分离与纯化技术课件.ppt

分离与纯化技术,前言：分离纯化技术概述,分离技术（Separation technology）现已经发展成一门新的实用科学分离科学。分离科学的内涵：已远超过传统意义上的化学分离。化学分离是研究物质在分子水平上进行分离的方法和分离结果。而分离科学则是研究被分离组分在空间移动和再分离的宏观与微观变化规律，实现组分分离、富集和纯化的一门科学。研究的内容和层次：不仅局限于实用性的技术和方法，而更加注重分离机制和理论的深层次探讨、研究和新技术的开发。,1、分离纯化的过程,分离纯化过程：将一个混合物转变为组成互不相同的两种或两种以上纯净产物的操作就是分离纯化过程。分离剂：促使混合物分离的因素（包括物质和能量）被称为分离剂（Separating medium）。分离纯化的理化机制：分离纯化与混合是两个相反的过程混合是自发的，分离纯化是非自发的。因此分离纯化需要消耗能量。,2、分离纯化的本质与再分类,混合缘于求同，分离缘于求异：因此所有的分离纯化技术均基于组分间的性质差异。故由此分类更加有助于把握相关分离技术与方法。粒径差异：过滤和膜分离技术；密度差异：离心、沉降技术；相变差异：干燥、蒸馏、升华技术；溶解性差异：沉淀、重结晶、萃取等技术运动性差异：层析色谱技术、电泳技术,3、被分离物料的两种情况,非均相物料的分离：被分离的组分以不同的相态或存在于不同的相态中。简单，可用机械方法分离，称机械分离过程均相物料分离：被分离的组分以同样的相态混合或存在于同一相态中混合。需要将某一组分由其所存在的均相态转移到另一种非均相态中，然后再利用机械分离方法才能实现分离，因此该分离过程被称为传质分离过程，也称动态平衡分离过程。,2. 溶解分离与纯化技术,沉淀分离 Precipitation 重结晶 Recrystallization 萃取 Extraction,一、沉淀分离法（precipitation）,定义：是根据物质溶解度的不同，利用某种沉淀剂使被分离组分发生沉淀反应或改变条件使被分离组分在溶液中的溶解度降低而沉淀析出从而使其与其它组分得到分离的一种实验方法。沉淀分离的理论基础：沉淀溶解平衡原理（即溶度积规则）沉淀分离的关键：沉淀剂和沉淀条件的选择。,1、影响沉淀溶解度和纯度的因素,（1）影响沉淀溶解度的因素：根本因素：溶度积其他因素：同离子效应、盐效应、配位效应、酸效应，以及温度、溶剂和沉淀颗粒等其它因素。（2）影响沉淀纯度的因素：根本因素：沉淀剂的选择性 其他因素：共沉淀现象、后沉淀现象,2、沉淀条件的选择,（1）沉淀剂的选择：高选择性和特效性，对于重量分析而言，沉淀剂还应易于挥发或分解，以便在灼烧时可自沉淀中将其除去。（2）沉淀剂的用量：沉淀剂的理论估量根据沉淀反应方程式计算。具体使用时适当过量，过多则易引起盐效应、配位效应等增大沉淀溶解度，一般过量50%100%，对于沉淀灼烧时不易挥发的沉淀剂则以过量20%30%为宜。,（3）沉淀的形状与条件控制：沉淀形状：晶形沉淀、无定形沉淀沉淀速度：聚集速度：溶液中的粒子以较大的速度互相结合形成小晶核并相互聚集的速度；定向速度：受静电引力等作用粒子按一定顺序排列于晶格内形成一定晶型的速度。聚集速度定向速度：形成无定形沉淀定向速度聚集速度：形成晶形沉淀。,形成晶形沉淀的条件：稀、热、慢、搅、陈稀沉淀在稀溶液中进行；热沉淀要在热溶液中进行，降低过饱和度，减慢晶核聚合速度，减少杂质吸附；慢、搅不断搅拌下慢慢加入沉淀剂，尤其在开始时，防止局部过饱和产生过多晶核；陈分离沉淀前进行陈化处理，可使小晶体逐渐溶解，大晶体继续成长。