生物分离工程萃取
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生物分离工程萃取
溶剂萃取法广泛应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等 发酵产物工业规模的提取上。
优点 a) 比化学沉淀法分离程度高； b) 比离子交换法选择性好、传质快； c) 比蒸馏法能耗低； d) 生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动 化控制。
溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型 分离技术：
浸取的过程：
溶剂传递到固体颗粒表面； 溶剂扩散到固体内部微孔隙中； 溶质溶解到溶剂中； 溶质通过固体微孔隙通道扩散到固体表面，并进入溶剂
主体。 一般而言，第一、二两步都很迅速，不是浸取过程
总速率的控制性步骤。 溶质通过多孔固体的扩散可用有效扩散系数来描述，
而有效扩散系数与Fick定律有关。
液-液萃取： 溶剂萃取、双水相萃取、反胶团萃取、液膜萃取等
超临界萃取
萃取方法
液-固萃取
表1 几种萃取方法的料中有 多用于提取存在于胞内的有效
用成分的扩散分离操作。
成分。
溶剂萃取
利用溶质在两个互不混溶的液 相（通常为水相和有机溶剂相） 可用于有机酸、氨基酸、维生 中溶解度和分配性质上的差异进 素等生物小分子的分离纯化。 行的分离操作。
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，
❖ 萃取操作可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，甚 至获得纯的天然产物。
溶剂萃取法
利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水 相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行 分离操作的。
反胶团的亲水微环境中。
-
液膜萃取
超临界流体萃取
液膜能将与之不互溶的液体分 适用于金属离子、烃类、有机
开，使其中一侧液体中的溶质选 酸、氨基酸和抗生素的分离及废
优点 a) 比化学沉淀法分离程度高； b) 比离子交换法选择性好、传质快； c) 比蒸馏法能耗低； d) 生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动 化控制。
溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型 分离技术：
浸取的过程：
溶剂传递到固体颗粒表面； 溶剂扩散到固体内部微孔隙中； 溶质溶解到溶剂中； 溶质通过固体微孔隙通道扩散到固体表面，并进入溶剂
主体。 一般而言，第一、二两步都很迅速，不是浸取过程
总速率的控制性步骤。 溶质通过多孔固体的扩散可用有效扩散系数来描述，
而有效扩散系数与Fick定律有关。
液-液萃取： 溶剂萃取、双水相萃取、反胶团萃取、液膜萃取等
超临界萃取
萃取方法
液-固萃取
表1 几种萃取方法的料中有 多用于提取存在于胞内的有效
用成分的扩散分离操作。
成分。
溶剂萃取
利用溶质在两个互不混溶的液 相（通常为水相和有机溶剂相） 可用于有机酸、氨基酸、维生 中溶解度和分配性质上的差异进 素等生物小分子的分离纯化。 行的分离操作。
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，
❖ 萃取操作可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，甚 至获得纯的天然产物。
溶剂萃取法
利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水 相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行 分离操作的。
反胶团的亲水微环境中。
-
液膜萃取
超临界流体萃取
液膜能将与之不互溶的液体分 适用于金属离子、烃类、有机
开，使其中一侧液体中的溶质选 酸、氨基酸和抗生素的分离及废
重庆大学生物分离工程_第五章 萃取
萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大的溶解度
Light phase 萃取剂 Heavy phase
杂质 溶质
原溶剂
化学萃取
利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应生 成脂溶性复合分子实现溶质向有机相分配的过 程。
萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和 络合反应等。
化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯 等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性 质，此时的有机溶剂称为稀释剂(diluent)。
