1、第六章第六章 萃取萃取（ExtractionExtraction）u萃取：萃取：利用物质在互不相溶的两相之间溶解度的不同，使利用物质在互不相溶的两相之间溶解度的不同，使所需提取的生化物质有选择性地发生转移，集中到一相中，所需提取的生化物质有选择性地发生转移，集中到一相中，而其它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相中，而其它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相中，从而达到某种程度的提纯和浓缩。从而达到某种程度的提纯和浓缩。 u反萃取：反萃取：完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，将目标产物从或便于下一步分离操作的实施，
2、将目标产物从有机有机相相转入转入水相水相的操作就称为反萃取（的操作就称为反萃取（Back extraction)Back extraction)u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，其它生物工程生产上的应用也相当广泛，v萃取操作可以萃取操作可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，甚，甚至获得至获得纯的天然产物纯的天然产物。萃取方法分类萃取方法分类u物理萃取：物理萃取：根据根据相似相溶相似相溶的原理，溶质在两相间达到分配平的原理，溶质在两相间达到分配平衡，
3、萃取剂与溶质之间衡，萃取剂与溶质之间不发生化学反应不发生化学反应的萃取过程。的萃取过程。u化学萃取化学萃取: 利用萃取剂与溶质之间的利用萃取剂与溶质之间的化学反应化学反应生成脂溶性复生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配。合分子实现溶质向有机相的分配。 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，而化学萃取服从取服从相律相律及一般化学反应的及一般化学反应的平衡定律平衡定律。u液液-固萃取固萃取：用某种溶剂把有用物质从：用某种溶剂把有用物质从固体原料固体原料中提取到溶中提取到溶液中的过程，又称为液中的过程，又称为浸取或浸出浸取或浸出。u液液-液萃取液萃取： 溶剂萃取、双
4、水相萃取、反胶团萃取、液膜萃取等溶剂萃取、双水相萃取、反胶团萃取、液膜萃取等u超临界萃取超临界萃取溶剂萃取法广泛应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等溶剂萃取法广泛应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物工业规模的提取上。发酵产物工业规模的提取上。利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水水相和有机溶剂相相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行分离操作的。分离操作的。溶剂溶剂a)a) 比化学沉淀法分离程度高；比化学沉淀法分离程度高；b)b) 比离子交换法选择性好、传质快；比离子交换法
5、选择性好、传质快；c)c) 比蒸馏法能耗低；比蒸馏法能耗低；d)d) 生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动化控制。化控制。优点优点溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型分离技术：分离技术：q双水相萃取技术（双水相萃取技术（Partition of two aqueous phase system）等。）等。q反胶团萃取（反胶团萃取（Reversed micelle extraction）q超临界流体萃取（超临界流体萃取（Supercritical fluid extractio
