第六章溶剂萃取法

第一讲溶剂萃取概述萃取：当含有生化物质的溶液与互不相溶的第二相接触时，生化物质倾向于在两相之间进行分配，当条件选择得恰当时，所需提取的生化物质就会有选择性地发生转移，集中到一相中，而原来溶液中所混有的其它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相中，这样就能达到某种程度的提纯和浓缩。萃取在化工上是分离液体混合物常用的单元操作，在发酵和其它生物工程生产上的应用也相当广泛，萃取操作不仅可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，所以广泛应用在抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物的提取上。萃取过程溶质Ａ稀释剂Ｂ料液溶剂Ｓ萃取液Ｓ＋Ａ(B)萃余液Ｂ＋Ａ(s)｝溶剂萃取概述杂质溶质原溶剂萃取剂LightphaseHeavyphase溶剂萃取概述萃取的基本概念①萃取:溶质从料液转移到萃取剂的过程。②反萃取：溶质从萃取剂转移到反萃剂的过程。在完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，将目标产物从有机相转入水相的操作就称为反萃取（Backextraction)③物理萃取和化学萃取：物理萃取的理论基础是分配定律，而化学萃取服从相律及一般化学反应的平衡定律。溶剂萃取概述萃取法是利用液体混合物各组分在某有机溶剂中的溶解度的差异而实现分离的。料液：在溶剂萃取中，被提取的溶液，溶质：其中欲提取的物质，萃取剂：用以进行萃取的溶剂，萃取液：经接触分离后，大部分溶质转移到萃取剂中，得到的溶液，余液：被萃取出溶质的料液。溶剂萃取概述萃取的基本概念实验室液液萃取过程分液漏斗有机相水相溶剂萃取概述萃取洗涤反萃取萃取剂＋稀释剂料液（待分离物质＋杂质萃取液（待分离物质＋少量杂质洗涤剂萃残液（杂质）杂质+少量待萃物质产物（待萃物质）（待返回使用）萃取剂＋稀释剂反萃剂待萃物质一般工业液液萃取过程生物萃取与传统萃取相比的特殊性生物工程不同于化工生产，主要表现在生物分离往往需要从浓度很稀的水溶液中除去大部分的水，而且反应液中存在多种副产物和杂质，使生物萃取具有特殊性。①成分复杂②传质速率不同③相分离性能不同④产物的不稳定性萃取过程有选择性能与其它步聚相配合通过相转移减少产品水解适用于不同规模传质快周期短，便于连续操作毒性与安全环境问题溶剂萃取法的特点6.1萃取过程的理论基础液液萃取是以分配定律为基础分配定律：一定T、P下，溶质在两个互不相溶的溶剂中分配，平衡时，溶质在两相中浓度之比为常数。K-分配系数在常温常压下Ｋ为常数；应用前提条件（1）稀溶液（2）溶质对溶剂互溶没有影响（3）必须是同一分子类型，不发生缔合或离解萃余相的浓度萃取相的浓度21CCK分离因素（β）如果原来料液中除溶质A以外，还含有溶质B，则由于A、B的分配系数不同，萃取相中A和B的相对含量就不同于萃余相中A和B的相对含量。如A的分配系数较B大，则萃取相中A的含量（浓度）较B多，这样A和B就得到一定程度的分离。萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因素（β）来表征。分离因素表示有效成分A与杂质B的分离程度。ＫＡβ=ＫＢβ=1KA=KB分离效果不好；β1KAKB分离效果好；β越大，KA越大于KB，分离效果越好。分离因素（β）弱电解质在有机溶剂-水相的分配平衡分配系数中CL和CH必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。对于弱电解质，在水中发生解离，则只有两相中的单分子化合物的浓度才符合分配定律。例如青霉素在水中部分离解成负离子（青COO－），而在有机溶剂相中则仅以游离酸（青COOH）的形式存在，则只有两相中的游离酸分子才符合分配定律。此时，同时存在着两种平衡，一种是青霉素游离酸分子在有机溶剂相和水相间的分配平衡；另一种是青霉素游离酸在水中的电离平衡（图18-2）。前者用分配系数K0来表征，后者用电离常数Kp来表征。