生物分離與純化技術(shù)86課件VIP

生物分離與純化技術(shù)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(shù)（雙水相萃取、反膠團(tuán)萃?。?、黃連素提?。ü桃狠腿。┲饕獌?nèi)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(shè)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(yīng)用范圍主要內(nèi)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(zhì)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(zhì)（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?。簩⑦x定的某種溶劑（液體或者超臨界流體）加入到含有目標(biāo)產(chǎn)物的混合物中，根據(jù)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(gè)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(zhì)、料液在溶劑萃取中，被提取的溶液欲提取的物質(zhì)用以進(jìn)行萃取的溶劑經(jīng)接觸分離后，大部分溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到萃取劑中，得到的溶液被萃出溶質(zhì)后的料液萃取的分類(二)1、根據(jù)參與溶質(zhì)分配的兩相不同液-固萃?。阂砸后w為萃取劑，目標(biāo)產(chǎn)物的混合物為固態(tài)。液-液萃?。阂砸后w為萃取劑，目標(biāo)產(chǎn)物的混合物為液態(tài)。萃取的分類(二)液-液萃取用溶劑從溶液中抽提物質(zhì)叫液-液萃取，也稱溶劑萃取。經(jīng)典的液-液萃取指的是有機(jī)溶劑萃取有機(jī)溶劑萃取法廣泛應(yīng)用于抗生素、有機(jī)酸、維生素、激素等發(fā)酵產(chǎn)物工業(yè)規(guī)模的提取上。應(yīng)用比化學(xué)沉淀法分離程度高；比離子交換法選擇性好、傳質(zhì)快；比蒸餾法能耗低；生產(chǎn)能力大、周期短、便于連續(xù)操作、易實(shí)現(xiàn)自動化控制優(yōu)點(diǎn)萃取的分類(二)液-液萃取溶劑萃取法和其他新型分離技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了一系列新型分離技術(shù)：超臨界流體萃?。⊿upercriticalfluidextraction）反膠團(tuán)萃?。≧eversedmicelleextraction）雙水相萃取技術(shù)（Partitionoftwoaqueousphasesystem）等。用于高品質(zhì)的天然物質(zhì)、胞內(nèi)物質(zhì)（胞內(nèi)酶、蛋白質(zhì)、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(zhì)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(yīng)用：用溫水從甜菜中提取糖用有機(jī)溶劑從大豆、花生等油料作物中提取食用油用水或有機(jī)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(jù)組分?jǐn)?shù)目分為1）多組元體系：原料液中有兩個(gè)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(gè)組分，溶劑為單溶劑萃取的分類(二)3、根據(jù)萃取原理分為1）物理萃取溶質(zhì)根據(jù)相似相溶的原理在兩相間達(dá)到分配平衡，萃取劑與溶質(zhì)之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行萃取的分離過程。2）化學(xué)萃取利用脂溶性萃取劑與溶質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成脂溶性復(fù)合分子實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)向有機(jī)相分配的過程。萃取劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)包括離子交換和絡(luò)合反應(yīng)等。化學(xué)萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有機(jī)溶劑溶解萃取劑，改善萃取相的物理性質(zhì)，此時(shí)的有機(jī)溶劑稱為稀釋劑diluent

