第六章溶剂萃取法

3）乳浊液的破坏措施
物理法：离心、加热，吸附，稀释 化学法：加电解质、其他表面活性剂
* 转型法 加入一种乳化剂，条件： ① 形成的乳浊液类型与原来的相反，使原乳浊液转型 ② 在转型的过程中，乳浊液破坏，控制条件不允许形成 相反的乳浊液， * 顶替法 加入一种乳化剂，将原先的乳化剂从界面顶替出来： ① 形成的乳浊液类型与原来的一致 ② 它本身的表面活性 > 原来的表面活性 ③ 不能形成坚固的保护膜。

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
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=
[AH](K P [H ]) 弱酸性电解质K0＝ [AH]/[AH]= C [H ]
[ B](K P [H ]) 弱碱性电解质K0 ＝ [B]/[B]= C KP
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。
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。
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
p
H =K K H

pH － pK ) /(1 ＋ 10 0

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。
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↑
◆ 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
※ 理论收率计算
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： ★ 萃取因素： 萃取液溶质总量 XS
E
V C V 1 ＝ S S ＝K S K 萃余液溶质总量 X F VF CF VF m
1. 单级萃取
单级萃取：只包括一个混合器和一个分离器
萃取剂 S
萃 取 器 分 离 萃取相L 器 回 收 器
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
2）乳浊液的稳定条件
乳浊液稳定性和下列几个因素有关： ①界面上保护膜是否形成； ②液滴是否带电； ③介质的粘度。 表面活性剂分子在分散相液滴周围形成保护膜。 保护膜具有一定的机械强度，不易破裂，能防 止液滴碰撞而引起聚沉。 介质粘度较大时能增强保护膜的机械强度。
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
Leabharlann Baidu
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
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。
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。 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。
K
T=10℃
K0=47
求: pH4.4 pH4.4时: pH2.5时: pH2.0时:
pH2.5 pH2.0时的K?
K=30
47 1 4.4 2.75 1 10
K=39.9
∴ pH↓K↑ 易溶于丁酯
解释原理: pH < pK时，[pen] > [pen-]
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
F 料液
产物
单级萃取流程示意图
萃余相R
1. 单级萃取
未被萃取的分率φ和理论收得率1－φ 萃取因素
E 萃取液溶质总量 X S VS CS V ＝ ＝K S 萃余液溶质总量 X F VF CF VF
VF CF 1 未被萃取的分率 ＝V C V C E 1 F F S S
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
3. 盐析：
无机盐——氯化钠、硫酸铵，作用： 生化物质在水中溶解度↓，K ↑；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；
分相容易。
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。
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）
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 （pH8-10.5）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
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
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，亲油基团伸向油中。
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
常用的去乳化剂： 十二烷基硫酸钠（SDS） ，酸性，阴离子型表面活性剂 溴代十五烷基吡啶（PPB） ，碱性，阳离子表面活性剂 去乳化剂选择原则： 去乳化能力强； 不破坏生化物质； 不污染成品：去乳化剂不能跟随生化物质一起进 入萃取相，应留在水相。
6.3 萃取方式与过程计算
※ 萃取过程：1）混和 2） 分离 3）溶剂回收 ※ 操作方式 单级萃取 多级萃取 多级错流 多级逆流
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
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 萃取相的浓度 C2 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
加水
调 pH9.8, 溶于丙酮
红霉素碱
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
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。 β=
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。 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（图18-2）。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。
酸性物质：pH > pK时， 主要以负离子存在； pH < pK时 ， 主要以游离分子存在； pH ＝ pK时 ， 两种形式各占50％
6.2 有机溶剂萃取的影响因素

1．影响萃取操作的因素：pH、温度、盐析 2．有机溶剂的选择 3．带溶剂 4．乳化与去乳化
1. 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 例：已知pen pK=2.75