萃取技術(shù)

5.1

溶劑萃取概述萃?。寒?dāng)含有生化物質(zhì)的溶液與互不相溶的第二相接觸時(shí)，生化物質(zhì)傾向于在兩相之間進(jìn)行分配，當(dāng)條件選擇得恰當(dāng)時(shí)，所需提取的生化物質(zhì)就會(huì)有選擇性地發(fā)生轉(zhuǎn)移，集中到一相中，而原來(lái)溶液中所混有的其它雜質(zhì)（如中間代謝產(chǎn)物、雜蛋白等）分配在另一相中，這樣就能達(dá)到某種程度的提純和濃縮。萃取在化工上是分離液體混合物常用的單元操作，在發(fā)酵和其它生物工程生產(chǎn)上的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，萃取操作不僅可以提取和增濃產(chǎn)物，使產(chǎn)物獲得初步的純化，所以廣泛應(yīng)用在抗生素、有機(jī)酸、維生素、激素等發(fā)酵產(chǎn)物的提取上。萃取過程溶劑萃取概述雜質(zhì)溶質(zhì)原溶劑萃取劑LightphaseHeavyphase溶劑萃取概述萃取的基本概念①萃取:溶質(zhì)從料液轉(zhuǎn)移到萃取劑的過程。②反萃?。喝苜|(zhì)從萃取劑轉(zhuǎn)移到反萃劑的過程。在完成萃取操作后，為進(jìn)一步純化目標(biāo)產(chǎn)物或便于下一步分離操作的實(shí)施，將目標(biāo)產(chǎn)物從有機(jī)相轉(zhuǎn)入水相的操作就稱為反萃?。˙ackextraction)③物理萃取和化學(xué)萃?。何锢磔腿〉睦碚摶A(chǔ)是分配定律，而化學(xué)萃取服從相律及一般化學(xué)反應(yīng)的平衡定律。溶劑萃取概述萃取法是利用液體混合物各組分在某有機(jī)溶劑中的溶解度的差異而實(shí)現(xiàn)分離的。料液：在溶劑萃取中，被提取的溶液，溶質(zhì)：其中欲提取的物質(zhì)，萃取劑：用以進(jìn)行萃取的溶劑，萃取液：經(jīng)接觸分離后，大部分溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到萃取劑中，得到的溶液，余液：被萃取出溶質(zhì)的料液稱為。溶劑萃取概述萃取的基本概念實(shí)驗(yàn)室液液萃取過程溶劑萃取概述一般工業(yè)液液萃取過程

生物萃取與傳統(tǒng)萃取相比的特殊性生物工程不同于化工生產(chǎn)，主要表現(xiàn)在生物分離往往需要從濃度很稀的水溶液中除去大部分的水，而且反應(yīng)液中存在多種副產(chǎn)物和雜質(zhì)，使生物萃取具有特殊性。①

成分復(fù)雜

②傳質(zhì)速率不同③相分離性能不同④

產(chǎn)物的不穩(wěn)定性

萃取過程有選擇性能與其它步聚相配合通過相轉(zhuǎn)移減少產(chǎn)品水解適用于不同規(guī)模傳質(zhì)快周期短，便于連續(xù)操作毒性與安全環(huán)境問題溶劑萃取法的特點(diǎn)有機(jī)溶劑萃取的影響因素1．影響萃取操作的因素：pH、溫度、鹽析2．有機(jī)溶劑的選擇3．帶溶劑4．乳化與去乳化pH值：pH低，有利于酸性物質(zhì)分配在有機(jī)相，有利于堿性物質(zhì)分配在水相。溫度：一般采用較低的溫度。無(wú)機(jī)鹽：無(wú)機(jī)鹽有利于溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到有機(jī)相。

有機(jī)溶劑的選擇根據(jù)相似相溶的原理，選擇與目標(biāo)產(chǎn)物極性相近的有機(jī)溶劑為萃取劑，可以得到較大的分配系數(shù)（根據(jù)介電常數(shù)判斷極性）；有機(jī)溶劑與水不互溶，與水有較大的密度差，黏度小，表面張力適中，相分散和相分離容易；應(yīng)當(dāng)價(jià)廉易得，容易回收，毒性低，腐蝕性小，不與目標(biāo)產(chǎn)物反應(yīng)。常用于生化萃取的有機(jī)溶劑有丁醇、丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯等。帶溶劑

