生物分離與純化技術86課件

生物分離與純化技術1、萃取概述2、溶劑萃取3、超臨界流體萃取4、其他萃取技術（雙水相萃取、反膠團萃取）5、黃連素提取（固液萃取）主要內容目錄1、萃取概述2、溶劑萃取的原理4、溶劑萃取的影響因素5、溶劑萃取設備3、溶劑萃取的工藝流程1萃取概述萃取概述1、萃取概念2、萃取的分類3、萃取的應用范圍主要內容一萃取的概念（一）萃取舉例：熬中藥萃取的概念萃取舉例：四氯化碳萃取單質碘（一）萃取的概念萃取舉例：水煮番茄汁（一）萃余液萃取劑（油）萃取液（油+色素）料液溶質（色素）萃取的概念（一）萃取舉例：泡藥酒萃取的概念（一）萃取舉例：泡茶萃取：將選定的某種溶劑（液體或者超臨界流體）加入到含有目標產物的混合物中，根據混合物中不同組分在該溶劑中的溶解度不同，將所需要的組分分離出來，這個操作過程稱為萃取。該溶劑稱為萃取劑，要求萃取劑與原混合物的溶劑互不相溶。萃取的概念(一)概念：萃取的概念(一)概念：萃取劑：萃取相（液）Lightphase萃余相（液）Heacyphase溶質、料液在溶劑萃取中，被提取的溶液欲提取的物質用以進行萃取的溶劑經接觸分離后，大部分溶質轉移到萃取劑中，得到的溶液被萃出溶質后的料液萃取的分類(二)1、根據參與溶質分配的兩相不同液-固萃取：以液體為萃取劑，目標產物的混合物為固態。液-液萃取：以液體為萃取劑，目標產物的混合物為液態。萃取的分類(二)液-液萃取用溶劑從溶液中抽提物質叫液-液萃取，也稱溶劑萃取。經典的液-液萃取指的是有機溶劑萃取有機溶劑萃取法廣泛應用于抗生素、有機酸、維生素、激素等發酵產物工業規模的提取上。應用比化學沉淀法分離程度高；比離子交換法選擇性好、傳質快；比蒸餾法能耗低；生產能力大、周期短、便于連續操作、易實現自動化控制優點萃取的分類(二)液-液萃取溶劑萃取法和其他新型分離技術相結合，產生了一系列新型分離技術：超臨界流體萃取（Supercriticalfluidextraction）反膠團萃取（Reversedmicelleextraction）雙水相萃取技術（Partitionoftwoaqueousphasesystem）等。用于高品質的天然物質、胞內物質（胞內酶、蛋白質、多肽、核酸等）的分離提取上。萃取的分類(二)液-固萃取概念：用某種溶劑把有用物質從固體原料中提取到溶液中的過程稱為固-液萃取，也稱浸取或浸出。應用：用溫水從甜菜中提取糖用有機溶劑從大豆、花生等油料作物中提取食用油用水或有機溶劑從植物中提取藥物、香料或色素等萃取的分類(二)2、根據組分數目分為1）多組元體系：原料液中有兩個以上組分或溶劑為互不相容的兩相2）三元體系：原料液中有兩個組分，溶劑為單溶劑萃取的分類(二)3、根據萃取原理分為1）物理萃取溶質根據相似相溶的原理在兩相間達到分配平衡，萃取劑與溶質之間不發生化學反應，進行萃取的分離過程。2）化學萃取利用脂溶性萃取劑與溶質之間發生化學反應生成脂溶性復合分子實現溶質向有機相分配的過程。萃取劑與溶質之間的化學反應包括離子交換和絡合反應等。化學萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有機溶劑溶解萃取劑，改善萃取相的物理性質，此時的有機溶劑稱為稀釋劑diluent

