1、1第四章第四章 萃取技术萃取技术 概述概述双水相萃取双水相萃取反胶团萃取技术反胶团萃取技术超临界流体萃取超临界流体萃取其他萃取技术其他萃取技术2第一节第一节 概述概述一、基本概念及分类一、基本概念及分类n概念概念：萃取是利用溶质在互不混溶的两相之间：萃取是利用溶质在互不混溶的两相之间分分配系数配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的技术。的不同而使溶质得到纯化或浓缩的技术。分配系数分配系数 当某一种溶质在基本上不相混溶的两个溶剂之间分配当某一种溶质在基本上不相混溶的两个溶剂之间分配时，在一定温度下，两相达到平衡后，且溶质在两相中的时，在一定温度下，两相达到平衡后，且溶质在两相中的分子量相等。则其在
2、两相中的浓度比值为一常数。分子量相等。则其在两相中的浓度比值为一常数。3n 有机化合物在有机溶剂中一般比在水中溶解度大。用有机溶剂提取溶解于水的化合物是萃取的典型实例。n 在萃取时，若在水溶液中加入一定量的电解质（如氯化钠），利用“盐析效应”以降低有机物和萃取溶剂在水溶液中的溶解度，常可提高萃取效果。4参与溶质分配的两相不同参与溶质分配的两相不同液液-固萃取固萃取液液-液萃取液萃取分类分类：51.1.概念概念：用某种溶剂把有用物质从固体原料中：用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程称为固提取到溶液中的过程称为固-液萃取，也称液萃取，也称浸浸取取（Leaching）或浸出或浸出。应用
3、：应用：v用温水从甜菜中提取糖，煎中药，泡茶叶。用温水从甜菜中提取糖，煎中药，泡茶叶。v用有机溶剂从大豆、花生等油料作物中提取食用油。用有机溶剂从大豆、花生等油料作物中提取食用油。v用水或有机溶剂从植物中提取药物、香料或色素等。用水或有机溶剂从植物中提取药物、香料或色素等。（一）液（一）液-固萃取固萃取6用溶剂从溶液中抽提物质叫用溶剂从溶液中抽提物质叫液液-液萃取液萃取，也称，也称溶溶剂萃取剂萃取。经典的液。经典的液-液萃取指的是有机溶剂萃取液萃取指的是有机溶剂萃取（二）液（二）液-液萃取液萃取基本原理：基本原理：利用目标物质在两个互不相溶的液相溶剂中溶解度溶解度不同来进行分离的过程例：四氯化
4、碳萃取碘液中的碘例：四氯化碳萃取碘液中的碘7四氯化碳萃取碘液中的碘四氯化碳萃取碘液中的碘四氯化碳碘液萃取剂S料液F水原溶剂B碘溶质A含有少量碘的水溶液含有大量碘的四氯化碳萃取液E萃余液R利用目标物质在两个互不相溶的液相溶剂中溶解度溶解度不同来进行分离。液液-液萃取法的发展过程液萃取法的发展过程19世纪中叶人们就知道用有机溶剂萃取某些无机物。如1842年Peligot用二乙醚萃取硝酸铀酰。1872年Berthelot和Jungfleisch根据经验提出了液-液分配的定量关系。1891年Nernst从热力学观点出发阐明了液液分配的定量关系。20世纪40年代以后，溶剂萃取走向成熟（完善的理论体系，丰
5、富的萃取模式，广泛的应用领域）。91、溶剂萃取分离、溶剂萃取分离 就是使溶液与另一种不相混溶的溶剂密切接触，以就是使溶液与另一种不相混溶的溶剂密切接触，以使溶液中的某一种或某几种溶质进入溶剂相中，从而与溶使溶液中的某一种或某几种溶质进入溶剂相中，从而与溶液中的其它干扰组分分离。液中的其它干扰组分分离。2、被萃取物、被萃取物 指原先溶于水相，然后被有机相萃取的物质。指原先溶于水相，然后被有机相萃取的物质。(萃合萃合物物)。3、萃取液和萃余液、萃取液和萃余液 萃取分层后的有机相称为萃取液，此时的水相为萃萃取分层后的有机相称为萃取液，此时的水相为萃余液。余液。相关概念：相关概念：104、萃取剂、萃取
6、剂 指能与被萃取物质发生化学反应，形成能溶于有机相指能与被萃取物质发生化学反应，形成能溶于有机相的萃合物的试剂，或指能与亲水性物质反应生成可被萃取的萃合物的试剂，或指能与亲水性物质反应生成可被萃取的疏水性物质的试剂。的疏水性物质的试剂。5、萃取溶剂、萃取溶剂指与水不相混溶且能够构成连续有机相的液体。指与水不相混溶且能够构成连续有机相的液体。活性萃取溶剂活性萃取溶剂可与被萃取物发生化学反应，形成配合可与被萃取物发生化学反应，形成配合物、离子缔合物或溶剂化物。物、离子缔合物或溶剂化物。例：磷酸三丁酯，正丁醇等。例：磷酸三丁酯，正丁醇等。11惰性萃取溶剂惰性萃取溶剂本身不与被萃取物发生化学本身不与被
