生物分离工程第四章萃取
生物分离工程第四章综合测试
生物分离工程第四章综合测试第四章萃取一、名词解释萃取：是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。
反萃取：通过调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作成为反萃取。
分配系数：在恒温恒压条件下，溶质在互不相容的两相中达到分配平衡时，其在两相中的浓度之比为一常数，该常数称为分配系数。
即K=溶质在萃取相中的浓度/溶质在萃余相中的浓度=C2/C1。
分离因子：萃取剂对溶质A和B的选择或分离能力可以用分离因子表示。
即α=(C2A/CIA)/(C2B/C1B)=KA/KB (C:浓度；下标1,2分别表示萃余相和萃取相；A、B：溶质；α越大，A和B越容易分离，分离效果越好)超临界流体：物质均具有其固有的临界温度和临界压强，在P-T 相图上称为临界点，在临界点以上物质处于即非液体也非气体的超临界状态，这时的物质称为超临界流体。
化学萃取：化学萃取是指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因子实现水溶性溶质向有机相的分配，主要用于一些氨基酸和极性较大的抗生素的萃取。
双水相体系：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，并且在两相水分均占有很大比例，即形成双水相系统。
萃取因子：即萃取平衡后萃取相和萃余相中质量之比。
用E表示。
盐效应：由于同一双水相系统中添加不同的盐产生的相间电位不同，故分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异，这称为盐效应。
二、选择1.萃取利用的是物质在两相之间的___B___不同来实现分离或纯化。
A.溶解度比B.分配系数C.分离系数D.稳定常数2.下列搭配中不适合双水相萃取的是____C__。
A.聚乙二醇/磷酸盐B.葡聚糖/甲基纤维素C.聚乙二醇/丙三醇D. 聚乙二醇/葡聚糖3.荷电溶质分配系数的对数与溶质的净电荷数成___A___关系，称为______。
A.正比/盐效应B.指数/塞曼效应C.非线性/道南效应D.反比/法拉第效应4.对于超临界流体萃取，溶解萃取物时通常__C____；分离萃取物时通常______。
生物分离工程萃取
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
最新生物分离工程第四章综合测试
第四章萃取一、名词解释萃取：是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。
反萃取：通过调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作成为反萃取。
分配系数：在恒温恒压条件下，溶质在互不相容的两相中达到分配平衡时，其在两相中的浓度之比为一常数，该常数称为分配系数。
即K=溶质在萃取相中的浓度/溶质在萃余相中的浓度=C2/C1。
分离因子：萃取剂对溶质A和B的选择或分离能力可以用分离因子表示。
即α=(C2A/CIA)/(C2B/C1B)=KA/KB(C:浓度；下标1,2分别表示萃余相和萃取相；A、B：溶质；α越大，A和B越容易分离，分离效果越好)超临界流体：物质均具有其固有的临界温度和临界压强，在P-T相图上称为临界点，在临界点以上物质处于即非液体也非气体的超临界状态，这时的物质称为超临界流体。
化学萃取：化学萃取是指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因子实现水溶性溶质向有机相的分配，主要用于一些氨基酸和极性较大的抗生素的萃取。
双水相体系：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，并且在两相水分均占有很大比例，即形成双水相系统。
萃取因子：即萃取平衡后萃取相和萃余相中质量之比。
用E表示。
盐效应：由于同一双水相系统中添加不同的盐产生的相间电位不同，故分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异，这称为盐效应。
二、选择1.萃取利用的是物质在两相之间的___B___不同来实现分离或纯化。
