第一讲第一讲溶剂萃取概述溶剂萃取概述n萃取：萃取：当含有生化物质的溶液与互不相溶的第二相接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。中，这样就能达到某种程度的提纯和浓缩。n萃取在化工上是分离液体混合物常用的单元操作，在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，发酵和其它生物工程生产上的应用也相当广泛，n萃取操作不仅可以提取和增浓产物，使产物获得初步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、的纯化，所以广泛应用在抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物激素等发酵产物 的提取上。的提取上。萃取过程萃取过程溶剂萃取概述溶剂萃取概述杂质杂质溶质溶质原溶剂原溶剂萃取剂萃取剂Light phaseHeavy phase溶剂萃取概述溶剂萃取概述萃取的基本概念萃取萃取 : : 溶质从料液转移到萃取剂的过程。溶质从料液转移到萃取剂的过程。 反萃取：溶质从萃取剂转移到反萃剂的过程。反萃取：溶质从萃取剂转移到反萃剂的过程。在在完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下一步完成萃取操作后，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（作就称为反萃取（Back extraction)Back extraction)物理萃取和化学萃取：物理萃取和化学萃取：物理萃取的理论基础是物理萃取的理论基础是分配定律分配定律，而化学萃取服从相律及一般化学反，而化学萃取服从相律及一般化学反应的平衡定律。应的平衡定律。溶剂萃取概述溶剂萃取概述萃取法是利用液体混合物各组分在某有机溶剂中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。的溶解度的差异而实现分离的。n料液：料液：在溶剂萃取中，被提取的溶液，在溶剂萃取中，被提取的溶液，n溶质：溶质：其中欲提取的物质，其中欲提取的物质，n萃取剂：萃取剂：用以进行萃取的溶剂，用以进行萃取的溶剂，n萃取液：萃取液：经接触分离后，大部分溶质转移到萃经接触分离后，大部分溶质转移到萃取剂中，得到的溶液，取剂中，得到的溶液，n余液：余液：被萃取出溶质的料液称为。被萃取出溶质的料液称为。溶剂萃取概述溶剂萃取概述萃取的基本概念实验室液液萃取过程实验室液液萃取过程溶剂萃取概述溶剂萃取概述一般工业液液萃取过程一般工业液液萃取过程 生物萃取与传统萃取相比的特殊性生物萃取与传统萃取相比的特殊性n生物工程不同于化工生产，主要表现在生物分离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往往需要从浓度很稀的水溶液中除去大部分的水大部分的水，而且反应液中存在而且反应液中存在多种副产物和杂质多种副产物和杂质，使生物萃，使生物萃取具有特殊性。取具有特殊性。n 成分复杂成分复杂n 传质速率不同传质速率不同n 相分离性能不同相分离性能不同n 产物的不稳定性产物的不稳定性 u萃取过程有选择性萃取过程有选择性u能与其它步聚相配合能与其它步聚相配合u通过相转移减少产品水解通过相转移减少产品水解u适用于不同规模适用于不同规模u传质快传质快u周期短，便于连续操作周期短，便于连续操作u毒性与安全环境问题毒性与安全环境问题溶剂萃取法的特点溶剂萃取法的特点18.1 18.1 萃萃取取过过程程的的理理论论基基础础液液萃取是以分配定律为基础液液萃取是以分配定律为基础分配定律：一定分配定律：一定T T、P P下，溶质在两个互不相溶的溶剂中下，溶质在两个互不相溶的溶剂中分配，分配，平衡平衡时，溶质在两相中浓度之比为常数。时，溶质在两相中浓度之比为常数。K-分配系数分配系数n在常温常压下为常数；在常温常压下为常数；应用前提条件应用前提条件（1） 稀溶液稀溶液（2） 溶质对溶剂互溶没有影响溶质对溶剂互溶没有影响（3） 必须是同一分子类型，不发生缔合或离解必须是同一分子类型，不发生缔合或离解分配定律推导分配定律推导当温度一定时，标准化学位为常数当温度一定时，标准化学位为常数如为稀溶液，用浓度代替活度如为稀溶液，用浓度代替活度根据相律（根据相律（F=C-P+2F=C-P+2），在一定温度和压力下萃取达到），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：平衡时，溶质在两相中的化学位相等：L L= =H H分离因素（分离因素（）n如果原来料液中除溶质如果原来料液中除溶质A A以外，还含有溶质以外，还含有溶质B B，则，则由于由于A A、B B的分配系数不同，萃取相中的分配系数不同，萃取相中A A和和B B的相对的相对含量就不同于萃余相中含量就不同于萃余相中A A和和B B的相对含量。的相对含量。