對(duì)于水溶性強(qiáng)的溶質(zhì)，可利用脂溶性萃取劑與溶質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)生成脂溶性復(fù)合分子，使溶質(zhì)向有機(jī)相轉(zhuǎn)移。①抗生素萃取劑：月桂酸、脂肪堿或胺類等。②氨基酸萃取劑：氯化三辛基甲銨。溶質(zhì)與帶溶劑之間的作用：離子對(duì)萃取、離子交換萃取、反應(yīng)萃取。乳化乳化：水或有機(jī)溶劑以微小液滴分散在有機(jī)相或水相中的現(xiàn)象。這樣形成的分散體系稱乳濁液。乳化帶來(lái)的問題：有機(jī)相和水相分相困難，出現(xiàn)夾帶，收率低，純度低。乳化物理法：離心、加熱，吸附，稀釋化學(xué)法：加電解質(zhì)、其他表面活性劑*轉(zhuǎn)型法加入一種乳化劑，條件：①形成的乳濁液類型與原來(lái)的相反，使原乳濁液轉(zhuǎn)型②在轉(zhuǎn)型的過程中，乳濁液破壞，控制條件不允許形成相反的乳濁液，*頂替法加入一種乳化劑，將原先的乳化劑從界面頂替出來(lái)：①形成的乳濁液類型與原來(lái)的一致②它本身的表面活性>原來(lái)的表面活性③不能形成堅(jiān)固的保護(hù)膜。2）乳濁液的破壞措施（二）萃取方式※萃取過程：1）混和2）分離3）溶劑回收※操作方式單級(jí)萃取多級(jí)萃取多級(jí)錯(cuò)流多級(jí)逆流1.單級(jí)萃取單級(jí)萃取流程示意圖單級(jí)萃取：只包括一個(gè)混合器和一個(gè)分離器2）多級(jí)錯(cuò)流萃取料液經(jīng)萃取后，萃余液再與新鮮萃取劑接觸，再進(jìn)行萃取。第一級(jí)的萃余液進(jìn)入第二級(jí)作為料液，并加入新鮮萃取劑進(jìn)行萃??；第二級(jí)的萃余液再作為第三級(jí)的料液，以此類推。此法特點(diǎn)在于每級(jí)中都加溶劑，故溶劑消耗量大，而得到的萃取劑平均濃度較稀，但萃取較完全。多級(jí)錯(cuò)流萃取示意圖料液入口第一級(jí)第二級(jí)第三級(jí)萃余液出口3）多級(jí)逆流萃取在多級(jí)逆流萃取中，在第一級(jí)中連續(xù)加入料液，并逐漸向下一級(jí)移動(dòng)，而在最后一級(jí)中連續(xù)加入萃取劑，并逐漸向前一級(jí)移動(dòng)。料液移動(dòng)的方向和萃取劑移動(dòng)的方向相反，故稱為逆流萃取。在逆流萃取中，只在最后一級(jí)中加入萃取劑，故和錯(cuò)流萃取相比，萃取劑之消耗量較少，因而萃取液平均濃度較高。多級(jí)逆流萃取圖青霉素的多級(jí)逆流萃取青霉素發(fā)酵過濾液進(jìn)入第一級(jí)萃取罐，在此與從第二級(jí)分離器來(lái)的萃取相（含產(chǎn)品青霉素）混合萃取，然后流入第一級(jí)分離器分成上下層，上層為萃取相，富含目的產(chǎn)物，送去蒸餾回收溶劑和產(chǎn)物進(jìn)一步精制；下一層為萃余相，含目的產(chǎn)物濃度比新鮮料液低得多，送第二級(jí)萃?。蝗绱私?jīng)三級(jí)萃取后，最后一級(jí)的萃余相作為廢液排走。三、萃取分離設(shè)備

萃取操作過程及設(shè)備

液-液萃取設(shè)備包括三個(gè)部分：混合設(shè)備、分離設(shè)備和溶劑回收設(shè)備?；旌显O(shè)備是真正進(jìn)行萃取的設(shè)備，它要求料液與萃取劑充分混合形成乳濁液，欲分離的生物產(chǎn)品自料液轉(zhuǎn)入萃取劑中。分離設(shè)備是將萃取后形成的萃取相和萃余相進(jìn)行分離。溶劑回收設(shè)備需要把萃取液中的生物產(chǎn)品與萃取溶液分離并加以回收。混合通常在攪拌罐中進(jìn)行，也可將料液與萃取劑在管道內(nèi)以很高速度混合，稱管道萃取，也有利用噴射泵進(jìn)行渦流混合，稱噴射萃取。