。萃取的分類(二)3、根據(jù)萃取原理分為簡單分子萃?。ㄎ锢磔腿。┲行匀軇┙j(luò)合萃取酸性陽離子交換萃取離子絡(luò)合萃取化學(xué)萃取萃取的分類(二)（1）簡單分子萃取（物理萃?。┲傅氖且环N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(jù)溶解度不同進(jìn)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)。萃取的分類(二)（2）中性溶劑絡(luò)合萃?。ɑ瘜W(xué)萃?。┲傅氖潜惠腿∥餅橹行苑肿?，萃取劑也是中性分子，萃取劑與被萃取物結(jié)合成為中性溶劑絡(luò)合物而進(jìn)入有機(jī)相，在這種中性分子中含有大的疏水性的有機(jī)基團(tuán)，因而能被有機(jī)溶劑所萃取，主要采用中性磷化合物萃取劑和含氧的有機(jī)萃取劑。萃取的分類(二)（3）酸性陽離子交換萃?。ɑ瘜W(xué)萃?。┻@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(luò)離子形式存在，金屬離子與萃取劑反應(yīng)生成中性螯合物。螯合物：是具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的配合物，是通過兩個(gè)或多個(gè)配位體與同一金屬離子形成螯合環(huán)的螯合作用而得到。萃取的分類(二)（4）離子絡(luò)合萃?。ɑ瘜W(xué)萃?。┙饘匐x子在水相中形成絡(luò)合陰離子，萃取劑與氫離子結(jié)合成陽離子，然后兩者構(gòu)成離子締合體系進(jìn)入有機(jī)相金屬陽離子與中性螯合劑結(jié)合成螯合陽離子，然后與水相中存在的陰離子構(gòu)成離子締合體系進(jìn)入有機(jī)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(jié)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(jī)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(tuán)萃取凝膠萃取溶劑萃取是一種初級分離技術(shù)，使目標(biāo)產(chǎn)物從較難分離的復(fù)雜體系中轉(zhuǎn)化為較易分離的簡單體系。一般應(yīng)用于初步分離階段。5、適用范圍2溶劑萃取的原理導(dǎo)入番茄湯導(dǎo)入溶劑萃取：在液體混合物中加入一個(gè)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(yīng)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(zhì)萃取劑（油）萃余液料液:在溶劑萃取中，被提取的溶液；溶質(zhì)：其中欲提取的物質(zhì)；萃取劑：用以進(jìn)行萃取的溶劑；萃取液：經(jīng)接觸分離后，大部分溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到萃取劑中，得到的溶液；余液：被萃取出溶質(zhì)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(zhì)在兩個(gè)液相之間的竟?fàn)幮匀芙猓ǚ峙洌┒鴮?shí)現(xiàn)的。把目標(biāo)物質(zhì)從第一個(gè)液相中依靠更強(qiáng)大的溶解力抽提到第二個(gè)液相中。萃取是一種擴(kuò)散操作，不同溶質(zhì)在兩相中分配平衡的差異是實(shí)現(xiàn)萃取分離的主要因素。因此分配定律是理解并設(shè)計(jì)萃取操作的基礎(chǔ)。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(zhì)在互不相溶的兩相中達(dá)到溶解平衡，溶質(zhì)在兩相中的濃度之比為一常數(shù)K，稱為分配系數(shù)。表征溶劑對溶質(zhì)的萃取能力。K越大，萃取能力越強(qiáng)。K＝溶劑在萃取相中的濃度/溶質(zhì)在萃余相濃度＝X／Y

應(yīng)用條件：(1)稀溶液；(2)溶質(zhì)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(fā)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(shù)：達(dá)到萃取平衡時(shí)，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(shù)。K＝X／Y

