萃取设备 错流萃取 逆流萃取

第八章萃取设备及计算第1节萃取设备一、萃取原理和基本过程1、基本概念溶剂萃取法：是指利用物质在互不混溶的两相（有机相和水溶液相）中溶解度的不同，依据分配定律，提取和分离物质的一种方法。在萃取过程中,所用的溶剂称为萃取剂。混合液中欲分离的组分称为溶质。混合液中的原溶剂称稀释剂。萃剂提取了溶质成为萃取相，分离出萃取相后剩余的混合液成为萃余相。2、液-液萃取的分类（1）物理萃取①概念：进行萃取的体系是多相多组分体系，在萃取过程中不发生化学反应。在一个多组分两相体系中，溶质自动地从化学位大的一相转移到化学位小的一相，其过程是自发进行的。萃取过程符合Nerst分配定律。②分配定律的应用条件必须是稀溶液溶质对溶剂的互溶度没有影响溶质在两相中必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。③萃取工艺操作方式单级萃取多级萃取多级错流萃取多级逆流萃取2、液-液萃取的分类（2）化学萃取在萃取过程中常伴随有化学反应，包括相内反应与相界面上的反应。这类萃取统称为化学萃取（反应萃取）。根据溶质与萃取剂之间发生的化学反应机理，大致可分为五类，即络合反应、阳离子交换反应、离子缔合反应、加合反应和带同萃取反应等。3、萃取的基本过程流程：混合→分离→溶剂回收（见图）4、影响溶剂萃取的主要因素（1）主要影响因素pH：根据萃取药物性质确定温度：低温操作盐析作用：增大萃取度，有助于分相。溶剂的性质（2）溶剂的选择分配系数尽量大分离因素大于1料液与萃取溶剂互溶度尽量小毒性低化学性质稳定，腐蚀性小价格便宜，来源方便——常用：乙酸乙酯、乙酸戊酯、丁醇5、双水相萃取（1）概念双水相现象：当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一溶剂时，由于聚合物之间或聚合物与盐之间的不相容性，当聚合物或无机盐浓度达到一定值时，就会分成不互溶的两相。双水相萃取：利用物质在不相溶的两水相间分配系数的差异进行萃取的方法。5、双水相萃取（2）可以构成双水相的体系有：离子型高聚物－非离子型高聚物（分子间斥力）：如PEG－DEXTRAN高聚物－相对低分子量化合物（盐析作用）：如PEG－硫酸铵基本原理5、双水相萃取（3）影响双水相萃取的主要因素界面张力、成相高聚物的分子量、电化学分配、疏水反应、生物亲和分配、温度等。（4）应用生物大分子（蛋白质、酶、核酸、干扰素等）及细胞和细胞器（病毒、叶绿体、线粒体、细胞膜等）的提取。5、双水相萃取（5）特点操作条件温和，在常温常压下进行；两相的界面张力小，一般在10-4N／cm量级，两相易分散；两相的相比随操作条件而变化；上下两相密度差小，一般在10g/L，因此两相分离较困难；易于连续操作，处理量大，成本较低，适合工业应用。二、萃取设备（一）组成、功能及分类1、萃取体系的组成及功能液-液萃取设备应包括3个部分：混合设备、分离设备和溶剂回收设备。混合设备：使料液与萃取剂充分混合形成乳浊液，欲分离的生物产品自料液转入萃取剂中。分离设备：将萃取后形成的萃取相和萃余相进行分离。溶剂回收设备：把萃取液中的生物产品与萃取溶剂分离并加以回收。2、分类（二）混合设备1、混合管（1）工作原理萃取剂及料液在一定流速下进入管道一端，混合后从另一端导出，依靠管内特殊设计的内部单元和流体流动实现液体混合。强迫湍流状态；料液在管内平均停留时间10~20s。（2）特点混合管的萃取效果高于混合罐，且为连续操作。流程简单、结构紧凑、能耗小、萃取效率高。适于各种黏度的流体。