再如图中，2.2％的葡聚糖水溶液与等体积的0.72 ％甲基纤维素钠的水溶液相混合并静置后，可得 到两个粘稠的液层。
葡聚糖与甲基纤维素钠的双水相体系
上述现象称为聚合物的不相溶性 (incompatibility)。如果多种不相溶的聚合物混 在一起，就可得到多相体系，如硫酸葡聚糖、 葡聚糖、羟丙基葡聚糖和聚乙二醇相混时，可 形成四相体系。
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。
双水相萃取
(Aqueous Two Phase Extraction)
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)。
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)。
(2) 温度
Light phase 萃取剂 Heavy phase
杂质 溶质
原溶剂
化学萃取
利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应生 成脂溶性复合分子实现溶质向有机相分配的过 程。
萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和 络合反应等。
化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯 等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性 质，此时的有机溶剂称为稀释剂(diluent)。
再如图中，2.2％的葡聚糖水溶液与等体积的0.72 ％甲基纤维素钠的水溶液相混合并静置后，可得 到两个粘稠的液层。
葡聚糖与甲基纤维素钠的双水相体系
上述现象称为聚合物的不相溶性 (incompatibility)。如果多种不相溶的聚合物混 在一起，就可得到多相体系，如硫酸葡聚糖、 葡聚糖、羟丙基葡聚糖和聚乙二醇相混时，可 形成四相体系。
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。
双水相萃取
(Aqueous Two Phase Extraction)
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)。
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)。
(2) 温度
第03章 萃取分离技术 生物分离工程ppt
重要的。 K与温度、压力以及溶质和溶剂性质有关， 与溶质 的浓度无关。K的大小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。
ln K ln KE ln KH ln K A (3-80)
其中，KE，KH和KA分别为静电作用、疏水作用和生物亲和作用对 分配系数K的贡献。
影响分配系数的因素很多，加上各因素间又 互相影响， 定量地将蛋白质的一些分子性质与 分配系数关联起来是困难的。最佳的双水相操 作条件，还需要依靠实验来获得。
3.4.3 影响分配系数的各种因素
影响生物分子分配系数的因素很多：成相聚合物的分子 量和浓度、体系的pH、体系中盐的种类和浓度、 菌体或细 胞的种类和浓度、温度等等。 选择合适的条件，可以达到 较高的分配系数，选择性地萃取目标产物。
三步萃取流程示意图
如果第1步的选择性足 够大，可省略中间步 骤，在第3步中即将目 标产物分配于盐相， 以使目标产物与PEG分 离，便于PEG重复利用 和目标产物的进一步 加工处理。
连续双水相萃取流程
3.5 反微团萃取(Reversed micellar extraction)
3.5.1 反微团及其基本性质
20
PEG/盐 93 3.2 3.4
25
3．相平衡与相分离
双水相萃取过程包括：双水相的形成、溶质在双水相中的 分配和双水相的分离。
萃取在混合澄清槽或萃取塔中进行： 将固状(或浓 缩的)聚合物和盐直接加入到细胞匀浆液中，同时进行 机械搅拌使成相物质溶解，形成双水相。由于常用的 双 水 相 系 统 的 表 面 张 力 很 小 ( 如 PEG／ 盐 系 统 为 0 . 1 ~1mN／cm；PEG／Dex系统为1×10-4~0.1mN／cm)， 相间混合所需能量很低，通过机械搅拌容易分散成微 小液滴，相间比表面积极大。达到相平衡需时间很短 ，一般只露几秒钟。搅拌时只需较小的剪切力就能得 到分散度很高的悬浮液，能耗小。
ln K ln KE ln KH ln K A (3-80)
其中，KE，KH和KA分别为静电作用、疏水作用和生物亲和作用对 分配系数K的贡献。
影响分配系数的因素很多，加上各因素间又 互相影响， 定量地将蛋白质的一些分子性质与 分配系数关联起来是困难的。最佳的双水相操 作条件，还需要依靠实验来获得。
3.4.3 影响分配系数的各种因素