7、萃取物发生化学反应，仅起溶解被萃取物，改变萃取剂的物理性质，反应，仅起溶解被萃取物，改变萃取剂的物理性质，使萃取两相易于分层的作用。使萃取两相易于分层的作用。例：四氯化碳，三氯甲烷，苯等。例：四氯化碳，三氯甲烷，苯等。6、助萃剂（助萃络合剂）：、助萃剂（助萃络合剂）：水相中加入能促进被萃取物的分配比或萃取率增大的水相中加入能促进被萃取物的分配比或萃取率增大的络合剂，是萃取过程中不可缺少的辅助试剂。络合剂，是萃取过程中不可缺少的辅助试剂。127、反萃取剂、反萃取剂 一种新的不含被萃取物的水相与萃取液接触，使被一种新的不含被萃取物的水相与萃取液接触，使被萃取物返回水相的过程叫反萃取；使被萃取物返回
8、水相的萃取物返回水相的过程叫反萃取；使被萃取物返回水相的物质叫反萃取剂。物质叫反萃取剂。8、盐析剂、盐析剂 指易溶于水而不被萃取，但能促进萃取物转入有机指易溶于水而不被萃取，但能促进萃取物转入有机相，提高萃取效率的无机物盐类。相，提高萃取效率的无机物盐类。9、相比：、相比：指有机相和水相的体积比。指有机相和水相的体积比。13n萃取过程机理主要有以下四种类型：萃取过程机理主要有以下四种类型：n(1)简单分子萃取简单分子萃取(物理萃取物理萃取)n(2)中性溶剂络合萃取中性溶剂络合萃取 n(3)酸性阳离心交换萃取酸性阳离心交换萃取 n(4)离子络合萃取离子络合萃取14n(1)简单分子萃取简单分子萃取
9、(物理萃取物理萃取)指的是一种简单的物理分配过程，被萃取的组分以一种简单分子的形式在两相间根据溶解度不同进行分配。被萃取组分在两相中均以中性分子的形式存在，溶剂与被萃取组分之间不发生化学反应不发生化学反应。15n(2)中性溶剂络合萃取中性溶剂络合萃取 指的是被萃取物为中性分子，萃取剂也是中性分子，萃取剂与被萃取剂结合成为中性溶剂络合物中性溶剂络合物而进入有机相，在这种中性分子中含有大的疏水性的有机基团，因而能被有机溶剂所萃取。主要采用中性磷化合物萃取剂和含氧的有机萃取剂。例：MnO4-、IO4-、HgCl42-、SnCl62-等可用氯化四苯胂作萃取剂生成溶于CCl4的缔合物。16n(3)酸性阳
10、离心交换萃取酸性阳离心交换萃取 这类萃取体系的萃取剂为弱酸性或酸性螯合剂。金属离子在水相中以阳离子或能解离为阳离子的络离子形式存在，金属离子与萃取剂反应生成中性螯合物。这类萃取剂分三类：酸性磷萃取剂、螯合萃取剂、羧酸类萃取剂。螯合物：螯合物：是具有环状结构的配合物，是通过两个或多个配位体与同一金属离子形成螯合环的螯合作用而得到。17酸性磷萃取剂酸性磷萃取剂这类萃取体系中的萃取剂是指含有酸性基团的有机磷化合物，它通过结构中含有的H+而与水溶液中的金属阳离子交换以进行萃取。用作萃取剂：单烷基磷酸、二烷基磷酸、烷基膦酸、单烷基酯等。应用最多的是：二（2-乙基己基）磷酸（HDEHP)18螯合剂为萃取剂
11、和被萃取的金属离子形成螯合物，从而被有机溶剂萃取。螯合萃取剂螯合萃取剂例：在pH=9.0的氨性溶液中，Cu2+与铜试剂（DDTC)生成疏水性螯合物，加入CHCl3萃取，螯合物进入有机相中，分出有机相后，即可直接进行测定。19n(4)离子络合萃取离子络合萃取这类萃取有两种方式：1.金属离子在水相中形成络合阴离子，萃取剂与氢离子结合成阳离子，然后两者构成离子缔合体系进入有机相。2.金属阳离子与中性螯合剂结合成螯合阳离子，然后与水相中的存在的阴离子构成离子缔合体系进入有机相。离子缔合物离子缔合物：阳离子和阴离子通常为配离子通过静电吸引力结合形成的电中性化合物，称为离子缔合物。此缔合物具有疏水性而能被
12、有机溶剂萃取。20萃取过程的条件：萃取过程的条件：1.两个接触的液相完全不互溶或部分互溶；两个接触的液相完全不互溶或部分互溶；2.溶质组分和稀释剂在两相中分配比不同；溶质组分和稀释剂在两相中分配比不同；3两相接触混合和分相；两相接触混合和分相；4.溶剂溶剂S对溶质对溶质A和原溶剂和原溶剂B的溶解能力不一样，溶剂具有的溶解能力不一样，溶剂具有选择性。选择性。21比化学沉淀法分离程度高；比化学沉淀法分离程度高；比离子交换法选择性好、传质快；比离子交换法选择性好、传质快；比蒸馏法能耗低；比蒸馏法能耗低；生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动化控制生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动化控
