制藥工程原理與設備分離工程基礎與設備(液液萃取)

1、1第一部分第一部分 萃萃 取取2第一節(jié)第一節(jié)液液-液萃取液萃取1 萃取的分類2 優(yōu)點3 操作的一般過程4 分配定律與分配平衡5 弱電解質的分配平衡6 化學萃取7 有機溶劑或稀釋劑的選擇8 乳化現象31 分分 類類按按參與溶質分配的兩相不同參與溶質分配的兩相不同分為分為液液-液萃取液萃取(liquid-liquid extraction)液液-固萃取固萃取(liquid-solid extraction)固相萃取固相萃取(solid phase extraction, SPE)雙水相萃取雙水相萃取(two water phase extraction)超臨界流體萃取超臨界流體萃取(supercr

2、itical fluid extraction)按按原理不同原理不同分為分為溶劑液溶劑液-液萃取液萃取液液-固萃取固萃取固相萃取固相萃取 雙水相萃取雙水相萃取 液膜萃取液膜萃取(liquid membrane extraction) 反膠團萃取反膠團萃取(reversed micellar extraction) 超臨界萃取超臨界萃取按按萃取過程中是否發(fā)生反應萃取過程中是否發(fā)生反應分為分為 物理萃取物理萃取 化學萃取化學萃取42 2 優(yōu)優(yōu) 點點1萃取過程具有選擇性；萃取過程具有選擇性；2能與其他純化方法相配合；能與其他純化方法相配合；3通過相轉移，減少目標產物的降解；通過相轉移，減少目標產物的

3、降解；4規(guī)模放大極為容易；規(guī)模放大極為容易；5傳質快、生產周期短；傳質快、生產周期短；6便于連續(xù)操作、易于計算機控制；便于連續(xù)操作、易于計算機控制；7無相變、能耗低、成本低；無相變、能耗低、成本低；8方法成熟、易于設計。方法成熟、易于設計。53 操作的一般過程操作的一般過程萃取萃取(Extraction)： 利用溶質在互不相溶的兩相之間分配系數的不利用溶質在互不相溶的兩相之間分配系數的不同而使溶質得到純化或濃縮的方法稱為同而使溶質得到純化或濃縮的方法稱為萃取萃取。萃取劑萃取劑(extractant)、輕相、輕相(light phase)、萃取相、萃取相(solvent phase)、萃余相、重

4、相、萃余相、重相(heavy phase)。液液萃取：液液萃?。阂砸后w為萃取劑，當含有目標產物的原料也為以液體為萃取劑，當含有目標產物的原料也為液體時，則為液液萃取。液體時，則為液液萃取。液固萃取或浸取（液固萃取或浸?。↙eaching）：）：含有目標產物的原料為固體，則為液固萃取。含有目標產物的原料為固體，則為液固萃取。萃取速率可用下式表示：萃取速率可用下式表示： c: 料液相溶質濃度料液相溶質濃度(mol/l), c*: 與萃取相中的溶與萃取相中的溶質濃度呈相平衡的料液相溶濃度質濃度呈相平衡的料液相溶濃度(mol/l), t: 時間時間(s), k: 傳質系數傳質系數(m/s), a: 以

5、料液相體積為基準以料液相體積為基準的相間接觸比表面積的相間接觸比表面積(m-1) 63 操作的一般過程操作的一般過程萃取萃取 洗滌洗滌 反萃取反萃取 洗滌操作洗滌操作(washing processing)：對于一個完整的：對于一個完整的萃取過程，常在萃取和反萃取之間增加洗滌操作萃取過程，常在萃取和反萃取之間增加洗滌操作73 操作的一般過程操作的一般過程反萃取反萃取(Back extraction)：當萃取操作后，為進一步純化目標產物或便于下步分離當萃取操作后，為進一步純化目標產物或便于下步分離操作，往往需要將目標產物轉移到水相。這種調節(jié)水相操作，往往需要將目標產物轉移到水相。這種調節(jié)水相條件

6、，將目標產物從有機相轉入水相的萃取操作稱為反條件，將目標產物從有機相轉入水相的萃取操作稱為反萃取。萃取。8物理萃?。喝苜|根據相似相溶的原理在兩相間達到分配平衡，物理萃?。喝苜|根據相似相溶的原理在兩相間達到分配平衡，萃取劑與溶質之間不發(fā)生化學反應。例如，用乙酸丁酯萃取劑與溶質之間不發(fā)生化學反應。例如，用乙酸丁酯萃取青霉素。萃取青霉素。化學萃?。河弥苄暂腿┡c溶質之間的化學反應生成脂溶化學萃取：用脂溶性萃取劑與溶質之間的化學反應生成脂溶性復合分子實現溶質向有機相的分配。萃取劑與溶質之性復合分子實現溶質向有機相的分配。萃取劑與溶質之間的化學反應，包括離子交換和絡合反應等。如用萃取間的化學反應，包括

