16 第13章-1 萃取.pptx

第1页：第十三章发酵产物的提取与精制方法

第十三章发酵产物的提取与精制方法

第2页：第一节萃取

• 萃取：利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质的得到纯化或浓缩的方法
• 根据参与溶质分配的两相不同分类：
• 液固萃取、溶媒萃取、双水相萃取、反胶团萃取、超临界萃取

第3页：溶媒萃取概述

• 萃取：当含有生化物质的溶液与互不相溶的第二相接触时，生化物质倾向于在两相之间进行分配，当条件选择得恰当时，所需提取的生化物质就会有选择性地发生转移，集中到一相中，而原来溶液中所混有的其它杂质（如中间代谢产物、杂蛋白等）分配在另一相中，这样就能达到某种程度的提纯和浓缩。
• 萃取在化工上是分离液体混合物常用的单元操作，在发酵和其它生物工程生产上的应用也相当广泛，
• 萃取操作可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，所以广泛应用在抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物的提取上。

第4页：萃取过程溶媒萃取概述

萃取过程溶媒萃取概述

第5页：杂质溶质原溶剂萃取剂Light ph

aseHeavy phase溶媒萃取概述

第6页：萃取的基本概念①萃取

溶质从料液转移到萃取剂的过程。②反萃取：溶质从萃取剂转移到反萃剂的过程。在完成萃取操作后，为进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，将目标产物从有机相转入水相的操作就称为反萃取（Back extraction)③物理萃取和化学萃取：物理萃取的理论基础是分配定律，而化学萃取服从相律及一般化学反应的平衡定律。溶剂萃取概述

第7页：萃取的基本概念萃取法

• 是利用液体混合物各组分在某有机溶剂中的溶解度的差异而实现分离的。
• 料液：在溶剂萃取中，被提取的溶液，
• 溶质：其中欲提取的物质，
• 萃取剂：用以进行萃取的溶剂，
• 萃取液：经接触分离后，大部分溶质转移到萃取剂中，得到的溶液，
• 余液：被萃取出溶质的料液称为。溶剂萃取概述

第8页：实验室液液萃取过程溶剂萃取概述

实验室液液萃取过程溶剂萃取概述

第9页：溶媒萃取的基本原理

• 利用该物质在两种互不相溶的溶剂中溶解度的不同，使之从一种溶剂转入另一种溶剂，从而使杂质去除
• 萃取效率是以分配定律为基础的

第10页：Nernst分配定律（1891）

• 在一定温度下，当某一溶质在两种互不相溶的溶剂中分配达到平衡时，则该溶质在两相中的浓度之比为一常数，称为分配系数。对萃取操作来讲：萃取相和萃余相中溶质的浓度之比就是分配系数；用K表示。在达到平衡时，设溶质在萃取相中浓度为CA；在萃余相中为CB。则：
• 在常温常压下Ｋ为常数；应用前提条件（1）稀溶液（2）溶质对溶剂互溶没有影响（3）必须是同一分子类型，不发生缔合或离解

第11页：分离因素

• （β）
• 如果原来料液中除溶质A以外，还含有溶质B，则由于A、B的分配系数不同，萃取相中A和B的相对含量就不同于萃余相中A和B的相对含量。
• 如A的分配系数较B大，则萃取相中A的含量（浓度）较B多，这样A和B就得到一定程度的分离。
• 萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因素（β）来表征。

第12页：分离因素

表示有效成分A与杂质B的分离程度。ＫＡβ=ＫＢβ=1 KA= KB分离效果不好；β>1 KA> KB分离效果好；β越大，KA越大于KB，分离效果越好。分离因素（β）

第13页：生物萃取与传统萃取相比的特殊性

• 生物工程不同于化工生产，主要表现在生物分离往往需要从浓度很稀的水溶液中除去大部分的水，而且反应液中存在多种副产物和杂质，使生物萃取具有特殊性。
• ①成分复杂
• ②传质速率不同
• ③相分离性能不同
• ④产物的不稳定性

