溶剂萃取法-生物分离工程
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生物分离工程生物分离2溶剂萃取法
C 产生大量钙盐 D 回收率低
应生成中性络合物， 柠檬酸3- + 碳酸钙
该中性络合物易溶
于有机相。
柠檬酸 +磷酸三丁酯=柠檬酸-磷酸三丁酯
然后反萃取。
(organic)
柠檬酸 = 柠檬酸 - + H+ (water)
离子缔合反应萃取
青霉素萃取
青霉素为有机酸，可 与四丁胺、正十二烷 胺等脂肪碱通过离子 键结合而容易溶于氯 仿中。
这种情况可用化学萃取解决。
化学萃取：
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向有机相 的分配。
稀 释 剂 ( diluent)： 化 学 萃 取 中 通 常 用 煤 油 、 乙烷和苯等溶解萃取剂，改善萃取相的 物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。
阳离子交换反应萃取
nHA+mn+=mAn+nH+ 萃取剂-弱酸性 溶质-水相中络离子形式
E＝K·VS／VF＝K／m
E与相比、萃取剂浓度、T、pH、解离情况有关
式中 m：浓缩倍数VF/VS
萃余率Φ=萃余液中溶质总量/溶质总量×100% =1/（E+1）×100%
理论收得率为： 1－φ＝E／(E＋1)
效率低, 为达到一定的萃取率, 需大量萃取 剂，为提高收率常常采用多级萃取
多级萃取
是工业生产最常用的萃取流程
乳状液稳定条件=乳化剂=表面活性剂
表面活性剂在界面 上的定向排列
溶剂的选择
常用于抗生素类萃取剂有：丁醇等醇类、乙酸乙酯、 乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯类以及甲异丁基甲酮 （methyl isobutyl ketone）等。
青霉素 Ｋ
ＢＡ 39:1
CHCl 3 乙醚 39:1 12:1
应生成中性络合物， 柠檬酸3- + 碳酸钙
该中性络合物易溶
于有机相。
柠檬酸 +磷酸三丁酯=柠檬酸-磷酸三丁酯
然后反萃取。
(organic)
柠檬酸 = 柠檬酸 - + H+ (water)
离子缔合反应萃取
青霉素萃取
青霉素为有机酸，可 与四丁胺、正十二烷 胺等脂肪碱通过离子 键结合而容易溶于氯 仿中。
这种情况可用化学萃取解决。
化学萃取：
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向有机相 的分配。
稀 释 剂 ( diluent)： 化 学 萃 取 中 通 常 用 煤 油 、 乙烷和苯等溶解萃取剂，改善萃取相的 物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。
阳离子交换反应萃取
nHA+mn+=mAn+nH+ 萃取剂-弱酸性 溶质-水相中络离子形式
E＝K·VS／VF＝K／m
E与相比、萃取剂浓度、T、pH、解离情况有关
式中 m：浓缩倍数VF/VS
萃余率Φ=萃余液中溶质总量/溶质总量×100% =1/（E+1）×100%
理论收得率为： 1－φ＝E／(E＋1)
效率低, 为达到一定的萃取率, 需大量萃取 剂，为提高收率常常采用多级萃取
多级萃取
是工业生产最常用的萃取流程
乳状液稳定条件=乳化剂=表面活性剂
表面活性剂在界面 上的定向排列
溶剂的选择
常用于抗生素类萃取剂有：丁醇等醇类、乙酸乙酯、 乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯类以及甲异丁基甲酮 （methyl isobutyl ketone）等。
青霉素 Ｋ
ＢＡ 39:1
CHCl 3 乙醚 39:1 12:1
萃取在生物分离工程中的应用
双水相萃取
❤原理：不能形成均一相的两聚合物的憎水 程度存在差异，利用物质在互不相容的两水 相间分配系数的差异来进行萃取。
❤ 优点：♦有生物适应性 ♦分相时间短、效率高 ♦易于连续操作 ♦经济、原料可循环
常用体系： 高聚物/高聚物： 聚乙二醇（PEG)/葡萄糖（Dextran） 高聚物/无机盐： PEG/硫酸盐或磷酸盐体系 生化工程常用体系：
反胶束萃取
胶束与反胶束
表面活性剂 反胶团水相中粘稠 的水（粘度大，水 合化表面活性剂亲 水基团）
应用
提取蛋白质和油脂、分离
蛋白质混合物、从发酵液 中分离提取胞外酶 直接提取胞内酶 浓缩α-淀粉酶 用于使蛋白质复性
萃取及பைடு நூலகம்在生物分离中的应用
不同萃取体系及方法、应用
固液萃取（浸取） 应用于天然活性成分或中
用某种溶剂把目标物质 从固体原料抽取到溶液中。 过程：浸润、溶解、扩 散 原理：传质动力 Fick定律
药材有效成分的提取和分 离。
用于浸取的现代化设备：
超临界流体萃取法、超声 提取技术、微波萃取技术。
应用
在线或与静态混合与分离器联合使用 *基因工程药物（大肠杆菌中提取人生长激素，3级错 流连续萃取，80%） *酶工程药物【胞内酶的提取与精制】（微生物细胞 碎片中提取纯化甲酸脱氢酶，4次连续萃取，95%) *抗生素（青霉素：3次3调pH→1次1调pH，产物活性 ↑，溶剂用量↓，缩短工艺流程） *天然植物药用成分的分离与提取（提纯分离黄苓素、 黄苓苷）
生物分离工程萃取
液液萃取模型
