第四章萃取分离法.

第四章萃取分离法第一节溶剂萃取法溶剂萃取法(solventextraction)广义的萃取包括：液-固萃取液-液萃取液-液萃取：指用一种溶剂将物质从另一种溶剂（如发酵液）中提取出来的方法。溶剂萃取法优点：①可连续化，速度快，周期短；②对热敏物质破坏少；③多级萃取时，溶质浓缩倍数大、纯化度高。缺点：有机溶剂使用量大，对设备和安全要求高，需要各项防火防爆等措施。废水溶剂溶质水+溶质溶剂+溶质溶剂废水蒸汽液-液萃取过程图萃取器溶剂/溶质塔汽提塔冷凝器分离器热交换器溶剂萃取的操作流程溶质Ａ稀释剂Ｂ料液溶剂Ｓ萃取液Ｓ＋Ａ(B)萃余液Ｂ＋Ａ(s)｝一、基本概念1.萃取与反萃取萃取——料液与萃取剂接触后，料液中的溶质向萃取剂转移的过程。料液溶质萃取剂萃取液萃余液反萃取——萃取液与反萃取剂相接触，使某种被萃入有机相的溶质转入水相的过程，可看作是萃取的逆过程。再生有机相反萃液能斯特分配定律：在一定温度、压力下，某一溶质在互不相溶的两种溶剂间分配时，达到平衡后，在两相中的活度（或浓度）之比为一常数。即：2.分配定律K称为分配系数应用分配定律时，须符合下列条件：①稀溶液；②溶质对溶剂的互溶度没有影响；③溶质在两相中是同一分子形式。分配比(distributionratio)：以各种化学形式进行分配的不同溶质总浓度的比值。表RnR3R2R1LnL3L2L1CCCCCCCKCCCDRL3、萃取因素萃取因素（萃取比）：被萃取溶质进入萃取相的总量与该溶质在萃余相中总量之比。通常以E表示。21211VVKVMVME表萃余相中溶质总量萃取相中溶质总量2VlV2：萃取相和萃余相的体积；M1M2：溶质在萃取相和萃余相中的平衡浓度。4、萃取率（percentageextraction）5、分离因素(separationfactor)分离因素：在同一萃取体系内两种溶质在同样条件下分配系数的比值。BABABAKKCCCCβ2211//二、溶剂萃取法的基本原理溶剂萃取的目的：设法使一种溶于液相的物质转移至另一液相。影响弱电解质分配系数的因素：热力学常数表观分配系数可以适度改变pH，将抗生素自水相转入有机相，或从有机相再转入水相，这样反复萃取，进行浓缩和提纯。三、萃取方法和理论收率的计算工业萃取操作步骤：混合分离溶剂回收萃取过程单级萃取多级萃取错流萃取逆流萃取1、单级萃取F料液S萃余相R萃取器回收器分离器萃取剂萃取相L产物萃取因素E为VF——料液体积；Vs——萃取剂的体积；C1——溶质在萃取液的浓度；C2——溶质在萃余相的浓度；K——表观分配系数；m——浓缩倍数mKVVKVCVCEFSFS1萃取相中溶质21萃余相中溶质总量总量萃余率：理论收率：%10011%100E原始料液中溶质总量萃余液中溶质总量%1001%1001111EEE例：洁霉素在20℃和pH10.0时表观分配系数（正丁醇/水）K=18。用等量的正丁醇萃取料液中的洁霉素，计算可得理论收率若改用1/3体积正丁醇萃取，理论收率：%7.94%100118181%7.85%1001661613/118E2、多级错流萃取萃余率：理论收率：%1001n11121nEEE%10011nnE%100111%1001111nnnnEEE红霉素在pH9.8时的分配系数（醋酸丁酯/水）为44.5，若用1/2体积的醋酸丁酯进行单级萃取，则：理论收率若用1/2体积的醋酸丁酯进行二级错流萃取，则理论收率25.2212/15.44E%7.95%100125.2225.2211125.1114/15.4421EE%32.99%1001125.111125.1111125.11123、多级逆流萃取n级萃取后，萃余率为：理论收率为%100111nEE%1001%1001111111nnnEEEEE青霉素在0℃和pH2.5时的分配系数（醋酸丁酯/水）为35，若用1/4体积的醋酸丁酯进行二级逆流萃取，则：n2，理论收率75.814/135E%84.98%100175.875.875.811212若改为二级错流萃取，第一级用1/8体积的醋酸丁酯，第二级用1/8体积的醋酸丁酯，总溶剂量也为1/4体积，则：375.418/13521EE%92.95%1001375.4375.4375.411212一、乳化和破乳化二、pH的影响三、温度和萃取时间的影响四、盐析作用的影响五、溶剂种类、用量及萃取方式第二节影响溶剂萃取的因素1）乳状液的形成和稳定条件乳浊液是一种液体分散在另一种互不相溶的液体中所构成的分散体系。