第五章萃取技术概要.ppt

第五章 萃 取 技 术,第一节 萃取技术概述,一．基本概念,1．萃取 2．反萃取 3．物理萃取和化学萃取,萃取原理：利用溶质在互不相溶两相间分配系数的不同使溶质得到纯化或浓缩 萃取技术的发展 传统有机溶剂萃取  液膜萃取、反胶束萃取  双水相萃取、超临界流体萃取,1. 萃 取,萃取技术的分类,萃取剂,2．反 萃 取,定义：调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的操作 作用：为了进一步纯化目标产物或便于后续分离操作 洗涤：常常加在萃取与反萃取操作之间，目的是除去与目标产物同时萃取到有机相的杂质，提高反萃取液中目标产物纯度3．物理萃取和化学萃取,物理萃取 定义：溶质根据相似相溶原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质间不发生化学反应 应用：广泛应用于抗生素及天然植物中有效成分的提取如利用乙酸丁酯萃取青霉素化学萃取 定义：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，使溶质向有机相分配 应用：用于氨基酸、抗生素和有机酸等生物产物的分离回收例： 利用季铵盐(如氯化三辛基甲铵，R+Cl-)为萃取剂萃取氨基酸时，阴离子氨基酸(A-)通过与萃取剂在水相和萃取相间发生下述离子交换反应而进入萃取相。

其中横杠表示该组分存在于萃取相二．分配定律与分配平衡,,,分配定律即溶质的分配平衡规律，即：在恒温恒压条件下，溶质在互不相溶的两相中达到分配平衡时，如果其在两相中的相对分子质量相等，则其在两相中的平衡浓度（摩尔浓度）之比为常数，即 （5-1） A称为分配常数多数情况下，溶质在各相中并非以同一种分子形态存在，特别是在化学萃取中 因此，萃取过程中常用溶质在两相中的总浓度之比表示溶质的分配平衡，该比值称为分配系数或分配比 （5-2） 其中，c1,t和c2,t为溶质在相1和相2中的总摩尔浓度，m为分配系数第二节 溶剂萃取,特点：处理量大、能耗低、速度快，且易于实现连续操作和自动化控制 应用：生物产物分离中用于抗生素、有机酸、维生素等发酵产物的提取一．弱电解质的分配平衡,弱电解质在水相中发生不完全解离，仅仅是游离酸或游离碱在两相产生分配平衡，而酸根或碱基不能进入有机相 萃取达到平衡状态时，一方面弱电解质在水相中达到解离平衡，另一方面未解离的游离电解质在两相中达到分配平衡弱酸性电解质的解离平衡关系为： 解离平衡常数为 （5-3） 其中，Ka为弱酸的解离常数； [AH]和[A-]分别为游离酸和其酸根离子的浓度。

如果在有机相中溶质不发生缔和，仅以单分子形式存在，则游离的单分子溶质符合分配定律，其分配常数为 （5-4） 其中， 表示有机相中游离酸的浓度，Aa为游离酸的分配常数利用一般的分析方法测得的水相浓度为游离酸和酸根离子的总浓度，故为方便起见，用水相总浓度c表示酸的浓度，即 （5-5）,合并上述三式，可得到有机相中游离酸浓度： （5-6）,,,,设有机相中的浓度 和水相中浓度c之比为分配系数，则 （5-7） 该式还可表示为 （5-8） 其中，pKa＝-logKa,二．化学萃取平衡,氨基酸等两性电解质不能采用物理萃取，而需采用化学萃取方法 常用氨基酸的萃取剂有季铵盐类（如氯化三辛基甲铵）、磷酸酯类等氨基酸解离平衡为 其中K1和K2为解离平衡常数分别用A、A+、A-表示偶极离子、阳离子、阴离子型氨基酸5-9） （5-10）,,利用阴离子交换萃取剂氯化三辛基甲铵(TOMAC，记作R+Cl-)，只有阴离子型氨基酸与萃取剂发生离子交换反应，反应平衡常数为 （5-11）,,,,氨基酸和Cl-的表观分配系数分别为 （5-12） （5-13） 其中，mA和mCl分别为氨基酸和氯离子的分配系数，cA为水相氨基酸总浓度 （5-14）,从式(5-9)至(5-14)可推导出下式 （5-15）,,,事实上，阴离子氨基酸的离子交换反应需在高于其等电点的pH范围内进行，所以式（5-14）中的[A+]可忽略不计，式(5-15)简化成下式 （5-16）,三．溶剂萃取操作,无论是物理萃取还是化学萃取，水相pH值对弱电解质分配系数均具有显著影响。

