萃取-1

两相的界面张力小，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 10 g/L。因此两相分离较困难，目前这方面研 究较多 易于连续操作，处理量大，适合工业应用。 5.5.3 影响分配系数的各种因素 5.5.3.1 成相聚合物和浓度 相对分子量：一般来说，蛋白等高分子量物质易分配于低分子量相 浓度：成相系统的总浓度越高，系线越长，蛋白质越容易分配与其中的一 相。而界面张力随之增大，易导致细胞或固体微粒在界面上的吸附。 5.5.3.2 盐的种类和浓度 无机离子有各自的分配系数，从而产生不同的相间电位，因此影响生物大分 子的分配系数。 5.5.3.3 pH 值 影响蛋白质的电荷，因而影响分配系数。 5.5.3.4 温度 温度影响相图，一般在室温下操作。 亲和双水相技术 亲和双水相技术是指在成相高聚物上偶联亲和性配基 ,以提高溶质的分 配系数。 这种技术已经广泛地运用到蛋白质等生物大分子的分离纯化工艺 中。 万古霉素可以和二肽 N-乙酰 - D-Ala- D- Ala 形成复合物 ,当二肽作为配 基与活性 MPEG 共价结合后 ,加入到 PEG/ DEX 系统中 ,不仅大大提高 了系统的选择性 ,而且分配系数提高了 7 倍。 5.5.5 双水相萃取技术的最新进展 ① 廉价体系的开发 变性淀粉，乙基羟乙基纤维素，糊精，麦芽糖糊精（取代葡聚糖） ，羟基纤 维素，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮（取代聚乙二醇） ② 新的双水相体系 表面活性剂-水体系：有更高的含水量，条件更温和，表面活性剂的增溶， 有利于分离可溶性蛋白质和不可溶性蛋白质； 普通有机物-无机盐水体系，如：丁醇（乙醇）水-无机盐水体系，价格便 宜，后续工作处理简单。 只有一种成相聚合物的双水相体系：上相几乎是 100%水，聚合物绝大部 分集中在下相，萃取效果好，环境温和。 ③ 与其他技术集成化
பைடு நூலகம்
双水相电泳，微胶囊双水相萃取，金属离子亲和双水相萃取。 存在问题：乳化，相分离时间长，成相聚合物成本高，水溶性高聚物黏度 大，回收困难，动力学研究、设备流程、聚合物重复使用，普通有机物无机盐双水相体系报道少。 5.6 液膜萃取 (Liquid membrane extraction) 液膜：是由水溶液或有机溶剂（油）构成的液体薄膜。 适用于：有机酸、氨基酸和抗生素等生物小分子的分离及废水处理方面。
膜溶剂的黏度是影响乳状液膜稳定性、液膜厚度和液膜传质性能的重要参数。 （2）表面活性剂 HLB 值 (Hydrophilic-Lipophilic Balance，亲水亲油平衡值 ) 。
HLB = 亲水基部分的分子量 × 表面活性剂的分子量
HLB 越大，亲水性越强，反之亲油越强。
1 100% × 5
上相 下相
pI
图5.22 各种离子的分配系数
8%PEG3000-3700 / Dx500K, 盐浓度0.02-0.025mol/L
5.2.2.2 疏水作用 一般蛋白质表面均存在疏水区， 疏水区占总表面积的比例越大， 疏水性越强。 所以，不同蛋白质具有不同的相对疏水性。在 pH 为等电点的双水相中，蛋白质 主要根据表面疏水性的差异产生各自的分配平衡。 PEG/Dx 和 PEG/无机盐等双水相系统的上相(PEG 相)疏水性较大。 双水相萃取的特点 操作条件温和，在常温常压下进行；
