第九章 液 -液萃取第九章 液 -液萃取第九章 液 -液萃取
1 分类
2 优点
3 操作的一般过程
4 分配定律与分配平衡
5 萃取的基本理论
5.1 弱电解质的分配平衡
5.2 化学萃取平衡
5.3 溶剂萃取操作
6 萃取过程设计
6.1 混合 -澄清式萃取
6.2 多级错流接触萃取
6.3 多级逆流接触萃取
6.4 分馏萃取
1 分 类按参与溶质分配的两相不同而分为液 -液萃取 (liquid-liquid extraction)
液 -固萃取 (liquid-solid extraction)
固相萃取 (solid phase extraction,SPE)
双水相萃取 (two water phase extraction)
超临界流体萃取 (supercritical fluid extraction)
按原理不同分为传统萃取技术溶剂液 -液萃取液 -固萃取固相萃取双水相萃取液膜萃取 (liquid membrane extraction)
反胶团萃取 (reversed micellar extraction)
超临界萃取
2 优 点
1 萃取过程具有选择性
2 能与其他纯化方法相配合
3 通过相转移,减少目标产物的降解
4 规模放大极为容易
5 传质快,生产周期短
6 便于连续操作,易于计算机控制
7 无相变,能耗低,成本低
8 方法成熟,易于设计
3 操作的一般过程萃取 (Extraction)：
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得到纯化或浓缩的方法称为萃取 。
萃取剂 (extractant),轻相 (light phase),萃取相
(solvent phase),萃余相,重相 (heavy phase)。
液液萃取：
以液体为萃取剂,当含有目标产物的原料也为液体时,则为液液萃取 。
液固萃取或浸取 （ Leaching）,
含有目标产物的原料为固体,则为液固萃取 。
萃取速率可用下式表示：
c,料液相溶质浓度 (mol/l),c*,与萃取相中的溶质浓度呈相平衡的料液相溶浓度 (mol/l),t,时间
(s),k,传质系数 (m/s),a,以料液相体积为基准的相间接触比表面积 (m-1)
3 操作的一般过程反萃取 (Backextraction)：
当萃取操作后,为进一步纯化目标产物或便于下步分离操作,往往需要将目标产物转移到水相 。 这种调节水相条件,将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取 。
3 操作的一般过程洗涤操作 (washing processing),对于一个完整的萃取过程,常在萃取和反萃取之间增加洗涤操作萃取 – 洗涤 – 反萃取
3 操作的一般过程物理萃取,溶质根据相似相溶的原理在两相间达到分配平衡,萃取剂与溶质之间不发生化学反应 。 例如,用乙酸丁酯萃取青霉素 。
化学萃取,用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配 。 萃取剂与溶质之间的化学反应,包括离子交换和络合反应等 。 如用萃取剂季铵盐 (氯化三辛基甲铵,R+Cl-)萃取氨基酸 A-。
稀释剂 (diluent),化学萃取中通常用煤油,已烷,和苯等溶解萃取剂,
改善萃取相的物理性质,此时的有机溶剂称为稀释剂 。
4 分配定律与分配平衡分配定律 (distribution law)
在恒温恒压下,溶质在互不相溶的两相中达到分配平衡时,溶质在两相中的平衡浓度之比为常数适应条件,相同分子形态 （ 相对分子质量相同 ）
存在于两相中的溶质浓度之比 。 不适合于化学萃取,因溶质在各相中并非以同一种分子形态存在 。
分配系数 (distribution coefficient)或 分配比溶质在两相中的总浓度之比适应条件：高低浓度线性平衡：
适应条件：低浓度
Langmuir型平衡适应条件：高低浓度
a,b和 n为常数
5 弱电解质的分配平衡
