第五章-萃取

带来问题： • 产生乳化后使有机相和水相分层困难，出 现夹带：
1、水相夹带有机相，产物损失，有机溶剂回收 损失； 2、有机溶剂夹带水相，给后处理带来困难。
•
需尽量避免出现乳化，如出现乳化，需采取一定 措施破坏乳化。
1. 预处理，去除蛋白质能消除乳化。 2. 离心，离心力场中碰撞聚沉。实验室通过轻轻搅拌也 可促使其破坏。 3. 加入表面活性剂（转型法）O/W型乳浊液中，加入亲 油型乳化剂，在乳浊液油从O/W转为W/O的趋向，但 条件还不允许形成W/O，因而在转变过程中，乳浊液 就被破坏。常用破乳剂：阳离子 溴代十五烷基吡啶， 阴离子 十二烷基磺酸钠。 4. 加热，降低黏度，促使乳浊液破坏。
n
E n 1 1
计算得到n=2.74，故需三级萃取操作。 计算采用三级逆流萃取操作的收率为99.3%，高于错流 萃取操作。 说明多级逆流接触萃取效率优于多级错流萃取。
5.5 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。 利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相 的性质，Albertsson于20世纪50年代后期开发了双 水相萃取法，又称双水相分配法（aqueous twophase partitioning）。
一般初始萃取相中溶质浓度为0，所以上式变为 HxF=Hx+Ly 因为H和L可以认为是常数，结合线性平衡（Henry） 关系式，可得：
mx F y 1 E
mL E H 式中E为萃取因子（extraction factor），即萃取平衡 后萃取相和萃余相中溶质量之比。
由E 可求得萃余分数 φ 和萃取分数 1- φ
y mx
• 5.3 有机溶剂萃取 常用于有机酸、氨基酸和抗生素等弱酸或 弱碱性电解质，及疏水性的脂类物质的萃 取。
• 萃取操作
• 水相物理条件的影响
pH
物理萃取时，弱酸性物质的分配系数随pH降 低而增大，弱碱性物质则相反。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时，分配系数降为 14.4。
• 化学萃取
利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应 生产脂溶性复合分子实现溶质向有机相的 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等。
要求：生产的复合物易溶于有机溶剂中， 在一定条件下又容易分解。
例如，链霉素在中性下能与二异辛基磷酸酯相结 合，而从水相萃取到三氯乙烷中，然后在酸性下， 再萃取到水相，也称反萃。
x1 xF x2 1 E (1 E ) 2
依次类推，得到
xF xn (1 E ) n
因此，溶质的萃余分数为
Hxn 1 n n HxF (1 E )
萃取分数为
(1 E ) 1 1 n n (1 E )
n
（E>0）n→∞，
1 n 1
Hx 1 HxF 1 E
E 1 1 E
• 多级错流萃取
离心萃取机
• 对第i级的物料衡算
Hxi 1 Ly0 Hxi Lyi
mL • y0一般为0。将式 E H
代入上式，得到
y mx
xi 1 xi 1 E
即：
x0 xF x1 1 E 1 E
VT BM _____ VB MT
VT和VB分别为上相和下相体积，BM和MT分别 为B点与M点和M点与T点之间的距离。
影响分配系数的因素
聚合物的相对分子量 当聚合物相对分子量降低时，蛋白质易分配于富含 该聚合物的相。 聚合物的浓度 浓度越大，偏离临界点越远，系线越长，两相差越 大，蛋白质越容易分配于其中的某一相。
c——料液相溶质浓度，mol/L； c*——与萃取相中溶质浓度呈平衡的料液相溶质浓度， mol/L； t——时间，s； K——传质系数，m/s； a——以料液相体积为基准的相间接触比表面积，m－1。
萃取相
浓度c
料液相
时间 t
萃取过程中料液相混合萃取相溶质浓度的变化
• 溶质在两相中的分配平衡是状态的函数，与萃取操作方式（两 相接触状态）无关。 • 达到分配平衡所需的时间与萃取速度有关，而萃取速度不仅是 两相性质的函数，更主要的是受相间接触方式即萃取操作形式 的影响。