影响生物分子分配系数的因素很多：成相聚合物的分子 量和浓度、体系的pH、体系中盐的种类和浓度、 菌体或细 胞的种类和浓度、温度等等。 选择合适的条件，可以达到 较高的分配系数，选择性地萃取目标产物。
三步萃取流程示意图
如果第1步的选择性足 够大，可省略中间步 骤，在第3步中即将目 标产物分配于盐相， 以使目标产物与PEG分 离，便于PEG重复利用 和目标产物的进一步 加工处理。
连续双水相萃取流程
3.5 反微团萃取(Reversed micellar extraction)
3.5.1 反微团及其基本性质
20
PEG/盐 93 3.2 3.4
25
3．相平衡与相分离
双水相萃取过程包括：双水相的形成、溶质在双水相中的 分配和双水相的分离。
萃取在混合澄清槽或萃取塔中进行： 将固状(或浓 缩的)聚合物和盐直接加入到细胞匀浆液中，同时进行 机械搅拌使成相物质溶解，形成双水相。由于常用的 双 水 相 系 统 的 表 面 张 力 很 小 ( 如 PEG／ 盐 系 统 为 0 . 1 ~1mN／cm；PEG／Dex系统为1×10-4~0.1mN／cm)， 相间混合所需能量很低，通过机械搅拌容易分散成微 小液滴，相间比表面积极大。达到相平衡需时间很短 ，一般只露几秒钟。搅拌时只需较小的剪切力就能得 到分散度很高的悬浮液，能耗小。
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
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5章-萃取技术
多级错流 多级萃取 操作方式 多级逆流
单级萃取
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。
X S VS CS VS 1 ★ 萃取因素： E 萃取液溶质总量 ＝ ＝K K 萃余液溶质总量 XF VF CF VF m
单级萃取
单级萃取：只包括一个混合器和一个分离器
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 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。
弱电解质在有机溶剂-水相的分配平衡
分配系数中CO和CW 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。
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，故和 错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液 平均浓度较高。
有机溶剂萃取的影响因素
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pH << pK时，K→K0
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 pH<pK pH>pK 碱性物质 pH>pK pH<pK
单级萃取
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。
X S VS CS VS 1 ★ 萃取因素： E 萃取液溶质总量 ＝ ＝K K 萃余液溶质总量 XF VF CF VF m
单级萃取
单级萃取：只包括一个混合器和一个分离器
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 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。
弱电解质在有机溶剂-水相的分配平衡
分配系数中CO和CW 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。
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，故和 错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液 平均浓度较高。
有机溶剂萃取的影响因素
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pH << pK时，K→K0
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 pH<pK pH>pK 碱性物质 pH>pK pH<pK
生物分离工程 第五章 萃取
多级逆流萃取
L1, y0 1 H, x1
y1 2 x2
y2
yn-2 n-1
yn-1 n xn
yn, L
x3
xn-1
xn+1, H
确定要达到一定的回收率所需萃取的级数
E=kL/H （E萃取因子，k分配系数） 1- φn= (En+1-E)/ (En+1-1) 1- φn=n/(n+1) (φ萃余分数）(E=1时，据罗比塔极限法得之）
and Solid phase extraction.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，从而达到分离的目的 （萃取剂、萃 取液、萃余液）