6、nSupercritical fluid extraction）用于高品质的天然物质、胞内物质（胞内酶、蛋白质、用于高品质的天然物质、胞内物质（胞内酶、蛋白质、多肽、核酸等）的分离提取上。多肽、核酸等）的分离提取上。表表1 1 几种萃取方法的比较几种萃取方法的比较萃取方法萃取方法原原 理理应应 用用液液-固萃取固萃取属于用液体提取属于用液体提取固体原料固体原料中有中有用成分的扩散分离操作。用成分的扩散分离操作。多用于提取存在于多用于提取存在于胞内胞内的有效的有效成分。成分。液液-液萃取液萃取溶剂萃取溶剂萃取利用溶质在两个互不混溶的液利用溶质在两个互不混溶的液相（通常为相（通常为水相和有机溶剂相
7、水相和有机溶剂相）中溶解度和分配性质上的差异进中溶解度和分配性质上的差异进行的分离操作。行的分离操作。可用于有机酸、氨基酸、维生可用于有机酸、氨基酸、维生素等生物素等生物小分子小分子的分离纯化。的分离纯化。双水相萃取双水相萃取利用物质在互不相溶的利用物质在互不相溶的两水相两水相间间分配系数的差异进行分配系数的差异进行的分离操的分离操作。作。主要用于主要用于蛋白质、酶蛋白质、酶，特别是，特别是胞内蛋白的提取纯化。胞内蛋白的提取纯化。反胶团萃取反胶团萃取利用利用表面活性剂在有机相中形表面活性剂在有机相中形成的反胶团成的反胶团，从而在有机相中形，从而在有机相中形成分散的亲水微环境，使生物分成分散的亲
8、水微环境，使生物分子在有机相（萃取相）内存在于子在有机相（萃取相）内存在于反胶团的亲水微环境中。反胶团的亲水微环境中。适用于氨基酸、肽和蛋白质等适用于氨基酸、肽和蛋白质等生物分子的分离纯化，特别是蛋生物分子的分离纯化，特别是蛋白质类白质类生物大分子生物大分子的分离。的分离。液膜萃取液膜萃取液膜液膜能将与之不互溶的液体分能将与之不互溶的液体分开，使其中一侧液体中的溶质选开，使其中一侧液体中的溶质选择性地透过液膜进入另一侧，实择性地透过液膜进入另一侧，实现溶质之间的分离。现溶质之间的分离。适用于金属离子、烃类、有机适用于金属离子、烃类、有机酸、氨基酸和抗生素的分离及废酸、氨基酸和抗生素的分离及废水
9、处理，在酶的包埋固定化和生水处理，在酶的包埋固定化和生物医学方面的应用也前景广阔。物医学方面的应用也前景广阔。 超临界流体萃取超临界流体萃取利用利用超临界流体作为萃取剂超临界流体作为萃取剂，对物质进行溶解和分离。对物质进行溶解和分离。适用于脂肪酸、植物碱、醚类、适用于脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油酯、芳香成分等物质酮类、甘油酯、芳香成分等物质的萃取分离。的萃取分离。第一节第一节 液液-固萃取固萃取 液液-固萃取固萃取又叫又叫浸取或浸出浸取或浸出，是将，是将固相固相物质萃物质萃取到溶剂相中，在许多行业中得到应用。取到溶剂相中，在许多行业中得到应用。产物产物固体固体溶质溶质溶剂溶剂咖啡咖啡粗烤咖
10、啡粗烤咖啡咖啡溶质咖啡溶质水水果汁果汁水果水果果汁果汁水水药酒药酒中药材中药材药用成分药用成分酒酒大豆蛋白大豆蛋白豆粉豆粉蛋白质蛋白质NaOH溶液溶液表表2 浸取的应用举例浸取的应用举例u 溶剂溶剂传递到固体颗粒表面；传递到固体颗粒表面；u 溶剂溶剂扩散到固体内部微孔隙中；扩散到固体内部微孔隙中；u 溶质溶质溶解到溶剂中；溶解到溶剂中；u 溶质溶质通过固体微孔隙通道扩散到固体表面，并进入溶剂通过固体微孔隙通道扩散到固体表面，并进入溶剂主体。主体。 一般而言，第一、二两步都很迅速，不是浸取过程一般而言，第一、二两步都很迅速，不是浸取过程总速率的控制性步骤。总速率的控制性步骤。 溶质通过多孔固体的
11、扩散可用溶质通过多孔固体的扩散可用有效扩散系数有效扩散系数来描述，来描述，而有效扩散系数与而有效扩散系数与Fick定律有关。定律有关。浸取的过程：浸取的过程：浸取的影响因素浸取的影响因素1相平衡相平衡 浸取过程中的相平衡用分配系数浸取过程中的相平衡用分配系数KD表示表示 KD y / x y达到平衡时溶质在液相中的浓度达到平衡时溶质在液相中的浓度x平衡时溶质在固相中的浓度平衡时溶质在固相中的浓度 2溶剂的选择溶剂的选择 KD大且对目的物质的选择性高，溶剂的价格应低廉，无腐蚀性，大且对目的物质的选择性高，溶剂的价格应低廉，无腐蚀性，无毒，闪点高，无爆炸性，产品中易去除，容易回收。无毒，闪点高，无
