《生物分離提取技術(shù)》課件-5第五章 萃取

第五章

萃取

本章概要概述溶劑萃取固液萃取雙水相萃取7.1概述萃取技術(shù)的發(fā)展：■溶劑萃取法是20世紀(jì)40年代興起的一項(xiàng)化工分離技術(shù)?！?0年代后在生物工業(yè)得以廣泛應(yīng)用，如抗生素、有機(jī)酸、維生素、激素等?！?0年代后，萃取技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了一系列新的分離技術(shù)，如逆膠束萃?。≧eversedMicelle

Extraction）、超臨界萃?。⊿upercriticalfluidExtraction）、液膜萃?。↙iquidMembrane）、雙水相萃取等。這些新技術(shù)被用來(lái)分離DNA重組技術(shù)和動(dòng)植物細(xì)胞工程的生物產(chǎn)品。7.1概述分離機(jī)理：■萃取——是利用物質(zhì)溶解于某種液體的一種提取方法，它基于混合物中各組分在同種溶劑中的溶解度不同而使所需組分得以分離和濃縮?！霾煌奈镔|(zhì)具有不同的極性（介電常數(shù)不同），當(dāng)溶質(zhì)與某種溶劑的極性接近時(shí)，溶質(zhì)

在該溶劑中的溶解度就高。萃取方法的適用性：? 非極性化合物、非水溶性化合物(多為胞內(nèi)產(chǎn)物)——易于萃取分離? 既溶于水又能溶于溶劑的弱極性化合物——可萃取分離? 極性化合物（離子型化合物）——多用離子交換法分離萃取操作的基本條件：目的產(chǎn)物在所選溶劑中的溶解度

較大所選溶劑與混合液溶劑(水)互不相溶目的產(chǎn)物大部分轉(zhuǎn)移到溶劑萃取工藝過(guò)程：（1）發(fā)酵培養(yǎng)液預(yù)處理：■ 過(guò)濾或離心——除去細(xì)胞及其他懸浮顆粒；■ 絮凝、沉淀等——除蛋白質(zhì)等高分子化合物；■ 沉淀、絡(luò)合——除高價(jià)無(wú)機(jī)離子；■ 膜過(guò)濾、蒸發(fā)等——濃縮以減少萃取劑用量。（2）兩相混合萃取——使目的產(chǎn)物大部分轉(zhuǎn)移到萃取相。（3）兩相分離——離心、沉降等。（4）產(chǎn)品回收與溶劑回收——蒸餾、反相萃取等。培養(yǎng)液溶 劑混合器萃取：目的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至萃取相沉降器溶劑回收目的產(chǎn)物萃取相萃余相二次萃取或廢液處理萃取操作的特點(diǎn)：（1）選擇性好（沉淀法的分離基礎(chǔ)是不同物質(zhì)在一個(gè)液相中的溶解度，蒸餾法不適合于蒸汽壓相近的組分）；（2）操作條件溫和，適合于熱敏物料的分離；（3）能量消耗較少，成本較低；（4）傳質(zhì)快，生產(chǎn)能力大，便于連續(xù)化操作；（5）采用多級(jí)萃取可達(dá)較高的分離程度；（6）不適合極性強(qiáng)的物質(zhì)的分離；（7）有機(jī)溶劑法不適合活性物質(zhì)的分離。7.2

溶劑萃取7.2.1

萃取原理7.2.2

溶劑的選擇7.2.3

萃取操作方式7.2.4

操作條件7.2.1萃取原理?

只適合于稀溶液的萃取系統(tǒng)；?溶質(zhì)對(duì)原溶劑（料液）和溶媒（萃取劑）之間的互溶

度沒(méi)有影響；?

