生物分离工程-第五章-萃取技术

生物工程下游技术第五章萃取技术SolventExtraction4学时本章学习目的和要求在了解萃取和分配定律、分配平衡的基本概念的基础上，重点掌握有机溶剂萃取，液液萃取，双水相萃取，液膜萃取，反胶团萃取，液固萃取,超临界流体萃取的设备，操作及基本性质重点：基本概念、有机溶剂萃取和双水相萃取难点：超临界液体萃取技术内容一、基本概念二、分配定律与分配平衡三、有机溶剂萃取四、双水相萃取五、液膜萃取六、反胶团萃取七、超临界流体萃取萃取是一种初级分离纯化技术原料前处理生物反应工程生物分离工程产品固液分离分离提取纯化精制一、基本概念1、引言（1）定义利用在两个互不相溶的液相中各种组分（包括目的产物）溶解度的不同（分配系数不同），从而达到（纯化或浓缩）分离的目的，其方法称为萃取。物理萃取化学萃取（2）特点平衡关系简单萃取条件温和适用范围广泛（从小分子到生物大分子）2、萃取的分类固体液体液固萃取（浸取）超临界萃取液液萃取超临界萃取有机溶剂萃取双水相萃取液膜萃取反胶团萃取待处理物系萃取剂种类和萃取形式分类：液固萃取（浸取）、超临界萃取、有机溶剂萃取、双水相萃取、液膜萃取、反胶团萃取生物产品萃取根据分子量大小划分小分子类化合物相对分子量约小于1000，如氨基酸、抗生素、维生素、有机酸等，采用有机溶剂萃取大分子类相对分子量大于1000，如酶，抗体，蛋白质等，有机溶剂不适用，可选用反胶团萃取、双水相萃取等工业上生产青霉素大多采用醋酸丁酯为萃取剂，pH=1.8～2.2，相比VO/VW=1/2～1/2.5，温度5℃，反萃取过程采用碳酸氢钾或碳酸钾水溶液为反萃取剂。萃取是一种初级分离纯化技术液液萃取步骤3、萃取的基本原理萃取剂引起两相分层溶质扩散进入萃取相，实现由料液向萃取相中转移。达到平衡时，传质推动力为零，溶质浓度不再变化。溶质在两相中的分配平衡是状态函数，与萃取操作形式无关。4、反萃取反萃取就是通过调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作过程。反萃过程也是液液萃取的一种形式，其是相对于萃取过程而言的5、物理萃取和化学萃取物理萃取溶质根据相似相溶原理在两相间达到分配平衡，两者间无化学反应。化学萃取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分配。例：ClARClR-A利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力，分离过程纯属物理过程萃取体系的构成溶质：被萃取的物质原溶剂：原先溶解溶质的溶剂萃取剂：加入的第三组分萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大的溶解度。物理萃取杂质溶质原溶剂萃取剂LightphaseHeavyphase物理萃取主要应用于抗生素和天然植物中有效成分的提取过程。化学萃取定义化学萃取是通过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中分配的萃取过程。化学萃取原理化学萃取的典型示例：季胺盐萃取剂萃取氨基酸溶解于有机相中的季胺盐（如三辛基甲基氯化铵，TOMAC，R+Cl-）在相界面处与氨基酸阴离子（A－）发生如下的离子交换反应，氨基酸与季胺盐形成复合物（R+A-）而进入有机相，同时释放出氯离子，完成萃取过程。萃取剂与溶质之间的化学反应主要包括离子交换反应和络合反应。化学萃取主要用于氨基酸、抗生素和有机酸的分离和回收。