其气化潜热大，精馏法的能量消耗过高(3)溶液中热敏性成分用精馏法容易引起分解、聚合或其他化学变化的(4)溶液浓度低，且含有价值成分的(5)溶液中含有溶解或络合的无机物的(6)溶液中含有稀土类金属等非常难分离的金属。 在提取过程的计算、单阶段提取的计算、计算时，已知相平衡数据、原料液量f及组成xF，提取相溶质a的浓度xR由分离任务规定，通过计算提取剂s量，提取相e的量及组成。 单阶段提取的计算、图式解法计算过程(1)由已知的平衡数据建立溶解度曲线和辅助曲线。 (2)用xf在AB边定f点，连接SF线的原料液溶剂的混合液组成

12、点m必须在SF线上。 从已知xR在溶解曲线上确定r点，从r点用辅助曲线求出e点。 连接RE直线时，RE和FS线的交点成为混合液的组成点m。 用杠杆法则求s量。 总材料收支计算： F S=R=E=M溶质a的材料收支计算： FxF Sys=RxR EyE=MxM，根据杠杆规则求e和r的量：联立3-10、3-11和3-12式，并整理：单阶段提取简单，效率低，目标物剩馀量还多解决办法：需要采用多段提取，提高提取效率。 多段错流提取、多段错流提取、提取剂s和溶剂b不完全相互溶解、或相互溶解度小、各级提取因子相等、各级使用的提取剂s量相等时，用下式求出理论级数：式中，n为多段错流提取理论级数； 原料液中溶

13、质a的比质量浓度、kgA/kgB； 为了从第n层萃取相中离开溶质的比质量浓度，kgA/kgB； 为了溶质a分配系数提取因子，纯提取剂，即上式用：多级逆流提取、三角坐标图示理论级数，代数式法假定提取剂s和原溶剂b不完全相互溶解，或者相互溶解度小，逆流的2种溶剂流量不随级数变化，且各级提取因子相等逆流提取理论级数的计算式为：纯提取剂，即上式写为：微分逆流提取模型，提取剂的密度原料液的密度为提取剂的密度时，原料液从塔型设备的上部进入塔内，逆流提取理论级数的计算式为提取剂沿塔向上流动，原料液沿塔向下流动，两液相在塔内逆流密切接触而提取远离塔顶的是萃取相，远离塔底的是萃取相。 微分接触逆流提取过程通常在

14、塔内进行，提取相和提取相的溶质沿塔高连续变化，提取塔的塔高的计算有理论级当量高度法和继质单元数法。理论等级高度法是在提取操作中，当两相在某一高度的提取段逆流后，其分离效果相当于理论等级时，将该提取塔的高度称为理论等级高度，用He(HETS )表示。 应用多段逆流提取理论级的计算方式，求出理论级NT，乘以He，就能求出提取阶段的有效高度。 也就是说，Z=NTHeHe是提取传递效率的指标，传递速度越快，塔的效率越高，相应的He的数值就越小。 理论级数NT反映了提取分离要求的高低和分离的难易度。 微分逆流提取模型、遗传单元法假定两相在塔内有活塞流流动。 活塞流模型是完全理想化的微分逆流提取模型。 塔

15、内同一截面的各相的流速相等，假定两相在塔内作为活塞流动的两相的传递物质仅在水平方向上产生，在垂直方向上，各相没有物质传递。 继质单元法是二成分b和s不相容的物质系，溶质浓度低时，塔内二相的流量为常数，分配系数和总继质系数也可以视为常数。 惠特曼二膜理论、传递速度方程式和材料平衡式结合，公式中，Kc是基于总传递系数的Uc是塔内剩馀相的流速x0，x1分别是原料液和最终提取相中溶质的质量分数x*是提取和平衡的提取相中溶质的质量分数。 遗传单元法、指令：得到：式中，(HTU)c是全部遗传单元的高度，(NTU)c是全部遗传系数。 传质单元数和传质单元的高度，传质单元数表示完成规定的分离任务的难度。 在推

16、进力大或分离要求低的系统中，其值小，相反地大。 传递单元数受到分配系数的变化和二相流比的变化等各种因素的影响。 传达物质单元的高度反映了提取过程中传达物质动力学的特性，受到传达物质速度和外表流速的影响，传达物质单元的高度计算也很复杂，根据设备的类型、体系物性和操作条件的变化而不同。 传递单元数、二相不溶和分配系数为常数时的NTU的计算、提取剂的最小使用量、提取剂的最小量(用Smin表示)意味着使用的提取剂量减少到Smin时所需的提取理论级数达到了无限。 在由提取操作线和分配线构成的图中，如果提取剂的使用量减少到Smin，则操作线和分配线在Mmin点相交，但是在这种情况下，如果图示理论级数，则需

17、要无限多级。 此时使用的提取剂量是提取剂的最小量。 例题，以苯为萃取剂在淋浴塔内提取水溶液中的乙酸。 已知塔高H=1.4m，塔截面积A=4.510-3(m2 )，萃取相进出口的乙酸浓度分别为y1=0.00397，y0=0.0115，萃取相进出口的乙酸浓度分别为x0=0.688，x1=0.683。 苯的流量E=5.6710-6m3/s，提取平衡关系为y=0.0247x。 (1)提取相的总传输单元数(2)提取相体积传输系数Koa。设萃取塔中的质量速度为n。 n=e (y0y1)=5. 6710-6 (0. 01150.00397 )=4. 26910-8 k mol/s塔顶和塔底的提取相平衡浓度为

18、y0*=0. 02470.688=0. 01699 kmol/m3y1*=0. 02470.683=0. 01 y0=0. 016990.0115=0.00549 kmol/m3 * y1=0. 016870.00397=0.01290 kmol/m3，对数平均浓度差如下：该塔萃取相的总传输因子数为0.869，该萃取相的体积传输系数Koa为7 4、液液提取设备、提取设备根据分散相和连续相的流动方式分为分级接触式和连续微分接触式。 阶段性接触提取装置的各阶段为两相提供了良好的接触和分离，阶段和阶段之间各阶段的浓度阶段性变化。 在连续微分接触式提取设备中，分散相和连续相发生逆流，各相的浓度发生了微分变化，分散相的凝聚和二相的分离是在设备的一端实现的。