有机溶剂（油）+水乳化剂、混合搅拌乳浊液亲水基亲油基(a)分散相（内相）分散介质（外相）不连续相连续相W/O型乳浊液O/W乳浊液检测：稀释法、染料法、电导法一、乳化和破乳化2）影响乳状液类型的因素1、相体积的影响水体积:V74%(O/W)V26%(W/O)2、乳化剂分子空间构型的影响截面积小的一头指向分散相，截面积大的一头指向分散介质3、界面张力的影响高界面张力这侧（凹面）的液体易形成内相。4、容器壁性质的影响亲水性强的容器易得O／W型乳状液，亲油性强的容器易形成W／O型乳状液3）乳状液的破坏1、加入表面活性剂（改变界面表面张力）2、离心（碰撞聚集）3、加电解质（NaCl、(NH4)2SO4）4、加热5、吸附法破乳（CaCO3、Na2CO3吸附水)6、高压电破乳（高压静电场）7、稀释法8、其他（超滤、反应萃取）4）常用的去乳化剂1、阳离子表面活性剂（1）十二烷基三甲基溴化铵（1231）［CH3(CH2)10CH2(CH3)3N+］Br—带正电，中和蛋白负电荷，破坏W/O（2）溴代十五烷吡啶（PPB）破坏W/O+C15H31Br-N表面活性高、氢链短或具分支结构2、阴离子表面活性剂如亚油酸钠、石油磺酸钠、十二烷基磺酸钠（亲水，破坏W/O)3、其他破乳剂溴代四烷基吡啶、硫酸铝（p141）二、pH的影响1、影响弱酸或弱碱性药物的分配系数（收率）2、影响药物的稳定性游离状态（转入有机相）成盐状态（转入水相）醋酸丁酯提取苄基青霉素pH4.4青霉素萃取到醋酸丁酯相pH4.4青霉素从醋酸丁酯相转移到水相（反萃取）三、温度和萃取时间的影响高温下物质不稳定高温时溶剂间互溶度增大，萃取效果下降四、盐析作用的影响①由于盐析剂与水分子结合，降低了药物在水中的溶解度，使其易转入有机相；②盐析剂降低有机溶剂在水中的溶解度；③盐析剂增大萃余相密度，有助于分相。用量过多，杂质也多五、溶剂种类、用量及萃取方式①分配系数愈大愈好，未知则依据“相似相溶”原则②分离因素大于1③料液与萃取溶剂的互溶度愈小愈好④毒性低⑤化学稳定性，腐蚀性，沸点，挥发性，价格，来源，回收。低毒性：乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯中等毒性：甲苯、甲醇、环己烷强毒性：苯、三氯甲烷、二氧六环、四氯化碳等工业常用溶剂：乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊醋和丁醇等。正丁醇萃取洁霉素（溶剂用量与萃取方式）：第三节萃取过程和溶剂回收一、混合1、搅拌罐2、管式混合器滞流、湍流3、喷嘴式混和器4、气流搅拌混和罐二、液-液两相分离离心机：1.碟片式离心机2.管式离心机三、离心萃取机α-LavalABE-216离心萃取机倾析式离心机：可同时分离重液、轻液、固相四、溶液回收•恒沸混合物：当某两种或三种液体以一定比例混合，可组成具有固定沸点的混合物，将这种混合物加热至沸腾时，在气液平衡体系中，气相组成和液相组成一样，故不能使用分馏法将其分离出来，只能得到按一定比例组成的混合物。1、单组分溶剂简单蒸馏（除去不挥发性杂质）2、低浓度溶剂精馏3、与水部分互溶并形成恒沸混和物的溶剂先简单蒸馏，再精馏4、完全互溶的混和溶剂并不形成恒沸混和物精馏或简单蒸馏后GC测定比例再次使用第四节双水相萃取有机溶剂萃取的不足：1）蛋白质一般亲水性强，不溶于有机溶剂；2）蛋白质在有机溶剂相中易变性失活。