第四章萃取1.

第四章萃取第一节基本概念及分配定律1、基本概念1.1萃取萃取剂：萃取操作中至少有一相为流体，称该流体为萃取剂。萃取过程中，离开液-液萃取器的萃取剂相为萃取液；经萃取剂相接触后离开的料液相称为萃余液（残液）。萃取过程萃取剂S原料液A+B12萃取相E萃余相R图11－1萃取过程示意图1－混合器；2－分层器1.2反萃取定义：当完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，而调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作即为反萃取。一个完整的萃取过程中，常在萃取和反萃取操作之间增加洗涤操作，目的是除去与目标产物同时萃取到有机相的杂质，提高反萃液中目标产物的纯度。1.3物理萃取和化学萃取物理萃取：溶质根据相似相容的原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质间不发生化学反应。例如：利用乙酸丁酯萃取发酵液中的青霉素；应用:石油化工和抗生素及天然植物中有效成分的提取过程。化学萃取：利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配。萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和络合反应等。稀释剂：化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和笨等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。应用:金属的提取，也可用于氨基酸、抗生素和有机酸等生物产物的分离回收。2、分配定律分配定律：在恒温恒压条件下，溶质在互不相溶的两相中达到分配平衡时，如果其在两相中的相对分子质量相等,则其在两相中的平衡浓度之比为常数，这个常数称为分配系数m=C2/C1适用条件：相同分子形态存在于两相中的溶质的浓度之比。不适合化学萃取，固溶质在各相中并非以同一种分子状态存在。如果原料中有两种溶质，A(产品)与B（杂质），由于溶质A、B的分配系数不同，这样经萃取后A和B得到了一定程度的分离，产品的纯度提高。溶剂对溶质A、B分离能力的大小用分离因数来表示。β为分离因数，或称选择性，β值的大小反映了萃取分离的效果。BBAABAxyxymm//多数情况下，溶质在各相中并非以同一种分子形态存在，特别是化学萃取中，这时分配系数常用溶质在两相中的总浓度之比来表示，当生物产品浓度很低时，可表示成Henry型平衡关系：当溶质浓度很高时，用Langmuir型平衡关系：第二节溶剂萃取溶剂萃取：也称有机溶剂萃取，是石油化工、湿法冶金和生物产物分离纯化的重要手段；优点：处理量大、能耗低、速度快并易于实现连续操作和自动化控制1、弱电解质的分配平衡溶剂萃取常用于有机酸、氨基酸和抗生素等弱酸或弱碱性电解质萃取萃取达到平衡状态时，一方面弱电解质在水相中达到解离平衡，另一方面未解离的游离电解质在两相中达到分配平衡。对弱酸性和弱碱性电解质，解离平衡关系为：萃取平衡时，弱酸的分配系数为：弱碱的分配系数为：2、化学萃取平衡由于氨基酸和一些极性较大的抗生素水溶性很强，在有机相中的分配系数很小，甚至为0，利用一般的物理萃取效率很低，甚至无法萃取，这时可用化学萃取解决。常用于氨基酸的萃取剂有：季铵盐类(氯化三辛基甲铵)、磷酸酯类[二（2-乙基己基）磷酸]等。事例说明：利用阴离子交换萃取剂:氯化三辛基甲铵（TOMAC,记作R+Cl-）阴离子氨基酸的离子交换反应需在高于其等电点的pH范围内进行，可简化为：3、溶剂萃取操作3.1水相物理条件的影响pH值：由分配系数的计算可知，无论是物理萃取还是化学萃取，水相pH值对弱电解质分配系数有显著影响。物理萃取时，弱酸性电解质的分配系数随pH降低而增大，而弱碱性电解质则正相反，而分配系数又直接影响萃取收率；另外，溶液的pH也影响药物的稳定性。红霉素是碱性电解质，在乙酸戊酯和pH9.8的水相之间分配系数为44.7，而水相pH降至5.5时，分配系数降至14.4举例：1）红霉素萃取青霉素是较强的有机酸，pH值对其分配系数有很大影响。