Light phase(密度小，为萃取相) 杂质
溶质 萃取剂 原溶剂
Heavy phase（密度大，为料液相）
一、基本概念
一、基本概念
• 料液相中溶质浓度的变化用萃取速率表示：
• 萃取速率不仅受两相性质的影响，更重要的受萃取 操作形式的影响（接触方式）。但是溶质在两相中 的分配平衡是状态的函数，与萃取操作形式无关 （两相接触状态）当两相的状态一定时，达到分配 平衡时，溶质在两相的浓度是一定的。
一、基本概念
• 传质指化学过程中发生了物质质量的传递,包括精馏
蒸发 吸收 萃取 浸提 膜过滤等等化学过程。传质系 数是指单位面积上在单位推动力的作用下的质扩散速 率。
• 反萃取：将目标产物从有机相转入水相的萃取操作。 • 完整的萃取操作除了萃取和反萃取外，还在两者之间
增加了洗涤作。
• 洗 涤：本质是萃取；目的是除去与目标产物同时萃
三、液液萃取设备及其设计的理论基础
• 有机相从左至右通入，水相从右向左通入。推动力为
浓度差，实质为化学势的差异。 • 第i 级的物料衡算式
三、液液萃取设备及其设计的理论基础
•
对于第一级 时，把公式 到物料平衡式得：
和
带入
• •
• •
对于第二级，
对于第n 级 最终萃余相中溶质浓度x1与进料中xF=xn+1之间的关系：
取到有机相的杂质。
• 洗涤剂：用于洗涤的萃取剂。
一、基本概念
二、分配定律与分配平衡
• 实现萃取的主要因素是不同溶质在两相中分配平衡的差异。 • 分配定律：Nerst1891年提出的，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 相对分子质量相（同一种分子形态）等，则其在两相中的 平衡浓度之比为一常数：
第03章讲义 萃取分离技术 3.1 生物分离中的液液萃取 生物分离工程ppt
到分配平衡。对于弱酸性和弱碱性电解质，解离平衡关 系分别为
AH A H
(3-5)
BH BH
(3-6)
解离平衡常数分别为
[ A ][ H ]
k a [ AH ]
(3-7)
2020/6/24
kb
[ B ][ H ] [ BH ]
(3-8)
弱酸性溶质的萃取：弱酸在水相中部分电离，而在有机 溶剂中几乎不离解，在有机溶剂-水萃取体系中，表现分配 系数为：
[kkii((B A))]1 1[ kka a((B A))//[[H H ]]]
(3-14)
通过调节水相pH，控制溶质的分配行为，从而提高萃取 率的方法，广泛应用于抗生素和有机酸等弱电解质的萃取。
2020/6/24
例3-1 在醋酸戊酯-水系统中，青霉素K的ki＝215，青霉 素F的ki =131。根据有关手册的数据，pka值分别为 pka(K)=2.77, pka(F)=3.51，现有混合物青霉素F和K，而F 是有用的目的产物。
2020/6/24
如何得到满意的萃取效率？
1. 选择适当的萃取剂
尽量选择对溶质有较大分配系数k的萃取剂。良好 的萃取剂一般还应满足：
✓选择性好。化学稳定性好。 ✓易于分层：密度差较大，粘度小，表面张力适中，相 分散和相分离较容易，不产生第三相或产生乳化现象。 ✓萃取剂易于回收和再利用。 ✓萃取剂价廉易得，经济性好。 ✓毒性和环境污染小，闪点低，使用安全。
2020/6/24
2. 改变溶质的形态
生物产品的分离过程，不应使其丧失生物效能，这 就限制了萃取剂的选择范围。
通过适当改变溶质的形态，使分配系数k 改变，以 改进萃取分离。 具体方法主要有二，即通过溶质离子 对的变化和萃取体系pH值的改变来实现。
AH A H
(3-5)
BH BH
(3-6)
解离平衡常数分别为
[ A ][ H ]
k a [ AH ]
(3-7)
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kb
[ B ][ H ] [ BH ]
(3-8)
弱酸性溶质的萃取：弱酸在水相中部分电离，而在有机 溶剂中几乎不离解，在有机溶剂-水萃取体系中，表现分配 系数为：
[kkii((B A))]1 1[ kka a((B A))//[[H H ]]]
(3-14)
通过调节水相pH，控制溶质的分配行为，从而提高萃取 率的方法，广泛应用于抗生素和有机酸等弱电解质的萃取。
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例3-1 在醋酸戊酯-水系统中，青霉素K的ki＝215，青霉 素F的ki =131。根据有关手册的数据，pka值分别为 pka(K)=2.77, pka(F)=3.51，现有混合物青霉素F和K，而F 是有用的目的产物。
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如何得到满意的萃取效率？
1. 选择适当的萃取剂
尽量选择对溶质有较大分配系数k的萃取剂。良好 的萃取剂一般还应满足：
✓选择性好。化学稳定性好。 ✓易于分层：密度差较大，粘度小，表面张力适中，相 分散和相分离较容易，不产生第三相或产生乳化现象。 ✓萃取剂易于回收和再利用。 ✓萃取剂价廉易得，经济性好。 ✓毒性和环境污染小，闪点低，使用安全。
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2. 改变溶质的形态
生物产品的分离过程，不应使其丧失生物效能，这 就限制了萃取剂的选择范围。
