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项目类别一

溶剂萃取法ppt课件

2022-01-04 10:43

  第一讲 1 1 溶剂萃取概述 萃取过程是 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。 2 萃取在化工上是分离液体混合物常用的单元操作,在发酵和生物工程生产上的应用也相当广泛. . 萃取操作不仅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...

  第一讲 1 1 溶剂萃取概述 萃取过程是 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。 2 萃取在化工上是分离液体混合物常用的单元操作,在发酵和生物工程生产上的应用也相当广泛. . 萃取操作不仅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。 溶剂萃取概述 3 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) 溶剂萃取概述 4 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A: : 其中欲提取的物质, 萃取剂S: : 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。 溶剂萃取概述 萃取的基本概念 稀释剂 ( 原溶剂 )B B :混合液中的溶剂 , 作用是使萃 合常数发生变化 , 使分配比发生变化 。 5 杂质 溶质 原溶剂 萃取剂 Light phase Heavy phase 溶剂萃取概述 6 分液漏斗有机相水相溶剂萃取概述 7 萃取洗涤反萃取萃取剂+稀释剂料液(待分离物质+杂质萃取液(待分离物质+少量杂质洗涤剂萃残液(杂质)杂质+少量待萃物质产物(待萃物质)(待返回使用)萃取剂+稀释剂反萃剂待萃物质一般工业液液萃取过程 溶剂萃取概述 8 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 溶剂萃取概述 9  萃取过程有选择性  能与步聚相配合  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 溶剂萃取概述 10 2 萃取过程的理论基础 液液萃取是以分配定律为基础 分配定律 :一定T T 、P P 下,溶质在两个互不相溶的溶剂中分配, 平衡 时,溶质在两相中浓度之比为常数。 K K- - 分配系数  在常温常压下K为常数; 应用前提条件 (1 1 ) 稀溶液 (2 2 ) 溶质对溶剂互溶没有影响 (3 3 ) 必须是同一分子类型 , 不发生缔合或离解 萃余液的浓度萃取液的浓度 RlCCK11 如果原来料液中除溶质A A 以外,还含有溶质B B ,则由于A A 、B B 的分配系数不同,萃取相中A A 和B B 的相对含量就不同于萃余相中A A 和B B 的相对含量。 萃取剂对溶质A A 和B B 分离能力的大小可用 分离因素( )来表征 。 分离因素() ) 12 分离因数 :在同一萃取体系内,在同样条件下两组分的分配比的比值。 B ABARB RALB LAB AKK) C / C () C / C (  分离因素() ) =1 K A A = K B B 分离效果不好; 1 K A A K B B 分离效果好; 越大,K K A A 越大于K K B B ,分离效果越好。 13 一般来说 , 要使共存于同一体系的A A 和B B 分离 ,A A 的萃取率q q 应在 99% % 以上 , 而B B 的萃取率q q 应小于1 1% % ,此时: 4/1001 . 0100  BAB ADD 即 A/B 10 4 4 ,可使A A 和B B 彼此分离。故常将 A/B 10 4 4 作为两元素 相互分离的判据 。 两元素相互分离的判据 14 3 3 .有机溶剂的选择 ① 根据相似相溶的原理,选择 与目标产物极性 (根据介电常数判断极性 p116 ) 相近的 有机溶剂为萃取剂,可以得到较大的分配系数; ②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。 ③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。 15 4.1 pH 的影响 pH 影响表观分配系数(K 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。 4 有机溶剂萃取的影响因素 16  由萃取机理和 K ~pH 的关系式可得出如下结论: 酸性物质 碱性物质 萃取 pHpK pHpK 反萃取 pHpK pHpK 17 4.2. 温度T T ◆ T ,分子扩散速度 ,故萃取速度 ◆ T T 影响分配系数 例:青霉素 ― T ,水中的溶解度 萃取时 T 使 K ;反萃时 T 使K K 反 红霉素、螺旋霉素 ― T ,水中的溶解度 萃取时 T 使 K ;反萃时 T 使K K 反 18 4 4. .3 3. . 离子强度 离子强度主要影响物质的溶解度 。 当有无机盐 氯化钠 、 硫酸铵 , 作用: 生化物质在水中溶解度 , K ;两相比重差 两相互溶度 19 4.4 带溶剂的使用 带溶剂 :是一类能和所提取的生物物质形成复合物,而易溶于溶剂的物质,且此复合物在一定条件下容易分解形成成原来的生物物质。 对于水溶性强的溶质比如链霉素,可利用脂溶性萃取剂(如月桂酸)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,在酸性条件下又分解成链霉素而转溶于水中。 