X為被萃物A在萃取相（有機(jī)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(jìn)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(shù)β：若原來的料液中除溶質(zhì)A以外，還含有溶質(zhì)B，則由于A、B的分配系數(shù)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(zhì)分配系數(shù)的比值。β＝KA／KB表征兩種溶質(zhì)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(diǎn)（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(zhuǎn)移到不同物理或化學(xué)特性的第二相中來減少由于降解引起的產(chǎn)品損失（4）可從潛伏的降解過程中分離產(chǎn)物（5）適用于各種不同的規(guī)模（6）傳質(zhì)速度快，生產(chǎn)周期短，便于連續(xù)操作3溶劑萃取的工藝流程溶劑萃取的工藝流程三1、實(shí)驗(yàn)室萃取過程溶劑萃取的工藝流程三1、實(shí)驗(yàn)室萃取過程實(shí)驗(yàn)室萃取設(shè)備溶劑萃取的工藝流程三1、實(shí)驗(yàn)室萃取過程萃取實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室萃取過程萃取實(shí)驗(yàn)操作步驟：靜止分層絮狀物（乳化）有機(jī)相水相水相和絮狀物有機(jī)相溶劑萃取的工藝流程三1、實(shí)驗(yàn)室萃取過程萃取實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室萃取過程萃取實(shí)驗(yàn)操作步驟：多次萃取有機(jī)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(jī)）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(cuò)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(diǎn)：流程簡單、萃取不完全、效率不高。（1）單級萃?。褐话ㄒ粋€(gè)混合器和一個(gè)分離器產(chǎn)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(cuò)流萃?。狠腿∫号c料液錯(cuò)流流動。特點(diǎn)：萃取完全，溶劑耗量大，產(chǎn)物濃度低，溶劑回收耗能大?；旌掀骰旌掀骰旌掀鞣蛛x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?。狠腿∫号c料液逆流流動。特點(diǎn)：萃取劑消耗少，產(chǎn)物濃度、收率高，工業(yè)用。溶劑萃取的工藝流程三一般工業(yè)液液萃取過程4溶劑萃取的影響因素（1）選擇原則有機(jī)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(jià)廉易得，毒性低，腐蝕性小，不與目標(biāo)產(chǎn)物反應(yīng)。溶劑萃取的影響因素四1、有機(jī)溶劑的選擇（2）有機(jī)溶劑的選擇依據(jù)根據(jù)“相似相溶”的原理，選擇與目標(biāo)物極性相近的有機(jī)溶劑為萃取劑，可以得到較大的分配系數(shù)（根據(jù)介電常數(shù)判斷極性）溶劑萃取的影響因素四1、有機(jī)溶劑的選擇生物工業(yè)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(jī)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(jī)溶劑的選擇（3）萃取劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)萃取劑中至少要有一個(gè)能與被萃物形成萃合物的官能團(tuán)。常見的萃取官能團(tuán)通常是一些包含N、O、P、S的基團(tuán)。萃取劑中還應(yīng)包含具有較強(qiáng)親油能力結(jié)構(gòu)或基團(tuán)，如長鏈烴、芳烴等，以利于萃取劑及萃合物易溶于有機(jī)溶劑，難溶于水相。溶劑萃取的影響因素四1、有機(jī)溶劑的選擇（4）常用萃取劑常規(guī)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(jī)酸萃取劑：包括有機(jī)磷酸、有機(jī)磺酸、羧酸等。胺類萃取劑：各種有機(jī)胺和銨鹽螯合萃取劑：各種有機(jī)螯合物、冠醚等。溶劑萃取的影響因素四1、有機(jī)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(shù)，因而影響萃取收率，弱酸性電解質(zhì)的分配系數(shù)隨pH降低而增大，弱堿性電解質(zhì)則相反。如弱堿性抗生素紅霉素，pH值9.8時(shí),與乙酸戊酯與水相中的分配系數(shù)為44.7,而在5.5時(shí)分配系數(shù)為14.4。（2）對選擇性有影響。酸性物質(zhì)一般在酸性條件下萃取到有機(jī)溶劑相，而堿性雜質(zhì)則成鹽留在水相。堿性物質(zhì)在堿性條件萃取到有機(jī)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(zhì)，在乙酸戊酯和pH9.8的水相之間分配系數(shù)為44.7，而水相pH降至5.5時(shí),分配系數(shù)降至14.4。例：紅霉素反萃取 反萃取操作同樣可通過調(diào)節(jié)pH值實(shí)現(xiàn)。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(yīng)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(jī)酸,pH值對其分配系數(shù)有很大影響。很明顯,在較低pH下有利于青霉素在有機(jī)相中的分配,當(dāng)pH大于6.0時(shí),青霉素完全分配于水相中。從圖中可知,選擇適當(dāng)?shù)膒H,不僅有利于提高青霉素的收率,還可根據(jù)共存雜質(zhì)的性質(zhì)和分配系數(shù),提高青霉素的萃取選擇性。2) 青霉素反萃取◆1）T↑，分子擴(kuò)散速度↑，故萃取速度↑

