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项目类别一

溶剂萃取法课件ppt

2022-01-02 22:15

  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 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。 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称为。 实验室液液萃取过程 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 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 萃取过程有选择性 能与步聚相配合 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 18.1 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 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。 分离因素(β) 弱电解质在有机溶剂-水相的分配平衡 弱电解质的分配系数: 弱电解质的表观分配系数K: 1. pH的影响 与杂质的分离程度归纳 3. 盐析: 无机盐——氯化钠、硫酸铵,作用: 生化物质在水中溶解度↓;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; spm的丁酯萃取液 + 饱和盐水洗涤, 减少spm在水中溶解度;消除有机相水滴;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。 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。 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 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。 (亲憎平衡值) 表面活性剂的亲水与亲油程度的相对强弱,在工业上常用HLB数来表示。 即亲水与亲油平衡程度,HLB数越大,亲水性越强,形成O/W型乳浊液,HLB数越小,亲油性越强,形成W/O型乳浊液。 18.4 萃取方式与过程计算 1. 单级萃取 未被萃取的分率φ和理论收得率1-φ 2)多级错流萃取 料液经萃取后,萃余液再与新鲜萃取剂接触,再进行萃取。 第一级的萃余液进入第二级作为料液,并加入新鲜萃取剂进行萃取;第二级的萃余液再作为第的料液,以此类推。 此法特点在于每级中都加溶剂,故溶剂消耗量大,而得到的萃取剂平均浓度较稀,但萃取较完全。 多级错流萃取未被萃取分率和理论收率 经一级萃取后,未被萃取的分率φ1: 经二级萃取后,未被萃取的分率φ2: 经n级萃取后,未被萃取的分率: 理论收率: 多级错流萃取 3)多级逆流萃取 在多级逆流萃取中,在第一级中连续加入料液,并逐渐向下一级移动,而在最后一级中连续加入萃取剂,并逐渐向前一级移动。 料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反,故称为逆流萃取。 在逆流萃取中,只在最后一级中加入萃取剂,故和错流萃取相比,萃取剂之消耗量较少,因而萃取液平均浓度较高。 多级逆流萃取图 多级逆液萃取计算公式推导 多级逆液萃取计算公式推导 例子:不同萃取方式理论收率 1 利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线L/h,计算采用错流萃取和逆流萃取的萃取因素E和理论收率各为多少? 2 教材84页复习题5 萃取计算诺模图 为了便于计算,选择合理的萃取条件和相应的设备,必须适当地分析主要因素的影响。 可利用未被萃取分率φ,浓缩倍数m,水相pH和使用设备的理论级数n等定量连系的诺模图来完成。 主要是求取在一定温度下分配系数K和溶液pH的关系(m和n可任选),然后通过计算机运算得到诺模图。 在00C,pH2.5醋酸丁酯-苄青霉素-水系统 上面讨论的萃取属于物理萃取,是指用一个有机溶剂择优溶解目标溶质,符合分配定律。 