生物分離工程生物分離二溶劑萃取法

1、生物分離工程生物分離二溶劑萃取法萃取的概念液液萃取從機(jī)理上分析可分為哪兩類？常見物理萃取體系由那些構(gòu)成要素？何謂萃取的分配系數(shù)？其影響因素有哪些？掌握單級(jí)萃取過程的計(jì)算解析方法。掌握多級(jí)萃取萃取級(jí)數(shù)的計(jì)算方法。通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握以下內(nèi)容：分 類按參與溶質(zhì)分配的兩相不同而分為液-液萃取(liquid-liquid extraction)液-固萃取(liquid-solid extraction)固相萃取(solid phase extraction, SPE)利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附 雙水相萃取(two water phase extraction)超臨界流體萃取(superc

2、ritical fluid extraction)利用在兩個(gè)互不相溶的液相中各種組分（包括目的產(chǎn)物）溶解度的不同，從而達(dá)到分離的目的物理萃取化學(xué)萃取適合于非極性、弱極性溶質(zhì)何謂萃取利用溶劑對(duì)需分離組分有較高的溶解能力，分離過程純屬物理過程萃取體系的構(gòu)成溶質(zhì)：被萃取的物質(zhì)原溶劑：原先溶解溶質(zhì)的溶劑萃取劑：加入的第三組分萃取劑選擇原則：使溶質(zhì)在萃取相中有最大的溶解度物理萃取雜質(zhì)溶質(zhì)原溶劑萃取劑Light phaseHeavy phase分配定律平衡時(shí)溶質(zhì)在兩相中的濃度之比為一常數(shù)K， K 萃取相濃度/萃余相濃度 c1c2 應(yīng)用條件： (1)稀溶液； (2)溶質(zhì)對(duì)溶劑之互溶度沒有影響； (3)必須是

3、同一種分子類型，即不發(fā)生締合或離解。弱酸或弱堿性溶質(zhì)還要考慮弱電解質(zhì)在水相中的電離平衡。兩相中的游離酸分子的分配平衡用分配系數(shù)K0表征電離平衡用電離常數(shù)KP來表征。青霉素的分配平衡與電離平衡 K0和KP是客觀存在的，但一般測(cè)定得到的是PCOOHPCOO的總濃度c2，在這種情況下， c1c2K 這里的K稱之為表觀分配系數(shù)。 溶質(zhì)在不互溶兩相中的分配不僅與本身的性質(zhì)(決定KP)、萃取溶劑(決定K0)有關(guān)，也與水相的pH有關(guān)。弱電解質(zhì)的分配平衡青霉素 (light phase) 青霉素 = 青霉素- + H+(water)1）青霉素萃取青霉素是有機(jī)酸, pH值對(duì)其分配系數(shù)有很大影響。很明顯, 在較低

4、pH下有利于青霉素在有機(jī)相中的分配, 當(dāng)pH大于6.0時(shí),青霉素幾完全分配于水相中。從圖中可知,選擇適當(dāng)?shù)膒H, 不僅有利于提高青霉素的收率, 還可根據(jù)共存雜質(zhì)的性質(zhì)和分配系數(shù),提高青霉素的萃取選擇性。2)青霉素反萃取弱電解質(zhì)的分配平衡3）紅霉素萃取紅霉素是堿性電解質(zhì)，在乙酸戊酯和pH9.8的水相之間分配系數(shù)為44.7，而水相pH降至5.5時(shí), 分配系數(shù)降至14.4。4）紅霉素反萃取反萃取操作同樣可通過調(diào)節(jié)pH值實(shí)現(xiàn)。如，紅霉素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃取則用pH5.0的水溶液。紅霉素 (light phase) 紅霉素 + H+ = 紅霉素+ (water)分離因子萃取劑對(duì)溶

