第九章 萃取过程与设备 萃取操作是利用物质溶解于某种液体的一种提取方法。将选定的某种溶剂加入到混合物中，因混合物中的各组分在同种溶剂中的溶解度不同，因此就可将所需提取的组分加以分离出来，这个操作过程叫做萃取。 在生物合成工业上，萃取是一个重要的提取方法和分离混合物的单元操作。这是因为萃取法具有：①传质速度快、生产周期短，便于连续操作、容易实现自动控制；②分离效率高、生产能力大等一系列优点，所以应用相当普遍；③能量消耗较少，设备投资费用不高；④采用多级萃取可使产品达到较高纯度，便于下一步处理，减少以后工序的设备和操作费用。 若萃取的混合物料是液体，则此过程是液—液萃取。至于哪些产品可以采用萃取方法来提取，主要是根据物料的理化性质来决定：首先应该了解需要提取的产品是极性化合物还是非极性化合物，如果水溶液是极性化合物，一般可以采用离子交换方法提取较为有利；非极性的化合物，可以采用萃取法提取；非水溶性化合物或既能溶于水又能溶于溶剂的极性化合物，也可以采用萃取法提取。常用的萃取方法有溶媒萃取法、双水相萃取法和超临界萃取法。 如果被处理的物料是固体，则此过程称为液—固萃取（也称为提取或浸取），即应用溶液将固体原料中的可溶组分提出来的操作。进行浸取的原料，多数情况下是溶质与不溶性固体所组成的混合物。溶质是浸取所需的可溶组分。对于在溶剂中不溶解的固体，称为载体或惰性物质。液－固萃取广泛应用于生物质原料中有效成分的提取中。进行提取的生物质原料大多是植物，由于植物组织的复杂、多样性，使提取过程很复杂，其中包括溶剂将湿润原料，可溶性物质溶解，物质在原料内部扩散，物质从原料表面向溶液扩散等。 超临界萃取过程是介于蒸馏和液－液萃取过程之间的分离过程。蒸馏是物质在流动的气体中，利用不同的蒸汽压进行蒸发分离；液－液萃取是利用溶质在不同的溶液中溶解能力的差异进行分离；而超临界流体萃取是利用临界或超临界状态的流体，使被萃取的物质在不同的蒸汽压力下所具有的不同化学亲和力和溶解能力进行分离、纯化的操作，即此过程同时利用了蒸馏和萃取的现象——蒸汽压和相分离均在起作用。 第一节 液—液萃取分离过程与设备 一、液-液萃取分类 溶媒萃取法是用一种溶剂将物质从另一种溶剂中提取出来的方法，这两种溶剂不能互溶或只部分互溶，能形成便于分离的两相，利用混合物中不同组分在同种溶剂中的溶解度不同，而将所需要的组分分离出来。溶剂萃取法又分为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规律。 （一）物理萃取 在溶剂萃取中，被提取的溶液称为料液，其中欲提取的物质称为溶质，而用以进行萃取的溶剂称为萃取剂。经接触分离后，大部分溶质转移到萃取剂中，得到的溶液称为萃取液，而被萃取除溶质以后的料液称为萃余液。将萃取剂和料液放在萃取器中，经充分振荡，静置待分层形成两相，即萃余相和萃取相，进行萃取的体系是多相多组分体系。在一个多组分两相体系中，溶质自动地从化学位大的一相转移到化学位小的一相，其过程是自发进行的。 分配定律的应用条件：①必须是稀溶液；②溶质对溶剂的互溶度没有影响；③溶质在两相中必须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。 （二）化学萃取 在物理萃取（简单分子萃取）中，Ｎerst 分配定律定量描述了某一溶质在两个互不混溶的液相中，其化学状态相同时的平衡分配规律。与物理萃取不同，对于许多液－液萃取体系，在萃取过程中常伴随有化学反应，包括相内反应与相界面上的反应。这类萃取统称为化学萃取（反应萃取）。 化学萃取是伴有化学反应的传质过程。根据溶质与萃取剂之间发生的化学反应机理，大致可分为五类，即络合反应、阳离子交换反应、离子缔合反应、加合反应和带同萃取反应等。 1．络合反应萃取 在此萃取反应中，溶质和萃取剂皆是中性分子，两者通过络合反应结合成为中性溶剂络合物后进入有机相。进行络合反应的萃取剂主要是中性含磷萃取剂、中性含硫和含氧萃取剂。其中应用最广的为磷酸三丁酯（TBP），结构为（C4H9O）3PO。 2．阳离子交换反应萃取 此类萃取反应中萃取剂为一弱酸性有机化合物，溶质在水相中以络离子形式存在，萃取时，水相中溶质的阳离子取代出萃取剂中的氢离子，故称为阳离子交换反应萃取。其中最重要的为一元酸，如我国生产的萃取剂Ｐ204和Ｐ507，Ｐ204即二（2-乙基己基）磷酸，Ｐ507即异辛基膦酸单异辛酯。 3．离子缔合反应萃取 这类萃取有两种情况：一是溶质离子在水相中形成络阴离子，萃取剂与氢离子结合成阳离子，两者通过离子缔合反应构成离子缔合物而进入有机相，称为阴离子萃取；另一情况是溶质的阳离子与螯合性萃取剂结合成螯合阳离子，然后与水相中存在的较大阴离子通过离子缔合反应构成离子缔合物而进入有机相，称为阳离子萃取。 4．加合反应萃取（协同萃取） 萃取体系中含有两种或两种以上萃取剂，如被萃取组分的分配系数显著大于每一萃取剂（浓度及其它条件皆相同）单独使用时的分配系数之和，即为加合反应萃取。 5．带同萃取反应 某一溶质不被萃取或很少被萃取，但当其与另一溶质同时被萃取时，它却能被萃取或者分配系数显著增大，这种现象称为带同萃取。 二、液-液萃取过程与计算 工业上萃取操作包括三个步骤：1、混和—料液和萃取剂充分混合形成乳浊液；2、分离—将乳浊液分成萃取相和萃余相；3、溶煤回收。混合通常在搅拌罐中进行；也可以将料液和萃取剂以很高的速度在管道内混合，湍流程度很高，称为管道萃取，也有利用在喷射泵内涡流混合进行萃取的称为喷射萃取。分离通常利用离心机（碟片式或管式）。近来也有将混合和分离同时在一个设备内完成的，例如波德皮尔尼克萃取机、阿法—拉伐萃取机等各种萃取设备。 对于利用混合—分离器的萃取过程，按其操作方式分类，可以分为单级萃取和多级萃取，后者又可以分为错流萃取和逆流萃取，还可以将错流和逆流结合起来操作。 （一）单级萃取 单级萃取只包括一个混合器和一个分离器。料液F和溶剂S加入混合器中经接触达到平衡后，用分离器分离得到萃取液L和萃余液R。如分配系数为K，料液的体积为VF，溶媒的体积为VS，则经过萃取后，溶质在萃取相与萃余相中数量之比值为  式中 ——萃取因素。 由E可求得未被萃取的分率和理论收得率1-：   （二）多级错流萃取 在此法中，料液经萃取后，萃取液再与新鲜萃取剂接触，再进行萃取。图9-1表示三级错流萃取过程，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，也同样用新鲜萃取剂进行萃取。此法特点在于每级中都加溶媒，故溶媒消耗量大，而得到的萃取液平均浓度较稀，但萃取较完全。  经一级萃取后，未被萃取的分率为：  经二级萃取后：  依次类推，经n级萃取后，未被萃取的分率为  （9-1） 而理论收得率为  在计算时，可以用图9-2代替式9-1比较方便。 由此可见，在萃取剂用量一定的情况下，萃取次数愈多，萃取愈完全。  （三）多级逆流萃取 在多级逆流萃取中，在第一级中加入料液，并逐渐向下一级移动，而在最后一级中加入萃取剂，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（图9-3）。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，萃取剂的消耗量较少，因而萃取液平均浓度较高。  如求多级逆流萃取的理论收得率，设共有n级，图9-3中每一方框代表一级，包括一个混合器和一个分离器。 