在物理萃取的应用中一个主要的限制是需要发现一个在有机相和水相之间对目标溶质分配系数足够高的溶剂 除此以外,用有机溶剂萃取弱电解质(有机酸或有机碱)时都要调节溶液的pH使其小于pKa(对有机酸)或大于pKa(对有机碱),这样会影响目标溶质的稳定性,因此启发人们寻找新的萃取体系。 离子对/反应萃取就是使目标溶质与溶剂通过络合反应,酸碱反应或离子交换反应生成可溶性的复合络合物,易从水相转移到有机溶剂/萃取系统中。 主要有两类萃取剂: 1.有机磷类萃取剂 2.胺类萃取剂 离子对/反应萃取-稀释剂 此类萃取剂都要溶解在稀释剂中, 稀释剂:溶解萃取剂,改善萃取相的物理性质的有机溶剂,如煤油、己烷、辛烷、苯。稀释剂的选择: ①分配系数:稀释剂能够影响分配系数,特别是通过萃取剂/溶剂复合物的溶剂化作用。 ②选择性:为萃取尽可能少的杂质,使用非极性稀释剂更好。 ③水溶性:低的水溶性,使溶剂的损失最少。 ④毒性:对食品和药品应低毒或无毒的溶剂,长链烷烃由于它们具有低毒和低水溶性,因此理应优先使用。 ⑤粘度和密度:低粘度和低密度的稀释剂会使分相更容易。 ⑥稳定性:烷烃比醇、酯和卤代烃更难降解 ⑦第三相的形成: 离子对/反应萃取的应用 1.青霉素-TBP(磷酸三丁酯)萃取: 体系中存在电离平衡Kp和萃取反应平衡Ks HP(W) +nS (0) ? HP·Sn (0) 化学萃取表观分配系数: 对比物理分配K: 虽然离子对/反应萃取体系对生物产物的萃取具有选择性高、溶剂损耗小、产物稳定等优点,但是由于溶剂的毒性会引起产品残留毒性影响健康,只有那些可用于工业原料的产物,才有使用价值,故有待进一步研究开发。 思考题: 1 理解概念:分配系数,表观分配系数,分离因素,介电常数,HLB 值 ,萃取因素,带溶剂,未被萃取分率,理论收率,离子对/反应萃取,化学萃取 2 pH 对弱电解质的萃取效率有何影响? 3 发酵液乳化现象产生原因与影响?如何消除乳化现象? 4 萃取方式包括哪些,其理论收率如何计算? 溶剂萃取法新技术 近20年来研究溶剂萃取技术与其他技术相结合从而产生了一系列新的分离技术,如: 超临界萃取(Supercritical Fluid Extraction) 逆胶束萃取(Reversed Micelle Extraction) 液膜萃取(Liquid Membrane Extraction) 微波辅助萃助(microwave-assisted extraction) 两水相萃取(aqueous two-phase system) 一 超临界流体萃取 概念: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(液体或固体)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。 所谓超临界流体(SCF)即处于临界温度、临界压力以上的流体。 在临界温度、压力以上,无论压力多高,流体都不能液化但流体的密度随压力增高而增加。 特点:密度接近液体 萃取能力强 粘度接近气体 传质性能好 超临界二氧化碳萃取 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) 超临界二氧化碳临界点:Tc=31.26℃、Pc=7.2MPa 优点: 缺点: 临界条件温和 设备投资大 产品分离简单 无毒、无害 不燃 无腐蚀性 价格便宜 超临界流体的应用 超临界流体(supercritical fluid, SCF)对脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、脂等具有特殊的溶解作用,因此可用于这类物质的萃取分离。 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 尼古丁 咖啡因超临界萃取流程 反胶束萃取技术(Reversed micellar extraction)是近年来发展起来的一种新型萃取分离技术,主要适合于蛋白质的提取和分离。 是利用表面活性剂在有机溶剂中自发形成一种纳米级的反胶束相来萃取水溶液中的大分子蛋白质。 疏 静电引力:主要是蛋白质的表面电荷与反胶束内表面电荷(离子型表面活性剂)之间的静电引力作用。 空间位阻作用:增大反胶束极性核的尺寸,以减小大分子蛋白进入胶核的传质阻力。 凡是能够引起静电引力,能够促使反胶束尺寸增大的因素均有利于提高分配系数。 