A,弱电解质的萃取理论弱碱和弱酸的解离平衡关系分别为,AH(light phase)
Ka KbAH? A- + H+ BH+? B + H+
AH = A- + H+(water)
弱酸性电解质的分配系数弱碱性电解质的分配系数
）
5 弱电解质的分配平衡弱碱和弱酸的解离平衡关系分别为：
Ka KbAH? A- + H+ BH+? B + H+
弱酸性电解质的分配系数弱碱性电解质的分配系数
B,弱电解物质萃取的影响因素
1) pH的大小；
2) Aa,Ab --- 脂溶性大小 ;
3) 温度是影响溶质分配系数和萃取速度的重要因素 。 选择适当的操作温度,有利于目标产物的回收和纯化 。 但由于生物产物在较高温度下不稳定,故萃取操作一般在常温或较低温度下进行 。
4) 其他因素,无机盐的存在可降低溶质在水溶液中的溶解度,有利于萃取 。 维生素 B12 ---- 硫酸铵；青霉素 --- 氯化钠等 。
B(light phase)
B + H+ = BH+(water)
AH(light phase)
AH = A- + H+(water)
5 弱电解质的分配平衡青霉素 (light phase)
青霉素 = 青霉素 - + H+(water)
C,应用
1） 青霉素萃取青霉素是有机酸,pH值对其分配系数有很大影响 。 很明显,在较低 pH
下有利于青霉素在有机相中的分配,当 pH大于 6.0时,青霉素几完全分配于水相中 。 从图中可知,选择适当的 pH,不仅有利于提高青霉素的收率,还可根据共存杂质的性质和分配系数,提高青霉素的萃取选择性 。
2) 青霉素反萃取
5 弱电解质的分配平衡
C,应用
3） 红霉素萃取红霉素是碱性电解质,在乙酸戊酯和 pH9.8的水相之间分配系数为 44.7,而水相 pH降至 5.5时,
分配系数降至 14.4。
4） 红霉素反萃取反萃取操作同样可通过调节 pH
值实现 。 如,红霉素在 pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取,而反萃取则用 pH5.0的水溶液 。 红霉素 (light phase)
红霉素 + H+ = 红霉素 + (water)
6 化学萃取化学萃取目的由于氨基酸 aa和一些极性较大的抗生素的水溶性很强,在有机相中的分配系数很小甚至为零,利用一般的物理萃取效率很低,甚至无法萃取 。
这种情况可用化学萃取解决 。
事例说明
6 化学萃取 (以 aa为例 )
A,阴离子交换萃取 (如季铵盐类氯化三辛基甲铵 TOMAC)
机理：
计算：
aa-离子交换需在高于其 pI的 pH范围内进行,故上式中 [H+]2可忽略,有其中
6 化学萃取 (以 aa为例 )
TOMAC萃取的影响因素
A,[H+]高,低,mA
B,[Cl-]高,低,KeCl,mCl mA
C,[R+Cl-]高,低,KeCl,mCl mA
D,aa物化性质,K2大小,mA
E,KeCl 高,低,mA
6 化学萃取 (以 aa为例 )
B,阳离子交换萃取机理,在 有机相中,二 (2-乙基已基 )磷酸 (简称 D2EHA,记作 HR)通过氢键以 (HR)2形式存在 。 当 aa与 (HR)2的摩尔比很小时,两个 (HR)2与一个 aa+发生离子交换反应,释放 H+
计算：
故 (由于 aa+离子交换需在小于其 pI的 pH内进行,上式中的 [A-]可忽略 )
6 化学萃取 (以 aa为例 )
阳离子交换萃取的影响因素
A,[H+]高,低,mA
B,[(HR)2]高,低,mA
C,aa的物化性质 K1,mA
D,KeH大小,mA
6 化学萃取
C,应用
1),碱性 aa的萃取,Arg
2),酸性 aa的萃取,Phe
3),aa之间的萃取分离
Arg- + R+Cl- = R+Arg- + Cl-(organic)
K2 K1
Arg- + H+ = Arg = Arg+ + OH-(water)
Phe+ + 2(HR)2 = Phe-R(HR)2 + H+(organic)
