制药工程原理与设备-03分离工程基础与设备1(液-液萃取)

1第一部分萃取2第一节液-液萃取1萃取的分类2优点3操作的一般过程4分配定律与分配平衡5弱电解质的分配平衡6化学萃取7有机溶剂或稀释剂的选择8乳化现象31分类按参与溶质分配的两相不同分为液-液萃取(liquid-liquidextraction)液-固萃取(liquid-solidextraction)固相萃取(solidphaseextraction,SPE)双水相萃取(twowaterphaseextraction)超临界流体萃取(supercriticalfluidextraction)按原理不同分为溶剂液-液萃取液-固萃取固相萃取双水相萃取液膜萃取(liquidmembraneextraction)反胶团萃取(reversedmicellarextraction)超临界萃取按萃取过程中是否发生反应分为物理萃取化学萃取42优点1萃取过程具有选择性；2能与其他纯化方法相配合；3通过相转移，减少目标产物的降解；4规模放大极为容易；5传质快、生产周期短；6便于连续操作、易于计算机控制；7无相变、能耗低、成本低；8方法成熟、易于设计。53操作的一般过程萃取(Extraction)：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法称为萃取。萃取剂(extractant)、轻相(lightphase)、萃取相(solventphase)、萃余相、重相(heavyphase)。液液萃取：以液体为萃取剂，当含有目标产物的原料也为液体时，则为液液萃取。液固萃取或浸取（Leaching）：含有目标产物的原料为固体，则为液固萃取。萃取速率可用下式表示：c:料液相溶质浓度(mol/l),c*:与萃取相中的溶质浓度呈相平衡的料液相溶浓度(mol/l),t:时间(s),k:传质系数(m/s),a:以料液相体积为基准的相间接触比表面积(m-1)63操作的一般过程萃取–洗涤–反萃取洗涤操作(washingprocessing)：对于一个完整的萃取过程，常在萃取和反萃取之间增加洗涤操作73操作的一般过程反萃取(Backextraction)：当萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下步分离操作，往往需要将目标产物转移到水相。这种调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取。83操作的一般过程物理萃取：溶质根据相似相溶的原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应。例如，用乙酸丁酯萃取青霉素。化学萃取：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。如用萃取剂季铵盐(氯化三辛基甲铵，R+Cl-)萃取氨基酸A-。稀释剂(diluent)：化学萃取中通常用煤油、已烷、和苯等溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。94分配定律与分配平衡分配定律(distributionlaw)（不适用于化学萃取）在恒温恒压下，溶质在互不相溶的两相中达到分配平衡时，溶质在两相中的平衡浓度之比为常数适应条件：相同分子形态（相对分子质量相同）存在于两相中的溶质浓度之比。不适合于化学萃取，因溶质在各相中并非以同一种分子形态存在。分配系数(distributioncoefficient)或分配比溶质在两相中的总浓度之比适应条件：高低浓度线性平衡（Henry型）：适应条件：低浓度Langmuir型平衡适应条件：高低浓度a,b和n为常数105弱电解质的分配平衡A、弱电解质的萃取理论弱碱和弱酸的解离平衡关系分别为：AH(lightphase)KaKbAH←―→A-+H+BH+←―→B+H+AH=A-+H+(water)弱酸性电解质的分配系数弱碱性电解质的分配系数Aa、Ab为游离的弱电解质在两相中的分配常数：AHAHAaB(lightphase)B+H+=BH+(water)115弱电解质的分配平衡B、弱电解物质萃取的影响因素1)萃取剂的种类它决定了Aa,Ab---脂溶性大小;2)pH的大小弱酸性电解质随PH值的降低，分配系数增大；弱碱性电解质随PH值的降低，分配系数减小；3)温度是影响溶质分配系数和萃取速度的重要因素。选择适当的操作温度，有利于目标产物的回收和纯化。但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。4)无机盐的影响：无机盐在水溶液中的盐析作用。无机盐的存在可降低溶质在水溶液中的溶解度，有利于萃取。维生素B12----硫酸铵；青霉素---氯化钠等。125弱电解质的分配平衡青霉素(lightphase)青霉素=青霉素-+H+(water)C、应用1）青霉素萃取青霉素是有机酸,pH值对其分配系数有很大影响。很明显,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,青霉素几完全分配于水相中。从图中可知,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)青霉素反萃取135弱电解质的分配平衡C、应用3）红霉素萃取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。4）红霉素反萃取反萃取操作同样可通过调节pH值实现。如，红霉素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃取则用pH5.0的水溶液。红霉素(lightphase)红霉素+H+=红霉素+(water)146化学萃取化学萃取目的由于氨基酸aa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，甚至无法萃取。这种情况可用化学萃取解决。按溶质与萃取剂化学反应机理的不同，将化学萃取分为：1.络合反应萃取；2.离子交换反应萃取（阴/阳离子交换反应萃取）；3.离子缔合反应萃取；4.加合反应萃取；5.带同反应萃取；157有机溶剂或稀释剂的选择选择原则：根据相似相溶的原理(最重要参数：介电常数，极性)，选择与目标产物性质相近的萃取剂，可以得到较大分配系数。此外，有机溶剂还应满足以下要求：1)对被萃取物质有较大的分配系数；2)与水相不互溶；3)与水相有较大的密度差，并且粘度小，表面张力适中，相分散和相分离较容易；4)毒性低，腐蚀性小，闪点低，使用安全；5)不与目标产物发生反应；6)价廉易得，容易回收利用；常用于抗生素类萃取剂有：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异丁基甲酮（methylisobutylketone）等。化学萃取aa的稀释剂主要有:煤油、乙烷、异辛烷、正十二烷等。168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。常常发生在实际发酵产物的萃取操作中。产生乳化后使有机相和水相分层困难，出现两种夹带：①发酵液中夹带有机溶剂微滴，使目标产物受到损失；②有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难。产生原因：是发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质，这些物质具有表面活性剂的作用，使有机溶剂和水的表面张力降低，使有机溶剂和水相互包溶形成乳浊液，产生乳化现象。178乳化现象乳化处理1)在操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理，可除去大部分蛋白质及固体微粒，防止乳化现象的发生。（1）升温加速絮凝沉淀；（2）盐析；2)乳化产生后，采取适当的破乳手段。A如果乳化现象不严重，可采用吸附过滤或离心沉降的方法。B加破乳剂：破乳剂为一种表面活性剂，具有较高的表面活性，可以替代界面上的乳化剂；但一般情况下，破乳剂的碳氢链很短或者具有分支结构，不能形成牢固稳定的界面膜，从而使乳状液稳定性降低，达到去乳化的目的。18小结1萃取的分类及其特点；2分配定律与分配平衡；3弱电解质的分配平衡；4化学萃取；5有机溶剂的选择；6乳化现象；