7、離子交換和絡合反應等。如用萃取劑季銨鹽劑季銨鹽(氯化三辛基甲銨，氯化三辛基甲銨，R+Cl-)萃取氨基酸萃取氨基酸A-。稀釋劑稀釋劑(diluent)：化學萃取中通常用煤油、已烷、和苯等溶：化學萃取中通常用煤油、已烷、和苯等溶解萃取劑，改善萃取相的物理性質，此時的有機溶劑稱解萃取劑，改善萃取相的物理性質，此時的有機溶劑稱為稀釋劑。為稀釋劑。94 分配定律與分配平衡分配定律與分配平衡分配定律分配定律(distribution law)（不適用于化學萃?。ú贿m用于化學萃取）在恒溫恒壓下，溶質在互不相溶的兩相中達到在恒溫恒壓下，溶質在互不相溶的兩相中達到分配平衡時，溶質在兩相中的平衡濃度之比為分配平

8、衡時，溶質在兩相中的平衡濃度之比為常數常數 適應條件：相同分子形態(tài)（相對分子質量相同）適應條件：相同分子形態(tài)（相對分子質量相同）存在于兩相中的溶質濃度之比。不適合于化學存在于兩相中的溶質濃度之比。不適合于化學萃取，因溶質在各相中并非以同一種分子形態(tài)萃取，因溶質在各相中并非以同一種分子形態(tài)存在。存在。 分配系數分配系數(distribution coefficient)或分配比或分配比溶質在兩相中的總濃度之比溶質在兩相中的總濃度之比適應條件：高低濃度適應條件：高低濃度線性平衡（線性平衡（Henry型）：型）：適應條件：低濃度適應條件：低濃度Langmuir型平衡型平衡適應條件：高低濃度適應條件：

9、高低濃度a, b和和n為常數為常數105 弱電解質的分配平衡弱電解質的分配平衡A、弱電解質的萃取理論、弱電解質的萃取理論 弱堿和弱酸的解離平衡關系分別為：弱堿和弱酸的解離平衡關系分別為： AH(light phase) Ka Kb AH A- + H+ BH+ B + H+ AH = A- + H+(water)弱酸性電解質的分配系數弱酸性電解質的分配系數弱堿性電解質的分配系數弱堿性電解質的分配系數Aa、Ab為游離的弱電解質在兩相中的分配常數：為游離的弱電解質在兩相中的分配常數：AHAHAaB(light phase) B + H+ = BH+(water)115 弱電解質的分配平衡弱電解質的

10、分配平衡B、弱電解物質萃取的影響因素、弱電解物質萃取的影響因素1) 萃取劑的種類萃取劑的種類 它決定了它決定了Aa, Ab - 脂溶性大小脂溶性大小;2) pH的大小的大小 弱酸性電解質隨弱酸性電解質隨PH值的降低，分配系數增大；值的降低，分配系數增大； 弱堿性電解質隨弱堿性電解質隨PH值的降低，分配系數減小；值的降低，分配系數減??； 3) 溫度溫度是影響溶質分配系數和萃取速度的重要因素。選擇是影響溶質分配系數和萃取速度的重要因素。選擇適當的操作溫度，有利于目標產物的回收和純化。但由適當的操作溫度，有利于目標產物的回收和純化。但由于生物產物在較高溫度下不穩(wěn)定于生物產物在較高溫度下不穩(wěn)定, 故萃

11、取操作一般在常溫故萃取操作一般在常溫或較低溫度下進行。或較低溫度下進行。4) 無機鹽的影響無機鹽的影響：無機鹽在水溶液中的鹽析作用。無機鹽：無機鹽在水溶液中的鹽析作用。無機鹽的存在可降低溶質在水溶液中的溶解度，有利于萃取。的存在可降低溶質在水溶液中的溶解度，有利于萃取。維生素維生素B12 - 硫酸銨；青霉素硫酸銨；青霉素 - 氯化鈉等。氯化鈉等。125 弱電解質的分配平衡弱電解質的分配平衡青霉素 (light phase) 青霉素 = 青霉素- + H+(water)C、應用、應用1）青霉素萃?。┣嗝顾剌腿∏嗝顾厥怯袡C酸, pH值對其分配系數有很大影響。很明顯, 在較低pH下有利于青霉素在有機

12、相中的分配, 當pH大于6.0時,青霉素幾完全分配于水相中。從圖中可知,選擇適當的pH, 不僅有利于提高青霉素的收率, 還可根據共存雜質的性質和分配系數,提高青霉素的萃取選擇性。2) 青霉素反萃取青霉素反萃取135 弱電解質的分配平衡弱電解質的分配平衡C、應用、應用3）紅霉素萃?。┘t霉素萃取紅霉素是堿性電解質，在乙紅霉素是堿性電解質，在乙酸戊酯和酸戊酯和pH9.8的水相之間分的水相之間分配系數為配系數為44.7，而水相，而水相pH降降至至5.5時時, 分配系數降至分配系數降至14.4。4）紅霉素反萃?。┘t霉素反萃取反萃取操作同樣可通過調節(jié)反萃取操作同樣可通過調節(jié)pH值實現。如，紅霉素在值實現。