13、制优点优点n 炼油和石化工业中石油馏分的分离和精制，如烷烃和炼油和石化工业中石油馏分的分离和精制，如烷烃和芳烃的分离，润滑油的精制等；芳烃的分离，润滑油的精制等；n 湿法冶金：铀等放射性元素、稀土、铜等有色金属、湿法冶金：铀等放射性元素、稀土、铜等有色金属、金等贵金属的分离和提取；金等贵金属的分离和提取；n 磷和硼等无机资源的提取和净化；磷和硼等无机资源的提取和净化；n 医药工业中的多种抗生素和生物碱的分离提取；医药工业中的多种抗生素和生物碱的分离提取；n 食品工业中有机酸的分离和净化；食品工业中有机酸的分离和净化；n 环保处理中有害物质的脱除等。环保处理中有害物质的脱除等。应用应用23分类按
14、萃取剂与原料液中组分有无化学反应发生：按萃取剂与原料液中组分有无化学反应发生：n物理萃取物理萃取 溶质根据相似相溶的原理在两相间达溶质根据相似相溶的原理在两相间达到分配平衡而进行萃取的分离过程。到分配平衡而进行萃取的分离过程。n化学萃取化学萃取 利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相分配的过程。分配的过程。n萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和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。化学萃取中通常用煤油、己烷、络合反应等。化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有机溶剂溶
15、解萃取剂，改善萃四氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为取相的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂稀释剂。实验室液液萃取过程实验室液液萃取过程25工业液工业液-液萃取过程液萃取过程E萃取相萃取相R萃余相萃余相E，脱去溶剂后的萃取相脱去溶剂后的萃取相R，脱去溶剂后的萃余相脱去溶剂后的萃余相26工业萃取的流程工业萃取的流程混合混合分离分离溶剂回收溶剂回收混合器混合器（如搅拌混合器）（如搅拌混合器）分离器（如碟片式离心机）分离器（如碟片式离心机）溶剂回收装置溶剂回收装置（如蒸馏塔）（如蒸馏塔）27工业生产中常见的萃取流程工业生产中常见的萃取流程：n1.单级萃取流程单级
16、萃取流程n2.多级萃取流程多级萃取流程多级错流萃取流程多级错流萃取流程多级逆流萃取流程多级逆流萃取流程28料液料液F F与萃取溶剂与萃取溶剂S S一起加入混合器内搅拌混合萃取，一起加入混合器内搅拌混合萃取，达到平衡后的溶液送到分离器内分离得到萃取相达到平衡后的溶液送到分离器内分离得到萃取相L L和萃余和萃余 相相R R，萃取相送到回收器，萃余相萃取相送到回收器，萃余相R R为废液。为废液。在回收器内产物与溶剂分离（如蒸馏、反萃取等），溶在回收器内产物与溶剂分离（如蒸馏、反萃取等），溶剂则可循环使用。剂则可循环使用。1.1.单级萃取流程单级萃取流程混合器混合器分离器分离器回收器回收器FSRP（产
17、物）（产物）使用一个混合器和一个分离器的萃取操作：使用一个混合器和一个分离器的萃取操作：29为提高收率常采用多级萃取，为提高收率常采用多级萃取，多级萃取又有多级萃取又有多级逆流萃取多级逆流萃取和和多级错流萃取多级错流萃取的区别。的区别。2.2.多级萃取多级萃取多级错流萃取流程的特点多级错流萃取流程的特点：每级均加新鲜溶剂，：每级均加新鲜溶剂，故溶剂消耗量大，得到的萃取液产物平均浓度较故溶剂消耗量大，得到的萃取液产物平均浓度较稀，但萃取较完全。稀，但萃取较完全。混合分离器混合分离器1混合分离器混合分离器2混合分离器混合分离器n料液料液溶剂溶剂萃取液萃取液萃余液萃余液萃余液萃余液萃取液萃取液萃取液
18、萃取液萃余液萃余液溶剂溶剂溶剂溶剂30多级逆流萃取流程的特点多级逆流萃取流程的特点：料液走向和萃取剂：料液走向和萃取剂走向相反，只在最后一级中加入萃取剂，萃取走向相反，只在最后一级中加入萃取剂，萃取剂消耗少，萃取液产物平均浓度高，产物收率剂消耗少，萃取液产物平均浓度高，产物收率较高。较高。工业上多采用多级逆流萃取流程。工业上多采用多级逆流萃取流程。混合分离器混合分离器1混合分离器混合分离器2混合分离器混合分离器n料液料液产物溶剂产物溶剂萃余液萃余液萃余液萃余液废液废液溶剂溶剂多级逆流萃取多级逆流萃取青霉素的多级逆流萃取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
19、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。32多级逆流萃取流程 多级错流萃取流程 微分逆流萃取流程分馏萃取流程