12、爆炸性，产品中易去除，容易回收。 3增溶作用增溶作用 原先不溶或难溶性的生物大分子物质向可溶性的、分子量较小的原先不溶或难溶性的生物大分子物质向可溶性的、分子量较小的生物物质转变，但不能过度。也有向不溶性转变的。生物物质转变，但不能过度。也有向不溶性转变的。 4固体原料的预处理固体原料的预处理： 如如粉碎、干燥粉碎、干燥等。等。浸取过程的前加工：浸取过程的前加工：干燥干燥：有助于细胞膜的破裂，溶剂也容易进入细胞内部有助于细胞膜的破裂，溶剂也容易进入细胞内部，直，直接溶解溶质。接溶解溶质。滚压滚压：将原料滚压成片，使其减小到：将原料滚压成片，使其减小到0.1一一0.5mm，则大豆及，则大豆及许多
13、植物种子的细胞壁极大地破裂，植物油容易进入溶剂。许多植物种子的细胞壁极大地破裂，植物油容易进入溶剂。切片切片：减小水溶剂从水相主体扩散到每个细胞的距离，细胞：减小水溶剂从水相主体扩散到每个细胞的距离，细胞基本上保持完好，水溶性物质可以通过半透性细胞膜扩散基本上保持完好，水溶性物质可以通过半透性细胞膜扩散进入水溶剂中，蛋白质和胶体组分因透不过细胞膜而不能进入水溶剂中，蛋白质和胶体组分因透不过细胞膜而不能溶入水相。溶入水相。粉碎粉碎:液液-固萃取设备固萃取设备 美国美国Applied Separ-a t i o n s ( A S I ) 公 司 产公 司 产one/fast PSE型压力型压力/
14、快速快速溶剂提取仪溶剂提取仪。15分钟内可分钟内可同时处理同时处理6个样品，全自动个样品，全自动溶剂分配系统，可自由实溶剂分配系统，可自由实现现4种不同溶剂的切换。该种不同溶剂的切换。该法具有环保、高效、清洁、法具有环保、高效、清洁、快速等诸多特点，已被美快速等诸多特点，已被美国国EPA推荐为推荐为3545A标准标准方法。方法。 美国戴安公司美国戴安公司产产ASE快速溶剂萃快速溶剂萃取仪取仪 ，可对固体、，可对固体、半固体样品中的目半固体样品中的目标分析物进行快速标分析物进行快速全自动地萃取。系全自动地萃取。系统带有多项安全特统带有多项安全特性以避免潜在的危性以避免潜在的危险险。 德国产德国产
15、IKA固液萃取固液萃取仪仪，所需化学溶剂更少，所需化学溶剂更少，可减少废料处理费用。可减少废料处理费用。全电脑控制，可同时进全电脑控制，可同时进行行4个萃取过程。个萃取过程。labworldsoft软件组合，软件组合，可方便的建立自动化的可方便的建立自动化的处理程序，一套软件可处理程序，一套软件可同时控制八台仪器。同时控制八台仪器。 瑞士产瑞士产B-811索索氏抽提仪氏抽提仪（固液萃取（固液萃取设备），抽提速度快，设备），抽提速度快，45-60分钟即可完成分钟即可完成抽提，无须烘干。提抽提，无须烘干。提供供4种抽提方法：索种抽提方法：索氏抽提，索氏双加热，氏抽提，索氏双加热，热抽提，连续流法。
16、热抽提，连续流法。 美国产美国产AutoTrace, RapidTrace固相萃取自动固相萃取自动工作站工作站，计算机程序控制，可在，计算机程序控制，可在15分钟内完成六个分钟内完成六个样品的萃取。可以配合自动浓缩工作站使用，自动样品的萃取。可以配合自动浓缩工作站使用，自动浓缩萃取出来的样品。浓缩萃取出来的样品。 法国吉尔森公司生法国吉尔森公司生产的产的ASPEC Xli全自动全自动固相萃取仪固相萃取仪，可在线自，可在线自动进行样品的固相萃取。动进行样品的固相萃取。采用正相液压技术控制采用正相液压技术控制液体流速，保证液体传液体流速，保证液体传送的准确性和重现性，送的准确性和重现性，便于方法的
17、实验室间转便于方法的实验室间转移及建立行业乃至国家移及建立行业乃至国家的实验室标准。的实验室标准。 意大利意大利Milestone公公司司 Milestone微波萃取微波萃取系统系统，可溶剂萃取，可溶剂萃取12份份样品，在样品，在15分钟内完成。分钟内完成。专业的计算机控制终端，专业的计算机控制终端，自动控制温度、压力、自动控制温度、压力、时间、微波功率等参数。时间、微波功率等参数。 上海产上海产ME-3000微波萃取微波萃取/合成系统合成系统 ZCT转盘萃取塔转盘萃取塔 转盘塔是一种靠外输入能量强转盘塔是一种靠外输入能量强化液液萃取过程的设备。可用于化液液萃取过程的设备。可用于含固体粒子液体