13、如，紅霉素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃取則用取，而反萃取則用pH5.0的水的水溶液。溶液。紅霉素 (light phase) 紅霉素 + H+ = 紅霉素+ (water)146 化學萃取化學萃取化學萃取目的化學萃取目的 由于氨基酸由于氨基酸aa和一些極性較大的抗生素的水溶性很強，和一些極性較大的抗生素的水溶性很強，在有機相中的分配系數很小甚至為零，利用一般的物理萃取在有機相中的分配系數很小甚至為零，利用一般的物理萃取效率很低，甚至無法萃取。這種情況可用化學萃取解決。效率很低，甚至無法萃取。這種情況可用化學萃取解決。按溶質與萃取劑化學反應機理的不同，將化學萃取

14、分為：按溶質與萃取劑化學反應機理的不同，將化學萃取分為： 1.絡合反應萃??；絡合反應萃??； 2.離子交換反應萃?。庪x子交換反應萃?。?陽離子交換反應萃取）；陽離子交換反應萃?。?； 3.離子締合反應萃??；離子締合反應萃?。?4.加合反應萃??；加合反應萃??； 5.帶同反應萃??；帶同反應萃??；157 有機溶劑或稀釋劑的選擇有機溶劑或稀釋劑的選擇選擇原則：選擇原則： 根據根據相似相溶相似相溶的原理的原理(最重要參數：介電常數，極性最重要參數：介電常數，極性)，選擇與目標產物性質相近的萃取劑，可以得到較大分配系數。選擇與目標產物性質相近的萃取劑，可以得到較大分配系數。此外，有機溶劑還應滿足以下要求：

15、此外，有機溶劑還應滿足以下要求：1) 對被萃取物質有較大的分配系數；對被萃取物質有較大的分配系數；2) 與水相不互溶；與水相不互溶；3) 與水相有較大的密度差，并且粘度小，表面張力適中，與水相有較大的密度差，并且粘度小，表面張力適中，相分散和相分離較容易；相分散和相分離較容易；4) 毒性低，腐蝕性小，閃點低，使用安全；毒性低，腐蝕性小，閃點低，使用安全；5) 不與目標產物發(fā)生反應；不與目標產物發(fā)生反應；6) 價廉易得，容易回收利用；價廉易得，容易回收利用； 常用于抗生素類萃取劑有：丁醇等醇類、乙酸乙酯、乙酸常用于抗生素類萃取劑有：丁醇等醇類、乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯類以及甲異丁基甲

16、酮（丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯類以及甲異丁基甲酮（methyl isobutyl ketone）等。）等?；瘜W萃取化學萃取aa的稀釋劑主要有的稀釋劑主要有: 煤油、乙烷、異辛烷、正十二煤油、乙烷、異辛烷、正十二烷等。烷等。168 乳化現象乳化現象乳化：乳化：水或有機溶劑以微小液滴形式分散于有機相或水相中的水或有機溶劑以微小液滴形式分散于有機相或水相中的現象。常常發(fā)生在實際發(fā)酵產物的萃取操作中?，F象。常常發(fā)生在實際發(fā)酵產物的萃取操作中。 產生乳化后使有機相和水相分層困難，出現兩種夾帶：產生乳化后使有機相和水相分層困難，出現兩種夾帶：發(fā)酵液中夾帶有機溶劑微滴，使目標產物受到損失；發(fā)酵液中夾帶有機溶劑微

17、滴，使目標產物受到損失；有機溶劑中夾帶發(fā)酵液給后處理操作帶來困難。有機溶劑中夾帶發(fā)酵液給后處理操作帶來困難。產生原因產生原因：是發(fā)酵液中存在的蛋白質和固體顆粒等物質，這些物質是發(fā)酵液中存在的蛋白質和固體顆粒等物質，這些物質具有表面活性劑的作用，使有機溶劑和水的表面張力降具有表面活性劑的作用，使有機溶劑和水的表面張力降低，使有機溶劑和水相互包溶形成乳濁液，產生乳化現低，使有機溶劑和水相互包溶形成乳濁液，產生乳化現象。象。178 乳化現象乳化現象乳化處理乳化處理1) 在操作前，對發(fā)酵液進行過濾或絮凝沉淀處理，可在操作前，對發(fā)酵液進行過濾或絮凝沉淀處理，可除去大部除去大部分蛋白質及固體微粒，防止乳化現象的發(fā)生分蛋白質及固體微粒，防止乳化現象的發(fā)生。 （1）升溫加速絮凝沉淀升溫加速絮凝沉淀；（；（2）鹽析鹽析；2) 乳化產生后，采取適當的破乳手段。乳化產生后，采取適當的破乳手段。 A 如果乳化現象不嚴重，可采用如果乳化現象不嚴重，可采用吸附過濾或離心沉降吸附過濾或離心沉降的方法。的方法。 B 加破乳劑加破乳劑：破乳劑為一種表面活性劑，具有較高的表面活性，：破