2. A.溶解度比 B.分配系数 C.分离系数 D.稳定常数3.下列搭配中不适合双水相萃取的是____C__。
4. A.聚乙二醇/磷酸盐 B.葡聚糖/甲基纤维素5. C.聚乙二醇/丙三醇 D. 聚乙二醇/葡聚糖6.荷电溶质分配系数的对数与溶质的净电荷数成___A___关系，称为______。
7. A.正比/盐效应 B.指数/塞曼效应8. C.非线性/道南效应 D.反比/法拉第效应9.对于超临界流体萃取，溶解萃取物时通常__C____；分离萃取物时通常______。
《生物分离工程》课程笔记
《生物分离工程》课程笔记第一章绪论一、生物分离工程的历史及应用1. 历史生物分离工程的历史可以追溯到古代酿酒和面包制作时期，但作为一个独立领域的发展始于20世纪。
早期的生物分离技术主要依靠自然现象，如沉淀、结晶等。
随着科技的发展，尤其是生物技术的崛起，生物分离工程逐渐形成一门独立的学科，并得到了迅速发展。
2. 应用生物分离技术在医药、食品、农业、环境保护等领域有广泛的应用。
例如，在疫苗生产中，需要从细胞培养液中分离出病毒或细菌；在抗生素提取中，需要从发酵液中提取抗生素；在蛋白质纯化中，需要从混合蛋白质中分离出目标蛋白质；在果汁澄清中，需要去除果汁中的悬浮固体等。
二、生物分离过程的特点1. 复杂性生物分离过程涉及生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的分离和纯化，这些生物大分子在结构和性质上具有很高的复杂性，因此生物分离过程也具有较高的复杂性。
2. 多样性生物分离过程中，针对不同的生物大分子和混合物，需要采用不同的分离方法和工艺，因此生物分离过程具有很高的多样性。
3. 灵敏度生物大分子在分离过程中容易受到外界因素的影响，如温度、pH值、离子强度等，因此生物分离过程需要严格控制条件，具有很高的灵敏度。
4. 易失活性生物大分子在分离过程中容易发生变性、降解等失活现象，因此生物分离过程需要尽量减少这些失活现象的发生。
5. 高价值生物大分子往往具有很高的经济价值，如药物、生物制品等，因此生物分离过程需要高效、高收率地分离目标物质，以满足市场需求。
第二章过滤一、过滤基本概念及预处理1. 过滤基本概念过滤是一种基于孔径大小实现固体与流体分离的技术。
在生物分离工程中，过滤技术被广泛应用于细胞培养液、发酵液、酶反应液等混合物的初步分离和纯化。
过滤过程中，混合物通过过滤介质（如滤纸、滤膜等），固体颗粒被拦截在过滤介质上，而流体则通过过滤介质流出，从而实现分离。
2. 预处理为了提高过滤效率，通常需要对混合物进行预处理。
生物分离工程-溶剂萃取
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ppt第04篇章精馏在生物产品分离中的应用
该企业将固体废弃物进行分类 处理，其中一部分废渣经过加 工制成砖块，用于建筑领域， 实现了固体废弃物的资源化利 用。
通过实施废弃物资源化利用措 施，该企业不仅降低了处理成 本，还获得了出售资源化产品 的收益，同时减少了对环境的 污染，实现了经济效益与环境 效益的双赢。
06
总结与展望
精馏在生物产品分离中作用回顾
先进控制算法
多变量控制
采用预测控制、模糊控制等先进算法， 提高精馏过程的稳定性和控制精度。
对精馏过程中的多个关键变量进行同 时控制，确保产品质量和产量稳定。
数据驱动建模
利用历史数据建立精馏过程的数据驱 动模型，实现实时优化和控制。
智能化、自动化发展趋势预测
智能化传感器
研发具有高灵敏度、高选择性的智能化传感器，实现对精馏过程 关键参数的实时监测。
通过加入共沸剂形成最低共沸物，从而改变 原组分的挥发度。优势在于能够处理具有恒 沸现象的混合物，降低能耗。
节能降耗措施探讨
优化操作条件
通过调整操作参数如回流 比、进料位置等，降低能 耗和提高分离效率。
采用高效设备
采用高效塔板、填料等， 提高传质效率，降低设备 投资和运行成本。
热集成技术
应用热集成技术如热泵精 馏、内部热集成精馏等， 实现能量的有效利用和降 低能耗。
发展趋势
随着生物技术的不断发展和创新，精馏技术 将向更高效率、更低能耗、更环保的方向发 展，同时与其他分离技术的集成应用也将成 为研究热点。
挑战应对
针对精馏过程中存在的能耗高、分离效率低 等问题，建议加强新型精馏技术的研究和开 发，如反应精馏、分子蒸馏等，提高分离效 率和降低能耗。同时，加强精馏技术与其他 分离技术的联合应用，形成优势互补，提高 整体分离效果。此外，还应关注精馏过程对 环境的影响，积极采取环保措施，推动绿色