1．混合設(shè)備（1）混合罐混合罐的結(jié)構(gòu)類似于帶機(jī)械攪拌的密閉式反應(yīng)罐。攪拌器采用螺旋槳式，轉(zhuǎn)速為400～1000r/min，為防止中心液面下凹，在罐壁設(shè)置擋板。罐頂上有萃取劑、料液、調(diào)節(jié)pH的酸（堿）液及去乳化劑的進(jìn)口管，底部有排料管。由于攪拌器的作用，罐內(nèi)幾乎處于全混流狀態(tài)，使罐內(nèi)兩液相的平均濃度與出口濃度近似相等。為了加大罐內(nèi)兩相間的傳質(zhì)推動(dòng)力，可用帶有中心孔的圓形水平隔板將混合罐分隔成上下連通的幾個(gè)混合室，每個(gè)室中都設(shè)有攪拌器。圖9-3混合罐

（2）混合管通常采用混合排管。萃取劑及料液在一定流速下進(jìn)入管道一端，混合后從另一端導(dǎo)出，為了保證較高的萃取效果，料液在管道內(nèi)應(yīng)維持足夠的停留時(shí)間，并使流動(dòng)呈完全湍流狀態(tài)，強(qiáng)迫料液充分混合。一般要求流體在管內(nèi)平均停留時(shí)間10～20s?；旌瞎艿妮腿⌒Ч哂诨旌瞎?，且為連續(xù)操作。

2．離心萃取機(jī)離心萃取機(jī)是利用離心力的作用使兩相快速混合、快速分離的萃取設(shè)備?？砂磧上嘟佑|的方式分為逐級(jí)接觸式和微分接觸式兩類。（1）轉(zhuǎn)筒式離心萃取器轉(zhuǎn)筒式離心萃取器是一種單級(jí)接觸式設(shè)備。重液和輕液由設(shè)備底部的三通管同時(shí)進(jìn)入混合室，在攪拌槳的作用下，兩相被充分混合傳質(zhì)，然后一起進(jìn)入高速的轉(zhuǎn)鼓。轉(zhuǎn)鼓中混合液在離心力的作用下，重液被甩向轉(zhuǎn)鼓外緣，輕液被擠向轉(zhuǎn)鼓的中心部位。圖9-5轉(zhuǎn)筒式離心萃取器

雙水相萃取技術(shù)又稱水溶液兩相分配技術(shù)，是近年來(lái)出現(xiàn)的引人注目的、極具前途的新型分離技術(shù)。已被廣泛的應(yīng)用于生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物化工領(lǐng)域。用此種方法已提取的酶已達(dá)數(shù)十種，其分離也達(dá)到了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，如甲酸脫氫酶的分離已達(dá)到了幾十公斤的濕細(xì)胞規(guī)模，半乳糖苷酶的提取已進(jìn)行了中試規(guī)模實(shí)驗(yàn)，該法具有廣闊的應(yīng)用前景。5.2

雙水相萃取1896年Beijerinck觀察到當(dāng)把明膠與瓊脂或把明膠和可溶性淀粉的水溶液混合時(shí)，先得到一混濁不透明的溶液，隨后分成兩相，上相含有大部分明膠，下相含有大部分瓊脂(或可溶性淀粉)。2.2％的葡聚糖水溶液與等體積的0.72％甲基纖維素鈉的水溶液相混合并靜置后，可得到兩個(gè)粘稠的液層。