n如如A A的分配系数较的分配系数较B B大，则萃取相中大，则萃取相中A A的含量（浓的含量（浓度）较度）较B B多，这样多，这样A A和和B B就得到一定程度的分离。就得到一定程度的分离。n萃取剂对溶质萃取剂对溶质A A和和B B分离能力的大小可用分离能力的大小可用分离因素分离因素（）来表征）来表征。分离因素表示有效成分分离因素表示有效成分A与杂质与杂质B的分离程度。的分离程度。 = =1 KA = KB 分离效果不好；分离效果不好；1 KA KB 分离效果好；分离效果好；越大，越大，KA 越大于越大于KB，分离效果越好。，分离效果越好。分离因素（分离因素（）弱电解质在有机溶剂弱电解质在有机溶剂- -水相的分配平衡水相的分配平衡分配系数中分配系数中CL和和CH 必须是同一种分子类型，即不发生缔合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。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（青例如青霉素在水中部分离解成负离子（青COO），而在溶），而在溶剂相中则仅以游离酸（青剂相中则仅以游离酸（青COOH）的形式存在，则）的形式存在，则只有两相只有两相中的游离酸分子才符合分配定律。中的游离酸分子才符合分配定律。此时，此时，同时存在着两种平衡，一种是青霉素游离酸分子在有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中的电离平衡（图（图18-2）。前者用分配系数）。前者用分配系数K0来表征，后来表征，后者用电离常数者用电离常数Kp来表征。对于弱碱性物质也有类似的情况。来表征。对于弱碱性物质也有类似的情况。 青霉素的分配平衡弱电解质的分配系数：弱电解质的分配系数：n热力学分配系数热力学分配系数K K0 0 ：萃取平衡时，单分子化：萃取平衡时，单分子化合物溶质在两相中浓度之比。合物溶质在两相中浓度之比。n弱酸性电解质K0 AH/AH=n弱碱性电解质K0 B/B=Kp=弱电解质的表观分配系数弱电解质的表观分配系数K K：n分配达平衡时，溶质在两相的总浓度之比分配达平衡时，溶质在两相的总浓度之比 n对于弱酸性电解质n对于弱碱性电解质=K0 /(1 10 pH pK )=K0 /(1 10 pK pH )uK0只与只与T、P有关；有关； K与与T、P和和pH有关有关uK可通过实验求出，而可通过实验求出，而K0不能，可由公式求出。不能，可由公式求出。思考题：思考题：将青霉素由水相萃取到丁酯相中，其将青霉素由水相萃取到丁酯相中，其pK，萃取条件：，萃取条件：，T=10，VF VS = 1 1，测得萃取前发酵液（水相）效价，测得萃取前发酵液（水相）效价20000 u/ml，平衡后废液效价，平衡后废液效价645.2 u/ml，求分配系数，求分配系数K和和K0弱酸的表观分配系数：弱酸的表观分配系数：K=K0 /(1 10 pH pK )弱酸的表观分配系数：弱酸的表观分配系数： K=K0 /(1 10 pK pH )为什么青霉素在酸性（）条件下，而红霉素却要在碱性为什么青霉素在酸性（）条件下，而红霉素却要在碱性（）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？（）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？ 2 不同不同pH条件影响弱电解质电离，从而影响分子的极性，条件影响弱电解质电离，从而影响分子的极性，根据相似相溶原则根据相似相溶原则，在弱极性的丁酯中极性小的分子溶，在弱极性的丁酯中极性小的分子溶解度比水中大解度比水中大1 根据表观分配系数公式可知，根据表观分配系数公式可知，弱酸的表观分配系数：弱酸的表观分配系数：K=K0 /(1 10 pH pK )弱酸的表观分配系数：弱酸的表观分配系数： K=K0 /(1 10 pK pH )对于弱酸：对于弱酸：pH pK 时，分配系数大时，分配系数大为什么青霉素在酸性（）条件下，而红霉素却要在碱性为什么青霉素在酸性（）条件下，而红霉素却要在碱性（）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？（）条件下才能被萃取到丁酯中去呢？ 青霉素青霉素 红霉素红霉素酸碱性酸碱性pHpK弱酸性弱酸性(2.75) 弱碱性弱碱性(9.4) 游离分子游离分子 “ + ” “ ” 游离分子游离分子 根据相似相溶原则根据相似相溶原则，在弱极性的丁酯中游离分子极性小，溶解，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达到一定程度的纯化酸性物质酸性物质：pH pK时，时， 主要以负离子存在；主要以负离子存在； pH pK时时 ， 主要以游离分子存在；主要以游离分子存在； pH pK时时 ， 两种形式各占两种形式各占5018.2 18.2 有机溶剂萃取的影响因素有机溶剂萃取的影响因素n1 1影响萃取操作的因素：影响萃取操作的因素：pHpH、温度、盐析、温度、盐析n2 2有机溶剂的选择有机溶剂的选择n3 3带溶剂带溶剂n4 4乳化与去乳化乳化与去乳化1 1. pH的影响的影响 pH对表观分配系数的影响（对表观分配系数的影响（pHK） pH低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配在水相。