在较低pH下有利于青霉素在有机相中的分配，当pH大于6.0时，青霉素几乎完全分配与水相中。因此，选择适当的pH，不仅有利于提高青霉素的收率，还可根据共存杂质的性质和分配系数，提高青霉素的萃取选择性。2）青霉素萃取反萃取操作同样可通过调节pH值实现。红霉素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃取用pH5.0的水溶液。温度：选择适当的操作温度，有利于目标产物的回收和纯化。由于生物产物在较高温度下不稳定，故萃取操作一般在常温或较低温度下进行。无机盐：无机盐的存在可降低溶质在水相中的溶解度，有利于溶质向有机相中分配。但盐的添加量要适当，用量过多会使杂质转入有机相，不利于目标产物的选择性萃取。3）红霉素反萃取3.2有机溶剂或稀释剂的选择选择合适的有机溶剂，可使目标产物有较大的分配系数和较高的选择性。由相似相溶的原理，重要的相似是在分子的极性上。选择与目标产物极性相近的有机溶剂为萃取剂，可以得到较大分配系数。有机溶剂应满足:（1）价廉易得；（2）与水相不互溶；（3）容易回收和再利用；（4）与水相有较大的密度差，且粘度小，表面张力适中，相分散和相分离较容易；（5）毒性低，腐蚀性小，闪电低，使用安全（6）不与目标产物发生反应。常用于抗生素类生物产物萃取的有机溶剂有：丁醇等醇类、乙酸乙酯、乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯类以及甲基异丁基甲酮等。化学萃取氨基酸的稀释剂主要有：煤油、己烷、异辛烷、正十二烷等3.3化学萃取剂由于氨基酸和一些极性较大的抗生素的水溶性很强，在有机相中的分配系数很小甚至为零，利用一般的物理萃取效率很低，须采用化学萃取。由于萃取剂与抗生素形成复合物分子的疏水性比抗生素高，从而在有机相中有很高的溶解度。因此，在抗生素萃取中，萃取剂又称带溶剂。应用：青霉素为有机酸，可与四丁胺等脂肪碱通过离子键结合而容易溶于氯仿中。因此，对于在一定pH下容易物理分配于有机相中的目标产物（如青霉素），亦可通过加入萃取剂，增大其在不同pH的水相中，对有机相的分配系数，使其在稳定性高的pH下进行萃取操作。3.4乳化现象乳化：水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象。产生乳化后使有机相和水相分层困难。产生乳化原因：发酵液中存在蛋白质和固体颗粒等物质，具有表面活性剂的作用，使有机溶剂（油）和水的表面张力降低，油或水易于以微小液滴的形式分散于水相或油相中，形成了乳浊液。水包油型（O/W型）乳浊液：油滴分散于水相；油包水型（W/O型）乳浊液：水滴分散于油相。在通常的有机溶剂萃取操作中需尽量避免乳化现象的产生。防止乳化现象的方法：（1）操作前对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理,除去大部分蛋白质及固体微粒，防止乳化现象发生。（2）产生乳化后，根据乳化的程度和乳浊液的形式采取适当的破乳手段。①乳化现象不严重：采用过滤或离心沉降的方法；②O/W型乳浊液：加入亲油性表面活性剂；③W/O型乳浊液：加入亲水性表面活性剂；4、液液萃取设备及其设计的理论基础液液萃取设备主要分为：1)混合-澄清式萃取器2)塔式微分萃取器4.1混合-澄清式萃取混合-澄清式萃取器由料液与萃取剂的混合器和用于两相分离的澄清器构成。计算-解析法解析法：常从料液的初始浓度,计算平衡时的最终浓度。欲达这一目的,需用两个关系式,溶质的物料衡算式和平衡关系式.物料衡算式:LyHxLyHxFF平衡式:萃取后,轻重两相溶质在平衡时的浓度:其中E为萃取因子:Φ萃余分率:萃取分率p为:p表示经一次萃取后,有多少溶质被取出来。p值越大越好。E和p都是萃取操作中的重要参数图解法：平衡关系:物料衡算关系:把上述式子标绘于同一坐标纸上，由平衡关系描述的曲线，称平衡线；由物料衡算关系表示的曲线，称操作线；它们的交点，便是萃取后的y和x值.存在问题：单级萃取简单，效率低，目的产物在萃余相中的残余量仍然较多；为达到一定的萃取率，间歇操作时需要的萃取剂量较大，或者连续操作时所需萃取剂的流量较大。