The extraction classifications萃取的分类：
By physical conditions of extract solvents and materials: L-L extraction, L-S extraction and SFE根据萃取剂和原料的物理状态分：液液萃取（有机溶剂萃取、 双水相萃取、液膜萃取和反胶束萃取等），液固萃取，超临界流体萃取等
表面活性剂：稳定油水分界面的重要组成，相当于生物膜类脂双
分子层的亲水端，含量在1%-5%
流动载体：相当于生物膜的蛋白质载体 膜增强剂：
液膜分类（p87-88） 乳状液膜：（W/O)/W型和(O/W)/O型，在生物分离中主要是（W/O)/W
型
支撑液膜： 流动液膜： 液膜萃取机理 单纯迁移：又称物理渗透
By extraction flowsheet: single stage extraction and multistage extraction.根
生物分离工程第7章-萃取
精不流失。 19、可加CIP自动清洗。 20、若使用酒精，可加防爆装置。 21、可加装精油回收装置。
CTL型离心萃取机是新一代圆筒式离心萃取机， 处理能力大、功耗低、运转平稳、清洗维护方便； 可单机使用，也可多机串联使用，该机还可根据不 同萃取体系及使用条件通过调整转速、搅拌浆及重 相堰直径等参数来改善萃取时两相混合程度及分离 效果和萃取效率。可完全替代萃取塔等传统萃取设 备。 该机工作包括两个过程即混合传质过程与两相分离 过程，而这两个过程都是在同一机内完成的。
适用于脂肪酸、植物碱、醚类、 酮类、甘油酯、芳香成分等物质 的萃取分离。
第一节 液-固萃取
液-固萃取又叫浸取或浸出，是将固相物质萃 取到溶剂相中，在许多行业中得到应用。
产物
咖啡 果汁 药酒 大豆蛋白
表2 浸取的应用举例
固体
溶质
粗烤咖啡 水果
中药材 豆粉
咖啡溶质 果汁
药用成分 蛋白质
溶剂
水 水 酒 NaOH溶液
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，
❖ 萃取操作可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，甚 至获得纯的天然产物。
溶剂萃取法
利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水 相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行 分离操作的。
浸取的影响因素
1．相平衡 浸取过程中的相平衡用分配系数KD表示 KD ＝y / x
y——达到平衡时溶质在液相中的浓度 x——平衡时溶质在固相中的浓度 2．溶剂的选择
KD大且对目的物质的选择性高，溶剂的价格应低廉，无腐蚀性， 无毒，闪点高，无爆炸性，产品中易去除,容易回收。 3．增溶作用
原先不溶或难溶性的生物大分子物质向可溶性的、分子量较小的 生物物质转变，但不能过度。也有向不溶性转变的。 4．固体原料的预处理： 如粉碎、干燥等。
CTL型离心萃取机是新一代圆筒式离心萃取机， 处理能力大、功耗低、运转平稳、清洗维护方便； 可单机使用，也可多机串联使用，该机还可根据不 同萃取体系及使用条件通过调整转速、搅拌浆及重 相堰直径等参数来改善萃取时两相混合程度及分离 效果和萃取效率。可完全替代萃取塔等传统萃取设 备。 该机工作包括两个过程即混合传质过程与两相分离 过程，而这两个过程都是在同一机内完成的。
适用于脂肪酸、植物碱、醚类、 酮类、甘油酯、芳香成分等物质 的萃取分离。
第一节 液-固萃取
液-固萃取又叫浸取或浸出，是将固相物质萃 取到溶剂相中，在许多行业中得到应用。
产物
咖啡 果汁 药酒 大豆蛋白
表2 浸取的应用举例
固体
溶质
粗烤咖啡 水果
中药材 豆粉
咖啡溶质 果汁
药用成分 蛋白质
溶剂
水 水 酒 NaOH溶液
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，
❖ 萃取操作可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，甚 至获得纯的天然产物。
溶剂萃取法
利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水 相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行 分离操作的。
浸取的影响因素
1．相平衡 浸取过程中的相平衡用分配系数KD表示 KD ＝y / x
y——达到平衡时溶质在液相中的浓度 x——平衡时溶质在固相中的浓度 2．溶剂的选择
KD大且对目的物质的选择性高，溶剂的价格应低廉，无腐蚀性， 无毒，闪点高，无爆炸性，产品中易去除,容易回收。 3．增溶作用
原先不溶或难溶性的生物大分子物质向可溶性的、分子量较小的 生物物质转变，但不能过度。也有向不溶性转变的。 4．固体原料的预处理： 如粉碎、干燥等。
