生物分离工程第四章萃取
《生物分离工程》课程笔记
《生物分离工程》课程笔记第一章绪论一、生物分离工程的历史及应用1. 历史生物分离工程的历史可以追溯到古代酿酒和面包制作时期，但作为一个独立领域的发展始于20世纪。
早期的生物分离技术主要依靠自然现象，如沉淀、结晶等。
随着科技的发展，尤其是生物技术的崛起，生物分离工程逐渐形成一门独立的学科，并得到了迅速发展。
2. 应用生物分离技术在医药、食品、农业、环境保护等领域有广泛的应用。
例如，在疫苗生产中，需要从细胞培养液中分离出病毒或细菌；在抗生素提取中，需要从发酵液中提取抗生素；在蛋白质纯化中，需要从混合蛋白质中分离出目标蛋白质；在果汁澄清中，需要去除果汁中的悬浮固体等。
二、生物分离过程的特点1. 复杂性生物分离过程涉及生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的分离和纯化，这些生物大分子在结构和性质上具有很高的复杂性，因此生物分离过程也具有较高的复杂性。
2. 多样性生物分离过程中，针对不同的生物大分子和混合物，需要采用不同的分离方法和工艺，因此生物分离过程具有很高的多样性。
3. 灵敏度生物大分子在分离过程中容易受到外界因素的影响，如温度、pH值、离子强度等，因此生物分离过程需要严格控制条件，具有很高的灵敏度。
4. 易失活性生物大分子在分离过程中容易发生变性、降解等失活现象，因此生物分离过程需要尽量减少这些失活现象的发生。
5. 高价值生物大分子往往具有很高的经济价值，如药物、生物制品等，因此生物分离过程需要高效、高收率地分离目标物质，以满足市场需求。
第二章过滤一、过滤基本概念及预处理1. 过滤基本概念过滤是一种基于孔径大小实现固体与流体分离的技术。
在生物分离工程中，过滤技术被广泛应用于细胞培养液、发酵液、酶反应液等混合物的初步分离和纯化。
过滤过程中，混合物通过过滤介质（如滤纸、滤膜等），固体颗粒被拦截在过滤介质上，而流体则通过过滤介质流出，从而实现分离。
2. 预处理为了提高过滤效率，通常需要对混合物进行预处理。
生物分离工程萃取
优点 a) 比化学沉淀法分离程度高； b) 比离子交换法选择性好、传质快； c) 比蒸馏法能耗低； d) 生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动 化控制。
溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型 分离技术：
浸取的过程：
溶剂传递到固体颗粒表面； 溶剂扩散到固体内部微孔隙中； 溶质溶解到溶剂中； 溶质通过固体微孔隙通道扩散到固体表面，并进入溶剂
主体。 一般而言，第一、二两步都很迅速，不是浸取过程
总速率的控制性步骤。 溶质通过多孔固体的扩散可用有效扩散系数来描述，
而有效扩散系数与Fick定律有关。
液-液萃取： 溶剂萃取、双水相萃取、反胶团萃取、液膜萃取等
超临界萃取
萃取方法
液-固萃取
表1 几种萃取方法的料中有 多用于提取存在于胞内的有效
用成分的扩散分离操作。
成分。
溶剂萃取
利用溶质在两个互不混溶的液 相（通常为水相和有机溶剂相） 可用于有机酸、氨基酸、维生 中溶解度和分配性质上的差异进 素等生物小分子的分离纯化。 行的分离操作。
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 其它生物工程生产上的应用也相当广泛，
❖ 萃取操作可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，甚 至获得纯的天然产物。
溶剂萃取法
利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水 相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行 分离操作的。
反胶团的亲水微环境中。
-
液膜萃取
超临界流体萃取
液膜能将与之不互溶的液体分 适用于金属离子、烃类、有机
开，使其中一侧液体中的溶质选 酸、氨基酸和抗生素的分离及废
最新生物分离工程第四章综合测试
第四章萃取一、名词解释萃取：是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。
反萃取：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成为反萃取。
分配系数：在恒温恒压条件下，溶质在互不相容的两相中达到分配平衡时，其在两相中的浓度之比为一常数，该常数称为分配系数。
即K=溶质在萃取相中的浓度/溶质在萃余相中的浓度=C2/C1。
分离因子：萃取剂对溶质A和B的选择或分离能力可以用分离因子表示。
即α=(C2A/CIA)/(C2B/C1B)=KA/KB(C:浓度；下标1,2分别表示萃余相和萃取相；A、B：溶质；α越大，A和B越容易分离，分离效果越好)超临界流体：物质均具有其固有的临界温度和临界压强，在P-T相图上称为临界点，在临界点以上物质处于即非液体也非气体的超临界状态，这时的物质称为超临界流体。