18、的纯化，已广泛含固体粒子液体的纯化，已广泛用于食油纯化、核燃料处理、原用于食油纯化、核燃料处理、原油净化、维生素纯化、废水处理油净化、维生素纯化、废水处理等行业中，具有良好的工业背景。等行业中，具有良好的工业背景。 该装置可全视萃取过程，具有优该装置可全视萃取过程，具有优良的教学效果，也可广泛用于科良的教学效果，也可广泛用于科研和生产部门的实验室，作过程研和生产部门的实验室，作过程研究与参数测定之用。研究与参数测定之用。装置特点：装置特点： 该装置由转盘萃取塔、情、重相供料系统、转速无该装置由转盘萃取塔、情、重相供料系统、转速无级调节装置和仪表控制柜组成一体。级调节装置和仪表控制柜组成一体。1
19、.1.轻重相流体经稳压装置处理，流量稳定。轻重相流体经稳压装置处理，流量稳定。2.2.选用选用0 0起动直流调速装置，确保设备运行安全。起动直流调速装置，确保设备运行安全。3.3.塔节为优质无机玻璃制作，视觉效果好，塔径塔节为优质无机玻璃制作，视觉效果好，塔径 87871300mm1300mm。4.4.塔内构件及管道均由不锈钢材质制作。塔内构件及管道均由不锈钢材质制作。5.5.选用优质磁力泵为供料泵，无泄漏。选用优质磁力泵为供料泵，无泄漏。吊篮式萃取设备吊篮式萃取设备适用产业适用产业: 1、中药单方、复方之萃取浓缩。、中药单方、复方之萃取浓缩。 2、茶、青草茶、咖啡及健康食品之萃、茶、青草茶、
20、咖啡及健康食品之萃取。取。 3、肉类、鱼类之萃取、分离、浓缩。、肉类、鱼类之萃取、分离、浓缩。 4、药酒之泡制。、药酒之泡制。 5、生物科技。、生物科技。 特点：特点： 1、适用于：量少，种类多生产工厂。、适用于：量少，种类多生产工厂。 2、药材置于冲孔编制的药篮内，利用、药材置于冲孔编制的药篮内，利用吊车升降作业。吊车升降作业。 3、构造简单，所需空间较小。、构造简单，所需空间较小。 4、萃取温度自动操作。、萃取温度自动操作。 5、盖予启闭采用气动操作。、盖予启闭采用气动操作。 6、附冷凝器，可在完全密闭的状况下、附冷凝器，可在完全密闭的状况下操作。（在大氮压力下作业）操作。（在大氮压力下作
21、业） 7、附过滤装置，可减少沉淀物。、附过滤装置，可减少沉淀物。 搅拌机萃取设备搅拌机萃取设备1、入料、加水、萃取、排液、过滤、药渣积压、排渣、自动、入料、加水、萃取、排液、过滤、药渣积压、排渣、自动清洗，可完全电脑化，在中央控制室操控。清洗，可完全电脑化，在中央控制室操控。 2、适用于量大，种类较少的生产工厂、适用于量大，种类较少的生产工厂 3、立体式设计，占地面积小。、立体式设计，占地面积小。 4、使用容积大，所需加的水比吊篮式少。、使用容积大，所需加的水比吊篮式少。 5、被萃取物经搅拌作用，萃取效率高。、被萃取物经搅拌作用，萃取效率高。 6、不需使用吊篮，作业轻松，并减少萃取液滴在地上。
22、、不需使用吊篮，作业轻松，并减少萃取液滴在地上。 7、入水可加自动计量，精确又方便。、入水可加自动计量，精确又方便。 8、萃取温度，计时，自动控制。、萃取温度，计时，自动控制。 9、送料：可使用真空输送方式，密闭又快速。、送料：可使用真空输送方式，密闭又快速。 10、所需工作员、所需工作员12位就可以。位就可以。 11、可加入机介面触控书面，直接在中央控制室操控。、可加入机介面触控书面，直接在中央控制室操控。 12、配合振动过滤，液渣分离及过滤效果非常好。、配合振动过滤，液渣分离及过滤效果非常好。 13、自动排液（第一次萃取）排料（第二次萃取）。、自动排液（第一次萃取）排料（第二次萃取）。 1
23、4、排出的药渣可经过挤压机，将残留的萃取液在挤出。、排出的药渣可经过挤压机，将残留的萃取液在挤出。 15、挤压后的药渣可经输送带输送至室外。、挤压后的药渣可经输送带输送至室外。 16、工作环境，温度较低及干净。、工作环境，温度较低及干净。 17、完全密闭合乎安全卫生要求。、完全密闭合乎安全卫生要求。 18、附冷凝器，可在大气压力下完全密闭操作，使香气及酒、附冷凝器，可在大气压力下完全密闭操作，使香气及酒精不流失。精不流失。 19、可加、可加CIP自动清洗。自动清洗。 20、若使用酒精，可加防爆装置。、若使用酒精，可加防爆装置。 21、可加装精油回收装置。、可加装精油回收装置。 CTL型离心萃取