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
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：
有机溶剂萃取法生物分离工程
萃取的基本概念
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称为。
实验室液液萃取过程
∴ 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 碱性物质
萃取 反萃取
ห้องสมุดไป่ตู้
pH<pK pH>pK
生化物质的稳定性
pH>pK pH<pK
乳化程度
● 控制pH，去除杂质
例: pen 当pH<pK时, 萃取→丁酯中
◆ 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。
例如青霉素在水中部分离解成负离子（青COO－），而在 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。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：
生物分离与纯化技术(生化工艺)第3章 萃取技术
反胶团溶液形成的条件和特性
阴离子表面活性剂
在反胶束萃取蛋白质的研究中，用得最多的是阴离子表 面活性剂AOT(AerosolOT)，其化学名为丁二酸－2－乙基 己基磺酸钠
该表面活性剂容易获得，其特点是具有双链，极性基 团较小、能自发形成反胶团，并且所形成的反胶束较 大，半径为170nm，有利于大分子蛋白质进入。
• ③溶剂回收很简便，并能大大节省能源。 • ④可不在高温下操作产品中无其他物质残留。
超临界流体萃取的流程
流量 计 分 萃 高压 泵
二 氧 化 碳 气 瓶
解 析 釜
解 析 釜 离 柱
取 釜
冷箱
贮 罐
夹 带 剂 罐
高压 泵
超临界流体萃取的流程
• 超临界流体萃取过程中，产物回收工 艺p49 1. 等温变压 2. 等压变温 3. 恒温恒压
反萃取：萃取完成后，为了从萃取相中回收产物，
重新将产物转移至水相的操作
按萃取剂分类：溶剂萃取、超临界流体萃取、反
胶团萃取、双水相萃取等 按原料：液-液萃取、液-固萃取
一、基本概念与分类
分配定律与分配系数
K C1 萃取相的浓度 C2 萃余相的浓度
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，在两 相中的平衡浓度之比为常数
三．影响分配的因素
（4） pH：上下两相间存在相间电位，而pH 影响蛋白质等两性分子所带电荷
（5） 温度的影响(分相条件，粘度)
四．双水相萃取的操作过程
双水相萃取与有机溶剂萃取操作几乎完全 相同，也包括混合、相分离、溶剂与产物回收 三个步骤。 1.产物提取：先将产物分配在PEG相，经相分离 后重新加盐，使蛋白分配到无机盐相，再超滤 或透析脱盐 2.PEG回收：离子交换去除PEG中的离子 3.无机盐回收：结晶或膜分离
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因而得到细小的晶体，甚至无定形；
9.6.3 晶体生长
反之，如果晶体生长速度超过晶核形成速 度，则得到粗大而均匀的晶体。在实际生
产中，一般希望得到粗大而均匀的晶体，
因为这样的晶体便于以后的过滤、洗涤、
干燥等操作，且产品质量也较高。
9.6.3 晶体生长
（1）影响晶体生长速度的主要因素
有杂质、过饱和度、温度、搅拌速度等。 响，有的杂质能完全制止晶体的生长；有 的则能促进生长。
9.6.2 晶核的形成
（1）晶核 是在过饱和溶液中最先析出的微
小颗粒，是以后结晶的中心。
（2）晶核的大小
微米。 （3）成核速度
通常在几个纳米至几十个
单位时间内在单位体积溶液
中生成的新晶核的数目，称为成核速度。
9.6.2 晶核的形成
成核速度是决定晶体产品粒度的首要因素。
工业结晶过程要求有一定的成核速度，如果
小和均匀度。
9.6.3 晶体生长
但首先晶种自身应有一定的形状、大小和 比较均匀，不仅如此，加入晶种还可使晶 核的生成提前，也就是说所需的过饱和度 可以比不加晶种时低很多。所以，在工业 生产中如遇到由于结晶液浓度太低而使结 晶发生困难时，可适当加入些晶种，能使 结晶顺利进行。
9.7 结晶的步骤
9.4 结晶的基本原理
但是，当溶液过饱和的速度过快时，溶质分子聚
集太快，便会产生无定形的沉淀。如果控制溶液
缓慢地达到过饱和点，溶质分子就可能排列到晶
格中，形成结晶。
所以，在操作上必须注意：①要调整溶液，使之 缓慢地趋向于过饱和点。②调整溶液的性质和环 境条件，使尽可能多的溶质分子相互接触，形成 结晶。
a 母液带入；b 杂质包埋； c 单晶中包含母液； d 杂质取代晶格分子 改变成核和生长速度，控
（ 2 ）晶体大小分布 制过饱和度进程。
9.11 结晶技术的进展
1 ）理论方面：动力学，热力学，分子模 拟 2）新技术推广
a 超临界结晶 b 膜结晶 c 超声结晶
结晶产品
柠檬酸
（4）pH
一般来说，两性生化物质在等电点附近溶解度低，
