生物工業(yè)下游加工技術(shù)

第五章溶劑萃取和浸取第一節(jié)溶劑萃取第二節(jié)浸取第一節(jié)溶劑萃取萃?。喝我鈨上嘀g的傳質(zhì)過(guò)程。溶液萃取過(guò)程中常用有機(jī)溶劑作為萃取試劑，因此常稱液液萃取為溶劑萃取。溶劑萃取原理：利用一種溶質(zhì)組分（如產(chǎn)物）在兩個(gè)互不混溶的液相（如水相和有機(jī)溶劑相）中競(jìng)爭(zhēng)性溶解和分配性質(zhì)上的差異來(lái)進(jìn)行分離操作的。溶劑萃取法優(yōu)點(diǎn)：比化學(xué)沉淀法分離程度高；

比離子交換法選擇性好、傳質(zhì)快；

比蒸餾法能耗低。

生產(chǎn)能力大、周期短、便于連續(xù)操作、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。新型萃取技術(shù)超臨界流體萃取、反膠團(tuán)萃取和雙水相萃取。雙水相萃取技術(shù)雙水相萃取是在兩個(gè)水相間進(jìn)行的萃取。大部分萃取采用的一個(gè)是水相，另一個(gè)是有機(jī)相，但有機(jī)相易使蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)變性。最近發(fā)現(xiàn)有一些高分子水溶液（如相對(duì)分子質(zhì)量從幾千到幾萬(wàn)的聚乙二醇，PEG）與硫酸鹽水溶液混合，可以分為兩個(gè)水相，蛋白質(zhì)在兩個(gè)水相中的溶解度有很大的差別，故可以利用雙水相萃取過(guò)程分離蛋白質(zhì)等溶于水的生物產(chǎn)品。雙水相萃取體系可形成雙水相的雙聚合物體系很多，如聚乙二醇/葡聚糖，聚丙二醇/聚乙二醇，甲基纖維素/葡聚糖。雙水相萃取中常采用的雙聚合物系統(tǒng)是聚乙二醇/葡聚糖，該水相的上相富含聚乙二醇，下相富含葡聚糖。另外，聚合物與無(wú)機(jī)鹽的混合溶液也可形成雙水相。如聚乙二醇/磷酸銨（或磷酸鉀，硫酸鈉等）用聚乙二醇（分子量為6000）/磷酸鉀系統(tǒng)從大腸桿菌勻漿中提取

-半乳糖酶，這是一個(gè)很有前途的新的分離方法，特別適用于生物工程產(chǎn)品的分離。浸出用某種溶劑把有用物質(zhì)從固體原料中提取到溶液中的過(guò)程稱為浸取，也稱為浸出。用熱水泡茶，用酒浸泡中草藥就是浸出的操作。溶解的規(guī)律目前還不能定量地解釋溶解的規(guī)律，用得較多的仍然是“相似相溶”原理。分子之間可以有兩方面的相似：（1）分子結(jié)構(gòu)相似，如分子的組成、官能團(tuán)、形態(tài)結(jié)構(gòu)的相似；（2）能量相似，如相互作用力有極性的和非極性之分，兩種物質(zhì)如相互作用力相近，則能互相溶解。溶劑的極性溶劑萃取的關(guān)鍵是萃取溶劑的選擇，而選擇的依據(jù)是“相似相溶”。分子結(jié)構(gòu)相似，比較容易考察。生物工業(yè)中，考察較多的是分子間的相互作用力，即分子的極性。介電常數(shù)介電常數(shù)是一個(gè)化合物摩爾極化程度的量度，如果已知介電常數(shù)，就能預(yù)測(cè)該化合物是極性的還是非極性的。物質(zhì)的介電常數(shù)可通過(guò)測(cè)定該物質(zhì)在電容器二極板間的靜電容量來(lái)決定。根據(jù)萃取目標(biāo)物質(zhì)（產(chǎn)物）的介電常數(shù)，尋找極性相接近的溶劑作為萃取溶劑，也是溶劑選擇的重要方法之一。選擇良好溶劑的準(zhǔn)則（1）有很大的萃取容量，即單位體積的萃取溶劑能萃取大量的產(chǎn)物；（2）有良好的選擇性，理想情況是只萃取產(chǎn)物而不萃取雜質(zhì)；（3）與被萃取的液相（通常是水相）互溶度要小，且粘度低、界面張力小或適中，這樣有利于相的分散和兩相分離；（4）溶劑的回收和再生容易；選擇良好溶劑的準(zhǔn)則（5）化學(xué)穩(wěn)定性好，不易分解，對(duì)設(shè)備腐蝕性??