24、机型离心萃取机 CTL型型离心萃取机离心萃取机是新一代圆筒式离心萃取机，是新一代圆筒式离心萃取机，处理能力大、功耗低、运转平稳、清洗维护方便；处理能力大、功耗低、运转平稳、清洗维护方便；可单机使用，也可多机串联使用，该机还可根据不可单机使用，也可多机串联使用，该机还可根据不同萃取体系及使用条件通过调整转速、搅拌浆及重同萃取体系及使用条件通过调整转速、搅拌浆及重相堰直径等参数来改善萃取时两相混合程度及分离相堰直径等参数来改善萃取时两相混合程度及分离效果和萃取效率。可完全替代萃取塔等传统萃取设效果和萃取效率。可完全替代萃取塔等传统萃取设备。备。该机工作该机工作包括两个过程即混合传质过程与两相分离包
25、括两个过程即混合传质过程与两相分离过程，而这两个过程都是在同一机内完成的。过程，而这两个过程都是在同一机内完成的。性能特点：性能特点： 处理能力大，萃取速度快，效率高处理能力大，萃取速度快，效率高。对物料的适应性好，。对物料的适应性好，能处理两相密度差很小，难以利用重力分离的物系；能处理两相密度差很小，难以利用重力分离的物系； 当物料情况出现波动时，可更换相堰板，以当物料情况出现波动时，可更换相堰板，以适应物料的变适应物料的变化化；适用于物料情况经常变化的场合，如中药萃取；适用于物料情况经常变化的场合，如中药萃取； 物料在机内停留的时间短，适用于处理易变质的物料物料在机内停留的时间短，适用于处
26、理易变质的物料，如，如抗菌素等。利用轮式搅拌原理，能使两相充分混合，传质效抗菌素等。利用轮式搅拌原理，能使两相充分混合，传质效率高、效果好；率高、效果好； 结构紧凑，占地面积小，占用空间少，结构优化，拆装方结构紧凑，占地面积小，占用空间少，结构优化，拆装方便，维护费用、操作费用低廉，可实现密闭防爆要求便，维护费用、操作费用低廉，可实现密闭防爆要求； 自动化操作，无需人工参与，劳动强度小，能耗低，自动化操作，无需人工参与，劳动强度小，能耗低，节约运行成本；节约运行成本； 可单机使用，也可多机串联使用可单机使用，也可多机串联使用； 易实现多级串联及反萃取工艺易实现多级串联及反萃取工艺。 该机还可根
27、据不同萃取体系及使用条件通过该机还可根据不同萃取体系及使用条件通过调整转调整转速、搅拌浆及重相堰直径等参数速、搅拌浆及重相堰直径等参数来改善萃取时两相混来改善萃取时两相混合程度及分离效果和萃取效率。扩大了机器的使用范合程度及分离效果和萃取效率。扩大了机器的使用范围。围。 溶剂萃取溶剂萃取(Solvent Extraction)是生物工业中重要是生物工业中重要的分离提纯方法，它是利用一种溶质组分在两个互的分离提纯方法，它是利用一种溶质组分在两个互不相溶的液相中（不相溶的液相中（通常为水相和有机相通常为水相和有机相）分配特性）分配特性不同来进行分离的过程。不同来进行分离的过程。第二节第二节 溶剂萃
28、取法溶剂萃取法v料液：料液：在溶剂萃取中，要被提取的原料溶液；在溶剂萃取中，要被提取的原料溶液；v溶质：溶质：欲提取出来的物质；欲提取出来的物质；v萃取剂：萃取剂：用以进行萃取的溶剂；用以进行萃取的溶剂；v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所得到的溶液；取剂中所得到的溶液；v萃余液：萃余液：被萃取出溶质后剩余的料液。被萃取出溶质后剩余的料液。一、溶剂萃取的基本概念一、溶剂萃取的基本概念v溶剂萃取包含两步：混合；分层。溶剂萃取包含两步：混合；分层。杂质杂质溶质溶质原溶液原溶液萃取剂萃取剂Light phaseHeavy phase萃取相萃取相原
29、溶液原溶液tC在溶剂萃取分离过程中，当完成萃取操作后，为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。这种调节施，往往需要将目标产物转移到水相。这种调节水相条件，水相条件，将目标产物从有机相转入水相将目标产物从有机相转入水相的操作的操作就称为就称为反萃取（反萃取（Back extraction)。萃萃取取洗洗涤涤反反萃萃取取萃取剂萃取剂稀释剂稀释剂料液料液（待分离物（待分离物质杂质质杂质萃取液萃取液（待分离物待分离物质少量杂质）质少量杂质）洗洗涤涤剂剂萃残液萃残液（杂质）（杂质）杂
