第二章 萃取与色谱分离设备ppt1

第二章萃取与离交吸附色谱分离设备§1萃取分离与设备萃取操作是指将选定的溶剂加入到混合液中，使溶剂与料液充分混合，因混合液中各组分在该溶剂中溶解度不同，可将所需提取的成分达到分离、提取的操作。一般非极性化合物、非水溶性或既能溶于水又能溶于溶剂的极性化合物可采用萃取方法提取。萃取法特点：分离程度高，选择性好，传质快，对热敏性产物破坏少，能耗低，设备投资少；生产能力大，若采用多级萃取可使产品达到较高浓度，可减少后续过程的设备和操作费用；周期短、易连续和自控等。根据被萃取的原料，萃取分：溶剂萃取法：化学工业广泛于小分子物质的提取；双水相萃取法：常用于大分子物质提取；一、溶剂萃取：溶剂萃取操作：指将一种溶剂加入到料液中，使溶剂与料液充分混合，待分离的物质能较多溶解在溶剂中，并与剩余的料液分层，达到分离目的操作。名词：溶质；萃取剂；萃取液；萃余液。溶剂萃取以分配定律为基础。萃取过程由混合、分离、溶剂回收、发酵液预处理等组成。溶剂回收的目的：减少溶剂用量，降低成本，减少溶剂对环境的污染。常用蒸发浓缩或蒸馏方法回收。发酵液与处理的目的：提高收率，减少设备体积和降低投资费用，减少溶剂用量，便于操作。常用除杂或蒸发浓缩进行预处理。1、溶剂萃取方法：从操作上分单级萃取、多级萃取〔错流、逆流〕A〕单级萃取：萃取剂S萃取液L设料液体积VF，溶剂体积VS，混合器分离器经萃取达平衡后，料液F萃余液R溶质在萃取相中浓度c1，在萃余相中浓度c2，则：K＝c1/c2又E＝c1VS/c2VF＝KVS/VF=K•1/mK：分配系数，即萃取相中溶质浓度与萃余相中溶质浓度的比值。m：体积浓缩倍数E：萃取因数，在萃取相中的溶质数量与在萃余相中的溶质数量的比值；单级B〕多级错流萃取：萃余液多次与新鲜溶剂接触萃取三级萃取S1L1S2L2S3L3FR1R2R3若每级新鲜溶剂量相等，则每级萃取因数E也相等，则：未被萃取分率Ø=c2VF/（c2VF+c1VS）=1/[E＋1]一级未被萃取分率Ø1=1/[E＋1]二级－－－－－－Ø1=1/[E＋1]2混合器混合器分离器混合器分离器分离器萃余相溶质数量/溶质总量经n级萃取后，未被萃取分率Øn=1/[E＋1]n理论收率：1－Øn=｛[E＋1]n－1｝/[E＋1]n萃取级数n=㏑Øn/㏑（E+1）[可预测理论级数]若每级萃取时的萃取剂不同，则萃取因数E不同则有：Øn=1/（E1+1）（E2+1）（E3+1）C]、多级逆流萃取：料液加入第一级，顺次下流至最后一级，萃取剂加入最后一级，逐级流过至第一级，料液与萃取剂方向相反。L1萃取剂S例：萃取液L3料F萃余液R3未被萃取的分率：Ø＝[E-1]/[En+1－1][推导见生物工艺学上册P317]多级理论收率：1－Ø＝E[En－1]/[En+1－1]理论级数：n＝㏑｛[(E-1)/Ø]+1}/㏑E－1多级逆流萃取，与相同级数的错流萃取相比，在使用相同的萃取剂条件下，多级逆流萃取可获得更高的收得率。D】微分间歇萃取将一定量的料液每次用极微量的萃取剂进行多次萃取，而一旦萃取液形成，立即被分离。溶剂经分离回收后又再次进行萃取。例：当某萃取系统，萃取因数E＝4单级理论萃取率：1-Ø=E/（E+1）=4/5=80%若改为二级错流萃取，总萃取剂不变，E1=E2=2则理论萃取率：1-Ø2=[（E+1）2-1]/（E+1）2=8/9=88.9%若改为二级逆流萃取，只在最后加萃取剂E=4，逆流萃取收率：1－Ø＝E（E2-1）/（E2+1-1）=4×15/63=95.2%即多级错流萃取比单级优越，同级逆流萃取比错流萃取优越，逆流萃取具有使用萃取剂量少，萃余液浓度高，更经济适用。2、萃取剂的选择分配系数K越大越好（K为萃取相中溶质浓度与萃余相中溶质浓度的比值）；料液的原溶剂与萃取剂不互溶；不产生乳化现象，有利于分离；毒性要低，腐蚀性要小；稳定性要高，蒸气压低；廉价易得。