溶質(zhì)在兩相中為同一種分子類(lèi)型，即不發(fā)生締

合或離解。 C2 溶質(zhì)在萃余相中的濃度（1）分配定律當(dāng)溫度一定時(shí)，溶質(zhì)在萃取相中的濃度與萃余相中的濃度之比為一常數(shù)K——分配系數(shù)C1

溶質(zhì)在萃取相中的濃度

K（2）分離因素■設(shè)原液中有溶質(zhì)A和B，若A、B的分配系數(shù)不同，則兩種溶質(zhì)可得到一定程度的分離?！鲚腿?duì)溶質(zhì)A和B分離能力的大小可用分離因素來(lái)表示：KBC2

A

/

C2

B

C1A/

C1B

KAβ值越大，說(shuō)明溶質(zhì)A在上相分配的比例越大β值越小，說(shuō)明溶質(zhì)B在上相分配的比例越大溶質(zhì)

A與B易分離β值接近于1，說(shuō)明溶質(zhì)A與B的溶解性相近，二者不易分離（3）溶質(zhì)發(fā)生締合時(shí)的分配系數(shù)■如溶質(zhì)分子在萃取劑中有締合現(xiàn)象，則分配定律可改寫(xiě)為：K=C1/C2n其中n=M1/M2n為溶質(zhì)在溶劑中締合分子量變化的數(shù)目，其值等于溶質(zhì)在上下相中分子量之比。例如：醋酸在水中分子量為M2=60，用苯萃取時(shí)，在苯中形成締合分子(CH3COOH)2，分子量M1=120，于是：n=M1/M2=2，

K=C1/C22（4）弱電解質(zhì)的分配定律?當(dāng)弱酸溶質(zhì)（如青霉素）在有機(jī)溶劑中進(jìn)行萃取時(shí)，只有游離的弱酸分子能在溶劑中存在，故只有游離酸才能在水和溶劑兩相中進(jìn)

行分配。

A

H

AH

■弱電解質(zhì)在水中能部分離解成離子，如弱酸溶質(zhì)的電離平衡為：AH

?

A

H

KP

平衡常數(shù)

：設(shè)：[AH]‘——有機(jī)相中游離酸的濃度[AH]——水相中游離酸的濃度[A-]——水相中酸根離子的濃度■兩相中的實(shí)際分配系數(shù)為

：K0=

[AH]‘/[AH]■由于，水相中的弱酸濃度是游離酸與酸根離子的總和，于是表觀分配系數(shù)為：K=

[AH]‘/([AH]+[A-])■

將以上三式化簡(jiǎn)后合并可得：0[H

]PK

[H

]K

K■

采用同樣方法可得其分配系數(shù)為：?

B

H

BH

?對(duì)于弱堿溶質(zhì)：BH

?

B

H

KP

平衡常數(shù)：0PK

[H

]KPK

K7.2.2溶劑的選擇（1）較大的分配系數(shù)——節(jié)省溶劑用量■K值越大，溶劑用量越少，可采用較少的萃取級(jí)數(shù)獲得較高的產(chǎn)品提取收率?！隹筛鶕?jù)相似相溶的原則來(lái)選擇萃取劑，即選擇與溶質(zhì)極性相近的溶劑，其溶質(zhì)的溶解度就大，所需的溶劑用量就較少?！龈魑镔|(zhì)的極性可根據(jù)其介電常數(shù)的大小來(lái)量度，也即介電常數(shù)越大，極性越強(qiáng)。一些溶劑的介電常數(shù)（25℃

）溶劑己烷環(huán)己烷四氯化碳苯甲苯介電常數(shù)1.90極性最小2.022.242.282.37溶劑二乙醚氯仿乙酸乙酯2-丁醇1-丁醇介電常數(shù)4.434.876.0215.817.8溶劑1-戊醇丙酮丙醇乙醇水介電常數(shù)20.120.722.224.378.54極性最強(qiáng)（2）較大的分離因素——分離效果好■ 當(dāng)目的產(chǎn)物與雜質(zhì)的分配系數(shù)相差較大時(shí)，分離的效果就越好，所得產(chǎn)品的純度就越高?！?當(dāng)目的產(chǎn)物與雜質(zhì)的分配系數(shù)相差較小，

β值接近于1時(shí)，產(chǎn)物與雜質(zhì)的分離效果就差。■ 在許多時(shí)候，要綜合K值和β值的大小來(lái)選擇溶劑。（3）溶劑與溶液的關(guān)系——便于兩相

分散與分離■ 溶劑與溶液互溶度?。弧?粘度低，界面張力適中，不產(chǎn)生難以分離的乳化現(xiàn)象；■ 兩相之間有一定密度差，便于混合后的兩相分離。（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、環(huán)己烷、甲醇等；■ 強(qiáng)毒性：苯、氯仿、四氯化碳等。（5）回收容易，穩(wěn)定性好；（6）腐蝕性低，安全性好；（7）操作條件下的蒸汽壓低，以減小汽化損失；（8）價(jià)格低廉，易得?！錾锕I(yè)常用溶劑：乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、丁醇等。7.2.3萃取操作方式錯(cuò)流逆流錯(cuò)流逆流單級(jí)多級(jí)單級(jí)多級(jí)回流分級(jí)間歇連續(xù)操作方式7.2.3.1單級(jí)萃取混合器溶劑

