第七章 萃取

1 E1 1
1 2 （E ( 1 1)(E 2 1) 1 n ( E1 1)(E 2 1) ( E n 1)
S1 混 合 器 1
L1 分 离 器 1 R1
S2 混 合 器 2
L2 分 离 器 2 R2
S3 混 合 器 3
L3 分 离 器 3 R3
F
设： 则：
S1 S 2 S 3 S n F R1 R2 Rn E E1 E 2 E n 1 n ( E 1) n
而理论收得率： 1 1 n 1 n ( E 1)
7.2.3.3 多级逆流（对流）萃取
S 分 离 器 1 混 合 器 1
• 对于碱性产物则相反，在碱性条件下较易萃取到 有机相，而将酸性杂质留在水相中。 酸性产物
溶液pH↑→K值↓ →溶质易分配到水相 溶液pH ↓ →K值↑→溶质易分配到溶剂相
• pH对产物稳定性的影响。
已知青霉素为酸性弱电解质，常用乙酸戊酯萃 取分离，当溶液为酸性时，青霉素主要分配在有 机相；当溶液为中性或碱性时，青霉素主要分配 在水相。试设计其萃取分离的工艺路线，除去青 霉素发酵液中的弱酸性杂质和弱碱性杂质。
培养液 溶 剂
混合器
沉降器
萃取相 萃余相
溶剂回收
目的产物
二次萃取或废液处理
萃取：目的产物转移至萃取相
萃取操作的特点：
（1）选择性好（沉淀法的分离基础是不同物质 在一个液相中的溶解度，蒸馏法不适合于蒸汽 压相近的组分）； （2）操作条件温和，适合于热敏物料的分离； （3）能量消耗较少，成本较低； （4）传质快，生产能力大，便于连续化操作； （5）采用多级萃取可达较高的分离程度； （6）不适合极性强的物质的分离； （7）有机溶剂法不适合活性物质的分离。
L1
分 离 器 2 混 合 器 2
L2 分 离 器 3
L3
混 合 器 3 F
R3
R2
R1
在第一级中加入溶剂（S），并逐渐向下一级移动；而 在最后一级加入料液（F），并逐渐向前一级移动。萃取相 （L3）自最后级取出，而萃余相（R3）自第一级取出。
S 分 离 器 1 R3 混 合 器 1
L1 分 离 器 2 R2 混 合 器 2
又：
VL C L Y VF C F
可得：
C L VF Y C F VL
VF S E K ， 萃取因素： VF S
浓缩倍数：
VF K 20 ＝ ＝ ＝5 VS E 4
CL 5 0.988 4.94 CF
注：VR=VF VL=VS
习题：对于K=5，溶剂总用量VS=0.6VF的 萃取系统，试分别计算采用单级、三级 错流和三级逆流萃取流程时，溶质 的理 论收得率，并对计算结果进行讨论。
7.2 溶剂萃取
7.2.1 萃取原理 7.2.2 溶剂的选择 7.2.3 萃取操作方式 7.2.4 操作条件
7.2.1萃取原理
（1）分配定律 当温度一定时，溶质在萃取相中的浓度与萃 余相中的浓度之比为一常数K——分配系数
C1 溶质在萃取相中的浓度 K C2 溶质在萃余相中的浓度
• 只适合于稀溶液的萃取系统；
（3）溶剂比的影响
• 溶剂用量大，溶质收率高，分离级数可 减少。 S/F↑→ E↑→ （1-φ ） ↑
• 溶剂比增大，溶质浓度（CL）下降，溶 剂回收费用增大，能耗也相应增加。
S/F↑→ CL ↓ →溶剂回收费用 ↑
第七章 萃取
7.1概述
7.2溶剂萃取
7.3固液萃取
7.4双水相萃取
7.1概述
萃取技术的发展： • 溶剂萃取法是20世纪40年代兴起的一项化工分 离技术。 • 60年代后在生物工业得以广泛应用，如抗生素、 有机酸、维生素、激素等。 • 80年代后，萃取技术与其他技术相结合产生了 一系列新的分离技术，如逆胶束萃取 （Reversed Micelle Extraction）、超临界萃取 （Supercritical fluid Extraction ）、液膜萃取 （Liquid Membrane）、双水相萃取等。这些新 技术被用来分离DNA重组技术和动植物细胞工 程的生物产品。