低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配在水相。 对弱酸随对弱酸随pHK, 当当pH pK时，时，KK0 例：已知例：已知pen pK=2.75 T=10 K0=47 求时的求时的K? 时时: 时时: K=30 时时: K=39.9 pHK解释原理解释原理:pH pen- 易溶于丁酯易溶于丁酯 控制控制pH，去除杂质，去除杂质 例例: pen 当当pHpK时时, 萃取萃取丁酯中丁酯中 (1) 碱性杂质碱性杂质 pKpen pK碱杂碱杂 当当pH pKpen(2.75) pH pK碱杂碱杂 碱性杂质呈正离子状态，易溶于水相中，碱性杂质呈正离子状态，易溶于水相中， 自然分离除去自然分离除去 (2) 酸性杂质酸性杂质 pK酸杂酸杂 pKpen 例例: 青霉烯酸青霉烯酸 pK烯烯 pKpen 例例: 苯乙酸苯乙酸 pK乙乙(4.8) pKpen(2.75) 萃取时无法去除萃取时无法去除; 反萃时反萃时 与杂质的分离程度归纳与杂质的分离程度归纳生化物质生化物质杂杂 质质萃取操作条件的控制萃取操作条件的控制酸性酸性 碱性碱性(pK碱杂碱杂pK生生) 酸性酸性(pK酸杂酸杂pK生生) 碱性碱性 酸性酸性(pK酸杂酸杂pK生生) 碱性碱性(pK碱杂碱杂pK生生) 萃取时萃取时 杂质自然除去杂质自然除去pK酸杂酸杂 pH pH pK生生萃取时杂质自然除去萃取时杂质自然除去pK碱杂碱杂 pH pK生生萃取时无法去除萃取时无法去除反萃取反萃取pK碱杂碱杂 pH 原来的表面活性原来的表面活性 不能形成坚固的保护膜。不能形成坚固的保护膜。3）乳浊液的破坏措施）乳浊液的破坏措施18.4 18.4 萃取方式与过程计算萃取方式与过程计算 萃取过程萃取过程：1）混和）混和 2） 分离分离 3）溶剂回收）溶剂回收 操作方式操作方式 单级萃取单级萃取 多级萃取多级萃取 多级错流多级错流 多级逆流多级逆流 理论收率计算理论收率计算假定：两相中的分配很快达到平衡；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：两相完全不互溶，完全分离： 萃取因素萃取因素： 1. 单级萃取单级萃取单级萃取流程示意图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单级萃取：只包括一个混合器和一个分离器未被萃取的分率未被萃取的分率和理论收得率和理论收得率1 1萃取因素萃取因素未被萃取的分率未被萃取的分率理论收率理论收率1. 单级萃取单级萃取18-92）多级错流萃取）多级错流萃取n料液经萃取后，萃余液再与新鲜萃取剂接触，料液经萃取后，萃余液再与新鲜萃取剂接触，再进行萃取。再进行萃取。n第一级的萃余液进入第二级作为料液，并加入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新鲜萃取剂进行萃取；第二级的萃余液再作为第三级的料液，以此类推。第三级的料液，以此类推。n此法特点在于每级中都加溶剂，故溶剂消耗量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，但萃取较大，而得到的萃取剂平均浓度较稀，但萃取较完全。完全。多级错流萃取示意图料料液液入入口口第一级第一级第二级第二级第三级第三级萃余液出口萃余液出口多级错流萃取未被萃取分率和理论收率多级错流萃取未被萃取分率和理论收率n经一级萃取后，未被萃取的分率1：n经二级萃取后，未被萃取的分率2：n经经n n级萃取后，未被级萃取后，未被萃取的分率：萃取的分率：n理论收率：理论收率：多级错流萃取多级错流萃取未被萃取分率未被萃取分率、级数级数n、萃取因数、萃取因数E之间的关系之间的关系未未被被萃萃取取分分率率级数级数n n3 3）多级逆流萃取）多级逆流萃取n在多级逆流萃取中，在第一级中连续加入料液，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。入萃取剂，并逐渐向前一级移动。n料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故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。称为逆流萃取。n在逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂，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。而萃取液平均浓度较高。 