通过适当改变溶质的形态，使分配系数k 改变，以 改进萃取分离。 具体方法主要有二，即通过溶质离子 对的变化和萃取体系pH值的改变来实现。
有机溶剂萃取法_生物分离工程
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（β）
分离因素表示有效成分A与杂质B的分离程度。 ＫＡ
β= ＫＢ
β=1 KA = KB 分离效果不好； β>1 KA > KB 分离效果好； β越大，KA 越大于KB，分离效果越好。
弱酸的表观分配系数：K=K0 /(1 ＋10 pH － pK ) 弱酸的表观分配系数： K=K0 /(1 ＋10 pK － pH )
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
调 pH2.02.5 1/3 v/v
丁酯逆流萃取
萃取液
NaCl 盐析脱水
活性炭脱色
丁酯逆共流萃沸取蒸馏结晶
结晶液
pen－k 成品
红 霉 素 ( p K 9.4 ) ：
预处理和过滤
发酵液
滤液
萃取
调 p H 9.8 10.2, 1/4V /V
=K0 /(1 ＋10 pH － pK )
对于弱碱性电解质
K K0
Kp
Kp H
=K0 /(1 ＋10 pK － 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。
思考题： 将青霉素由水相萃取到丁酯相中，其pK=2.75，萃取条 件：pH=2.5，T=10℃，VF∶VS = 1∶1，测得萃取前发酵 液（水相）效价20000 u/ml，平衡后废液效价645.2 u/ml，求分配系数K和K0
分配定律推导
根据相律（F=C-P+2），在一定温度和压力下萃取达到 平衡时，溶质在两相中的化学位相等：μL=μH
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（β）
分离因素表示有效成分A与杂质B的分离程度。 ＫＡ
β= ＫＢ
β=1 KA = KB 分离效果不好； β>1 KA > KB 分离效果好； β越大，KA 越大于KB，分离效果越好。
弱酸的表观分配系数：K=K0 /(1 ＋10 pH － pK ) 弱酸的表观分配系数： K=K0 /(1 ＋10 pK － pH )
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
调 pH2.02.5 1/3 v/v
丁酯逆流萃取
萃取液
NaCl 盐析脱水
活性炭脱色
丁酯逆共流萃沸取蒸馏结晶
结晶液
pen－k 成品
红 霉 素 ( p K 9.4 ) ：
预处理和过滤
发酵液
滤液
萃取
调 p H 9.8 10.2, 1/4V /V
=K0 /(1 ＋10 pH － pK )
对于弱碱性电解质
K K0
Kp
Kp H
=K0 /(1 ＋10 pK － 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。
思考题： 将青霉素由水相萃取到丁酯相中，其pK=2.75，萃取条 件：pH=2.5，T=10℃，VF∶VS = 1∶1，测得萃取前发酵 液（水相）效价20000 u/ml，平衡后废液效价645.2 u/ml，求分配系数K和K0
分配定律推导
根据相律（F=C-P+2），在一定温度和压力下萃取达到 平衡时，溶质在两相中的化学位相等：μL=μH
天津农学院分离工程名词解释
名词解释生物分离工程：又称生物工业下游技术。
是指对于由生物界自然产生的或微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使生物原料成为产品的技术。
清洁生产：是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。
凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。
助滤剂：是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。
溶剂萃取：把目标物质从第一个液相中依靠更强大的溶解力抽提到第二个液相中的过程。
分离因素（分离系数）：若在同一体系中有两种溶质A和B，它们在相同条件下的分配常数分别为K A、K B，则分离系数β的定义为：β = K A/K B乳化：一种液体（分散相）分散在另一种不相混溶的液体（连续相）中的现象。
液固萃取：又称浸取或提取，是一种分离和富集某些天然产物、生化试剂和添加剂的有效手段。
由于溶剂渗入固体试样内部是比较缓慢的过程，因此液固萃取需要较长的时间，一般需要连续萃取。
超临界流体萃取：以超临界流体作萃取剂，利用它对溶质具有特异增加的溶解能力的特性，将其从液体或固体中萃取到超临界流体中，然后通过降压或升温析出产物的分离过程。
双水相：当两种聚合物或一种聚合物与一种无机盐溶于同一溶剂时，由于聚合物之间或聚合物与无机盐之间的不相容性，当他们达到一定浓度时，就会分成不互溶的两相。
反胶团：是表面活性剂分子溶于非极性溶剂中，当表面活性剂达到一定的浓度时，自发形成的极性头朝内而非极性头朝外的内含微小水滴的聚集体膜：膜在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。
