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国家精品课程生物分离工程
Chapter 5 萃 取 Solvent Extraction
Nanjing University of Technology Yao Zhong（姚忠） http://jwc.njut.edu.cn/06jpkc/njgydx/index.asp
通过本章学习应掌握以下内容：
生物亲和分配
温度及其它因素
反胶束萃取 （Reversed Micelles Extraction）
表面活性剂在非极性有机溶剂中形成的一种聚
集体
– 当表面活性剂浓度超过临界微团浓度时，表面活性
剂会在水溶液中形成聚集体
– 微团和反微团
极性“头”
微团：
– 表面活性剂的极 性头朝外，疏水 的尾部朝内，中 间形成非极性的 “核”
温度和压力之下，则称之为超临界流体。 特点：密度接近液体－－萃取能力强 粘度接近气体－－传质性能好
超临界流体萃取的基本思想
利用超临界流体的特殊性质，使其在超临界状
态下，与待分离的物料接触，萃取出目的产物 ，然后通过降压或升温的方法，使萃取物得到 分离 – 常用萃取剂
»极性萃取剂：乙醇、甲醇、水（难） »非极性萃取剂：二氧化碳（易）
萃取的概念 液－液萃取从机理上分析可分为哪两类？ 常见物理萃取体系由那些构成要素？ 何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？ 掌握单级萃取过程的计算解析方法。 掌握多级萃取萃取级数的计算方法。
何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？ 何谓双水相萃取?常见的双水相构成体系有哪
分配系数的对数值与标准状态下的化学势的 差值有关
因此，要提高溶质的分配系数，必须提
高标准状态下，其在重相与轻相的化学 势之差 可以采取的方法：
– 改变溶剂 – 改变溶质的特性
» 生成有用离子对－－可溶于萃取剂的离子对 将强酸弱碱盐或强碱弱酸盐生成弱酸弱碱盐 » 通过改变原溶剂中的pH值
等温法
等压法 吸附法
超临界流体的应用
咖啡因萃取
植物油：胚芽油、玉米油、γ亚麻酸 天然香料：杏仁油、柠檬油
啤酒花
尼古丁
大型超临界流体萃取装置
双水相萃取
(Aqueous Two Phase Extraction)
双水相现象是当两种聚合物或一种聚合物与一 种盐溶于同一溶剂时，由于聚合物之间或聚合 物与盐之间的不相容性，当聚合物或无机盐浓 度达到一定值时，就会分成不互溶的两相。 因使用的溶剂是水，因此称为双水相，在这两 相中水分都占很大比例(85％一95％)，活性蛋 白或细胞在这种环境中不会失活，但可以不同 比例分配于两相，这就克服了有机溶剂萃取中 蛋白容易失活和强亲水性蛋白难溶于有机溶剂 的缺点。
双水相萃取是利用物质在不相溶的，两水相间
分配系数的差异进行萃取的方法
– 是否分层或混合成一相，取决于： » 熵增——与分子数目有关 » 分子间作用力——与分子大小有关
可以构成双水相的体系有：
– 离子型高聚物－非离子型高聚物（分子间斥力） » PEG－DEXTRAN – 高聚物－相对低分子量化合物（盐析作用） » PEG－硫酸铵
构成反胶团的表面活性剂种类
阴离子表面活性剂
– AOT 阳离子表面活性剂 – 季铵盐
化学萃取 （Chemical Extraction）
利用可与被萃目标物发生反应的非极性
物质作为萃取剂进行的反应 络合萃取分离有机酸（醋酸）
– 季铵盐 – 叔胺
络合萃取体系构成
– 萃取剂 – 稀释剂
物理萃取
利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力，
分离过程纯属物理过程 萃取体系的构成
– 溶质：被萃取的物质 – 原溶剂：原先溶解溶质的溶剂 – 萃取剂：加入的第三组分
萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大
的溶解度
Light phase
杂质
溶质 萃取剂 原溶剂
Heavy phase
分配系数
多级逆流萃取的解析方法
确定要达到一定的回收率所需萃取的级数 P83－85
常用萃取设备
混合－沉降器
旋转圆筒萃取塔 离心萃取器
填充塔
喷雾塔 旋转圆盘塔
离心萃取器
超临界流体萃取 (Supercritical Fluid Extraction)
超临界流体：当一种流体处于其临界点的
离子对(ion-pair)
R3 N HAC R3 NH AC
氢键(H-bonding)
R3 N HAC R3 N HAC
离子交换(ion exchange)
R3 NH Cl AC R3 NH AC
本章作业
萃取的概念 常见物理萃取体系有哪些基本构成？ 何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？
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。
连续逆流萃取装置
单级萃取过程的解析计算方法
假定传质处于平衡状态
有
y kx
y－萃取相中溶质的浓度 x－萃余相中溶质的浓度
由质量守恒定律：
Hx0 Ly0 Hx Ly
由以上两式可得：
x0 x 1 E
若P为萃取回收率
超临界二氧化碳萃取
（Supercritical Carbon Dioxide Extraction）
临界点：
T：304.1 P：73.8 bar 优点： 缺点：
– – – – – – 临界条件温和 产品分离简单 无毒、无害 不燃 无腐蚀性 价格便宜 设备投资大
超临界二氧化碳萃取流程图
超临界萃取典型流程
水
非极性“尾” 非极性的“核”
有机溶剂
反微团：
极性“头”
– 表面活性剂的极 性头朝内，疏水 的尾部向外，中 间形成极性的“核”
非极性“尾” 极性的“核”
反微团的优点
极性“水核”具有较强的溶解能力。
生物大分子由于具有较强的极性，可溶解于极性
水核中，防止与外界有机溶剂接触，减少变性作 用。 由于“水核”的尺度效应，可以稳定蛋白质的立 体结构，增加其结构的刚性，提高其反应性能。
衡量萃取体系是否合理的重要参数：
k y/x
y-----平衡时溶质在轻相中的浓度 X-----平衡时溶质在重相中的浓度
单级萃取
由物化理论可知：萃取操作达到平衡时
，溶质在轻相和重相中的化学势相等。
(l ) (h)
分配系数为
y (h) (l ) k exp[ ] x RT
kx0 y 1 E
其中萃取因子：
kL E H
Ly E P Hx0 1 E
多级萃取
是工业生产最常用的萃取流程
– 分离效率高 – 产品回收率高 – 溶剂用量少
三级错流萃取装置a—艾德连式
三级错流萃取装置b—泵混合分离器 三级错流萃取装置c—加挡－齐格勒接触
器 三级错流萃取装置d—霍米－莫脱接触器
双水相萃取的优点
操作条件温和，在常温常压下进行；
两相的界面张力小，一般在10-4N／cm量级，
两相易分散， 两相的相比随操作条件而变化； 上下两相密度差小，一般在10 g/L。因此两相 分离较困难，目前这方面研究较多 易于连续操作，处理量大，适合工业应用。
双水相萃取的原理
依据悬浮粒子与其周围物质具有的复杂
的相互作用：
– – – – – 氢键 电荷力 疏水作用 范德华力 构象效应
双水相系统中目标物分配系数的影响因素
成相高聚物浓度－－界面张力
成相高聚物的相对分子量 – 一般来说，蛋白等高分子量物质易集中于低分子量相
电化学分配 – 双水相萃取时，蛋白质的分配系数受离子强度的影响很小
疏水反应
些？
反胶团的构成以及反胶团萃取的基本原理。
萃取是生物分离中常用的单元操作 原料 前处理 生物反应 工程 生物分离 工程 产品
固 液 分 离
分 离 提 取
来自百度文库
纯 化
精 制
何谓萃取
利用在两个互不相溶的液相中各种组分
（包括目的产物）溶解度的不同，从而 达到分离的目的 – 物理萃取 – 化学萃取
