2第三章萃取与色谱分离设备

第三章萃取与色谱分离设备欲得到更纯的产物还需采用萃取、离子交换、吸附、色谱等分离方法.上章过滤、离心、膜分离得到的是一类物质第一节萃取分离方法与设备一、溶剂萃取二、双水相萃取三、萃取操作过程与设备四、超临界流体萃取萃取：利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的操作。分类（根据萃取剂的不同）：•溶剂萃取（有机溶剂）•双水相萃取•超临界流体萃取应用：溶剂萃取用于小分子物质的提取，双水相萃取用于蛋白质等大分子物质的提取。一、溶剂萃取四个概念：溶质、萃取剂、萃取液、萃余液。分配定律：在恒温恒压条件下，溶质在不相溶的两相中分配达到平衡时，其在两相中的浓度之比为常数。定律应用：不同溶质在两相中分配差异，是实现萃取分离的依据。（一）溶剂萃取方法1、单级萃取工艺：进行一次混合、分离缺点：溶质提取率低参数：K—分配系数：萃取相中溶质浓度C1与萃余相中溶质浓度C2的比值；2-3-1E—萃取因数：溶质在萃取相中的数量与在萃余相中的数量（重量或摩尔量）的比值；2-3-2m—体积浓缩倍数：料液体积与溶剂体积的比值。φ—萃余分率：2-3-31-φ—理论收得率：2-3-4讨论：K值愈大，理论收率愈高；m值愈大，1一φ愈小2、多级错流萃取工艺：料液多次经新鲜萃取剂萃取。缺点：萃取剂用量大，萃取液浓度低。收率：2-3-6P263图2-3-2多级错流萃取3、多级逆流萃取工艺：料液经较稀萃取液多次萃取。优点：萃取剂用量少，萃取液浓度高，溶质收率高。（如例题）图2-3-3多级逆流萃取参数：理论收率：2-3-10理论级数：获得目标收率的萃取级数。2-3-11例1：利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素D，pH3.5时分配系数m=57。采用三级错流萃取，令H＝450dm3/h，三级萃取剂流量之和为39dm3/h。1.计算L1=L2=L3＝13dm3/h的萃取率。2.设上述操作条件不变(L＝39dm3/h)，计算采用多级逆流萃取时，使收率达到99％所需的级数。符号说明：m-即k；H-料流量；L-每级萃取剂流量。式2-3-2式2-3-6解第2问：解第1问：式2-3-10或：直接2-3-11答案：需要三级逆流萃取。验算：收率为99.3％，高于错流94.6%。多级逆流优于错流。（二）影响萃取操作因素1、萃取剂选择：与溶质分子极性接近2、PH范围：（三原则，P264）3、温度确定：考虑产品稳定、料液粘度4、盐析、带溶剂、去乳化的作用盐析：产物水溶性降低，更多转入溶剂带溶剂：与提取物复合，降低产物水溶性。去乳化：过滤、离心分离等二、双水相萃取（一）双水相萃取原理问题：溶剂提取蛋白、核酸等生物大分子可能带来变性，或这类物质亲水性强，难溶有机溶剂。概念：若两种聚合物分子之间存在排斥力，在水溶液中一种聚合物分子的周围将聚集同种分子，而排斥异种分子，达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相-双水相。（互不相容的两种水溶液）原理：被提取的溶质在两相中分配系数不同。体系：（常用：聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dx)、磷酸钾、磷酸铵、氯化钠）表2-3-1注意：两相密度差很小上相下相优势：克服细胞破碎液黏度大、碎片小、分离困难的难题，实现固液分离、液-液萃取一次完成。（二）双水相萃取方法应用：胞内酶提取表例：表2-3-2P266收率多数达到90％分配系数多数大于3。“PEG一盐”系统用得广泛，因无机盐价廉且选择性高。蛋白质分配在上相（PEG），细胞碎片分配下相（盐）图2-3-4两级双水相萃取酶的流程1一细胞悬浮液2一细胞破碎机3一冷却器4-PEG一盐贮罐5一混合器6一离心机7一废渣相贮罐8一暂存罐9一盐贮罐10一酶液贮罐说明：罐10为盐析蛋白产品。