浓差极化：在膜分离过程中，一部分溶质被截留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为“浓差极化”。
生物分离工程-溶剂萃取
CoVo 100% CoVo CwVw
多级连续萃取的计算
设V（水）为水相体积，V（有）为每次加入的有机相体积， m0为被萃取前试样中A的质量，m1、m2…mn为1次、2 次…n次萃取后水相中剩余的A的质量，求m1、m2…mn？
解: D cA总（有机） (m0 m1) /V(有机）
cA总 (水）
❖ 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。 ▪ 抗生素萃取剂：月桂酸、脂肪碱或胺类等。 ▪ 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。
乳化和去乳化
❖ 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。
之比，即： D C有机相 C水相
▪ 只有在简单的萃取体系中，溶质在两相中的存在 形式又完全相同时，D= KD；在实际情况中,情况 往往比较复杂.所以D≠ KD。
萃取效率E
❖ 当溶质A的水溶液用有机溶剂萃取时，如已知水 溶液的体积为V水，有机溶剂的体积为V有，则萃 取效率E可表示为：
E A有机相 100% A两相
▪ 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pH << pK时，K→K0
❖ 由萃取机理和K～pH的关系式可得出如下结论
萃取 反萃取
酸性物质 pH<pK pH>pK
碱性物质 pH>pK pH<pK
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↑
多级连续萃取的计算
设V（水）为水相体积，V（有）为每次加入的有机相体积， m0为被萃取前试样中A的质量，m1、m2…mn为1次、2 次…n次萃取后水相中剩余的A的质量，求m1、m2…mn？
解: D cA总（有机） (m0 m1) /V(有机）
cA总 (水）
❖ 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。 ▪ 抗生素萃取剂：月桂酸、脂肪碱或胺类等。 ▪ 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。
乳化和去乳化
❖ 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。
之比，即： D C有机相 C水相
▪ 只有在简单的萃取体系中，溶质在两相中的存在 形式又完全相同时，D= KD；在实际情况中,情况 往往比较复杂.所以D≠ KD。
萃取效率E
❖ 当溶质A的水溶液用有机溶剂萃取时，如已知水 溶液的体积为V水，有机溶剂的体积为V有，则萃 取效率E可表示为：
E A有机相 100% A两相
▪ 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pH << pK时，K→K0
❖ 由萃取机理和K～pH的关系式可得出如下结论
萃取 反萃取
酸性物质 pH<pK pH>pK
碱性物质 pH>pK pH<pK
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↑
生物分离工程 第7章-萃取1
双水相萃取技术（Partition of two aqueous phase system）等。 反胶团萃取（Reversed micelle extraction） 超临界流体萃取（Supercritical fluid extraction）
用于高品质的天然物质、胞内物质（胞内酶、蛋白质、 多肽、核酸等）的分离提取上。
自动控制温度、压力、 时间、微波功率等参数。
上海产ME-3000微波萃取/合成系统
转盘塔是一种靠外输入能量强 化液液萃取过程的设备。可用于 含固体粒子液体的纯化，已广泛 用于食油纯化、核燃料处理、原 油净化、维生素纯化、废水处理 等行业中，具有良好的工业背景。
该装置可全视萃取过程，具有优 良的教学效果，也可广泛用于科 研和生产部门的实验室，作过程 研究与参数测定之用。
废水 溶剂
溶剂萃取的优点
萃取过程具有选择性； 能与其他需要的纯化步骤相配合； 通过转移到具有不同物理或化学特性的第二相中，来减 少由于降解（水解）引起的产品损失； 可从潜伏的降解过程中（如代谢或微生物过程）分离产 物； 适用于各种不同的规模； 传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易实现计 算机控制。
美国戴安公司 产ASE快速溶剂萃 取仪 ，可对固体、
半固体样品中的目 标分析物进行快速 全自动地萃取。系 统带有多项安全特 性以避免潜在的危 险。
德国产IKA固液萃取 仪，所需化学溶剂更少， 可减少废料处理费用。 全电脑控制，可同时进 行4个萃取过程。 labworldsoft软件组合， 可方便的建立自动化的 处理程序，一套软件可 同时控制八台仪器。
第七章 萃取 （Extraction）
萃取：利用物质在互不相溶的两相之间溶解度的不同，使