化学萃取：化学萃取是指利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合因子实现水溶性溶质向有机相的分配，主要用于一些氨基酸和极性较大的抗生素的萃取。
双水相体系：某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可形成两相，并且在两相水分均占有很大比例，即形成双水相系统。
萃取因子：即萃取平衡后萃取相和萃余相中质量之比。
用E表示。
盐效应：由于同一双水相系统中添加不同的盐产生的相间电位不同，故分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异，这称为盐效应。
二、选择1.萃取利用的是物质在两相之间的___B___不同来实现分离或纯化。
2. A.溶解度比 B.分配系数 C.分离系数 D.稳定常数3.下列搭配中不适合双水相萃取的是____C__。
4. A.聚乙二醇/磷酸盐 B.葡聚糖/甲基纤维素5. C.聚乙二醇/丙三醇 D. 聚乙二醇/葡聚糖6.荷电溶质分配系数的对数与溶质的净电荷数成___A___关系，称为______。
7. A.正比/盐效应 B.指数/塞曼效应8. C.非线性/道南效应 D.反比/法拉第效应9.对于超临界流体萃取，溶解萃取物时通常__C____；分离萃取物时通常______。
生物分离工程第四章综合测试汇编
生物分离工程第四章综合测试汇编生物分离工程第四章综合测试第四章萃取一、名词解释萃取：是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。
反萃取：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成为反萃取。
分配系数：在恒温恒压条件下，溶质在互不相容的两相中达到分配平衡时，其在两相中的浓度之比为一常数，该常数称为分配系数。
即K=溶质在萃取相中的浓度/溶质在萃余相中的浓度=C2/C1。
分离因子：萃取剂对溶质A和B的选择或分离能力可以用分离因子表示。
即α=(C2A/CIA)/(C2B/C1B)=KA/KB(C:浓度；下标1,2分别表示萃余相和萃取相；A、B：溶质；α越大，A和B越容易分离，分离效果越好)超临界流体：物质均具有其固有的临界温度和临界压强，在P-T 相图上称为临界点，在临界点以上物质处于即非液体也非气体的超临界状态，这时的物质称为超临界流体。
化学萃取：化学萃取是指利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合因子实现水溶性溶质向有机相的分配，主要用于一些氨基酸和极性较大的抗生素的萃取。
双水相体系：某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可形成两相，并且在两相水分均占有很大比例，即形成双水相系统。
萃取因子：即萃取平衡后萃取相和萃余相中质量之比。
用E表示。
盐效应：由于同一双水相系统中添加不同的盐产生的相间电位不同，故分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异，这称为盐效应。
二、选择1.萃取利用的是物质在两相之间的___B___不同来实现分离或纯化。
2. A.溶解度比 B.分配系数 C.分离系数 D.稳定常数3.下列搭配中不适合双水相萃取的是____C__。
4. A.聚乙二醇/磷酸盐 B.葡聚糖/甲基纤维素5. C.聚乙二醇/丙三醇 D. 聚乙二醇/葡聚糖6.荷电溶质分配系数的对数与溶质的净电荷数成___A___关系，称为______。
7. A.正比/盐效应 B.指数/塞曼效应8. C.非线性/道南效应 D.反比/法拉第效应9.对于超临界流体萃取，溶解萃取物时通常__C____；分离萃取物时通常______。
生物分离工程萃取
适用于脂肪酸、植物碱、醚类、 酮类、甘油酯、芳香成分等物质 的萃取分离。
第一节 液-固萃取
液-固萃取又叫浸取或浸出，是将固相物质萃 取到溶剂相中，在许多行业中得到应用。
产物
咖啡 果汁 药酒 大豆蛋白
表2 浸取的应用举例
固体
溶质
粗烤咖啡 水果
中药材 豆粉
咖啡溶质 果汁
药用成分 蛋白质
溶剂
水 水 酒 NaOH溶液
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 其它生物工程生产上的应用也相当广泛，
❖ 萃取操作可以提取和增浓产物，使产物获得初步的纯化，甚 至获得纯的天然产物。
溶剂萃取法
利用一种溶质组分（如产物）在两个互不混溶的液相（如水 相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行 分离操作的。
11、可加入机介面触控书面，直接在中央控制室操控。 12、配合振动过滤，液渣分离及过滤效果非常好。 13、自动排液（第一次萃取）排料（第二次萃取）。 14、排出的药渣可经过挤压机，将残留的萃取液在挤出。 15、挤压后的药渣可经输送带输送至室外。 16、工作环境，温度较低及干净。 17、完全密闭合乎安全卫生要求。 18、附冷凝器，可在大气压力下完全密闭操作，使香气及酒
