1、第五章 溶剂萃取和浸取,对于“液态发酵”，产物溶于液相中，浓度低，副产物及杂质含量高。溶剂萃取 是生物分离中常用的单元操作,萃取（extraction）指任意两相之间的传质过程。在液液萃取过程中常用有机溶剂作为萃取试剂，因而常常称“液液萃取”为溶剂萃取。原理利用一种溶质组分（通常指产物或杂质）在两个互不混溶的液相（如水相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行分离操作。 浸取用溶剂把溶质从固体原料中提取到溶液中的过程称为浸取，也称之为浸出。浸出物通常是混合物。,几个概念：,三个不同的概念：溶液、溶剂、溶质,萃取液,萃余液,萃取 平衡 后,产品多数进入溶剂相， 少量杂质也进入，产品 相
2、对得到纯化,萃取原理,溶液发酵液,萃取剂溶剂,重液,轻液,萃取 前,杂质,产品,轻液与重液互不相溶,重液,轻液,产物平衡：C1产/C2产 = 定值 = K产,1相 上相,2相 下相,杂质平衡：C1杂/C2杂 = 定值 = K杂,第一节 溶剂萃取,溶剂萃取中，溶质必须在两相中有不同的溶解度，在两相中溶解能力的差别越大，对萃取越有利。因而理解溶液中物质的溶解作用是必须的，也是溶剂萃取的技术开发中溶剂选择的前提。,5.1.1 萃取的理论基础,溶剂：如，油、乙醇等可理解为 载体：船、车,溶质：如，产品、杂质可理解为 货物：如，茶多酚、蛋白,馒头与面包的区别？,物质的溶解是自发进行的，如“糖”自发溶于“
3、水”它遵循“相似相溶”原理 /热力学原理,分子之间可以有两个方面的相似（1） 分子结构相似 如分子的组成、官能团、形态结构的相似（2） 能量相似（相互作用力相似）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。,根本上还是 “能量相似”，因为分子结构相似可以归纳到能量相似中。,“臭味相投”,理解溶解的原理 非常重要！,1、相似相溶原理：从热力学角度考虑，一个过程要能自动进行，则体系的自由能应下降，自由能的变化包括焓变化和熵变化两部分：,简单起见，忽略熵的变化。只考虑能量的变化,萃取中压力和体积基本不变，可以忽略不计,只要考虑能量的变化：G =E,G =E 从能量变
4、化的定性角度可将溶解过程分为三个过程/B溶入A： （1）溶质B各质点的分离 ：此过程需要吸收能量 小 非极性物质 极性物质 氢键物质 离子型物质 大 （2）溶剂A在溶质B的作用下形成可容纳B质点的空位 ：此过程也需要吸收能量 小 非极性物质 极性物质 氢键物质 大 （3）溶质质点B进入溶剂A形成的空位 ：此过程放出能量A、B均为非极性分子 一非极性分子、另一极性分子 小 均为极性分子 B被A溶剂化 大,如果第3步放出的能量大于前2步吸收的能量， 则溶解可自发进行，否则不能自发进行。,从能量角度分析几种溶解过程，说明相似相溶原理/定性：（1）两种惰性溶剂（不能形成氢键的溶剂，如烷烃、苯、四氯化碳
5、等）互溶/吸收能量小，易于被第3步放能补偿 （2）水向油中溶解 ：难以溶解/吸能大、放能小，难补偿。 （3）油向水中溶解 ：不易溶解/1步吸能小，2步吸能大，3步放能小难补偿第2步 （4）水和乙醇的溶解 ：溶解可以进行/吸能大，放能更大。,从分子结构的相似性，进一步说明相似相溶原理：见下表：表5-1 5-2 5-3,显然，溶解度增加或下降的原因是物质的分子结构与水的相似性增加或下降了。,水的结构： H-OH,乙醇的结构： CH3CH2-OH,如果 作 溶剂,2、溶剂的互溶性规律：,氢键：是由一个氢原子和两个电负性原子结合构成，如AHB，这里，“”表示氢键，它是一种带方向性的强作用力。/轴向力形
