生物分离工程-第五章-萃取技术.ppt
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1、生物工程下游技术生物工程下游技术第五章第五章 萃取技术萃取技术Solvent Extraction4学时学时.本章学习目的和要求本章学习目的和要求在了解萃取和分配定律、分配平衡的基本在了解萃取和分配定律、分配平衡的基本概念的基础上,重点掌握有机溶剂萃取,液液概念的基础上,重点掌握有机溶剂萃取,液液萃取,双水相萃取,液膜萃取,反胶团萃取,萃取,双水相萃取,液膜萃取,反胶团萃取,液固萃取液固萃取,超临界流体萃取的设备,操作及基超临界流体萃取的设备,操作及基本性质本性质重点:重点:基本概念、有机溶剂萃取和双水相萃取基本概念、有机溶剂萃取和双水相萃取难点:难点:超临界液体萃取技术超临界液体萃取技术.内
2、容内容n一、基本概念一、基本概念n二、分配定律与分配平衡二、分配定律与分配平衡n三、有机溶剂萃取三、有机溶剂萃取n四、双水相萃取四、双水相萃取n五、液膜萃取五、液膜萃取n六、反胶团萃取六、反胶团萃取n七、超临界流体萃取七、超临界流体萃取.n n萃取萃取是一种初级分离纯化技术原料原料前处理前处理生物反应生物反应工程工程生物分离生物分离工程工程产品产品固固液液分分离离分分离离提提取取纯纯化化精精制制一、基本概念一、基本概念.1、引言、引言n(1)定义)定义n n利用在两个利用在两个互不相溶互不相溶的液相中各种组分(包括目的产物)的液相中各种组分(包括目的产物)溶解度溶解度的不同(分配系数不同),从
3、而达到(纯化或浓缩)的不同(分配系数不同),从而达到(纯化或浓缩)分离的目的,其方法称为萃取。分离的目的,其方法称为萃取。n n物理萃取物理萃取n n化学萃取化学萃取n(2)特点)特点平衡关系简单平衡关系简单萃取条件温和萃取条件温和适用范围广泛(从小分子到生物大分子)适用范围广泛(从小分子到生物大分子).2、萃取的分类、萃取的分类固体固体液体液体液固萃取(浸取)液固萃取(浸取)超临界萃取超临界萃取液液萃取液液萃取超临界萃取超临界萃取有机溶剂萃取有机溶剂萃取双水相萃取双水相萃取液膜萃取液膜萃取反胶团萃取反胶团萃取待处理物系待处理物系萃取剂种类和萃取形式萃取剂种类和萃取形式分类:分类:液固萃取(浸
4、取)、超临界萃取、有机溶液固萃取(浸取)、超临界萃取、有机溶剂萃取、双水相萃取、液膜萃取、反胶团萃取剂萃取、双水相萃取、液膜萃取、反胶团萃取.生物产品萃取根据分子量大小划分n n小分子类小分子类 化合物相对分子量约小于1000,如氨基酸、抗生素、维生素、有机酸等,采用有机溶剂萃取n n大分子类大分子类 相对分子量大于1000,如酶,抗体,蛋白质等,有机溶剂不适用,可选用反胶团萃取、双水相萃取等.工业上生产青霉素n大多采用醋酸丁酯为萃取剂,pH=1.82.2,相比VO/VW=1/21/2.5,温度5,反萃取过程采用碳酸氢钾或碳酸钾水溶液为反萃取剂。萃取是一种初级分离纯化技术.液液萃取步骤.3、萃
5、取的基本原理、萃取的基本原理萃取剂引起两相分层萃取剂引起两相分层溶质扩散进入萃取相,实现由料液向萃取相中转移。溶质扩散进入萃取相,实现由料液向萃取相中转移。达到平衡时,传质推动力为零,溶质浓度不再变化。达到平衡时,传质推动力为零,溶质浓度不再变化。溶质在两相中的分配平衡是状态函数,与萃溶质在两相中的分配平衡是状态函数,与萃取操作形式无关。取操作形式无关。.4、反萃取、反萃取反萃取就是通过调节水相条件,将目标产反萃取就是通过调节水相条件,将目标产物从有机相转入水相的萃取操作过程。物从有机相转入水相的萃取操作过程。反萃过程也是液液萃取的一种形式,其是反萃过程也是液液萃取的一种形式,其是相对于萃取过