；（6）經(jīng)濟(jì)性好，價(jià)廉易得；（7）安全性好，閃點(diǎn)高，對(duì)人體無(wú)毒性或毒性低。閃點(diǎn)：隨著溫度的升高，燃油表面上蒸發(fā)的油氣增多，當(dāng)油氣與空氣的混合物達(dá)到一定濃度，以明火與之接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生短暫的閃光（一閃即滅），這時(shí)的油溫稱為閃點(diǎn)。因此，閃點(diǎn)就是可燃液體或固體能放出足量的蒸氣并在所用容器內(nèi)的液體或固體表面處與空氣組成可燃混合物的最低溫度。工業(yè)上常用的溶劑酯類、醇類和酮類等。在溶劑萃取過(guò)程中，通常將供提取的溶液稱為料液（通常是水溶液），從料液中提取出來(lái)的物質(zhì)稱為溶質(zhì)；用來(lái)萃取產(chǎn)物的溶劑常稱為萃取劑；溶質(zhì)轉(zhuǎn)移到萃取劑中與萃取劑形成的溶液稱為萃取液；被萃取出溶質(zhì)后的料液稱為萃余液。工業(yè)萃取方式和理論收得率工業(yè)上萃取操作通常包括三個(gè)步驟：（1）混合：料液和萃取劑充分混合形成具有很大比表面積的乳濁液，產(chǎn)物自料液轉(zhuǎn)入萃取劑中。（2）分離：將乳濁液分離成萃取相和萃余相。（3）溶劑回收：從萃取相有時(shí)也需從萃余相（有少量混溶情況下）中分離出有機(jī)溶劑，并加以回收。因而工業(yè)萃取的流程中必須有混合器（如攪拌混合器）、分離器（如碟片式離心機(jī)）和溶劑回收裝置（如蒸餾塔）?；旌陷腿『头蛛x也可在同一臺(tái)儀器上完成，如Alfa-Laval萃取機(jī)。萃取機(jī)萃取操作流程可分為單級(jí)萃取和多級(jí)萃取。多級(jí)萃取中又有多級(jí)錯(cuò)流萃取和多級(jí)逆流萃取之分。單級(jí)萃?。菏褂靡粋€(gè)混合器和一個(gè)分離器萃取操作。料液與萃取溶劑一起加入混合器內(nèi)攪拌混合萃取，達(dá)到平衡后的溶液送到分離器內(nèi)分離得到萃取相和萃余相，萃取相送至回收器，萃余相為廢液。在回收器內(nèi)產(chǎn)物與溶劑分離，溶劑則可循環(huán)使用。單級(jí)萃取流程多級(jí)萃取單級(jí)萃取流程最簡(jiǎn)單，但只萃取一次，萃取收率不高。為提高收率常采用多級(jí)萃取。多級(jí)萃取又有多級(jí)逆流萃取和多級(jí)錯(cuò)流萃取的區(qū)別。多級(jí)錯(cuò)流萃取多級(jí)錯(cuò)流萃取的特點(diǎn)是：每級(jí)均加新鮮溶劑，故溶劑消耗量大，得到的萃取液產(chǎn)物平均濃度較稀，但萃取較完全。多級(jí)逆流萃取含有被萃取物的水相及有機(jī)相分別從萃取器的兩端流入，以相反方向流動(dòng)，進(jìn)行連續(xù)多次接觸分層而達(dá)到分離的目的。只在最后一級(jí)中加入萃取劑，故和錯(cuò)流萃取相比，萃取劑消耗少，萃取液產(chǎn)物平均濃度高，產(chǎn)物收率最高。工業(yè)上一般多采用多級(jí)逆流萃取。乳化和去乳化乳化是一種液體（分散相）分散在另一種不相混溶的液體（連續(xù)相）中的現(xiàn)象。乳化產(chǎn)生后會(huì)使有機(jī)溶劑相和水相分層困難，出現(xiàn)兩種夾帶，即發(fā)酵液廢液中夾帶有機(jī)溶劑微滴和溶劑相中夾帶發(fā)酵液的微滴。前者意味著發(fā)酵單位的損失，后者會(huì)給以后的精制造成困難。產(chǎn)生乳化現(xiàn)象后有時(shí)即使用離心分離機(jī)也往往不能將兩相分離完全，所以必須破壞乳化。乳濁液乳化的結(jié)果可以形成兩種形式的乳濁液。一種是水包油型，另一種為油包水型。由于油水是不相容的，要形成穩(wěn)定的乳濁液，一般應(yīng)有第三種物質(zhì)（表面活性劑）的存在。