有机溶剂萃取法_生物分离工程.ppt

溶剂萃取概述n萃取：当含有生化物质的溶液与互不相溶的第二相接 触时，生化物质倾向于在两相之间进行分配，当条件 选择得恰当时，所需提取的生化物质就会有选择性地 发生转移，集中到一相中，而原来溶液中所混有的其 它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相 中，这样就能达到某种程度的提纯和浓缩n萃取在化工上是分离液体混合物常用的单元操作，在 发酵和其它生物工程生产上的应用也相当广泛，n萃取操作不仅可以提取和增浓产物，使产物获得初步 的纯化，所以广泛应用在抗生素、有机酸、维生素、 激素等发酵产物 的提取上萃取过程溶剂萃取概述杂质溶质原溶剂萃取剂Light phaseHeavy phase溶剂萃取概述萃取的基本概念①萃取 : 溶质从料液转移到萃取剂的过程 ②反萃取：溶质从萃取剂转移到反萃剂的过程在完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下一步 分离操作的实施，将目标产物从有机相转入水相的操 作就称为反萃取（Back extraction) ③物理萃取和化学萃取：物理萃取的理论基础是 分配定律，而化学萃取服从相律及一般化学反 应的平衡定律。

溶剂萃取概述萃取法是利用液体混合物各组分在某有机溶剂中 的溶解度的差异而实现分离的n料液：在溶剂萃取中，被提取的溶液，n溶质：其中欲提取的物质，n萃取剂：用以进行萃取的溶剂，n萃取液：经接触分离后，大部分溶质转移到萃 取剂中，得到的溶液，n余液：被萃取出溶质的料液称为溶剂萃取概述 萃取的基本概念实验室液液萃取过程溶剂萃取概述一般工业液液萃取过程生物萃取与传统萃取相比的特殊性n生物工程不同于化工生产，主要表现在生物分离 往往需要从浓度很稀的水溶液中除去大部分的水 ，而且反应液中存在多种副产物和杂质，使生物 萃取具有特殊性n① 成分复杂n② 传质速率不同n③ 相分离性能不同n④ 产物的不稳定性u萃取过程有选择性u能与其它步聚相配合u通过相转移减少产品水解u适用于不同规模u传质快u周期短，便于连续操作u毒性与安全环境问题溶剂萃取法的特点6.1 萃取过程的理论基础液液萃取是以分配定律为基础 分配定律：一定T、P下，溶质在两个互不相溶的溶剂中 分配，平衡时，溶质在两相中浓度之比为常数K-分配系数n在常温常压下Ｋ为常数；应用前提条件 （1） 稀溶液 （2） 溶质对溶剂互溶没有影响 （3） 必须是同一分子类型，不发生缔合或离解分配定律推导当温度一定时，标准化学位为常数如为稀溶液，用浓度代替活度根据相律（F=C-P+2），在一定温度和压力下萃取达到 平衡时，溶质在两相中的化学位相等：μL=μH分离因素（β）n如果原来料液中除溶质A以外，还含有溶质B， 则由于A、B的分配系数不同，萃取相中A和B的 相对含量就不同于萃余相中A和B的相对含量。

n如A的分配系数较B大，则萃取相中A的含量（浓 度）较B多，这样A和B就得到一定程度的分离n萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因 素（β）来表征分离因素表示有效成分A与杂质B的分离程度ＫＡβ= ＫＢ β=1 KA = KB 分离效果不好；β>1 KA > KB 分离效果好；β越大，KA 越大于KB，分离效果越好分离因素（β）弱电解质在有机溶剂-水相的分配平衡分配系数中CL和CH 必须是同一种分子类型，即不发生缔合 或离解对于弱电解质，在水中发生解离，则只有两相中的 单分子化合物的浓度才符合分配定律 例如青霉素在水中部分离解成负离子（青COO－），而在溶 剂相中则仅以游离酸（青COOH）的形式存在，则只有两相 中的游离酸分子才符合分配定律此时，同时存在着两种平衡，一种是青霉素游离酸分子在有 机溶剂相和水相间的分配平衡；另一种是青霉素游离酸在水 中的电离平衡前者用分配系数K0来表征，后者用电离常 数Kp来表征对于弱碱性物质也有类似的情况 青霉素的分配平衡弱电解质的分配系数：n热力学分配系数K0 ：萃取平衡时，单分子化 合物溶质在两相中浓度之比。