生物分离工程公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件
第6页
胶团和反胶团形状
micelles
Reverse micelles
表面活性剂分子汇集使反胶团内形成极性核(polar core), 因此有机溶剂中反胶 团可溶解水。反胶束内溶解水通常称为微水相或“水池”(water pool)
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子提供易于生存亲水微环境. 因此,反胶团萃取可用于氨基酸、肽和蛋白
质等生物分子分离纯化, 尤其是蛋白质类生物大分子。
蛋白质溶解模型:
a、水壳模型: 蛋白质位于水池中心，
周围存在水层将其与反胶团壁隔开；
b、半岛模型: 蛋白分子表面存在强
烈疏水区，该区直接与有机相接触；
c、蛋白吸附于反胶团内壁；
d、蛋白疏水区与几种反胶团S疏水
Diameter of “Water Pool”
反胶束大小与溶剂和S种类与浓度、温度、离子强 度等原因相关, 普通为5-20nm
反胶束不是刚性球体, 而是热力学稳定汇集体； 在有机相中反胶束以非常高速度生成和破灭, 不断地 互换其构成份子（表面活性剂和水）, 速率常数约 106~107m3/kmol·s
临界胶束浓度(critical micelle concentration,CMC): 表面活性剂在水溶 剂中形成胶束最低浓度
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有机溶剂中反胶团
反胶团（reversed micelle）
Cross section
反胶团(reverse micelles): 若向有机溶剂（油）中加入油溶性表面活性剂, 当 [S]超出一定值时, S在有机溶剂中也会形成胶团。通常将S在有机溶剂中形成 胶团称为反胶团, 也称反胶束或反微团
AOT在异辛烷中形成反胶团直径:
生物分离工程：04-萃取-1(2007)
2
IB抯
RENATURATION
CONCENTRATION
* Dissolution * Refolding
* Ultrafiltration * Evaporation * Reverse Osmosis * Precipitation * Crystallization * Extraction * Adsorption * Distillation
Immiscible solvents
• 平衡关系
• y = f (x) Usually y = mx at equilibrium
L,y H,x
• 溶质物料平衡
• Solute in (feed + extracting solvent) = solute in (extract + raffinate)
• 图解法
• When y = non-linear function of x • Equilibrium line: y = f (x) • Operating line: y = (H/L) (xF – x)
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支撑液膜 （Supported liquid membrane）
Feed Extract Raffinate membrane Extracting phase
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间歇萃取
Batch extraction
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Aqueous penicillin G solution
抗生素的萃取
Butyl acetate Organic extract
• 萃取分率
萃取相溶质量 Ly Ly E 1−ϕ = = = = 溶质总量 Hx F Hx + Ly 1 + E
生物分离工程第四章萃取
的物理量）
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二、分配定律与分配平衡
化学势是活度的函数：