表面活性劑：是一類分子的一端具有親水基團(tuán)而另一端具有親油基團(tuán)且能降低界面張力的物質(zhì)。表面張力降低，液體容易分散成微滴而發(fā)生乳化。乳濁液的穩(wěn)定性因素（1）界面上保護(hù)膜是否形成；（2）液滴是否帶電；（3）介質(zhì)的粘度；其中，（1）為最重要的因素。在發(fā)酵液中，蛋白質(zhì)是引起乳化的最重要的表面活性物質(zhì)。破乳化生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的乳濁液是水包油型還是油包水型，主要由表面活性劑的性質(zhì)決定。當(dāng)表面活性劑的親水基團(tuán)強(qiáng)度大于親油基團(tuán)，易形成水包油型乳濁液；反之，則易形成油包水型乳濁液。破乳化方法主要有過(guò)濾或離心分離破乳法、化學(xué)法（加電解質(zhì)中和離子型乳濁液的電荷）、物理法（加熱、稀釋、吸附等）、頂替法（加入表面活性更大但難以形成堅(jiān)固保護(hù)膜的物質(zhì)，取代界面上的乳化劑，如戊醇）、轉(zhuǎn)型法（如在O/W中加入親油性乳化劑，使乳化液有生產(chǎn)W/O的傾向，但又不穩(wěn)定，從而達(dá)到破乳的目的）。最好的方法是防止乳化，如設(shè)法除去蛋白質(zhì)。萃取設(shè)備簡(jiǎn)介1.單級(jí)萃取設(shè)備：用一套混合器和分離機(jī)完成全部的萃取過(guò)程。單級(jí)萃取操作通常用離心機(jī)（如碟片式離心機(jī)）將萃取相和萃余相分離?；旌?、萃取和分離也可在同一臺(tái)設(shè)備（Alfa-Laval萃取機(jī)）內(nèi)完成。2.多級(jí)萃取設(shè)備在需要多級(jí)萃取的情況下，如果仍用混合器和分離機(jī)組合的方法，則設(shè)備投資過(guò)大，操作也頻繁。這時(shí)脈動(dòng)塔和轉(zhuǎn)盤(pán)塔應(yīng)用廣泛。脈動(dòng)篩板塔利用脈動(dòng)器使塔內(nèi)液體做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，借此向液體提供能量，促使分散相的細(xì)碎與均布，從而強(qiáng)化塔內(nèi)的萃取過(guò)程。優(yōu)點(diǎn)：操作方便、密閉性好；萃取劑用量少；占地面積小。脈動(dòng)篩板塔適合于物系較難分離，要求較高的場(chǎng)合（如需5-20個(gè)萃取理論級(jí)才能滿足萃取要求）。在萃取塔內(nèi)安裝一個(gè)機(jī)械攪拌裝置，促使連續(xù)相液體的湍動(dòng)，從而使懸浮在湍動(dòng)液流中的分散相液滴被剪切成較細(xì)小的液滴，并且分布得更為均勻，萃取過(guò)程由此得到強(qiáng)化。轉(zhuǎn)盤(pán)塔適用于小于5-7個(gè)理論級(jí)的各種規(guī)模的萃取操作。浸取浸取過(guò)程在許多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。在生物工業(yè)、食品工業(yè)也常用到浸取操作。浸取過(guò)程舉例：產(chǎn)物固體溶質(zhì)溶劑咖啡粗烤咖啡咖啡溶質(zhì)水豆油大豆豆油己烷香料丁香、胡椒香料成分80%乙醇維生素B碎米維生素B乙醇-水果汁水果塊果汁水魚(yú)油碎魚(yú)塊魚(yú)油己烷胰島素牛、豬胰臟胰島素酸性醇浸取速率溶劑從固體顆粒中浸取可溶性物質(zhì)，其過(guò)程一般包括以下步驟：（1）溶劑從溶劑主體傳遞到固體顆粒的表面；（2）溶劑擴(kuò)散滲入固體內(nèi)部和內(nèi)部微孔隙內(nèi)；（3）溶質(zhì)溶解進(jìn)入溶劑；（4）通過(guò)固體微孔隙通道中的溶液擴(kuò)散至固體表面并進(jìn)一步進(jìn)入溶劑主體。浸出的其他問(wèn)題1.