n弱酸性电解质K0＝ [AH]/[AH]=n弱碱性电解质K0 ＝ [B]/[B]=Kp=弱电解质的表观分配系数K：n分配达平衡时，溶质在两相的总浓度之比 n对于弱酸性电解质n对于弱碱性电解质=K0 /(1 ＋10 pH － pK )=K0 /(1 ＋10 pK － pH )uK0－只与T、P有关； K－与T、P和pH有关 uK可通过实验求出，而K0不能，可由公式求出思考题：将青霉素由水相萃取到丁酯相中，其pK=2.75，萃取条 件：pH=2.5，T=10℃，VF∶VS = 1∶1，测得萃取前发酵液 （水相）效价20000 u/ml，平衡后废液效价645.2 u/ml ，求分配系数K和K0弱酸的表观分配系数：K=K0 /(1 ＋10 pH － pK ) 弱酸的表观分配系数： K=K0 /(1 ＋10 pK － pH )为什么青霉素在酸性（pH≤2.5）条件下，而红霉素却要在碱性（pH≥9.8）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？ 2 不同pH条件影响弱电解质电离，从而影响分子的极性，根据相似相溶原则，在弱极性的丁酯中极性小的分子溶解度比水中大1 根据表观分配系数公式可知， 弱酸的表观分配系数：K=K0 /(1 ＋10 pH － pK ) 弱酸的表观分配系数： K=K0 /(1 ＋10 pK － pH ) 对于弱酸：pH pK 时，分配系数大为什么青霉素在酸性（pH≤2.5）条件下，而红霉素却要 在碱性（pH≥9.8）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？ 青霉素 红霉素酸碱性 pHpK弱酸性(2.75) 弱碱性(9.4) 游离分子 “ + ”“ – ” 游离分子 根据相似相溶原则，在弱极性的丁酯中游离分子极性小，溶解 度比水中大，故从水相转入丁酯相中，而发酵液中存在的其它 杂质由于极性情况与抗生素不同，故很少进入丁酯中，这样就 达到一定程度的纯化酸性物质：pH > pK时， 主要以负离子存在；pH [pen-] 易溶于丁酯● 控制pH，去除杂质例: pen 当pH pKpen例: 苯乙酸 pK乙(4.8) > pKpen(2.75) ∴ 萃取时无法去除; 反萃时 4.8 > pH >2.75与杂质的分离程度归纳 生化物质杂 质萃取操作条件的控制酸性 碱性(pK碱杂>pK生) 酸性(pK酸杂pK生) 碱性酸性(pK酸杂pK生) 碱性(pK碱杂pH > pK生萃取时杂质自然除去 pK碱杂 > pH > pK生萃取时无法去除 反萃取pK碱杂 原来的表面活性 ③ 不能形成坚固的保护膜。

3）．乳浊液的破坏措施6.4 萃取方式与过程计算※ 萃取过程：1）混和 2） 分离 3）溶剂回收※ 操作方式 单级萃取 多级萃取 多级错流多级逆流 ※ 理论收率计算 假定：两相中的分配很快达到平衡；两相完全不互溶，完全分离： ★ 萃取因素： 1. 单级萃取单级萃取流程示意图单级萃取：只包括一个混合器和一个分离器未被萃取的分率φ和理论收得率1－φ萃取因素未被萃取的分率理论收率1. 单级萃取2）多级错流萃取n料液经萃取后，萃余液再与新鲜萃取剂接触， 再进行萃取n第一级的萃余液进入第二级作为料液，并加入 新鲜萃取剂进行萃取；第二级的萃余液再作为 第三级的料液，以此类推n此法特点在于每级中都加溶剂，故溶剂消耗量 大，而得到的萃取剂平均浓度较稀，但萃取较 完全多级错流萃取示意图料 液 入 口 第一级第二级第三级萃余液出口多级错流萃取未被萃取分率和理论收率n经一级萃取后，未被 萃取的分率φ1：n经二级萃取后，未被 萃取的分率φ2：n经n级萃取后，未被 萃取的分率：n理论收率：多级错流萃取未被萃取分率Φ、 级数n、萃取因数E 之间的关系未 被 萃 取 分 率 Φ级数n3）多级逆流萃取n在多级逆流萃取中，在第一级中连续加入料液 ，并逐渐向下一级移动，而在最后一级中连续 加入萃取剂，并逐渐向前一级移动。