三、萃取操作过程及设备液-液萃取设备混合设备——料液与萃取剂混合。分离设备——萃取相和萃余相分离。溶剂回收设备——将萃取液中的产物与萃取剂分离（蒸馏设备，不讲）。（一）混合设备1、混合罐带搅拌的罐，连续操作罐壁挡板—防止液面下凹参数计算：混合时间τ0：式2-3-13萃取相和萃余相浓度c1、c2•完全平衡态：式2-3-14、15•实际状态：式2-3-16～21（了解）2、混合管料液在管呈湍流状态在管内停留时间10～20s。萃取效果高于混合罐，混合管3、喷射式混合器（a）器内混合（b）（c）器外汇合优点：体积小、效率高适用于低黏度料液（似糖蜜稀释器）（二）分离设备1、管式离心机（略）2、蝶式离心机（略）3、离心分离机分界面计算意义：分析轻、重液分界面调整原理依据：式2-3-22分析：当ρL、ρH及rL不变时rH↑→rs↑→分界半径外移→重液层变薄，利于轻液分离。反之分界半径内移，重液变厚利于分离。操作：用提圈、螺孔、向心泵改变重液出口半径rH。管式离心机工作原理一级二级三级1、多级离心萃取机工艺：三级逆流萃取每级：包含混合、分离进料：•料液第一级加入；•萃取轻相第一级引出；•新萃取剂第三级加入；•萃余重液第三级引出。（三）离心萃取机特点：混合、分离一次完成溶剂液料萃余液萃取液2.立式离心萃取机转鼓：11个同心圆筒组成,筒外壁焊有螺旋导流板操作：重液相：由内向外流经各筒轻液相：从第十圆筒下端进入，由外向内流过各筒。轻液入口3.倾析式离心机转鼓：圆柱-圆锥形、螺旋输送器、进出料系统等。特点：同时分离重液，轻液及固相。图2-3-12三相倾析式离心机料、剂（液相:再多分配一层出口就是三相）固相四、超临界流体萃取超临界流体概念：适宜温、压下，介于气体和液体之间的流体，无气、液界面。超临界流体特性：具有与液体同样的溶解力，与气体相近的扩散力。表2-3-7P275超临界萃取特征：兼有蒸馏与萃取特征。超临界萃取应用：萃取高附加值的高沸点或热敏性产品。夹带剂：纯流体中添加的与被萃取物亲和力强的组分。表2-3-8P276（一）超临界流体萃取过程基本流程：图2-3-14典型流程：等温法：从萃取相中获取产品图2-3-15（1）等压法：从萃取相中获取产品图2-3-15（2）吸附法：萃取相中为去除的物质图2-3-15（3）图2-3-15超临界萃取三种典型流程（二）超临界流体萃取的特点与应用1.特点兼有萃取与蒸馏特性。萃取能力取决密度，且方便可调。溶剂回收简单。可以低温操作，适应热敏物质。可以控制低压力操作。2.应用表2-3-9第二节离子交换原理与设备一、离子交换树脂分离原理及理化性能二、离子交换设备及计算一、离子交换树脂分离原理及理化性能（复习内容）离子交换法：利用离子交换树脂具有离子交换或吸附的作用，将溶液中不同物质的分子进行分离的方法。（一）离子交换树脂的分类离子交换树脂：由惰性立体网络骨架、活性基团组成；按活性基团电离程度分类阳离子交换树脂：强酸性阳离子交换树脂交换反应P279弱酸性阳离子交换树脂阴离子交换树脂：强碱性阴离子交换树脂交换反应P280弱碱性阴离子交换树脂性能比较表2-3-101．颗粒度球形（黄、白、褐等色），直径0.2~1.2mm。2．交换容量单位质量干离子交换树脂或单位体积湿离子交换树脂所能吸附的一价离子的毫摩尔数（mmol/g干树脂或湿树脂）表征树脂交换能力的主要参数。3．膨胀度树脂膨胀前后体积比（离子交换树脂吸水膨胀，且可逆）（二）离子交换树脂的理化性能（自学）（三）离子交换机理及选择性（自学）二、离子交换设备四个概念：固定床：树脂在交换柱中不动（仅料液流动，应用最多）流动床：树脂在交换柱中流动（树脂向下，料液向上）正吸附：溶液进入交换柱的方向至上而下流动反吸附：溶液至下而上流过解误：“间歇操作的固定床”指树脂间歇进入，生产习惯指物料，故也是连续操作。P283（一）离子交换设备的结构1．