陈化也可使沉淀更为纯净，因晶粒长大，总表面积变小，吸附杂质的量也会随之减少。加热和搅拌可加速陈化作用，缩短陈化时间。,形成无定形沉淀的条件 ：浓、热、快、搅、盐浓浓溶液中沉淀可使沉淀含水量少，较紧密（为减少杂质吸附，沉淀后加大量热水稀释并搅拌使吸附杂质离开沉淀表面转入溶液）热在热溶液中沉淀，既可防止形成胶体溶液，又可减少杂质吸附。快、搅快速加入沉淀剂，并不断搅拌，使微粒凝聚，便于过滤和洗涤。盐加入电解质（如挥发性的铵盐）作凝结剂，破坏胶体溶液。不必陈化，沉淀完毕即趁热过滤。因这类沉淀放置后将失去水分而紧密凝集使杂质难洗。,3、沉淀的分离与富集,过滤分离富集：悬浮于溶液中的沉淀可以通过离心沉降技术：常用于沉淀量较少、过滤后会粘附滤纸而难以取下的沉淀,（1）离心机的工作原理和种类,离心机的工作原理：离心机的种类：按转速：低速离心机（8000r/min）高速离心机（800028000r/min）超速离心机（28000120000r/min）按应用：制备型、分析型按容量：大容量与微量按是否能低温：普通型、冷冻型按摆放：台式、落地式,（2）离心机的使用要点：平衡最关键,放稳，调整水平。防止滑动或震动。正确安放离心转子，离心管内液体不可装满，盖好盖，防离心液流出。装好液体的离心管要进行称重平衡并对称放置。单数管应补加同重水管。,（2）离心机的使用要点：平衡最关键,放好离心管后，盖好机盖，设定离心机工作参数。开动离心机，逐渐加速，并注意观察运转是否正常，若发现异常声音，应立即停机检查，排除故障。恢复正常后方可继续工作。停机要逐渐减速，自动停止，不可人为强制停止。转子及离心管套管要保持清洁，防止离心管破碎。电源配备要符合要求，要保证离心机的平衡和运转正常，防止离心转子甩出，造成事故。,离心沉降技术实例：分离细胞体,4、沉淀的洗涤与包裹,（1）沉淀洗涤液的选择：根据沉淀的类型而定晶体沉淀：冷稀沉淀剂洗。因同离子效应会减少沉淀的溶解损失。但如果沉淀剂为不挥发物质，则不能用作洗涤液，可改用蒸馏水或其他合适的溶液洗涤沉淀。无定形沉淀：热电解质溶液洗。防止产生胶溶现象。多采用易挥发的铵盐溶液作洗涤液。溶解度较大的沉淀：采用沉淀剂加有机溶剂洗涤，可降低起溶解度，减少损失。,（2）沉淀洗涤方法沉淀在过滤漏斗上：如图洗涤将沉淀转移至烧杯中，洗涤液充分搅拌，静置沉降后倾倒过滤，如此反复45次。沉淀在离心管内：加洗涤剂于离心管内，用玻璃棒或振动方法搅拌洗涤沉淀后，再进行离心分离，如此洗涤34次。,（3）沉淀的包裹方法,沉淀分离技术在医药生物领域的应用：19世纪，利用盐析技术从血液中分离纯化蛋白质等电点沉淀法分离纯化蛋白质有机溶剂沉淀法分离纯化蛋白质,二、结晶与重结晶技术 Recrystallization,结晶与沉淀有何差别？,二、结晶与重结晶技术 Recrystallization,定义：重结晶是利用被纯化物质和杂质在某一溶剂中的溶解度不同，通过物质的重新溶解和再次结晶析出的过程，使杂质和被纯化物质之间处于此溶彼不溶的状态，然后通过过滤技术将其分离纯化的一种实验技术。重结晶的分离过程属于哪一类？是如何由均相态到非均相态的？转化为非均相态后是如何实现分离的？,二、结晶与重结晶技术,技术关键：非均相态的实现过程杂质和被纯化的物质在“热溶”和“冷析”两个过程中溶解差异较大 关键条件：合适溶剂的选择及其用量控制评价指标：,1、重结晶的基本原理,假设：某固体混合物由9.5克被纯化物质A和0.5克杂质B所组成。