20、33二、影响萃取操作的因素：二、影响萃取操作的因素：萃取剂萃取剂温度温度pHpH值值盐析作用盐析作用温度温度互溶性增大；互溶性增大；温度温度产物稳定性提高，粘度增加，扩散性能减小。产物稳定性提高，粘度增加，扩散性能减小。影响分配系数，影响物质解离情况影响分配系数，影响物质解离情况无机盐类如硫酸铵、氯化钠等一般可降低产物无机盐类如硫酸铵、氯化钠等一般可降低产物在水中的溶解度而使其更易于转入有机溶剂相在水中的溶解度而使其更易于转入有机溶剂相中，另一方面还能减小有机溶剂在水相中的溶中，另一方面还能减小有机溶剂在水相中的溶解度。解度。盐分盐分分配系数分配系数萃取剂的选择性、与原溶剂萃取剂的选择性、与原
21、溶剂B B的密度差、的密度差、溶剂表面张力、粘度等溶剂表面张力、粘度等（1）分配系数）分配系数达到萃取平衡时，被萃物在两相中的浓度比称为被萃物的分配比，也达到萃取平衡时，被萃物在两相中的浓度比称为被萃物的分配比，也称为分配系数称为分配系数K。n其中，其中，为被萃物为被萃物A在萃取相（有机相）中的浓度；在萃取相（有机相）中的浓度；为被萃为被萃物物A在被萃相（水相）中的浓度。在被萃相（水相）中的浓度。n分配比分配比K的值越大，被萃物越容易进入萃取相。的值越大，被萃物越容易进入萃取相。nK通常不是常数，要受萃取体系和萃取条件的影响，应根据实验来测通常不是常数，要受萃取体系和萃取条件的影响，应根据实验
22、来测定；定；K=0，表示待萃取物完全不被萃取，表示待萃取物完全不被萃取，K=，表示完全被萃取。，表示完全被萃取。)()(KaAoAcc)(oAc)(aAc1.1.萃取剂的选择性萃取剂的选择性（一）萃取剂对萃取的影响（一）萃取剂对萃取的影响35（2）分离因素（分离系数）分离因素（分离系数）n原来的料液中除溶质原来的料液中除溶质A以外，还含有溶剂以外，还含有溶剂B，则由于则由于A、B的分配系数不同，的分配系数不同，A和和B就得就得到了一定程度的分离。在同一萃取体系内到了一定程度的分离。在同一萃取体系内两种物质在同一条件下的分配系数的比值两种物质在同一条件下的分配系数的比值叫做分离因素叫做分离因素：
23、KAKBn=1 KA=KB 分离效果不好；分离效果不好；n1 KA KB 分离效果好；分离效果好；n越大，越大，KA 越大于越大于KB，分离效果越好。，分离效果越好。(3)萃取剂应具备的特点萃取剂应具备的特点 萃取剂中至少要有一个能与被萃物形成萃合物的萃取剂中至少要有一个能与被萃物形成萃合物的官能团。常见的萃取官能团通常是一些包含官能团。常见的萃取官能团通常是一些包含N、O、P、S的基团。的基团。萃取剂中还应包含具有较强亲油能力结构或基团，萃取剂中还应包含具有较强亲油能力结构或基团，如长链烃、芳烃等，以利于萃取剂及萃合物易溶于有如长链烃、芳烃等，以利于萃取剂及萃合物易溶于有机溶剂，难溶于水相。
24、机溶剂，难溶于水相。(4)萃取剂选择要点萃取剂选择要点 选择性好选择性好 表现为分离系数大。表现为分离系数大。萃取容量大萃取容量大 表现为单位体积或单位质量溶解萃合物多。表现为单位体积或单位质量溶解萃合物多。化学稳定性强化学稳定性强 耐酸碱、抗氧化还原、耐热、无腐蚀。耐酸碱、抗氧化还原、耐热、无腐蚀。易与原料液相分层易与原料液相分层 不乳化、不产生第三相。不乳化、不产生第三相。易于反萃或分离易于反萃或分离 便于萃取剂的重复利用。便于萃取剂的重复利用。安全性好安全性好 无毒或低毒、不易燃、难挥发、环保。无毒或低毒、不易燃、难挥发、环保。经济性好经济性好 成本低、损耗小。成本低、损耗小。（5）常用
25、萃取剂）常用萃取剂 中性萃取剂中性萃取剂 包括含磷类、含氧类和含硫类重型包括含磷类、含氧类和含硫类重型萃取剂，如磷酸三丁酯萃取剂，如磷酸三丁酯(TBP)、甲基异丁基酮、甲基异丁基酮(MIBK)、二辛基亚砜、二辛基亚砜(DOSO)等。等。有机酸萃取剂有机酸萃取剂 包括有机磷酸、有机磺酸、羧酸包括有机磷酸、有机磺酸、羧酸等。等。胺类萃取剂胺类萃取剂 各种有机胺和胺盐。各种有机胺和胺盐。螯合萃取剂螯合萃取剂 各种有机螯合物、冠醚等。各种有机螯合物、冠醚等。392.萃取剂萃取剂S与原溶剂与原溶剂B的密度的密度萃取剂S与原溶剂B存在密度差，有利于萃取后萃余相与萃取相的分离。3.溶液的黏度溶液的黏度溶剂黏