何谓双水相萃取?常见的双水相构成体系有哪些？
反胶团的基本结构？反胶团萃取的特点有哪些？ P126 第一题
Chapter 5 萃 取 Solvent Extraction
Nanjing University of Technology Yao Zhong（姚忠） http://jwc.njut.edu.cn/06jpkc/njgydx/index.asp
通过本章学习应掌握以下内容：
生物亲和分配
温度及其它因素
反胶束萃取 （Reversed Micelles Extraction）
表面活性剂在非极性有机溶剂中形成的一种聚
集体
– 当表面活性剂浓度超过临界微团浓度时，表面活性
剂会在水溶液中形成聚集体
– 微团和反微团
极性“头”
微团：
– 表面活性剂的极 性头朝外，疏水 的尾部朝内，中 间形成非极性的 “核”
温度和压力之下，则称之为超临界流体。 特点：密度接近液体－－萃取能力强 粘度接近气体－－传质性能好
超临界流体萃取的基本思想
利用超临界流体的特殊性质，使其在超临界状
态下，与待分离的物料接触，萃取出目的产物 ，然后通过降压或升温的方法，使萃取物得到 分离 – 常用萃取剂
»极性萃取剂：乙醇、甲醇、水（难） »非极性萃取剂：二氧化碳（易）
萃取的概念 液－液萃取从机理上分析可分为哪两类？ 常见物理萃取体系由那些构成要素？ 何谓萃取的分配系数？其影响因素有哪些？ 掌握单级萃取过程的计算解析方法。 掌握多级萃取萃取级数的计算方法。
何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？ 何谓双水相萃取?常见的双水相构成体系有哪
分配系数的对数值与标准状态下的化学势的 差值有关
因此，要提高溶质的分配系数，必须提
高标准状态下，其在重相与轻相的化学 势之差 可以采取的方法：
– 改变溶剂 – 改变溶质的特性
» 生成有用离子对－－可溶于萃取剂的离子对 将强酸弱碱盐或强碱弱酸盐生成弱酸弱碱盐 » 通过改变原溶剂中的pH值
等温法
等压法 吸附法
超临界流体的应用
咖啡因萃取
植物油：胚芽油、玉米油、γ亚麻酸 天然香料：杏仁油、柠檬油
啤酒花
尼古丁
大型超临界流体萃取装置
双水相萃取
(Aqueous Two Phase Extraction)
双水相现象是当两种聚合物或一种聚合物与一 种盐溶于同一溶剂时，由于聚合物之间或聚合 物与盐之间的不相容性，当聚合物或无机盐浓 度达到一定值时，就会分成不互溶的两相。 因使用的溶剂是水，因此称为双水相，在这两 相中水分都占很大比例(85％一95％)，活性蛋 白或细胞在这种环境中不会失活，但可以不同 比例分配于两相，这就克服了有机溶剂萃取中 蛋白容易失活和强亲水性蛋白难溶于有机溶剂 的缺点。
双水相萃取是利用物质在不相溶的，两水相间
分配系数的差异进行萃取的方法
– 是否分层或混合成一相，取决于： » 熵增——与分子数目有关 » 分子间作用力——与分子大小有关
可以构成双水相的体系有：
– 离子型高聚物－非离子型高聚物（分子间斥力） » PEG－DEXTRAN – 高聚物－相对低分子量化合物（盐析作用） » PEG－硫酸铵
构成反胶团的表面活性剂种类
阴离子表面活性剂
– AOT 阳离子表面活性剂 – 季铵盐
化学萃取 （Chemical Extraction）
利用可与被萃目标物发生反应的非极性
物质作为萃取剂进行的反应 络合萃取分离有机酸（醋酸）
– 季铵盐 – 叔胺
络合萃取体系构成
– 萃取剂 – 稀释剂
物理萃取
利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力，
分离过程纯属物理过程 萃取体系的构成
– 溶质：被萃取的物质 – 原溶剂：原先溶解溶质的溶剂 – 萃取剂：加入的第三组分
萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大
的溶解度