5、質(zhì)A和B分離能力的大小可用分離因子來表征： (c1A/c1B)(c2A/c2B) KAKB 下標(biāo)1、2分別代表萃取相和萃余相， 如果A是產(chǎn)物，B為雜質(zhì)， K產(chǎn)K雜 =1? 越大，A、B的分離效果越好，即產(chǎn)物與雜質(zhì)越容易分離。水相條件的影響(1) pH值pH值直接影響表觀分配系數(shù)K，對(duì)選擇性有影響。如青霉素在pH 2萃取時(shí)，乙酸丁酯萃取液中青霉烯酸可達(dá)青霉素含量的12.5，而在pH 3的條件下萃取，則可降低至4。pH值還應(yīng)盡量選擇在使產(chǎn)物穩(wěn)定的范圍內(nèi)。pH值 青霉素 K=1 PH=4.4 不萃取 K1 PH4.4（2.2） 正萃取 K1 PH4.4 （7.2） (2) 溫度溫度會(huì)影響生化物質(zhì)的穩(wěn)

6、定性。影響分配系數(shù)K。有機(jī)溶劑與水互溶度隨T升高而增加， 收率下降。 (3) 鹽析（NaCl NH4Cl (NH4)2SO4) 無機(jī)鹽類如硫酸銨、氯化鈉等一般可降低產(chǎn)物在水中的溶解度而使其更易于轉(zhuǎn)入有機(jī)溶劑相中，減小有機(jī)溶劑在水相中的溶解度。 如提取維生素B12時(shí)，加入硫酸銨，可促使維生素B12自水相轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中； 提取青霉素時(shí)加入NaCl，也有利于青霉素從水相轉(zhuǎn)移到有機(jī)溶劑相中。增加水相比重反萃取(Back extraction)：當(dāng)萃取操作后，為進(jìn)一步純化目標(biāo)產(chǎn)物或便于下步分離操作，往往需要將目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到水相。這種調(diào)節(jié)水相條件，將目標(biāo)產(chǎn)物從有機(jī)相轉(zhuǎn)入水相的萃取操作稱為反萃取。操作的一般

7、過程萃取 洗滌 反萃取洗滌操作(washing processing)：對(duì)于一個(gè)完整的萃取過程，常在萃取和反萃取之間增加洗滌操作 優(yōu) 點(diǎn)對(duì)熱敏物質(zhì)破壞少多級(jí)萃取時(shí)，溶質(zhì)濃縮倍數(shù)高，純化度高便于連續(xù)生產(chǎn)，周期短溶劑耗量大，對(duì)設(shè)備和安全要求高萃取操作理論收得率的計(jì)算須符合以下 兩個(gè)假定： 萃取相和萃余相很快達(dá)到平衡 兩相完全不互溶，在分離器中能完全分離。單級(jí)萃取萃取方式和理論收得率工業(yè)上萃取操作通常包括三個(gè)步驟： 混合分離溶劑回收 工業(yè)萃取的流程中須有混合器(如攪拌混合器)、分離器(如碟片式離心機(jī))和溶劑回收裝置(如蒸餾塔)。混合萃取和分離也可在同一臺(tái)設(shè)備內(nèi)完成。一般萃取過程很快，如果接觸表面足夠

8、大，則在1560 s之內(nèi)就可完成。溶劑回收 簡單蒸餾：沸點(diǎn)相差大，溶劑質(zhì)量要求不高 精餾：沸點(diǎn)接近混合-澄清式萃取 Mixer-settler最常用的液液萃取設(shè)備使含溶質(zhì)的溶液（h）和萃取劑（L）充分混合，靜止后分成兩層。單級(jí)萃取單級(jí)萃取設(shè)K為分配系數(shù)，VF為料液體積，VS為萃取劑體積，E為萃取因子(extraction factor)即萃取平衡后，溶質(zhì)在萃取相與萃余相中質(zhì)量的比值，則： EKVSVFKm E與相比、萃取劑濃度、T、pH、解離情況有關(guān)式中 m：濃縮倍數(shù)VF/VS 萃余率=萃余液中溶質(zhì)總量/溶質(zhì)總量100% =1/（E+1）100% 理論收得率為： 1E(E1)效率低, 為達(dá)到一