二、分配定律与分配平衡1、定义：分配定律就是溶质在两相中的分配平衡规律，即在恒温恒压条件下，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量相等，则其在两相中的平衡浓度之比为常数，即12ccA2、热力学根据热力学原理，在恒温恒压条件下，当溶质在互不相溶两相中达到分配平衡后，溶质在两相中的化学位应当相等，即212211lnlnaRTaRTooRTccaaAoo211122120expNerst分配常数溶质分配的热力学分析分配系数：当溶质浓度较低时，γ=1，此时分配系数为常数分配定律与分配平衡–分配系数定义分配系数是指溶质在两相中的总浓度之比，其用于表示溶质的分配平衡关系，可表示为ttccm,1,2ttxym或分配系数是指溶质在两相中的总浓度之比，其用于表示溶质的分配平衡关系。ttccm,1,2ttxymc2,t和c1,t分别表示溶质在萃取相和原料液中的摩尔浓度yt和xt分别表示溶质在萃取相和原料液中摩尔分率分配系数是衡量萃取体系是否合理的重要参数m1或m1，萃取合理m=1，萃取失败分配定律与分配平衡–常用的液液平衡关系Henry型平衡关系Langmuir型平衡关系mxyxmxmy21nnxmxmy21一般形式当溶质浓度较高时，分配系数可用Langmuir型平衡关系表示xmxmy21nnxmxmy21，其一般形式为其中，m1、m2为常数，n为常数•当Langmuir关系式也不能很好地描述分配平衡关系时，可采用适当的经验关系式（如多项式）使含溶质的溶液（h）和萃取剂（L）解出混合，静止后分成两层。最简单的一种。3、单级萃取连续逆流萃取装置硝酸铀酰钍是工业生产最常用的萃取流程分离效率高产品回收率高溶剂用量少4、多级萃取三级错流萃取装置a—艾德连式三级错流萃取装置b—泵混合分离器三级错流萃取装置c—加挡－齐格勒接触器三级错流萃取装置d—霍米－莫脱接触器混合－沉降器旋转圆筒萃取塔离心萃取器填充塔喷雾塔旋转圆盘塔5、常用萃取设备离心萃取器三、有机溶剂萃取理解：弱电解质的分配平衡，化学萃取平衡应用：掌握有机溶剂萃取操作过程，了解水相物理条件对弱电解质分配系数的影响，如何选择合适的有机溶剂，以及如何防止乳化现象的发生。学习要点1、弱电介质的分配平衡弱酸：+-HAH+A有机相水相A-A-A-A-H+H+H+H+HAHAHA弱电解质在水相中的解离平衡；游离电解质（未解离部分）在两相间的分配平衡；弱电解质解离平衡弱酸性电解质解离平衡：AH↔A-+H+]HA[]A][[HaK弱碱性电解质解离平衡：BH+↔B+H+][BH][B][HbK弱电解质分配平衡（弱酸性）如在有机相中溶质不发生缔和，仅以单分子形式存在，则游离的单分子溶质符合分配定律：AHAHaA水相中溶质总浓度为AAHc有机相中溶质浓度为HHAHaaKcA弱酸：+-HAH+A-弱电解质分配系数（弱酸性）++HHtaatacmAcK弱酸弱碱+HbbbbKmAK-化学萃取平衡之氨基酸解离ORNH3+OHORNH3+O-+H+ORNH3+O-ORNH2O-+H+A＋AAA－][A]H][A[1K]A[]H][A[-2K化学萃取平衡水相有机相AAAAR+Cl-A+A+A+A+A-A-A-R+Cl-R+Cl-R+Cl-R+Cl-R+A-Cl-化学萃取平衡之分配平衡季胺盐萃取氨基酸为例，其所对应的离子交换反应ClARClR-A]][AClR[]][ClAR[----eClK氨基酸和氯离子对应的表观分配系数分别为A-A]AR[cm]Cl[]ClR[--Clm则12122CleClA]H[]H[1KKKmKm-化学萃取平衡之分配平衡（2）二（2－乙基己基）磷酸萃取氨基酸为例，其所对应的离子交换反应氨基酸的表观分配系数为则HAR(HR)(HR)2A32](HR)][[A]][HAR(HR)[23eHKA3A]AR(HR)[cm1221122eClA]H[]H[1][])([KKKHHRKm2、影响萃取操作的因素水相物理条件的影响pH值温度的影响无机盐浓度化学萃取剂的影响乳化和破乳有机溶剂（或稀释剂）的影响3、有机溶剂必需满足的条件价廉易得；与水相不互溶；与水相有较大的密度差，且粘度较小，表面张力适中，有利于相分散和相分离；容易回收和再利用；毒性、腐蚀性小，闪点低，使用安全；不与目标产物发生反应；4、有机溶剂萃取-乳化和破乳定义乳化是一种液体（如水或有机溶剂）以微小液滴形式分散于另一种不相混合的液体中的现象乳浊液形式油滴分散于水相中的乳浊液称为水包油型；水滴分散于有机相中的乳浊液称为油包水型乳化形成乳化现象的产生必需有第三种物质的出现，这种物质就是表面活性剂。