第14页：萃取过程有选择性

• 能与其它步聚相配合
• 通过相转移减少产品水解
• 适用于不同规模
• 传质快
• 周期短，便于连续操作
• 毒性与安全环境问题溶剂萃取法的特点

第15页：（1）单级提炼法混合器溶剂发酵液分离器提

• 2、常用溶媒萃取的工艺
• （1）单级提炼法混合器溶剂发酵液分离器提取液残余液

第16页：2）、多次提炼法

• （多级错流萃取）
• 料液经萃取后，萃余液再与新鲜萃取剂接触，再进行萃取。
• 第一级的萃余液进入第二级作为料液，并加入新鲜萃取剂进行萃取；第二级的萃余液再作为第三级的料液，以此类推。
• 此法特点在于每级中都加溶剂，故溶剂消耗量大，而得到的萃取剂平均浓度较稀，但萃取较完全。

第17页：多次提炼法示意图料液入口第一级第二级

第三级萃余液出口

第18页：混合器溶剂发酵液分离器提取液混合器溶

剂分离器提取液混合器分离器提取液残余液溶剂残余液残余液

第19页：4）多级对流萃取

• （多级逆流萃取）
• 在多级逆流萃取中，在第一级中连续加入料液，并逐渐向下一级移动，而在最后一级中连续加入萃取剂，并逐渐向前一级移动。
• 料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故称为逆流萃取。
• 在逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂，故和错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液平均浓度较高。

第20页：多级对流萃取图

多级对流萃取图

第21页：多级对流萃取第一混合器分离器第二混合

器分离器第三混合器分离器最后提取液提取液残余液残余液最后残余液提取液溶剂发酵液一级二级三级A90%A70%A50%

第22页：三、影响溶媒萃取

• 的影响因素
• 1．乳化与去乳化
• 2．影响萃取操作的因素：pH、温度、盐析
• 3．带溶剂
• 4．溶媒（有机溶剂）的选择

第23页：乳化 乳化

• 1．乳化
• 乳化：水或有机溶剂以微小液滴分散在有机相或水相中的现象。这样形成的分散体系称乳浊液。
• 乳化带来的问题：有机相和水相分相困难，出现夹带，收率低，纯度低。

第24页：三、影响溶媒萃取的因素

乳化

第25页：

第26页：固体粉末乳化剂

除表面活性剂外，能同时为两种液体所润湿的固体粉末也能作为乳化剂，如粉末对水的润湿性强于对油的润湿性，则根据自由能最小的原则，形成水包油O/W型乳浊液。反之形成油包水型乳化发酵液乳化的原因：a蛋白质的存在，起到表面活性剂b固体粉末对界面的稳定作用

第27页：2）乳浊液的稳定条件

• 乳浊液稳定性和下列几个因素有关：
• ①界面上保护膜是否形成；
• ②液滴是否带电；
• ③介质的粘度。
• 表面活性剂分子在分散相液滴周围形成保护膜。保护膜具有一定的机械强度，不易破裂，能防止液滴碰撞而引起聚沉。
• 介质粘度较大时能增强保护膜的机械强度。

第28页：（亲憎平衡值） 表面活性剂的

• （亲憎平衡值）
• 表面活性剂的亲水与亲油程度的相对强弱，在工业上常用HLB数来表示。
• 即亲水与亲油平衡程度，HLB数越大，亲水性越强，形成O/W型乳浊液，HLB数越小，亲油性越强，形成W/O型乳浊液。应用HLB数W/O乳浊液3—6润湿剂7—9O/W乳浊液8—15洗涤剂13—15助溶剂15—18HLB表18-3各种表面活性剂的用途