选择某溶剂进行重结晶，室温时A、B在此溶剂中的溶解度分别为SA、SB杂质较易溶解 ，室温下SB2.5，SA0.5，使用100mL溶剂，回收率=99%；杂质较难溶解，室温下SB0.5，SA2.5， 使用100mL溶剂室温溶解后直接过滤，回收率=74；两者溶解度相等，均为2.5，使用100mL溶剂，仍可得到7克纯A。但杂质含量越高，则分离越困难，回收率越低。,综上讨论，得出如下结论：,杂质在冷时溶解度大而被纯化产物在冷时溶解度小，或溶剂对产物的溶解性能随温度变化大均有利于提高重结晶的回收率。（溶解度差别大）无论选择怎样的溶剂，在任何情况下杂质的含量过多都不利于进行重结晶。因此，重结晶一般只适用于杂质含量在5以下的固体物质的纯化。若样品中杂质量较多，必须采取其他方法进行初步提纯，然后再用重结晶提纯；溶剂用量多总会降低重结晶的回收率，使用时要控制其用量。,2、重结晶的条件选择和一般过程,（1）选择和确定溶剂理想溶剂应具备的条件： 不与被提纯物质发生化学反应； 被提纯物质高温度时溶解度大，室温或更低温度下溶解度小； 溶剂对杂质的溶解度很大（使杂质留在母液中不随提纯的晶体一起析出）或很小（在制成热的饱和溶液后，趁热过滤把杂质滤掉）； 沸点较低，易挥发，易与结晶分离除去； 结晶好，价格低、毒性小，易回收，操作安全。,溶剂的选择和确定方法：理论上根据“相似相溶”的规律进行选择，并通过实验方法确定：取约0.10g待重结晶的固体样品粉末置于一小试管中，用滴管逐渐加入溶剂，并不断振荡。如果该物质能溶于14mL沸腾溶剂中，冷却至室温或自行冷却时能析出较多晶体，则此溶剂可以选作重结晶的溶剂。若单一溶剂不理想，可以选择混合溶剂。,（2）制备近饱和热溶液制备近饱和、热溶液：挥发溶剂采取回流加热溶解溶剂用量：理论参考值据溶解度和实验数据计算。理论上用量少可提高回收率，实际操作上需要适当过量，以防止温降析出。一般过量1020%。,（3）活性炭脱色近沸时不能加入，以免爆沸溢出。用量合适，视有色杂志色深和含量而定，一般为粗品的15% 至少煮沸510min,（4）趁热过滤目的：去除不溶杂质和活性炭关键：保持温度，缩短时间措施：要采用颈短而粗的漏斗；可使用折叠的凹槽形滤纸；必要时可使用减压过滤缩短时间；有必要预先将漏斗和减压过滤瓶进行预热；将减压过滤瓶进行热保护，并迅速转移滤液，防止滤液冷却析出晶体。,（5）重新析出晶体,析出晶体的关键是：形成过饱和溶液（方法有：蒸馏法、冷却法、盐析结晶法、等电点法、共沸蒸馏结晶法等，或多种方法并用的复合法）促使晶体析出的技巧： 摩擦法：用玻璃棒在溶液中磨擦器壁形成粗糙面，溶质分子在粗糙面上更容易定向排列而形成晶体。种晶法：向滤液中加入少许同一物质的晶体作为晶种，以供给晶核，使晶体迅速生成。,？若无该物质晶体，如何种晶？,玻璃棒蘸些溶液，使溶剂挥发后可得晶种,过渡冷却法：如冰浴，长时间冰箱冷藏蒸发溶剂法：浓缩溶液使之过饱和再冷却结晶溶剂调节法：加少许难溶解该物质的溶剂，降低溶剂的溶解度，然后再用玻璃棒摩擦容器内壁上述办法仍无效果，则需更换溶剂及用量，重新重结晶。注意以下问题：学生实验中有时因溶剂量过多而析不出晶体或回收率较低，这时可将滤液浓缩后再结晶析出防止热滤液骤冷炸裂容器，不要剧烈搅动防止晶体太细小；防止晶体以油状物析出。,（6）分离晶体与滤液并洗涤晶体 过滤法分离与洗涤晶体：滴入，搅动，抽干。洗涤溶剂一般为低温的重结晶溶剂。也可另选洗涤溶剂，但要能与原溶剂混溶且低温、低沸点、对晶体微溶或不溶。