K1 K2
Phe+ + OH- = Phe = Phe- + H+(water)
A)、利用化学萃取剂达到分离
B)、多级萃取分离
6 化学萃取
C,应用
4）,链霉素萃取在中性条件下,链霉素 与 月 桂 酸
[CH3(CH2)10COOH] 可形成易溶于丁醇,乙酸丁酯和异辛醇的复合物 。
反萃取,此复合物在酸性
(pH5.5-5.7)条件下可分解 。 因此用酸性水溶液进行反萃取,使复合物分解,链霉素重新溶于水相中 。
链霉素 + + 月桂酸 = 链霉素月桂酸 + H+
(organic)
链霉素 + + OH- = 链霉素
(water)
6 化学萃取
C,应用
5）,柠檬酸萃取柠檬酸在酸性条件下与磷酸三丁酸反应生成中性络合物,
该各性络合物易溶于有机相 。
然后,反萃取 。 柠檬酸 +磷酸三丁酸 =柠檬酸 -磷酸三丁酸
(organic)
柠檬酸 = 柠檬酸 - + H+ (water)
柠檬酸 3-
Ca2+
柠檬酸钙
CO32-
柠檬酸 3- + 碳酸钙缺点：
A 消耗大量钙盐
B 消耗大量可溶性碳酸盐
C 产生大量钙盐
D 回收率低
6 化学萃取
C,应用
6）,青霉素 萃取青霉素为有机酸,可与四丁胺,正十二烷胺等脂肪碱通过离子键结合而容易溶于 氯仿 中 。 因此,对于在一定 pH下容易物理分配于有机相中的目标产物 (如青霉素 ),可通过加入萃取剂,增大其在不同的 pH的水相中对有机相的分配系数,使其在稳定性高的 pH下进行萃取操作 。
青霉素 - + 四丁胺 =青霉素 -四丁胺 + +
OH-(light phase)
青霉素 - + H+ = 青霉素 (water phase)
7 有机溶剂或稀释剂的选择选择原则,根据相似相溶的原理 (最重要参数：介电常数,极性 ),选择与目标产物性质相近的萃取剂,可以得到较大分配系数 。 此外,有机溶剂还应满足以下要求：
1),价廉易得；
2),与水相不互溶；
3),与水相有较大的密度差,并且粘度小,表面张力适中,相分散和相分离较容易；
4),容易回收和再利用；
5),毒性低,腐蚀性小,闪点低,使用安全；
6),不与目标产物发生反应 。
常用于抗生素类萃取剂有：丁醇等醇类,乙酸乙酯,乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯类以及甲异丁基甲酮 （ methyl isobutyl ketone） 等 。
化学萃取 aa的稀释剂主要有,煤油,乙烷,异辛烷,正十二烷等 。
8 乳化现象乳化,
水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象 。 常常发生在实际发酵产物的萃取操作中 。 产生乳化后使有机相和水相分层困难,出现两种夹带,① 发酵液中夹带有机溶剂微滴,使目标产物受到损失； ② 有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难 。
产生原因：
是发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质,这些物质具有表面活剂性的作用,使有机溶剂和水的表面张力降低,
水易于以微小液滴的形式分散于油相称为油包水型 W/O乳浊液；相反,为 O/W型乳浊液 。
8 乳化现象乳化处理
1),在操作前,对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理,可除去大部分蛋白质及固体微粒,防止乳化现象的发生 。
2),乳化产生后,采取适当的破乳手段 。
A 如果乳化现象不严重,可采用过滤或离心沉降的方法 。
B 对于 O/W型乳浊液,加入亲油性表面活性剂,可使乳浊液从 O/W型转变成 W/O型,但由于溶液条件不允许 W/O型乳浊液的形成,即乳浊液不能存在,从而达到破坏的目的 。
C 相反,对于 W/O型乳浊液,加入亲水性表面活性剂,如
SDS可达到破乳的目的 。
