有机溶剂萃取法_生物分离工程

6.1 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
在常温常压下Ｋ为常数；应用前提条件
（1） 稀溶液 （2） 溶质对溶剂互溶没有影响 （3） 必须是同一分子类型，不发生缔合或离解
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
当温度一定时，标准化学位为常数
如为稀溶液，用浓度代替活度
K C1 C2
萃取相的浓度 萃余相的浓度
分离因素（β）
如果原来料液中除溶质A以外，还含有溶质B， 则由于A、B的分配系数不同，萃取相中A和B的 相对含量就不同于萃余相中A和B的相对含量。
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
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
Kp=

弱酸性电解质K0＝ [AH]/[AH]=
[AH](KP [H]) C[H ]

弱碱性电解质K0 ＝ [B]/[B]=
[B](KP [H]) C KP
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
KK0
H Kp H
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。
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。
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。
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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。
实验室液液萃取过程
溶剂萃取概述
分液漏斗
有机相 水相
一般工业液液萃取过程
料液 （待分离物
质＋杂质 萃 取
萃取液 （待分离物 质＋少量杂质
洗 涤 剂
洗 涤
萃取剂 ＋稀释剂
杂质+少量 萃残液 待萃物质 （杂质）
反
萃 萃取剂＋稀释剂
剂
（待返回使用）
待反 萃萃 物取 质
产物（待萃物质）
生物萃取与传统萃取相比的特殊性
第6章 溶剂萃取法 (solvent extraction)
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。
Light phase 萃取剂
Heavy phase
溶剂萃取概述
杂质
溶质
原溶剂
萃取的基本概念
溶剂萃取概述
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)
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：
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。
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 成分复杂 ② 传质速率不同 ③ 相分离性能不同 ④ 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 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
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。
萃取过程
溶剂萃取概述
｝ 溶质Ａ 料液 稀释剂Ｂ
萃取液Ｓ＋Ａ(B)
溶剂Ｓ
萃余液Ｂ＋Ａ(s)
=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
弱电解质在有机溶剂-水相的分配平衡
分配系数中CL和CH 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 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。