对于弱碱性物质也有类似的情况。青霉素的分配平衡弱电解质的分配系数：热力学分配系数K0：萃取平衡时，单分子化合物溶质在两相中浓度之比。弱酸性电解质K0＝[AH]/[AH]=弱碱性电解质K0＝[B]/[B]=Kp=]H[C])H[K](HA[PPPKC])H[K](B[弱电解质的表观分配系数K：分配达平衡时，溶质在两相的总浓度之比对于弱酸性电解质对于弱碱性电解质HKHKKp0HKKKKpp0=K0/(1＋10pH－pK)=K0/(1＋10pK－pH)K0－只与T、P有关；K－与T、P和pH有关K可通过实验求出，而K0不能，可由公式求出。举例：青霉素(pK2.75)工业钾盐：预处理及过滤发酵液滤洗液萃取液NaCl盐析脱水结晶液共沸蒸馏结晶pen－k成品活性炭脱色萃取调pH2.02.51/3v/v丁酯逆流萃取丁酯逆流萃取红霉素(pK9.4)：预处理和过滤发酵液滤液萃取液乳酸沉淀分解转碱红霉素乳酸盐调pH9.8,溶于丙酮红霉素碱加水红霉素碱成品结晶萃取调pH9.810.2,1/4V/V丁酯逆流萃取为什么青霉素在酸性（pH≤2.5）条件下，而红霉素却要在碱性（pH≥9.8）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？2不同pH条件影响弱电解质电离，从而影响分子的极性，根据相似相溶原则，在弱极性的丁酯中极性小的分子溶解度比水中大1根据表观分配系数公式可知，弱酸的表观分配系数：K=K0/(1＋10pH－pK)弱酸的表观分配系数：K=K0/(1＋10pK－pH)对于弱酸：pHpK时，分配系数大对于弱碱：pHpK时，分配系数大为什么青霉素在酸性（pH≤2.5）条件下，而红霉素（pH8-10.5）却要在碱性（pH≥9.8）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？青霉素红霉素酸碱性pHpKpHpK弱酸性(2.75)弱碱性(9.4)游离分子“+”“–”游离分子根据相似相溶原则，在弱极性的丁酯中游离分子极性小，溶解度比水中大，故从水相转入丁酯相中，而发酵液中存在的其它杂质由于极性情况与抗生素不同，故很少进入丁酯中，这样就达到一定程度的纯化酸性物质：pHpK时，主要以负离子存在；pHpK时，主要以游离分子存在；pH＝pK时，两种形式各占50％6.2有机溶剂萃取的影响因素1．影响萃取操作的因素：pH、温度、盐析2．有机溶剂的选择3．带溶剂4．乳化与去乳化1.pH的影响●pH对表观分配系数的影响（pH~K）pH低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配在水相。对弱酸随pH↓K↑,当pHpK时，K→K0例：已知penpK=2.75T=10℃K0=47求:pH4.4pH2.5pH2.0时的K?pH4.4时:pH2.5时:K=30pH2.0时:K=39.9∴pH↓K↑11014775.24.4K解释原理:pHpK时，[pen][pen-]易溶于丁酯由萃取机理和K～pH的关系式可得出如下结论：酸性物质碱性物质萃取pHpKpHpK反萃取pHpKpHpK2.温度T◆T↑，分子扩散速度↑，故萃取速度↑◆T影响分配系数例：pen―T↑水中的溶解度↑∴萃取时T↓使K↑；反萃时T↑使K反↑红霉素、螺旋霉素―T↑水中的溶解度↓∴萃取时T↓使K↑；反萃时T↑使K反↑◆T影响两溶剂的互溶度影响一般生化物质的萃取在室温或较低温度下进行3.盐析：无机盐——氯化钠、硫酸铵，作用：生化物质在水中溶解度↓，K↑；两相比重差↑两相互溶度↓例：pen从水相→丁酯中，加氯化钠洗涤，消除有机相水滴，提高质量和收率；分相容易。2．有机溶剂的选择根据相似相溶的原理，选择与目标产物极性相近的有机溶剂为萃取剂，可以得到较大的分配系数（根据介电常数判断极性）；有机溶剂与水不互溶，与水有较大的密度差，黏度小，表面张力适中，相分散和相分离容易；应当价廉易得，容易回收，毒性低，腐蚀性小，不与目标产物反应。常用于生化萃取的有机溶剂有丁醇、丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯等。3．