常用离子交换罐椭圆形顶及底的圆筒形高径比1：2～3树脂充满系数50％～70％（备反冲用）钢板内衬橡胶，小型用硬聚氯乙烯或有机玻璃图2-3-17具有多孔支持板的离子交换罐l-视镜2-进料口3-手孔4-液体分布器5-树脂层6-多孔板7-尼龙布8-出液口图2-3-18具有块石支持层的离子交换罐4-树脂层5-卵石层6-出液口钢板罐玻璃柱聚氯乙烯柱2．反吸附离子交换罐下部进料树脂呈沸腾状态上部扩口降低流速图2-3-20扩口离子交换罐l-底2-液体分布器3-液体进、出管4-填充层5-壳体6-树脂7-扩大沉降段8-回流管9-循环室10-液体出口管11-顶盖12-液体加入管13-喷头图2-3-19反吸附离子交换罐1-溶液进口2-洗水、再生剂进口3-废液出口4，5-分布器6-洗水、再生剂出口，反洗水进口3．混合床交换罐阴、阳树脂混装。H+和OH-就地结合成水，避免pH变化破坏产品。图2-3-21混合床制备无盐水流程（再生状态）4.连续式离子交换设备树脂与料液逆流接触图2-3-23漩涡式连续离子交换设备1-树脂加料器2-具有螺旋带的转子3-树脂提升管4-塔身5-虹吸管图2-3-22筛板式连续离子交换设备1-树脂计量管及加料口2-塔身3-漏斗形树脂下降管4-筛板5-饱和树脂受器6-虹吸管（二）离子交换设备的计算1．树脂用量和罐体积树脂装填体积：式2-3-25树脂装填干重：式2-3-26操作时间：式2-3-27罐体积：式2-3-28计算说明：•树脂交换能力因物料不同和操作条件不同差异很大。•常控制树脂吸附量为总容量的70%•设备设计要在实验基础上放大。2.设备放大（1）罐交换负荷f相同原则放大放大设备中树脂体积：式2-3-29或2-3-30放大设备直径与高度：式2-3-31或2-3-32（2）溶液空塔流速相同放大特点：树脂床高不变，仅直径放大放大尺寸：式2-3-33放大体积：式2-3-343.床层压力降正吸附：式2-3-35反吸附：式2-3-36例2-3-2：放大实例p257第三节吸附分离原理与设备一、吸附分离原理二、吸附操作及设备吸附法：利用吸附剂对料液中成分选择性吸附,而将不同成分分开的操作。优点：操作简单、条件温和、产物稳定。缺点：选择性差，收率低。分类：物理吸附—分子间力（多用，本节内容）化学吸附（少用，不讲）交换吸附（少用，不讲）一、吸附分离原理（一）吸附等温线概念：恒温下，吸附剂吸附溶质达到平衡时，吸附量q与溶液浓度c的函数关系。方程：2-3-99（Langmuir方程，单层吸附）讨论：稀溶液q=ac(q.c线性关系)浓溶液q=a/b(恒数值)中等浓度溶液q=kc1/n(Frendlish方程)（二）吸附剂选择两类：有机吸附剂：活性炭、纤维素、大孔树脂等无机吸附剂：白土、氧化铝、硅藻土等（1～4吸附剂自学）活性炭白土、硅藻土大孔树脂（三）影响吸附因素1.吸附剂性质如：比表面、粒度、孔径、极性等2.吸附物性质如：熔点、自身缔合性3.溶剂及操作条件溶剂：溶质在单溶剂中易被吸附，混合溶剂则否。应用：单溶剂吸附，混合溶剂解吸。操作条件：PH、温度二、吸附操作及设备（一）搅拌罐内吸附操作设备：搅拌桶操作：混合→搅拌→过滤溶质吸附量q：式2-3-42应用：与Frendlish方程连用求吸附剂用量m及平衡溶液浓度c。例2-3-3：联立方程应用例2-3-4：物料衡算应用（二）固定床吸附设备：吸附柱（同离交柱）、吸附塔特征：吸附只在部分区域进行，且逐渐下移。计算内容：2高1率(吸附、饱和区高度，床总吸附率)依据：图2-3-24，出口c随t量变关系。P295公式：•吸附区高度式2-3-43•饱和区高度式2-3-44•床总吸收率概念式2-3-45上面计算式2-3-45例2-3-5饱和区吸附区空载区LsLaL第四节色谱分离方法与设备一、色谱分离的类型及原理二、色谱分离操作条件与设备三、色谱分离过程放大（略）色谱分离技术概念：是一组相近分离方法的总称。分离介质包括两相，即固定相（固体或液体）和流动相（液体或气体），根据不同物质对两相的亲和力不同，当流动相带动物质在固定相中流动时，易分配于固定相中