第29页：物理法

离心、过滤、加热，吸附，稀释化学法：加电解质、其他表面活性剂转型、顶替法*转型法加入一种乳化剂，条件：①形成的乳浊液类型与原来的相反，使原乳浊液转型②在转型的过程中，乳浊液破坏，控制条件不允许形成相反的乳浊液，*顶替法加入一种乳化剂，将原先的乳化剂从界面顶替出来：①形成的乳浊液类型与原来的一致②它本身的表面活性>原来的表面活性③不能形成坚固的保护膜。3）．乳浊液的破坏措施

第30页：

第31页：1影响萃取操作的因素之pH

2.1影响萃取操作的因素之pH的影响●pH对表观分配系数的影响（pH~K）pH低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分配在水相。对弱酸随pH↓K↑,当pH << pK时，K→K0弱酸的表观分配系数：K=K0/(1＋10pH－pK)弱酸的表观分配系数：K=K0/(1＋10pK－pH)对于弱酸：pH< pK时，分配系数大对于弱碱：pH> pK时，分配系数大

第32页：与杂质的分离程度归纳萃取操作条件的控

制杂质生化物质碱性(pK碱杂>pK生)酸性(pK酸杂<pK生)酸性(pK酸杂>pK生)酸性酸性(pK酸杂<pK生)碱性(pK碱杂>pK生)碱性(pK碱杂<pK生)碱性萃取时杂质自然除去pK酸杂< pH < pK生萃取时无法去除反萃取pK酸杂>pH > pK生萃取时杂质自然除去pK碱杂> pH > pK生萃取时无法去除反萃取pK碱杂<pH < pK生

第33页：◆T↑

分子扩散速度↑，故萃取速度↑◆T影响分配系数◆T影响两溶剂的互溶度影响一般生化物质的萃取在室温或较低温度下进行2.2影响萃取操作的因素之温度的影响

第34页：无机盐——氯化钠、硫酸铵，作用

生化物质在水中溶解度↓；两相比重差↑两相互溶度↓用量要适当，过多会引入杂质。2.3影响萃取操作的因素之盐析的影响

第35页：有机溶剂的选择

• 3．有机溶剂的选择
• 根据相似相溶的原理，选择与目标产物极性相近的有机溶剂为萃取剂，可以得到较大的分配系数（根据介电常数判断极性）；
• 有机溶剂与水不互溶，与水有较大的密度差，黏度小，表面张力适中，相分散和相分离容易；
• 应当价廉易得，容易回收，毒性低，腐蚀性小，不与目标产物反应。常用于生化萃取的有机溶剂有丁醇、丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯等。

第36页：1）低毒性

• 乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯。。。
• 2）中等毒性：甲苯、环己烷、甲醇。。。
• 3）强毒性：苯、二氧六环、氯仿、四氯化碳。。。

第37页：带溶剂对于水溶性强的溶质

4．带溶剂对于水溶性强的溶质，可利用脂溶性萃取剂与溶质间的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有机相转移。①抗生素萃取剂：月桂酸、脂肪碱或胺类等。②氨基酸萃取剂：氯化三辛基甲铵。溶质与带溶剂之间的作用：离子对萃取、离子交换萃取、反应萃取。4．带溶剂

第38页：四、溶剂的回收

• 蒸馏法
• 精馏法
• 注意安全与防火

第39页：五、溶剂萃取法新技术近20年来研究溶剂萃

• 取技术与其他技术相结合从而产生了一系列新的分离技术，如：
• 两水相萃取（aqueous two-phase system)
• 反微团萃取（Reversed Micelle Extraction）
• 超临界萃取（Supercritical Fluid Extraction）
• 液膜萃取（Liquid Membrane Extraction）
• 微波辅助萃助（microwave-assisted extraction)

第40页：一）、双水相系统的应用1.蛋白质纯化

2.抗生素，氨基酸，天然成分3.酶相转移催化4.细胞器分离

第41页：发展历史

• 双水相萃取
• 1、发展历史
• 始于20世纪60年代,从1956年瑞典伦德大学Albertsson发现双水相体系
• 1979年德国GBF的Kula等人将双水相萃取分离技术应用于生物产品分离
• 国内自20世纪80年代起也开展了双水相萃取技术研究。