这些因素主要是pH、离子强度、表面活性剂种类和浓度等,通过因素优化,实现选择性地萃取和反萃取。 在反胶束内部包含了水溶液,蛋白质等生物分子萃取后进入反胶团内部的“水池” 中,避免了与有机溶剂直接接触,反胶束内的微环境与生物膜内相似,故能很好保持其生物活性,解决了蛋白质在有机溶剂中容易变性失活和难溶于有机溶剂的问题,为蛋白质的提取和分离开辟了一条新的途径。 成本低,有机溶剂可反复使用;容易放大和实现连续操作 反胶束萃取是一条具有工业发展前景的蛋白质分离技术。 三 液 膜 萃 取 液膜:通常是由溶剂、表面活性剂和添加剂制成的。溶剂构成膜基体;表面活性剂起乳化作用,可以促进液膜传质速度并提高其选择性;添加剂用于控制膜的稳定性和渗透性。 液膜萃取:通常将含有被分离组分的料液作连续相,称为外相;接受被分离组分的流体,称内相;处于两者之间的成膜的流体称为膜相,三者组成液膜分离体系。液膜把两个组成不同而又互溶的内、外相溶液隔开,并通过渗透现象起到分离作用。 液膜的种类 液膜根据其结构可分为多种,但具体有实际应用价值的主要有三种: ①乳状液膜 ②支撑液膜 ③流动液膜 ① 乳状液膜 乳状液膜(emulsion liquid membrance,ELM)是N.N.Li发明专利中使用的液膜。 乳状液膜根据成膜流体的不同,分为(W/O)/W和(O/W)/O两种。在生物分离中主要应用(W/O)/W型乳状液膜。 ②支撑液膜 支撑液膜是将固体膜浸在膜溶剂(如有机溶剂中)使膜溶剂充满膜的孔隙形成液膜。 支撑液膜分隔料液相和反萃相,实现渗透溶质的选择性萃取。 当液膜为油相时,常用的多孔膜为聚四氟乙烯、聚乙烯和聚丙烯等高疏水性膜。 与乳状液膜相比,支撑液膜结构简单,放大容易。 ③流动液膜 流动液膜也是一种支撑液膜, 是为了弥补上述支撑液膜的膜相容易流失的缺点而提出的, 液膜相可循环流动,因此在操作过程中即使有所损失也很容易补充,不必停止萃取操作进行液膜再生。 液膜分离技术的应用 液膜分离技术由于其良好的选择性和定向性,分离效率高,而且能达到浓缩、净化和分离的目的,因此,广泛用于化工、食品、制药、环保、湿法冶金、气体分离和生物制品等工业中。 近年来液膜分离技术在发酵液产物分离领域中也引起了人们的关注,进行了较为广泛的研究和开发工作。 液膜分离萃取柠檬酸 四 微波辅助萃取 微波和传统的溶剂提取法相结合的一种萃取方法, 利用不同结构的化合物吸收微波能力的差异,使得细胞内的某些成分被微波选择性加热,导致细胞结构发生变化,从而提高有效成分的溶出程度和速度。 20世纪70年代,普通家用微波炉首次走进实验室;80年代,首次发表了微波用于植物提取的文献;90年代商业化开始应用于中药有效成分的提取; 微波萃取机理 微波作用包括: 一方面微波使细胞内的一些极性分子成为激发态,或者使极性分子变性,细胞结构不再“正常”,或者极性分子释放能量回到基态,所释放的能量传递给其他物质分子,加速其热运动,缩短萃取组分的分子由物料内部扩散到溶剂界面的时间,从而提高萃取速率; 另一方面微波不仅加热溶剂,而且提高溶剂的活性,使其更多地溶解有效成分,并高效率传递入溶剂。 微波提取在应用中应注意的几个问题 微波对不同的植物细胞或组织有不同的作用,对细胞内产物的释放也有一定的选择性。 微波提取仅适用于对热稳定的产物,如生物碱、黄酮、苷类等,而对于热敏感的物质如蛋白质、多肽等,微波加热能导致这些成分的变性、甚至失活。 由微波加热原理可知,微波提取要求被处理的物料具有良好的吸水性,否则细胞难以吸收足够的微波能将自身击破,使其内容物难以释放出来。 微波萃取技术在中药中的应用,大多在实验室中进行,工业化生产还不太普及,但微波萃取技术的工程放大问题已受到重视,这将推动微波萃取技术在工业化的应用。 微波萃取机理 加热微波是一种频率在300MHz ~300kMHz的电磁波(波长lmm~ lm),具有直线性、吸收性、穿透性和非电离性,频率为915MHz~2450MHz。加热原理是通过离子传导和偶极子转动而直接作用于分子。离子传导是离子在电磁场中的电泳移动形成电流,介质对离子流的阻碍而产生热效应。 偶极子转动是偶极子在电场中依照电场的极性重新定向排列,当外加电场方向改变时重排随之变化,这一过程造成极性分子运动和相互摩擦,使极性分子获得能量并以热的形式表现出来,介质的温度也不断升高。 课堂讨论题2: 林可霉素性质:碱性抗生素,分子中有一个胺基pK=7.6;pH