。萃取的分類(二)3、根據萃取原理分為簡單分子萃取（物理萃取）中性溶劑絡合萃取酸性陽離子交換萃取離子絡合萃取化學萃取萃取的分類(二)（1）簡單分子萃取（物理萃取）指的是一種簡單的物理分配過程，被萃取的組分以一種簡單分子的形式在兩相間根據溶解度不同進行分配。被萃取組分在兩相中均以中性分子的形式存在，溶劑與被萃取組分之間不發生化學反應。萃取的分類(二)（2）中性溶劑絡合萃取（化學萃取）指的是被萃取物為中性分子，萃取劑也是中性分子，萃取劑與被萃取物結合成為中性溶劑絡合物而進入有機相，在這種中性分子中含有大的疏水性的有機基團，因而能被有機溶劑所萃取，主要采用中性磷化合物萃取劑和含氧的有機萃取劑。萃取的分類(二)（3）酸性陽離子交換萃取（化學萃取）這類萃取體系的萃取劑為弱酸性或酸性螯合劑。金屬離子在水相中以陽離子或能解離為陽離子的絡離子形式存在，金屬離子與萃取劑反應生成中性螯合物。螯合物：是具有環狀結構的配合物，是通過兩個或多個配位體與同一金屬離子形成螯合環的螯合作用而得到。萃取的分類(二)（4）離子絡合萃取（化學萃取）金屬離子在水相中形成絡合陰離子，萃取劑與氫離子結合成陽離子，然后兩者構成離子締合體系進入有機相金屬陽離子與中性螯合劑結合成螯合陽離子，然后與水相中存在的陰離子構成離子締合體系進入有機相。離子締合物：陽離子和陰離子通常為配離子通過靜電吸引力結合形成的電中性化合物，稱為離子締合物。此締合物具有疏水性而能被有機溶劑萃取。萃取的分類(二)4、萃取劑的種類和形式不同雙水相萃取超臨界萃取反膠團萃取凝膠萃取溶劑萃取是一種初級分離技術，使目標產物從較難分離的復雜體系中轉化為較易分離的簡單體系。一般應用于初步分離階段。5、適用范圍2溶劑萃取的原理導入番茄湯導入溶劑萃取：在液體混合物中加入一個與其不混溶的液體作為溶劑，形成第二相；利用原料液中各組分在兩液相中的溶解度不同而使原料液混合物得以分離的方法稱為溶劑萃取，簡稱萃取或抽提。溶劑萃取的原理二1、溶劑萃取的概念一般應用于初步分離階段溶劑萃取的原理二1、溶劑萃取的概念萃取液（油+色素）料液(色素)

溶質萃取劑（油）萃余液料液:在溶劑萃取中，被提取的溶液；溶質：其中欲提取的物質；萃取劑：用以進行萃取的溶劑；萃取液：經接觸分離后，大部分溶質轉移到萃取劑中，得到的溶液；余液：被萃取出溶質的料液。溶劑萃取的原理二1、溶劑萃取的概念溶劑萃取的原理二2、溶劑萃取的原理通過溶質在兩個液相之間的竟爭性溶解（分配）而實現的。把目標物質從第一個液相中依靠更強大的溶解力抽提到第二個液相中。萃取是一種擴散操作，不同溶質在兩相中分配平衡的差異是實現萃取分離的主要因素。因此分配定律是理解并設計萃取操作的基礎。溶劑萃取的原理二2、溶劑萃取的原理分配定律：一定溫度、壓力下，溶質在互不相溶的兩相中達到溶解平衡，溶質在兩相中的濃度之比為一常數K，稱為分配系數。表征溶劑對溶質的萃取能力。K越大，萃取能力越強。K＝溶劑在萃取相中的濃度/溶質在萃余相濃度＝X／Y

應用條件：(1)稀溶液；(2)溶質對溶劑之互溶度沒有影響；(3)必須是同一種分子類型，即不發生締合或離解。溶劑萃取的原理二2、溶劑萃取的原理分配系數：達到萃取平衡時，被萃物在兩相中的濃度比稱為被萃物的分配比，稱為分配系數。K＝X／Y