第42页：双水相的形成

• 2、双水相的形成
• 将两种不同的水溶性聚合物的水溶液混合时，当聚合物浓度达到一定值，体系会自然的分成互不相溶的两相，这就是双水相体系
• 形成原因：由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。一般认为只要两聚合物水溶液的憎水程度有差异，混合时就可发生相分离，且憎水程度相差越大，相分离的倾向也就大。

第43页：常用的双水相体系

• 3、常用的双水相体系
• 高聚物/高聚物体系：聚乙二醇(简称PEG) /葡聚糖(简称Dextran)和PEG/ Dextran
• 高聚物/无机盐体系：硫酸盐体系。常见的高聚物/无机盐体系为: PEG/硫酸盐或磷酸盐体系。

第44页：双水相相平衡关系

4、双水相相平衡关系

第45页：影响物质分配平衡的因素

• 5、影响物质分配平衡的因素
• （1）聚合物及其分子量的影响
• 不同聚合物的水相系统显示出不同的疏水性，水溶液中聚合物的疏水性按下列次序递增:
• 葡萄糖硫酸盐<甲基葡萄糖<葡萄糖<羟丙基葡聚糖<甲基纤维素<聚乙烯醇<聚乙二醇<聚丙三醇

第46页：同一聚合物的疏水性随分子量

增加而增加，其大小的选择依赖于萃取过程的目的和方向，在PEG/DEX系统中，蛋白质的分配系数随着DEX相对分子量的增加而增加。若想在上相获得较高的蛋白质收率，对于PEG聚合物，应降低它的平均分子量，相反，若想在下相获得较高的蛋白质收率，则平均分子量应增加。

第47页：（2）pH值

• 的影响
• 改变两相的电位差
• 如体系pH值与蛋白质的等电点相差越大，则蛋白质在两相中分配越不均匀。
• pH值的变化也会导致组成体系的物质电性发生变化，也会使被分离物质的电荷发生改变，从而影响分配的进行。

第48页：（3）离子环境对蛋白质在两相体系分配

• 的影响
• 在双水相聚合物系统中，加入电解质时，其阴阳离子在两相间会有不同的分配。同时，由于电中性的约束,存在一穿过相界面的电势差(Donnan电势) ,它是影响荷电大分子如蛋白质和核酸等分配的主要因素。同样，对于粒子迁移也有相似的影响，粒子因迁移而在界面上积累。故只要设法改变界面电势，就能控制蛋白质等电荷大分子转入某一相。

第49页：（4）温度

• 的影响
• 分配系数对温度的变化不敏感
• 成相聚合物对蛋白质有稳定化作用,所以室温操作活性收率依然很高,而且室温时粘度较冷却时(4℃)低,有助于相的分离并节省了能源开支。

第50页：双水相萃取技术

• 5、双水相萃取技术的特点
• (1)系统含水量多达75 %～90 % ,两相界面张力极低(10-7～10–4N·m-1) ,有助于保持生物活性和强化相际间的质量传递
• (2)分相时间短(特别是聚合物/盐系统) ,自然分相时间一般只有5～15min。
• (3)双水相分配技术易于连续化操作。

第51页：(4)目标产物的分配系数一般

• 大于3 ,大多数情况下,目标产物有较高的收率。
• (5)大量杂质能够与所有固体物质一起去掉,与其它常用固液分离方法相比,双水相分配技术可省去1～2个分离步骤,使整个分离过程更经济。
• (6)设备投资费用少,操作简单,不存在有机溶剂残留问题。