6、程而言的相对于萃取过程而言的 .5、物理萃取和化学萃取、物理萃取和化学萃取n物理萃取物理萃取 溶质根据相似相溶原理在两相间达到分配平衡,溶质根据相似相溶原理在两相间达到分配平衡,两者间无化学反应。两者间无化学反应。n化学萃取化学萃取 脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶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分配。性复合分子实现溶质向有机相分配。例:例:.n n利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力,分离利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力,分离过程纯属过程纯属物理过程物理过程n n萃取体系的构成萃取体系的构成n n溶质溶质溶质溶质:被萃取的物质:被萃取的物质n n
7、原溶剂原溶剂原溶剂原溶剂:原先溶解溶质的溶剂:原先溶解溶质的溶剂n n萃取剂萃取剂萃取剂萃取剂:加入的第三组分:加入的第三组分n n萃取剂选择原则:使溶质在萃取相中有最大的溶萃取剂选择原则:使溶质在萃取相中有最大的溶解度。解度。物理萃取.杂质杂质溶质溶质原溶剂原溶剂萃取剂萃取剂Light phaseHeavy phase.n物理萃取主要应用于抗生素和天然植物抗生素和天然植物中有效成分的提取过程。.化学萃取定义 化学萃取是通过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中分配的萃取过程。.化学萃取原理n化学萃取的典型示例:季胺盐萃取剂萃取氨基酸n溶解于有机相中的季胺盐(如三
8、辛基甲基氯化铵,TOMAC,R+Cl-)在相界面处与氨基酸阴离子(A)发生如下的离子交换反应,氨基酸与季胺盐形成复合物(R+A-)而进入有机相,同时释放出氯离子,完成萃取过程。.萃取剂与溶质之间的化学反应主要包括离子交换反应和络合反应。化学萃取主要用于氨基酸、抗生素和有机酸的分离和回收。.二、分配定律与分配平衡二、分配定律与分配平衡1、定义:、定义:分配定律分配定律就是溶质在两相中的分配平就是溶质在两相中的分配平衡规律,即在衡规律,即在恒温恒压恒温恒压条件下,溶质在互不相溶的条件下,溶质在互不相溶的两相中达到分配平衡时,如果其在两相中的两相中达到分配平衡时,如果其在两相中的相对分相对分子量相等
9、子量相等,则其在两相中的平衡浓度之比为常数,则其在两相中的平衡浓度之比为常数,即即 .2、热力学、热力学根据热力学原理,在恒温恒压条件下,当溶质在互不相根据热力学原理,在恒温恒压条件下,当溶质在互不相溶两相中达到分配平衡后,溶质在两相中的化学位应当相等,溶两相中达到分配平衡后,溶质在两相中的化学位应当相等,即即Nerst分配常数分配常数.溶质分配的热力学分析分配系数:分配系数:当溶质浓度较低时,当溶质浓度较低时,=1,此时分配系数为常数,此时分配系数为常数.分配定律与分配平衡分配定律与分配平衡 分配系数定义分配系数定义分配系数是指溶质在两相中的总浓度之比,分配系数是指溶质在两相中的总浓度之比,
10、其用于表示溶质的分配平衡关系,可表示为其用于表示溶质的分配平衡关系,可表示为或或.n分配系数是指溶质在两相中的总浓度之比,其用于表示溶质的分配平衡关系。c2,t和c1,t分别表示溶质在萃取相和原料液中的摩尔浓度yt和xt分别表示溶质在萃取相和原料液中摩尔分率分配系数是分配系数是衡量萃取体系是否合理的重要参数m 1或或m 7的范围内调节的范围内调节pH值也可提高目标产物的萃取值也可提高目标产物的萃取选择性。选择性。.五、液膜萃取五、液膜萃取-学习要点学习要点n识记:识记:液膜萃取概念液膜萃取概念 n理解:理解:各种液膜的形成、萃取机理,了解各种液膜的形成、萃取机理,了解液膜萃取设备和操作和膜相组
11、成,明白制液膜萃取设备和操作和膜相组成,明白制乳与破乳以及影响液膜萃取的操作参数乳与破乳以及影响液膜萃取的操作参数 .1、液膜萃取的由来n传统萃取过程传统萃取过程多步多设备过程多步多设备过程萃取洗涤反萃取液膜萃取液膜萃取黎念之黎念之 院士院士n集成萃取和反萃取过程集成萃取和反萃取过程n提高分离速度提高分离速度n降低设备投资和操作成本降低设备投资和操作成本.2 2、定义定义 液膜分离液膜分离是由水溶液或有机溶剂构成的液是由水溶液或有机溶剂构成的液体薄膜将与之不互溶的液体分隔开来,使其体薄膜将与之不互溶的液体分隔开来,使其中一侧液体中的溶质选择性地透过液膜进入中一侧液体中的溶质选择性地透过液膜进入