葡聚糖與甲基纖維素鈉的雙水相體系

一、雙水相的形成當(dāng)兩種高聚物水溶液相互混合時(shí)，它們之間的相互作用可以分為三種情況：①互不相溶，形成兩個(gè)水相，兩種高聚物分別富集于上下兩相②復(fù)合凝集，也形成兩個(gè)水相，但兩種高聚物都分配于一相，另一相幾乎全部為溶劑水。③完全互溶，形成均相的高聚物水溶液。1、可以構(gòu)成雙水相的體系雙聚物：聚合物-低相對(duì)分子質(zhì)量的化合物：PEG/DEX、聚乙二醇/聚乙烯醇、聚乙烯醇/甲基纖維素、聚丙二醇/葡聚糖、聚丙二醇/甲氧基乙二醇等PEG/磷酸鉀、PEG/磷酸胺、PEG/硫酸鈉、PEG/葡萄糖等、常用聚合物：聚乙二醇－葡聚糖聚乙二醇－無(wú)機(jī)鹽系統(tǒng)無(wú)毒原則2、雙水相體系形成的原因雙水相體系的成因是聚合物之間的不相溶性，即聚合物分子的空間阻礙作用，相互間無(wú)法滲透，從而分為兩相。一般認(rèn)為，只要兩種聚合物水溶液的水溶性有所差異，混合時(shí)就可發(fā)生相分離，并且水溶性差別越大，相分離的傾向越大。加入鹽分，由于鹽析作用，聚合物與鹽類溶液也能形成兩相。3、雙水相萃取概念利用物質(zhì)在不相溶的兩水相間分配系數(shù)的差異進(jìn)行萃取的方法。由于雙水相系統(tǒng)的形成，物質(zhì)在兩個(gè)互不相溶的兩個(gè)水相間的分配系數(shù)不同，在適當(dāng)?shù)臈l件下不同的物質(zhì)，分別分布在上相和下相中，從而達(dá)到物質(zhì)的分離。二、影響雙水相系統(tǒng)萃取的因素雙水相萃取受許多因素的影響，被分配的物質(zhì)與各種相組分之間存在著復(fù)雜的相互作用。作用力包括氫鍵力，電荷力，范德華力，疏水作用，構(gòu)象效應(yīng)等等。因此形成相系統(tǒng)的高聚物相對(duì)分子質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)，被分配物質(zhì)的大小和化學(xué)性質(zhì)對(duì)雙水相萃取都有直接的影響。粒子的表面暴露在外，與相組分相互接觸，因而它的分配行為主要依賴其表面性質(zhì)。鹽離子在兩相間具有不同的親和力，由此形成的電位對(duì)帶電分子或粒子的分配具有很大影響。1．成相高聚物濃度－界面張力一般來(lái)說(shuō)，雙水相萃取時(shí)，如果相系統(tǒng)組成位于臨界點(diǎn)附近，則蛋白質(zhì)等大分子的分配系數(shù)接近于1。當(dāng)高聚物濃度增加時(shí)，系統(tǒng)組成偏離臨界點(diǎn)，蛋白質(zhì)的分配系數(shù)也偏離，即K>1或K<1。2．成相高聚物的相對(duì)分子質(zhì)量一般來(lái)說(shuō)，蛋白質(zhì)等高分子量物質(zhì)易集中于低分子量相。高聚物的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)分配的影響符合下列一般原則：對(duì)于給定的相系統(tǒng)，如果一種高聚物被低相對(duì)分子質(zhì)量的同種高聚物所代替，被萃取的大分子物質(zhì)，如：蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)胞粒子等，將有利于在低相對(duì)分子質(zhì)量的高聚物一側(cè)分配。如：PEG-Dextron系統(tǒng)中，PEG相對(duì)分子質(zhì)量降低，或Dextron相對(duì)分子質(zhì)量增高，蛋白質(zhì)分配系數(shù)增大；相反，如果PEG相對(duì)分子質(zhì)量高，或Dextron相對(duì)分子質(zhì)量降低，蛋白質(zhì)分配系數(shù)則減小。也就是說(shuō)當(dāng)成相高聚物濃度、鹽濃度、溫度等其他條件保持不變時(shí)，被分配的蛋白質(zhì)易為相系統(tǒng)中低相對(duì)分子質(zhì)量高聚物所吸引，而易為高相對(duì)分子質(zhì)量高聚物所排斥。3.鹽的種類雙水相萃取時(shí)，鹽對(duì)帶電大分子的分配影響很大。例如，DNA萃取時(shí)，離子組分微小的變化可使DNA從一相幾乎完全轉(zhuǎn)移到另一相。生物大分子的分配主要決定于離子的種類和各種離子之間的比例，而離子強(qiáng)度在此顯得并不重要。也就是說(shuō)，對(duì)一定的鹽來(lái)說(shuō)，蛋白質(zhì)的有效凈電荷與離子強(qiáng)度無(wú)關(guān)。4．溫度的影響在雙水相系統(tǒng)中，由于成相高聚物對(duì)蛋白質(zhì)有穩(wěn)定化作用，所以蛋白質(zhì)等大分子的分配系數(shù)對(duì)溫度的變化不敏感，所以在室溫操作活性收率依然很高，而相系統(tǒng)的黏度比冷卻時(shí)低，有助于相的分離，并節(jié)省了能源。5、疏水反應(yīng)成相高聚物的末端偶聯(lián)上疏水性基團(tuán)后，疏水效應(yīng)會(huì)更加明顯，此時(shí)，如果被分配的蛋白質(zhì)具有疏水性的表面，則它的分配系數(shù)會(huì)發(fā)生改變?？梢岳眠@種疏水分配來(lái)研究蛋白質(zhì)和細(xì)胞粒子的疏水性質(zhì)，也可用于分離具有不同疏水性能的分子或粒子。6、生物親和分配成相高聚物偶聯(lián)生物親和配基后，它對(duì)生物大分子的分配系數(shù)影響很顯著，親和分配為雙水相萃取提供了一種快速、有效、選擇性高且易于放大的途徑。使固液分離和純化兩個(gè)步驟同時(shí)進(jìn)