第52页：双水相萃取的工艺流程

• 6、双水相萃取的工艺流程
• 双水相萃取技术的工艺流程主要由三部分构成:目的产物的萃取; PEG的循环;无机盐的循环。

第53页：双水相的应用举例

• 7、双水相的应用举例
• 分离和提纯各种蛋白质(酶）
• 用PEG/-(NH4)2SO4双水相体系,经一次萃取从α-淀粉酶发酵液中分离提取α-淀粉酶和蛋白酶,萃取最适宜条件为PEG1000 ( 15 %)-(NH4)2SO4(20 %) ,pH = 8 ,α-淀粉酶收率为90 % ,分配系数为19. 6 ,蛋白酶的分离系数高达15. 1。比活率为原发酵液的1. 5倍,蛋白酶在水相中的收率高于60 %。

第54页：提取抗生素和分离生物粒子

采用PEG/ Na2HPO4体系提取丙酰螺旋霉素，最佳萃取条件是pH= 8. 0～8. 5，PEG2000 (14 %) /Na2HPO4(18 %) ,小试收率达69. 2 % ,对照的乙酸丁酯萃取工艺的收率为53. 4 %

第55页：双水相和其他方法的集成

• A、与温度诱导相分离的集成
• B、磁场增强双水相
• C、超声波加强的双水相
• D、亲和沉淀的集成

第56页：二）.反微团萃取法

• 反微团萃取技术（Reversed micellar extraction），又叫反胶束萃取技术，是近年来发展起来的一种新型萃取分离技术，主要适合于蛋白质的提取和分离。
• 是利用表面活性剂在有机溶剂中自发形成一种纳米级的反胶束相来萃取水溶液中的大分子蛋白质。料液有机相

第57页：反胶束萃取的原理

静电引力：主要是蛋白质的表面电荷与反胶束内表面电荷（离子型表面活性剂）之间的静电引力作用。空间位阻作用：增大反胶束极性核的尺寸，以减小大分子蛋白进入胶核的传质阻力。凡是能够引起静电引力，能够促使反胶束尺寸增大的因素均有利于提高分配系数。这些因素主要是pH、离子强度、表面活性剂种类和浓度等，通过因素优化，实现选择性地萃取和反萃取。

第58页：在反胶束内部包含了水溶液

蛋白质等生物分子萃取后进入反胶团内部的“水池”中，避免了与有机溶剂直接接触，反胶束内的微环境与生物膜内相似，故能很好保持其生物活性，解决了蛋白质在有机溶剂中容易变性失活和难溶于有机溶剂的问题，为蛋白质的提取和分离开辟了一条新的途径。成本低，有机溶剂可反复使用；容易放大和实现连续操作反胶束萃取是一条具有工业发展前景的蛋白质分离技术。反胶束法的优点

第59页：影响反胶团萃取的因素

• 2、影响反胶团萃取的因素
• （1）溶液的pH
• pH影响蛋白质的电荷数量和电荷性质
• （2）溶液的离子强度
• 影响微胶团的静电状态
• 凡是对蛋白质所含电荷有影响的因素，如pH，以及对反胶束的静电状态有影响的因素，均能改变蛋白质的增溶作用。
• （3）表面活性剂的浓度和种类
• （4）其他（有机溶剂、助表面活性剂、温度）

第60页：应用举例

• 3、应用举例
• 纯化和分离蛋白质如对于溶菌酶和肌红蛋白的混合溶液(两种蛋白质相对分子量相近,等电点分别为11. 1和6. 8）,用二烷基磷酸盐/异辛烷反胶束溶液萃取,并用缓冲液将混合液的pH值调至9. 0 ,则溶菌酶完全进入有机相中,而肌红蛋白则留在水相.