令Qk代表第K级中溶质总量（包括萃取相和萃余相），如为连续操作，则表示单位时间内通过第K级的溶质总量。 先求相邻三级K-1，K，K+1级中所含溶质总量QK-1，QK，和QK+1之间的关系。 自第（K+1）级进入第K级的溶质的量为，而自第（K-1）级进入第K级的量为，两者之和应等于Qk，故有 +=Qk 即  对于第1级，有  （9-2） 对于第2级，有  以式（9-2）代入上式，并化简可得  （9-3） 根据式（9-2，9-3）依次类推，可以得到  （9-4） 在式（9-4）中，设n为n-1，可得  （9-5） 对于第n级  其中F代表料液中溶质的量，以式9-4，9-5代入上式，并化简得  （9-6） 未被萃取的分率为（1/E+1）·Q1/F，以式9-6代入，得  （9-7） 而理论收得率  （9-8） 和错流萃取一样，式9-8也可以用图来表示（图9-4）。  三、液-液萃取中的乳化问题 液—液提取中常遇到乳化问题，影响提取分离操作的进行。一般形成乳状液要有互不相溶的两相溶剂、外力、界面活性物质（植物成分如皂甙、蛋白质、植物胶等都是表面活性物质）等几个条件。形成乳状液液滴界面上由于感受表面活性物质或固体粉粒的存在而形成了二层牢固的带有电荷的膜（固体粉粒膜不带电荷）因而阻碍液滴的聚结分层。乳状液虽有一定的稳定性，但乳状液具有高的分散度，表面积大，表面自由能高，是一个热力学不稳定体系，它有聚结分层，降低体系能量的趋势。 破乳就是利用其不稳定性，削弱破坏其稳定性，使乳状液破坏。破乳的原理主要是破坏它的膜和双电层，按其方法分为： 变型法：针对乳状液类型和界面活性剂的类型，加入相反的界面活性剂，使乳状液转型，在未完全转型的过程中将其破坏。 反应法：如已知乳化剂种类，可加入能与之反应的试剂，使之破坏沉淀。如皂类乳化剂加入酸，钠皂加入钙盐等。对离子型乳化剂，因其稳定性主要是其双电层维持，可以加入高价电解质，破坏其双电层和表面电荷，使乳状液破坏。 物理法：加热是常使用的方法。 离心法：主要是利用比重差异促使分层。离心和抽滤中不可忽视一个个液滴压在一起的重力效应，它足以克服双电层的斥力促进凝聚。 四、液-液萃取设备结构 萃取操作的设备包括混合设备和分离设备两类及兼有混合和分离两种功能的设备。 （一）混合设备 传统的混合设备是搅拌罐，利用搅拌将料液和萃取剂相混和。其缺点为间歇操作，停留时间较长，传质效率较低。但由于其装置简单，操作方便，仍广泛应用于工业中，较新的混合设备有下列三种。 1．管式混合器 它的工作原理主要是使液体在一定流速下在管道中形成湍流状态。因为液体在管道中流动时不外乎两种流态，即滞流和湍流。所谓滞流是指在同一截面上的不同点的流体的流动方向是相互平行的；而在湍流时，各点的运动方向是不规则的，易于达到混合。－般来说，管道萃取的效率比搅拌罐萃取来得高，且为连续操作。 2．喷嘴式混合器 喷嘴式混合器是利用工作流体在一定压力下经过喷嘴以高速度射出，当流体流至喷嘴时速度增大，压力降低产生真空，这样就将第二种液体吸入达到混合目的。见图9-5。喷嘴式混合器的优点是体积小，结构简单，使用方便。但由于其产生的压力差小，功率低，还会使液体稀释等缺点，所以在应用方面受到一定限制。  3．气流搅拌混合罐 气流搅拌混合罐是将空气通入液体介质，借鼓泡作用发生搅拌。这是搅拌方法中简单的一种，特别适用于化学腐蚀性强的液体，但不适于搅拌挥发性强的液体。 （二）分离设备 液－液萃取的分离主要依靠两相液体的重度不同，在离心力的作用下，将液体分离。 离心分离机可分为高速分离机和超速离心机两种。高速离心机一般指碟片式，其转速4000~6000转／分，例如前西德的OEP－10006、前苏联的Cak－3和美国的Delaval。超速离心机的转速在10000转／分以上，－般为管式离心机，有国产的GF－105型、1280型，前苏联的CTC－100型及150型，美国的Sharpler等。对于含固体量较多的发酵液还可以用倾析式离心机。最近发展的三相倾析式离心机可同时分离重液、轻液和固体，已开始应用于生物技术中。 1．碟片式离心机 此类离心机适用于分离乳浊液或含少量固体的乳浊液。其结构大体可分为三部分：第－部分是机械传动部分；第二部分是由转鼓碟片架、碟片分液盖和碟片组成的分离部分；第三部分是输送部分，在机内起输送已分离好的两种液体的作用，由向心泵等组成。 OEP－10006离心机的工作原理：欲分离的料液自碟片架顶加入，进入转鼓后，因离心力之故，料液便经过碟片架底部之通道流向外围，固体渣子被甩向鼓壁。转鼓内有一叠碗盖形金属片，俗称为碟片（如图9-6），每片上各有二排孔，它们至中心的距离不等，这样将碟片叠起来时便形成二个通道。碟片之间间隙至少为欲分离的最大固体颗粒直径的两倍。因离心作用，液体分流于各相邻二碟片之间的空隙中，而且在每一层空隙中，轻液流向中心，重液流向鼓壁，于是轻重液分开，最后分别借向心泵输出（图9-6）。底部碟片和其他碟  片不同，只有一排孔。但底片有两种，区别在于孔的位置不同，分别和其他碟片上二排孔的位置相对应。应按轻重液的比例不同而选用不同的底片。见图9-7（ａ）和（ｂ）。  为了方便清洗和检修转鼓，在设备主体外面装有升降器，以此吊装转鼓。 2．管式离心机 根据离心力与转鼓半径和转速的平方都成正比的关系，要提高离心力可以增加转速，但转鼓所受的离心应力大大增加。为了避免转鼓所受的应力增加过大，保证设备的坚固性，只有适当地减少转鼓半径R值，如果鼓径由100mm减到10mm，其转速可由每分钟1500转增加到50000转。管式离心机就是根据上述原理制成的，它适合于分离颗粒微细的乳浊液。见图9-8。 国产GF－105超速离心机的工作原理：料液由底部进入转鼓内，筒内有沿辐射方向排列的三角档板，可以带动液体与转筒以同－速度旋转。在离心力作用下，料液分层，重液在外，轻液在内。重液沿筒壁和档板的外侧向上流动，经出口流出。轻液沿三角档板的中心内侧由另一出口流出。由液体中分离出的固体物则附着于筒壁，经一定时间后停车清洗。 超速离心机具有构造简单、紧凑和维修方便等优点，但生产能力小是其缺点。国产GF-105超速离心机生产能力为1T/h。国产GF-105超速离心机的一些参数： 转鼓内径：110ｍｍ； 转鼓高度：85mm； 工作容积：8L； 转速：15000rpm； 生产能力：1000L/h。  （三）离心萃取机 当参与萃取的两液体密度差很小，或界面张力甚小而易乳化，或粘度很大时，两相的接触状况不佳，特别是很难靠重力使萃取相与萃余相分离，这时可以利用比重力大得多的离心力来完成萃取所需的混合和澄清两过程。 1．a-Laval ABE-216离心萃取机的结构及工作原理 ABE-216离心萃取机（图9-9）的主要组成部分为高速旋转的转鼓，转鼓中有11个同心圆筒，从中心往外排列顺序为第1、2、3……11同心圆筒，每个筒均在一端开孔，单数筒的孔在下端，双数筒在上端。第1、2、3筒的外圆柱上各焊有8条钢筋，第4~11筒的外圆柱上均焊有螺旋形的钢带，将筒与筒之间的环形空间分隔成螺旋形通道。第4~10筒的螺旋形钢带上开有不同大小的缺口，使螺旋形长通道中形成很多短路。在转鼓的两端各有轻重液的进出口。重液进入转鼓后，经第4筒上端开孔进入第5筒，沿螺旋形通道往外顺次流经各筒，最后由第11筒经溢流环到向心泵室，被向心泵排出转鼓。轻液由装于主轴端部的离心泵吸入，从中心管进入转鼓，流至第10筒，从其下端进入螺旋形通道，向内顺次流过各筒，最后从第1筒经出口排出转鼓。转鼓两端有轻重液的进出口装置和机械传动部分，整个设备结构比较紧凑，但比较复杂。