n料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故 称为逆流萃取n在逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂， 故和错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因 而萃取液平均浓度较高 多级逆流萃取图青霉素的多级逆流萃取青霉素发酵过滤液进入第一级萃取罐，在此与从第二级分离器来的萃取相 （含产品青霉素）混合萃取，然后流入第一级分离器分成上下层， 上层为萃取相，富含目的产物，送去蒸馏回收溶剂和产物进一步精制； 下一层为萃余相，含目的产物浓度比新鲜料液低得多，送第二级萃取； 如此经三级萃取后，最后一级的萃余相作为废液排走多级逆液萃取计算公式推导12K-1kK+1n-1nL FS R 令Ｑk代表第k级中溶质总量（萃取相和萃余相），因为是 连续操作，则表示单位时间内通过第k级溶质总量 先求出相邻三级所含溶质总量Ｑk-1，Qk 和 Qk+1 之间关系u自第(k+1)级进入第k级的溶质的量＝u而自(k-1)级进入第k级的量＝u则第K级的溶剂总量为 多级逆液萃取计算公式推导理论收得率：未被萃取的分率：条件：萃取相和萃余相很快达到平衡两相完全不互溶，完全分离每级的萃取因素E相同例子：不同萃取方式理论收率n1 利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素 D，pH=3.5时，k=57，料液流速450L/h， 萃取剂流量39L/h，计算采用三级错流萃 取和三级逆流萃取的萃取因素E和理论收 率各为多少？ n2 教材84页复习题5萃取计算诺模图n为了便于计算，选择合理的萃取条件和相应的设备,必须 适当地分析主要因素的影响。

n可利用未被萃取分率φ，浓缩倍数m，水相pH和使用设备 的理论级数n等定量连系的诺模图来完成n主要是求取在一定温度下分配系数K和溶液pH的关系（m 和n可任选)，然后通过计算机运算得到诺模图诺模图：把一个数学方 程式的几个变量之间的 函数关系，画成相应的 具有刻度的直线或曲线 表示的计算图标在00C，pH2.5醋酸丁酯-苄青霉素-水系统n上面讨论的萃取属于物理萃取，是指用一个有 机溶剂择优溶解目标溶质，符合分配定律n在物理萃取的应用中一个主要的限制是需要发 现一个在有机相和水相之间对目标溶质分配系 数足够高的溶剂n除此以外，用有机溶剂萃取弱电解质（有机酸 或有机碱）时都要调节溶液的pH使其小于pKa （对有机酸）或大于pKa（对有机碱），这样 会影响目标溶质的稳定性，因此启发人们寻找 新的萃取体系n离子对/反应萃取就是使目标溶质与溶剂 通过络合反应，酸碱反应或离子交换反 应生成可溶性的复合络合物，易从水相 转移到有机溶剂/萃取系统中n主要有两类萃取剂：n1.有机磷类萃取剂n2.胺类萃取剂磷酸三丁酯（TBP） 氧化三辛基膦（TOPO） 二2乙基己基磷酸（DEHPA）有机磷类萃取剂与目标溶质发生络合反应，而易于 转移到萃取相，在类似的条件下，用有机磷类化合 物萃取弱有机酸比醋酸丁酯等碳氧类萃取剂分配比 要高很多。

胺类萃取剂(三辛胺) 可与目标溶质发生反应， 用胺类长链脂肪酸从水溶液中萃取带质子的有机 化合物是一个可行的过程，并用于从发酵液中大 规模回收柠檬酸离子对/反应萃取-稀释剂此类萃取剂都要溶解在稀释剂中， 稀释剂：溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质的有机溶剂，如 煤油、己烷、辛烷、苯稀释剂的选择： ①分配系数：稀释剂能够影响分配系数，特别是通过萃取剂/溶 剂复合物的溶剂化作用 ②选择性：为萃取尽可能少的杂质，使用非极性稀释剂更好 ③水溶性：低的水溶性，使溶剂的损失最少 ④毒性：对食品和药品应低毒或无毒的溶剂，长链烷烃由于它 们具有低毒和低水溶性，因此理应优先使用 ⑤粘度和密度：低粘度和低密度的稀释剂会使分相更容易 ⑥稳定性：烷烃比醇、酯和卤。