第61页：三、超临界流体萃取超临界流体是处于临界温

度和临界压力以上，介于气体和液体之间的高密度流体。在临界温度以上压力不高时与气体性质相近，压力较高时则与液体性质更接近，由此形成的超临界流体的性质介于汽液两相之间，并易于随压力调节的特点。

第62页：三）超临界流体萃取

• 概念：利用超临界流体的特殊性质，使其在超临界状态下，与待分离的物料(液体或固体)接触，萃取出目的产物，然后通过降压或升温的方法，使萃取物得到分离。
• 所谓超临界流体(SCF)即处于临界温度、临界压力以上的流体。在临界温度、压力以上，无论压力多高，流体都不能液化但流体的密度随压力增高而增加。
• 特点：密度接近液体萃取能力强粘度接近气体传质性能好

第63页：超临界流体

1、超临界流体（SCF）的特性扩散系数(cm2/s )粘度(g/cm/s)密度（g/cm3）物质状态0.1-0.4(1-3)×10-4(0.6-2)×10-3气态(0.2-2)×10-5(0.2-3)×10-20.6-1.6液态(2-7)×10-4(1-9)×10-40.2-0.9SCF由以上特性可以看出，超临界流体兼有液体和气体的双重特性，扩散系数大，粘度小，渗透性好，与液体溶剂相比，可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。

第64页：超临界流体萃取原理超临界萃取

2、超临界流体萃取原理超临界萃取是利用SCF作为萃取剂，从液体和固体中萃取出特定成分，以达到某种分离的目的。一般说来，物质的溶解能力与其密度成正比关系。所以，在临界点附近，温度和压力的微小变化往往会导致溶质的溶解度发生几个数量级的变化。利用超临界流体的这个性质进行分离操作效果奇佳，而且过程无相变，能耗较低。因此，超临界流体已突破了一般流体的范畴。

第65页：氨、乙烯、乙烷、丙烷、丙烯、乙醇、丁

常见的超临界流体CO2、氨、乙烯、乙烷、丙烷、丙烯、乙醇、丁醇、水等由于CO2的临界温度、临界压力较易达到，而且化学性质稳定，无毒、无臭、无色、无腐蚀性，容易得到较纯产品，因此是最常用的超临界流体。

第66页：某些常用流体的物理特征

3、某些常用流体的物理特征

第67页：超临界流体萃取设备SFE的基本流程

4、超临界流体萃取设备SFE的基本流程是：由钢瓶提供高纯液体（CO2）经高压泵系统，流入保持在一定温度（高于Tc）下的萃取池。在萃取池中可溶于SCF的溶质扩散分配溶解在SCF中，并随SCF一起流出萃取池，经阻尼器减压获升温后进入收集器，多余的SCF排空或循环使用。

第68页：超临界流体萃取的典型流程及应用1.超

5、超临界流体萃取的典型流程及应用1.超临界流体萃取的典型流程(1)等温法(2)等压法13P124T1=T2P1>P21—萃取槽；2—膨胀阀；3—分离槽；4—压缩机T1T2P2溶质13P124T1<T2P1=P21—萃取槽；2—加热器；3—分离槽；4—泵；5—冷却器P2T2T15溶质

第69页：(3)吸附法13P124T1

=T2P1=P21—萃取槽；2—吸附剂；3—分离槽；4—泵；P2T2T1超临界萃取的三种典型流程

第70页：超临界流体的应用

• 超临界流体(supercritical fluid, SCF)对脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油脂等具有特殊的溶解作用，因此可用于这类物质的萃取分离。
• 咖啡因萃取
• 植物油：胚芽油、玉米油、γ-亚麻酸
• 天然香料：杏仁油、柠檬油
• 尼古丁

第71页：咖啡因超临界萃取流程

咖啡因超临界萃取流程

第72页：大型超临界流体萃取装置

大型超临界流体萃取装置

第73页：应用举例

6、应用举例

第74页：

第75页：作业： 什么叫双水相萃取，影

• 作业：
• 什么叫双水相萃取，影响双水相萃取的因素有哪些
• 什么是反胶团，影响反胶团萃取的因素有哪些
• 超临界流体萃取的原理是什么