解决办法：需要采取多级萃取，增大萃取效率。4.2多级错流接触萃取多级错流萃取示意图见图4.3多级逆流接触萃取4.4分馏萃取分馏萃取是对多级逆流接触萃取的改进，料液从中间的某一级加入。分馏萃取过程兼有两种功能，即从料液中把溶质分离出来的功能和对萃取液进行洗涤，使其中的溶质纯度提高的功能。前者发生在加料级的左侧，称为萃取段；后一功能，发生在加料级的右侧，称为洗涤段，它是用外加入的纯净重液（如纯净的水）来洗涤萃取液，目的是把杂质洗掉，而使特定的溶质更为纯粹。由此，采用分馏萃取的流程，即可使溶质的浓度提高，同时又可使溶质的纯度提高，这是该种流程不同于其他而独具的特点。4.5微分萃取当轻相和重相连续不断地逆流通过萃取器时，就会产生微分萃取，在两相的接触中，溶质从一相转移至另一相中，但一般不可能达到平衡，这种微分萃取方法同样能达到产物分离的目的，且不需要在多级萃取中的沉降时间。塔式萃取又称微分萃取。微分萃取设备的计算常采用平推流模型和轴向扩散模型。第三节双水相萃取发展背景：随着生物技术的发展，特别是基因工程技术的出现，很多生物产品无法使用有机溶剂萃取的方法来进行分离纯化，其原因是有机溶剂对这些生物物质有毒害作用。因此需要开发大规模生产的、经济简便的、快速高效的分离纯化技术，其中双水相萃取技术是极有前途的新型分离技术。双水相萃取简介：双水相萃取是近年来发展起来的一种新萃取方法，主要用于酶和蛋白质的萃取。其特点是用两种不互相溶的聚合物，如聚乙二醇（PEG）和葡聚糖（DX）进行萃取，而不用常规的有机溶剂为萃取剂。因为所获得的两相，均含有很高的水含量，一般达70－90％，故称双水相系统。定义：双水相萃取法是指利用物质在不相容的两水相间分配系数的差异进行萃取的方法。优点：(1):平衡时间短,含水量高,界面张力小,特别适合于生物活性物质的分离纯化(2):操作简单,容易实现连续操作(3):易于放大1、双水相系统1.1双水相系统的形成图双水相系统分为两大类：1）高聚物／高聚物如：PEG/DX,聚丙二醇/PEG,甲基纤维素/DX2）高聚物／低分子如：PEG/磷酸钾,PEG/磷酸铵,PEG/硫酸钠1.2双水相系统的类型2、双水相中的分配平衡和相平衡溶质在双水相中的分配系数：图中的曲线称为双结线该双结点线把整个图面分成两个区域:双节线以下的区域为均相区,以上的区域为两相区，即ATPS系线：连结平衡两相组成的直线。PEG/Kpi系统的典型相图A.杠杆规则系线上各点均分成组成相同，而体积不同的两相。两相体积近似服从杠杆规则系线反映的信息：B.性质差异：系线的长度是衡量两相间相对差别的尺度，系线越长，两相间的性质差别越大。C.临界点：当系线长度趋于零时,两相差别消失,任何溶质在两相中的分配系数均为1,如K点.3、影响分配系数因素（操作条件）的综合考察影响双水相萃取的因素：聚合物种类；聚合物的浓度；聚合物的分子量；离子种类；离子强度；pＨ值和温度。3.1成相聚合物1）分子量M：若降低聚合物的M，则pro分配于富含该聚合物的相中。如PEG/DX系统，若降低DX的M，则m减小。这一规律具有普遍意义2）成相系统的总浓度：增大时,系统远离临界点,系线长度增加,两相性质的差别(疏水性等)增大,蛋白质分子的分配系数将偏离临界点处的值(m=1),即大于1或小于1.因此,成相物质的总浓度越高,系线越长,蛋白质越容易分配于其中的某一相.3）存在的问题：当系线的长度增加时，系统的表面张力增加，导致溶质的界面上的吸附,给萃取带来困难。3.2盐的种类和浓度图为各种离子在PEG/DX系统中的m。图示：HPO42-和H2PO4-(H1.5PO41.5-)离子在PEG/DX系统的m小,因此利用pH7的磷酸盐buffer很容易改变（相间电位差）,使带负电pro有较高的m。3.3pH值1）pH-pI=pro（±Z）→m2）pH影响磷酸盐的解离pH影响磷酸盐的解离:即影响PEG/Kpi系统的相间电位和蛋白质的分配系数。对某些蛋白质，pH的很小变化会使分配系数改变2－3个数量级分配系数对操作温度不敏感。所以大规模双水相萃取一般在室温下进行，不需冷却，这是因为：（1）成相聚合物PEG对蛋白质有稳定，常温下蛋白质一般不会发生失活或变性；（2）常温下溶液粘度较低，容易相分离；（