有利于达到过饱和而使晶体析出，所选择pH在生
化物质稳定范围内，应尽量接近其等电点。例如： 5％的溶菌酶溶液，调pH为9.5～10，在4℃放置过 夜便析出晶体。
9.9 影响结晶析出的因素
（5）温度
对于生物活性物质，一般要求在较低的温 度下结晶。低温可使溶质溶解度降低，有 利于溶质的饱和，还可以避免细菌繁殖。 所以生化物质的结晶温度一般控制在0～ 20℃，对富含有机溶剂的结晶体系则要求
9.9 影响结晶析出的因素
另外，溶液浓度过高相应的杂质浓度也高，
容易生成纯度较差的粉末结晶。因此，溶
液的浓度应根据工艺和具体实验确定。一
般地说，生物大分子的浓度控制在3％～5
％比较适宜，小分子物质如氨基酸浓度可
适当增大。
9.9 影响结晶析出的因素
（2）样品纯度
大多数情况下，结晶是同种分子的有序堆 砌，多数生物分子需要有一定的纯度才能 够结晶析出，一般到50％以上。纯度越高 越容易结晶。
1）杂质 杂质的存在对晶体生长有很大的影
9.6.3 晶体生长
2）过饱和度 过饱和度增高一般会使结晶速
度增大，但同时黏度增加，结晶速度受阻。
3）温度 温度升高有利于扩散，因而结晶速
度增快。经验还表明，温度对晶体生长速
度的影响要比成核速度显著，所以在低温
下结晶得到的晶体较细小。
9.6.3 晶体生长
4）搅拌 搅拌能促进扩散，加快晶体生长，
第9章 结晶 （Crystalization）
9.1 结晶的概念
结晶是指溶液中的溶质在一定条件下，因
分子有规则的排列而结合成的晶体。晶体
的化学成分均一，具有各种对称的晶体，
其特征为离子和分子在空间晶格的结点上
呈规则的排列。
9.1 结晶的概念
固体有结晶和无定形两种状态。结晶：析 出速度慢，溶质分子有足够时间进行排列，
对于蛋白质、酶和核酸等生物大分子，使用较多 的是硫酸铵溶液、氯化钠溶液、磷酸缓冲溶液、
Tris缓冲溶液和丙酮、乙醇等。
有时需要考虑使用混合溶剂。操作时先将样品用
溶解度较大的溶剂溶解，再缓慢地分次少量加入
对样品溶解度小的溶剂，到产生浑浊为止，然后 放臵或冷却即可获得结晶。
9.9 影响结晶析出的因素
更低的温度。
9.9 影响结晶析出的因素
但有时温度过低时，由于溶液黏度增大会 使结晶速度变慢，这时可在析出晶体后，
适当升高温度。另外，通过降温促使结晶
时，降温快，则结晶颗粒小；降温慢，则
结晶颗粒大。
9.10 结晶过程的预测与改善
（1）产率
纯度。
提高起始浓度，降低溶解度，提高
杂质的存在原因：
成核速度超过要求将导致细小晶体生成，影
响产品质量。
9.6.2 晶核的形成
（4）影响成核速度的因素 1）温度 在一定的温度下成核速度随过饱 和度的增加而加快。 2）过饱和度 在过饱和度不变的情况下， 温度升高，成核速度增加。但是温度对过 饱和度也有影响，一般当温度升高时，过 饱和度降低。
9.6.2 晶核的形成
∣
离 子
交
换 法
工
艺 流
程
9.3 结晶的特点
选择性好； 纯度高； 设备简单，操作方便； 影响因素多。
9.4 结晶的基本原理
当溶液处于过饱和状态时，分子间的分散 或排斥作用小于分子间的相互吸引作用， 便开始形成沉淀或结晶。由于溶液的过饱 和，维持水合物的水分子相对减少而且不 足，溶质分子相互接触机会增加而聚集。
9.6 结晶的过程
过饱和溶液的形成； 晶核生成； 晶体的生长。
9.6.1 过饱和溶液的形成方法
（ 1 ）冷却 （ 适合溶解度随温度降低而显著 减小的溶液 ）； （2）溶剂蒸发（溶解度随温度的降低变化 不大或溶解度随温度升高而降低的情况； （3）改变溶剂性质； （4）化学反应产生低溶解度物质。
粒子排列有规则；无定形固体：析出速度
快，粒子排列无规则。
9.2 结晶的应用范围
由于只有同类分子或离子才能排列成晶体， 所以通过结晶，溶液中的大部分杂质会留
在母液中，使产品得到纯化。因此，结晶
是制备纯物质的有效方法。
在生物技术中，结晶主要用于抗生素、氨
基酸、有机酸等小分子的精制生产中。
等 电 点
3）溶质种类 对于无机盐类，一般阳离
子或阴离子的化合价越大，越不容易成核；
在相同化合价下，含结晶水越多，越不容
易成核。对于有机物质，一般结构越复杂，
相对分子质量越大，成核速度越慢。例如：
过饱和度很高的蔗糖溶液长时间不析出。
9.6.2 晶核的形成
（5）晶核的诱导
自动成核的机会很少，添加晶种能诱导结 晶，晶种可以是同种物质或相同晶形的物 质，有时惰性的无定形物质也可作为结晶
9.9 影响结晶析出的因素
（3）溶剂
溶剂对于晶体能否形成和晶体质量的影响十分显
著。故选用合适的溶剂是结晶首先考虑的问题。
对于大多数生物小分子来说，水、乙醇、甲醇、
丙酮、氯仿、乙酸乙酯、异丙醇、丁醇、乙醛等
溶剂使用较多。尤其是乙醇，既亲水又亲脂，而 且价格便宜、安全无毒，所以应用较多。
9.9 影响结晶析出的因素
9.5 结晶理论
图9-1是物质的饱和曲线与过饱和曲线。
A 稳定区： 不饱和区 B 第一介稳区：加入晶种结晶会生长，但不产 新晶核 C 第二介稳区：加入晶种结晶会生长，同时有 新晶核产生 D 不稳区：瞬时出现大量微小晶核，发生晶核 泛滥Biblioteka 图9-1 饱和曲线与过饱和曲线