见图9-10。   2．倾析式离心机（decanter centrifuge） 三相倾析式离心机可同时分离重液、轻液和固体，主要应用于生物技术中。倾析器（decanter）是80年代首先由前西德的Ｗestfalia公司研制的新型设备，英国Beecham（比切姆）公司、日本东洋酿造公司己将其用于青霉素生产。 （1）结构与特点 逆流萃取倾析器是具有圆锥形转鼓的高速度离心萃取分离机。它由圆柱－圆锥形转鼓及螺旋输送器、差速驱动装置、进料系统、润滑系统及底座组成。作为萃取机与通常卧式螺旋离心机的不同点是，该机在螺旋转子柱的两端分别设计配制有调节环和分离盘，以调节轻重相界面，并在轻相出口处配有向心泵，在泵的压力作用下，将轻液排出。进料系统上设有中 心套管式复合进料口，使轻重二相均由中心进入。且在中心管和外套管出口端分别配置了轻相分布器和重相布料孔，其位置是可调的，通过二者位置可把转鼓柱端分为重相澄清区、逆流萃取区和轻相澄清区。 倾析器运转过程中监测手段较齐全，自动控制程度较高：倾析器转鼓前后轴承温度系用数字温度显示；料液pＨ值的控制靠玻璃电极，发酵液流量的控制靠电磁流量变送器；破乳剂、新鲜醋酸丁醋、低单位醋酸丁醋等料液流量的变化靠控制器控制气动薄膜阀等，从而达到要求的流量。 （2）倾析器的工作原理 转鼓与螺旋输送器在摆线针形行星宙轮的带动下（图9-11、图9-12），以一定的差转速同时高速旋转，形成一个大于重力场数千倍的离心力场。料液从重相进料管进入转鼓的逆流萃取区后受到离心场的作用，在此与中心管进入的轻相相接触，迅速完成相之间的物质转移和液－液固分离，固体渣子沉积于转鼓内壁，借助于螺旋转子缓慢推向转鼓锥端，并连续地排出转鼓。而萃取液则由转鼓柱端经调节环进入向心泵室，借助向心泵的压力排出。 表9-1 国产LC-500和ABE-216离心萃取机的比较 项目 内容 LC-500 ABE-216  转鼓内径，mm 500 550  转鼓转速，rpm 4700 6408  容量，L 61 70  开孔数 40~50 90~95  孔直径，mm 8 6~9  开孔面积，cm2 20~70 27~57  流道截面积，cm2 24.8~57.8 螺旋带无缺口 9.8~23.3 螺旋带有缺口  处理量，L/h 4 5~6  转鼓寸渣量 轻重液澄清区渣子较少，停车时可用高流水冲走 轻重液澄清区均有渣子，停车时用高流水冲不出来  青霉素萃取收率，% 89.5 90.0     第二节 双水相萃取 溶剂萃取法用于提取生物大分子（蛋白质、核酸等）可能带来生物物质的不可逆变性失活，而且有些蛋白质有很强的亲水性，很难溶于有机溶剂中，因此，有机溶剂用于这类物质的提取是有困难的。对于这类物质的萃取通常采用双水相萃取体系。 双水相系统形成的两相均是水溶液，它特别适用于生物大分子和细胞粒子。不同的高分子溶液相互混合可产生两相或多相系统，如葡聚糖（Dextran）与聚乙二醇（PEG）按一定比例与水混合，溶液混浊，静置平衡后，分成互不相溶的两相，上相富含PEG，下相富含葡聚糖。许多高分子混合物的水溶液都可以形成多相系统。早在1896年，Beijierinck发现，明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉的水溶液混合，形成的胶化乳浊液可分成两相，上相含有大部分琼脂或可溶性淀粉，而大量的明胶则聚集于下相。 当两种高聚物水溶液相互混合时，它们之间的相互作用可以分为3类：①互不相溶（incompatibility），形成两个水相，两种高聚物分别富集于上、下两相；②复合凝聚（complex coacervation），也形成两个水相，但两种高聚物都分配于一相，另一相几乎全部为溶剂水；⑧完全互溶（complete miscibility），形成均相的高聚物水溶液。离子型高聚物和非离子型高聚物都能形成双水相系统，同时高聚物与低分子量化合物之间也可以形成双水相系统，如聚乙二醇与硫酸铵或硫酸镁水溶液系统，上相富含聚乙二醇，下相富含无机盐。 一、双水相的形成 绝大多数亲水聚合物的水溶液，在与另一种亲水性聚合物混合并达到一定浓度时，就会形成两相，两种聚合物分别以不同的比例溶于互不相溶的两相中。如等量的1.1％的右旋糖酐和0.36％的甲基纤维素溶液混合，静止后形成两相，上相含右旋糖酐0.39％和甲基纤维素0.65％，下相含右旋糖酐1.58％和甲基纤维素0.15％。 当两种聚合物溶液混合时，能否分层或混合成一相，取决于两个因素，－为分子间作用力，另一为熵的增加。两种聚合物混合时熵的增加与所涉及的分子数有关，因此如以摩尔计算，小分子间与大分子间的混合，熵的增加是相同的。分子间的作用力应为分子中各基团间相互作用之和，分子越大，作用力也越大。由此可见，对大分子而言，若以摩尔为单位，则分子间的作用力与分子间的混合熵相比占主要地位，即决定混合的结果。 两种聚合物分子间如有斥力存在，同种分子会集聚在一起，而排斥异种分子，在达到平衡时，则有可能分成两相，两种分子分别进入不同的相，即前面所述的不相容现象。如果两种聚合物间存在引力，而且引力很强，如带有相反电荷的两种聚电解质之间，则会相互结合 存在于共同的相中。若两种聚合物之间不存在较强的斥力或引力，两者则能相互混合。发现某些聚合物溶液与一些无机盐溶液相混合时，只要浓度达到一定范围，也会形成两相，有人认为是盐析作用，如聚乙二醇（PEG）与碱性磷酸盐或硫酸盐之间形成的两相。 表9-2列举了各种典型的双水相系统。其中Ａ类为两种非离子型聚合物；Ｂ类为其中一 种带电荷的聚电解质；Ｃ类为两种均是聚电解质；Ｄ类为一种聚合物，另一种是无机盐。 用于生物物质分离的体系有PEG/葡聚糖和PEG/无机盐，这两种聚合物是无毒性的，它们的多元醇或多糖结构还能使高分子稳定。 表9-2 几种典型的双水相系统 类型 聚合物1 聚合物2或盐  A 聚丙二醇 聚乙二醇 聚乙烯醇 葡聚糖   聚乙二醇 聚乙烯醇 葡聚糖 聚乙烯吡咯烷酮  B DEAE葡聚糖.HCl 聚丙二醇NaCl 聚乙二醇LiSO4  C 羧甲基葡聚糖钠盐 羧甲基纤维素钠  D 聚乙二醇 聚乙二醇 聚乙二醇 磷酸钾 硫酸铵 硫酸钠   二、相图 水溶性两相的形成条件和定量关系常用相图来表示。图9-13所示是由两种聚合物和水组成的体系（如PEG／Dextran体系，这两种聚合物都能与水无限混合），以聚合物PEG的浓度（重量％）为纵坐标，以聚合物Dextran的浓度（重量％）为横坐标所作相图。只有在这两种聚合物达到一定浓度时才会形成两相。图中曲线TCB把均匀区域和两相区域分隔开来，称作双节线。处于双节线下面的区域时是均匀的，当它们的组成位于上面的区域时，体系才会分成两相。例如，点Ｍ代表整个系统的组成，轻相（或上相）组成用Ｔ点表示，重相（或下相）组成用Ｂ点表示。Ｔ、Ｍ、Ｂ三点在一条直线上，其连接的直线称系线，Ｔ和B代表成 平衡的两相，具有相同的组分，但体积比不同。若令VT、VＢ分别代表上相和下相体积，则有：  （9-9） 即服从于已知的杠杆规则。若总组成点在双节线的的下方，体系只能形成均一的一相。 在以上的双水相系统中，各种细胞、噬菌体等的分配系数或大于100，或小于0.01；蛋白质或酶的分配系数在0.1-10之间；无机盐的分配系数一般接近于1.0。这种不同物质分配系数的差异，构成了双水相萃取分离的基础。  三、双水相萃取过程的理论基础 （一）表面自由能的影响 蛋白质等生物大分子物质在两相中的分配也服从Nernst分配定律，即：  （9-10） 式中 ，——代表上相，下相中溶质（分子或粒子）的浓度。