生物分离工程萃取
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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
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
生物分离工程第四章萃取
• 分配常数为：
四、有机溶剂萃取
• 一般测定的为水相中弱酸的总浓度 • 上面三个式子综合得弱酸性电解质的分配常数
• 分配系数：
四、有机溶剂萃取
㈡化学萃取平衡
• 氨基酸及一些极性很强的抗生素，水溶性很强，在有
机溶剂中的分配系数很小，常需要用化学萃取法。
• 两个解离平衡关系式：
四、有机溶剂萃取
• 得到两个解离常数
三、液液萃取设备及其设计的理论基础
⑵填料柱
• 在萃取柱的柱体内装填了适当
的填料。陶瓷、塑料或金属材 料制成的环形、鞍形与金属丝 网。为了减小沟流现象，对于 比较高的填料柱通常隔一定的 距离安装一个液体再分布器。
• 改善了两相的接触、减少纵向
混合以提高了传质效率。
• 比喷淋柱处理能力小，但传质
效率较大。主要应用在界面张 力较低、处理能力很大，所需 理论级数不很多的场合。
• 溶质在料液相和萃取相的分配平衡关系是液液萃取设
备及过程的设计基础。
• 混合：料液与萃取剂充分混合形成乳浊液的过程。一
般在搅拌罐中完成，也可利用管道和喷射泵完成。
• 分离：将乳浊液分开形成萃取相和萃余相的过程（分
层）。通常利用离心机完成。
• 溶剂回收：从萃取相或萃余相中回收溶剂的过程。用
回收器完成，如液体蒸馏设备。
固定圆环，在柱中央的转轴上安 装了一系列水平的圆形转盘，其 直径略小于固定环的内径，位置 介于两个固定盘之间。
• 是一种机械搅拌式的萃取柱，利
用旋转盘所施加的机械能，使两 相得到很好的分散与混合。该柱 处理能力大、分离效率高、结构 简单和操作稳定。
三、液液萃取设备及其设计的理论基础
⑸脉冲萃取柱
• 主要有脉冲筛板柱和脉冲
四、有机溶剂萃取
• 一般测定的为水相中弱酸的总浓度 • 上面三个式子综合得弱酸性电解质的分配常数
• 分配系数：
四、有机溶剂萃取
㈡化学萃取平衡
• 氨基酸及一些极性很强的抗生素，水溶性很强，在有
机溶剂中的分配系数很小，常需要用化学萃取法。
• 两个解离平衡关系式：
四、有机溶剂萃取
• 得到两个解离常数
三、液液萃取设备及其设计的理论基础
⑵填料柱
• 在萃取柱的柱体内装填了适当
的填料。陶瓷、塑料或金属材 料制成的环形、鞍形与金属丝 网。为了减小沟流现象，对于 比较高的填料柱通常隔一定的 距离安装一个液体再分布器。
• 改善了两相的接触、减少纵向
混合以提高了传质效率。
• 比喷淋柱处理能力小，但传质
效率较大。主要应用在界面张 力较低、处理能力很大，所需 理论级数不很多的场合。
• 溶质在料液相和萃取相的分配平衡关系是液液萃取设
备及过程的设计基础。
• 混合：料液与萃取剂充分混合形成乳浊液的过程。一
般在搅拌罐中完成，也可利用管道和喷射泵完成。
• 分离：将乳浊液分开形成萃取相和萃余相的过程（分
层）。通常利用离心机完成。
• 溶剂回收：从萃取相或萃余相中回收溶剂的过程。用
回收器完成，如液体蒸馏设备。
固定圆环，在柱中央的转轴上安 装了一系列水平的圆形转盘，其 直径略小于固定环的内径，位置 介于两个固定盘之间。
• 是一种机械搅拌式的萃取柱，利
用旋转盘所施加的机械能，使两 相得到很好的分散与混合。该柱 处理能力大、分离效率高、结构 简单和操作稳定。
三、液液萃取设备及其设计的理论基础
⑸脉冲萃取柱
• 主要有脉冲筛板柱和脉冲
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
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
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
化学萃取 － 利用萃取剂与溶质之间有选择性的化学反 应，生成复合分子在两相中重新分配而达到分离目的。萃 取剂与溶质的化学反应包括离子交换和络合反应等。如,柠 檬酸在酸性条件下，与磷酸三丁酯(TBP)形成中性络合物而 进入有机相(C6H8O7·3TBP·2H2O)。
如何得到满意的萃取效率？
1. 选择适当的萃取剂
料液
萃取相E
Sy
SyS
萃取剂
萃余相R Fx
溶质浓度较低时(发酵液等生物反应料液基本属此类)， 相平衡关系为线性：
k y/x
(3-1)
物料衡算： Fx Sy FxF SyS
通常yS=0
(3-32)