多级逆流萃取图多级逆流萃取图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，（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；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；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；如此经三级萃取后，最后一级的萃余相作为废液排走。如此经三级萃取后，最后一级的萃余相作为废液排走。多级逆液萃取计算公式推导多级逆液萃取计算公式推导12K-1kK+1n-1nLFSR令令k k代表第代表第k k级中溶质总量（萃取相和萃余相），因为是级中溶质总量（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连续操作，则表示单位时间内通过第k k级溶质总量。级溶质总量。先求出相邻三级所含溶质总量先求出相邻三级所含溶质总量k-1k-1，Q Qk k 和和 Q Qk+1k+1 之间关系之间关系u自第自第(k+1)(k+1)级进入第级进入第k k级的溶质的量级的溶质的量u而自而自(k-1)(k-1)级进入第级进入第k k级的量级的量u则第则第K K级的溶剂总量为级的溶剂总量为 多级逆液萃取计算公式推导多级逆液萃取计算公式推导理论收得率：理论收得率：未被萃取的分率：未被萃取的分率： 条件：萃取相和萃余相很快达到平衡条件：萃取相和萃余相很快达到平衡 两相完全不互溶，完全分离两相完全不互溶，完全分离 每级的萃取因素每级的萃取因素E E相同相同例子：不同萃取方式理论收率例子：不同萃取方式理论收率n1 1 利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素D D，时，时，k=57k=57，料液流速，料液流速450L/h450L/h，萃取剂，萃取剂流量流量39L/h39L/h，计算采用三级错流萃取和三，计算采用三级错流萃取和三级逆流萃取的萃取因素级逆流萃取的萃取因素E E和理论收率各为和理论收率各为多少？多少？ n2 2 教材教材8484页复习题页复习题5 5萃取计算诺模图萃取计算诺模图n为了便于计算，选择合理的萃取条件和相应的设备为了便于计算，选择合理的萃取条件和相应的设备, ,必须必须适当地分析主要因素的影响。适当地分析主要因素的影响。n可利用未被萃取分率可利用未被萃取分率，浓缩倍数，浓缩倍数m m，水相，水相pHpH和使用设备和使用设备的理论级数的理论级数n n等定量连系的诺模图来完成。等定量连系的诺模图来完成。 n主要是求取在一定温度下分配系数主要是求取在一定温度下分配系数K K和溶液和溶液pHpH的关系（的关系（m m和和n n可任选可任选) )，然后通过计算机运算得到诺模图。，然后通过计算机运算得到诺模图。诺模图：把一个数学方诺模图：把一个数学方程式的几个变量之间的程式的几个变量之间的函数关系，画成相应的函数关系，画成相应的具有刻度的直线或曲线具有刻度的直线或曲线表示的计算图标表示的计算图标在00C，醋酸丁酯-苄青霉素-水系统n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。n在物理萃取的应用中一个主要的限制是需要发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数足够高的溶剂n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影响目标溶质的稳定性，因此启发人们寻找新的萃取体系。n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。n主要有两类萃取剂：n1.1.有机磷类萃取剂有机磷类萃取剂n2.2.胺类萃取剂胺类萃取剂磷酸三丁酯（磷酸三丁酯（TBP） 氧化三辛基膦（氧化三辛基膦（TOPO） 二二 2 乙基己基磷酸（乙基己基磷酸（DEHPA）有机磷类萃取剂与目标溶质发生络合反应，而易于有机磷类萃取剂与目标溶质发生络合反应，而易于转移到萃取相，在类似的条件下，用有机磷类化合转移到萃取相，在类似的条件下，用有机磷类化合物萃取弱有机酸比醋酸丁酯等碳氧类萃取剂分配比物萃取弱有机酸比醋酸丁酯等碳氧类萃取剂分配比要高很多。要高很多。 胺类萃取剂胺类萃取剂(三辛胺三辛胺) 可与目标溶质发生反应，可与目标溶质发生反应，用胺类长链脂肪酸从水溶液中萃取带质子的有机用胺类长链脂肪酸从水溶液中萃取带质子的有机化合物是一个可行的过程，并用于从发酵液中大化合物是一个可行的过程，并用于从发酵液中大规模回收柠檬酸。规模回收柠檬酸。离子对离子对/反应萃取反应萃取-稀释剂稀释剂此类萃取剂都要溶解在稀释剂中，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。煤油、己烷、辛烷、苯。稀释剂的选择：稀释剂的选择：分配系数：分配系数：稀释剂能够影响分配系数，特别是通过萃取剂稀释剂能够影响分配系数，特别是通过萃取剂/ /溶溶剂复合物的溶剂化作用。剂复合物的溶剂化作用。选择性：选择性：为萃取尽可能少的杂质，使用非极性稀释剂更好。