带溶剂对于水溶性强的溶质，可利用脂溶性萃取剂与溶质间的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有机相转移。①抗生素萃取剂：月桂酸、脂肪碱或胺类等。②氨基酸萃取剂：氯化三辛基甲铵。溶质与带溶剂之间的作用：离子对萃取、离子交换萃取、反应萃取。4.乳化乳化：水或有机溶剂以微小液滴分散在有机相或水相中的现象。这样形成的分散体系称乳浊液。乳化带来的问题：有机相和水相分相困难，出现夹带，收率低，纯度低。乳化1）乳浊液形成原因表面活性物质聚集在两相界面上，使表面张力降低。表面活性剂分子亲水基团亲水亲油基团亲油亲水基团伸向水中，亲油基团伸向油中。乳浊液类型当将有机溶剂（通称为油）和水混在一起搅拌时，可能产生两种形式的乳浊液。乳浊液类型：水包油型；油包水型油滴O/W水滴W/O水油亲水性基团强度亲油性基团强度（HLB数越大），O/W；亲油性基团强度亲水性基团强度（HLB数越小），W/O发酵液的乳化现象主要由蛋白质引起。固体粉末乳化剂：除表面活性剂外，能同时为两种液体所润湿的固体粉末也能作为乳化剂，如粉末对水的润湿性强于对油的润湿性，则根据自由能最小的原则，形成水包油O/W型乳浊液。反之形成油包水型乳化发酵液乳化的原因：a蛋白质的存在，起到表面活性剂b固体粉末对界面的稳定作用2）乳浊液的稳定条件乳浊液稳定性和下列几个因素有关：①界面上保护膜是否形成；②液滴是否带电；③介质的粘度。表面活性剂分子在分散相液滴周围形成保护膜。保护膜具有一定的机械强度，不易破裂，能防止液滴碰撞而引起聚沉。介质粘度较大时能增强保护膜的机械强度。物理法：离心、加热，吸附，稀释化学法：加电解质、其他表面活性剂*转型法加入一种乳化剂，条件：①形成的乳浊液类型与原来的相反，使原乳浊液转型②在转型的过程中，乳浊液破坏，控制条件不允许形成相反的乳浊液，*顶替法加入一种乳化剂，将原先的乳化剂从界面顶替出来：①形成的乳浊液类型与原来的一致②它本身的表面活性原来的表面活性③不能形成坚固的保护膜。3）乳浊液的破坏措施常用的去乳化剂：十二烷基硫酸钠（SDS），酸性，阴离子型表面活性剂溴代十五烷基吡啶（PPB），碱性，阳离子表面活性剂去乳化剂选择原则：去乳化能力强；不破坏生化物质；不污染成品：去乳化剂不能跟随生化物质一起进入萃取相，应留在水相。6.3萃取方式与过程计算※萃取过程：1）混和2）分离3）溶剂回收※操作方式单级萃取多级萃取多级错流多级逆流※理论收率计算假定：两相中的分配很快达到平衡；两相完全不互溶，完全分离：★萃取因素：m1KKFSFFSSFSVVCVCVXXE＝＝萃余液溶质总量萃取液溶质总量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产物单级萃取流程示意图单级萃取：只包括一个混合器和一个分离器未被萃取的分率φ和理论收得率1－φ1E1FFSSFFCVCVCV＝E1ECCC1FSSFSSVVV＝FSFFSSFSKVVCVCVXXE＝＝萃余液溶质总量萃取液溶质总量萃取因素未被萃取的分率理论收率1.单级萃取18-92）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，而得到的萃取剂平均浓度较稀，但萃取较完全。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未被萃取分率和理论收率经一级萃取后，未被萃取的分率φ1：经二级萃取后，未被萃取的分率φ2：经n级萃取后，未被萃取的分率：理论收率：11E１φ22)1(1EφnnE)1(1＝)1018(nnnnEEE)1(1)1()1(111＝多级错流萃取未被萃取分率Φ、级数n、萃取因数E之间的关系未被萃取分率Φ级数n3）多级逆流萃取在多级逆流萃取中，在第一级中连续加入料液，并逐渐向下一级移动，而在最后一级中连续加入萃取剂，并逐渐向前一级移动。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。在逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