定义萃取因子
kS / F
(3-33)
结合相平衡关系和物料衡算，得
萃余相中溶质浓度
y kxF
3.2 液液萃取过程分析
3.2.1 单级萃取过程
工业生产装置有单级混合澄清槽、单级萃取罐、单级离心萃 取机(如碟片式离心机)等。
单级操作的混合澄清槽
单级萃取操作是使含某溶质的料液(F)与萃取剂(S)接 触混合，静置后分成两液层。
本章中对萃取 过程分析时， 仅考虑两液相 间不互溶的萃 取体系
F xF
水相pH值对弱电解质分配系数有显著影响。物理萃取时，弱 酸性电解质分配系数随pH降低而增大，而弱碱性电解质则相 反。如，红霉素是碱性电解质，在乙酸戊酯和pH9.8的水相之 间分配系数为44.7，而水相pH降至5.5，分配系数降至14.4。
萃取时，选择适当的pH值， 不仅可以提高表观分配系 数，还可根据共存杂质的性质和分配系数，提高目的产物 的萃取分离选择性。如对弱酸性物质A和B的分离选择性与 pH值的关系：
k y/x
(3-1)
如何得到满意的萃取效率？
1. 选择适当的萃取剂
料液
萃取相E
Sy
SyS
萃取剂
萃余相R Fx
溶质浓度较低时(发酵液等生物反应料液基本属此类)， 相平衡关系为线性：
k y/x
(3-1)
物料衡算： Fx Sy FxF SyS
通常yS=0
(3-32)
定义萃取因子
kS / F
(3-33)
结合相平衡关系和物料衡算，得
萃余相中溶质浓度
y kxF
3.2 液液萃取过程分析
3.2.1 单级萃取过程
工业生产装置有单级混合澄清槽、单级萃取罐、单级离心萃 取机(如碟片式离心机)等。
单级操作的混合澄清槽
单级萃取操作是使含某溶质的料液(F)与萃取剂(S)接 触混合，静置后分成两液层。
本章中对萃取 过程分析时， 仅考虑两液相 间不互溶的萃 取体系
F xF
水相pH值对弱电解质分配系数有显著影响。物理萃取时，弱 酸性电解质分配系数随pH降低而增大，而弱碱性电解质则相 反。如，红霉素是碱性电解质，在乙酸戊酯和pH9.8的水相之 间分配系数为44.7，而水相pH降至5.5，分配系数降至14.4。
萃取时，选择适当的pH值， 不仅可以提高表观分配系 数，还可根据共存杂质的性质和分配系数，提高目的产物 的萃取分离选择性。如对弱酸性物质A和B的分离选择性与 pH值的关系：
k y/x
(3-1)
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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
择性地透过液膜进入另一侧，实 水处理，在酶的包埋固定化和生
现溶质之间的分离。
物医学方面的应用也前景广阔。
利用超临界流体作为萃取剂， 对物质进行溶解和分离。
粉碎:
液-固萃取设备
美 国 Applied Separations (ASI) 公 司 产 one/fast PSE型压力/快速 溶剂提取仪。15分钟内可 同时处理6个样品，全自动 溶剂分配系统，可自由实 现4种不同溶剂的切换。该 法具有环保、高效、清洁、 快速等诸多特点，已被美 国 EPA 推 荐 为 3545A 标 准 方法。
瑞 士 产 B-811 索 氏抽提仪（固液萃取 设备），抽提速度快， 45-60分钟 即可完成 抽提，无须烘干。提 供4种抽提方法：索 氏抽提，索氏双加热， 热抽提，连续流法。
美国产AutoTrace, RapidTrace固相萃取自动 工作站，计算机程序控制，可在15分钟内完成六个 样品的萃取。可以配合自动浓缩工作站使用，自动 浓缩萃取出来的样品。
浸取过程的前加工：
干燥：有助于细胞膜的破裂，溶剂也容易进入细胞内部，直 接溶解溶质。
滚压：将原料滚压成片，使其减小到0.1一0.5mm，则大豆及 许多植物种子的细胞壁极大地破裂，植物油容易进入溶剂。
切片：减小水溶剂从水相主体扩散到每个细胞的距离，细胞 基本上保持完好，水溶性物质可以通过半透性细胞膜扩散 进入水溶剂中，蛋白质和胶体组分因透不过细胞膜而不能 溶入水相。
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。
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
萃取方法分类
物理萃取：根据相似相溶的原理，溶质在两相间达到分配平 衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应的萃取过程。
化学萃取: 利用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。