26、度过大，不利于传质；黏度小，有利于传质，而且有利于两相的混合与分离。因此常根据需要加入稀释剂，降低溶剂的黏度。404.溶剂的表面张力溶剂的表面张力溶剂表面张力要适中，张力过小分散后的液滴不易凝聚而产生乳化现象乳化现象，不利于分层；张力过大，两相分散困难，对于传质不利，但是对于分离是有利的。一般情况下倾向于选择界面张力较大的溶剂。乳化乳化：是一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液是一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液体中的现象。体中的现象。乳化是液-液界面现象，两种不相溶的液体，如油与水，在容器中分成两层，密度小的油在上层，密度大的水在下层。若加入适当的表面活性剂在强烈
27、的搅拌下，油被分散在水中，形成乳状液，该过程叫乳化。41（二）温度对萃取的影响（二）温度对萃取的影响温度升高，溶质在溶剂及萃取剂中的溶解度都要增大溶质在溶剂及萃取剂中的溶解度都要增大，而且其在萃取剂中的溶解度比在溶质中的溶解度大，这对萃取有利，另外温度升高，液体粘度降低液体粘度降低，也有利于萃取剂与溶剂的分离。不过温度升高时，也会导致萃取剂在溶剂中的溶解度增大萃取剂在溶剂中的溶解度增大，萃取剂的损失增多，这对萃取是不利的，因此要根据溶剂的性质和所选萃取剂，通过试验确定萃取的温度。42（三）原溶剂（三）原溶剂pH对萃取的影响对萃取的影响pH对分配系数的影响，对分配系数的影响，pH低有利于酸性物质
28、分配在有机低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配在水相。相，碱性物质分配在水相。例如：青霉素是酸性电解质，在pH2时，醋酸丁酯萃取液中的青霉素含量为12.5%，当pH6，青霉素几乎全部在水相中。红霉素是碱性电解质，在乙酸戊酯和pH为8的水相分配系数为44.7，在pH5时分配系数降至14.4。43（四）盐析作用对萃取的影响（四）盐析作用对萃取的影响无机盐类如硫酸铵、氯化钠等一般可降低产物在水中的溶无机盐类如硫酸铵、氯化钠等一般可降低产物在水中的溶解度而使其更易于转入有机溶剂相中，另一方面还能减小解度而使其更易于转入有机溶剂相中，另一方面还能减小有机溶剂在水相中的溶解度。有机溶剂在水相中的溶解
29、度。盐分盐分分配系数分配系数44萃取技术的操作特点萃取技术的操作特点n 萃取过程具有选择性萃取过程具有选择性n 能与其他纯化步骤相配合能与其他纯化步骤相配合n 通过转移到不同物理或化学特性的第二相中通过转移到不同物理或化学特性的第二相中来减少由于降解引起的产品损失来减少由于降解引起的产品损失n 可从潜伏的降解过程中分离产物可从潜伏的降解过程中分离产物n 适用于各种不同的规模适用于各种不同的规模n 传质速度快，生产周期短，便于连续操作传质速度快，生产周期短，便于连续操作 45萃取需要考虑下列问题萃取需要考虑下列问题n 生物系统的错综复杂和多组分特性生物系统的错综复杂和多组分特性n 产物的不稳定性
30、产物的不稳定性n 传质速率传质速率n 相分离性能相分离性能46溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生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：了一系列新型分离技术：q双水相萃取技术双水相萃取技术（Partition of two aqueous phase system）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 extraction）等。等。用于高品质的天然物质、胞内物质（胞内酶、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。蛋白质、
31、多肽、核酸等）的分离提取上。471955年，瑞典的年，瑞典的Albertson首次运用双水相萃取技术来首次运用双水相萃取技术来提取生物物质以来，对于双水相体系的研究和应用逐步展提取生物物质以来，对于双水相体系的研究和应用逐步展开，并取得了一系列研究成果。开，并取得了一系列研究成果。现在双水相萃取技术已广泛地应用于蛋白质、酶、核酸等现在双水相萃取技术已广泛地应用于蛋白质、酶、核酸等生物产品的分离和纯化以及药物有效成分提取，并逐步向生物产品的分离和纯化以及药物有效成分提取，并逐步向工业化生产迈进，展现了广阔的应用前景。工业化生产迈进，展现了广阔的应用前景。第二节 双水相萃取n双水相体系就是由两个互