6、成氢键必须有能够接受电子的部分AH，即电子受体；还须有给出电子的部分B，即电子供体。,按照生成氢键的能力，可将溶剂分成四种类型。 （1）N型溶剂：不能形成氢键，称惰性溶剂/如烃类。 （2）A型溶剂：只有电子受体的溶剂，能与电子供体形成氢键。 （3）B型溶剂：只有电子供体的溶剂 。 （4）AB型溶剂：同时具备电子受体AH和供体B的溶剂，可缔合成多聚分子，因氢键的结合形式不同又可分成三类：,AB（1）型：交链氢键缔合溶剂，如水、多元醇、胺基取代醇、羟基羧酸、多元羧酸、多酚等 AB（2）型：直链氢键缔合溶剂，如醇、胺、羧酸等。 AB（3）型：生成内氢键分子，这类溶剂中的电子受体AH因已形成内氢键而不
7、再起作用。故AB（3）型溶剂的氢键性质与N型或B型相似。,表中所处位置越接近，越易互溶，越远越难互溶,物质溶解尚未定量的“数字化”！,3、溶剂的极性,对于“相似”的另一方面，即分子间相互作用力相似。引入“介电常数”可以方便使用 介电常数 D： 课本上是“”，与“D”意义相同是一个化合物摩尔极化程度的量度，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。,D ,介电常数的测定方法：,重要的定量方法!,如果已知C2物质的介电常数D2， 求知样品C1的介电常数D1，则可得到下式：,C1 、C2可以测定 D2 为已知，则可求得D1,介电常数 相近的物质，则极性相近，互溶性好； 介电常数 差距大
8、的物质，则极性相差大，不容易互溶。,评价溶解的定量方法！,根据萃取目标物质（产物）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。,氨基酸在水中能电离，电离后带电荷，极性很强所以溶于水中：,O R-C-O- + H+,一个良好的溶剂要满足以下几方面的要求: （1）有很大的萃取容量，即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产物 。 （2）有良好的选择性，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质。 （3）与被萃取的液相（通常是水相）互溶度要小，且粘度低、界面张力小或适中，这样有利于相的分散和两相分离 。 （4）溶剂的回收和再生容易 。 （5）化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小 。 （
9、6）经济性好，价廉易得。 （7）安全性好，闪点高，对人体无毒性或毒性低。,溶剂的选择：,四、分配定律和分离因素 概念：料液： 在溶剂萃取过程中，通常将供提取的溶液称为料液，通常是水溶液；溶质： 从料液中提取出来的物质称为溶质；萃取剂：用来萃取产物的溶剂常称为萃取剂；萃取液：溶质转移到萃取剂中与萃取剂形成的溶液称为萃取液；萃余液：被萃取出溶质后的料液称萃余液（萃残液）。,分配系数K分配系数 K = =,应用条件：（1）稀溶液 （否则用活度计算）。（2）溶质对溶剂之互溶度没有影响 。（3）必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。,C 表示物质在某一相中的浓度。分配系数K 反映一种萃取剂性能的优劣
10、。 分配系数K越大，萃取收率越高。,分配系数的选择,pH的影响 很大,双水相,青霉素是一种弱酸，在水中会有一部分离解成负离子，而只有两相中的游离酸分子才符合分配定律。此时，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中的电离平衡。前者用分配系数K0表征，后者用电离常数Kp来表征。 K：表观分配系数K = K0H+/(KpH+) （弱酸） （5.2） K = K0Kp/(KpH+) （弱碱） （5.3）,氨基酸与其类似。,说明： 引入表观分配系数的原因是“测定问题”。,水相中只能测得青COOH与青COO-之和。所以要转换一下。,K0 = 青C