◆

2）T影響分配系數(shù)例：pen―T↑水中的溶解度↑

∴萃取時(shí)T↓使K↑；反萃時(shí)T↑使K反↑

紅霉素、螺旋霉素―T↑水中的溶解度↓

∴萃取時(shí)T↓使K↑；反萃時(shí)T↑使K反↑◆3）T影響兩溶劑的互溶度影響

一般生化物質(zhì)的萃取在室溫或較低溫度下進(jìn)行溶劑萃取的影響因素四3、溫度無機(jī)鹽——氯化鈉、硫酸銨，作用：1）生化物質(zhì)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(jī)相水滴，提高質(zhì)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(jī)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(shù)K，常添加帶溶劑。帶溶劑是指能和產(chǎn)物形成復(fù)合物，促使產(chǎn)物更易溶于有機(jī)溶劑相中，在一定條件下又要容易分解的物質(zhì)。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(fù)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(nèi)操作。這種正負(fù)離子結(jié)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(luò)合物而進(jìn)入有機(jī)相，這種形成絡(luò)合物的萃取稱為反應(yīng)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(chǎn)生乳化現(xiàn)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(xiàn)象。發(fā)生乳化現(xiàn)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(zhì)膠粒絮凝速度加快，降低黏度，分子運(yùn)動加劇，碰撞機(jī)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(zhì)（碳酸鈣或無水碳酸鈉）進(jìn)行過濾，由于乳狀液中的有機(jī)溶劑和水相對此介質(zhì)的潤濕性不同，其中水分被吸附而去乳化。2、化學(xué)法：加入電解質(zhì)（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(shí)也增加了兩相的密度差，便于兩相分離，以實(shí)現(xiàn)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(xiàn)在常用于青霉素的提?。?。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(chǎn)物穩(wěn)定性提高，粘度增加，擴(kuò)散性能減小。影響分配系數(shù)，影響物質(zhì)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(fèi)用↑無機(jī)鹽類如硫酸銨、氯化鈉等一般可降低產(chǎn)物在水中的溶解度而使其更易于轉(zhuǎn)入有機(jī)溶劑相中，另一方面還能減小有機(jī)溶劑在水相中的溶解度。鹽分↑分配系數(shù)↑5溶劑萃取設(shè)備溶劑萃取設(shè)備五1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備分液漏斗（一）混合設(shè)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(shè)備碟片式離心機(jī)、筒式離心機(jī)、傾析式離心機(jī)（三）回收設(shè)備——蒸餾設(shè)備（四）兼有混合與分離功能的設(shè)備轉(zhuǎn)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(shè)備五2、工業(yè)用設(shè)備溶劑萃取設(shè)備五2、工業(yè)用設(shè)備1、傳統(tǒng)的混合設(shè)備是攪拌罐不足：間歇操作停留時(shí)間長傳質(zhì)效率低溶劑萃取設(shè)備五2、工業(yè)用設(shè)備2、管式混合器在管道中混合，能夠連續(xù)加工，效率高于混合罐溶劑萃取設(shè)備五2、工業(yè)用設(shè)備3、氣流攪拌混合罐將空氣通入液體介質(zhì)，借鼓泡作用發(fā)生攪拌。適用于化學(xué)腐蝕性液體；不適用于揮發(fā)性強(qiáng)的液體。溶劑萃取設(shè)備五2、工業(yè)用設(shè)備4、噴嘴式混合器利用工作流體在一定壓力下經(jīng)過噴嘴以高速度射出，當(dāng)流體流至噴嘴時(shí)速度增大，壓力降低產(chǎn)