• 自动化操作，无需人工参与，劳动强度小，能耗低， 节约运行成本；
• 可单机使用，也可多机串联使用； • 易实现多级串联及反萃取工艺。 ※ 该机还可根据不同萃取体系及使用条件通过调整转速、
搅拌浆及重相堰直径等参数来改善萃取时两相混合程 度及分离效果和萃取效率。扩大了机器的使用范围。
第二节 溶剂萃取法
废水 溶剂
溶剂萃取的优点
萃取过程具有选择性； 能与其他需要的纯化步骤相配合； 通过转移到具有不同物理或化学特性的第二相中，来减 少由于降解（水解）引起的产品损失； 可从潜伏的降解过程中（如代谢或微生物过程）分离产 物； 适用于各种不同的规模； 传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易实现计 算机控制。
生物分离工程第四章萃取
四、有机溶剂萃取
• 一般测定的为水相中弱酸的总浓度 • 上面三个式子综合得弱酸性电解质的分配常数
• 分配系数：
四、有机溶剂萃取
㈡化学萃取平衡
• 氨基酸及一些极性很强的抗生素，水溶性很强，在有
机溶剂中的分配系数很小，常需要用化学萃取法。
• 两个解离平衡关系式：
四、有机溶剂萃取
• 得到两个解离常数
三、液液萃取设备及其设计的理论基础
⑵填料柱
• 在萃取柱的柱体内装填了适当
的填料。陶瓷、塑料或金属材 料制成的环形、鞍形与金属丝 网。为了减小沟流现象，对于 比较高的填料柱通常隔一定的 距离安装一个液体再分布器。
• 改善了两相的接触、减少纵向
混合以提高了传质效率。
• 比喷淋柱处理能力小，但传质
效率较大。主要应用在界面张 力较低、处理能力很大，所需 理论级数不很多的场合。
• 溶质在料液相和萃取相的分配平衡关系是液液萃取设
备及过程的设计基础。
• 混合：料液与萃取剂充分混合形成乳浊液的过程。一
般在搅拌罐中完成，也可利用管道和喷射泵完成。
• 分离：将乳浊液分开形成萃取相和萃余相的过程（分
层）。通常利用离心机完成。
• 溶剂回收：从萃取相或萃余相中回收溶剂的过程。用
回收器完成，如液体蒸馏设备。
固定圆环，在柱中央的转轴上安 装了一系列水平的圆形转盘，其 直径略小于固定环的内径，位置 介于两个固定盘之间。
• 是一种机械搅拌式的萃取柱，利
用旋转盘所施加的机械能，使两 相得到很好的分散与混合。该柱 处理能力大、分离效率高、结构 简单和操作稳定。
三、液液萃取设备及其设计的理论基础
⑸脉冲萃取柱
• 主要有脉冲筛板柱和脉冲
生物分离工程-溶剂萃取
多级连续萃取的计算
设V（水）为水相体积，V（有）为每次加入的有机相体积， m0为被萃取前试样中A的质量，m1、m2…mn为1次、2 次…n次萃取后水相中剩余的A的质量，求m1、m2…mn？
解: D cA总（有机） (m0 m1) /V(有机）
cA总 (水）
❖ 对于水溶性强的溶质，可利用脂溶性萃取剂与溶质 间的化学反应生成脂溶性复合分子，使溶质向有机 相转移。 ▪ 抗生素萃取剂：月桂酸、脂肪碱或胺类等。 ▪ 氨基酸萃取剂：氯化三辛基甲铵。
❖ 溶质与带溶剂之间的作用：离子对萃取、离子交换 萃取、反应萃取。
乳化和去乳化
❖ 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。
之比，即： D C有机相 C水相
▪ 只有在简单的萃取体系中，溶质在两相中的存在 形式又完全相同时，D= KD；在实际情况中,情况 往往比较复杂.所以D≠ KD。
萃取效率E
❖ 当溶质A的水溶液用有机溶剂萃取时，如已知水 溶液的体积为V水，有机溶剂的体积为V有，则萃 取效率E可表示为：
E A有机相 100% A两相
▪ pH低有利于酸性物质分配在有机相，碱性物质分 配在水相。
▪ 对弱酸随pH↓，K↑, 当pH << pK时，K→K0
❖ 由萃取机理和K～pH的关系式可得出如下结论
萃取 反萃取
酸性物质 pH<pK pH>pK
碱性物质 pH>pK pH<pK
温度T
❖ T↑，分子扩散速度↑，故萃取速度↑ T影响分配系数 例：pen ― T↑ 水中的溶解度↑ ∴ 萃取时 T↓使K↑；反萃时 T↑使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反↑
生物分离工程公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件
第6页
胶团和反胶团形状
micelles
Reverse micelles
表面活性剂分子汇集使反胶团内形成极性核(polar core), 因此有机溶剂中反胶 团可溶解水。反胶束内溶解水通常称为微水相或“水池”(water pool)
第7页
子提供易于生存亲水微环境. 因此,反胶团萃取可用于氨基酸、肽和蛋白
质等生物分子分离纯化, 尤其是蛋白质类生物大分子。
蛋白质溶解模型:
a、水壳模型: 蛋白质位于水池中心，
周围存在水层将其与反胶团壁隔开；
b、半岛模型: 蛋白分子表面存在强
烈疏水区，该区直接与有机相接触；
c、蛋白吸附于反胶团内壁；
d、蛋白疏水区与几种反胶团S疏水
Diameter of “Water Pool”
