第4章萃取法课件.ppt
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1、第四章 萃取法,2022/12/11,1,第一节 溶剂萃取法,广义的溶剂萃取法(solvent extraction)包括液-固萃取和液-液萃取:液-固萃取又称浸取、浸提,2022/12/11,2,液-液萃取指用一种溶剂(有机溶剂)将目的产物从另一种溶剂(如发酵液)中提取出来的方法。,溶剂萃取法优点: 操作可连续化,速度快,生产周期短; 对热敏物质破坏少; 采用多级萃取时,溶质浓缩倍数大、纯化度高。缺点: 由于有机溶剂使用量大,对设备和安全要求高,需要各项防火防爆等措施。,2022/12/11,4,一、基本概念,(一)萃取与反萃取 被提取的溶液称为料液,其中欲提取的物质称溶质,而用以进行萃取的
2、溶剂称为萃取剂(extractant) 达到萃取平衡后,大部分溶质转移到萃取剂中,这种含有溶质的萃取剂溶液称为萃取液,而被萃取出溶质以后的料液称为萃余液。,2022/12/11,5,萃取一般指用有机溶剂将物质从水相转移到有机相的过程。 反萃取(stripping或back extraction)是将萃取液与反萃取剂(一般为水溶液)相接触,使被萃入有机相的溶质转入水相的过程,可看作是萃取的逆过程。,2022/12/11,7,(二)、分配定律,能斯特分配定律:在一定温度、一定压力下,某一溶质在互不相溶的两种溶剂间分配时,达到平衡后,在两相中的活度之比为一常数。如果是稀溶液,可以用浓度代替活度,即:
3、 K 称为分配系数 K表,2022/12/11,8,应用分配定律时,须符合下列条件:必须是稀溶液,即适用于接近理想溶液的萃取体系; 溶质对溶剂的互溶度没有影响; 溶质在两相中必须是同一分子形式,即不发生缔合或解离。此时,分配系数为常数,与溶质总浓度、相比无关,只与溶质在有机相中的溶解度有关。,2022/12/11,9,在实际萃取过程中,溶质的浓度比较大此时分配在两相中的溶质只能用活度表示;溶质在两相的分子形式常常并不相同,仍然采用类似分配定律的公式作为基本公式。这时候溶质在萃取相和萃余相中的浓度,实际上是以各种化学形式进行分配的溶质总浓度,它们的比值以分配比(distribution rati
4、o)表示:,2022/12/11,10,D分配比,不是常数:溶质浓度、萃余相酸碱度、萃取剂浓度、温度变化,2022/12/11,11,(三)、萃取因素,萃取因素也称萃取比,其定义为被萃取溶质进入萃取相的总量与该溶质在萃余相中总量之比。通常以E表示。若以Vl和V2分别表示萃取相和萃余相的体积,M1和M2分别表示溶质在萃取相和萃余相中的平衡浓度。萃取因素(E)为:,2022/12/11,12,萃取因素不是常数,与相比、萃取剂浓度、温度、pH、溶质在萃取相和萃余相中的解离情况有关。,2022/12/11,13,萃取率,生产上用萃取率来表示一种萃取剂对某种溶质的萃取能力。,2022/12/11,14,
5、(四)、分离因素,料液中的溶质并非是单一的组分,除了所需产物(A)外,还存在有杂质(B)。分离因素(separation factor),常用表示,其定义为:在同一萃取体系内两种溶质在同样条件下分配系数的比值,2022/12/11,15,二、溶剂萃取法的基本原理,抗生素在不同的pH条件下,可以有不同的化学状态,其分配系数亦有差别,若适度改变pH,可将抗生素自水相转入有机相,或从有机相再转入水相,这样反复萃取,可以达到浓缩和提纯的目的,2022/12/11,16,三、萃取方法和理论收率的计算,(一)单级萃取,2022/12/11,17,萃取因素E为 式中 VF料液体积;Vs萃取剂的体积;C1溶质
6、在萃取液的浓度; C2溶质在萃余相的浓度;K表观分配系数; m浓缩倍数,2022/12/11,18,萃余率:理论收率:,2022/12/11,19,例如: 洁霉素在20和pH10.0时表观分配系数(丁醇/水)为18。用等量的丁醇萃取料液中的洁霉素,计算可得理论收率 若改用1/3体积丁醇萃取, 理论收率:,2022/12/11,20,(二)多级错流萃取,2022/12/11,21,2022/12/11,22,萃余率:理论收率,2022/12/11,23,红霉素在pH 9.8时的分配系数(醋酸丁酯/水)为44.5,若用1/2体积的醋酸丁酯进行单级萃取,则: 理论收率 若用1/4体积的醋酸丁酯进行二