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1 分类
2 优点
3 操作的一般过程
4 分配定律与分配平衡
5 萃取的基本理论
5.1 弱电解质的分配平衡
5.2 化学萃取平衡
5.3 溶剂萃取操作
6 萃取过程设计
6.1 混合 -澄清式萃取
6.2 多级错流接触萃取
6.3 多级逆流接触萃取
6.4 分馏萃取
1 分 类按参与溶质分配的两相不同而分为液 -液萃取 (liquid-liquid extraction)
液 -固萃取 (liquid-solid extraction)
固相萃取 (solid phase extraction,SPE)
双水相萃取 (two water phase extraction)
超临界流体萃取 (supercritical fluid extraction)
按原理不同分为传统萃取技术溶剂液 -液萃取液 -固萃取固相萃取双水相萃取液膜萃取 (liquid membrane extraction)
反胶团萃取 (reversed micellar extraction)
超临界萃取
2 优 点
1 萃取过程具有选择性
2 能与其他纯化方法相配合
3 通过相转移,减少目标产物的降解
4 规模放大极为容易
5 传质快,生产周期短
6 便于连续操作,易于计算机控制
7 无相变,能耗低,成本低
8 方法成熟,易于设计
3 操作的一般过程萃取 (Extraction)：
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得到纯化或浓缩的方法称为萃取 。
萃取剂 (extractant),轻相 (light phase),萃取相
(solvent phase),萃余相,重相 (heavy phase)。
液液萃取：
以液体为萃取剂,当含有目标产物的原料也为液体时,则为液液萃取 。
液固萃取或浸取 （ Leaching）,
含有目标产物的原料为固体,则为液固萃取 。
萃取速率可用下式表示：
c,料液相溶质浓度 (mol/l),c*,与萃取相中的溶质浓度呈相平衡的料液相溶浓度 (mol/l),t,时间
(s),k,传质系数 (m/s),a,以料液相体积为基准的相间接触比表面积 (m-1)
3 操作的一般过程反萃取 (Backextraction)：
当萃取操作后,为进一步纯化目标产物或便于下步分离操作,往往需要将目标产物转移到水相 。 这种调节水相条件,将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取 。
3 操作的一般过程洗涤操作 (washing processing),对于一个完整的萃取过程,常在萃取和反萃取之间增加洗涤操作萃取 – 洗涤 – 反萃取
3 操作的一般过程物理萃取,溶质根据相似相溶的原理在两相间达到分配平衡,萃取剂与溶质之间不发生化学反应 。 例如,用乙酸丁酯萃取青霉素 。
化学萃取,用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相的分配 。 萃取剂与溶质之间的化学反应,包括离子交换和络合反应等 。 如用萃取剂季铵盐 (氯化三辛基甲铵,R+Cl-)萃取氨基酸 A-。
稀释剂 (diluent),化学萃取中通常用煤油,已烷,和苯等溶解萃取剂,
改善萃取相的物理性质,此时的有机溶剂称为稀释剂 。
4 分配定律与分配平衡分配定律 (distribution law)
在恒温恒压下,溶质在互不相溶的两相中达到分配平衡时,溶质在两相中的平衡浓度之比为常数适应条件,相同分子形态 （ 相对分子质量相同 ）
存在于两相中的溶质浓度之比 。 不适合于化学萃取,因溶质在各相中并非以同一种分子形态存在 。
分配系数 (distribution coefficient)或 分配比溶质在两相中的总浓度之比适应条件：高低浓度线性平衡：
适应条件：低浓度
Langmuir型平衡适应条件：高低浓度
a,b和 n为常数
5 弱电解质的分配平衡