为萃取尽可能少的杂质，使用非极性稀释剂更好。水溶性：水溶性：低的水溶性，使溶剂的损失最少。低的水溶性，使溶剂的损失最少。毒性毒性：对食品和药品应低毒或无毒的溶剂，长链烷烃由于它：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。们具有低毒和低水溶性，因此理应优先使用。粘度和密度粘度和密度：低粘度和低密度的稀释剂会使分相更容易。：低粘度和低密度的稀释剂会使分相更容易。稳定性：稳定性：烷烃比醇、酯和卤代烃更难降解烷烃比醇、酯和卤代烃更难降解第三相的形成：第三相的形成：离子对离子对/ /反应萃取的应用反应萃取的应用n1.1.青霉素青霉素-TBP(-TBP(磷酸三丁酯磷酸三丁酯) )萃取：萃取：n体系中存在电离平衡体系中存在电离平衡KpKp和萃取反应平衡和萃取反应平衡KsKsnHPHP(W)(W) +nS +nS (0)(0) HPSn HPSn (0)(0) n化学萃取表观分配系数：化学萃取表观分配系数： 对比物理分配对比物理分配K K：n虽然离子对虽然离子对/ /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。值，故有待进一步研究开发。思考题：思考题：1 理理解解概概念念：分分配配系系数数，表表观观分分配配系系数数，分分离离因因素素，介介电电常常数数，HLB 值值 ，萃萃取取因因素素，带带溶溶剂剂，未未被被萃萃取取分分率率，理理论论收收率率，离离子子对对/反反应应萃取，化学萃取萃取，化学萃取2 pH 对弱电解质的萃取效率有何影响？对弱电解质的萃取效率有何影响？3 发发酵酵液液乳乳化化现现象象产产生生原原因因与与影影响响？如如何何消消除除乳化现象？乳化现象？4 萃取方式包括哪些，萃取方式包括哪些，其理论收率如何计算？其理论收率如何计算？ 近近2020年来研究溶剂萃取技术与其他技术相结合从而产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：生了一系列新的分离技术，如：超临界萃取（超临界萃取（Supercritical Fluid ExtractionSupercritical Fluid Extraction）逆胶束萃取（逆胶束萃取（Reversed Micelle ExtractionReversed Micelle Extraction）液膜萃取（液膜萃取（Liquid Membrane ExtractionLiquid Membrane Extraction）微波辅助萃助（微波辅助萃助（microwave-assisted extraction)microwave-assisted extraction)两水相萃取（两水相萃取（aqueous two-phase system) aqueous two-phase system) 溶剂萃取法新技术溶剂萃取法新技术一一 超临界流体萃取超临界流体萃取概念：概念：利用超临界流体的特殊性质，使其利用超临界流体的特殊性质，使其在超临界状态下，与待分离的物料在超临界状态下，与待分离的物料( (液体或液体或固体固体) )接触，萃取出目的产物，然后通过降接触，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。压或升温的方法，使萃取物得到分离。所谓超临界流体所谓超临界流体(SCF)(SCF)即处于临界温度、临即处于临界温度、临界压力以上的流体。界压力以上的流体。 在临界温度、压力以在临界温度、压力以上，无论压力多高，流体都不能液化但流上，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。体的密度随压力增高而增加。特点：密度接近液体特点：密度接近液体 萃取能力强萃取能力强 粘度接近气体粘度接近气体 传质性能好传质性能好超临界流体萃取超临界流体萃取超临界二氧化碳萃超临界二氧化碳萃取取常用萃取剂常用萃取剂极性萃取剂：乙醇、甲醇、水（难）极性萃取剂：乙醇、甲醇、水（难）非极性萃取剂：二氧化碳（易）非极性萃取剂：二氧化碳（易）超临界二氧化碳临界点：超临界二氧化碳临界点：Tc=31.26Tc=31.26、 优点：优点： 缺点：缺点：临界条件温和临界条件温和 设备投资大设备投资大产品分离简单产品分离简单无毒、无害无毒、无害不燃不燃无腐蚀性无腐蚀性价格便宜价格便宜超临界流体的应用超临界流体的应用超临界流体超临界流体(supercritical fluid, SCF)(supercritical fluid, SCF)对脂对脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油脂等具有特肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油脂等具有特殊的溶解作用，因此可用于这类物质的萃取分殊的溶解作用，因此可用于这类物质的萃取分离。离。