X為被萃物A在萃取相（有機相）中的濃度；Y為被萃物A在被萃相（水相）中的濃度。分配比K的值越大，被萃物越容易進入萃取相。K=0，表示待萃物完全不被萃取，K=∞,表示完全被萃取溶劑萃取的原理二2、溶劑萃取的原理分離因數β：若原來的料液中除溶質A以外，還含有溶質B，則由于A、B的分配系數不同，A和B就得到了一定程度的分離。在同一萃取體系中，相同條件下，溶劑對兩種溶質分配系數的比值。β＝KA／KB表征兩種溶質分離能力的大小。β越大，分離效果越好。A、B溶劑萃取的原理二3、溶劑萃取的特點（1）萃取過程具有選擇性；（2）能與其他純化步驟相配合；（3）通過轉移到不同物理或化學特性的第二相中來減少由于降解引起的產品損失（4）可從潛伏的降解過程中分離產物（5）適用于各種不同的規模（6）傳質速度快，生產周期短，便于連續操作3溶劑萃取的工藝流程溶劑萃取的工藝流程三1、實驗室萃取過程溶劑萃取的工藝流程三1、實驗室萃取過程實驗室萃取設備溶劑萃取的工藝流程三1、實驗室萃取過程萃取實驗操作步驟：混合溶劑體積為樣品溶液的30％～35％。激烈振搖幾次共1-2min打開活塞Gas蒸氣逸出（也叫放氣）溶劑萃取的工藝流程三1、實驗室萃取過程萃取實驗操作步驟：靜止分層絮狀物（乳化）有機相水相水相和絮狀物有機相溶劑萃取的工藝流程三1、實驗室萃取過程萃取實驗操作步驟：回收溶劑萃取相萃余相溶劑萃取的工藝流程三1、實驗室萃取過程萃取實驗操作步驟：多次萃取有機相3～5次溶劑萃取的工藝流程三2、萃取的過程混合分離溶劑回收混合器（如攪拌混合器）分離器（如碟片式離心機）溶劑回收裝置（如蒸餾塔）溶劑萃取的工藝流程三3、萃取的工藝流程1.單級萃取流程2.多級萃取流程多級錯流萃取流程多級逆流萃取流程溶劑萃取的工藝流程三3、萃取的工藝流程特點：流程簡單、萃取不完全、效率不高。（1）單級萃取：只包括一個混合器和一個分離器產物溶劑萃取的工藝流程三3、萃取的工藝流程料液萃取液S萃取液萃取液萃取液余液（2）多級錯流萃取：萃取液與料液錯流流動。特點：萃取完全，溶劑耗量大，產物濃度低，溶劑回收耗能大。混合器混合器混合器分離器分離器分離器溶劑萃取的工藝流程三3、萃取的工藝流程（3）多級逆流萃取：萃取液與料液逆流流動。特點：萃取劑消耗少，產物濃度、收率高，工業用。溶劑萃取的工藝流程三一般工業液液萃取過程4溶劑萃取的影響因素（1）選擇原則有機溶劑與水不互溶、與水有較大的密度差，且黏度小，表面張力適中，有利于相的分散和兩相分離良好的選擇性有很大的萃取容量容易回收和利用；價廉易得，毒性低，腐蝕性小，不與目標產物反應。溶劑萃取的影響因素四1、有機溶劑的選擇（2）有機溶劑的選擇依據根據“相似相溶”的原理，選擇與目標物極性相近的有機溶劑為萃取劑，可以得到較大的分配系數（根據介電常數判斷極性）溶劑萃取的影響因素四1、有機溶劑的選擇生物工業上常用的溶劑有酯類、醇類和酮類等。溶劑萃取的影響因素四1、有機溶劑的選擇溶劑萃取的影響因素四水甲醇、乙醇丙酮極性大極性小不溶于水正丁醇乙酸乙酯乙醚氯仿二氯甲烷苯四氯化碳石油醚1、有機溶劑的選擇（3）萃取劑的結構特點萃取劑中至少要有一個能與被萃物形成萃合物的官能團。常見的萃取官能團通常是一些包含N、O、P、S的基團。萃取劑中還應包含具有較強親油能力結構或基團，如長鏈烴、芳烴等，以利于萃取劑及萃合物易溶于有機溶劑，難溶于水相。溶劑萃取的影響因素四1、有機溶劑的選擇（4）常用萃取劑常規溶劑：醋酸丁酯、乙酸乙酯、氯仿、甲苯等。中性萃取劑：包括含磷類、含氧類和含硫類重型萃取劑，如磷酸三丁酯（TBP）、甲基異丁基酮（MIBK）、二辛基亞砜（DMSO）等。有機酸萃取劑：包括有機磷酸、有機磺酸、羧酸等。胺類萃取劑：各種有機胺和銨鹽螯合萃取劑：各種有機螯合物、冠醚等。溶劑萃取的影響因素四1、有機溶劑的選擇想一想葉綠素為極性較小的化合物，萃取葉綠素用哪種溶劑？A、乙醇B、乙酸乙酯C、石油醚D、正丁醇√溶劑萃取的影響因素四（1）pH值影響分配系數，因而影響萃取收率，弱酸性電解質的分配系數隨pH降低而增大，弱堿性電解質則相反。如弱堿性抗生素紅霉素，pH值9.8時,與乙酸戊酯與水相中的分配系數為44.7,而在5.5時分配系數為14.4。（2）對選擇性有影響。酸性物質一般在酸性條件下萃取到有機溶劑相，而堿性雜質則成鹽留在水相。堿性物質在堿性條件萃取到有機溶劑中。溶劑萃取的影響因素四2、pH例：紅霉素萃取 紅霉素是堿性電解質，在乙酸戊酯和pH9.8的水相之間分配系數為44.7，而水相pH降至5.5時,分配系數降至14.4。例：紅霉素反萃取 反萃取操作同樣可通過調節pH值實現。如，紅霉素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃取則用pH5.0的水溶液。溶劑萃取的影響因素三1、pH紅霉素(lightphase)

紅霉素+H+=紅霉素+(water)溶劑萃取應用青霉素(lightphase)

青霉素=青霉素-+H+(water)1）青霉素萃取 青霉素是有機酸,pH值對其分配系數有很大影響。很明顯,在較低pH下有利于青霉素在有機相中的分配,當pH大于6.0時,青霉素完全分配于水相中。從圖中可知,選擇適當的pH,不僅有利于提高青霉素的收率,還可根據共存雜質的性質和分配系數,提高青霉素的萃取選擇性。2) 青霉素反萃取◆1）T↑，分子擴散速度↑，故萃取速度↑