7.2.4操作条件
（1）温度 • 生物产品的稳定性； • 较高的温度常引起两相（溶剂与料液） 部分互溶，萃取效率下降。 • 温度低，液体粘度增大，扩散系数减少， 传质受一定影响。 • 采用低温萃取时，将增加萃取系统的冷 却负荷和动力消耗。
（2）pH
• pH影响分配系数，因而对萃取收率影响很大。
[H ] K K0 K P [H ]
7.2.3萃取操作方式
间歇 操作方式 连续 单级 多级 错流 逆流
单 级 错流 多 级 逆流 回流分级
7.2.3.1单级萃取
溶剂 S 混 合 器 料液 F 萃取相 L 萃取相 VS，C1
分 离 器
萃余相 R
萃余相 VF，C2
连续操作
间歇操作
7.2.3.1单级萃取
萃取相 VS，C1
萃余相 VF，C2 间歇操作
例如：红霉素 乙酸戊酯/水
K K0 KP K P [H ]
pH9.8 pH5.5
K=44.7 K=14.7 K=45 K=1/237
青霉素
乙酸戊酯/水
pH2.5 pH7.0
（2）pH
• pH对选择性的影响——由于pH对不同物质K值的 影响有所不同，选择合适的pH可除去某些杂质。 • 当水相为酸性时，酸性溶质较易萃取到有机相， 而碱性杂质则成盐被留在水相中。
7.1概述
分离机理： • 萃取——是利用物质溶解于某种液体的 一种提取方法，它基于混合物中各组分 在同种溶剂中的溶解度不同而使所需组 分得以分离和浓缩。 • 不同的物质具有不同的极性（介电常数 不同），当溶质与某种溶剂的极性接近 时，溶质 在该溶剂中的溶解度就高。
萃取方法的适用性： • 非极性化合物、非水溶性化合物(多为胞内产 物)——易于萃取分离 • 既溶于水又能溶于溶剂的弱极性化合物——可 萃取分离 • 极性化合物（离子型化合物）——多用离子交 换法分离
[H ] K K0 K P [H ]
•对于弱碱溶质：
BH B H 平衡常数： KP

B H
BH

• 采用同样方法可得其分配系数为：
KP K K0 K P [H ]
7.2.2溶剂的选择
（1）较大的分配系数——节省溶剂用量 • K值越大，溶剂用量越少，可采用较少的 萃取级数获得较高的产品提取收率。 • 可根据相似相溶的原则来选择萃取剂，即 选择与溶质极性相近的溶剂，其溶质的溶 解度就大，所需的溶剂用量就较少。 • 各物质的极性可根据其介电常数的大小来 量度，也即介电常数越大，极性越强。
萃取操作的基本条件：
目的产物在所选溶剂中的溶解度 较大 所选溶剂与混合液溶剂(水)互不相溶 目的产物大部 分转移到溶剂
萃取工艺过程：
（1）发酵培养液预处理： • 过滤或离心——除去细胞及其他悬浮颗粒； • 絮凝、沉淀等——除蛋白质等高分子化合物； • 沉淀、络合——除高价无机离子； • 膜过滤、蒸发等——浓缩以减少萃取剂用量。 （2）两相混合萃取——使目的产物大部分转移到 萃取相。 （3）两相分离——离心、沉降等。 （4）产品回收与溶剂回收——蒸馏、反相萃取等。
• 溶质对原溶剂（料液）和溶媒（萃取剂）之间 的互溶 度没有影响； • 溶质在两相中为同一种分子类型，即不发生缔 合或离解。
（2）分离因素
• 设原液中有溶质A和B，若A、B的分配系数不 同，则两种溶质可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 因素来表示：
K A C1 A / C1B K B C2 A / C2 B
β 值越大，说明溶质A在上相分配的比例越大 β 值越小，说明溶质B在上相分配的比例越大 溶质 A与B 易分离
β 值接近于1，说明溶质A与B的溶解性相近，二者不易分离
（3）溶质发生缔合时的分配系数
• 如溶质分子在萃取剂中有缔合现象，则分配定 律可改写为： K=C1/C2n 其中 n=M1/M2 n为溶质在溶剂中缔合分子量变化的数目，其 值等于溶质在上下相中分子量之比。 例如：醋酸在水中分子量为M2 =60，用苯 萃取时，在苯中形成缔合分子(CH3COOH)2， 分子量M1=120，于是： n=M1/M2=2， K=C1/C22