所需提取的生化物质有选择性地发生转移，集中到一相中， 而其它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相中， 从而达到某种程度的提纯和浓缩。
用于高品质的天然物质、胞内物质（胞内酶、蛋白质、 多肽、核酸等）的分离提取上。
自动控制温度、压力、 时间、微波功率等参数。
上海产ME-3000微波萃取/合成系统
转盘塔是一种靠外输入能量强 化液液萃取过程的设备。可用于 含固体粒子液体的纯化，已广泛 用于食油纯化、核燃料处理、原 油净化、维生素纯化、废水处理 等行业中，具有良好的工业背景。
该装置可全视萃取过程，具有优 良的教学效果，也可广泛用于科 研和生产部门的实验室，作过程 研究与参数测定之用。
废水 溶剂
溶剂萃取的优点
萃取过程具有选择性； 能与其他需要的纯化步骤相配合； 通过转移到具有不同物理或化学特性的第二相中，来减 少由于降解（水解）引起的产品损失； 可从潜伏的降解过程中（如代谢或微生物过程）分离产 物； 适用于各种不同的规模； 传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易实现计 算机控制。
美国戴安公司 产ASE快速溶剂萃 取仪 ，可对固体、
半固体样品中的目 标分析物进行快速 全自动地萃取。系 统带有多项安全特 性以避免潜在的危 险。
德国产IKA固液萃取 仪，所需化学溶剂更少， 可减少废料处理费用。 全电脑控制，可同时进 行4个萃取过程。 labworldsoft软件组合， 可方便的建立自动化的 处理程序，一套软件可 同时控制八台仪器。
第七章 萃取 （Extraction）
萃取：利用物质在互不相溶的两相之间溶解度的不同，使
所需提取的生化物质有选择性地发生转移，集中到一相中， 而其它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相中， 从而达到某种程度的提纯和浓缩。
(优选)生物工业下游技术第四章溶剂萃取法
苯等； ✓A型溶剂，只有电子受体的溶剂，如氯仿、二
氯甲烷等，能与电子供体形成氢键； ✓B型溶剂，只有电子供体的溶剂，如酮、醛、
酯等，如叔胺等； ✓AB型溶剂，同时具备电子受体和供体的溶
剂。
AB型溶剂
• AB1型：交链氢键缔合溶剂，如：水、多元醇、 胺基取代醇、羟基羧酸、多元羧酸、多酚等。
• AB2型：直链氢键缔合溶剂，如：醇、胺、羧酸 等。
甲醇
• 甲醇是无色可燃的液体，有类似酒精的气 味，沸点65℃，跟水能以任意比率混溶。
• 甲醇有毒，饮用10mL，就能使眼睛失明， 再多可使人中毒致死。在酒精中加入甲醇 叫做变性酒精，饮用这种酒精，有致盲的 危险。
2.溶剂互溶性规律
氢键是由一个氢原子和两个电负性原子结合
构成的，如A—H∙ ∙ ∙B，“∙ ∙ ∙”为氢键，是具 有方向性的强作用力。形成氢键必须有能够 接受电子的部分A—H，即电子受体，还必须 有给出电子的部分B，即电子供体。
2. 溶剂互溶性规律
按照生成氢键的能力，将溶剂分四种： ✓N型溶剂，不能形成氢键，如烷烃、四氯化碳、
• AB3型：生成内氢键分子，如：邻硝基苯酚。
----不相混溶 —完全混溶
—-—部分混溶
3. 溶剂的极性
溶剂萃取的关键是萃取溶剂的选择， 依据是“ 相似相溶” 。
介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量 度，通过它可以预测该化合物是极性或非 极性的。
另一些溶剂的介电常数
溶剂
水 20%乙醇 40%乙醇 60%乙醇 100%乙醇
❖ 与被萃取的液相互溶度要小，且黏度低、界面张 力小或适中，这样有利于相的分散和两相分离；
❖ 溶剂的回收和再生容易；
❖ 化学稳定性好，不易分离，对设备腐蚀性小；
氯甲烷等，能与电子供体形成氢键； ✓B型溶剂，只有电子供体的溶剂，如酮、醛、
酯等，如叔胺等； ✓AB型溶剂，同时具备电子受体和供体的溶
剂。
AB型溶剂
• AB1型：交链氢键缔合溶剂，如：水、多元醇、 胺基取代醇、羟基羧酸、多元羧酸、多酚等。
• AB2型：直链氢键缔合溶剂，如：醇、胺、羧酸 等。
甲醇
• 甲醇是无色可燃的液体，有类似酒精的气 味，沸点65℃，跟水能以任意比率混溶。
• 甲醇有毒，饮用10mL，就能使眼睛失明， 再多可使人中毒致死。在酒精中加入甲醇 叫做变性酒精，饮用这种酒精，有致盲的 危险。
2.溶剂互溶性规律
氢键是由一个氢原子和两个电负性原子结合
构成的，如A—H∙ ∙ ∙B，“∙ ∙ ∙”为氢键，是具 有方向性的强作用力。形成氢键必须有能够 接受电子的部分A—H，即电子受体，还必须 有给出电子的部分B，即电子供体。
2. 溶剂互溶性规律
按照生成氢键的能力，将溶剂分四种： ✓N型溶剂，不能形成氢键，如烷烃、四氯化碳、
• AB3型：生成内氢键分子，如：邻硝基苯酚。
----不相混溶 —完全混溶
—-—部分混溶
3. 溶剂的极性
溶剂萃取的关键是萃取溶剂的选择， 依据是“ 相似相溶” 。
介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量 度，通过它可以预测该化合物是极性或非 极性的。
另一些溶剂的介电常数
溶剂
水 20%乙醇 40%乙醇 60%乙醇 100%乙醇
❖ 与被萃取的液相互溶度要小，且黏度低、界面张 力小或适中，这样有利于相的分散和两相分离；