11、OOH上/ 青COOH下 ， 青COOH上= K0 青COOH下 (1),Kp = ( 青COO-下 H+ ) /青COOH下青COO-下 = /Kp青COOH下/H+ (2) K = 青COOH上/( 青COOH下 + 青COO-) (3)将（1）、（2）代入 （3）,K = K0 青COOH下/(青COOH下 + Kp青COOH下/H+ ),K = K0 H+ / Kp + H+),弱酸,作业：推导 5.3,萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因数()来表征： = ( C1A/C1B)/(C2A/C2B) = ( C1A/C2A)/(C1B/C2B) = KA/KB 如果A是产物，B为
12、杂质，分离因数可写为： K产/K杂 越大，A、B的分离效果越好，即产物与杂质越容易分离，产物纯度越高。,分离因数,既追求产品收率，也追求产品纯度,水相的pH、温度、盐析剂以及带溶剂对萃取的影响。 （1）pH值 ：pH直接影响表观分配系数/特别是弱的酸碱。 （2）温度 ：它影响分配系数K，因为温度通过影响溶质的化学位而影响溶质在两相中的分配/能量 （3）盐析 ：无机盐类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，另一方面还能减小有机溶剂在水相中的溶解度/争夺水分子。 （4）带溶剂 ：带溶剂：能与产物形成复合物的物质。使产物更易溶于有机溶剂相中/该复合物憎水性强。该复合物在一定条件下
13、又要容易分解。,5、水相条件对萃取的影响,5.1.2 工业萃取方式和理论收得率,工业上萃取操作通常包括三个步骤：,(1) 混合: 要求形成具有很大比表面积的乳浊液 。(2) 分离: 将乳浊液分离成萃取相和萃余相。 (3) 溶剂回收：萃取相中的产物通常用“反萃取”的方式获得，反萃取后溶剂回收使用。,一般萃取过程很快，如果接触表面足够大，则在15秒1分钟之内就可完成。萃取操作流程可分为单级萃取和多级萃取。多级萃取中又有多级错流萃取和多级逆流萃取之分。,萃取 是典型的快过程 结晶 是典型的慢过程结晶通常需几小时到几十小时。,分液漏斗,F 料液 S 溶剂 R 萃余液 L 萃取液 P 产物,反萃取,液-
14、液萃取过程图1萃取器； 2 溶剂溶质塔； 3 汽提塔；4 冷凝器； 5 分离器； 6 热交换器,萃取理论收得率：萃取操作理论收得率的计算须符合以下两个假定： （1）萃取相和萃余相很快达到平衡，即每一级都是理论级； （2）两相完全不互溶，在分离器中能完全分离。 E CSVS/CFVF = KVS/VF K/m 其中 E ：平衡后, 溶质在萃取相与萃余相中的数量的比值VF 、CF 为料液体积和浓度，VS、CS 为萃取剂体积和浓度，K 为分配系数, m 为浓缩比，即 m VF/VS 定义 未被萃取的分率为，则 = CFVF/(CSVS+CFVF) = 1/(1 +CSVS /CFVF)= 1/(E+
15、1) 而理论收得率 1= E/(E+1),2、多级萃取,多级错流萃取流程的特点是：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稀，但萃取较完全。,（1）多级错流萃取,多级逆流萃取流程的特点是：料液走向和萃取剂走向相反，只在最后一级中加入萃取剂，故和错流萃取相比，萃取剂消耗少，萃取液产物平均浓度高，产物收率最高。在工业上除非有特殊理由，否则应采用多级逆流萃取流程。,（2）多级逆流萃取,在三级逆流萃取装置分离青霉素,多级逆流萃取装置,5.1.3 乳化和去乳化,1、乳化 ：乳化是一种液体(分散相)分散在另一种不相混溶的液体（连续相）中的现象。 乳化的结果可能形成两种形式的乳浊液。一种