A,弱电解质的萃取理论弱碱和弱酸的解离平衡关系分别为,AH(light phase)
Ka KbAH? A- + H+ BH+? B + H+
AH = A- + H+(water)
弱酸性电解质的分配系数弱碱性电解质的分配系数
）
5 弱电解质的分配平衡弱碱和弱酸的解离平衡关系分别为：
Ka KbAH? A- + H+ BH+? B + H+
弱酸性电解质的分配系数弱碱性电解质的分配系数
B,弱电解物质萃取的影响因素
1) pH的大小；
2) Aa,Ab --- 脂溶性大小 ;
3) 温度是影响溶质分配系数和萃取速度的重要因素 。 选择适当的操作温度,有利于目标产物的回收和纯化 。 但由于生物产物在较高温度下不稳定,故萃取操作一般在常温或较低温度下进行 。
4) 其他因素,无机盐的存在可降低溶质在水溶液中的溶解度,有利于萃取 。 维生素 B12 ---- 硫酸铵；青霉素 --- 氯化钠等 。
B(light phase)
B + H+ = BH+(water)
AH(light phase)
AH = A- + H+(water)
5 弱电解质的分配平衡青霉素 (light phase)
青霉素 = 青霉素 - + H+(water)
C,应用
1） 青霉素萃取青霉素是有机酸,pH值对其分配系数有很大影响 。 很明显,在较低 pH
下有利于青霉素在有机相中的分配,当 pH大于 6.0时,青霉素几完全分配于水相中 。 从图中可知,选择适当的 pH,不仅有利于提高青霉素的收率,还可根据共存杂质的性质和分配系数,提高青霉素的萃取选择性 。
2) 青霉素反萃取
5 弱电解质的分配平衡
C,应用
3） 红霉素萃取红霉素是碱性电解质,在乙酸戊酯和 pH9.8的水相之间分配系数为 44.7,而水相 pH降至 5.5时,
分配系数降至 14.4。
4） 红霉素反萃取反萃取操作同样可通过调节 pH
值实现 。 如,红霉素在 pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取,而反萃取则用 pH5.0的水溶液 。 红霉素 (light phase)
红霉素 + H+ = 红霉素 + (water)
6 化学萃取化学萃取目的由于氨基酸 aa和一些极性较大的抗生素的水溶性很强,在有机相中的分配系数很小甚至为零,利用一般的物理萃取效率很低,甚至无法萃取 。
这种情况可用化学萃取解决 。
事例说明
6 化学萃取 (以 aa为例 )
A,阴离子交换萃取 (如季铵盐类氯化三辛基甲铵 TOMAC)
机理：
计算：
aa-离子交换需在高于其 pI的 pH范围内进行,故上式中 [H+]2可忽略,有其中
6 化学萃取 (以 aa为例 )
TOMAC萃取的影响因素
A,[H+]高,低,mA
B,[Cl-]高,低,KeCl,mCl mA
C,[R+Cl-]高,低,KeCl,mCl mA
D,aa物化性质,K2大小,mA
E,KeCl 高,低,mA
6 化学萃取 (以 aa为例 )
B,阳离子交换萃取机理,在 有机相中,二 (2-乙基已基 )磷酸 (简称 D2EHA,记作 HR)通过氢键以 (HR)2形式存在 。 当 aa与 (HR)2的摩尔比很小时,两个 (HR)2与一个 aa+发生离子交换反应,释放 H+
计算：
故 (由于 aa+离子交换需在小于其 pI的 pH内进行,上式中的 [A-]可忽略 )
6 化学萃取 (以 aa为例 )
阳离子交换萃取的影响因素
A,[H+]高,低,mA
B,[(HR)2]高,低,mA
C,aa的物化性质 K1,mA
D,KeH大小,mA
6 化学萃取
C,应用
1),碱性 aa的萃取,Arg
2),酸性 aa的萃取,Phe
3),aa之间的萃取分离
Arg- + R+Cl- = R+Arg- + Cl-(organic)
K2 K1
Arg- + H+ = Arg = Arg+ + OH-(water)
Phe+ + 2(HR)2 = Phe-R(HR)2 + H+(organic)
