第3章 液液萃取

LOGO制药分离工程授课教师：邱建华e-mail:[e-mail]:room113,HuagongBuilding第3章液液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－分层器萃取过程物理萃取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：利用醋酸戊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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。反萃取反萃取：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。萃取体系的分类萃取过程机理主要有以下四种类型：(1)简单分子萃取被萃取组分以一种简单分子的形式在两相间物理分配。它在两相中均以中性分子形式存在，溶剂与被萃取组分之间不发生化学反应。(2)中性溶剂络合萃取被萃取物是中性分子，萃取剂也是中性分子，萃取剂与被萃取物结合为中性溶剂络合物而进入有机相。主用采用中性磷化合物萃取剂和含氧有机萃取剂进行的萃取过程。萃取体系的分类(3)酸性阳离子交换萃取萃取剂是一弱酸性有机酸或酸性螯合剂。金属离子在水相中以阳离子或能解离为阳离子的络离子的形式存在，金属离子与萃取剂反应生成中性螯合物。这类过程具有高度的选择性，所以应用极为广泛。这类萃取剂分为三类：酸性磷萃取剂、螯合萃取剂和羧酸类萃取剂。(4)离子络合萃取被萃取物通常是金属以络合阴离子形式进入有机相，即金属离子在水相中形成络合阴离子，萃取剂与氢离子结合成阳离子，然后两者构成离子缔合体系进入有机相；或金属阳离子与中性螯合剂合成螯合阳离子，然后与水相存在的阴离子构成离子缔合体系而进入有机相。液液萃取的平衡关系三角形相图液液萃取的平衡关系溶解度曲线、联结线及临界混溶点液液萃取的平衡关系杠杆规则分配定律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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，固体溶质在各相中并非以同一种分子状态存在。AAAAAykx在萃取相中的浓度在萃余相中的浓度分配曲线与平衡联结线的关系分配系数与分配曲线选择性系数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分离能力的大小用选择性系数来表示。β为选择性系数，或称分离因数，β值的大小反映了萃取分离的效果。BBAABAxyxykk//萃取率萃取率是表示在萃取过程中被萃取组分从原溶液相转入萃取相得数量，即萃取的完全程度，通常用E表示：A100%AE在萃取相中的量在原料液中的总量分配系数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：ykx12kxykx液液萃取过程的影响因素萃取剂用作萃取剂的有机溶剂必须具备两个条件：1.萃取剂分子至少有一个萃取功能基，通过它与被萃取物结合形成萃合物。常见的萃取功能基是O、N、P、S等原子。2.萃取剂分子中必须有相当长的链烃或芳烃，其目的是使萃取剂及萃合物易溶于有机溶剂，而难溶于水相。但如果碳链过长、分子量太大，则粘度太大，使用不便。萃取剂大致可以分为4类：1.中性络合萃取剂，如醇、酮、醚、酯、醛及烃类；2.酸性萃取剂，如羧酸、磺酸、酸性磷酸酯等；3.螯合萃取剂，如羟肟类化合物；4.离子对(胺类)萃取剂，主要是叔胺和季铵盐。案例伯、仲、叔胺分子中的氮原于具有孤对电子，能和无机酸的H+离子以稳定的配位键形成相应的铵盐。这些铵盐和季铵盐中的阴离子与水相中的金属络合阴离子发生交换，使被萃取物进入有机相。因此，这种萃取机理主要是阴离子交换反应。胺类萃取剂一般适用于无机酸、金属离子的萃取。另外，胺类萃取剂属于Lewis碱，利用它的弱碱特性，可实现对有机羧酸、酚类等的萃取分离。液液萃取过程的影响因素萃取剂的影响与选择原则(1)萃取剂的选择性与选择系数(2)萃取剂与原溶剂的互溶度(3)萃取剂的物理性质(4)萃取剂的化学性质(5)萃取剂的回收(6)萃取剂的价格，对设备的腐蚀性和安全性。萃取剂的搜寻方法萃取剂的搜寻方法：(1)搜寻数据库。(2)主要筛选方法：a)选择同系物为萃取剂，b）罗宾斯表，c）氢键，d）极性作用，e)特定萃取剂的认定。