Light phase
杂质
溶质 萃取剂 原溶剂
Heavy phase
分配系数
多级逆流萃取的解析方法
确定要达到一定的回收率所需萃取的级数 P83－85
常用萃取设备
混合－沉降器
旋转圆筒萃取塔 离心萃取器
填充塔
喷雾塔 旋转圆盘塔
离心萃取器
超临界流体萃取 (Supercritical Fluid Extraction)
超临界流体：当一种流体处于其临界点的
离子对(ion-pair)
R3 N HAC R3 NH AC
氢键(H-bonding)
R3 N HAC R3 N HAC
离子交换(ion exchange)
R3 NH Cl AC R3 NH AC
本章作业
萃取的概念 常见物理萃取体系有哪些基本构成？ 何谓超临界流体萃取？其特点有哪些？
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。
连续逆流萃取装置
单级萃取过程的解析计算方法
假定传质处于平衡状态
有
y kx
y－萃取相中溶质的浓度 x－萃余相中溶质的浓度
由质量守恒定律：
Hx0 Ly0 Hx Ly
由以上两式可得：
x0 x 1 E
若P为萃取回收率
超临界二氧化碳萃取
（Supercritical Carbon Dioxide Extraction）
临界点：
T：304.1 P：73.8 bar 优点： 缺点：
– – – – – – 临界条件温和 产品分离简单 无毒、无害 不燃 无腐蚀性 价格便宜 设备投资大
超临界二氧化碳萃取流程图
超临界萃取典型流程
水
非极性“尾” 非极性的“核”
有机溶剂
反微团：
极性“头”
– 表面活性剂的极 性头朝内，疏水 的尾部向外，中 间形成极性的“核”
非极性“尾” 极性的“核”
反微团的优点
极性“水核”具有较强的溶解能力。
生物大分子由于具有较强的极性，可溶解于极性
水核中，防止与外界有机溶剂接触，减少变性作 用。 由于“水核”的尺度效应，可以稳定蛋白质的立 体结构，增加其结构的刚性，提高其反应性能。
衡量萃取体系是否合理的重要参数：
k y/x
y-----平衡时溶质在轻相中的浓度 X-----平衡时溶质在重相中的浓度
单级萃取
由物化理论可知：萃取操作达到平衡时
，溶质在轻相和重相中的化学势相等。
(l ) (h)
分配系数为
y (h) (l ) k exp[ ] x RT
kx0 y 1 E
其中萃取因子：
kL E H
Ly E P Hx0 1 E
多级萃取
是工业生产最常用的萃取流程
– 分离效率高 – 产品回收率高 – 溶剂用量少
三级错流萃取装置a—艾德连式
三级错流萃取装置b—泵混合分离器 三级错流萃取装置c—加挡－齐格勒接触
器 三级错流萃取装置d—霍米－莫脱接触器
双水相萃取的优点
操作条件温和，在常温常压下进行；
两相的界面张力小，一般在10-4N／cm量级，
两相易分散， 两相的相比随操作条件而变化； 上下两相密度差小，一般在10 g/L。因此两相 分离较困难，目前这方面研究较多 易于连续操作，处理量大，适合工业应用。
双水相萃取的原理
依据悬浮粒子与其周围物质具有的复杂
的相互作用：
– – – – – 氢键 电荷力 疏水作用 范德华力 构象效应
双水相系统中目标物分配系数的影响因素
成相高聚物浓度－－界面张力
成相高聚物的相对分子量 – 一般来说，蛋白等高分子量物质易集中于低分子量相
电化学分配 – 双水相萃取时，蛋白质的分配系数受离子强度的影响很小
疏水反应
些？
反胶团的构成以及反胶团萃取的基本原理。
萃取是生物分离中常用的单元操作 原料 前处理 生物反应 工程 生物分离 工程 产品
固 液 分 离
分 离 提 取
来自百度文库
纯 化
精 制
何谓萃取
利用在两个互不相溶的液相中各种组分
（包括目的产物）溶解度的不同，从而 达到分离的目的 – 物理萃取 – 化学萃取
何谓双水相萃取?常见的双水相构成体系有哪些？
反胶团的基本结构？反胶团萃取的特点有哪些？ P126 第一题