32、不相容的水相合在一起构双水相体系就是由两个互不相容的水相合在一起构成的体系。成的体系。n双水相体系的形成主要是由于水相中高聚物之间的双水相体系的形成主要是由于水相中高聚物之间的互不相容性，即高聚物分子的空间阻碍，导致相互不互不相容性，即高聚物分子的空间阻碍，导致相互不能渗透，不能形成均一相而产生的。能渗透，不能形成均一相而产生的。葡聚糖与甲基纤维素钠的双水相体系 49有机溶剂萃取的不足：有机溶剂萃取的不足：许多蛋白质都有极强的亲水性，不溶于有机溶剂许多蛋白质都有极强的亲水性，不溶于有机溶剂；蛋白质在有机溶剂相中易变性失活。蛋白质在有机溶剂相中易变性失活。双水相萃取的优点双水相萃取的优点使固液分
33、离和纯化两个步骤同时进行，一步完成；使固液分离和纯化两个步骤同时进行，一步完成；适合热敏物质的提取，主要是胞内酶；适合热敏物质的提取，主要是胞内酶；亲水性聚合物加入水中，形成两相，在这两相中，亲水性聚合物加入水中，形成两相，在这两相中，水分都占大比例（水分都占大比例（8595），这样生物活性蛋），这样生物活性蛋白质在两相中不会失活，且以一定比例分配于两相白质在两相中不会失活，且以一定比例分配于两相中。中。50早在1896年，Beijerinck发现，当明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液相混时，得到一个混浊不透明的溶液，随之分为两相，上相富含明胶，下相富含琼脂（或淀粉），这种现象被称为聚合物的不相
34、溶性聚合物的不相溶性（incompatibility），从而产生了双水相体系双水相体系（Aqueous two phase system,ATPS）一、双水相体系的组成一、双水相体系的组成51一、双水相体系的组成一、双水相体系的组成双聚物：双聚物：聚合物聚合物-低低相对分子相对分子质量的化质量的化合物：合物：聚乙二醇聚乙二醇/聚乙烯醇、聚乙烯聚乙烯醇、聚乙烯醇醇/甲基纤维素、聚丙二醇甲基纤维素、聚丙二醇/葡葡聚糖、聚丙二醇聚糖、聚丙二醇/甲氧基乙二醇甲氧基乙二醇等等PEG/磷酸钾、磷酸钾、PEG/磷酸胺、磷酸胺、PEG/硫酸钠、硫酸钠、PEG/葡萄糖等、葡萄糖等、常用聚合物常用聚合物：聚乙二醇
35、葡聚糖聚乙二醇葡聚糖聚乙二醇无机盐系统聚乙二醇无机盐系统无毒原则无毒原则常见的双水相体系常见的双水相体系53双水相体系形成的原因双水相体系形成的原因双水相体系的成因是聚合物之间的不相溶性，双水相体系的成因是聚合物之间的不相溶性，即聚合物分子的即聚合物分子的空间阻碍作用空间阻碍作用，相互间无法，相互间无法渗透，从而分为两相。一般认为，只要两种渗透，从而分为两相。一般认为，只要两种聚合物水溶液的水溶性有所差异，混合时就聚合物水溶液的水溶性有所差异，混合时就可发生相分离，并且可发生相分离，并且水溶性差别越大，相分水溶性差别越大，相分离的倾向越大离的倾向越大。加入盐分，由于盐析作用，聚合物与盐类溶加入
36、盐分，由于盐析作用，聚合物与盐类溶液也能形成两相。液也能形成两相。双水相形成机理两种高聚物相互混合时，其结果是分层还是混合，取决于两个因素：体系熵的增加和分子间作用力体系熵的增加和分子间作用力。在混合过程中，体系熵的增加只与分子数量有关，而与分子大小无关。因此，大分子间混合与小分子间混合相比，其体系熵的增加是相同的。分子间作用力则与分子质量有关。相对分子质量越大，其分子间作用力有也越大。当两种大分子物质相混合时，其混合结果主要由分分子间作用力子间作用力决定。两种混合分子间如果存在相互排斥作用，及某种分子的周围将聚集同种分子而非异种分子，达到平衡时，就可能分成两相。而两种聚合物分别进入一相中的现
37、象，称为聚合物的不溶性聚合物的不溶性。两高聚物双水相体系的形成就是依据这一特性。56双水相萃取的基本原理双水相萃取的基本原理1.双水相萃取属于液液萃取的范畴，其基本原理仍然是双水相萃取属于液液萃取的范畴，其基本原理仍然是根据物质在两相间的选择性分配。根据物质在两相间的选择性分配。2.当物质进入双水相体系后，由于表面性质、电荷作用当物质进入双水相体系后，由于表面性质、电荷作用和环境的影响，使其在上下相中进行选择性分配，从生和环境的影响，使其在上下相中进行选择性分配，从生物转化介质中将目标蛋白分离在一相，回收颗粒和其他物转化介质中将目标蛋白分离在一相，回收颗粒和其他杂质溶液在另一相。杂质溶液在另一