S料液

F分離器萃取相

L萃余相

R連續(xù)操作萃取相VS，C1萃余相VF，C2間歇操作7.2.3.1單級(jí)萃取萃取相VS，C1萃余相VF，C2間歇操作?萃取因素——溶質(zhì)在萃取相與萃余相中的數(shù)量之比。

K

VSVFE

C1VSC2VF?未被萃取的溶質(zhì)分率：

C2VF

1C1VS

C2VF E

1?溶質(zhì)理論收得率：?jiǎn)渭?jí)萃?。骸鰡渭?jí)萃取只有在較大的分配系數(shù)下，采用較多的溶劑才能達(dá)到較高的分離程度。

KK

VF

/VS

E KVSE

1 KVS

VF1

???(1

)

(VF/VS)

??K

? 采用單級(jí)萃取，溶劑用量大，萃取效率低，在工業(yè)生產(chǎn)中很少應(yīng)用。7.2.3.2多級(jí)錯(cuò)流（并流）萃取混合器1分離器1S1L1F混合器2分離器2S2L2R1 R2混合器3分離器3S3L3R3?從最后一個(gè)分離器取出萃余相，而萃取相從各級(jí)分離器單獨(dú)取出。?可達(dá)高的溶質(zhì)回收率，但溶劑用量大，回收費(fèi)用高，在工業(yè)生產(chǎn)中很少使用，而在實(shí)驗(yàn)操作中應(yīng)用較多。1n（(

E

1

1)(E2

1)1E1

11(E1

1)(E2

1)L(En

1)

2

n級(jí)二級(jí)一級(jí)未被萃取的溶質(zhì)分率：混合器1分離器1S1L1FR1混合器2分離器2S2L2R2混合器3分離器3S3L3R3n1(E

1)n1

1

而理論收得率：n(E

1)n

S1

S2

S3

L

SnF

R1

R2

L

RnE

E1

E2

L

En1設(shè)：則：合器1分離器1S1混L1FR1混合器2分離器2S2L2R2混合器3分離器3S3L3R37.2.3.3

多級(jí)逆流（對(duì)流）萃取分離器2混合器2L2分離器1混合器1SL1分離器3混合器3L3

FR3 R2 R1在第一級(jí)中加入溶劑（S），并逐漸向下一級(jí)移動(dòng)；而在最后一級(jí)加入料液（F），并逐漸向前一級(jí)移動(dòng)。萃取相（L3）自最后級(jí)取出，而萃余相（R3）自第一級(jí)取出。En

1

1E

1

未被萃取的溶質(zhì)分率：理論收得率：En

1

E1

En

1

1分離器2混合器2L2分離器1混合器1SL1

FR1R2分離器3混合器3L3R34 444

1

4

0.988

98.8%E

4

1

E

4Y

1

EVFCFY

VLCLYCF

VLCL

VF例：對(duì)于K=20，E=4的3級(jí)逆流萃取系統(tǒng)，試計(jì)算其理論收得率與溶質(zhì)的濃縮倍數(shù)（CL/CF）。解：理論收得率：又：可得：萃取因素：濃縮倍數(shù)：

L

5

0.988

4.94CFC注：VR=VF

VL=VSVS

E

4VF

＝

K

＝

20＝5SFVFE

KVS

，習(xí)題：對(duì)于K=5，溶劑總用量VS=0.6VF的萃取系統(tǒng)，試分別計(jì)算采用單級(jí)、三級(jí)錯(cuò)流和三級(jí)逆流萃取流程時(shí)，溶質(zhì)