9、定的萃取率, 需大量萃取劑，為提高收率常常采用多級(jí)萃取是工業(yè)生產(chǎn)最常用的萃取流程分離效率高產(chǎn)品回收率高溶劑用量少多級(jí)萃取多級(jí)錯(cuò)流萃取 多級(jí)錯(cuò)流萃取由于溶劑分別加入各級(jí)萃取器，故萃取推動(dòng)力較大，萃取效果較好。缺點(diǎn)是需加入大量的溶劑，因而產(chǎn)品濃度稀，需消耗較多的能量回收溶劑。 多級(jí)錯(cuò)流萃取 萃余率=1/（E+1）n 理論收率：1 多級(jí)逆流萃取 將多個(gè)混合-澄清器單元串聯(lián)起來,分別在左右兩端的混合器中連續(xù)通入料液和萃取液,使料液和萃取液逆流接觸,即構(gòu)成多級(jí)逆流接觸萃取. 萃余率=第n級(jí)萃余相溶質(zhì)量/料液溶質(zhì)量 =（E-1）/（E n+1-1） 理論收率1-多級(jí)逆流萃取 連續(xù)逆流萃取裝置例1：赤霉素在

10、10、pH值2.5時(shí)的分配系數(shù)(乙酸乙酯水)為35，用等體積乙酸乙酯單級(jí)萃取一次問理論收得率為多少？解1： E351135 理論收得率 1 35(351)97.2例2：赤霉素二級(jí)錯(cuò)流萃取時(shí)，第一級(jí)用1/2體積乙酸乙酯，第二級(jí)用1/10體積乙酸乙酯，問理論收得率為多少？解2： E135217.5 E235103.5 理論收得率 1 11(17.51)(3.51)98.79例3：赤霉素進(jìn)行二級(jí)逆流萃取，乙酸乙酯用量為1/2體積，問理論收得率為多少？解3： E35217.5 n2 理論收得率 1 17.5317.517.531 99.7三種萃取過程中，以逆流萃取收率最高，溶劑用量最少。因而也是工業(yè)上

11、普遍采用的流程。溶劑用量及萃取方式潔霉素（丁醇:水）18收率濃縮比萃取二級(jí)錯(cuò)流二級(jí)逆流三級(jí)逆流194.7 99.0 99.69 99.981/290.0 96.7 98.9 99.881/385.7 93.8 97.7 99.611/481.8 92.5 96.1 99.14溶劑的選擇 根據(jù)相似相溶的原理，選擇與目標(biāo)產(chǎn)物性質(zhì)相近的萃取劑，可以得到較大分配系數(shù)。此外，有機(jī)溶劑還應(yīng)滿足以下要求：1)、價(jià)廉易得；2)、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，相分散和相分離較容易；4)、容易回收和再利用；5)、毒性低，腐蝕性小，揮發(fā)性小、使用安全；溶劑的選擇常用于抗生素類萃

12、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酮（methyl isobutyl ketone）等。青霉素CHCl 3 乙醚39:1 39:1 12:1化學(xué)萃取由于氨基酸和一些極性較大的抗生素的水溶性很強(qiáng)，在有機(jī)相中的分配系數(shù)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(xué)萃取解決。化學(xué)萃?。?用脂溶性萃取劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)生成脂溶性復(fù)合分子實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)向有機(jī)相的分配。稀釋劑(diluent)：化學(xué)萃取中通常用煤油、乙烷和苯等溶解萃取劑，改善萃取相的物理性質(zhì)，此時(shí)的有機(jī)溶劑稱為稀釋劑。 陽離子交換反應(yīng)萃取 nHA+mn+=mAn+nH+ 萃取劑

13、-弱酸性 溶質(zhì)-水相中絡(luò)離子形式 加合反應(yīng)萃取 KK1+K2 青霉素：正己醇+醋酸丁酯BA（11） pH3.5-4.0 收率提高 BA pH2.2 對(duì)酸不穩(wěn)定 帶同萃取反應(yīng)鏈霉素萃取在中性條件下，鏈霉素與月桂酸CH3(CH2)10COOH可形成易溶于丁醇、乙酸丁酯和異辛醇的復(fù)合物。反萃取：此復(fù)合物在酸性(pH5.5-5.7)條件下可分解。因此用酸性水溶液進(jìn)行反萃取，使復(fù)合物分解，鏈霉素重新溶于水相中。鏈霉素+ + 月桂酸 = 鏈霉素月桂酸 + H+ (organic) 鏈霉素+ + OH- = 鏈霉素 (water)某溶質(zhì)不被萃取或很少被萃取，加入另一溶質(zhì)后同時(shí)被萃取。絡(luò)合反應(yīng)萃取檸檬酸萃取檸