16、是水包油型（O/W），另一种为油包水型（W/O）。乳浊液稳定性和下列几个因素有关：界面上保护膜是否形成；液滴是否带电；介质的粘度。其中以 为最重要。 2、破乳化 用物理或化学方法，使乳浊液失去稳定性而分相的操作。,5.1.4 萃取设备,1、单级萃取设备 ：单级萃取用一套混合器和分离机即可。 2、多级萃取设备 ： （1）脉动筛板塔 优点： 操作方便、密闭性好 萃取剂用量少； 占地面积小。,利用机械搅拌装置，促使连续相液体的湍动，从而使悬浮在湍动液流中的分散相液滴被剪切成较细小的液滴，使分布更为均匀，萃取过程由此得到强化。,（2）转盘塔,第二节 浸取/液固萃取,5.2.1 浸取过程的应用,生物物料
17、是由细胞组成的，可溶性物质通常在细胞内，细胞膜产生一种不同于一般情况下的扩散阻力，浸取速率通常比较小。为了加快速度，可对原料进行预处理，如干燥、切片等。,此时的生物物料多为动植物组织/细胞,也称： 醇溶蛋白,续表,5.2.2 浸取速率,溶剂从固体颗粒中浸取可溶性物质，其过程一般包括以下一些步骤： (1) 溶剂从溶剂主体传递到固体颗粒的表面 (2) 溶剂扩散渗入固体内部和内部微孔隙内； (3) 溶质溶解进入溶剂； (4) 通过固体微孔隙通道中的溶液扩散至固体表面并进一步进入溶剂主体,对于A和B的双组分混合物， Fick定律可写成下面的形式： JAcDABdxA/dz xA：A在A、B混合物中的分
18、子分数c: A和B的总浓度 当c是常数时，cA = cxA Fick 定律可表达为： JADABdcA /dz,1、分子扩散的费克（Fick）定律 ：,见教材 p100,2、生物物质溶液中的分子扩散与小分子溶质不同，生物大分子在溶液中的扩散会受其较大的空间尺度以及空间形状的影响。因此，在相同浓度梯度下生物大分子的扩散速率要比小分子有机物慢。小分子： 氨基酸、肌苷、葡萄糖生物大分子：如酶、大豆蛋白、牛血清白蛋白等约慢20倍！ 3、生物凝胶中的分子扩散凝胶是一种“多孔”的半固态物质。具有不规则的“框架结构”。凝胶结构中的孔道或敞开的微小空间里充满了水。,如琼脂凝胶,固相中的传递过程通常可分为两类：
19、一类基本上与固体结构无关，属于服从Fick定律的扩散，另一类是在多孔体内的扩散，固体内部的几何结构及其通道对扩散有很大影响。 服从于Fick定律的扩散过程，当总浓度c为常数时可直接应用（5.11）式，即 JADABdcA /dz 不服从Fick定律的多孔体内的扩散 ：,其中为曲折系数，且1 为孔隙率,4、固相中的分子扩散,5.2.3 浸出的其它问题,1、相平衡 浸取过程中的相平衡用分配系数KD表示：,2、溶剂的选择 为了高效，快速地从固体中将目的物浸取出来，同时尽可能将不希望的物质留在固体中，选择合适的溶剂是很重要的。溶剂的选择最主要的依据仍是“相似相溶”原理，与溶剂萃取有相通之处。,Y : 平衡后溶质在液相的浓度 X : 平衡后溶质在固相的浓度,3、增溶作用生物工业的浸取过程中往往包含增溶作用。原先不溶或难溶性的生物大分子物质向可溶性的、分子量较小的生物物质转变。浸取过程有时会促使某些溶质向不溶性物质转变。 4、固体原料的预处理 为加速浸取的过程，往往要对原料进行预处理。应该注意的是原料的粉碎/并非越细越好。,基本概念：物质溶解原理 介电常数 萃取分配定律 分离因子 表观分配系数 相似相溶 浸取 拖带剂 问答题：画出单级萃取设备流程，并说明。如何选用萃取剂，并解释理由。什么是乳化现象？在萃取过程中，乳化起什么作用？,作 业,