配平衡，而酸根或碱基不能进入有机相。 5.3.3 溶剂萃取操作 5.3.3.1 水相物理条件的影响 1 水相 pH 值的影响 如青霉素属中等强度酸性物质， AH ⇔ A- + H+ pH↓，H+↑，有利于萃取； 反之，pH↑，有利于反萃取。 红霉素弱碱性物质，pH↑，有利于萃取，pH↓，有利于反萃取。 2 温度影响 温度影响分配平衡，但由于生物产物在较高温度下不稳定，一般在常温或较 低温度下操作。 3 无机盐影响 无机盐的存在可降低溶质在水相中的溶解度，有利于溶质向有机相中分配。 如：萃取维生素 B12 时加入硫酸铵，萃取青霉素时加入氯化钠等。 5.3.3.2 有机溶剂或稀释剂的选择 选择原则： （1）根据相似相容的原理，选择与目标产物极性相近的有机溶剂，分配系数高； （2）价廉易得； （3）与水相不互溶； （4）与水相有较大的密度差，并且黏度小，表面张力适中，容易相分散和相分 离； （5）容易回收和再利用； （6）毒性低，腐蚀性小，闪点低，使用安全； （7）不与目标产物发生化学反应。 5.3.3.3 化学萃取剂 季铵盐：十四烷基二甲基苄基铵的三氯甲烷溶液，氯化三辛基甲铵，四丁基胺和 正十二烷胺 叔胺：三正辛胺的戊醇-甲苯溶液，三壬胺的乙酸丁酯溶液 磷酸三丁酯：酸性条件下与柠檬酸形成络合物。 稀释剂：甲苯、二甲苯，醇类，煤油，三氯甲烷， 乙酸丁酯，环己烷， 四氯化碳 5.3.3.4 乳化现象 萃取前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理，可除去大部分蛋白质和固体 微粒。 产生乳化后，若不严重，采用过滤或离心沉降的方法。
对(W/O)/W，HLB=3-6 的油溶性表面活性剂，Span 80 非离子型（失水山 梨醇单油酸酯） 。 (O/W)/O，HLB=8-15 的水溶性表面活性剂。 （3）流动载体 液膜的流动载体可沿袭使用化学萃取的萃取剂。 可分为带电载体与中性载体，一般来说中性载体的性能比带电载体(离子 型载体)特异性高。中性载体中又以大环化合物最佳。包括：季铵盐、胺 类、磷酸酯类和冠醚类等。
膜 （90%以上） 表面活性剂 相 （1-5%） 载体 （1-5%）
乳液型液膜示意图
(supported liquid membrane, SLM)
和(O/W)/O(油-水-油) 。
支撑液膜(supported liquid membrane, SLM；或 contained liquid membrane, CLM) 是将多孔高分子支撑体浸在膜溶剂（如有机溶剂)中,使膜溶剂充满支撑体 的孔隙形成的液膜。 支撑液膜分隔料液相和反萃相，实现渗透溶质的选择性萃取回收或除去。
PEG－Dx 保留活性，分配效果好，价格贵，粗 Dx 几百美元/千克，黏度大，分相困难。 PEG－硫酸铵 成本低，黏度小，盐浓度高时，活性有一定损失，界面吸附多。 5.5.2 双水相中的分配平衡 生物分子的分配系数取决于溶质与双水相系统间的各种相互作用， 其中主要 有静电作用、 疏水作用和生物亲和作用等。 因此， 分配系数是各种相互作用的和: lnm=lnme+lnmh+lnml 5.5.2.1 静电作用 实际的双水相系统中通常含有缓冲液和无机盐等电解质， 当这些离子在两相中分 配浓度不同时(即分配系数≠1)，将在两相间产生电位差，此时，荷电溶质的分 配平衡将受相间电位的影响。 lnm=lnmo+ΔφFZ/RT
膜相O 内水相W
膜相组 成
膜溶剂
外水相W
液膜
图5.29 (W/O)/W型乳状液膜
5.6.1 液膜的种类 (1) 乳 状 液 膜 membrane，ELM) (2) 支撑液膜 (3) 流动液膜 5.6.1.1 乳状液膜 分为两种：(W/O)/W (水-油-水) 5.6.1.2 支撑液膜 (emulsion liquid
5.6.1.2 流动液膜
多孔支撑材料
这种液膜的 操作虽然较 简便，但存在 传质面积小， 稳定性较差， 支撑液体容 易流失的缺 点。
液膜
流动液膜
料 液
反 萃 液 料
反 萃 液 液
图5.30 支撑液膜
图5.31 流动液膜