K1 K2
Phe+ + OH- = Phe = Phe- + H+(water)
A)、利用化学萃取剂达到分离
B)、多级萃取分离
6 化学萃取
C,应用
4）,链霉素萃取在中性条件下,链霉素 与 月 桂 酸
[CH3(CH2)10COOH] 可形成易溶于丁醇,乙酸丁酯和异辛醇的复合物 。
反萃取,此复合物在酸性
(pH5.5-5.7)条件下可分解 。 因此用酸性水溶液进行反萃取,使复合物分解,链霉素重新溶于水相中 。
链霉素 + + 月桂酸 = 链霉素月桂酸 + H+
(organic)
链霉素 + + OH- = 链霉素
(water)
6 化学萃取
C,应用
5）,柠檬酸萃取柠檬酸在酸性条件下与磷酸三丁酸反应生成中性络合物,
该各性络合物易溶于有机相 。
然后,反萃取 。 柠檬酸 +磷酸三丁酸 =柠檬酸 -磷酸三丁酸
(organic)
柠檬酸 = 柠檬酸 - + H+ (water)
柠檬酸 3-
Ca2+
柠檬酸钙
CO32-
柠檬酸 3- + 碳酸钙缺点：
A 消耗大量钙盐
B 消耗大量可溶性碳酸盐
C 产生大量钙盐
D 回收率低
6 化学萃取
C,应用
6）,青霉素 萃取青霉素为有机酸,可与四丁胺,正十二烷胺等脂肪碱通过离子键结合而容易溶于 氯仿 中 。 因此,对于在一定 pH下容易物理分配于有机相中的目标产物 (如青霉素 ),可通过加入萃取剂,增大其在不同的 pH的水相中对有机相的分配系数,使其在稳定性高的 pH下进行萃取操作 。
青霉素 - + 四丁胺 =青霉素 -四丁胺 + +
OH-(light phase)
青霉素 - + H+ = 青霉素 (water phase)
7 有机溶剂或稀释剂的选择选择原则,根据相似相溶的原理 (最重要参数：介电常数,极性 ),选择与目标产物性质相近的萃取剂,可以得到较大分配系数 。 此外,有机溶剂还应满足以下要求：
1),价廉易得；
2),与水相不互溶；
3),与水相有较大的密度差,并且粘度小,表面张力适中,相分散和相分离较容易；
4),容易回收和再利用；
5),毒性低,腐蚀性小,闪点低,使用安全；
6),不与目标产物发生反应 。
常用于抗生素类萃取剂有：丁醇等醇类,乙酸乙酯,乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯类以及甲异丁基甲酮 （ methyl isobutyl ketone） 等 。
化学萃取 aa的稀释剂主要有,煤油,乙烷,异辛烷,正十二烷等 。
8 乳化现象乳化,
水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象 。 常常发生在实际发酵产物的萃取操作中 。 产生乳化后使有机相和水相分层困难,出现两种夹带,① 发酵液中夹带有机溶剂微滴,使目标产物受到损失； ② 有机溶剂中夹带发酵液给后处理操作带来困难 。
产生原因：
是发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质,这些物质具有表面活剂性的作用,使有机溶剂和水的表面张力降低,
水易于以微小液滴的形式分散于油相称为油包水型 W/O乳浊液；相反,为 O/W型乳浊液 。
8 乳化现象乳化处理
1),在操作前,对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理,可除去大部分蛋白质及固体微粒,防止乳化现象的发生 。
2),乳化产生后,采取适当的破乳手段 。
A 如果乳化现象不严重,可采用过滤或离心沉降的方法 。
B 对于 O/W型乳浊液,加入亲油性表面活性剂,可使乳浊液从 O/W型转变成 W/O型,但由于溶液条件不允许 W/O型乳浊液的形成,即乳浊液不能存在,从而达到破坏的目的 。
C 相反,对于 W/O型乳浊液,加入亲水性表面活性剂,如
SDS可达到破乳的目的 。
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