30、质杂质+ +少量少量待萃物质待萃物质产物（待萃物质）产物（待萃物质）（待返回使用）（待返回使用）萃取剂稀释剂萃取剂稀释剂反反萃萃剂剂待待萃萃物物质质溶剂萃取的操作流程溶剂萃取的操作流程 萃取过程具有萃取过程具有选择性选择性； 能与其他需要的纯化步骤能与其他需要的纯化步骤相配合相配合； 通过转移到具有不同物理或化学特性的第二相中，来通过转移到具有不同物理或化学特性的第二相中，来减减少由于降解（水解）引起的产品损失少由于降解（水解）引起的产品损失； 可从潜伏的降解过程中（如代谢或微生物过程）分离产可从潜伏的降解过程中（如代谢或微生物过程）分离产物；物； 适用于各种不同的规模适用于各种不同的规模；
31、传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易实现计传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易实现计算机控制。算机控制。溶剂萃取的优点溶剂萃取的优点 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v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。v 成分复杂成分复杂v 传质速率不同传质速率不同v 相分离性能不同相分离性能不同v 产物的不稳定性产物的不稳定
32、性 生物产品溶剂萃取的典型应用主要在两个方面：生物产品溶剂萃取的典型应用主要在两个方面：v 从从发酵培养液发酵培养液中萃取产物；中萃取产物；v 从从生物反应液生物反应液或或生物转化液生物转化液中萃取产物。中萃取产物。 根据被萃取物的分子大小，一般可区分为根据被萃取物的分子大小，一般可区分为两种主要类型：两种主要类型：v 小分子类；小分子类；v 大分子类。大分子类。二、萃取过程的理论基础二、萃取过程的理论基础液液萃取是液液萃取是以分配定律为基础以分配定律为基础分配定律：分配定律：一定温度、压力下，溶质在两个互不相溶的一定温度、压力下，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
33、常数。溶剂中分配，平衡时，溶质在两相中浓度之比为常数。K-分配系数分配系数v在常温常压下为常数；应用前提条件在常温常压下为常数；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，不发生缔合或离解萃余相的浓度萃取相的浓度21CCK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，用浓度代替活度萃余相的浓度萃取相的浓度21CCK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
34、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（）v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，则由于则由于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的的相对含量就不同于萃余相中相对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。v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。v萃取剂对溶质萃取剂对溶质A A
35、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分离因素（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。或离解。对于弱电解质，在水中发生解离，则只有两相中的对于弱电解质，在水中
36、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。 例如例如青霉素在水中部分离解成负离子（青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