咖啡因萃取咖啡因萃取植物油：胚芽油、玉米油、植物油：胚芽油、玉米油、-亚麻酸亚麻酸天然香料：杏仁油、柠檬油天然香料：杏仁油、柠檬油尼古丁尼古丁咖啡因超临界萃取流程咖啡因超临界萃取流程大型超临界流体萃取装置大型超临界流体萃取装置反胶束萃取技术（反胶束萃取技术（Reversed micellar extractionReversed micellar extraction）是近年来发展起来的一种新型萃取分离技术，主要适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。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。的反胶束相来萃取水溶液中的大分子蛋白质。二二. .反胶束法反胶束法料液料液有有机机相相疏(静电引力：静电引力：主要是蛋白质的表面电荷与反胶束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）之间的静电内表面电荷（离子型表面活性剂）之间的静电引力作用。引力作用。 (空间位阻作用：空间位阻作用：增大反胶束极性核的尺寸，以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。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。增大的因素均有利于提高分配系数。(这些因素主要是这些因素主要是pHpH、离子强度、表面活性剂种、离子强度、表面活性剂种类和浓度等，通过因素优化，实现选择性地萃类和浓度等，通过因素优化，实现选择性地萃取和反萃取。取和反萃取。反胶束萃取的原理：反胶束萃取的原理：Z在反胶束内部包含了水溶液，蛋白质等生物分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子萃取后进入反胶团内部的“水池水池” ” 中，避中，避免了与有机溶剂直接接触，反胶束内的微环境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，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。开辟了一条新的途径。Z成本低，有机溶剂可反复使用；容易放大和实成本低，有机溶剂可反复使用；容易放大和实现连续操作现连续操作 Z反胶束萃取是一条具有工业发展前景的蛋白质反胶束萃取是一条具有工业发展前景的蛋白质分离技术。分离技术。 反胶束法的优点反胶束法的优点液膜：液膜：通常是由溶剂、表面活性剂和添加剂通常是由溶剂、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其选择性；添加剂用于控制膜的稳定性和渗透性。渗透性。液膜萃取：液膜萃取：通常将含有被分离组分的料液作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。隔开，并通过渗透现象起到分离作用。三三 液液 膜膜 萃萃 取取液膜的种类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：乳状液膜支撑液膜流动液膜 乳状液膜乳状液膜u乳状液膜（乳状液膜（emulsion emulsion liquid liquid membrance,ELMmembrance,ELM）是）是发明发明专利中使用的液膜。专利中使用的液膜。u乳状液膜根据成膜流体乳状液膜根据成膜流体的不同，分为的不同，分为(W/O)/W(W/O)/W和和(O/W)/O(O/W)/O两种。在生物分两种。在生物分离中主要应用离中主要应用(W/O)/W(W/O)/W型型乳状液膜。乳状液膜。(W/O)/W型乳液液膜型乳液液膜内水相内水相液膜液膜目标溶质目标溶质料液料液支撑液膜支撑液膜是将固体膜浸在膜溶支撑液膜是将固体膜浸在膜溶剂剂( (如有机溶剂中如有机溶剂中) )使膜溶剂充使膜溶剂充满膜的孔隙形成液膜。满膜的孔隙形成液膜。支撑液膜分隔料液相和反萃相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。实现渗透溶质的选择性萃取。当液膜为油相时，常用的多孔当液膜为油相时，常用的多孔膜为聚四氟乙烯、聚乙烯和聚膜为聚四氟乙烯、聚乙烯和聚丙烯等高疏水性膜。丙烯等高疏水性膜。与乳状液膜相比，支撑液膜结与乳状液膜相比，支撑液膜结构简单，放大容易。构简单，放大容易。流动液膜l流动液膜也是一种支撑流动液膜也是一种支撑液膜，液膜，l是为了弥补上述支撑液是为了弥补上述支撑液膜的膜相容易流失的缺膜的膜相容易流失的缺点而提出的，点而提出的，l液膜相可循环流动，因液膜相可循环流动，因此在操作过程中即使有此在操作过程中即使有所损失也很容易补充，所损失也很容易补充，不必停止萃取操作进行不必停止萃取操作进行液膜再生。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。