❖ 溶剂的回收和再生容易；
❖ 化学稳定性好，不易分离，对设备腐蚀性小；
有机溶剂萃取
产生乳化的主要原因是发酵液中存在的
蛋白质相固体颗粒等物质，这些物质具 有表面活性剂的作用，使有机溶剂(油) 和水的表面张力降低，油或水易于以微 小液滴的形式分散于水相或油相中。 产生乳化后，需采取某种手段破坏乳浊 液，提高萃取操作收率。
破乳方法
在实施萃取操作前，对发酵液进行过滤
或絮凝沉淀处理，可除去大部分蛋白质 及固体微搅，防止乳化现象的发生。 破乳方法:过滤,离心,加入电解质,物理法( 加热,稀释释,吸附)、顶替法(戊醇)、转型 法 防止乳化:除去Pr.
生物亲和作用对溶质分配系数的贡献。
影响物质分配平衡的因素
成相高聚物浓度－－界面张力 成相高聚物的相对分子量
–一般来说，蛋白质等高分子量物质易集中于 低分子量相
盐类(包括离子的类型和浓度、离子强度、pH值
)，
溶质的物理化学性质(包括分子量、等电点)以
及体系的温度等。
三、影响萃取效果的因素
双水相萃取法和传统的分离方法(如盐析或有机 溶剂沉淀等)相比也有很大的优势，如以β-半乳 糖苷酶为例，用沉淀或双水相萃取纯化的比较 见下表。
双水相系统：某些亲水性高分子聚合物
的水溶液超过一定浓度后可形成两相系 统。 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 应用：蛋白质特别是胞内蛋白质的分离 纯化。
Chapter 4 萃 取 Solvent Extraction
萃取是生物分离中常用的单元操作 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
何谓萃取
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，从而达到
溶剂萃取法-生物分离工程99页PPT
溶剂萃取法-生物分离工程
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
99
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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生化分离工程2萃取分离1
2005-3-21 19
某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后 可形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即 形成双水相系统(two aqueous phase system)。利 用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性 质，Albertsson于50年代后期开发了双水相萃取法 (two aqueous phase extraction)，又称双水相分配 法(two aqueous phase partitioning)。 70年代以后，Kula，Hustedt和Johansson等发展了 双水相萃取技术在生物分离过程中的应用，为蛋白 质特别是胞内蛋白质的分离与纯化开辟了新的途径。 现在的研究已涉及到酶、核酸、生长激素、病毒等 各种物质的分离和提纯。
2005-3-21 6
水相条件的影响
由于产物所在的水相中往往还存在与产物性质 相近的杂质、未完全利用的底物、无机盐、其 他营养成分等。必须考虑这些物质对萃取过程 的影响。 (1) pH值 根据式(2-2)、(2-3)可见，pH值直接影响表观 分配系数。pH除影响K外，还可能对选择性有 影响。如青霉素在pH 2萃取时，乙酸丁酯萃取 液中青霉烯酸可达青霉素含量的12.5％，而在 pH 3的条件下萃取，则可降低至4％。另外， pH值还应尽量选择在使产物稳定的范围内。 7 2005-3-21
(2) 温度
温度会影响生化物质的稳定性。 影响分配系数K。
(3) 盐析
无机盐类如硫酸铵、氯化钠等一般可降低产物 在水中的溶解度而使其更易于转入有机溶剂相 中，另一方面还能减小有机溶剂在水相中的溶 解度。如提取维生素B12时，加入硫铵，可促使 维生素B12自水相转移到有机相中；提取青霉素 时加入NaCl，也有利于青霉素从水相转移到有 机溶剂相中。 2005-3-21 8
某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后 可形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即 形成双水相系统(two aqueous phase system)。利 用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性 质，Albertsson于50年代后期开发了双水相萃取法 (two aqueous phase extraction)，又称双水相分配 法(two aqueous phase partitioning)。 70年代以后，Kula，Hustedt和Johansson等发展了 双水相萃取技术在生物分离过程中的应用，为蛋白 质特别是胞内蛋白质的分离与纯化开辟了新的途径。 现在的研究已涉及到酶、核酸、生长激素、病毒等 各种物质的分离和提纯。