37、）。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：v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。v弱酸性电解质K0 AH/AH=v弱碱性电解质K0 B/B=Kp=HC)HK(HAPPPKC)HK(B弱电解质的表观分配系数弱电解质的表观分配系数K K：v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 v对于弱
38、酸性电解质v对于弱碱性电解质HKHKKp0HKKKKpp0=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=2.75，萃取条，萃取条件：件：pH=2.5，T=10，VF VS = 1 1，测得萃取前发酵，测得萃取前发酵液（水相）效价液（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
39、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 )红红霉霉素素( pK9.4 ) ： 预预处处理理和和过过滤滤 发发酵酵液液 滤滤液液 萃萃取取液液 乳乳酸酸沉沉淀淀 分分解解转转碱碱 红红霉霉素素乳乳酸酸盐盐 调调pH9.8, 溶溶于于丙丙酮酮 红红霉霉素素碱碱 加加水水 红红霉霉素素碱碱成成品品 结结晶晶 萃萃 取取 调调 pH9.8 10.2, 1/4V/V 丁丁酯酯逆逆流流萃萃取取 思考题：思考题：为什么青霉素在酸性（为什么青霉素在酸性（pH2.5pH2.5）条件下，而红霉
40、素却要在）条件下，而红霉素却要在碱性（碱性（pH9.8pH9.8）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
41、时，分配系数大时，分配系数大青霉素青霉素 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，在弱极性的丁酯中游离分子极性小，溶解根据相似相溶原则，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
42、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50三、溶剂萃取的影响因素三、溶剂萃取的影响因素v1 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v2 2有机溶剂的选择有机溶剂的选择v3 3带溶剂带溶剂v4 4乳化与去乳化乳化与去乳化1 1. 影响萃取操作的因素影响萃取操作的因素 （1） 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，
43、时，KK0 例：已知例：已知pen pK=2.75 T=10 K0=47 求求: pH4.4 pH2.5 pH2.0时的时的K? pH4.4时时: pH2.5时时: K=30 pH2.0时时: K=39.9 pHK11014775.24.4K解释原理解释原理: pH pen- 易溶于丁酯易溶于丁酯 由由萃萃取取机机理理和和KpH的的关关系系式式可可得得出出如如下下结结论论： 生生化化物物质质的的稳稳定定性性 乳乳化化程程度度 酸酸性性物物质质 碱碱性性物物质质 萃萃取取 pHpK 反反萃萃取取 pHpK pHpK 控制控制pH，去除杂质，去除杂质 例例: 青霉素（青霉素（pen） 当当pHpK
44、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 4.8 pH 2.75 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
