人教版-功率-課件(上課用)2

南農(nóng)生物分離工程生物分離2萃取南農(nóng)生物分離工程生物分離2萃取1萃取的概念液－液萃取從機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？掌握單級萃取過程的計算解析方法。掌握多級萃取萃取級數(shù)的計算方法。通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握以下內(nèi)容：萃取的概念通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握以下內(nèi)容：2 分類按參與溶質(zhì)分配的兩相不同而分為

液-液萃取(liquid-liquidextraction)

液-固萃取(liquid-solidextraction)

固相萃取(solidphaseextraction,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(twowaterphaseextraction)

超臨界流體萃取(supercriticalfluidextraction) 分類按參與溶質(zhì)分配的兩相不同而分為3人教版-功率-PPT課件(上課用)24人教版-功率-PPT課件(上課用)25雜質(zhì)溶質(zhì)原溶劑萃取劑LightphaseHeavyphase雜質(zhì)溶質(zhì)原溶劑萃取劑LightphaseHeavypha6分配定律平衡時溶質(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＝c1／c2應(yīng)用條件：(1)稀溶液；(2)溶質(zhì)對溶劑之互溶度沒有影響；(3)必須是同一種分子類型，即不發(fā)生締合或離解。分配定律7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。青霉素的8K0和KP是客觀存在的，但一般測定得到的是[P·COOH＋P·COO－]的總濃度c2，在這種情況下，

c1／c2＝K

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)。K0和KP是客觀存在的，但一般測定得到的是[P·COOH＋P9 弱電解質(zhì)的分配平衡青霉素(lightphase)

青霉素=青霉素-+H+(water)1）青霉素萃取 青霉素是有機酸,pH值對其分配系數(shù)有很大影響。很明顯,在較低pH下有利于青霉素在有機相中的分配,當(dāng)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(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)的分配平衡青霉素(lightphase)10 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,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(lightphase)

紅霉素+H+=紅霉素+(water) 弱電解質(zhì)的分配平衡紅霉素(lightphase)11分離因子

萃取劑對溶質(zhì)A和B分離能力的大小可用分離因子β來表征：

β＝(c1A/c1B)／(c2A/c2B)＝KA／KB

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)，

β＝K產(chǎn)／K雜

=1?

β越大，A、B的分離效果越好，即產(chǎn)物與雜質(zhì)越容易分離。分離因子

萃取劑對溶質(zhì)A和B分離能力的大小可用分離因子β來表12水相條件的影響(1)pH值pH值直接影響表觀分配系數(shù)K，對選擇性有影響。如青霉素在pH2萃取時，乙酸丁酯萃取液中青霉烯酸可達青霉素含量的12.5％，而在pH3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)。水相條件的影響13pH值

青霉素K=1PH=4.4不萃取

K﹥1PH﹤4.4（2.2）正萃取

K﹤1PH﹥4.4（7.2）pH值

14(2)溫度

溫度會影響生化物質(zhì)的穩(wěn)定性。影響分配系數(shù)K。有機溶劑與水互溶度隨T升高而增加，收率下降。

(2)溫度

溫度會影響生化物質(zhì)的穩(wěn)定性。15(3)鹽析（NaClNH4Cl(NH4)2SO4)

無機鹽類如硫酸銨、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)入有機溶劑相中，減小有機溶劑在水相中的溶解度。如提取維生素B12時，加入硫酸銨，可促使維生素B12自水相轉(zhuǎn)移到有機相中；提取青霉素時加入NaCl，也有利于青霉素從水相轉(zhuǎn)移到有機溶劑相中。增加水相比重

(3)鹽析（NaClNH4Cl(NH4)2SO4)16反萃取(Backextraction)：

當(dāng)萃取操作后，為進一步純化目標(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)物從有機相轉(zhuǎn)入水相的萃取操作稱為反萃取。反萃取(Backextraction)：17 操作的一般過程萃取–洗滌–反萃取洗滌操作(washingprocessing)：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

操作的一般過程萃取–洗滌–反萃取18優(yōu)點對熱敏物質(zhì)破壞少多級萃取時，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，對設(shè)備和安全要求高優(yōu)點對熱敏物質(zhì)破壞少19萃取操作理論收得率的計算須符合以下兩個假定：①萃取相和萃余相很快達到平衡②兩相完全不互溶，在分離器中能完全分離。單級萃取萃取操作理論收得率的計算須符合以下單級萃取20萃取方式和理論收得率工業(yè)上萃取操作通常包括三個步驟：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)和溶劑回收裝置(如蒸餾塔)?；旌陷腿『头蛛x也可在同一臺設(shè)備內(nèi)完成。一般萃取過程很快，如果接觸表面足夠大，則在15~60s之內(nèi)就可完成。萃取方式和理論收得率21溶劑回收

簡單蒸餾：沸點相差大，溶劑質(zhì)量要求不高

精餾：沸點接近溶劑回收22 混合-澄清式萃取Mixer-settler最常用的液液萃取設(shè)備 混合-澄清式萃取Mixer-settler最常用的液液萃23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。單級萃取使含溶質(zhì)的溶液（h）單級萃取24單級萃取設(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(extractionfactor)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：

E＝K·VS／VF＝K／m

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

單級萃取設(shè)K為分配系數(shù)，VF為料液體積，VS為萃取劑體積，E25萃余率Φ=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：1－φ＝E／(E＋1)效率低,為達到一定的萃取率,需大量萃取劑，為提高收率常常采用多級萃取萃余率Φ=萃余液中溶質(zhì)總量/溶質(zhì)總量×100%26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萃取是工業(yè)生產(chǎn)最常用的萃取流程多級萃取27多級錯流萃取