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。
液-固萃取：用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶 液中的过程，又称为浸取或浸出。
双水相萃取
利用物质在互不相溶的两水相 间分配系数的差异进行的分离操 作。
主要用于蛋白质、酶，特别是 胞内蛋白的提取纯化。
液
液
利用表面活性剂在有机相中形
萃
反胶团萃取
成的反胶团，从而在有机相中形 适用于氨基酸、肽和蛋白质等 成分散的亲水微环境，使生物分 生物分子的分离纯化，特别是蛋
取
子在有机相（萃取相）内存在于 白质类生物大分子的分离。
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。
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。
反萃取：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)
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。
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
择性地透过液膜进入另一侧，实 水处理，在酶的包埋固定化和生
现溶质之间的分离。
物医学方面的应用也前景广阔。
利用超临界流体作为萃取剂， 对物质进行溶解和分离。
粉碎:
液-固萃取设备
美 国 Applied Separations (ASI) 公 司 产 one/fast PSE型压力/快速 溶剂提取仪。15分钟内可 同时处理6个样品，全自动 溶剂分配系统，可自由实 现4种不同溶剂的切换。该 法具有环保、高效、清洁、 快速等诸多特点，已被美 国 EPA 推 荐 为 3545A 标 准 方法。
瑞 士 产 B-811 索 氏抽提仪（固液萃取 设备），抽提速度快， 45-60分钟 即可完成 抽提，无须烘干。提 供4种抽提方法：索 氏抽提，索氏双加热， 热抽提，连续流法。
美国产AutoTrace, RapidTrace固相萃取自动 工作站，计算机程序控制，可在15分钟内完成六个 样品的萃取。可以配合自动浓缩工作站使用，自动 浓缩萃取出来的样品。
浸取过程的前加工：
干燥：有助于细胞膜的破裂，溶剂也容易进入细胞内部，直 接溶解溶质。
滚压：将原料滚压成片，使其减小到0.1一0.5mm，则大豆及 许多植物种子的细胞壁极大地破裂，植物油容易进入溶剂。
切片：减小水溶剂从水相主体扩散到每个细胞的距离，细胞 基本上保持完好，水溶性物质可以通过半透性细胞膜扩散 进入水溶剂中，蛋白质和胶体组分因透不过细胞膜而不能 溶入水相。
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。
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
萃取方法分类
物理萃取：根据相似相溶的原理，溶质在两相间达到分配平 衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应的萃取过程。
化学萃取: 利用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。
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。
液-固萃取：用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶 液中的过程，又称为浸取或浸出。
双水相萃取
利用物质在互不相溶的两水相 间分配系数的差异进行的分离操 作。
主要用于蛋白质、酶，特别是 胞内蛋白的提取纯化。
液
液
利用表面活性剂在有机相中形
萃
反胶团萃取
成的反胶团，从而在有机相中形 适用于氨基酸、肽和蛋白质等 成分散的亲水微环境，使生物分 生物分子的分离纯化，特别是蛋
取
子在有机相（萃取相）内存在于 白质类生物大分子的分离。
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。
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。
反萃取：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)
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。