1、食品工程原理食品工程原理张张 秋秋 亮亮食品大分子结构与功能特性研究室食品大分子结构与功能特性研究室Tel:18971634687Email:第十一章第十一章 萃取萃取 第一节第一节 液液液萃取液萃取第二节第二节 浸取浸取第三节第三节 超临界流体萃取超临界流体萃取学习目的与要求学习目的与要求 掌握液掌握液-液萃取基本原理和过程，掌液萃取基本原理和过程，掌握浸取基本原理、流程，了解其简握浸取基本原理、流程，了解其简单设备，了解超临界流体萃取基本单设备，了解超临界流体萃取基本原理和应用。原理和应用。n萃取萃取(extraction)：利用溶质在互不相：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使
2、溶质溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的单元操作。得到纯化或浓缩的单元操作。液液液萃取液萃取 液液固萃取固萃取 超临界流体萃取超临界流体萃取 第一节第一节 液液-液萃取液萃取 液液液萃取：用液体溶剂萃取与之液萃取：用液体溶剂萃取与之不互溶的液体中的组分不互溶的液体中的组分 萃取相平衡萃取相平衡萃取平衡萃取平衡：在一定的萃取体系及操作条件：在一定的萃取体系及操作条件下，溶质在两相间所具有的平衡分配关系。下，溶质在两相间所具有的平衡分配关系。液液液萃取至少涉及三个组分，通常用等液萃取至少涉及三个组分，通常用等腰直角三角形或等边三角形表示三组分相腰直角三角形或等边三角形表示三组分相图。
3、图。液液-液萃取的基本原理液萃取的基本原理ABC等边三角形相图X XB BX XC CX XA AM0.20.40.60.80.20.40.60.80.20.40.60.8三角形的三个顶点分别三角形的三个顶点分别表示表示A A、B B、C C三纯组分。三纯组分。A-BA-B、A-CA-C、B-CB-C表示两组表示两组份的混合物（质量分数份的混合物（质量分数或摩尔分数表示）。或摩尔分数表示）。混合物的物系点距哪个混合物的物系点距哪个顶点近表明该组分所占顶点近表明该组分所占的比例大。的比例大。三组分相图三组分相图等腰直角三角形X XB B=1-X=1-XA A-X-XC C三组分相图也可以用直角三
4、三组分相图也可以用直角三角形相图来表示角形相图来表示其坐标图的性质与等边三角其坐标图的性质与等边三角形相图相同形相图相同三角相图常用的性质：三角相图常用的性质：平行线上各点所对应的组分浓平行线上各点所对应的组分浓度相同度相同 某点引出的直线上另两组份的某点引出的直线上另两组份的含量比一定含量比一定一对组分部分互溶的三相图一对组分部分互溶的三相图溶质溶质A A完全溶于完全溶于B B及及C C，但但B B与与C C部分互溶部分互溶单相区单相区单相区单相区:曲线曲线R0R1PE1E0之外之外两相区两相区:曲线曲线R0R1PE1E0之内之内物系点物系点M M，平衡时两，平衡时两相为相为R R1 1、E
5、 E1 1共混相共混相两个概念：两个概念：联结线、褶点联结线、褶点iiiiiiEM RRE M杠杆规则杠杆规则(lever rule)单级平衡萃取单级平衡萃取萃取相萃余相原料液L0 x0混合槽沉降分层萃取剂V0混合物MV1 y1L1 x1单级平衡萃取流程单级平衡萃取流程 单级平衡萃取计算单级平衡萃取计算由物料衡算可知：00LVM000000MMLV MxyVMLxx根据杠杆规则有：确定M点位置，则共轭点Ri，Ei在通过M的联结线上，由物料衡算可知：11LVM111111MMLV MxyVMLxx溶质溶质概念识记概念识记 在一定温度下，当萃取体系达到平衡时，被萃取组分在一定温度下，当萃取体系达到