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水相条件的影响
由于产物所在的水相中往往还存在与产物性质 相近的杂质、未完全利用的底物、无机盐、其 他营养成分等。必须考虑这些物质对萃取过程 的影响。 (1) pH值 根据式(2-2)、(2-3)可见，pH值直接影响表观 分配系数。pH除影响K外，还可能对选择性有 影响。如青霉素在pH 2萃取时，乙酸丁酯萃取 液中青霉烯酸可达青霉素含量的12.5％，而在 pH 3的条件下萃取，则可降低至4％。另外， pH值还应尽量选择在使产物稳定的范围内。 7 2005-3-21
(2) 温度
温度会影响生化物质的稳定性。 影响分配系数K。
(3) 盐析
无机盐类如硫酸铵、氯化钠等一般可降低产物 在水中的溶解度而使其更易于转入有机溶剂相 中，另一方面还能减小有机溶剂在水相中的溶 解度。如提取维生素B12时，加入硫铵，可促使 维生素B12自水相转移到有机相中；提取青霉素 时加入NaCl，也有利于青霉素从水相转移到有 机溶剂相中。 2005-3-21 8
【重点】生物分离工程
生物分离工程：生物化工产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得，从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程。
研究内容：是研究生化工业中生物制品分离和纯化的工程技术学科，主要讲授传质与生化分离工程的原理应用，以及生化分离该过程中一些主要的分离单元操作和分离工程领域的研究进展及其动态；重点讲授发酵液的预处理、细胞破碎、溶剂萃取法、双水相萃取法、反胶束萃取法、凝胶萃取法、超临界流体萃取法、离子交换法、层析分离法、膜分离法、蒸发、结晶和干燥等单元操作原理及其在生物工程技术领域的应用。
根据分离过程的基本原理．分离操作可分机械分离和传质分离两大类。
机械分离的对象是非均相物系，根据物质的大小、密度的差异进行分离，如过滤、重力沉降和离心沉降等。
传质分离的对象主要是均相物系，又分输送分离和扩散分离两种。
输送分离根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实现分离，又称速度分离法，其传质推动力主要有压力差、电位梯度和磁场梯度等，如超滤、反渗透、电渗析、电泳和磁泳等。
扩散分离根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分离，又称平衡分离法，传质推动力为偏离平衡态的浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离了交换等生物分离工程特点：1必须设计合理的分离过程和操作条件，实现目标产物的快速分离纯化，获得高活性目标产品。
2必须出去原料液中含有的热源及具有免疫原性的异体蛋白质等有害人类健康的物质，并且防止这些物质在分离操作过程中从外界混入3优化设计分离过程和各个分离操作，并努力开发和应用新型高效的分离纯化技术4对原料液进行高度浓缩。
5生物物质的生物活性大多是在生物体内的温和条件下维持并发挥作用的,当遇到高温,PH值的改变以及某些化学药物存在等周围环境的急剧变化时极不稳定，容易发生活性的降低甚至丧失发酵液预处理的目的：1改变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器效率2尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数为液相）3去除发酵液中部分杂质，以利于后续步骤操作。
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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
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 亲油基团 亲油 亲水亲水基团伸向水中，亲油基 Nhomakorabea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
求: pH4.4 pH2.5 pH2.0时的K? 47 1 pH4.4时: K 4 .4 2 .75 1 10 pH2.5时: K=30 pH2.0时: K=39.9 ∴ pH↓K↑ 解释原理: pH < pK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 萃取 反萃取 生化物质的稳定性 乳化程度 pH<pK pH>pK 碱性物质 pH>pK pH<pK
溶剂萃取概述
萃取过程
溶质Ａ
料液 ｝ 稀释剂Ｂ
萃取液Ｓ＋Ａ(B)
溶剂Ｓ
萃余液Ｂ＋Ａ(s)
Light phase
溶剂萃取概述
杂质
溶质 萃取剂 原溶剂
Heavy phase
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（Back extraction)
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
萃取的基本概念