7、级错流萃取,则 理论收率,2022/12/11,24,多级逆流萃取,2022/12/11,25,2022/12/11,26,多级逆流萃取示意图,2022/12/11,27,2022/12/11,28,青霉素的多级逆流萃取,青霉素发酵过滤液进入第一级萃取罐,在此与从第二级分离器来的萃取相(含产品青霉素)混合萃取,然后流入第一级分离器分成上下层,上层为萃取相,富含目的产物,送去蒸馏回收溶剂和产物进一步精制;下一层为萃余相,含目的产物浓度比新鲜料液低得多,送第二级萃取;如此经三级萃取后,最后一级的萃余相作为废液排走。,n级萃取后,萃余率为: 理论收率为,2022/12/11,29,青霉素在0和pH2
8、.5时的分配系数(醋酸丁酯/水)为35,若用1/4体积的醋酸丁酯进行二级逆流萃取, 则: n2,理论收率,2022/12/11,30,考题!,若改为二级错流萃取,第一级用1/4体积的醋酸丁酯,第二级用1/10体积的醋酸丁酯,则,2022/12/11,31,考题!,第二节 影响溶剂萃取的因素,一、乳化和破乳化(一)乳状液的形成和稳定条件 乳化剂多为表面活性剂。分子结构特点:一般是由亲油基和亲水基两部分组成的,即一端为亲水基团或极性部分 ,另一端为疏水性基团或非极性部分(烃链) 。,2022/12/11,32,乳化剂使乳状液稳定与以下因素有关:(1)界面膜形成 :表面活性剂积聚在界面上吸附层在分散
9、相液滴周围形成保护膜有一定机械强度防止液滴碰撞而聚沉(2)界面电荷的影响 :液滴表面吸附了电离的乳化剂离子同性相斥 W/O 正电;O/W负电(3)介质黏度:乳化剂能够增加乳状液粘度,增加保护膜机械强度,2022/12/11,33,发酵液中一些蛋白质是疏水亲油性的,萃取时常在发酵液和有机液相界面上形成W/O型乳化层,使水相和有机相难以分层萃取过程中放乳化和破乳化很重要!,2022/12/11,34,HLB值(hydrophile-lipophile balance) 每一种表面活性剂都有亲水和疏水基团,两种基团的强度的相对关系称为HLB值 完全不亲水(HLB=0)和完全亲水(HLB=20)的两种
10、极限乳化剂作为标准,其它表面活性剂的HLB值就处于这两种极限值之间。,2022/12/11,35,2022/12/11,36,(二)、影响乳状液类型的因素,1相体积的影响 假定分散相为大小均匀的圆球,按紧密地堆积,圆球体积占堆积总体积的74%,而球与球的间隙体积为26%。如水的体积占总体积小于26%时,填充不满油滴球体间的间隙,只能被油滴小球包围,即只能形成WO型乳状液;而水大于74%时,则油的体积小于26%,同理即只能形成OW型乳状液。,2022/12/11,37,2乳化剂分子空间构型的影响 截面积小的一头指向分散相,截面积大的一头指向分散介质,所以一价金属皂形成OW型乳状液,而二价金属皂形
11、成WO型乳状液,3界面张力的影响 乳化剂聚集于界面形成薄膜,若两相界面张力不等,则使膜弯曲,其凹面一侧为界面张力较高的相,高界面张力这侧的液体易形成内相。,2022/12/11,39,4容器壁性质的影响 亲水性强的容器易得OW型乳状液,亲油性强的容器易形成WO型乳状液。,(三)、乳状液的破坏,1、加入表面活性剂 : 可改变界面的表面张力,使乳浊液转型,在转型过程中破乳;用强烈吸附于油水界面的表面活性剂顶替原来的乳化剂产生易于破乳的新膜2、离心:促进乳状液液滴碰撞聚集3、加电解质:中和乳浊液分散相所带电荷、增加两相比重差、盐析蛋白,2022/12/11,41,4、加热 布朗运动 絮凝 粘度 聚结