6、平衡时，被萃取组分A在萃取相的质量分数在萃取相的质量分数yA和在萃余相中的质量分数和在萃余相中的质量分数xA之比，称为组分之比，称为组分A的的分配比分配比(distribution ratio)，又称，又称为分配系数，用为分配系数，用KA表示表示；分配比分配比AAAx/yK一定条件下同一萃取体系内两组分分配系数的比值，称一定条件下同一萃取体系内两组分分配系数的比值，称为为分离因素分离因素(separation factor)，又称选择性系数，常用，又称选择性系数，常用表示：表示：分离因素分离因素ABBABAxyxyKK越大，越大，A和和B间的分离效果越好间的分离效果越好 萃取率萃取率萃取的完全
7、程度可用萃取的完全程度可用E来表示，它是被萃取物质在萃取来表示，它是被萃取物质在萃取相的量与原料液中的总量比，其计算公式：相的量与原料液中的总量比，其计算公式：1100VL xyE 非连续接触萃取非连续接触萃取连续接触萃取连续接触萃取逐级萃取过程逐级萃取过程微分逆流萃取萃取微分逆流萃取萃取液液-液萃取过程液萃取过程液液-液萃取过程一般主要分为两类：液萃取过程一般主要分为两类：逐级萃取逐级萃取若干单级萃取设备以一定的方式连接起来，若干单级萃取设备以一定的方式连接起来，构成多级萃取流程，构成多级萃取流程，主要有两种形式：主要有两种形式：多级错流萃取多级错流萃取 多级逆流萃取多级逆流萃取 123F,
8、xFS1RnNENS2S3SnSRR1,x1R2,x2R3,x3Rn,xnE1,y1E2,y2E,y3En,yn多级错流萃取多级错流萃取 优缺点优缺点：萃取率高，但溶剂消耗量萃取率高，但溶剂消耗量大、回收费用高。大、回收费用高。11SYBXSYBXSF)(11SFYXSBXSBY根据第根据第1 1级溶质级溶质A A的物料衡算：的物料衡算：可得第可得第1 1级萃取的操作线方程：级萃取的操作线方程：式中，B原料液中组分B的质量，kg；S萃取剂中组分C的质量，kg；XF，YS原料液和萃取剂中溶质A的质量比；X1，Y1第1级萃余相和萃取相中溶质A的质量比。多级错流萃取物料衡算多级错流萃取物料衡算多级逆
9、流萃取多级逆流萃取 优缺点优缺点：溶剂消耗量小、萃取液浓溶剂消耗量小、萃取液浓度高、但萃取率较低。度高、但萃取率较低。多级逆流萃取物料衡算多级逆流萃取物料衡算在第在第1 1级和第级和第i i级之间作溶质级之间作溶质A A的物料衡算得的物料衡算得：11SYBXSYBXiiF为多级逆流萃取的操作线方程式：为多级逆流萃取的操作线方程式：)(11FiiXSBYXSBY式中，式中，Yi+1进入第进入第i级萃取相中溶质级萃取相中溶质A的质量比，的质量比，kgA/kgS；Xi离开第离开第i级萃余相中溶质级萃余相中溶质A的质量比，的质量比，kgA/kgB；Y1最终萃取相中溶质最终萃取相中溶质A的质量比，的质量
10、比，kgA/kgS；S纯萃取剂的量，纯萃取剂的量，kg；B原料液中原溶剂的量，原料液中原溶剂的量，kg；XF原料液中溶质原料液中溶质A的质量比，的质量比，kgA/kgB。萃取剂S原料液F萃取相E萃余相R 逐级萃取设备逐级萃取设备混合混合澄清槽澄清槽 优点优点：结构简单，操作方便，稳定可靠，传：结构简单，操作方便，稳定可靠，传质效率高（一般高于质效率高（一般高于80%80%）；）；缺点缺点：设备占地面积大，能量消耗较大，设备费：设备占地面积大，能量消耗较大，设备费和操作费都较高。和操作费都较高。筛板萃取塔筛板萃取塔 特点特点：结构简单，价格低：结构简单，价格低廉，占地面积较小，混合廉，占地面积较