3、萃取操作条件的选择（影响因素）：A】温度：降低系统的温度可提高效率，分离度相应提高，但易导致μ大，扩散系数小，多维持在室温或稍低。B】pH的影响：影响选择性及分配系数。酸性产物在酸性条件下萃取到萃取剂中；反之亦然红霉素在pH9.8和pH6.5萃取时相差650倍；青霉素pH92.5和pH7.0相差1000倍。C】溶媒比（萃取量与料液量之比）溶媒比大，整个萃取分离效率提高，对要求达到一定分离程度的料液，其分离级数可减少，而级数不变时，可提高产物收得率。影响因素D】盐析、带溶剂、去乳化作用：盐析剂：硫酸铵、氯化钠等可使产物在水溶液中溶解度降低，有利于产物萃取到萃取剂中。提VB12带溶剂：水溶性强、在有机萃取剂中溶解度小的产物，可加入带溶剂和产物形成复合物，再提取分离例：柠檬酸在酸性条件与带溶剂磷酸三丁酯形成复合物。去乳化：〔一种液体分散在另一种不相混合的液体中〕方法：过滤、离心分离、加热、稀释、加电解质、吸附等可破坏乳化。二、双水相萃取〔提取蛋白质、核酸等大分子〕1、萃取原理：亲水性聚合物加入水中形成两相，聚合物以不同比例分配于这两相中，水分在两相中占很大比例。两种聚合物的水溶液混合时，混合结果取决于分子间的作用力：聚合物分子间存在斥力，平衡后形成两相，可分离聚合物分子间存在吸引力，平衡后形成一相，不可分离。·影响因素：分子质量、浓度、pH、盐的种类和浓度、操作温度等。双水相萃取优点：可直接从破碎细胞浆液中得到蛋白质双水相萃取2、双水相萃取的方法：〔提胞内酶〕萃取系统：[一次可达到分离、纯化两个目的]聚乙二醇（PEG）－葡萄糖聚乙二醇（PEG）－无机盐（磷酸盐、硫酸盐）例：用PEG/盐提取：天冬氨酸酶、青霉素酰化酶、酒精脱氢酶等，收率均在90％以上。分离时，PEG在上相，细胞碎片在下相〔盐〕较好一般每kg萃取系统处理200～400g湿菌体为宜。两级双水相萃取流程图：回收PEG（聚乙二醇）PEG+盐细胞悬浮液盐罐破碎机混合器暂存罐离心机废渣产品冷却三、萃取操作过程与设备萃取操作包括混合、分离、溶剂回收、发酵液预处理等过程。（一）液-液萃取设备1、液-液萃取设备分类：A】多级接触器：混合分离机、非机械多层塔（筛板塔、泡罩塔）B】微分接触萃取器：非机械重力分离器（喷雾塔、挡板塔、填料塔）、机械重力塔（转盘接触塔、脉动塔）C】离心萃取机：立式、卧式D】碟片离心分离机2、混合分离器水平式：在混合罐混合，沉降器中分为轻重两相，分别进入下一步操作。立式：各级重叠，形成一个箱式整体，带搅拌，轻重液分别从底部和顶部进入，逆流相对流过。每一级分成混合区和分离区。例：偏心转盘塔沉降区混合区轻液进口重液出口重液进口轻液出口轻液通道重液通道偏心转盘塔内部结构示意图转盘横向水平挡板混合区澄清区筛板萃取塔3、筛板塔和填料塔4、离心萃取机（见后）填料萃取塔及填料填料具有自分散功能，可以有效的防止双相之间的夹带。填料应具壁薄、耐热、空隙大、通量大、阻力小、分离效率高等特点。尤适于真空精馏塔，处理热敏性、易分解、易聚合、易结碳的物料。碳钢、不锈钢、铝合金5、混合罐：混合罐、混合管、喷射萃取器、泵A〕立式混合罐：例似机械搅拌罐立式罐：旋浆搅拌器：400～1000rpm；涡轮搅拌器：300～600rpm；罐内设挡板，罐顶设料液进口管、底部设排料管，混合时间1～2min。也可在罐内设带中心孔的圆形水平隔板，将混合室分成若干个，加强两相间混合效果。对强腐蚀性的物料，也可用气体搅拌混合罐。混合罐蒸汽溶剂出渣口带搅拌的萃取器蒸汽萃取液有关计算：出口流量：Q=VF+VSVFρ0VS平均混合时间：τ0＝V/Q〔s〕物料衡算：VFρ0＝VSρ1+VFρ2罐容V且ρ1/ρ2=K，VF/VS=mQρ1，ρ2萃取相、萃余相中溶质浓度kg/m3ρ2=ρ0/〔1＋K/m〕；ρ1=ρ0/〔1/K+1/m〕上式成立的基础是：两液相间在混合罐内达到完全平衡。