14、檬酸在酸性條件下與磷酸三丁酯反應(yīng)生成中性絡(luò)合物，該中性絡(luò)合物易溶于有機(jī)相。然后反萃取。檸檬酸 +磷酸三丁酯=檸檬酸-磷酸三丁酯 (organic)檸檬酸 = 檸檬酸 - + H+ (water)檸檬酸3- Ca2+檸檬酸鈣 CO32-檸檬酸3- + 碳酸鈣缺點(diǎn)：A 消耗大量鈣鹽B 消耗大量可溶性 碳酸鹽C 產(chǎn)生大量鈣鹽D 回收率低離子締合反應(yīng)萃取 青霉素萃取青霉素為有機(jī)酸，可與四丁胺、正十二烷胺等脂肪堿通過離子鍵結(jié)合而容易溶于氯仿中。 通過加入萃取劑，增大其在不同的pH的水相中對(duì)有機(jī)相的分配系數(shù)，使其在穩(wěn)定性高的pH下進(jìn)行萃取操作。青霉素- + 四丁胺 =青霉素-四丁胺+ + OH-(ligh

15、t phase)青霉素- + H+ = 青霉素 (water phase)乳化現(xiàn)象乳化：水或有機(jī)溶劑以微小液滴形式分散于有機(jī)相或水相中的現(xiàn)象。常常發(fā)生在實(shí)際發(fā)酵產(chǎn)物的萃取操作中。產(chǎn)生乳化后使有機(jī)相和水相分層困難，出現(xiàn)兩種夾帶：發(fā)酵液中夾帶有機(jī)溶劑微滴，使目標(biāo)產(chǎn)物受到損失；有機(jī)溶劑中夾帶發(fā)酵液給后處理操作帶來困難。產(chǎn)生原因：發(fā)酵液中存在的蛋白質(zhì)和固體顆粒等物質(zhì)，這些物質(zhì)具有表面活性劑的作用，使有機(jī)溶劑和水的表面張力降低， 水易于以微小液滴的形式分散于油相稱為油包水型W/O乳濁液； 相反，為O/W型乳濁液。 乳化現(xiàn)象 有機(jī)相乳化層水 相表面活性劑定義：由親水憎油的極性基團(tuán)（親水基）和親油憎水的非極

16、性基團(tuán)（疏水基）兩部分組成的分子。HLB值（hydrophile-lipophile balance）: 020 HLB=0 完全不親水 HLB=20 完全親水HLB越大，親水性強(qiáng)， O/ WHLB越小，親油性強(qiáng)， W / O 親水基疏水基乳狀液穩(wěn)定條件=乳化劑=表面活性劑降低界面張力，降低表面自由能液滴帶電荷，相互排斥界面膜的形成增大介質(zhì)黏度，增加界面膜的機(jī)械強(qiáng)度表面活性劑在界面上的定向排列水包油（O/W）型 油包水（W/O）型乳濁液類型的影響因素相體積的影響假定 水的體積26% W/O 74%O/ W乳化劑分子的空間構(gòu)型截面積大頭指向連續(xù)相，小頭指向分散相一價(jià)金屬皂O/ W 二價(jià)金屬皂W/O乳化劑分配系數(shù)的影響K大，O/W K小，W/O容器壁性質(zhì)親水性強(qiáng)，O/W 親油性強(qiáng)，W/O破乳 1)在操作前，對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行過濾或絮凝沉淀處理，可除去大部分蛋白質(zhì)及固體微粒，防止乳化現(xiàn)象的發(fā)生。 2)乳化產(chǎn)生后，采取適當(dāng)?shù)钠迫槭侄巍?破乳加熱 灰黃霉素80-90操作簡便、原材料消耗低 直接蒸汽、發(fā)酵液稀釋稀釋法 加入連續(xù)相過濾破乳 紅霉素的一次BA提取液過CaCO3，除去微量水分離心分離加入電解質(zhì) 中和分散相的電荷 NaOH HCl NaCl頂替法 加入能強(qiáng)烈吸附于界面的表面活性劑，頂替，強(qiáng)度較低 戊醇轉(zhuǎn)型法 對(duì)于O/W型乳