20 溶质与带溶剂之间的作用: 离子对萃取:正负离子结合成对的萃取; 离子交换萃取: 反应萃取: 21 4.5 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 。 22 1 1 ) 乳浊液形成原因 表面活性物质聚集在两相界面上,使表面张力降低。 表面活性 剂 分子 亲水基团 亲水 亲油基团 亲油 亲水基团伸向水中,亲油基团伸向油中。 23 乳浊液类型 当将有机溶剂(通称为油)和水混在一起搅拌时,可能产生两种形式的乳浊液。 乳浊液类型:水包油型;油包水型 油滴 O/W 水滴 W/O 水 油 亲水性基团强度 亲油性基团强度, ,O/W ; 亲油性基团强度 亲水性基团强度, , W/O 发酵液的乳化现象主要由蛋白质引起。 24 乳浊液类型 当将有机溶剂(通称为油)和水混在一起搅拌时,可能产生两种形式的乳浊液。 乳浊液类型:水包油型;油包水型 油滴 O/W 水滴 W/O 水 油 亲水性基团强度 亲油性基团强度(HLB 数越大),O/W; ; 亲油性基团强度 亲水性基团强度(HLB , 数越小), W/O 发酵液的乳化现象主要由蛋白质引起。 25 HLB数 亲水亲油值(HLB) : : 表面活性剂分子中亲水基和 亲油基之间的大小和力量平衡程度的量定义为表面活 性剂的亲水亲油平衡值。 HLB 在实际应用中有重要参考价值。亲油性表面 活性剂HLB 较低, 亲水性表面活性剂HLB 较高。亲水亲 油转折点HLB 为10 。HLB 小于10 为亲油性, 大于10 为 亲水性。 26 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。 乳化剂 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 27 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。 28 物理法:离心、加热,吸附,稀释 化学法:加电解质、其他表面活性剂 * 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, 3 3 )乳浊液的破坏措施 29 * 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。 乳浊液的破坏措施 30 常用的去乳化剂: 十二烷基硫酸钠(SDS, ),酸性, 阴离子型表面活性剂 溴代十五烷基吡啶(PPB ),碱性,阳离子表面活性剂 去乳化剂选择原则: 去乳化能力强; 不破坏生化物质; 不污染成品: 去乳化剂不能跟随生化物质一起进入萃取相 , 应留在水相。 。 31 5 萃取方式与过程计算 ※ 萃取过程 :1 1 )混和 2 2 ) 分离 3 3 )溶剂回收 ※ 操作方式 单级萃取 多级错流 多级萃取 多级逆流 32 5.1 单级萃取 F 料液S萃余相R萃取器回收器分离器萃取剂萃取相L产物单级萃取流程示意图 单级萃取:只包括一个混合器和一个分离器 33 未被萃取的分率 和理论收得率1 1 - FSF FS SFSKVVC VC VXXE = =萃余液溶质总量萃取液溶质总量萃取因素 若设分配系数为K K ,料液体积为V V F F ,萃取剂体积 为 Vs ,经过萃取后,溶质在萃取液和萃余液中质量 或摩尔浓度比为: 34 未被萃取的分率 和理论收得率1 1 - 1 E1FF  S S FFC V C VC V= 未被萃取的分率E 1EV C V CV C1S S F FS S = 理论得率 35 未被萃取的分率 和理论收得率1 1 - 例如:赤霉素在 10℃ 和 pH2.5 时的分配系数为35 ,若用等体积的乙醇进行单级萃取一次,求理论得率? 351135VV35 EFS    =% 2 . 971 35351  =   理论得率为: 36 5.2 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。 37 多级错流萃取示意图 轻相入重相入轻相出轻相出轻相出重相出轻相入料液入口 第一级 第二级 第 萃余液出口 38 多级错流萃取未被萃取分率和理论收率 设第一级萃取因素为 E1 ,经过一级萃取后,未被 萃取的分率 1 为 1 E111  设第二级萃取因素为 E2 ,经过二级萃取后,未被 萃取的分率 2 为 1) 1)(E (E11 E12 1 21 2   39 经 经n 级萃取后,未被萃取的分率: 经 经n 次萃取后,总的理论得率为: ) 1 E )...( 1 E )( 1 E (11 1n 2 1n    = ) 1 E )...( 1 E )( 1 E (1n 2 1n  = 40 5.3 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。 41 多级逆流萃取图 混合器分离器混合器混合器分离器分离器S SL3L2 2L1F F第一级 第二级 第R R 342 青霉素的多级逆流萃取 第一级 第二级 第含青霉素乙酸戊酯青霉素滤液废液乙酸戊脂在逆流萃取装置中用乙酸戊酯从澄清的发酵液中分离青霉素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; 。 如此经萃取后,最后一级的萃余相作为废液排走。 43 多级逆液萃取计算公式 理论收得率: 11n1  nEE1n 111  nnEE E未被萃取的分率: 44  单级萃取: F F 混和 L 分离 S R  多级错流萃取 S S 1 1 L 1 1 S 2 2 L 2 2 R F R L S  多级逆流萃取 F R 1111 EEE nnE ) 1 (1 111 nnEE 条件:萃取相和萃...