液膜分离萃取柠檬液膜分离萃取柠檬酸酸膜相膜相柠檬酸柠檬酸萃取物萃取物内相内相空气空气料液料液废液废液循环循环乳液装置乳液装置242发酵罐发酵罐 混合混合-分离装置分离装置4破乳装置破乳装置四四 微波微波辅助辅助萃取萃取微波和传统的溶剂提取法相结合的一种萃取方法，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。构发生变化，从而提高有效成分的溶出程度和速度。20世纪世纪70年代，普通家用微波炉首次走进实验室；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；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；年代商业化开始应用于中药有效成分的提取；微波萃取机理微波萃取机理微波作用包括：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，细胞结构不再使极性分子变性，细胞结构不再“正常正常”，或者极性分，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，子，加速其热运动，缩短萃取组分的分子由物料内部扩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；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，而且另一方面微波不仅加热溶剂，而且提高溶剂的活性提高溶剂的活性，使，使其更多地溶解有效成分，并高效率传递入溶剂。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。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，微波提取仅适用于对热稳定的产物，如生物碱、如生物碱、黄酮、苷类等，而对于热敏感的物质如蛋白质、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、甚至多肽等，微波加热能导致这些成分的变性、甚至失活。失活。由微波加热原理可知，由微波加热原理可知，微波提取要求被处理的物微波提取要求被处理的物料具有良好的吸水性，料具有良好的吸水性，否则细胞难以吸收足够的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，微波萃取技术在中药中的应用，大多在实验室中大多在实验室中进行，工业化生产还不太普及，进行，工业化生产还不太普及，但微波萃取技术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。技术在工业化的应用。课堂讨论题课堂讨论题1：螺旋霉素（螺旋霉素（SPM）为一弱碱性抗生素，分子结构中有两个二甲胺基，）为一弱碱性抗生素，分子结构中有两个二甲胺基，pK1、pK2，文献报导，螺旋霉素游离碱易溶于氯仿、醇类、酮类、酯类、己烷，文献报导，螺旋霉素游离碱易溶于氯仿、醇类、酮类、酯类、己烷和苯等。螺旋霉素的盐类极性较大，能溶于水和低级醇。在和溶液中不和苯等。螺旋霉素的盐类极性较大，能溶于水和低级醇。在和溶液中不稳定，特别在酸性条件下稳定性更差。稳定，特别在酸性条件下稳定性更差。1. 为什么萃取时适宜的左右为什么萃取时适宜的左右 ? 不能过大的理由。不能过大的理由。2. 萃取时温度为什么应升至萃取时温度为什么应升至35左右？左右？3. 反萃取主要为了除去哪类杂质反萃取主要为了除去哪类杂质?4. 适宜的反萃取适宜的反萃取pH应满足哪些条件应满足哪些条件?过高或过低有何不利过高或过低有何不利?5. 若萃取液中混有一碱性杂质，极性较弱（若萃取液中混有一碱性杂质，极性较弱（pK杂杂pKSPM），如何除去？），如何除去？解答：解答：1. 为什么萃取时适宜的左右为什么萃取时适宜的左右 ? 碱性物质：随着碱性物质：随着pH，KK， 应满足应满足pHpH，SPM SPM 游离分子含量增加游离分子含量增加在弱极性的有机溶剂中溶解度增大。在弱极性的有机溶剂中溶解度增大。不能过大的理由？不能过大的理由？ pH pH超过以后，超过以后，K K增加不明显；增加不明显； SPM SPM 稳定性下降；稳定性下降； 极性比极性比SPMSPM更强的杂质（如更强的杂质（如pKpK杂杂 9 9），容易被萃取到有机），容易被萃取到有机 相中，造成纯度降低。相中，造成纯度降低。2. 萃取时温度为什么应升至萃取时温度为什么应升至35左右？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。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温度过高，容易破坏，因此适宜的萃取温度为35左右。左右。 3. 反萃取主要为了除去哪类杂质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（极性比螺旋霉素弱的碱性杂质（pK杂杂pKSPM），使留在），使留在有机相，达到进一步提纯目的。有机相，达到进一步提纯目的。4. 