离心法分离与洗涤晶体（7）结晶的后处理和干燥为使晶体在干燥前，进一步除去晶体上附着的溶剂，可以将晶体从漏斗或离心管中取出后用滤纸吸干溶剂，然后进行干燥处理。,三、萃取（extraction）,萃取：中药学最常用技术,三、萃取（Extraction）,萃取类别：溶剂萃取法（Solvent Extraction），超临界流体萃取法、微波协助萃取法、固相萃取等。溶剂萃取分类：物理萃取和化学萃取萃取体系的构成与基本概念：（1）被萃取物； （2）萃取液和萃余液 （3）萃取剂(extractant)（4）萃取溶剂(extraction solvent)（5）盐析剂(saltingout agent)（6）相比：被萃取相和萃取溶剂相体积比,1、溶剂萃取的基本过程,萃取是使物质从一种相态转移到另一种相态的过程。溶剂萃取的基本过程是将物质从其原来的存在相态中（液态、固态或气态）转移到指定的萃取溶剂相中的过程。萃取是如何实现均相到非均相转变的？深入了解萃取过程的关键：（1）水相中的化学作用；（2）可萃取物质在两相中的分配平衡作用；（3）有机相中的化学作用。,2、萃取的基本原理：,组分在两相之间的溶解平衡关系是萃取过程的热力学基础，它决定萃取过程的方向（1）分配定律： 1891年Nernst提出理想溶液的分配规律 K-distribution coefficient,分配曲线常常并非直线，原因组分在两相的存在形式可能不同。,（2）分配比（distribution ratio，D）：表示被萃取物质M在有机相中总浓度与在水相中总浓度的比值，即：分配比D是两相萃取条件的函数，萃取条件一定时为一定值。萃取条件变，D值也发生变化,（3）萃取分离总体效果的评价 分离系数（Separation Coefficient，）,1：二者分离困难 1：M1易被有机溶剂相萃取，M2留在水相中，可分离 1：M2易被有机溶剂相萃取，M1留在水相中，两种物质可分离,（3）萃取分离总体效果的评价,萃取率（percentage extraction，E）：指萃入萃取溶剂相的物质总量占两相中物质总量的百分比，表示萃取的完全程度。分配比愈大，萃取率愈高。,E 与分配比、相比相关关键：萃取剂选择和用量,（3）萃取分离总体效果的评价,萃取率与萃取次数、萃取剂用量的关系：一次萃取的萃取率决定于分配比和相比，但萃取次数会影响总的萃取率。假设：每次用SmL有机萃取剂萃取溶解在VW mL水中的初始含量为WO g溶质M。萃取一次后，水相剩余M量W1为：,萃取n次后，水相中剩余的M量Wn为：,理论与实际相结合得出的结论：每次都用一定量的萃取剂，萃取次数越多，萃取率越高（但需要消耗大量萃取剂）；一定量萃取剂，分多次萃取比一次萃取萃取率高，但首次萃取用量要多些；相比过大，萃取率低且后处理不利，实际总相比一般为112,3、影响萃取的主要因素,萃取溶剂和萃取剂： pH值：碱性萃取溶液易产生乳化现象 温度： 被萃取溶液的浓度： 盐析作用：使 K 值变大，减少两相间的互溶使萃余液相比重增大，有助于两相的分层 但应注意以下问题,使用盐析剂注意事项：尽量用高浓度或近饱和盐溶液，若用饱和溶液，会析出晶体而影响萃取操作；一般采用小半径高电荷的阳离子盐。阳离子半径越小，电荷越高，则溶剂化作用越强；盐析剂不应有副作用，其加入量应适当，过多则会使杂质也转入有机相；阴离子尽可能具有同离子效应。