2、喷射式混合器（1）类型及作用弯头交错喷嘴混合器、同向射流混合器、孔板射流混合器弯头交错喷嘴混合器同向射流混合器孔板射流混合器两液相已在器外汇合，然后进入器内经喷嘴或孔板后，加强了湍流程度，从而提高了萃取效率。（2）特点喷射式混合器是一种体积小效率高的混合装置，特别适用于低黏度、易分散的料液。这种设备投资小，但需要料液在较高的压力下进入混合器。（三）混合清澄槽混合清澄槽是一种单件组合式萃取设备，每一级均由一个混合器与一个澄清器组成。优点：级数可增减，既可连续操作也可间歇操作，级效率高，操作稳定，操作弹性大，结构简单；缺点是动力消耗大，占地面积大。原料液及溶剂同时加入混合器内，经搅拌后流入澄清器，进行沉降，即重相沉至底部形成重相层，而轻相浮入器上部，形成轻相层。轻相层及重相层分别由其排出口引出。（四）分离设备1、离心分离设备高速离心机：碟片式，4000~6000rpm超速离心机：管式，＞10000rpm三相倾析式：固体、重液、轻液2、离心萃取设备（萃取分离同设备）重液、轻液两相快速充分混合并快速分离分为逐级接触式和微分接触式两类优点：结构紧凑，生产强度高，物料停留时间短、分离效果好缺点：结构复杂，制造困难，造价高，能耗大芦威式离心萃取器三、液-液萃取操作要点1、选择合适的分散相2、选择合适的各相流速，使各相能够充分分散3、开车前，应先确认系统密闭性良好4、开车后，一般先开启连续相，后开启分散相5、萃取设备应定期检查，直接接触腐蚀性液体的部件应及时更换。第2节液-液萃取过程的计算一、萃取方法和理论收率的计算①混合：将料液和萃取剂在混合设备中充分混合，使溶质自料液转入萃取剂中。②分离：将混合液通过离心分离设备或其他方法分成萃取相和萃余相。③溶剂回收。工业萃取的流程：混合分离溶剂回收混合器（如搅拌混合器）分离器（如碟片式离心机）溶剂回收装置（如蒸馏塔）工业上的萃取过程按操作方式分类，可分为:单级萃取:多级萃取:又可分为错流萃取和逆流萃取。（一）单级萃取一个混合器、一个分离器料液F与萃取剂S一起加入混合器内搅拌混合萃取；达到平衡后的溶液送到分离器内分离得到萃取相L和萃余相R；萃取相送到回收器，萃余相R为废液；在回收器内产物与溶剂分离（如蒸馏、反萃取等），溶剂则可循环使用。萃取器分离器回收器FSRP（产物）使用一个混合器和一个分离器的萃取操作：萃取因素E为：式中：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例如：林可霉素在20℃和pH10.0时分配系数（丁醇/水）为18。用等量的丁醇萃取料液中的林可霉素，计算可得理论收率若改用1/3体积丁醇萃取，理论收率：%7.94%100118181%7.85%1001661613/118E可见：当分配系数相同而萃取剂用量减少时，其萃取率下降。（二）多级错流萃取料液经萃取后，萃余液再与新鲜萃取剂接触，再进行萃取。第一级的萃余液进入第二级作为料液，并加入新鲜萃取剂进行萃取；第二级的萃余液再作为第三级的料液，以此类推。此法特点在于每级中都加溶剂，故溶剂消耗量大，而得到的萃取液平均浓度较稀，但萃取较完全。（二）多级错流萃取料液经萃取后的萃余液再用新鲜萃取剂进行萃取的方法称为多级错流萃取。多级错流萃取示意图轻相入重相入轻相出轻相出轻相出重相出轻相入料液入口第一级第二级第三级萃余液出口多级错流萃取流程萃余率：理论收率%1001n11121nEEE%10011nnE%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由此可见，当萃取剂用量相同时，二级萃取收率比单级萃取收率要高。