38、相。57溶质(包括蛋白质等大分子物质、稀有金属以及贵金属的络合物、中草药成分等)在双水相体系中分配系数K可以用下式表示:K=Ct/CbK 分配系数;Ct、Cb分别代表溶质在上相、下相中的浓度。系统固定时,分配系数K为一常数,与溶质的浓度无关。58由于溶质在双水相系统两相间的分配时至少有四类物质在两个不同相系统共存，要分配的物质和各相组分之间的相互作用是个复杂的现象，它涉及到氢键、电荷相互作用、范德华氢键、电荷相互作用、范德华力、疏水性相互作用以及空间效应力、疏水性相互作用以及空间效应等，因此，可以预料到溶质在双水相系统中两相间的分配取决于许多因素，它既与构成双水相系统组成化合物的分子量和化学特
39、性有关，也与要分配物质的大小、化学特性和生物特性相关。59大量研究表明，生物分子在双水相系统中的实际分配是生物分子与双水相系统间静电作用、疏水作用、生物亲和作用等共同作用的结果，形式上可以将分配系数的对数值分解为几项：InK=InKm+InKe+In Kh+InKb+InKs+InKc其中：Ke-静电作用对溶质分配系数的贡献；Kh-疏水作用对溶质分配系数的贡献；Kb-生物亲和作用对溶质分配系数的贡献；Ks-分子大小对溶质分配系数的贡献；Kc-分子构型影响对溶质分配系数的贡献；Km-除上述因素外的其它因素影响对溶质分配系数的贡献。60p 两相间的界面张力小,因此两相易分散,而且它比一般的有机萃取
40、两相体系界面张力低的多,这样有利于强化相际间的物质传递。p 操作条件温和,由于双水相的界面张力大大低于有机溶剂与水相之间的界面张力,整个操作过程可以在常温常压下进行,对于生物活性物质的提取来说有助于保持生物活性和强化相际传质。二、双水相萃取的基本特点二、双水相萃取的基本特点61p 双水相体系中的传质和平衡速度快,回收率高,分相时间短,传质过程和平衡过程速度均很快,自然分相时间一般为515min,因此相对于某些分离过程来说,能耗较低,而且可以实现快速的分离。p 大量杂质能够与所有固体物质一起去掉,与其他常用固液分离方法相比,双水相分配技术可省去12个分离步骤,使整个分离过程更经济。62p 一般不
41、存在有机溶剂的残留问题,现已证明形成双水相的聚合物(如PEG)对人体无害,可用于食品添加剂、注射剂和制药,因此对环境污染小。p 聚合物的浓度、无机盐的种类和浓度,以及体系的pH 值等因素都对被萃取物质在两相间的分配产生影响,因此可以采用多种手段来提高选择性和回收率。63p 易于连续化操作,设备简单,并且可直接与后续提纯工序相连接,无需进行特殊处理。例如可以采用高分配系数和高选择性的多级逆流分配操作。p 含水量高,一般为75%90%,在接近生理环境的体系中进行萃取,不会引起生物活性物质失活或变性。64n易于放大：各参数可以按比例放大；易于放大：各参数可以按比例放大；n分离迅速：分相时间短；分离迅
42、速：分相时间短；n条件温和：可在室温下进行；条件温和：可在室温下进行；n步骤简便：可将大量液体杂质和所有固体物质步骤简便：可将大量液体杂质和所有固体物质同时除去；同时除去；n通性强：可采用多种手段提高选择性或收率。通性强：可采用多种手段提高选择性或收率。65三、双水相萃取的操作过程三、双水相萃取的操作过程1.选择双水相系统的溶质选择双水相系统的溶质根据欲分离物质和杂质的特点，常用水溶性高分子聚合物和各种盐类，且通常采用两种高分子化合物系统。2.制备双水相系统制备双水相系统关键步骤，一般是将已选择好的两种双水相系统的溶质分别配成一定浓度的水溶液，然后按照不同比例混合，静止一定时间后，两种溶质浓度
43、超过某一范围，就会形成两相。663.萃取分离萃取分离主要由主要由三部分三部分构成：构成：n1）目的产物的萃取）目的产物的萃取n2）PEG循环循环n3）无机盐的循环）无机盐的循环n双水相体系在工业上主要用于从发酵液、细胞培养液中分离细胞碎片，提取酶或蛋白质。图是用PEG/无机盐体系通过2步萃取从产氨短杆菌中回收延胡索酸酶的流程。连续错流萃取回收酶的流程图1）目的产物的萃取）目的产物的萃取实例168细胞内蛋白质三步双水相萃取流程示意图细胞内蛋白质三步双水相萃取流程示意图实例2：三步双水相萃取流程三步双水相萃取流程1）目的产物的萃取）目的产物的萃取n细胞悬浮液经珠磨机破碎细胞后，与PEG和无机盐在萃
44、取器中混合，然后进入离心机分相。通过选择合适的双水相组成，一般使目标蛋白质分配到上相(PEG相)，而细胞碎片、核酸、多糖和杂蛋白等分配到下相(富盐相)。主要原因有：n(1)核酸和多糖由于其亲水性，易分配到富盐相，目标蛋白质只有分配到富PEG相才能达到分离目的。n(2)下相的高盐浓度易造成蛋白质失活或沉淀，而PEG对蛋白质有保护作用。n(3)细胞碎片分配在下相有利于连续式离心机分离，如在上相易堵塞离心机出口。n第1步萃取后的上相中还含有较多杂蛋白及一些核酸、多糖和色素(色素因其疏水性分配在上相)等，可通过加入适量的盐，再次形成PEG/无机盐体系来进行纯化。目标蛋白质仍留在PEG相中。n在第3步萃