11、小，混合的湍动程度低，级效率较的湍动程度低，级效率较低。低。筛板萃取塔的结构与筛板筛板萃取塔的结构与筛板蒸馏塔相似蒸馏塔相似 4.筛孔板 5.降液管 微分逆流萃取过程微分逆流萃取过程另一类塔式或柱式萃取设备也有广泛的应用另一类塔式或柱式萃取设备也有广泛的应用轻相和重相分别由塔底和塔顶加入，在密轻相和重相分别由塔底和塔顶加入，在密度差的作用下两者呈逆流流动，连续接触度差的作用下两者呈逆流流动，连续接触进行质量传递。进行质量传递。由于两相的浓度在操作过程中沿塔高成微由于两相的浓度在操作过程中沿塔高成微分变化，故称为分变化，故称为微分逆流萃取微分逆流萃取微分传质单元微分传质单元 AvBdXCdXN
12、a AdH假设原溶剂假设原溶剂B和萃取剂和萃取剂S完全不完全不互溶，萃余相的溶剂流量互溶，萃余相的溶剂流量B和萃和萃取相的溶剂流量取相的溶剂流量S皆为常量。两皆为常量。两相浓度分别用摩尔比相浓度分别用摩尔比X和和Y表示。表示。对微分塔段对微分塔段dH，有，有:式中，式中，NA溶质溶质A的萃取传质通量，的萃取传质通量，mol/（2 s）;av单位体积有效传质界面面积，单位体积有效传质界面面积，2/3；A塔的横截面积，塔的横截面积，m2。*)(XXKNRA下面仅依萃余相浓度变化加以讨下面仅依萃余相浓度变化加以讨论。由稳态相间传质方程：论。由稳态相间传质方程：及上两式，可得：及上两式，可得：*XXd
13、XAaKBdHvR 式中，式中，KR以萃余相浓度为基准的总传质系以萃余相浓度为基准的总传质系 数，数，mol/(2 s)；X X*与萃取相浓度与萃取相浓度Y Y平衡的萃余相浓度。平衡的萃余相浓度。对上式积分，得：对上式积分，得：21*0XXvRHXXdXAaKBdHH式中，式中，H H萃取塔的有效塔高，萃取塔的有效塔高，m m。传质单元高度为：传质单元高度为：AaKBHvROR传质单元数为：传质单元数为：21*XXORXXdXN填料萃取塔填料萃取塔 填料萃取塔的结构与吸收和填料萃取塔的结构与吸收和蒸馏使用的填料塔基本相同。蒸馏使用的填料塔基本相同。特点特点：结构简单，操作方便，结构简单，操作方
14、便，适合处理腐蚀性物料。适合处理腐蚀性物料。POD离心萃取器离心萃取器 了解一下了解一下大豆大豆第二节第二节 浸取浸取浸取属于液浸取属于液固萃取，又称为提取、浸提。固萃取，又称为提取、浸提。传统的加工方法传统的加工方法广泛的应用广泛的应用重要的操作单元重要的操作单元花生花生油菜籽油菜籽浸取的基本原理浸取的基本原理 浸取平衡浸取平衡平衡级平衡级：假定物料：假定物料F中的不溶性多孔惰性固体中的不溶性多孔惰性固体B中含有不中含有不被被B吸附的溶质吸附的溶质A，溶质，溶质A的量低于其在浸取溶剂的量低于其在浸取溶剂S的饱和的饱和溶解度。物料与溶剂经过足够长的时间接触后，溶质溶解度。物料与溶剂经过足够长的
15、时间接触后，溶质A溶溶解，且经扩散使固体空隙中液体浓度等于周围液体的浓解，且经扩散使固体空隙中液体浓度等于周围液体的浓度。此时，固体空隙内液体和周围液体的溶质度。此时，固体空隙内液体和周围液体的溶质A浓度都不浓度都不再随接触时间的延长而变化，这种接触级称为再随接触时间的延长而变化，这种接触级称为平衡级平衡级，或称或称理想级理想级。原料F0溶剂S底流W溢流E10FBF浸取操作一般在浸取器中进行。右浸取操作一般在浸取器中进行。右图为一单级浸取器。送入的原料液图为一单级浸取器。送入的原料液F0包含惰性固体包含惰性固体B和可溶部分和可溶部分F（溶质（溶质A及其它）及其它）。溢流溢流(overflow)