A- 稳定区（不饱和区）； B- 第一介稳区； C -第二介稳区； D-不稳区
9.6.3 晶体生长
在过饱和溶液中已有晶核形成或加入晶
种后，以过饱和度为推动力，晶核或晶
种将长大，这种现象称为晶体生长。
9.6.3 晶体生长
晶体生长速度也是影响晶体产品粒度大小 的一个重要因素。因为晶核形成后立即开
始生长成晶体，同时新的晶核还在继续形
成，如果晶核形成速度大大超过晶体生长
速度，则过饱和度主要用来生成新的晶核，
生产能力多变； 晶体粒度及分布可控； 较好的冷却与加热装置； 产品质量稳定并使损耗减少到最小。
9.9 影响结晶析出的因素
（1）溶液浓度
结晶要以过饱和度为推动力，所以目的物
的浓度是结晶的首要条件。溶液浓度高，
结晶收率高，但溶液浓度过高时，结晶物
的分子在溶液中聚集析出的速度超过这些
分子形成晶核的速度，便得不到晶体，只 能获得一些无定形固体微粒。
的中心，如尘埃也能导致结晶。
9.6.2 晶核的形成
初级成核:过饱和溶液中的自发成核现象； a. 均相成核：没有外来表面的均相溶液中 b. 非均相成核：外来表面的溶液中 二次成核：向介稳态过饱和溶液中加入晶种， 会有新晶核产生。 机理 : 附着在晶体表面的微小晶体受到剪切 作用或碰撞而脱离晶体，形成新的晶核。
结晶器的清洁；
加料到结晶器中；
产生过饱和度； 成核与晶体生长； 晶体的排出。
9.8 结晶操作
(1)分批结晶
分批结晶优点：生产出指定纯度，粒度分 布及晶形的产品。 缺点：成本高，操作和产品质量稳定性差。
9.8 结晶操作
(2) 连续结晶特点
较好地利用劳动力；
9.6.3 晶体生长
反之，如果晶体生长速度超过晶核形成速 度，则得到粗大而均匀的晶体。在实际生
产中，一般希望得到粗大而均匀的晶体，
因为这样的晶体便于以后的过滤、洗涤、
干燥等操作，且产品质量也较高。
9.6.3 晶体生长
（1）影响晶体生长速度的主要因素
有杂质、过饱和度、温度、搅拌速度等。 响，有的杂质能完全制止晶体的生长；有 的则能促进生长。
9.6.2 晶核的形成
（1）晶核 是在过饱和溶液中最先析出的微
小颗粒，是以后结晶的中心。
（2）晶核的大小
微米。 （3）成核速度
通常在几个纳米至几十个
单位时间内在单位体积溶液
中生成的新晶核的数目，称为成核速度。
9.6.2 晶核的形成
成核速度是决定晶体产品粒度的首要因素。
工业结晶过程要求有一定的成核速度，如果
小和均匀度。
9.6.3 晶体生长
但首先晶种自身应有一定的形状、大小和 比较均匀，不仅如此，加入晶种还可使晶 核的生成提前，也就是说所需的过饱和度 可以比不加晶种时低很多。所以，在工业 生产中如遇到由于结晶液浓度太低而使结 晶发生困难时，可适当加入些晶种，能使 结晶顺利进行。
9.7 结晶的步骤
9.4 结晶的基本原理
但是，当溶液过饱和的速度过快时，溶质分子聚
集太快，便会产生无定形的沉淀。如果控制溶液
缓慢地达到过饱和点，溶质分子就可能排列到晶
格中，形成结晶。
所以，在操作上必须注意：①要调整溶液，使之 缓慢地趋向于过饱和点。②调整溶液的性质和环 境条件，使尽可能多的溶质分子相互接触，形成 结晶。
a 母液带入；b 杂质包埋； c 单晶中包含母液； d 杂质取代晶格分子 改变成核和生长速度，控
（ 2 ）晶体大小分布 制过饱和度进程。
9.11 结晶技术的进展
1 ）理论方面：动力学，热力学，分子模 拟 2）新技术推广
a 超临界结晶 b 膜结晶 c 超声结晶
结晶产品
柠檬酸
（4）pH
一般来说，两性生化物质在等电点附近溶解度低，
有利于达到过饱和而使晶体析出，所选择pH在生
化物质稳定范围内，应尽量接近其等电点。例如： 5％的溶菌酶溶液，调pH为9.5～10，在4℃放置过 夜便析出晶体。
9.9 影响结晶析出的因素
（5）温度
对于生物活性物质，一般要求在较低的温 度下结晶。低温可使溶质溶解度降低，有 利于溶质的饱和，还可以避免细菌繁殖。 所以生化物质的结晶温度一般控制在0～ 20℃，对富含有机溶剂的结晶体系则要求
9.9 影响结晶析出的因素
另外，溶液浓度过高相应的杂质浓度也高，
容易生成纯度较差的粉末结晶。因此，溶
液的浓度应根据工艺和具体实验确定。一
般地说，生物大分子的浓度控制在3％～5
％比较适宜，小分子物质如氨基酸浓度可
适当增大。
9.9 影响结晶析出的因素
（2）样品纯度
大多数情况下，结晶是同种分子的有序堆 砌，多数生物分子需要有一定的纯度才能 够结晶析出，一般到50％以上。纯度越高 越容易结晶。
1）杂质 杂质的存在对晶体生长有很大的影
9.6.3 晶体生长
2）过饱和度 过饱和度增高一般会使结晶速
度增大，但同时黏度增加，结晶速度受阻。
3）温度 温度升高有利于扩散，因而结晶速
度增快。经验还表明，温度对晶体生长速
度的影响要比成核速度显著，所以在低温
下结晶得到的晶体较细小。
9.6.3 晶体生长
4）搅拌 搅拌能促进扩散，加快晶体生长，
第9章 结晶 （Crystalization）
9.1 结晶的概念
结晶是指溶液中的溶质在一定条件下，因
分子有规则的排列而结合成的晶体。晶体
的化学成分均一，具有各种对称的晶体，
其特征为离子和分子在空间晶格的结点上