的理論收得率，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行討論。7.2.4操作條件（1）溫度■

生物產(chǎn)品的穩(wěn)定性；■較高的溫度常引起兩相（溶劑與料液）部分互溶，萃取效率下降?！鰷囟鹊?，液體粘度增大，擴(kuò)散系數(shù)減少，傳質(zhì)受一定影響?！霾捎玫蜏剌腿r(shí)，將增加萃取系統(tǒng)的冷卻負(fù)荷和動(dòng)力消耗。（2）pH■

pH影響分配系數(shù)，因而對(duì)萃取收率影響很大。0[H

]PK

[H

]K

K]0

PPK

[HKK

K例如：紅霉素乙酸戊酯/水青霉素乙酸戊酯/水pH9.8pH5.5pH2.5pH7.0K=44.7K=14.7K=45K=1/237（2）pH酸性產(chǎn)物■pH對(duì)選擇性的影響——由于pH對(duì)不同物質(zhì)K值的影響有所不同，選擇合適的pH可除去某些雜質(zhì)?！霎?dāng)水相為酸性時(shí)，酸性溶質(zhì)較易萃取到有機(jī)相，而堿性雜質(zhì)則成鹽被留在水相中?！鰧?duì)于堿性產(chǎn)物則相反，在堿性條件下較易萃取到有機(jī)相，而將酸性雜質(zhì)留在水相中。溶液pH↑→K值↓

→溶質(zhì)易分配到水相溶液pH↓

→K值↑→溶質(zhì)易分配到溶劑相? pH對(duì)產(chǎn)物穩(wěn)定性的影響。（3）溶劑比的影響■溶劑用量大，溶質(zhì)

收率高，分離級(jí)數(shù)可減少。S/F↑→

E↑→

（1-φ

）

↑■溶劑比增大，溶質(zhì)濃度（CL）下降，溶劑回收費(fèi)用增大，能耗也相應(yīng)增加。S/F↓→CL

↓→溶劑回收費(fèi)用

↑（4）鹽析劑的影響■加入一定量的鹽析劑后，弱電解質(zhì)在水中的溶解度下降，K值增大。如：在VB12提取時(shí)，常加入硫酸銨提高K值；而用乙酸丁酯萃取青霉素，常加食鹽以提高K值。■加入鹽析劑后，萃余相密度增大，有助于兩相分離。乳濁液類(lèi)型當(dāng)將有機(jī)溶劑（通稱為油）和水混在一起攪拌時(shí)，可能產(chǎn)生兩種形式的乳濁液。乳濁液類(lèi)型：水包油型；油包水型油滴 O/W 水滴W/O

水

油親水性基團(tuán)強(qiáng)度>親油性基團(tuán)強(qiáng)度（HLB數(shù)越大），O/W；親油性基團(tuán)強(qiáng)度>親水性基團(tuán)強(qiáng)度（HLB

數(shù)越?。琖/O發(fā)酵液的乳化現(xiàn)象主要由蛋白質(zhì)引起。（5）乳化與去乳化7.3固液萃取7.3.1應(yīng)用場(chǎng)合（1）某些胞內(nèi)產(chǎn)物，如灰黃霉素、制霉菌素、淀粉酶、蛋白酶等。（2）采用固態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)的產(chǎn)物，如固態(tài)糖化酶、纖維素酶等。產(chǎn)物存在于細(xì)胞內(nèi)及固體原料或載體中，通常用水作為溶媒萃?。ㄌ崛。?。（3）殘留在濾餅、廢渣、及其他固相廢棄物中的有效成分。7.3.2工藝過(guò)程溶劑↓發(fā)酵液→預(yù)處理→固液分離→固-液萃取→固液分離→萃取液↓ ↓廢液 廢渣7.3.3萃取原理■

第一步為固相中的產(chǎn)物的溶解，第二步為產(chǎn)物在固相中的擴(kuò)散，而其中起決定作用的主要是擴(kuò)散過(guò)程。J

DF

ΔCΔx式中：F為擴(kuò)散面積，D為擴(kuò)散系數(shù),ΔC為溶質(zhì)濃度差，

Δx

為溶質(zhì)擴(kuò)散的距離。ΔxJ

DF

ΔC固相顆粒直徑↓→

F↑→J↑（1）提高固相的破碎程度Δx

↓→(ΔC/Δx)↑→J↑（2）進(jìn)行攪拌，使固體表面溶質(zhì)濃度接近主體溶液（

ΔC達(dá)最大），可消除外擴(kuò)散限制。（3）分次提取，不斷更新溶劑，

增大ΔC，可有效提高萃取速度。（4）適當(dāng)提高溫度，減少溶液粘度，以提高擴(kuò)散系數(shù)D。?提高萃取速度的措施：7.3.4溶質(zhì)收率■在多級(jí)（或多次）萃取中，設(shè)：W—固相物的體積Q0—固相物中原有溶質(zhì)重量Qn—n次萃取后固相物中所剩溶質(zhì)重量V—每次萃取所用溶劑體積K—溶質(zhì)在固相和液相的分配系數(shù)（K=CS/CL）nKWKWQKW)n)n