◆

2）T影響分配系數例：pen―T↑水中的溶解度↑

∴萃取時T↓使K↑；反萃時T↑使K反↑

紅霉素、螺旋霉素―T↑水中的溶解度↓

∴萃取時T↓使K↑；反萃時T↑使K反↑◆3）T影響兩溶劑的互溶度影響

一般生化物質的萃取在室溫或較低溫度下進行溶劑萃取的影響因素四3、溫度無機鹽——氯化鈉、硫酸銨，作用：1）生化物質在水中溶解度↓；2）兩相比重差↑兩相互溶度↓例：PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯纖維）從水相→丁酯中，加氯化鈉洗滌，消除有機相水滴，提高質量和收率；

spm的丁酯萃取液+飽和鹽水洗滌，減少spm在水中溶解度；消除有機相水滴；分相容易。溶劑萃取的影響因素四4、鹽的影響為提高分配系數K，常添加帶溶劑。帶溶劑是指能和產物形成復合物，促使產物更易溶于有機溶劑相中，在一定條件下又要容易分解的物質。青霉素作為一種酸，可用脂肪堿作為帶溶劑。青霉素能和正十二烷胺、四丁胺等形成復合物而溶于氯仿中。這樣萃取收率能夠提高，且可以在較有利的pH范圍內操作。這種正負離子結合成對的萃取，也稱為離子對萃取。檸檬酸在酸性條件下，可與磷氧鍵類萃取劑如磷酸三丁酯(TBP)形成中性絡合物而進入有機相，這種形成絡合物的萃取稱為反應萃取。溶劑萃取的影響因素四5、溶媒劑(帶溶劑)概念：萃取操作中容易產生乳化現象。是一種液體以微小液滴的形式均勻分散在另一種不相混溶的液體中的現象。發生乳化現象的混合液稱為乳狀液。溶劑萃取的影響因素四6、乳化和破乳化1、物理法：加熱使蛋白質膠粒絮凝速度加快，降低黏度，分子運動加劇，碰撞機會增多，沉降速率加快，從而使乳化消除。稀釋使乳化劑濃度降低，從而削弱乳化作用。溶劑萃取的影響因素四6、乳化和破乳化——破乳化方法吸附過濾：將乳狀液通過一層多孔性介質（碳酸鈣或無水碳酸鈉）進行過濾，由于乳狀液中的有機溶劑和水相對此介質的潤濕性不同，其中水分被吸附而去乳化。2、化學法：加入電解質（比如說NaCl,NH4SO4），中和乳狀液分散相所帶的電荷，促使乳狀液聚沉，同時也增加了兩相的密度差，便于兩相分離，以實現消除乳化。溶劑萃取的影響因素四6、乳化和破乳化3、頂替法：也可以稱為加入去乳化劑的方法。這是目前常用的破乳化方法。去乳化劑既破乳劑。常用的為SDS(十二烷基磺酸鈉)，以及十二烷基三甲基溴化銨（現在常用于青霉素的提取）。溶劑萃取的影響因素四溫度pH值溶媒比鹽分溫度↑互溶性增大；溫度↓產物穩定性提高，粘度增加，擴散性能減小。影響分配系數，影響物質解離情況溶媒比＝溶媒體積/萃取體積溶媒比↑萃取效果↑溶媒回收費用↑無機鹽類如硫酸銨、氯化鈉等一般可降低產物在水中的溶解度而使其更易于轉入有機溶劑相中，另一方面還能減小有機溶劑在水相中的溶解度。鹽分↑分配系數↑5溶劑萃取設備溶劑萃取設備五1、實驗設備分液漏斗（一）混合設備攪拌罐、管式混合器、噴嘴式混合器、氣流攪拌混合罐（二）分離設備碟片式離心機、筒式離心機、傾析式離心機（三）回收設備——蒸餾設備（四）兼有混合與分離功能的設備轉筒式離心萃取器蘆威式離心萃取器薄膜萃取器溶劑萃取設備五2、工業用設備溶劑萃取設備五2、工業用設備1、傳統的混合設備是攪拌罐不足：間歇操作停留時間長傳質效率低溶劑萃取設備五2、工業用設備2、管式混合器在管道中混合，能夠連續加工，效率高于混合罐溶劑萃取設備五2、工業用設備3、氣流攪拌混合罐將空氣通入液體介質，借鼓泡作用發生攪拌。適用于化學腐蝕性液體；不適用于揮發性強的液體。溶劑萃取設備五2、工業用設備4、噴嘴式混合器利用工作流體在一定壓力下經過噴嘴以高速度射出，當流體流至噴嘴時速度增大，壓力降低產