物理萃取时，弱酸性电解质的分配系数随pH降低而增大，而弱碱性电解质则正相反水相pH值,青霉素是较强的有机酸，较低pH有利于青霉素在有机相中的分配，当pH大于6.0时，青霉素几乎完全分配于水相中 选择适当的pH，不仅有利于提高青霉素的收率，还可根据共存杂质的性质和分配系数，提高青霉素的萃取选择性水相pH值对青霉素分配系数的影响,红霉素是碱性电解质，在乙酸乙酯和pH9.8的水相之间分配系数为44.7，而水相pH降至5.5时，分配系数为14.4 通过调节水相的pH值，控制溶质的分配行为，从而提高萃取率的方法已广泛应用于抗生素和有机酸等弱电解质的萃取操作 操作时需要注意的是pH值应尽量选择在使产物稳定的范围内温度是影响溶质分配系数和萃取速度的重要因素选择适当的操作温度，有利于目标产物的回收和纯化 由于生物产物在较高温度下不稳定，故萃取操作一般在常温或较低温度下进行温度,无机盐的存在可降低溶质在水相中的溶解度，有利于溶质向有机相中分配；另一方面可降低有机溶剂在水中的溶解度 盐的添加量要适当，用量过多可能促使杂质一起转入溶剂相中，同时还要考虑其经济性，必要时要回收无机盐,2．有机溶剂的选择,由相似相溶原理，选择与目标产物极性相近的有机溶剂； 价廉易得； 与水相不互溶； 与水相有较大密度差，粘度小，表面张力适中，相分散和相分离容易； 容易回收和再利用； 毒性低，腐蚀性小，使用安全； 不与目标产物发生反应。

常用溶剂,3．化学萃取剂,化学萃取是利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配 萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和络合反应等 化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂用于氨基酸的化学萃取剂有季铵盐（如氯化三辛基甲铵）等； 用于抗生素的化学萃取剂有长链脂肪酸(如月桂酸[CH3(CH2)10COOH])、烃基磺酸、三氯乙酸、四丁胺和正十二烷胺等月桂酸可与链霉素形成易溶于丁醇、乙酸丁酯和异辛醇的复合物，该复合物在酸性（pH5.5～5.7）条件下可分解 因此，链霉素可在中性条件下和月桂酸的存在下进行萃取，然后用酸性水溶液进行反萃取，使复合物分解，链霉素重新溶于水相中带溶剂 带溶剂能和产物形成复合物，使产物更易溶于有机溶剂相中，该复合物在一定条件下又要容易分解4．乳化现象,乳化即水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象产生乳化使有机相和水相分层困难，出现两种夹带： ①发酵废液(萃余液)中夹带有机溶剂(萃取液)微滴，使目标产物受到损失； ②有机溶剂(萃取液)中夹带发酵液(萃余液)，给后处理操作带来困难。

乳化产生的原因 发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质，这些物质具有表面活性作用，使有机溶剂(油)和水的表面张力降低，油或水易于以微小液滴的形式分散于水相或油相中，形成水包油型（O/W型）乳浊液或油包水型（W/O型）乳浊液解决办法 在萃取操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理 产生乳化后，可根据乳化的程度和乳浊液的形式，采取适当的破乳手段常用的破乳方法 如果乳化现象不严重，可采用过滤或离心沉降的方法 对于O/W型乳浊液，加入亲油性表面活性剂，可使乳浊液从O/W型转变成W/O型，但由于溶液条件不允许W/O型乳浊液的形成，即乳浊液不能存在，从而达到破乳的目的 对于W/O型乳浊液，加入亲水性表面活性剂如十二烷基磺酸钠可达到破乳的目的第三节 反胶束萃取,概述 反胶束及其基本性质 反胶束萃取的基本原理 影响反胶束萃取蛋白质的主要因素 反胶束萃取蛋白质的应用示例,。