16、：原料：原料F F与浸取溶剂与浸取溶剂S接触达接触达一定时间后，由顶部排出的澄清液一定时间后，由顶部排出的澄清液E1。底流底流(underflow)：由底部排出的夹带液：由底部排出的夹带液体的固体糊状物体的固体糊状物W。惰性固体惰性固体B在混合物中的含量用惰性固体在混合物中的含量用惰性固体B对溶对溶液的质量比液的质量比N表示表示：SABmmmNmB：惰性固体：惰性固体B（kg）mA：溶质：溶质A（kg）mS：溶剂：溶剂S（kg）溶质溶质A、惰性固体、惰性固体B和溶剂和溶剂S溢流的溶质浓度溢流的溶质浓度y y为：为：SAAmmmy底流液中溶质浓度底流液中溶质浓度x为：为：SAAmmmx不包括不包
17、括B的量的量 底流Nx溢流NyN01x,y联结线浸取平衡相图 典型的典型的Ponchon-Savarit 浸取平衡相图浸取平衡相图溢流线与溢流线与X轴重合轴重合物料衡算物料衡算上图是一个单级浸取过程上图是一个单级浸取过程11BFSBRE总物料衡算：总物料衡算：11FSRE1 111FSMFxSyR xE yMx溶质溶质A A衡算：衡算：M总液流量总液流量（A+S）()FSMMFxSyMxFS x由上式可知：由上式可知：MSFMxyFSxx可得到：可得到：杠杆规则杠杆规则溶质溶质A AMSFMxyFSxxF0MS与与R1ME1两直线交点两直线交点M根据进料和溶剂的数据，求解E1和R1 浸取机理浸
18、取机理包含多种物理化学过程，机理非常复杂包含多种物理化学过程，机理非常复杂五个步骤：五个步骤：溶剂溶剂固表固表 快快溶剂溶剂固孔固孔 稍慢稍慢溶质溶质溶剂溶剂 溶解溶解溶质溶质固表固表 非稳过程非稳过程溶质溶质溶剂溶剂 稍快一些稍快一些浸取流程和设备浸取流程和设备浸取流程与液液萃取过程相似，也分为两类：浸取流程与液液萃取过程相似，也分为两类：级式流程级式流程连续流程连续流程单级浸取单级浸取多级浸取多级浸取错流错流逆流逆流微分逆流浸取微分逆流浸取123F0,xFnR1,x1R2,x2R3,x3Rn,xnE1,y1E2,y2E3,y3En,ynS1S2S3Sn多级错流浸取多级错流浸取 浸取效果好，
19、但溶剂需求量大，回收成本高。浸取效果好，但溶剂需求量大，回收成本高。浸取流程浸取流程多级逆流浸取流程多级逆流浸取流程 多级逆流浸取流程使用溶剂较少，浸取多级逆流浸取流程使用溶剂较少，浸取液所含溶质浓度液所含溶质浓度较高较高。微分逆流浸取流程微分逆流浸取流程 连续接触过程连续接触过程国体物料国体物料和溶和溶剂逆向流动剂逆向流动重力或输重力或输送设备送设备浸取设备浸取设备溶 剂 分 配 器固 体 物 料假 底固 体 物 料 进 口新 鲜 溶 剂固 体 物 料 出 口废 水冷 凝 器加 热 器浸 取 液单级浸取罐单级浸取罐 U型管式浸取器型管式浸取器 三级逆流固定床浸出系统三级逆流固定床浸出系统 溶
20、剂原料浸取液残渣开门平转式浸取器平转式浸取器 第三节第三节 超临界流体萃取超临界流体萃取 超临界流体萃取超临界流体萃取(supercritical fluid Extration，简称简称SCFE)是利用超临界状态的流体具有强的是利用超临界状态的流体具有强的溶解能力而对物质进行提取分离的技术。溶解能力而对物质进行提取分离的技术。有着广泛的应用有着广泛的应用化工化工、石油、食品、医药和香料等领域石油、食品、医药和香料等领域超临界流体超临界流体 超临界流体超临界流体(supercritical fluid，简称简称SCF)：处于：处于临界温度临界温度TC和临界压力和临界压力pC以上的一种非凝缩性的