溶质-溶剂基团相互作用的罗宾斯表表4-1溶质—溶剂基团相互作用的罗宾斯与拉乌尔定律的偏差基团123456789101112结合氢的给予体酚100—0————————酸、硫醇200—0——0000——醇、水3——0＋＋0——————多盐杆菌的活性氢400＋0——————0—结合氢的受体酮、二取代基胺、砜、氢化氧磷（phosphineoxide）5——＋—0————＋——叔胺6——0—＋0——0＋00仲胺7—0——＋＋00000—伯胺、氨、无取代基的氨基化物8—0——＋＋00—＋——醚、氧化物、亚砜9—0＋—＋00—0＋0—酯、醛、碳酸酯、磷酸酯硝酸酯、亚硝酸酯、腈、分子内部结合体10—0＋—＋＋0——0——芳烃、烯烃、环芳烃无活性氢的多环烷烃、单环烷烃11＋＋＋0＋00—0＋00非氢键合石蜡烃、二硫化碳12＋＋＋＋＋0＋＋＋＋00操作温度的影响温度升高时会使分层区消失，致使萃取分离不能进行。原溶剂条件的影响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。举例：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青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。带溶剂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。乳化和破乳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。乳化和破乳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。乳化和破乳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；萃取过程的特点采用萃取过程的技术优势(1)溶液中各组分的熔点或沸点非常接近或某些组分形成共沸物，用精馏法难以或不能分离；(2)溶液中含有少量高沸点组分，其气化潜热较大，用精馏法能耗太高；(3)溶液中含有热敏性组分，用精馏法容易引起分解、聚合或发生其他化学变化；(4)溶液浓度低且含有价值组分；(5)溶液中含有溶解或络合的无机物；(6)溶液中含有极难分离的金属，如稀土金属等。萃取过程的计算单级萃取的计算计算时，已知相平衡数据、原料液量F及组成xF，萃余相溶质A的浓度xR为分离任务所规定，通过计算萃取剂S量，萃取相E的量及组成。单级萃取的计算图解法计算过程(1)根据已知平衡数据作出溶解度曲线与辅助曲线。(2)由xF在AB边上定F点，链接SF线代表原料液溶剂的混合液组成点M必在SF线上。由已知xR在溶解曲线上定出R点，再由R点利用辅助曲线求出E点。联RE直线，则RE与FS线的交点即为混合液的组成点M。按杠杆规则求出S量。FMSFMS作总物料衡算：F+S=R=E=M作溶质A的物料衡算：FxF+Sys=RxR+EyE=MxM依据杠杆规则求E与R的量：EFMFMMS联立3-10、3-11及3-12式，并整理得：()MRERMxxEyx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。多级错流萃取多级错流萃取若萃取剂S与溶剂B完全不互溶或互溶度很小，各级的萃取因子相等，且各级所用的萃取剂S量相等，则按下式求取理论级数：ln[()/()]ln(1)ssFnAAAYYXXKKn式中，n为多级错流萃取理论级数；为原料液中溶质A的比质量浓度，kgA/kgB;为离开第n层萃余相中溶质的比质量浓度，kgA/kgB；为溶质A的分配系数，；为萃取因子，FXnXAKAAASKB/EARKYX若为纯萃取剂，即，上式写为：0sYln()ln(1)FnAXXn多级逆流萃取用三角形坐标图解理论级数代数公式法若萃取剂S与原溶剂B完全不互溶或互溶度很小，逆流的两种溶剂流量可认为不随级数变化，且假设各级萃取因子相等，则逆流萃取理论级数的计算公式为：11ln[()(1)]lnSFAAASnAAYXKYXKn若为纯萃取剂，即，上式写为：0sY11ln[()(1)]lnFAAnAXXn111nFAAnXX1111nFnAAnAFFXXSYBXX微分逆流萃取模型当萃取剂的密度原料液的密度时，原料液从塔式设备的上部进入塔内，萃取剂由塔底进入塔内。萃取剂沿塔向上流至顶部，原料液沿塔向下流至塔的底部，两液相在塔内呈逆流流动并密切接触进行萃取。离开塔顶的是萃取相，离开塔底的是萃余相。微分接触逆流萃取过程通常在塔内进行，萃取相与萃余相中的溶质沿塔高连续地变化，萃取塔的塔高计算有理论级当量高度法和传质单元数法。理论级当量高度法在萃取操作中，当两相逆流流过某一高度的萃取段后，其分离效果相当于一个理论级时，则此萃取塔的高度称为理论级当量高度，以He(HETS)表示。应用多级逆流萃取理论级的计算方式，求出理论级NT,再乘以He，即可求得萃取段地有效高度，即：Z=NTHeHe是萃取传质效率的指标，传质速