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二、分配定律与分配平衡
所以，分配定律只有在较低浓度范围内成立。A是一个重要
的特征参数，与溶质浓度和两相性质有关。
• 分配系数：在多数情况下，溶质在各相中并非以一种分子
形态存在，特别是在化学萃取中，通常用溶质在两相中的 总浓度之比表示溶质的分配平衡，该比值称为分配系数。
到平衡时料液相和萃取相中溶质编的辑课浓件度。
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三、液液萃取设备及其设计的理论基础
• 萃取因子或萃取因素E
溶质在萃取相和萃余相中数量（质量或物质的量）的比值
• 萃余分率（ ）：萃余相中溶质的数量与料液相中溶质的
初始数量之比。
• 收率或萃取分率：萃取相中溶质的数量与料液相中溶质
的初始数量之比。
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或
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二、分配定律与分配平衡
• 相比：指一个萃取体系中，一个液相和另一个液相的体积之
比。用R表示：
R = V1
V2
• 分离系数β（分离因子）
生物工程中料液一般含多种溶质，我们为了表示萃取剂对两 种溶质A和B的分离能力的大小，引入了分离系数：一定条件 下进行萃取分离时，被分离的两种组分的分配系数的比值。 是目标产物分离纯化程度的指标。
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一、基本概念
②萃取依据：萃取原理
a.物理萃取 b.化学萃取 • 物理萃取：溶质根据相似相容原理在两相间达到分配平 衡，萃取剂与溶质不发生化学反应（物理因素）。
• 化学萃取：利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应 （如离子交换和络合反应）生成脂溶性复合分子实现溶 质向有机相的分配。
《分离工程第四章》PPT课件
水接触，非极性基团在内，形成一个非极性的核心、在 此核心可以溶解非极性物质。假设将外表活性剂溶于非 极性的有机溶剂中，并使其浓度超过临界胶束浓度 (CMC)，便会在有机溶剂内形成聚集体，这种聚集体称 为反胶束，其构造示意见图b。在反胶束中，外表活性 剂的非极性基团在外与非极性的有机溶剂接触，而极性 基团那么排列在内形成一个极性核(po1ar core)。此极 性核具有溶解极性物质的能力，极性核溶解水后，就形 成了“水池〞(water pool)。当含有此种反胶束的有机 溶剂与蛋白质的水溶液接触后，蛋白质及其他亲水物质 能够通过螯合作用进入此“水池〞。由于周围水层和极 性基团的保护，保持了蛋白质的天然构型，不会造成失 活。蛋白质的溶解过程和溶解后的情况示意于图中。
因为许多实验数据均间接地证明了水壳模型的正确性。 例如：(1)反胶团内酶的构造和活性与W0值密切相关， 说明酶对其周围存在的水层非常敏感；(2)反胶团内酶 反响动力学行为与在正常的水相中相似，活性与pH的 关系同样表现为钟状曲线。
a
b
c
d
反胶团的溶解作用
10.2 反胶束萃取蛋白质的根本原理
10.2.1 三元相图及萃取蛋白质
在反胶束萃取蛋白质的研究中，用得最多的是阴离子外表活性 剂AOT(AerosolOT)，其化学名为丁二酸－2－乙基己基磺酸钠， 构造式见图
这种外表活性剂容易获得，其特点是具有双链，极性 基团较小、形成反胶束时不需加助外表活性剂，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。常使用的阳离子外表活性剂名称和构造 如下： (1)CTAB(cetyl-methyl-ammonium bromide)溴 化十六烷基三甲胺/十六烷基三甲基胺溴
10.2.3 反胶束萃取蛋白质的动力学 萃取过程中，蛋白质在互不相溶的两相间的传递可分为 三步：蛋白质从水溶液主体扩散到界面；在界面形成包 容蛋白质的反胶束；含有蛋白质的反胶束在有机相中扩 散离开界面。反萃取过程那么相反，含有蛋白质的反胶 束从有机相主体扩散到界面；包容蛋白质的反胶束在界 面崩裂；蛋白质从界面扩散到水溶液主体。蛋白质进入 或离开反胶束相的传递通量可用下式计算：
分离工程第四章1PPT课件