,4、萃取溶剂和萃取剂的选择,分配系数：大，萃取率的决定因素两相互溶程度：很小或不混溶选择性：对不同溶质溶解度不同化学稳定性：不发生不利的化学反应密度：影响分层和乳化界面张力：过大不利于分散混合，小则易乳化黏度：小，利于分子在两相间的扩散平衡和分层沸点：低，便于回收其他：价格低，毒性较小，安全环保，便于操作,（1）乳化液的构成：油相、水相和乳化剂（2）类型：W/O, O/W,5、溶剂萃取的乳化及其避免和破除,（3）乳化液的稳定性界面张力：小，稳定 乳化液保护膜 分散相界面电荷 其他因素：介质黏度大，温度低碱性萃取剂浓度过大两相比重相近,（3）避免和破除乳化的方法：去除和破坏乳化剂加热破乳超声破乳稀释破乳过滤破乳电解质破乳转型法破乳加入破乳剂：如十二烷基磺酸钠,乳化作用及乳化技术的应用：,6、溶剂萃取的基本操作类型,三种类型：液-液、液-固 、液-气萃取液-液萃取的方式 ：间歇、连续,分液漏斗选择：形状、大小分液漏斗的前处理： 检查、清洗、烘干 涂油、试漏 ,（1）间歇液-液萃取,萃取操作：加液、振荡混合：静止分层：放液分离：后处理：,（2）连续液液萃取,萃取蒸馏技术, 浸泡提取 渗漉提取 普通加热回流提取 索氏提取器回流提取,（3）液-固萃取,影响液固萃取的主要因素：溶剂系统的选择：对于生物材料等固体物质的溶剂提取情况复杂，不同的材料和不同的被萃取物所采取的溶剂都不相同，常分阶段、分层次进行提取分离；固体物料的前处理：干燥、粉碎、组织破碎和分离 注意生物活性物质的处理问题 温度、酸碱度和盐的浓度等,常用方法：不同极性溶剂的梯度提取,萃取与离心结合应用,7、新型萃取技术,（1）微波协助萃取发展于利用微波技术进行天然产物的提取因植物体内的维管束和腺胞内含水量较高，故吸收微波能很快升温，使细胞内部的压力增大，并最终大致细胞壁破裂，于是细胞内的有效成分便可以自由流出，被溶入萃取溶剂中。特点：快速；无需干燥物料；节省能源；降低溶剂用量；选择性好，产品纯度和质量均提高；可在同一装置内采取两种以上的萃取溶剂分别提取所需组分，工艺更简捷；避免长时间高温加热的弊端，利于热不稳定物质的萃取,（2）超临界流体萃取,在热力学中，临界点是可使一物质以液态存在的最高温度或以气态存在的最高压力，当物质的温度、压力超过此界线即临界温度及临界压力会相变成同时拥有液态及气态特征的流体：超临界流体。,（2）超临界流体萃取,超临界状态：物质的压力和温度同时超过它的临界压力(pc)和临界温度(Tc)的状态，或者说，物质的对比压力(p/pc)和对比温度(T/Tc)同时大于1的状态称为该物质的超临界状态。 超临界状态是一种特殊的流体。在临界点附近，它有很大的可压缩性，适当增加压力，可使它的密度接近一般液体的密度，因而有很好的溶解其他物质的性能，例如超临界水中可以溶解正烷烃。另一方面，超临界态的黏度只有一般液体的1/12至1/4，但它的扩散系数却比一般液体大7至24倍，近似于气体。,Supercutical Fluid Extraction，SFE超临界流体及其特性：液体的高密度，气体的低粘度，介于气液态之间的扩散系数。溶解能力强。超临界流体萃取溶剂：二氧化碳常用,（2）超临界流体萃取,Solid-Phase Extraction由液固萃取和液相柱色谱技术结合发展而来。,（3）固相萃取（SPE）,课后文献实验作业,查找资料，分别就微波萃取、超临界流体萃取和固相萃取技术及其在医药行业的应用与开发现状进行综述。要求：简单扼要叙述其发展历史、基本原理、主要方法、技术特点、本专业内的典型应用。举例说明其具体应用的实例。提前查阅如何写好综述性文章，参考范例,