当相系统固定时，分配系数K为一常数，与溶质的浓度无关。 溶质的分配，总是选择两相中相互作用最充分或系统能量达到最低的那个相，根据两相平衡时化学位相等的原则，可以求得分配系数服从Brownstedt方程式，即：  （9-11） 式中 ——物质分子量； ——系统的表面特性系数； ——波尔兹曼常数； ——温度。 显然因大分子物质的M值很大，λ的微小改变会引起分配系数很大的变化，因此，利用不同的表面性质（表面自由能），可以达到分离大分子物质的目的。 （二）表面电荷的影响 如果粒子带有电荷，并在两相中分配不相等时，就会在相间产生电位。称为道南电位（Donnan Potential）。可用下式表示：  （9-12） 式中 ，——分别表示相2和相1的电位； ，——分别表示一种盐的正、负离子的离子价； ，——分别表示当正、负离子不带电时在两相间的分配系数； ——法拉第常数，F； ——气体常数，J/（mol·K）； ——温度，K。 当一种盐的正、负离子对两相有不同的亲和力，即与不相等时，就会产生电位差，正、负离子的离子价之和愈大，此电位差就愈小。电位差的变化，也会对分配系数产生影响。 综合以上两种影响分配系数的主要因素，可用Gerson提出的下列公式表示：  （9-13） 式中 α——表面积； ——两相表面自由能之差； ——电荷数； ——电位差； β——由标准化学位和活度系数等组成的常数。 从上式可见，分配系数和表面自由能与电位差成指数关系。由于影响分配系数的因数很多，加上各因素间又互有影响，因此目前尚不能定量地关联分配系数与能独立测定的蛋白质的一些分子性质之间的关系。最佳的操作条件，还得靠实验来得到。 （三）影响物质分配的因素 影响物质分配的因素主要有：聚合物及成相盐的种类及浓度、聚合物的平均分子量、体系的pH值及其他盐的种类及浓度、菌体或细胞的种类及含量、体系温度等。通过最适条件选择，可以达到较高的分配系数和选择性，从而分离和纯化了产物，包括直接从细胞破碎匀浆液中萃取蛋白质而无需将细胞碎片分离。改变体系的pH和电解质浓度可进行反萃取。 1．聚合物及其分子量的影响 不同聚合物，水相系统显示不同的疏水性，水溶液中聚合物的疏水性依下列次序递增：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＜丙三醇，这种疏水性的差别对目的产物与相的相互作用是重要的。 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方向，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。如双水相萃取糖化酶的结果（见表9-3）表明，PEG平均分子量增大，分配系数减少。当分子量为400时，K＞１，酶主要分布于上相，当分子量大于400时，Ｋ＜１，酶主要分布于下相。主要原因是随着PEG分子量的增大，其端基数目减小，因而疏水性增加，使糖化酶在上相的表面张力增大，而入＜0（见公式9－11）从而转入下相，为了使酶分布于上相，应选用分子量为400的PEG。 表9-3 PEG平均分子量对分配平衡的影响 系统 K R Y，%  PEG400（31.36%）-（NH4）2SO4（14.05%） 6.28 4.75 96.8  PEG1000（21.77%）-（NH4）2SO4（12.76%） 0.26 3.0  43.5  PEG4000（12.67%）-（NH4）2SO4（12.14%） 0.30 4.1  59.8  PEG6000（15.76%）-（NH4）2SO4（12.34%） 0.03 1.2  2.1   注：上表中K为分配系数，Y为产率，R为相体积。 2．系线长度对分配平衡的影响 相图中系线长度由组成的总浓度决定。在临界点附近，系线长度趋向于零，上相和下相的组成相同，因此，分配系数应该是１，随着聚合物和成相盐浓度增大，系线长度增加，上相和下相相对组成的差别就增大，产物如酶在两相中的表面张力差别也增大，这将会极大地影响分配系数，使酶富集于上相。 仍以PEG－（NH4）2SO4系统双水相萃取糖化酶为例，在（NH4）2SO4浓度固定不变的条件下，增加PEG400的浓度有利于酶在上相的分配，当PEG400浓度在25％~27％时，分配系数高达47.3，浓度过高则不利于酶的分配；在PEG400浓度固定为26％时，增加（NH4）2SO4的浓度，糖化酶的分配系数也增大，这主要是由于（NH4）2SO4盐析作用影响增强的缘故，最适浓度为16％，过高也不好，酶蛋白会因盐析作用过强而产生沉淀。 3．离子环境对分配的影响 在双水相聚合物系统中，加入电解质时，首先阴阳离子会有不同的分配，见表9-4。 表9-4 一些正负离子的分配系数 离子 LgK+ 离子 LgK-  K+ -0.084 I- +0.151  Na+ -0.076 Br- +0.083  NH4+ -0.036 Cl- +0.051  Li+ -0.015 F- +0.040  同时，由于电中性的约束，因而两相间存在一穿过相界面的电位差，它是影响电荷大分子如蛋白质和核酸等在两相系统中分配的主要因素。例如，在PEG/Dextran系统中加入NaCl或KI，可增加上相对带电物质的亲和效应，并迫使带负电的物质进入下相。若加入LiPO4，则获得与上述效应相反的结果。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。例如，加入pH＞7的磷酸缓冲液，由于HPO42-离子在PEG／Dextran系统中分配系数相当低，磷酸缓冲液能很方便地改变电位差（或界面电势），而使带负电荷的蛋白质转入富PEG的相中。 4．温度的影响 分配系数对温度的变化不敏感，这是由于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，而且粘度较冷却（4℃）时低，有助于相的分离并节省了能源开支。 可见，双水相萃取中，影响分配的主要参数有聚合物的分子质量和浓度、pH、盐的种类和浓度、操作温度等。聚合物分子质量低时，生物大分子易分配于富含该聚合物的相中，当远离临界点（相图中两相混合为一相时的点）时，双水相萃取本身受温度的影响较小。大规模生产总是在常温下操作，－则可节约制冷费用，再则聚合物在常温下对蛋白质有稳定作用，不会引起损失，同时温度高时，黏度低，有利于相的分离操作。因此，确定适宜的操作条件，可达到较高的分配系数和选择性。双水相萃取的一个重要优点是可直接从细胞破碎浆液中萃取蛋白质而无需将细胞碎片分离，－步操作可达到固液分离和纯化两个目的。 （四）双水相萃取技术的应用 双水相萃取技术可用于多种生物物质的分离和纯化（表9-5），多应用于蛋白质、酶、核酸、人生长激素、干扰素等的分离纯化，它将传统的离心、沉淀等液-固分离转化为液-液分离，工业化的高效液-液分离设备为此奠定了基础。双水相系统平衡时间短，含水量高，界面张力低，为生物活性物质提供了温和的分离环境。双水相萃取操作简便、经济省时、易于放大，如系统可从10ml直接放大到1m3规模（105倍），而各种试验参数均可按比例放大，产物收率并不降低，这种易于放大的优点在工程中是罕见的。 现在已知的胞内酶数千种，但因提取困难，投入生产的很少。胞内酶提取的第一步是破碎细胞，但一般得到的匀浆液黏度很大，且存在着微小的细胞碎片，靠离心分离十分困难。若用双水相系统可除去细胞碎片，还可进行酶的精制。