也就是说，在萃取剂用量一定的情况下，萃取次数越多，则萃取越完全。多级错流萃取流程的特点：每级均加新鲜溶剂，故溶剂消耗量大，得到的萃取液产物平均浓度较稀，但萃取较完全。（三）多级逆流萃取在第一级中加入料液（F），萃余液顺序作为后一级的料液，而在最后一级加入萃取剂（S），萃取液顺序作为前一级的萃取剂。由于料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故称为逆流萃取。此法与错流萃取相比，萃取剂耗量较少，因而萃取液平均浓度较高。多级逆流萃取示意图混合器分离器混合器混合器分离器分离器SＬ３Ｌ2Ｌ１F第一级第二级第三级R３青霉素的多级逆流萃取第一级第二级第三级含青霉素乙酸戊酯青霉素滤液废液乙酸戊脂在三级逆流萃取装置中用乙酸戊酯从澄清的发酵液中分离青霉素青霉素发酵过滤液进入第一级萃取罐，在此与从第二级分离器来的萃取相（含产品青霉素）混合萃取，然后流入第一级分离器分成上下层，上层为萃取相，富含目的产物，送去蒸馏回收溶剂和产物进一步精制；下一层为萃余相，含目的产物浓度比新鲜料液低得多，送第二级萃取；如此经三级萃取后，最后一级的萃余相作为废液排走。多级逆流萃取流程多级逆流萃取流程的特点：料液走向和萃取剂走向相反，只在最后一级中加入萃取剂，萃取剂消耗少，萃取液产物平均浓度高，产物收率较高。工业上多采用多级逆流萃取流程。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1/4体积的醋酸丁酯，第二级用1/10体积的醋酸丁酯，则75.814/1351E5.3110/1352E%72.97%10015.3175.8111二、混合设备的计算（一）平衡时出口浓度上式假设混合罐内两液相间达到完全平衡。（二）实际出口浓度计算实际情况下，由于混合时间的限制，加之罐中存在着返混、死角及短路情况，两液相间不可能达到平衡，因此，应由以下校正后的公式求得：即分散相（一般定义体积小的相为分散相，体积大的相为连续相）液滴直径可由下式求得：所以，萃取相浓度、萃余相浓度为：萃取因数：产物得率：三、离心分离机中分界面的计算设离心机的角速度为ω，质量为dm的液体在半径r处所受到的离心力为：且此处h为离心机转筒高度。于是，在r处回转面上所受压强为：则对轻液相，上式积分为：对重液相，上式积分为：其中p1、p2分别为出口处轻液相、重液相内界面压强，由于出口与大气相通，则p1=p2=大气压强。因此，即结论：由上式可见，离心机中的分界半径与两液相间的密度差及两液相的出口半径有关，当ρL、ρH及轻液相出口半径rL不变时，则分界半径rS仅随重液相出口半径rH而变。当rH增大时，rS也随之增大，即分界半径向外移，使转筒内重液层变薄，有利于轻液相的分离。反之，减小rH，则rS也随之减小，分界半径内移，使重液层变厚而有利于重液相的分离。第3节溶剂回收（略）一、单组分溶剂的回收简单蒸馏或精馏二、低浓度溶剂的回收先简单蒸馏,后精馏精馏：塔底102℃，塔顶91℃，蒸馏物为恒沸混和物，含水量为28%-29%，超过水在醋酸丁酯中溶解度（20℃，1.4%）。三、回收与水部分互溶并形成恒沸混合物的溶剂简单蒸馏和精馏四、回收完全互溶的混合溶剂并不形成恒沸混合物如丙酮-丁醇混和溶剂，由于其沸点相差较大（丙酮沸点为56.1℃，丁醇沸点为117.4℃），采用精馏方法很易得到纯组分。如果混和溶剂要反复使用，则不需要将它们分成纯组分，只需经过蒸馏方式除去不挥发物质，然后测定混和溶剂的比例，再添加不足的溶剂使达到要求。THAN