45、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 pK生生（2） 温度温度T TT，分子扩散速度，分子扩散速度，故萃取速度，故萃取速度 T T影响分配系数影响分配系数 例：例：pen Tpen T 水中的溶解度水中的溶解度 萃取时萃取时 T T使使K K；反萃时反萃时 TT使使K K反反 红霉素、螺旋霉素红霉素、螺旋霉素
46、T 水中的溶解度水中的溶解度 萃取时萃取时 T使使K；反萃时；反萃时 T使使K反反 T T影响两溶剂的互溶度影响两溶剂的互溶度一般生化物质的萃取在室温或较低温度下进行一般生化物质的萃取在室温或较低温度下进行（3 3）盐析：）盐析：无机盐无机盐如氯化钠、硫酸铵等，作用如氯化钠、硫酸铵等，作用：可以使生化物质在水中溶解度可以使生化物质在水中溶解度,提高有机相中含量，消提高有机相中含量，消除有机相中的水滴除有机相中的水滴；两相比重差；两相比重差 两相互溶度两相互溶度例：例：A:A: 青霉素（青霉素（penpen）从水相）从水相丁酯中，加氯化钠洗涤，丁酯中，加氯化钠洗涤， 消除有机相水滴，提高质量和收
47、率消除有机相水滴，提高质量和收率； B:B: 红霉素（红霉素（spmspm）的丁酯萃取液）的丁酯萃取液 + + 饱和盐水洗涤，饱和盐水洗涤， 减少减少spmspm在水中溶解度；消除有机相水滴；分相容易。在水中溶解度；消除有机相水滴；分相容易。 2. 萃取溶剂的选择萃取溶剂的选择 是溶剂萃取的关键是溶剂萃取的关键，而选择的依据是，而选择的依据是“相似相溶相似相溶”的原则的原则。 “相似相溶相似相溶”原理：原理：分子之间可以有两方面的相似，一分子之间可以有两方面的相似，一是是分子结构相似分子结构相似，如分子的组成、官能团、形态结构的相似；，如分子的组成、官能团、形态结构的相似；二是二是能量能量(相
48、互作用力相互作用力)相似相似，如相互作用力有极性的和非极性，如相互作用力有极性的和非极性的之分，两种物质如相互作用力相近，则能互相溶解。的之分，两种物质如相互作用力相近，则能互相溶解。 与水与水“相似相似”的物质易溶于水，与油的物质易溶于水，与油“相似相似”的物质易的物质易溶于油就是相似相溶原理的表现。溶于油就是相似相溶原理的表现。 在生物工业上，选择溶剂时考察较多的是在生物工业上，选择溶剂时考察较多的是分子极性。分子极性。 介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量度介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量度，如果已知如果已知介电常数，就能预测该化合物是极性的还是非极性的。介电常数，就能预测该化合物是
49、极性的还是非极性的。物质物质的介电常数可通过测定该物质在电容器二极板间的静电容量的介电常数可通过测定该物质在电容器二极板间的静电容量C来决定。来决定。 根据萃取目标物质的介电常数，寻找极性相接近的溶剂根据萃取目标物质的介电常数，寻找极性相接近的溶剂作为萃取溶剂，也是溶剂选择的重要方法之一。作为萃取溶剂，也是溶剂选择的重要方法之一。 溶剂的介电常数与极性成正比。溶剂的介电常数与极性成正比。一个良好溶剂要满足的要求：一个良好溶剂要满足的要求：(1)有很大的有很大的萃取容量萃取容量，即单位体积的萃取溶剂能，即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产萃取大量的产物物；(2)有良好的有良好的选择性选择性，理想情
50、况是，理想情况是只萃取产物只萃取产物而不萃取杂质；而不萃取杂质；(3)与水不互溶与水不互溶，与水的，与水的密度差较大密度差较大，粘度小或表面张力适中，粘度小或表面张力适中，这样有利于相的分散和两相分离；这样有利于相的分散和两相分离；(4)溶剂的溶剂的回收和再生容易回收和再生容易；(5)化学化学稳定性稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；好，不易分解，对设备腐蚀性小；(6)经济性好经济性好，价廉易得；，价廉易得；(7)安全性好安全性好，对人体无毒性或毒性低。，对人体无毒性或毒性低。常用于生化萃取的有机溶剂有常用于生化萃取的有机溶剂有丁醇、丁酯、乙酸乙酯、丁醇、丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯乙酸