12、 膜破裂5、吸附法破乳 吸附介质对油水吸附能力差异引起破乳6、高压电破乳 扩散双电层破坏+阈电压的瞬间聚结作用7、稀释法 稀释乳化剂,(四)、常用的去乳化剂,原理:有高的表面活性足以替代界面上原有的乳化剂碳链很短或有分支,形成的新界面膜容易破1.阳离子表面活性剂(1)十二烷基三甲基溴化铵(1231) CH3(CH2)10CH2(CH3)3N+Br 用于破坏W/O型;带正电,中和蛋白负电形成沉淀使蛋白质留在水相当中,相界面清晰(2)溴代十五烷吡啶(PPB)青霉素提取,2022/12/11,43,2.阴离子表面活性剂 阴离子表面活性剂,如亚油酸钠、十二烷基磺酸钠、石油磺酸钠等 3其他破乳剂 如用溴
13、代四烷基吡啶作去乳化剂,因其既易溶于水,又易溶于醋酸丁酯中,既能破坏WO型,也能破坏OW型乳状液,比PPB破乳完全,用量为0.03%-0.05%。它能降低青霉素提取时随废液的损失,提高收率。,2022/12/11,44,二、pH的影响,1、pH影响弱酸或弱碱性药物的分配系数2、pH也影响药物的稳定性例:用醋酸丁酯提取苄基青霉素,在0、pH2.5时测得K表=30,KP=10-2.75,可求得,2022/12/11,45,可按下式计算表观分配系数和水相pH的关系: 可得,当pH=4.4时,K表=1。当pH4.4时,青霉素从醋酸丁酯相转移到水相,称为反萃取。,2022/12/11,46,三、温度和萃
14、取时间的影响,高温不稳定 高温时溶剂间互溶度增大四、盐析作用的影响 由于盐析剂与水分子结合,降低了药物在水中的溶解度,使其易转入有机相; 盐析剂降低有机溶剂在水中的溶解度;盐析剂增大萃余相比重,有助于分相。,2022/12/11,47,五、溶剂种类、用量及萃取方式,分配系数愈大愈好,若分配系数未知,则可根据“相似相溶”的原则,选择与药物结构相近的溶剂; 选择分离因素大于1的溶剂; 料液与萃取溶剂的互溶度愈小愈好;尽量选择毒性低的溶剂。 溶剂的化学稳定性高,腐蚀性低,沸点不宜太高,挥发性要小,价格便宜,来源方便,便于回收。,2022/12/11,48,如洁霉素20,pH10.0时,分配系数(丁醇
15、水)=18,根据萃取方式理论收得率的计算方法,得出:,2022/12/11,49,第三节 萃取过程和溶剂回收,一、混合1、搅拌罐2、管式混合器使液体在一定流速下形成湍流状态,2022/12/11,50,液体在管道中的流态:滞流: 同一截面不同点流体平行流动湍流: 不规则的流动,易于混合影响流态的因素:管道直径、流速、密度、粘度,2022/12/11,51,3、喷嘴式混和器液体通过喷嘴高速射出,流到喷嘴时,速度增大压力降低产生真空将另一种流体吸入混合4、气流搅拌混和罐将空气通入液体借鼓泡作用搅拌,2022/12/11,52,二、液-液两相分离,离心机:利用两相比重差,在离心力下分离 碟片式离心机
16、、管式离心机、离心萃取机三、溶液回收(一)、单组分溶剂的回收 简单蒸馏:不进行回流,间歇操作适用于回收沸点相差很大的混合溶媒和粗分离。,2022/12/11,53,二、液-液两相分离,离心机,2022/12/11,54,三、溶液回收(一)、单组分溶剂回收 简单蒸馏 或精馏,2022/12/11,55,四、回收完全互溶的混和溶剂 并不形成恒沸混和物,如丙酮-丁醇混和溶剂,由于其沸点相差较大(丙酮沸点为56.1,丁醇沸点为117.4),采用精馏方法很易得到纯组分。,2022/12/11,56,(二)沸点比较接近组分的分离、低浓度溶剂回收 精馏:多次部分气化多次部分冷凝,2022/12/11,57,
17、第四节 双水相萃取,双水相萃取技术(two-aqueous phase extraction) ,又称水溶液两相分配技术,它利用不同的高分子溶液相互混合可产生两相或多相系统,静置平衡后,分成互不相溶的两个水相,利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法,称为双水相萃取法。,2022/12/11,58,优点:能保留产物的活性,操作可连续化,可纯化蛋白质25倍。溶解性优势 和 活性优势在萃取的同时可以除去细胞或细胞碎片!无需离心!举例:-半乳糖苷酶提纯 表4-4 P148,2022/12/11,59,高聚物混合分类:互不相容,形成两相先混合凝聚,再分为两相,特点两种高聚物几乎都分配
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