多級錯流萃取由于溶劑分別加入各級萃取器，故萃取推動力較大，萃取效果較好。缺點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。

多級錯流萃取多級錯流萃取由于溶劑分別加入各級萃取器，故萃28 多級錯流萃取萃余率Φ=1/（E+1）n理論收率：1－φ

多級錯流萃取萃余率Φ=1/（E+1）n29

多級逆流萃取

將多個混合-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)成多級逆流接觸萃取.多級逆流萃取將多個混合-澄清器單元串聯(lián)起來,分別在左右30萃余率Φ=第n級萃余相溶質(zhì)量/料液溶質(zhì)量

=（E-1）/（En+1-1）

理論收率1-Φ多級逆流萃取

萃余率Φ=第n級萃余相溶質(zhì)量/料液溶質(zhì)量

31連續(xù)逆流萃取裝置連續(xù)逆流萃取裝置32例1：赤霉素在10℃、pH值2.5時的分配系數(shù)(乙酸乙酯／水)為35，用等體積乙酸乙酯單級萃取一次問理論收得率為多少？解1：E＝35×1／1＝35

理論收得率1－φ＝35／(35＋1)＝97.2％例1：赤霉素在10℃、pH值2.5時的分配系數(shù)(乙酸乙酯／水33例2：赤霉素二級錯流萃取時，第一級用1/2體積乙酸乙酯，第二級用1/10體積乙酸乙酯，問理論收得率為多少？解2：E1＝35／2＝17.5E2＝35／10＝3.5

理論收得率1－φ＝1－1／[(17.5＋1)×(3.5＋1)]＝98.79％例2：赤霉素二級錯流萃取時，第一級用1/2體積乙酸乙酯，第二34例3：赤霉素進行二級逆流萃取，乙酸乙酯用量為1/2體積，問理論收得率為多少？解3：

E＝35／2＝17.5n＝2

理論收得率1－φ＝[17.53－17.5]／[17.53－1]＝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)上普遍采用的流程。例3：赤霉素進行二級逆流萃取，乙酸乙酯用量為1/2體積，問理35溶劑用量及萃取方式潔霉素Ｋ（丁醇:水）18收率濃縮比萃取二級錯流二級逆流三級逆流194.799.099.6999.981/290.096.798.999.881/385.793.897.799.611/481.892.596.199.14溶劑用量及萃取方式濃縮比萃取二級錯流二級逆流三級逆流194.36 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，有機溶劑還應(yīng)滿足以下要求：1)、價廉易得；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； 溶劑的選擇根據(jù)相似相溶的原理，選擇與目標(biāo)產(chǎn)物性質(zhì)37溶劑的選擇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酮（methylisobutylketone）等。青霉素ＢＡCHCl3

乙醚Ｋ39:139:112:1人教版-功率-PPT課件(上課用)238 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，在有機相中的分配系數(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)萃取39化學(xué)萃?。?/p>

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)合分子實現(xiàn)溶質(zhì)向有機相的分配。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)，此時的有機溶劑稱為稀釋劑。化學(xué)萃?。河弥苄暂腿┡c溶質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)生成脂溶40

陽離子交換反應(yīng)萃取

nHA+mn+=mAn+nH+

萃取劑-弱酸性溶質(zhì)-水相中絡(luò)離子形式

加合反應(yīng)萃取

K＞K1+K2

青霉素：正己醇+醋酸丁酯BA（1﹕1）pH3.5-4.0收率提高

BApH2.2對酸不穩(wěn)定陽離子交換反應(yīng)萃取41

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?。捍藦?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)后同時被萃取。

帶同萃取反應(yīng)

鏈霉素++月桂酸=鏈霉素月桂酸+42絡(luò)合反應(yīng)萃取檸檬酸萃取 檸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：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回收率低絡(luò)合反應(yīng)萃取檸檬酸+磷酸三丁酯=檸檬酸-磷酸三丁酯檸檬酸343離子締合反應(yīng)萃取

青霉素萃取 青霉素為有機酸，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的水相中對有機相的分配系數(shù)，使其在穩(wěn)定性高的pH下進行萃取操作。青霉素-+四丁胺=青霉素-四丁胺++

OH-(lightphase)青霉素-+H+=青霉素(waterphase)離子締合反應(yīng)萃取青霉素-+四丁胺=青霉素-四丁胺++44

乳化現(xiàn)象乳化：

水或有機溶劑以微小液滴形式分散于有機相或水相中的現(xiàn)象。常常發(fā)生在實際發(fā)酵產(chǎn)物的萃取操作中。產(chǎn)生乳化后使有機相和水相分層困難，出現(xiàn)兩種夾帶：①發(fā)酵液中夾帶有機溶劑微滴，使目標(biāo)產(chǎn)物受到損失；②有機溶劑中夾帶發(fā)酵液給后處理操作帶來困難。 乳化現(xiàn)象乳化：45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。產(chǎn)生原因：46乳化現(xiàn)象

有機相乳化層水相乳化現(xiàn)象有機相乳化層水相47表面活性劑定義：由親水憎油的極性基團（親水基）和親油憎水的非極性基團（疏水基）兩部分組成的分子。HLB值（hydrophile-lipophilebalance）:0—20

HLB=0完全不親水HLB=20完全親水HLB越大，親水性強，→

O/WHLB越小，親油性強，→

W

/O

親水基疏水基表面活性劑親水基疏水基48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，增加界面膜的機械強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49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金屬皂O/W二價金屬皂W/O乳濁液類型的影響因素50乳化劑分配系數(shù)的影響K大