下面介绍一些具体的分离纯化例子。 表9-5 双水相萃取技术的应用举例 生物物质种类 典型例子 相体系 分配系数 收率，%  酶 过氧化氢酶 PEG/Dextran 2.95 81  核酸 有活性的DNA PEG/Dextran    生长素 人生长激素 PEG/盐 6.4 60  病毒 脊髓病毒和线病毒 PEG/NaDS（硫酸葡聚糖）  90  干扰素 β-干扰素 PEG-磷酸酯/盐 630 97  细胞组织 含有胆碱受体的细胞 三甲胺-PEG/Dextran 3.64 57  1．酶的分离纯化 双水相系统的应用始于酶的分离纯化。由于PEG／Dextran（精）体系价格昂贵，而粗的Dextran黏度又过大，因此实际应用较多的是PEG／盐体系。常用的实例见表9-6。 在这些体系中，酶主要分配在上相，菌体碎片在下相或界面上。料液中湿细胞含量可高达30％，酶的回收率在90％以上。如果条件选择得合适，不仅可将发酵液中的酶和菌体分开，而且还能将不同的酶分离开来。 表9-6 双水相系统分离胞内酶的示例（注：均为破碎的细胞中提取酶） 菌种 酶 相系统 细胞浓度，% 分配系数 收率，%  Candida Baidinii 过氧化氢酶 PEG4000/粗Decxtran  2.95 81   甲醛脱氢酶 PEG4000/粗Decxtran 20 11.0 94   甲酸脱氢酶 PEG4000/粗Decxtran 20 7.0 91   甲酸脱氢酶 PEG1000/磷酸钾盐 33 4.9 90   异丙醇脱氢酶 PEG1000/磷酸钾盐 20 19 98  Saccharom-gces cerecisiae α-硫代葡萄糖苷酶 PEG4000/Decxtran T500 30 2.5 95   葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 PEG1000/磷酸钾盐 30 4.1 91   乙醇脱氢酶 PEG1000/磷酸钾盐 30 8.2 96   己糖激酶 PEG1000/磷酸钾盐 30  92  Escherichia coli 异亮氨酰-tRNA- 合成酶 PEG6000/磷酸钾盐 20 3.6 93   延胡索酸酶 PEG1550/磷酸钾盐 25 3.2 93   天门冬氨酸酶 PEG1550/磷酸钾盐 25 5.7 96   青霉素酰化酶 PEG4000/粗Decxtran 20 1.7 90   β-半乳糖苷酶 PEG/盐 12 6.2 87   亮氨酰-tRNA合成酶 PEG6000/磷酸钾盐  0.8 75   苯丙氨酰-tRNA合成酶 PEG6000/磷酸钾盐  1.7 86  2．核酸的分离纯化 分离核酸可采用PEG／Dextran体系。萃取时，盐组成的微小变化会引起分配系数的急剧变动（图9-14）。从图9-14中可见，有活性的DNA与无活性DNA的分配系数差别较大。这可能是因为双螺旋DNA失活解链形成的单链DNA有更多未配对的碱基暴露在外有关。有报道，采用逆流萃取法，可以将两者完全分开。  3．人生长激素的提取 采用6.6％PEG4000／14％磷酸盐体系，从大肠杆菌细胞碎片中提取人生长激素（hGH），pH为7，菌体含量为1.35％（m干细胞/V）时，混合5~10s后即可达到萃取平衡，分配系数高达6.4，人生长激素分配在上相，相比为0.2，收率大于60％，对蛋白质的纯化系数是7.8。若采用三级错流萃取，总收率可达81％，纯化系数为8.5。 4．β-干扰素的提取 β-干扰素是合成纤维细胞或小鼠体内细胞的分泌物，在采用超滤或沉淀法提取时容易失活。双水相系统特别适合于像β-干扰素这类不稳定物质的提取和纯化。当培养基中总蛋白浓度为1g/L时，β-干扰素的浓度仅0.1mg/L。因此用一般的PEG/Dextran体系不能将其与其他主要的杂蛋白分开，必须使用具有带电基团的PEG衍生物如PEG-磷酸酯与盐系统，才能使β-干扰素分配在上相，杂蛋白完全分配在下相。并且β-干扰素的浓度越高，分配系数越大，纯化系数可高达350。当β-干扰素为1×109时，回收率可达97％，β-干扰素的特异活性≥1×106U/mg蛋白。这一方法还可与层析技术结合使用，组成双水相萃取－层析纯化联合流程。 （五）双水相萃取技术的进展 由于双水相萃取技术用途广泛，不仅可用于生物物质的分离纯化，还是一种有用的分析测试技术，因此受到了广泛的重视和研究，并取得了新的进展。最为显著的成果是提高分离效率和廉价双水相体系的开发两个方面。 1．廉价双水相体系的开发 在生化工程中常用的两种双水相体系，即高聚物—高聚物和高聚物—盐体系，这两种体系各有其优缺点见表9-7所示。 表9-7 两种双水相体系的比较 体系 优点 缺点  高聚物（PEG）/高聚物（dextran） 盐浓度低，活性损失小 价格贵，粘度大，分相困难  高聚物（PEG）/盐 成本低，粘度小 盐浓度高，活性损失大，界面吸附多  从表可见，高聚物－高聚物体系对活性物质变性作用小，界面吸附少，但价格高。因而寻找廉价的高聚物－高聚物双水相体系是双水相萃取技术应用的一个重要发展方向。目前比较成功的是用变性淀粉PPT（hydroxypropyl derivative of starch）代替昂贵的Dextran。PPT-PEG体系已被用于从发酵液中分离过氧化氢酶、β-半乳糖苷酶等。PPT-PEG体系比PEG-盐体系稳定，和PEG-Dextran体系相图非常相似，并具有以下优点： （1）蛋白质溶解度大。蛋白质在PPT浓度到15％以前没有沉淀，但在PEG浓度大于5％时，溶解度显著地减小，在盐溶液中的溶解度更小。 （2）粘度小。PPT的动力粘度只是粗Dextran的1/2，因而可以大大改善传质效果。 （3）价格便宜。PPT价格为每干克几十美元，而粗Dextran则要每干克几百美元，所以，PPT-PEG双水相体系具有更广泛的应用前景。 2．双水相萃取技术同其他分离技术结合，提高分离效率 （1）双水相体系同生物转化相结合 将双水相萃取同生物转化结合在一起，可解决在许多生物转化中存在的两个问题：一是由于双水相体系对菌体及酶没有毒性，同时又可将产物萃入上相，所以可消除产物抑制效应；二是使分布在下相的细胞（酶）循环使用，从而为固定化细胞及酶的应用开辟了新路。如将木质素经过酶水解生产乙醇就是很好的一例，具体流程见图9-15。  （2）双水相萃取同膜分离技术结合 将膜分离同双水相萃取技术结合起来，可解决双水相体系容易乳化和生物大分子在两相界面的吸附等问题并能加快萃取速率。双水相萃取同膜分离结合的例子见表9-8。 表9-8 双水相萃取同膜分离结合例子 萃取物 内侧流体 外侧流体 分配系数 内侧流速， cm/s 外侧流速，cm/s 传质系数，cm/s  细胞色素C 磷酸盐 PEG 0.18 16.3 6.6 5.5×10-6  肌红蛋白 磷酸盐 PEG 0.009 4.0 5.0 7.5×10-7  过氧化氢酶 磷酸盐 PEG 0.12 16.3 5.0 2.8×10-5  尿激酶 磷酸盐 PEG 0.65 16.3 5.0 2.0×10-4  从表中可见，酶和蛋白质的分配系数较大，传质系数虽与传统溶剂萃取过程相差不大，在10-6~10-4cm/s范围内，但由于中空纤维膜传质面积大，因而大大地加快了萃取传质速率。 （3）双水相萃取同亲和层析相结合一亲和双水相 亲和双水相，即在PEG或Dextran上接上一定的亲和配基，这样不但使体系具有双水相处理量大的特点，而且具有亲和层析专一性高的优点。