12、另一侧,从而实现溶质间的分离。另一侧,从而实现溶质间的分离。液膜分离可同时实现目标产物的分离和回收 .2 2、液膜分类液膜分类n乳状液膜乳状液膜n支撑液膜支撑液膜n流动液膜流动液膜.(1 1)乳状液膜)乳状液膜n类型类型水水-油油-水型(水型(W/O/W):其内外相均为水相,而油相则构成液膜;:其内外相均为水相,而油相则构成液膜;油油-水水-油型(油型(O/W/O):内外相均为油相,其液膜则由水相构成;:内外相均为油相,其液膜则由水相构成;n构成构成膜溶剂膜溶剂:含量最多达到:含量最多达到90,表面活性剂表面活性剂:为乳状液膜的必需成分,稳定:为乳状液膜的必需成分,稳定乳状液膜乳状液膜添加剂添
13、加剂:促进溶质跨膜输送的流动载体;:促进溶质跨膜输送的流动载体;n乳状液膜的制备乳状液膜的制备(形成)(形成).(2 2)支撑液膜)支撑液膜n定义定义支撑液膜(支撑液膜(Supportedliquidmembrane)是将)是将多孔高分子固多孔高分子固体膜体膜浸在膜溶剂中,使膜溶剂充满膜的孔隙形成的液膜。浸在膜溶剂中,使膜溶剂充满膜的孔隙形成的液膜。n支撑液膜的构成支撑液膜的构成构成支撑液膜的主要部件为多孔膜,常用的多孔膜有聚四氟乙构成支撑液膜的主要部件为多孔膜,常用的多孔膜有聚四氟乙烯、聚乙烯和聚丙稀等制造的高疏水性膜。烯、聚乙烯和聚丙稀等制造的高疏水性膜。n支撑液膜特点支撑液膜特点结构简单
14、,放大容易。结构简单,放大容易。.支撑液膜通量支撑液膜通量 在支撑液膜分离过程中,溶质的传质阻力主要来在支撑液膜分离过程中,溶质的传质阻力主要来自液膜两侧的滞流底层和溶质在液膜相中的扩散。自液膜两侧的滞流底层和溶质在液膜相中的扩散。当料液与反萃相的流速很大时,液膜两侧的滞流底当料液与反萃相的流速很大时,液膜两侧的滞流底层厚度很小,而溶质在其中的传质阻力往往可以忽层厚度很小,而溶质在其中的传质阻力往往可以忽略不计,这样控制溶质透过速度的主要因素为其在略不计,这样控制溶质透过速度的主要因素为其在液膜相中的内扩散。溶质的局部透过通量液膜相中的内扩散。溶质的局部透过通量N N为为 .液膜萃取机理液膜萃
15、取机理-单纯迁移单纯迁移根据料液中各种溶质在膜相中的溶解度根据料液中各种溶质在膜相中的溶解度(分配系数)和扩散系数的不同进行的(分配系数)和扩散系数的不同进行的萃取分离。萃取分离。.液膜萃取机理液膜萃取机理-I I型促进迁移型促进迁移在处理有机酸等弱酸性电解质的分离纯化方面,在处理有机酸等弱酸性电解质的分离纯化方面,在处理有机酸等弱酸性电解质的分离纯化方面,在处理有机酸等弱酸性电解质的分离纯化方面,可利用可利用可利用可利用强碱(如氢氧化钠)溶液强碱(如氢氧化钠)溶液强碱(如氢氧化钠)溶液强碱(如氢氧化钠)溶液为反萃相。反萃相中为反萃相。反萃相中为反萃相。反萃相中为反萃相。反萃相中含有氢氧化钠,
16、与料液中溶质(有机酸)发生含有氢氧化钠,与料液中溶质(有机酸)发生含有氢氧化钠,与料液中溶质(有机酸)发生含有氢氧化钠,与料液中溶质(有机酸)发生不可逆不可逆不可逆不可逆化学反应化学反应化学反应化学反应生成生成生成生成不溶于膜相的盐不溶于膜相的盐不溶于膜相的盐不溶于膜相的盐。在膜相的传质速率为。在膜相的传质速率为。在膜相的传质速率为。在膜相的传质速率为控制步骤,也就是说氢氧化钠与酸的反应速率很快时,控制步骤,也就是说氢氧化钠与酸的反应速率很快时,控制步骤,也就是说氢氧化钠与酸的反应速率很快时,控制步骤,也就是说氢氧化钠与酸的反应速率很快时,反萃相中有机酸的浓度接近于零,使膜相两侧保持最反萃相中
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