在发酵液中存在的大量蛋白质、磷脂及固体颗粒物质，这些物质（主要是蛋白质和磷脂）起到了表面活性剂的作用。这些物质的存在使得发酵液的表面张力下降，这时增加单位表面积所需要做的功变小，液体容易分散成微滴而乳化。破乳方法发酵液过滤或沉淀除去蛋白质和磷脂加热降低粘度，破坏乳浊液稀释法降低乳化液浓度加电解质中和乳化剂电性，促其聚沉转型法加入相反乳化剂使乳浊液转型四、双水相萃取-学习要点识记：双水相萃取、聚合物不相溶性概念理解：双水相系统构成原理，双水相中溶质的分配平衡以及影响双水相分配系数的因素的综合考察应用：了解双水相萃取操作过程1、聚合物溶液混合混合过程熵的增加两种物质混合时，熵的增加与涉及的分子数目有关；因此如果按照摩尔计算，小分子间与大分子间的混合过程的熵的增加是相同的分子间相互作用力（能）分子间的相互作用力主要表现为分子中各个基团间的相互作用力，随着分子量增加，分子中各个基团数目相应增加，其相互作用力也大当分子间相互作用力与熵的增加相比占主导地位，其决定分层2、双水相形成当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，即一种分子周围将聚集同种分子而排斥异种分子，则在达到平衡时，就形成分别富含不同聚合物的两相。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3、常见双水相系统双聚合物体系聚乙二醇/葡聚糖（PEG/Dextran）聚丙二醇/聚乙二醇甲基纤维素/葡聚糖体系单聚合物体系聚乙二醇/硫酸钾体系（PEG/KPi）聚乙二醇/磷酸铵体系聚乙二醇/硫酸钠体系双水相萃取-相图临界点双节线系线MTBMVVBT上相和下相的体积近似符合杠杆规则在临界点处1m4、分配平衡溶质在双水相中的分配系数可以表示为平衡状态下上相与下相中溶质浓度之比，即12ccm上述分配系数受到包括静电作用、疏水作用、溶质大小（表面积）和构象、亲和作用等等多种因素的影响ligconfsizehphilhphobe0lnlnlnlnlnlnlnlnmmmmmmmm5、静电作用的影响道南电位（donnanpotential）当带有电荷在两相中分配不相等时（即分配系数不为1.0），就会在两相之间产生电位差，称为道南电位理论分析ZZABmmZZFRTUUln12当带电粒子在两相间达到分配平衡后，该粒子在两相间的电化学位应当相等，,1,2ii6、无机盐的分配正离子负离子K+Na+NH4+Li+0.8240.8390.920.996I-Br-Cl-F-1.421.211.120.92ZAmZBm在不同体系中，无机盐分配系数是不同的。在8%PEG4000/8%Dx500双水相体系中，无机盐的分配系数如下双水相中分配系数分配系数RTUUFZmccmiiie1202,1,lnlnln荷电溶质的分配系数的对数与溶质的净电荷数成正比；双水相系统中添加不同的盐产生的相间电位不同，故分配系数亦发生改变；7、系统疏水性因子及测量疏水性因子PEG/Dx或PEG/无机盐构成的双水相体系中PEG相的疏水性较大。疏水性因子就是两相间疏水性差异的表现，用HF表示疏水性因子测量双水相体系的疏水性因子是同测定疏水性已知的氨基酸在其等电点处的分配系数采用如下公式测算BRHHFmaalnHFmBGlyln蛋白质疏水性定义利用已知其疏水性因子HF的双水相体系，测定某种处于其等电点处的蛋白质在这些体系中的分配系数，从而建立分配系数与双水相疏水性因子HF之间的关系，如果两者之间呈线性关系，则该直线的斜率可定义为这种蛋白质的表面疏水性，用HFS表示