相平衡：浸取過(guò)程中，達(dá)到平衡時(shí)溶質(zhì)在液相中的濃度與平衡時(shí)溶質(zhì)在固相中的濃度的比值一般為常數(shù)。2.溶劑的選擇：相似相溶原理，價(jià)格低廉，無(wú)腐蝕性，無(wú)毒、閃點(diǎn)高，無(wú)爆炸性，在產(chǎn)品中易于去除并且容易回收。浸取原理可溶性物質(zhì)通常在細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞膜的擴(kuò)散阻力使得浸取速率通常比較小。在浸取之前通常將物料干燥，這樣有助于細(xì)胞膜的破裂，溶劑也容易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部直接溶解溶質(zhì)。此外，將原料滾壓成片或者切成薄片，也有助于提高浸提速率。溶劑的特殊要求如果產(chǎn)品與食品有關(guān)，則不能有溶劑的味道或影響食品風(fēng)味，更不能有致癌的性質(zhì)。因此很多在化學(xué)工業(yè)中普遍使用的溶劑，如苯、多數(shù)含氯化合物都不能用在與食品產(chǎn)品的浸取中。食品工業(yè)中常用的浸取劑有水、酸、無(wú)毒的含鹽水溶液、乙醇或其他小分子醇、己烷、二氯甲烷、甲基乙基酮、丙酮、低分子量的酯和植物油等。溶劑的特殊要求在制藥工業(yè)上，藥物產(chǎn)品有時(shí)也會(huì)殘留微量有機(jī)溶劑，如青霉素等抗生素藥品。這雖然不是十分理想，但因藥物的治療效果遠(yuǎn)比微量殘留溶劑可能引起的副作用重要得多，而且藥物的服用量很小，所以可供挑選的溶劑范圍要寬得多。青霉素的萃取原理：pH為2.3時(shí)，青霉素在乙酸乙酯中比在水中溶解度大，因而可以將乙酸乙酯加到青霉素混合液中，并使其充分接觸，從而使青霉素被萃取和濃縮集中到乙酸乙酯中，達(dá)到分離提純的目的。青霉素的萃取率萃取率=（萃取前青霉素含量-萃取后青霉素含量）/萃取前青霉素含量。利用與青霉素反應(yīng)的碘滴定法確定萃取前后的青霉素含量。注意：pH的調(diào)節(jié)在提高青霉素萃取效率方面非常重要!增溶作用生物工業(yè)的浸取過(guò)程中往往包含增溶作用。原先不溶或難溶性的生物大分子物質(zhì)向可溶性的、分子量較小的生物物質(zhì)轉(zhuǎn)變。例如原果膠向果膠的轉(zhuǎn)化，啤酒釀造的麥芽淀粉向可溶性糖的轉(zhuǎn)化等。這些過(guò)程中含有酶或酸堿催化的生物大分子水解反應(yīng)或促使大分子溶解的作用。但這些反應(yīng)不能進(jìn)行過(guò)度。例如釀造物料的過(guò)度浸出特別是雜質(zhì)的浸出會(huì)影響最終產(chǎn)品的色度和風(fēng)味。浸取過(guò)程的其他作用浸取過(guò)程有時(shí)會(huì)促使某些溶質(zhì)向不溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)變。如甜菜在開(kāi)水中浸泡可以使不希望溶出的可溶性蛋白發(fā)生熱凝固，同時(shí)使阻礙糖分溶出的細(xì)胞膜變性，增加其通透性，提高了過(guò)程的選擇性和速度。在高溫浸出的條件下，可溶性咖啡可能會(huì)形成沉淀，咖啡因也可能與單寧酸形成絡(luò)合物沉淀。但是，在有些物料的浸取過(guò)程中要注意浸取的時(shí)間、溫度及其他條件，以免損失藥效成分。固體原料的預(yù)處理為加速浸取的過(guò)程，往往會(huì)對(duì)原來(lái)進(jìn)行預(yù)處理。恰當(dāng)?shù)胤鬯樵?，以縮短固體或細(xì)胞內(nèi)部溶質(zhì)分子向其表面擴(kuò)散的距離是很重要的。原料的粉碎并非越細(xì)越好。過(guò)細(xì)的原料顆?？赡軙?huì)造成浸取操作中固體床層被壓實(shí)，不利于溶劑的滲透和溶質(zhì)的擴(kuò)散；而且原料的過(guò)細(xì)粉