流动液膜也是一种支撑液膜，弥补了上述支撑液膜的膜相容易流失的缺 点，液膜相可循环流动，即使有所损失也很容易补充。液膜相的强制流动 可提高溶质在液膜相的扩散。
萃取 (Extraction)
液液萃取 有机溶剂萃取 小分子的萃取
双水相萃取 生物大分子 反胶团萃取
萃取
液膜萃取 超临界流体萃取
氨基酸和有机酸 脂溶性物质
液固萃取或浸取
5.1 基本概念 萃取：利用在两个互不相溶的液相中各种组分（分配系数）溶解度的不同， 从而达到分离的目的。 萃取优点：比化学沉淀法分离程度高，比离子交换法选择性好，传质快，比 蒸馏法能耗低，且生产能力大，周期短，便于连续操作，容易实现自动化等。 不同萃取方法的适应场合 小分子类：Mw﹤1000，有机酸、氨基酸、抗生素、维生素、激素、生物 碱，多采用有机溶剂萃取法。 大分子类：Mw﹥1000，酶、抗体、蛋白质、核酸、多肽等生物大分子， 双水相萃取，反胶团萃取。 非极性如脂溶性物质采用 CO2 超临界流体萃取。 小分子如有机酸、氨基酸还可采用液膜萃取（不成熟） 。 5.1.3 物理萃取和化学萃取 物理萃取：萃取剂与溶质之间不发生化学反应。如：利用醋酸丁酯萃取发 酵液中的青霉素。 化学萃取： 利用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 实现溶质享有机相的分配。 化学反应：络合反应，离子交换。 5.3 有机溶剂萃取 溶剂萃取常用于有机酸、氨基酸和抗生素等弱酸或弱碱性电解质的萃取。 弱电解质在水相中发生不完全解离， 仅仅是游离酸或游离碱在两相产生分
膜溶剂
饱和烃类：辛烷，异辛烷，癸烷 高级醇：辛醇，癸醇 其它：煤油，乙酸乙酯，乙酸
膜 相
（90%以上）
表面活性剂 丁酯及其混合物 （1-5%） ：Aliquat 336（辛胺)，Span 80等。 载体 （1-5%）：阳离子型，阴离子型，非离子型。
常见的支撑液膜组件 中空纤维膜组件、螺旋卷式膜组件、平膜组件 5.6.4.2 膜相组成 (1) 膜溶剂
加入表面活性剂，对于 O/W 型乳浊液，加入亲油性表面活性剂；对于对 于 W/O 型乳浊液，加入亲水性表面活性剂，如十二烷基磺酸钠。 5.4 液液萃取设备 5.4.1 混合-澄清式萃取(mixer-settler)
图 5.6 混合-澄清式萃取设备示意图 5.4.2 多级错流接触萃取 特点：萃取完全，萃取剂耗量大，得到的萃取物质浓度低，适用于高附加值产品 的提取。 5.4.3 多级逆流接触萃取 特点：得到的萃取物质浓度高，萃取剂耗量小，是常用的操作方式。 5.4.4 分馏萃取 特点：与多级逆流接触萃取相比，可显著提高目标产物的纯度。 5.4.5 微分萃取 5.5 双水相萃取 (Aqueous Two Phase Extraction) 当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于水中时， 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。利用不同物质在两相中分配系数的差异进行的分离，称为双水相萃取。 5.5.1 双水相系统 双聚合物体系 如 ： 聚 乙 二 醇 (polyethylene glycol, PEG)/ 葡 聚 糖 (dextran ， Dx) ， 聚 丙 二 醇 (polypropylene glycol) / 聚乙二醇和甲基纤维素(methylcellulose)/葡聚糖等。 常采用的双聚合物系统为 PEG/Dx，上相富含 PEG，下相富含 Dx。 聚合物与无机盐 例如，PEG/磷酸钾(KPi)、PEG/硫酸铵、PEG/硫酸钠等常用于生物产物的双水相 萃取。PEG/无机盐系统的上相富含 PEG，下相富含无机盐 常用的两种双水相的体系优缺点