QQ000CS

1W1KW

VKW

VQ

(KW

VQ0

CS1W

CL1V1

1

Qn

1

(理論收得率：于是： Q

7.4雙水相萃取■

溶劑萃取法用于生物大分子存在的問(wèn)題：（1）變性失活；（2）許多大分子物質(zhì)親水性很強(qiáng)，不易溶于有機(jī)溶劑。■70年代中期，M.R.Kula等首先將雙水相系統(tǒng)用于從細(xì)胞勻漿液中分離蛋白質(zhì)和酶。7.4.1

雙水相的形成7.4.2

雙水相的分配理論7.4.3

影響雙水相分配的因素7.4.4

雙水相的應(yīng)用7.4

雙水相萃取7.4.1雙水相的形成A B A-B■當(dāng)兩種聚合物水溶液混合時(shí)，其混合后的狀況取決于聚合物分子間的作用力：（1）兩種聚合物間存在較強(qiáng)的引力，混合后它們相互結(jié)合而存在于同一相中。ABA，B（2）兩種聚合物間不存在較強(qiáng)的引力或斥力，則兩者可相互混溶于同一相中。ABAB（3）兩種聚合物間存在較強(qiáng)的斥力，混合后由于相互排斥作用而形成兩相。這種現(xiàn)象稱為聚合物的不相溶性（Incompatibility）?！霎?dāng)混合液中的溶質(zhì)與上相（A相）聚合物的親和力較強(qiáng)時(shí)，則在上相中的分配就較多，反之則在下相分配較多?！鲇捎诓煌娜苜|(zhì)與兩種聚合物的相溶性有所不同，其各自的分配系數(shù)也就有所不同，因而可產(chǎn)生分離，此即為雙水相萃取。■不相溶性在許多聚合物分子間都存在，此外，由于鹽析作用的存在，聚合物與鹽類(lèi)溶液也能形成雙水相。幾種典型的雙水相系統(tǒng)類(lèi) 型輕相化合物重相化合物A兩種非離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、羥丙基淀粉B其中一種為帶電荷的聚電解質(zhì)DEAE葡聚糖·HCl聚丙二醇NaCl聚乙二醇Li2SO4C兩種聚電解質(zhì)羧甲基葡聚糖鈉鹽羧甲基纖維素鈉鹽D聚合物/無(wú)機(jī)鹽聚乙二醇磷酸鉀、硫酸鉀、硫酸鈉7.4.2雙水相的分配理論■同溶劑萃取一樣，雙水相的分配系數(shù)仍可表示為：

K=C1/C2■

雙水相分配理論的解釋有：（1）表面能的影響（2）電荷的影響（3）綜合影響7.4.3影響雙水相分配的因素7.4.3.1聚合物的分子量■

蛋白質(zhì)易分配于聚合物分子量較小的相。對(duì)于PEG/Dx系統(tǒng)：PEG分子量↑→

蛋白質(zhì)的分配系數(shù)K↓Dx分子量↑→蛋白質(zhì)的分配系數(shù)K

↑■通過(guò)改變PEG的分子量可使蛋白質(zhì)分配在不同的相?！鐾ㄟ^(guò)選擇不同分子量的PEG可分離不同分子量的蛋白質(zhì)?！鲇捎诩?xì)胞碎片的分子量較大，所以增加PEG的分子量更易使細(xì)胞碎片趨于下相。7.4.3.2聚合物濃度（1）對(duì)于雙水相系統(tǒng)，在增加某一聚合物的含量時(shí)，雙水相形成后其所占的體積也大。于是PEG濃度↑→上相體積V1↑→上、下相體積比R↑→溶質(zhì)收率Y↑KV1KV1

V2Y

（2）增加聚合物濃度，使上、下相熱力學(xué)特性差異增大，不同物質(zhì)間的K值差別也會(huì)增大，有利于雜質(zhì)的分離。（3）聚合物