实际上，因存在反混、死角、短路及时间所限等原因，不可能达到完全平衡，ρ1和ρ2校正后：校正后的公式：P241ρ1=ρ0/〔1/K+1/m＋1/Kβ〕ρ2=ρ0/{1+K/m×[β/(1+β)]}式中：β=σkLτ0/KdP〔无因次校正系数〕kLdP/D=2+0.55(dPωρ/μ）0.5（μ/ρD）0.33分散相液滴直径：〔分散相所占分率H＝1/〔1+m〕dP＝0.014〔σ0.6/ρ0.2(P/V)0.4*H0.5(μd/μ)0.25米液滴环流速度：ω＝5.98（P/V）0.2σ0.6/ρ0.4(m/s)kL：溶质在两液相间传质系数m/s；D：两相间分子扩散系数m2/s；σ：两相间界面张力，N/m。P242例题：达到平衡与否，对萃取浓度有影响。混合管B]混合管：多用混合排管，一般要求Re＝5～10×104，液体在管内平均停留10～20s；连续操作，优于混合罐。C]喷射式混合器：〔体积小，效率高，适于低粘度〕交错喷嘴混合：同向射流混合：混合孔板：若两液相容易混合时，也可直接利用离心泵。（二）固-液萃取设备1、单效间歇萃取采用夹套加热，萃取剂蒸汽经萃取器上部的冷凝器回流，与浓缩蒸发或蒸馏釜耦联，萃取器内带过滤板，实现固液及时分离。产物内外夹套萃取器热水出渣口热水进口萃取液萃取剂滤板层2、多效逆流连续分离萃取器A】螺旋萃取机（分立式、卧式）用螺旋输送机作搅拌混合、输送的设备进行固液萃取。B】水平式萃取机圆柱形壳下部为渣槽，上部分为分隔成若干空室的回转体（料槽），可缓慢转动。物料由加料口加入第一空室，因转动，当转过该空室后，物料落入下一空室，依次类推。溶剂与物料运动方向相反，有上部喷淋管淋入下面的料槽，与固体料接触萃取。萃取液通过筛板落入下面的料槽，再由泵打到前面的料槽，进行逆流萃取，萃取后的残渣落入料斗口由螺旋输送机送出。料槽（三）分离设备：〔乳浊液，难分离〕A〕管式离心机：转速10000rpm以上国产GF－105型、1280型；美国的Sharpler型等长筒式转筒底部设料液与萃取剂形成的乳浊液进口，筒顶设轻液、重液出口。B〕碟式离心机：国产碟片离心机是用提圈调节鼓内轻重液相的分界半径。前苏联CAЖ－3型则是在鼓顶不同半径的同心圆上开有若干螺孔来作为分界半径的调节装置。分离设备（四）离心萃取机：P245\272混合\分离一机完成.A〕多级离心萃取机：一台设备中装有两级或三级混合及分离装置的逆流萃取设备。萃取剂即轻液加入最上面第3级,料液则在第一级加入,萃取轻液相在最下面第1级引出，萃余液即重液则在第3级引出.B〕立式连续逆流离心萃取机P246\273多次接触多次分离关键件:由11个不同直径的同心圆筒组成转鼓.每个圆筒都在一端开孔,构成料液和萃取剂通道,因相邻筒之间开孔位置上下错开,使液体流动曲折.从中心向外第4—11筒外壁焊有螺旋导流板延长液体路径，增加两相混合时间。同时，导流板上开设大小不同的缺口,使螺形通道形成很多短路,增加两液相的接触时间.C〕倾析式离心机P247\273实现重液、轻液和固体间的分离。有卧式、立式两种类型。根据处理量和物料的特点及具体要求选择.*全醪液分离用萃取法提取发酵产品时，原位全醪液分离工艺，可以大大提高效率，降低成本。利用传统的有机溶剂萃取工艺易发生乳化现象，而且需要萃取、反萃取反复操作才能有结晶成为产品。采用双水相萃取技术，可以避免乳化，直接从醪液中分离纯化。细胞、细胞碎片和培养基的不溶性物对分配行为没有显著影响，故可以在不同批次的发酵液中取得几乎相同的结果。细胞和产物分离在两相，避免了胞内降解酶类对产物的破坏作用。工艺方面设备方面工业生产时，应考虑达到萃取平衡所需的时间和两相分离的设备：在两相系统中，若表面张力很低时，搅拌时极易分散成微滴，几秒中即可达到平衡，且能耗也很少。若两相系统中，若表面张力很大时，搅拌时不易分散，两相分离比较困难，粘度较大，易引起阻塞，可采用自动除渣的喷嘴分离机。分离流程示意图*超临界流体萃取超临界萃取技术是现代化工分离中出现的最新学科，是目前国际上兴起的一种先进的分离工艺。所谓超临界流体是指热力学状态处于临界点(Pc