45、取中则将蛋白质转入富盐相，从而将蛋白质与PEG分离开。但从经济角度考虑，一般用2步萃取，即在第2步将目标蛋白质转入富盐相。2）PEG的循环的循环在大规模双水相萃取过程中，成相材料的回收和循环使用，不仅可以减少废水处理的费用，还可以节约化学试剂，降低成本。72PEG回收有两种方法：加入盐，使目标蛋白转入盐相将PEG通过离子交换树脂，用洗脱剂先洗去PEG，再洗出蛋白质离子交换树脂离子交换树脂是带有官能团（有交换离子的活性基团）、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。现在常用的方法是将第1步萃取的PEG 相或除去部分蛋白质的PEG相循环利用733）无机盐的循环）无机盐的循环无机盐回收有三种方法：将无机
46、盐相冷却结晶，离心收集电渗析法膜分离法74n不同聚合物，水相系统显示不同的疏水性，水溶不同聚合物，水相系统显示不同的疏水性，水溶液中聚合物的疏水性依下列次序递增：葡萄糖硫液中聚合物的疏水性依下列次序递增：葡萄糖硫酸盐甲基葡萄糖葡萄糖羟丙基葡聚糖甲酸盐甲基葡萄糖葡萄糖羟丙基葡聚糖甲基纤维素聚乙烯醇聚乙二醇聚丙三醇，这基纤维素聚乙烯醇聚乙二醇聚丙三醇，这种疏水性的差别对目的产物与相的相互作用是重种疏水性的差别对目的产物与相的相互作用是重要的。要的。n同一聚合物的疏水性随分子量增加而增加。同一聚合物的疏水性随分子量增加而增加。四、影响双水相萃取的因素四、影响双水相萃取的因素1.聚合物的平均分子质量和
47、浓度聚合物的平均分子质量和浓度75n在pH为等电点的双水相中，蛋白质主要根据表面疏水性的差异产生各自的分配平衡。同时，疏水性一定的蛋白质的分配系数受双水相系统疏水性的影响。因此，有必要确定双水相系统的疏水性尺度，以便在萃取操作时调整和设计蛋白质的分配系数。76npH会影响蛋白质中可离解基团的离解度，因而改会影响蛋白质中可离解基团的离解度，因而改变蛋白质所带电荷和分配系数；另外，变蛋白质所带电荷和分配系数；另外，pH还影响还影响系统缓冲物质磷酸盐的离解程度，从而影响分配系统缓冲物质磷酸盐的离解程度，从而影响分配系数。系数。npH微小的变化有时会使蛋白质的微小的变化有时会使蛋白质的K改变改变23个
48、数个数量级。量级。n体系体系pH与蛋白质等电点相差越大，蛋白质在两相与蛋白质等电点相差越大，蛋白质在两相中分配越不均匀。中分配越不均匀。2.pH的影响的影响77n在双水相体系中，无机盐离子在两相中也有不在双水相体系中，无机盐离子在两相中也有不同的分配，因此在两相间形成电位差。由于各同的分配，因此在两相间形成电位差。由于各相要保持电中性，这对带电生物大分子，如蛋相要保持电中性，这对带电生物大分子，如蛋白质和核酸等的分配，产生很大的影响。白质和核酸等的分配，产生很大的影响。一些无机离子的分配系数正离子正离子 分配系数分配系数K 负离子负离子 分配系数分配系数KK 0.824 I 1.42Na 0.
49、889 Br 1.21NH4 0.92 Cl 1.12Li 0.996 F 0.9123.成相盐的种类和浓度成相盐的种类和浓度78n例如，PEG/KPi系统中上、下相(或称轻重相)的PEG和磷酸钾浓度以及Cl离子在上、下相中的分配平衡随添加NaCl浓度的增大而改变。这种相组成即相性质的改变直接影响蛋白质的分配系数。n离子强度对不同蛋白质的影响程度不同，利用这一特点，通过调节双水相系统中的盐浓度，可有效地萃取分离不同的蛋白质。79n温度影响双水相系统的相图，因而影响蛋白质的温度影响双水相系统的相图，因而影响蛋白质的分配系数。分配系数。4.温度的影响温度的影响双节线两相区系线临界点双水相系统相图双
50、水相系统相图系线的长度是衡量两相间相对差别的尺度，系线越长，两相间的性质差别越大，反之则越小。当系线长度趋向于零时，即在图b的双节线上K点，两相差别消失，任何溶质在两相中的分配系数均为1，因此K点称为临界点临界点(critical point)。80n但一般来说，当双水相系统离临界点足够远时，但一般来说，当双水相系统离临界点足够远时，温度的影响很小，温度的影响很小，1-2度的温度改变不影响目标度的温度改变不影响目标产物的萃取分离；产物的萃取分离；n当在双水相系统临界点附近时，系统温度较小的当在双水相系统临界点附近时，系统温度较小的变化，都可以影响临界点附近相的组成，进而影变化，都可以影响临界点