从亲和层析和亲和双水相在分离葡萄糖-6-磷酸化脱氢酶时的结果对比中（见表9-9）可以看出，无论在处理量上还是在收率上，亲和双水相都比亲和层析效果好。 表9-9 亲和层析和亲和双水相比较 亲和配基 亲和双水相 亲和层析   收率， % 处理量， u/ml 染料浓度， μmol/ml 收率， % 处理量，u/ml 染料浓度μ，mol/ml  Cibacron-Blue3GA 90 120 20~24 60 20 2  Procion-Red HE-3B 95 100 12-15 85 35 4  近几年来亲和双水相发展极为迅速，仅在PEG上可接的配基就有十多种，分离纯化的物质达几十种，产物的分配系数成百上干倍的提高，如用磷酸酯PEG－磷酸盐双水相体系萃取β－干扰素，分配系数由原来的１左右提高到630。 亲和双水相根据配基性质不同可分为三类：基团亲和配基型、染料亲和配基型与生物亲和配基型。 随着生物技术的发展，必将促进双水相萃取体系的完善，包括新萃取体系的开发、工艺优化、萃取剂回收、体系分相技术、萃取设备和基础理论研究的展开并使之实用化。从而更显示出双水相体系萃取分离技术在生物物质分离中的独特优点。 第三节 固-液萃取方法与设备 固-液萃取是在一定条件下用一定浸出溶剂从固体原料中浸出有效成分的过程。根据所用溶剂性质和固体原料的特性，可以采用不同的浸出方法。依溶剂流动与否又分为静态浸出和动态浸出。静态浸出是间歇的加入溶剂和一定时间的浸渍；动态浸出是溶剂不断地流入和流出系统或溶剂与固体原料同时不断地进入和离开系统。 固液萃取的相平衡关系，是溶液相的溶质浓度与包含于固体相中溶液的溶质浓度之间的关系，固液萃取过程达到相平衡的条件是两者浓度相等，而只有在前一浓度小于后一浓度时，萃取过程才能发生。对于固液萃取溶剂的选择基本上还是：选择性、溶质的溶解度、有利于分离、价廉易得、化学性能稳定、毒性小、粘度低等。 固液萃取设备可分为单级与多级、多级按固液流向又分为错流和逆流。按照操作方式又有间歇、连续与半连续之分。间歇操作时固、液物料都是一次投入，待充分接触后进行分离。连续操作时固液两相均以一定的流量通过萃取器，对于固体物料做到这一点需要专门的输送机械，而且这种连续、定量的移动与流体的流动有着本质的区别。所谓半连续固液萃取指液体为连续、定量流动，而固体原料在萃取时并没有在萃取器内发生移动。这种方式可以有较好的传质效果，而且溶剂量少、热量消耗少、设备构造也比较简单，因此使用广泛。 一、固-液萃取原理 固-液萃取过程的机理是：第一步是固相中的产物的溶解过程；第二步是产物在液相中的扩散过程，此时在溶液中达到固-液中产物的平衡。 严格地讲，固相在液相中的溶解过程和固相在液相中的扩散过程事实上是固相和液相这两相间特定组分地平衡过程，即固相在液相中的溶解扩散和液相中特定组分被固相吸附这二个过程的平衡。在萃取过程一开始，溶解扩散速度大于吸附速度，而当溶剂逐渐变成饱和溶液时，则溶解扩散和吸附这两个速度相等。这时溶剂中的固相溶解浓度不可能再增加。 按照别克曼（Bikerman）的理论，在固-液萃取过程中，某一固体（被萃取物）其溶解部分的重量dm和其自由表面有特定的关系，假定被研究的系统中某一小颗粒表面积为dS1，溶解物质质量为dm，σ为界面的表面张力[kg/m]，则此小颗粒的自由表面能为 [kg·m] 当达到平衡时，表面积变为dS2，则此小颗粒的自由表面能变为 [kg·m] 设在溶解前，固体表面的渗透压（或蒸汽压）为P1，而到达传质平衡后其渗透压（或蒸汽压）变为P2，在此过程中传质溶解的重量为dm，则溶解前至溶解平衡时所作之功为： [kg·m] （9-14） 式中 ——气体常数，等于0.0848[（kg/cn2）·kg/kmol·K]； ——绝对温度，K； ——分子量。 于是有：  （9-15） 假设此小颗粒为正立方体，平衡时在固相中的边长为L1，溶解开始时的体积为 （L1+dL1）3，表面积为6（L1+dL1）2，于是有溶解量：  溶解表面积： ， 式中 γ——固体重度，kg/m3； ，——转入液相的部分体积，表面积。 代入式（9-15）有： （9-16） 设溶解前溶剂中的固体浓度为C1，溶解后达到平衡时之浓度为C2，以浓度比代替渗透压之比，则上式成为：  （9-17） 由上式可知，颗粒越小其扩散推动力就越大。 固-液萃取中，萃取速度与萃取时间、温度以及萃取物的粘度都有关系。 在单效萃取中，萃取达到平衡后，固体产物的未被萃取的分数与萃取时间的关系（在恒定温度下，且溶剂和被萃取固体的粘度相差很大时）近似计算式为：  （9-18） 式中 ——固体产物未被萃取的百分数，%； ——扩散系数，m2/h； ——萃取时间，h ； ——固体颗粒的平均尺寸，m。 式（9-18）说明了要缩短萃取时间，必须使固体颗粒的尺寸减小。扩散系数D需经实验测定。扩散系数与溶剂及产物粘度乘积的-k次方成反比，即  （9-19） 式中 ——比例常数； ——溶剂的粘度，[kg·s/m2]； S——产物的粘度，[kg·s/m2]； ——指数。 提高萃取系统的温度往往可以提高萃取速度，但温度对各种发酵产物的影响程度并不相同，同时还需考虑温度对产物的破坏，故应按具体情况选择合适的温度。 二、固-液萃取设备 （一）单级间歇萃取 小批量的固体或含部分水分的半固体在萃取时由于使用的溶剂量小，处理时间不长，故没有必要采用多级连续操作，一般均采取单级间歇萃取以减少设备投资和操作费用。以下介绍几种常用的单级间歇萃取设备。 1．夹套间歇萃取器 图9-16所示为带蒸汽加热夹套的单级间歇萃取装置。为了保证产品质量，萃取器材料常用不锈钢等材料制造。物料和溶媒均由器顶一次加入，器身下部带夹套部分为萃取室，在萃取室中溶剂和物料充分接触，夹套中通入蒸汽或热水使萃取在最适温度下进行。有很多物质对温度较为敏感，为了防止局部温度过高和降低溶剂的沸腾温度，萃取器可接真空系统使维持在某一真空度下操作。对应于某一真空度，就有一个相应的溶剂。   （二）多级逆流连续及半连续萃取 1．多功能提取罐 多功能提取罐广泛应用于中药制剂工业。其罐体是斜锥形，下半部分配置有夹套可通蒸汽加热。罐体下部是带有筛板的活底，萃取液可从筛板流下，而被萃取的固体物料堆放在筛板上面，因此筛板起固液分离和支承固体物料的作用，活底借助于气动系统进行启闭。固体物料从上部加料孔投入，如果加入的萃取剂为水，可在罐内用直接蒸汽加热至沸腾，再用夹套蒸汽间接加热。冷凝器、冷却器和油水分离器是为水蒸汽蒸馏获取挥发油的过程而设置，没有挥发油成分的固体物料在萃取时可将管线阀门关闭而将放空阀门打开。萃取液在达到规定浓度时可从罐底放出送去过滤和浓缩。萃余的残渣可自底部卸出，通过气动装置开启活底，利用上气动装置使中心轴发生上下移动，轴上的料叉帮助料渣自罐内卸出。 2．多级逆流固液萃取罐组 图9-18是溶剂连续回收使用的多级逆流半连续固液萃取装置。图中的4台萃取罐总有3台运转，１台轮空进行卸渣和装料。萃取剂依次串联通过3台萃取罐，新鲜溶剂首先接触的是即将卸渣的萃取罐，依次最后通过的是新装料的萃取罐，从而与固体物料呈逆向流动，保持整个系统最大的传质推动力。图中（a）是4号轮空，１、2、3号操作；（ｂ）是1号轮空，2、3、4号操作。各罐操作次序的组织完全靠阀门的启闭来完成。  图9-19进一步说明了多级逆流罐组各级的操作轮转次序。图中6个罐中一个轮空，5个逆流操作。下一轮的位置刚好是上一轮顺时针方向转动一格。