• 单级萃取只有在较大的分配系数下，采用较多 的溶剂才能达到较高的分离程度。
(1 ) (VF / VS ) K
• 采用单级萃取，溶剂用量大，萃取效率低，在 工业生产中很少应用。
7.2.3.2多级错流（并流）萃取
S1 混 合 器 1 L1 分 离 器 1 R1 S2 混 合 器 2 L2 分 离 器 2 R2 S3 混 合 器 3 L3 分 离 器 3 R3
（2）较大的分离因素——分离效果好
• 当目的产物与杂质的分配系数相差较大 时，分离的效果就越好，所得产品的纯 度就越高。 • 当目的产物与杂质的分配系数相差较小， β 值接近于1时，产物与杂质的分离效果 就差。 • 在许多时候，要综合K值和β 值的大小来 选择溶剂。
（3）溶剂与溶液的关系——便于两相 分散与分离
F
来自百度文库
•从最后一个分离器取出萃余相，而萃取相从各级分离 器单独取出。 •可达高的溶质 回收率，但溶剂用量大，回收费用高， 在工业生产中很少使用，而在实验操作中应用较多。
S1
L1
S2
L2
S3
L3
F
混 合 器 1
分 离 器 1
R1
混 合 器 2
分 离 器 2
R2
混 合 器 3
分 离 器 3
R3
未被萃取的溶质分率 ： 一级 二级 n级
（4）弱电解质的分配定律
• 弱电解质在水中能部分离解成离子，如 弱酸溶质的电离平衡为：
AH A H 平衡常数： KP
A H

AH
•当弱酸溶质（如青霉素）在有机溶剂中进行 萃取时，只有游离的弱酸分子能在溶剂中存 在，故只有游离酸才能在水和溶剂两相中进 行分配。
一些溶剂的介电常数（25℃ ）
溶剂 己烷 环己烷
2.02 氯仿 4.87 丙酮 20.7
四氯化碳
2.24 乙酸乙酯 6.02 丙醇 22.2
苯
2.28 2-丁醇 15.8 乙醇 24.3
甲苯
2.37 1-丁醇 17.8 水 78.54 极性最强
1.90 介电常数 极性最小 溶剂 介电常数 溶剂 介电常数 二乙醚 4.43 1-戊醇 20.1
• 溶剂与溶液互溶度小； • 粘度低，界面张力适中，不产生难以分 离的乳化现象； • 两相之间有一定密度差，便于混合后的 两相分离。
（4）毒性要低
• 低毒性：乙醇、丁醇、乙酸乙酯、乙酸 丁酯、乙酸戊酯等； • 中等毒性：甲苯、环己烷、甲醇等； • 强毒性：苯、氯仿、四氯化碳等。
（5）回收容易，稳定性好； （6）腐蚀性低，安全性好； （7）操作条件下的蒸汽压低，以减小汽化 损失； （8）价格低廉，易得。 • 生物工业常用溶剂：乙酸乙酯、乙酸丁 酯、乙酸戊酯、丁醇等。
•萃取因素——溶质在萃取相与萃 余相中的数量之比。
C1VS VS E K C 2VF VF
•未被萃取的溶质分率：
C2VF 1 C1VS C2VF E 1
•溶质理论收得率：
KVS E K 1 E 1 KVS VF K VF / VS
单级萃取：
KVS E K 1 E 1 KVS VF K VF / VS
设：[AH]‘——有机相中游离酸的浓度 [AH]——水相中游离酸的浓度 [A-]——水相中酸根离子的浓度
• 两相中的实际分配系数为 ： K0= [AH]‘/[AH] • 由于，水相中的弱酸浓度是游离酸与酸根离子 的总和，于是表观分配系数为： K= [AH]‘/([AH]+[A-]) • 将以上三式化简后合并可得：
L2 分 离 器 3 R1
L3 混 合 器 3 F
未被萃取的溶质分率 ： E 1 n1 E 1
理论收得率： E n 1 E 1 n 1 E 1
例：对于K=20，E=4的3级逆流萃取系统，试计算其理 论收得率与溶质的浓缩倍数（CL/CF）。
E 4 E 44 4 解：理论收得率： Y 1 4 4 0.988 98.8% E 1 4 1