• 分离因素：产物与杂质分配系数之比，
反映萃取选择性或分离程度的高低。
CLp CRp mp
CLi CRi mi
其中：CLp和CRp分别为目标产物在萃取相和萃 余相中的浓度；CLi和CRi分别为杂质在萃取相 和萃余相中的浓度；mp和mi分别为目标产物和 杂质的分配系数。
等于分配系数之比，越大分离效果越好。
生成的这种液体称为乳状液或乳浊液。
– 2、对萃取的影响：两相分离困难，并产 生两种夹带： 萃余液中夹带有机溶剂，造成目标产物 损失； 萃取相中夹带萃余液，给后处理带来困 难。
－3、产生原因：发酵液中存在蛋白质和固
体颗粒等物质，具有表面 活性剂的作用。
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－4、乳化与去乳化：
①乳化和去乳化的本质是表面现象 乳化是自发过程 ，乳状液又是不稳定的热力学
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物理萃取
– 定义：溶质根据相似相溶原理在两相 间达到分配平衡，萃取剂与溶质间不 发生化学反应。
– 应用：广泛应用于抗生素及天然植物 中有效成分的提取。如利用乙酸丁酯 萃取青霉素。
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化学萃取
– 定义：利用脂溶性萃取剂与溶质的化 学反应生成脂溶性复合分子，使溶质 向有机相分配。萃取剂与溶质之间的 化学反应包括离子交换和络合反应。
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Light phase 萃取剂 Heavy phase
杂质 溶质 原溶剂
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单级萃取
使含溶质的溶液（h） 和萃取剂（L）解出混 合，静止后分成两层。
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连续逆流萃取装置
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萃取技术的发展
传统有机溶剂萃取
液膜萃取、反胶团萃取
双水相萃取、超临界流体萃取
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第一节 基本概念
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有机溶剂萃取
双水相萃取
Two-aqueous phase extraction
基因工程产品如蛋白质和酶往往是胞内 产品，需经细胞破碎后才能提取、纯化， 细胞颗粒尺寸的变化给固-液分离带来了困 难，同时这类产品的活性和功能对pH值、 温度和离子强度等环境因素特别敏感。
由于它们在有机溶剂中的溶解度低并且会变 性，因此传统的溶剂萃取法并不适合。
1.成相聚合物
– 分子量：降低聚合物的分子量，则蛋 白质容易分配于富含该聚合物的相中 。 – 总浓度：越大则两相性质的差别越大 ，系线越长，蛋白质越容易分配于其 中的某一相。
2.盐和缓冲液的影响
盐的种类和浓度对分配系数的影响主要反映在
对相间电位和蛋白质疏水性的影响。在双聚合 物系统中，无机离子具有各自的分配系数，不 同电解质的正负离子的分配系数个同，当双水 相系统中含有这些电解质时，由于两相均应各 自保持电中性，从而产生不同的相间电位，因 此，盐的种类(离子组成)影响蛋白质、核酸等 生物大分子的分配系数，盐浓度不仅影响蛋白 质的表面疏水性，而且扰乱双水相系统，改变 各相中成相物质的组成和相体积比。
溶剂的回收和再容易 化学稳定性好,不易分解,对设备腐蚀性小
经济性好,价廉易得
安全性好,无毒性或毒性低.
不同的萃取剂对溶质的萃取效果不同。
如疏水性的青霉素G和V酸性很强，其 pKa值为2.5～3.1，相对分子质量分别为 334和350，适宜用有机溶剂从发酵液中 萃取，在pH 2.5～3.0范围内，用乙酸戊 酯和乙酸丁酯作为萃取剂的萃取效率高 （如下表）。
如提Vb12时加硫铵，促进Vb12从水 转入有机相中；提青霉素进加NaCl. 促进青霉素从水转入有机相中
产物易溶于有机溶剂中.复合物在一定条 件下又要易分解.如青霉素可用脂肪碱作 带溶剂.（化学萃取）