适宜的反萃取适宜的反萃取pH应满足哪些条件应满足哪些条件?过高或过低有何不利过高或过低有何不利? 满足（满足（SPMSPM+1+1和和SPMSPM+2+2含量含量增大增大 ）水相溶解度水相溶解度 应应使溶液使溶液pHpH（ pH pH，K K反反）；）； 在在SPMSPM稳定范围，稳定范围，酸性水溶液易降解，酸性水溶液易降解， pH过低，过低，K反反值反而减小；值反而减小； 使使弱碱性杂质弱碱性杂质除去，提高产品纯度除去，提高产品纯度 pH不能过低（不能过低（ pK杂杂pHpKSPM ）。）。 pH对反萃取分配系数的影响 5.5.若萃取液中混有一碱性杂质，极性较弱（若萃取液中混有一碱性杂质，极性较弱（pKpK杂杂pKpKSPMSPM） 如何除去？如何除去？反萃取时除去：适当提高反萃液的反萃取时除去：适当提高反萃液的pH（ pK杂杂pHpHpKSPM（使杂质解离度大，而（使杂质解离度大，而SPM解离度小）。解离度小）。6. 若萃取液中混有一碱性杂质，极性较强（若萃取液中混有一碱性杂质，极性较强（pK杂杂pKSPM） 如何除去？如何除去？课堂讨论题课堂讨论题2： 林可霉素性质：碱性抗生素，分子中有一个胺基林可霉素性质：碱性抗生素，分子中有一个胺基pK；的溶液中；的溶液中不稳定；盐酸盐易溶于水，游离碱在水中溶解度较小，易溶不稳定；盐酸盐易溶于水，游离碱在水中溶解度较小，易溶于有机溶剂，如醇类（甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇）；酯类于有机溶剂，如醇类（甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇）；酯类（乙酯，丁酯）；酮类（丙酮、甲乙酮）等，醇类中溶解性（乙酯，丁酯）；酮类（丙酮、甲乙酮）等，醇类中溶解性比酯和酮类中好。比酯和酮类中好。1.设计提取工艺路线：设计提取工艺路线：能否用萃取法提取？能否用萃取法提取？选用什么溶剂最好？理由？选用什么溶剂最好？理由？萃取时萃取时pH范围？范围？ 欲提高分配系数，可采取什么措施？欲提高分配系数，可采取什么措施？如需进一步反萃取，考虑反萃取的如需进一步反萃取，考虑反萃取的pH范围。原因？范围。原因？2. 若采用二级逆流萃取，若采用二级逆流萃取，3，K0，求萃取的理论收率。，求萃取的理论收率。 1. a. 萃取法适用于弱酸弱碱性物质萃取法适用于弱酸弱碱性物质 Lin pK=7.6 弱碱性物质弱碱性物质, 不同形态时溶解度不同。不同形态时溶解度不同。 b. 选丁醇，原因：选丁醇，原因： 醇类中溶解度最大醇类中溶解度最大 丁醇丁醇C链长，与水互溶度小。链长，与水互溶度小。， Lin 游离分子浓度游离分子浓度 当时当时, C0 = 99.6% C+ = 0.4% 选选pH10 pH再升高是否更好再升高是否更好? Lin 几乎都呈游离分子几乎都呈游离分子, 溶解度不会再增大溶解度不会再增大; 且耗碱量多且耗碱量多 被同时萃取的碱性杂质被同时萃取的碱性杂质, 分离效率分离效率 Lin 稳定性受影响稳定性受影响 d. 加加NaCl, 盐析作用盐析作用: 水中溶解度进一步水中溶解度进一步 K(1828) 两相互溶度两相互溶度易分层。易分层。 e. 反萃反萃pH: 2.0 pH7.6 原因原因: pH 2.0: Lin 稳定性。稳定性。2. 二级逆流萃取二级逆流萃取 =3 K0=15.56 课堂讨论题课堂讨论题3：某一弱碱性生化物质，在时，用醋酸丁酯萃取，某一弱碱性生化物质，在时，用醋酸丁酯萃取，整个萃取过程包括三级，前二级为逆流萃取，将萃余整个萃取过程包括三级，前二级为逆流萃取，将萃余液再经第三级萃取。液再经第三级萃取。已知第三级中新鲜丁酯的加入量是发酵滤液的已知第三级中新鲜丁酯的加入量是发酵滤液的1/10，该物质在时的表观分配系数为，该物质在时的表观分配系数为15，把最终所得，把最终所得的萃取液合并，测得浓缩倍数为。求经三级萃取后的的萃取液合并，测得浓缩倍数为。求经三级萃取后的理论收率。理论收率。解解: 2 和和 3 E2和和E3 2和和 3L2 S2 S3 L3F R2 R3二级逆流二级逆流:单级单级: 加热微波是一种频率在加热微波是一种频率在300MHz 300kMHz的电磁波的电磁波(波长波长lmm lm)，具有直线性、吸收性、穿透性和非电，具有直线性、吸收性、穿透性和非电离性，频率为离性，频率为915MHz2450MHz。加热原理是通过。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。离子传导和偶极子转动而直接作用于分子。离子传导离子传导是是离子在电磁场中的电泳移动形成电流，介质对离子流的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。阻碍而产生热效应。偶极子转动偶极子转动是偶极子在电场中依照电场的极性重新定向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。以热的形式表现出来，介质的温度也不断升高。微波萃取机理微波萃取机理