  7.6, Lin 游离分子浓度↑ 当pH10.0时, C0 = 99.6% C+ = 0.4% ∴ 选pH10 pH再升高是否更好? ① Lin 几乎都呈游离分子, 溶解度不会再增大; 且耗碱量多 ② 被同时萃取的碱性杂质↑, 分离效率↓ ③ Lin 稳定性受影响 d. 加NaCl, 盐析作用: ① 水中溶解度进一步↓ K↑(18→28) ②两相互溶度↓易分层。 e. 反萃pH: 2.0

  pKSPM),如何除去? 解答: 1. 为什么萃取时适宜的pH=9.0左右 ? 碱性物质:随着pH↑,K↑, 应满足pH

  8.4,SPM 游离分子含量增加 在弱极性的有机溶剂中溶解度增大。 不能过大的理由? ① pH超过9.0以后,K增加不明显; ② SPM 稳定性下降; ③ 极性比SPM更强的杂质(如pK杂≥ 9),容易被萃取到有机 相中,造成纯度降低。 2. 萃取时温度为什么应升至35℃左右? 螺旋霉素在水中的溶解度随温度升高而减小,低温时溶解度较大。因此,萃取时应适当提高温度,有利于螺旋霉素进入有机相。 温度对萃取分配系数的影响 温度过高,容易破坏,因此适宜的萃取温度为35℃左右。 3. 反萃取主要为了除去哪类杂质? 极性比螺旋霉素弱的碱性杂质(pK杂

  pkspm),使留在有机相,达到进一步提纯目的。 4. 适宜的反萃取ph应满足哪些条件?过高或过低有何不利? ① 满足ph

  7.1(spm+1和spm+2含量增大 )→水相溶解度↑ ∴ 应使溶液ph↓( ph↓,k反↑); ② 在spm稳定范围,酸性水溶液易降解, ∴ ph过低,k反值反而减小; ③ 使弱碱性杂质除去,提高产品纯度 ∴ ph不能过低( pk杂

  pKSPM (使杂质解离度大,而SPM解离度小)。 6. 若萃取液中混有一碱性杂质,极性较强(pK杂

  pKpen(2.75) ∴ 萃取时无法去除; 反萃时 4.8

  pH

  pH

  pK生 萃取时杂质自然除去 pK碱杂

  pH

  原来的表面活性 ③ 不能形成坚固的保护膜。 3).乳浊液的破坏措施 ※ 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 ※ 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: 单级萃取流程示意图 单级萃取:只包括一个混合器和一个分离器 萃取因素 未被萃取的分率 理论收率 1. 单级萃取 18-9 多级错流萃取示意图 料液入口 第一级 第二级 第 萃余液出口 未被萃取分率Φ、级数n、萃取因数E之间的关系 未被萃取分率Φ 级数n 青霉素的多级逆流萃取 青霉素发酵过滤液进入第一级萃取罐,在此与从第二级分离器来的萃取相(含产品青霉素)混合萃取,然后流入第一级分离器分成上下层, 上层为萃取相,富含目的产物,送去蒸馏回收溶剂和产物进一步精制; 下一层为萃余相,含目的产物浓度比新鲜料液低得多,送第二级萃取; 如此经萃取后,最后一级的萃余相作为废液排走。 1 2 K-1 k K+1 n-1 n L F S R 令Qk代表第k级中溶质总量(萃取相和萃余相),因为是连续操作,则表示单位时间内通过第k级溶质总量。 先求出相邻所含溶质总量Qk-1,Qk 和 Qk+1 之间关系 自第(k+1)级进入第k级的溶质的量= 而自(k-1)级进入第k级的量= 则第K级的溶剂总量为 理论收得率: 未被萃取的分率: 条件:萃取相和萃余相很快达到平衡 两相完全不互溶,完全分离 每级的萃取因素E相同 诺模图:把一个数学方程式的几个变量之间的函数关系,画成相应的具有刻度的直线或曲线表示的计算图标 * * * * * * 第一讲 溶剂萃取概述 杂质 溶质 原溶剂 萃取剂 Light phase Heavy phase 溶剂萃取概述 溶剂萃取概述 溶剂萃取概述 溶剂萃取概述 一般工业液液萃取过程 溶剂萃取法的特点 分配定律推导 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 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 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。 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。 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。 青霉素的分配平衡 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。 弱酸性电解质K0= [AH]/[AH]= 弱碱性电解质K0 = [B]/[B]= Kp= 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 对于弱碱性电解质 =K0 /(1 +10 pH - pK ) =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 ) 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? 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解度比水中大 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 青霉素 红霉素 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 酸性物质:pH

  pk时 , 主要以游离分子存在; ph = pk时 , 两种形式各占50% 18.2 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 ● 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