溶液的分相不一定完全依赖于有机溶剂，在一定条件下，水相也可以形成两相(即双水相系统)甚至多相。双水相萃取技术(two-aqueousphaseextraction，ATPE)，又称水溶液两相分配技术：指不同的高分子溶液相互混合可产生两相或多相系统，利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法，称为双水相萃取法。发展历史•ATPE技术始于20世纪60年代，1956年瑞典伦德大学的Albertsson发现双水相体系。•1979年德国国家生物技术中心（GBF）的Kula等人将双水相萃取分离技术应用于生物产品分离。•国内自20世纪80年代起也开展了ATPE技术研究。一、双水相的形成双水相形成原理：由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相。聚合物的不相溶性(incompatibility)：当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相容性。高聚物（P）高聚物或低聚物（Q）聚丙二醇甲基聚丙二醇，聚乙二醇，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，羟丙基葡聚糖，葡聚糖聚乙二醇聚乙烯醇，葡聚糖，聚蔗糖甲基纤维素羟甲基葡聚糖，葡聚糖乙基羟乙基纤维素葡聚糖羟丙基葡聚糖葡聚糖聚蔗糖葡聚糖聚乙二醇硫酸镁，硫酸铵，硫酸钠，甲酸钠，酒石酸钾钠常用的双水相系统双水相萃取过程ATBE的特点：1、条件温和，保留产物的活性；2、分相时间短3、容易放大，操作可连续化；4、纯化倍数高，收率高5、成本低6、无有机溶剂残留问题二、双水相萃取的基本概念1）相图两相区、均相区、双节线、系线、临界点两相区双节线系线均相区2）分配系数分配系数K与溶质的浓度和相体积比无关：（主要取决于相系统性质、被萃取物表面性质、温度等）btCCK影响分配系数的因素：粒子大小、疏水性、表面电荷、粒子或大分子的构象等。双水相萃取有较好的选择性三、影响双水相萃取的因素1）成相高聚物的分子量当聚合物的分子量降低时，蛋白质易分配于富含该聚合物的相。主要由被分配物质的分子量决定，对大分子物质影响较大2）成相聚合物浓度——界面张力成相高聚物浓度增加，两相界面张力也相应增加。3）电化学分配——盐类的影响盐对带电大分子的分配影响很大。相间电位造成的静电力能影响蛋白质等带电大分子和带电细胞粒子在两相中的分配。•盐离子在两相中有不同的分配，因而在两相间形成电位差。由于各相要保持电中性，因此对于带电荷的蛋白质等物质的萃取来说，盐的存在就会使系统的电荷状态改变，从而对分配产生显著影响。•盐的种类对双水相萃取也有一定的影响。因此变换盐的种类和添加其他种类的盐有助于提高选择性。•在不同的双水相体系中盐的作用也不相同。在PEG/磷酸盐/水中加入氯化钠可以使万古霉素的分配系数由4提高到120,而在PEG/DeX/水体系中只从1.55提高到5。4）疏水效应成相高聚物的末端偶联上疏水性基团后，疏水效应会更加明显。5）温度间接影响相的高聚物组成，临界点附近时对分配系数才具有较明显的作用。5）温度的影响6）pHa）pH会影响蛋白质中可以离解基团的离解度，因而改变蛋白质所带电荷和分配系数。b）影响磷酸盐的离解程度，7）其他Dextran、FiColl、淀粉、纤维素等高聚物具有光学活性,它们应该可以辨别分子的D、L型。一种蛋白质对D或L型能选择性地结合而富集于一相中，可将此用于手性分配。•可应用于蛋白质、酶、核酸、人生长激素、干扰素的分离纯化。•操作简便、经济省时、易于放大。•传统离心、沉淀等液-固分离转化为液-液分离。四、双水相萃取的应用1）双水相萃取法常用于胞