多级逆流罐组在中药材浸取方面有一定的进步，如某厂建成年处理3000ｔ的中药浸取车间，6个多功能提取罐逆流串联操作（5个操作，1个轮空卸渣装料），结合加压（147kPa压力）可节约萃取剂40％、节约能量58%，比目前采用的多功能提取罐两次错流萃取有明显的优越性。  （三）微分半连续固液萃取设备 微分半连续固液萃取器是一类固定床固液接触设备，固体原料装填成固定床静止不动，萃取剂以一定流量自上而下流经固体将溶质溶出，萃取液在流动过程中浓度增加最后自固定床下部流出。在整个固定床内萃取液的浓度和原料固体内溶质含量的变化都是连续的，因此称作微分萃取。 微分萃取设备主要是一个萃取塔。常见的三种典型设备结构主要包括（a）为多层填料萃取塔，（b）为多级搅拌萃取塔，（c）为转盘萃取塔。 1．微分半连续固液萃取的计算 在固定床萃取器的计算中最主要的是萃取剂的流量。如果流量较小，所得萃取液浓度较高，因固液接触时间较长而对萃取有利，但处理能力会减小；流量较大时，萃取液浓度降低，增加了萃取剂的蒸发回收量，固液接触时间较短，但因为流体湍动程度的提高降低了传质阻力。 1．空间流速   式中 ——空间速度，s-1； ——萃取剂的体积流量，m3/s； ——固定床中固体的体积，m3。 空间速度是一个与容积无关的量，其倒数相当于物料在萃取器内的接触时间，相当于萃取器单位装料容积所需要的萃取剂通过量。例如当空间速度为5s-1时，0.1m3装料容积的固定床的萃取剂流量是0.5m3/s，而0.02m3装料容积的固定床，萃取剂流量是0.1m3/s。如果从已有的试验或生产装置中测算得空间速度，就可用来设计计算新装置的萃取剂流量。 2．固定床内径的确定 由空间速度的定义可知，物料接触时间的大小与床的内径无关。同样的装料体积，若内径大则床层高度低；反之若内径小则床层高度增加。确定固定床的内径要从其他因素来考虑。固定床萃取器由于具有传质区不断向下移动的操作特性，因而固定床的高度至少是传质区宽的几倍到十几倍才比较适合。当有现场数据可取时，最粗糙的计算方法是几何尺寸比例相似。 固定床萃取器各截面上传质推动力的变化类似于并流流动，平均推动力较小而萃取剂用量较大；但溶质萃取率较高。 第四节 超临界萃取过程与设备 超临界萃取也可叫作流体萃取，由于萃取中的一个重要因素是压力，有效的溶剂萃取过程也可以在非临界状态下实现，因此广义上称之为压力流体萃取。它是利用超临界流体，即其温度和压力略超过或靠近临界温度和临界压力介于气体和液体之间的流体作为萃取剂，从固体或液体中萃取出来某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和提纯的目的。超临界萃取是利用临界或超临界状态的流体，使被萃取的物质在不同的蒸汽压力下所具有的不同化学亲和力和溶解能力进行分离、纯化的操作，即此过程同时利用了蒸馏和萃取的现象——蒸汽压和相分离均在起作用。 超临界萃取技术是近30年来出现的一门新的分离技术。由于它具有低能耗、无污染和适合处理易受热分解的高沸点物质等特性，使其应用邻域相当广泛，在化学工业、能源、食品和医药等工业中广泛的应用。 一、超临界流体的性质 所谓超临界流体是指温度和压力均在本身的临界点以上的高密度流体，具有和液体同样的凝聚力、溶解力。然而其扩散系数又接近于气体，是通常液体的近百倍，因此超临界流体萃取具有很高的萃取速度。另外该流体随着温度与压力的连续变化，对物质的萃取具有选择性，而且萃取后分离也很容易。表9-10例举了气体、超临界流体和液体的密度、粘度以及扩散系数三种性质。 表9-10 气体超临界流体和液体性质的比较 性质 相态   气体 超临界流体 液体  密度，g·cm-3 10-3 0.7 1.0  粘度，厘泊 10-3-10-2 10-2 10-1  扩散系数，cm2s-1 10-1 10-3 10-2  注:超临界流体是指在32℃和13.78Mpa时的二氧化碳。 超临界流体的密度接近于液体，这使它具有与液体溶剂相当的萃取能力；超临界流体的粘度和扩散系数又与气体相近似，而溶剂的低粘度和高扩散系数的性质是有利于传质的。由于超临界流体也能溶解于液相，从而也降低了与之相平衡的液相粘度和表面张力，并且提高了平衡液相的扩散系数。超临界流体的这些性质都是有利于流体萃取，特别是有利于传质的分离过程的。 普遍认为，超临界流体的萃取能力作为一级近似，是与溶剂在临界区的密度有关。超临界萃取的基本想法就是利用超临界流体的特殊性质，使之在高压条件下与待分离的固体或液体混合物相接触，萃取出目的产物，然后通过降压或升温的办法，降低超临界流体的密度，从而使萃取物得到分离。 我们可以按照分离对象与目的不同，选定超临界流体萃取中使用的溶剂，表9-11列出了某些萃取剂的超临界物性。 表9-11 某些萃取剂超临界物性 流体名称 临界温度，℃ 临界压力，Mpa 临界密度，g/cm3 流体名称 临界温度，℃ 临界压力，Mpa 临界密度，g/cm3  乙烷C2H6 32.3 4.88 0.203 二氧化碳CO2 31.3 7.38 0.460  丙烷C3H8 96.9 4.26 0.220 二氧化硫SO2 157.6 7.88 0.525  丁烷C4H10 152.0 3.8 0.228 水H2O 374.3 22.11 0.326  戊烷C5H12 296.7 3.38 0.232 笑气N2O 36.5 7.17 0.451  乙烯C2H4 9.9 5.12 0.227 氟里昂13CClF3 28.8 3.90 0.578  氨NH3 132.4 11.28 0.236      作为萃取剂的超临界流体必须具备以下条件： 萃取剂需具有化学稳定性，对设备没有腐蚀性； 临界温度不能太低或太高，最好在室温附近或操作温度附近； 操作温度应低于被萃取溶质的分解温度或变质温度； 临界压力不能太高，可节约压缩动力费； 选择性要好，容易得到高纯度制品； 溶解度要高，可以减少溶剂的循环量； 萃取剂要容易获取，价格要便宜。 二氧化碳由于具有合适的临界条件、又对健康无害、不燃烧、不腐蚀、价格便宜和易于处理等优点，是最常用的超临界萃取剂。 二、超临界流体萃取过程 超临界流体萃取过程基本上是由萃取阶段与分离阶段所组成的。如图9-20所示。  分离方法基本上可分为下列三种： 依靠压力变化萃取分离法（等温法、绝热法）：在一定温度下，使超临界流体和溶质减压，经膨胀、分离，溶质经分离槽下部取出，气体经压缩机返回萃取槽循环使用。 依靠温度变化的萃取分离法（等压法）：经加热、升温使气体和溶质分离，从分离槽下部取出萃取物，气体经冷却、压缩后返回萃取槽循环使用。 用吸附剂进行萃取分离法（吸附法）：在分离槽中，经萃取出的溶质被吸附剂吸附，气体经压缩后返回萃取槽循环使用。图9-22给出了超临界流体萃取分离过程的三种典型流程。其中（1）、（2）两种流程主要用于萃取相中的溶质为需要的精致产品的场合，第（3）种流程则适用于萃取质为需要除去的有害成分、而萃取槽中留下的萃余物为所需要的提纯组分这种场合。 还有一种分离方法是添加惰性气体的等压分离法。在超临界流体中加入N2、Ar等惰性气体，可以改变物质的溶解度，如图9-21所示，在超临界CO2中加入N2，使咖啡因在CO2中的溶解度显著下降。根据这一原理建立起来的超临界流体萃取过程叫做添加惰性气体的分离法流程。此流程的操作都在等温等压下进行，故能耗低。但关键是必须有使超临界流体与惰性气体分离的简便方法。   三、超临界流体萃取系统 （一）固体物料的超临界流体萃取系统 在超临界流体萃取研究中面临的大部分萃取对象是固体物料，而且多数用容器型萃取器，进行间歇式提取。 