(1 E ) n 1 解：萃取剂流量相等时E＝1.65，由式 1 n (1 E ) n 计算得到
(1 1.65)3 1 1 3 0.946 3 (1 1.65)
当各级萃取剂流量不等，则
E1 2.53
1 '3 1 1 (1 Ei )
• 反萃取
在溶剂萃取分离过程中，当完成萃取操作后，为进一步 纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，往往需要将 目标产物转移到水相。这种调节水相条件，将目标产物从 有机相转入水相的萃取操作称为反萃取（back extraction）。
• 物理萃取
即溶质根据相似相溶的原理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。
• 化学萃取剂
带溶剂：能和欲提取的生物物质形成复合物，而易 溶于溶剂中，在一定条件下又要容易分解。
例如：
• 青霉素作为一种酸，可用脂肪碱作为带溶剂，如正十二烷 胺，四丁胺形成复合物而溶于氯仿中。这样萃取收率能够 提高，而且可在较有利的pH范围内操作。这种正负离子 结合成对的萃取，也称为离子对萃取。
料液：被提取的溶液 溶质：欲提取的物质 萃取液（剂）：用于萃取的溶剂，以及萃取后得到的溶 液都称为萃取液。 萃余液：被萃取出溶质的料液
上相（2）
萃取相
相界面 下相（1） 料液相
两相接触状态示意图
• 料液中溶质浓度的变化速率即萃取速度可用下式表示：
dc * ka (c c ) dt
• 式中：
盐的影响 种类和浓度 高浓度时，盐析作用使得蛋白质容易分配至上相。
• pH pH会影响蛋白质中可解离基团的离解度，因而改 变蛋白质所带电荷和分配系数。 pH也会改变磷酸盐的离解程度，使相间电位发生 变化，而影响分配系数。对不同盐，pH影响也不同。 • 温度 在临界点附近影响较大。离临界点远时，影响较 小。 大规模的萃取操作一般在常温下进行，不需冷却。 因为：PEG对蛋白质有稳定作用，常温下不易失活； 容易黏度较低，易分离；可节省冷却费用。
• 乳化现象(emulsification)
• 水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机 相或水相中的现象。
乳化层
产生原因：
• 存在蛋白质等具有表面活性剂的作用，使有机溶 剂和水的表面张力降低。油分散于水称水包油型 O/W（oil in water ）乳浊液，水分散于油中称为 油包水W/O （ water in oil ） 。
分配平衡，与溶剂萃取相同。
c2 m c1
生物分子的分配系数取决于溶质与双水相系统间 的各种相互作用，主要有静电作用、疏水作用和 生物亲和作用等。
PEG/KPi PEG/Dx
杠杆规则： 在系线上各点处系统的总浓度不同，但均分成组 成相同而体积不同的两相。两相的体积近似服从 杠杆规则，即
_____
xF
E 1
则萃余分数为
Hx1 E 1 n n1 HxF E 1
萃取分数为
E E 1 n n 1 E 1
n 1
• 例题：
利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素D，pH＝3.5时分配 系数m＝57。采用多级逆流萃取，令H＝450L/h，萃取剂 流量为39L/h。计算萃取率达到99％所需的级数。 解：E＝mL/H＝4.69；因为收率为99％，即1- φ n＝0.99， 由式 E 1
• 5.2 分配定律与分配平衡 • 分配定律 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，如果其在两相中的 相对分子质量相等，则其在两相中的平衡 浓度之比为常数，称为分配常数。
• 萃取过程中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m称为分配系数 （distribution coefficient）或分配比（distribution ratio）。 • 当溶质浓度较低时，分配系数为常数，两相中溶 质浓度可用Henry型平衡关系表示：
聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG），葡聚糖 (dextran, Dx)，聚合物的不相容性 （incompatibility）使其形成两相。这两相中，水 分都占很大比例（85％～95％），亲水，不会引 起蛋白质失活。
聚合物与盐类溶液也能形成两相。 应用较多的是PEG/Dx和PEG/无机盐，无毒，且 能对蛋白质起稳定作用。
热力学第二定律，混合是熵增加的过程，因而可 自发进行。 分子间存在相互作用力，并且随相对分子质量的 增大而增大。 两种高分子混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物 分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当 达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。
• 如果萃取平衡不符合线性关系，或者各级的萃取 剂流量不同，则各级的萃取因子Ei也不相同，可 采用逐级计算法：
'n
1 (1 Ei )
i 1 n
• 例题：
利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素D，pH＝3.5时分配 系数m＝57。采用三级错流萃取，令H＝450L/h，三级萃 取剂流量之和为39L/h。分别计算L1=L2=L3=13L/h和L1＝ 20，L2＝10，L3＝9L/h时的萃取率。
i 1 n
E2 1.27
E3 1.14
1
1 1 1 0.942 (1 2.53) (1 1.27) (1 1.14)
1 3 1 '3
多级逆流萃取
/old/www/cqj.htm
假设各级中溶质的分配达到平衡，并且分配平衡符 合线性关系（y=mx） 第i级的物料衡算式为 Lyi + Hxi = Lyi-1 + Hxi+1 (i=1,2,…n) 对于第一级I=1，设y0＝0，则 x2 = (Ly1+Hx1)/H = (Lmx1+Hx1)/H = (E+1) x1 同样对第二级， x3= (E2+E+1) x1 对第n级， xn+1 = (En+En-1+…E+1) x1 或 ( E n 1 1) x1
第五章 萃取
• • • • • • • • •
5.1 基本概念 5.2 分配定律与分配平衡 5.3 有机溶剂萃取 5.4 液液萃取设备及其设计的理论基础 5.5 双水相萃取 5.6 液膜萃取 5.7 反胶团萃取 5.8 液固萃取 5.9 超临界流体萃取
•5.1 基本概念
• 萃取（extraction） 是利用液体或超临界流体为溶剂提取物料中目标 产物的分离纯化操作。萃取操作中至少有一相是 流体，一般称该流体为萃取剂（extractant）。
•
双水相萃取操作
配置不同浓度的双水相，黏度高，称重。 加入料液，充分混合。 离心分离。 分别测定上下相目标产物和总蛋白的量，计 算分配系数。 5. 分析目标产物的收率和纯化倍数，确定最佳 双水相系统。 1. 2. 3. 4.
• 双水相萃取的特点：
– 容易放大。可由10ml直接放大到工业规模。 – 两相间表面张力低，轻微搅拌即能形成高度分散系 统，有利于底物和产物的传递，平衡容易达到（往 往只有几秒钟），可在离心机中边混合边分离，可 连续化操作。 – 高分子物质形成的水相有利于生物物质的活性保留。 – 小分子物质也可用双水相萃取，但一般都在PEG/ 盐体系。适用于一些黏度大、难过滤、易乳化的发 酵液。
• 5.4 萃取设备及其设计的理论基础
• 混合－澄清式萃取器（mixer-settler）是最常用的液液萃 取设备。
• 单级萃取
萃取剂 L, yF 料液 H, xF 萃取相 L, y
萃取剂 L, yF
1
萃取相 L, y
混合器
萃余相 H, x
料液 H, xF
萃余相 H, x
对上图物料衡算 HxF+LyF=Hx+Ly
温度
一般在常温或较低温度下进行。
• 有机溶剂的选择
1. 应使目标产物有较大的分配系数和较高的选择性。 尽量不要带入较多的杂质； 2. 价格低廉； 3. 与水不互溶； 4. 与水有较大密度差，黏度小，容易相分散和相分 离； 5. 易回收和再利用； 6. 毒性低，腐蚀性低，闪点高，使用安全； 7. 不与目的产物反应。