呈规则的排列。
9.1 结晶的概念
固体有结晶和无定形两种状态。结晶：析 出速度慢，溶质分子有足够时间进行排列，
对于蛋白质、酶和核酸等生物大分子，使用较多 的是硫酸铵溶液、氯化钠溶液、磷酸缓冲溶液、
Tris缓冲溶液和丙酮、乙醇等。
有时需要考虑使用混合溶剂。操作时先将样品用
溶解度较大的溶剂溶解，再缓慢地分次少量加入
对样品溶解度小的溶剂，到产生浑浊为止，然后 放臵或冷却即可获得结晶。
9.9 影响结晶析出的因素
更低的温度。
9.9 影响结晶析出的因素
但有时温度过低时，由于溶液黏度增大会 使结晶速度变慢，这时可在析出晶体后，
适当升高温度。另外，通过降温促使结晶
时，降温快，则结晶颗粒小；降温慢，则
结晶颗粒大。
9.10 结晶过程的预测与改善
（1）产率
纯度。
提高起始浓度，降低溶解度，提高
杂质的存在原因：
成核速度超过要求将导致细小晶体生成，影
响产品质量。
9.6.2 晶核的形成
（4）影响成核速度的因素 1）温度 在一定的温度下成核速度随过饱 和度的增加而加快。 2）过饱和度 在过饱和度不变的情况下， 温度升高，成核速度增加。但是温度对过 饱和度也有影响，一般当温度升高时，过 饱和度降低。
9.6.2 晶核的形成
∣
离 子
交
换 法
工
艺 流
程
9.3 结晶的特点
选择性好； 纯度高； 设备简单，操作方便； 影响因素多。
9.4 结晶的基本原理
当溶液处于过饱和状态时，分子间的分散 或排斥作用小于分子间的相互吸引作用， 便开始形成沉淀或结晶。由于溶液的过饱 和，维持水合物的水分子相对减少而且不 足，溶质分子相互接触机会增加而聚集。
9.6 结晶的过程
过饱和溶液的形成； 晶核生成； 晶体的生长。
9.6.1 过饱和溶液的形成方法
（ 1 ）冷却 （ 适合溶解度随温度降低而显著 减小的溶液 ）； （2）溶剂蒸发（溶解度随温度的降低变化 不大或溶解度随温度升高而降低的情况； （3）改变溶剂性质； （4）化学反应产生低溶解度物质。
粒子排列有规则；无定形固体：析出速度
快，粒子排列无规则。
9.2 结晶的应用范围
由于只有同类分子或离子才能排列成晶体， 所以通过结晶，溶液中的大部分杂质会留
在母液中，使产品得到纯化。因此，结晶
是制备纯物质的有效方法。
在生物技术中，结晶主要用于抗生素、氨
基酸、有机酸等小分子的精制生产中。
等 电 点
3）溶质种类 对于无机盐类，一般阳离
子或阴离子的化合价越大，越不容易成核；
在相同化合价下，含结晶水越多，越不容
易成核。对于有机物质，一般结构越复杂，
相对分子质量越大，成核速度越慢。例如：
过饱和度很高的蔗糖溶液长时间不析出。
9.6.2 晶核的形成
（5）晶核的诱导
自动成核的机会很少，添加晶种能诱导结 晶，晶种可以是同种物质或相同晶形的物 质，有时惰性的无定形物质也可作为结晶
9.9 影响结晶析出的因素
（3）溶剂
溶剂对于晶体能否形成和晶体质量的影响十分显
著。故选用合适的溶剂是结晶首先考虑的问题。
对于大多数生物小分子来说，水、乙醇、甲醇、
丙酮、氯仿、乙酸乙酯、异丙醇、丁醇、乙醛等
溶剂使用较多。尤其是乙醇，既亲水又亲脂，而 且价格便宜、安全无毒，所以应用较多。
9.9 影响结晶析出的因素
9.5 结晶理论
图9-1是物质的饱和曲线与过饱和曲线。
A 稳定区： 不饱和区 B 第一介稳区：加入晶种结晶会生长，但不产 新晶核 C 第二介稳区：加入晶种结晶会生长，同时有 新晶核产生 D 不稳区：瞬时出现大量微小晶核，发生晶核 泛滥Biblioteka 图9-1 饱和曲线与过饱和曲线
A- 稳定区（不饱和区）； B- 第一介稳区； C -第二介稳区； D-不稳区
9.6.3 晶体生长
在过饱和溶液中已有晶核形成或加入晶
种后，以过饱和度为推动力，晶核或晶
种将长大，这种现象称为晶体生长。
9.6.3 晶体生长
晶体生长速度也是影响晶体产品粒度大小 的一个重要因素。因为晶核形成后立即开
始生长成晶体，同时新的晶核还在继续形
成，如果晶核形成速度大大超过晶体生长
速度，则过饱和度主要用来生成新的晶核，
生产能力多变； 晶体粒度及分布可控； 较好的冷却与加热装置； 产品质量稳定并使损耗减少到最小。
9.9 影响结晶析出的因素
（1）溶液浓度
结晶要以过饱和度为推动力，所以目的物
的浓度是结晶的首要条件。溶液浓度高，
结晶收率高，但溶液浓度过高时，结晶物
的分子在溶液中聚集析出的速度超过这些
分子形成晶核的速度，便得不到晶体，只 能获得一些无定形固体微粒。
的中心，如尘埃也能导致结晶。
9.6.2 晶核的形成
初级成核:过饱和溶液中的自发成核现象； a. 均相成核：没有外来表面的均相溶液中 b. 非均相成核：外来表面的溶液中 二次成核：向介稳态过饱和溶液中加入晶种， 会有新晶核产生。 机理 : 附着在晶体表面的微小晶体受到剪切 作用或碰撞而脱离晶体，形成新的晶核。
结晶器的清洁；
加料到结晶器中；
产生过饱和度； 成核与晶体生长； 晶体的排出。
9.8 结晶操作
(1)分批结晶
分批结晶优点：生产出指定纯度，粒度分 布及晶形的产品。 缺点：成本高，操作和产品质量稳定性差。
9.8 结晶操作
(2) 连续结晶特点
较好地利用劳动力；