1．高压索氏提取 图9-23所示的是一种简单的用液态CO2萃取固体物料的装备。 该装备将一只玻璃索氏提取器装入一只高压腔内，适量的CO2以干冰的形式被放入高压容器的下部。随后封盖，并被放入加热水浴。干冰蒸发，压力增加，并达到CO2液化的值，该值由容器顶部冷凝器的温度来确定。例如，温度为15℃时，则可以获得5.1MPa的压力。被冷凝器液化的萃取溶剂会滴入索氏提取器，并在套管内萃取样品。萃取过程中，萃取物在圆底瓶中保持沸腾的液态CO2中，逐渐被浓缩。萃取结束后，气体通过一只阀减压释放，打开高压容器，从圆底瓶中取出萃取物。 该设备仅限于少量样品的液态CO2萃取，被用于样品分析。设备的改进几乎是不可能的，因为萃取条件仅仅依靠冷凝器的温度变化，作非常有限的改变。除了CO2之外，其他气体的使用，也仅仅限于在10ＭPa下0~20℃温度范围内能液化的气体。在此情况下，设备也需要用液化的气体填装。  2．普通的间歇式萃取系统 普通的间歇式萃取系统是固体物料最常用的萃取系统。这种系统结构最简单，一般由一只萃取釜、－只或两只分离釜构成，有时还有一只精馏柱。图9-24示出了最基本的几种结构。  3．半连续式萃取系统 半连续式萃取系统指的采用多个萃取釜串联的萃取流程。目前，在萃取条件下向高压釜输入和送出固体原料，完成连续萃取是非常困难的。相反，若将萃取体积方便地分解到几个高压釜中，从而批处理就变得类似于一个地道的逆流萃取。流程如图9-25所示。4个萃取釜依次相连（粗线）。当萃取釜1萃取完后，通过阀的开关它将脱离循环，其压力被释放，重新装料，再次进入循环，这样则又成为系列中最后一只萃取釜被气体穿过（虚线）。在该程序中，各阀必须同时操作。这可以依靠气动简单地完成操作控制。图9-26所示是另一种半连续萃取流程。该流程的特点是依靠从压缩机出来的压缩气体过剩的热量，来加热从萃取釜出来携带有萃取物的CO2，使CO2释放出萃取物，进入下一个循环。   4．连续式萃取系统 在采用超临界流体萃取固体物料时，使用连续进料的操作很少，不过就方便程度而言，还是希望有固体连续进料装置。在设汁高压萃取系统的固体连续进料装置时，应考虑如下两个方面的因素：①设备的性能价值比；②固体受压后性质的变化。 目前已应用的固体连续进料装置基本上用固体通过不同压力室的半连续加料以及螺旋挤出方式，这种气锁式或挤出式加料系统按固体在其中的性质可分为： ①原料形状不发生变化的固体连续加料系统 如咖啡豆脱除咖啡因时，要求保持咖啡豆颗粒的完整性。可采用处于不同压力条件下的移动式或固定式压力室进行批式装料。当气锁室是固体式且有固定体积时，可用锥形阀、球阀等来实现系统的密封。该装置的缺点是半连续操作、气锁系统有气体损失、会引起压力波动，优点是制造简单、处理量大。 ②原料形状发生变化的固体连续加料系统 如油籽脱油和啤酒花提取浸膏等。因为固体物料在压力作用下会发生变形，其自身起到了密封的作用。当物料受压通过一筛板形成小颗粒密封时效果更佳。与轴向压缩进料不同的另一种连续进料设备是螺旋挤出机（图9-27）。在油籽萃取中，该装置不仅起到预脱油的作用，而且密封和输送效果都比较好。 ③悬浮液加料系统 可考虑使用机械位移泵，如柱塞泵或隔膜泵等适于悬浮液输送的设备。由于摩擦和密封问题的存在，用流体置换代替机械置换是可选的方法之一。  （二）液体物料的超临界流体萃取系统 超临界流体萃取技术最多的被用于固体原料的萃取，但大量的研究实践证明，超临界流体萃取技术在液体物料的萃取分离上更具优势，其原因主要是液体物料易实现连续操作，从而大大减小了操作难度、提高了萃取效率、降低了生产成本。 液体物料超临界流体萃取的系统从构成上讲大致相同。但对于连续进料而言，在溶剂和溶质的流向、操作参数、内部结构等方面有不同之处。 1．按溶剂和溶质的流向分类 按照溶剂和溶质的流向不同，液体物料的超临界流体萃取流程可分为逆流萃取、顺流萃取和混流萃取。－般情况下，溶剂都是从柱式萃取釜的底部进料。逆流萃取是指液体物料从萃取釜的顶部进入，顺流萃取是指从底部进入，混流萃取是指从中部进入。图9-28是早期 Schultz等提出的一种逆流萃取系统。近几年，也出现了不少逆流萃取的研究。  2．按操作参数的不同分类 由于温度对溶质在超临界流体中的溶解度有较大的影响，在这种情况下，可在柱式萃取釜的轴向设置温度梯度。所以按照操作参数的不同可分为等温柱和非等温柱操作。不过，许多情况在萃取釜的后面装设精馏柱，精馏柱也设有轴向温度梯度，这时是为了实现精确分离。不过精馏柱相对后面的分离器而言就是一只柱式萃取釜。 3．按柱式萃取釜内部结构的不同分类 为了使液料与溶质充分接触，一般需在柱式萃取釜中装入填料，这时称之为填料柱。有时不装填料，而使用塔板（盘），则构成塔板（盘）柱。在目前已有的液体物料的超临界流体萃取流程中，大部分使用的是填料柱。在填料柱中填料的种类是影响分离效果的重要因素。 图9-29是吉卡特·帕特等发明的一种用于液体原料超临界流体逆流萃取的柱式萃取器。萃取器内装有一组多孔塔盘，从塔顶部供给较重的待萃取的液体混合物，在逆向流动状态下迸行萃取。多孔盘依靠薄壁管状的间隔元件使其位置保持不变，这种间隔元件的外径比构成萃取塔的管内径稍小。所有的塔盘都是相同的，并且是交替旋转180°地安装。塔顶的电容传感器用于液面位置的控制。萃取时，液料沿着降液管连续向下流动，分散相通过塔盘孔自下而上的流动。在这种条件下，分散相分割液料成为气泡并在相邻塔盘下的区域内再次形成连续相。为了保持超临界流体的鼓泡效应，孔下液柱的高度应该保持一定值。超临界流体经历多次液料接触，大大强化了传质过程。  （三）超临界流体萃取的应用 由于超临界流体萃取和传统的溶剂萃取相比，具有一系列优点（见表9-12），所以它是一项具有特殊优势的分离技术，特别适用于提取或精制热敏性和易氧化的物质。由于所用的萃取剂是气体，容易除去，所得的萃取产品无残留毒性，所以这种分离方法特别适用于医药和食品工业。 现以从咖啡中脱咖啡因作为一例具体介绍如下：把咖啡豆预先用水浸泡增湿，在70℃~90℃，16-22MPa的超临界CO2中进行萃取。因干燥的咖啡豆萃取容易失去咖啡的芳香，所以增湿这一步是不可缺少的，通过萃取，咖啡豆中的咖啡因可以从0.7％~3％减少到0.02％以下，其主要工艺流程见图9-30。 表9-12 超临界流体萃取与液体溶剂萃取比较 超临界流体萃取法 液体溶剂萃取法  1. 可选择萃取挥发性小的物质，生成超临界相 在要分离的原料中加入溶剂形成二相  2. 萃取能力由T、P控制。夹带剂研究不多 萃取能力由温度及混合溶剂浓度控制，压力无影响  3. 在常温，高压（5~30MPa）下操作，可处理对热不稳定的物质 都在常温、常压下进行  4. 溶质、溶剂易于分离，改变压力温度即可 溶质与溶剂分离常用蒸馏法，存在对热稳定性问题  5. 粘度小，扩散系数大，易达到相平衡 扩散系数小，有时粘度相当高  6. 超临界相溶质浓度小 萃取相为液相，溶质浓度一般较高   由于超临界萃取毒性小、温度低、溶氧好的特点，十分适合于生化产品的分离和提取，近年在生化工程上的应用研究愈来愈多，如超临界CO2萃取氨基酸，从单细胞蛋白游离物中提取脂类，从微生物发酵的干物质中萃取γ－亚麻酸，用超临界CO2萃取发酵法生产的乙醇，各种抗生素的超临界流体干燥，脱除丙酮、甲醇等有机溶剂，避免产品的药效降低和颜色变坏等。可以预料，在不久的将来超临界流体萃取技术一定会取得越来越多的可喜成果。