反胶束大小与溶剂和S种类与浓度、温度、离子强 度等原因相关, 普通为5-20nm
反胶束不是刚性球体, 而是热力学稳定汇集体； 在有机相中反胶束以非常高速度生成和破灭, 不断地 互换其构成份子（表面活性剂和水）, 速率常数约 106~107m3/kmol·s
临界胶束浓度(critical micelle concentration,CMC): 表面活性剂在水溶 剂中形成胶束最低浓度
第5页
有机溶剂中反胶团
反胶团（reversed micelle）
Cross section
反胶团(reverse micelles): 若向有机溶剂（油）中加入油溶性表面活性剂, 当 [S]超出一定值时, S在有机溶剂中也会形成胶团。通常将S在有机溶剂中形成 胶团称为反胶团, 也称反胶束或反微团
AOT在异辛烷中形成反胶团直径:
生物分离工程：04-萃取-1(2007)
2
IB抯
RENATURATION
CONCENTRATION
* Dissolution * Refolding
* Ultrafiltration * Evaporation * Reverse Osmosis * Precipitation * Crystallization * Extraction * Adsorption * Distillation
Immiscible solvents
• 平衡关系
• y = f (x) Usually y = mx at equilibrium
L,y H,x
• 溶质物料平衡
• Solute in (feed + extracting solvent) = solute in (extract + raffinate)
• 图解法
• When y = non-linear function of x • Equilibrium line: y = f (x) • Operating line: y = (H/L) (xF – x)
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支撑液膜 （Supported liquid membrane）
Feed Extract Raffinate membrane Extracting phase
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间歇萃取
Batch extraction
28
Aqueous penicillin G solution
抗生素的萃取
Butyl acetate Organic extract
• 萃取分率
萃取相溶质量 Ly Ly E 1−ϕ = = = = 溶质总量 Hx F Hx + Ly 1 + E
生物分离工程第四章萃取
的物理量）
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二、分配定律与分配平衡
化学势是活度的函数：
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二、分配定律与分配平衡
所以，分配定律只有在较低浓度范围内成立。A是一个重要
的特征参数，与溶质浓度和两相性质有关。
• 分配系数：在多数情况下，溶质在各相中并非以一种分子
形态存在，特别是在化学萃取中，通常用溶质在两相中的 总浓度之比表示溶质的分配平衡，该比值称为分配系数。
到平衡时料液相和萃取相中溶质编的辑课浓件度。
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三、液液萃取设备及其设计的理论基础
• 萃取因子或萃取因素E
溶质在萃取相和萃余相中数量（质量或物质的量）的比值
• 萃余分率（ ）：萃余相中溶质的数量与料液相中溶质的
初始数量之比。
• 收率或萃取分率：萃取相中溶质的数量与料液相中溶质
的初始数量之比。
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或
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二、分配定律与分配平衡
• 相比：指一个萃取体系中，一个液相和另一个液相的体积之
比。用R表示：
R = V1
V2
• 分离系数β（分离因子）
生物工程中料液一般含多种溶质，我们为了表示萃取剂对两 种溶质A和B的分离能力的大小，引入了分离系数：一定条件 下进行萃取分离时，被分离的两种组分的分配系数的比值。 是目标产物分离纯化程度的指标。
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一、基本概念
②萃取依据：萃取原理
a.物理萃取 b.化学萃取 • 物理萃取：溶质根据相似相容原理在两相间达到分配平 衡，萃取剂与溶质不发生化学反应（物理因素）。
• 化学萃取：利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应 （如离子交换和络合反应）生成脂溶性复合分子实现溶 质向有机相的分配。