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称为。
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
18.1 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
K C1 C2 萃取相的浓度 萃余相的浓度
丁酯逆流萃取
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
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？
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 ＋10 pH － pK ) 弱酸的表观分配系数： K=K0 /(1 ＋10 pK － pH ) 对于弱酸：pH< pK 时，分配系数大 对于弱碱：pH> pK 时，分配系数大 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
◆ 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↓；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； spm的丁酯萃取液 + 饱和盐水洗涤， 减少spm在水中溶解度；消除有机相水滴；分相容易。
举例：
青霉素 ( pK2.75 ) 工业钾盐 ：
预处理及过滤
发酵液
滤洗液
调
萃 取
pH2.02.5 1/3 v/v
丁酯逆流萃取
萃取液
NaCl 盐析脱水
丁酯逆流萃取
结晶液
活性炭脱色
共沸蒸馏结晶
pen－k 成品
红霉素( pK9.4 ) ：
预处理和过滤 萃 取
发酵液
滤液
调 pH9.810.2, 1/4V/V
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。
碱性
酸性(pK酸杂<pK生) 碱性(pK碱杂>pK生)
碱性(pK碱杂<pK生)
2. 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↑
与杂质的分离程度归纳
生化物质 酸性 杂 质 碱性(pK碱杂>pK生) 酸性(pK酸杂<pK生) 酸性(pK酸杂>pK生) 萃取操作条件的控制 萃取时 杂质自然除去 pK酸杂 < pH < pK生 萃取时无法去除 反萃取pK酸杂>pH > pK生 萃取时杂质自然除去 pK碱杂 > pH > pK生 萃取时无法去除 反萃取pK碱杂 <pH < pK生
溶剂萃取概述
实验室液液萃取过程
分液漏斗
有机相 水相
一般工业液液萃取过程
萃取液 （待分离物 质＋少量杂质 洗 涤 剂 萃 取 洗 涤 反 萃 剂 待 萃 物 质 萃取剂＋稀释剂 （待返回使用） 反 萃 取
料液 （待分离物 质＋杂质
萃取剂 ＋稀释剂 杂质+少量 待萃物质
产物（待萃物质） 萃残液 （杂质）
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 ② ③ ④
成分复杂 传质速率不同 相分离性能不同 产物的不稳定性
溶剂萃取法的特点
萃取过程有选择性 能与其它步聚相配合
思考题： 将青霉素由水相萃取到丁酯相中，其pK=2.75，萃取条 件：pH=2.5，T=10℃，VF∶VS = 1∶1，测得萃取前发酵 液（水相）效价20000 u/ml，平衡后废液效价645.2 u/ml，求分配系数K和K0
弱酸的表观分配系数：K=K0 /(1 ＋10 pH － pK ) 弱酸的表观分配系数： K=K0 /(1 ＋10 pK － pH )
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
K K0
Kp
H =K H
/(1 ＋10 pH － pK ) 0
对于弱碱性电解质
K K0 Kp K
p
H
=K0 /(1 ＋10 pK － 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。
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。
乳化
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
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。
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。
解度比水中大
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？
青霉素 酸碱性 pH<pK pH>pK 弱酸性(2.75) 游离分子 ―–‖ 红霉素 弱碱性(9.4) “+‖ 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
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。
Kp=
弱酸性电解质K0＝ [AH]/[AH]= 弱碱性电解质K0 ＝ [B]/[B]=