21、以上的一种非凝缩性的高密度流体。高密度流体。超临界流体萃取原理超临界流体萃取原理流体处于超临界状态时，其密度随流体压力和流体处于超临界状态时，其密度随流体压力和温度的改变发生十分明显的变化，而溶质在超温度的改变发生十分明显的变化，而溶质在超临界流体中的溶解度随超临界流体密度的增大临界流体中的溶解度随超临界流体密度的增大而增大。可以在较高压力下，使溶质溶解于而增大。可以在较高压力下，使溶质溶解于SCFSCF中，然后，使中，然后，使SCFSCF的压力降低或者温度升高，这的压力降低或者温度升高，这时，溶解于时，溶解于SCFSCF中的溶质就会因中的溶质就会因SCFSCF的密度下降，的密度下降，溶解度降
22、低而析出，这样只需调节流体的压力溶解度降低而析出，这样只需调节流体的压力或温度就实现了物质的提取和分离。或温度就实现了物质的提取和分离。流体的临界点流体的临界点 先看一下纯流体先看一下纯流体的三相图！的三相图！流体的临界点流体的临界点 常用流体的临界参量流体流体临界温度临界温度TC（）临界压力临界压力pC（MPa）临界密度临界密度C（kg/m3）CO231.17.37468NH3132.411.28235C2H632.24.88203C2H49.25.04217C3H896.64.25217C3H691.84.62232C6H6288.94.89302C6H5CH3318.54.11300H2
23、O374.221.76322COCO2 2超临界相图超临界相图目前在目前在SCFESCFE研究和工业应用中绝大部分采用的研究和工业应用中绝大部分采用的是是COCO2 2。超临界超临界COCO2 2优点优点：临界密度大，易变性临界密度大，易变性临界温度低，临界温度低，TC=31.1临界压力不高，临界压力不高，pC=7.37MPa无毒无毒成本低成本低超临界流体萃取的基本流程超临界流体萃取的基本流程 超临界流体萃取流程基本上由萃取阶段超临界流体萃取流程基本上由萃取阶段和分离阶段构成。和分离阶段构成。主要过程包括：主要过程包括：原料预处理原料预处理萃取萃取分离分离二氧化碳增压和循环。二氧化碳增压和循环
24、。(1)(1)变压分离萃取流程变压分离萃取流程 (2)(2)变温分离萃取流程变温分离萃取流程 (3)(3)吸附分离萃取流程吸附分离萃取流程SCFESCFE根据采用的分离方法的不同，可以分为根据采用的分离方法的不同，可以分为3 3种典型流程：种典型流程：超临界流体萃取条件的选择超临界流体萃取条件的选择（1 1）确定作为萃取溶剂的流体）确定作为萃取溶剂的流体（2 2）压力和温度。）压力和温度。（3 3）溶剂流量）溶剂流量操作条件的选择操作条件的选择 夹带剂的使用夹带剂的使用 夹带剂又称为提携剂，能明显改夹带剂又称为提携剂，能明显改变变SCFSCF体系的相行为：体系的相行为：增大某些在增大某些在SCFSCF中溶解度很小的物质的溶解度，中溶解度很小的物质的溶解度，提高提高SFESFE的效率，的效率，扩大扩大SFESFE技术的应用范围；技术的应用范围；降低超临界流体的操作压力；降低超临界流体的操作压力；减少超临界流体用量，减少超临界流体用量，降低投资费和操作费用。降低投资费和操作费用。常用夹带剂：甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮常用夹带剂：甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮 超临界流体萃取在食品中的应用超临界流体萃取在食品中的应用See textbook:page 400-403Thanks
