2 第三章 萃取与色谱分离设备讲解

第三章 萃取与色谱分离设备
上章过滤、离心、膜分离得到的是一类物质
欲得到更纯的产物还需采用萃取、离 子交换、吸附、色谱等分离方法.
第一节 萃取分离方法与设备
一、溶剂萃取 二、双水相萃取 三、萃取操作过程与设备 四、超临界流体萃取
萃取：利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中 目标产物的操作。
分类（根据萃取剂的不同）： • 溶剂萃取（有机溶剂） • 双水相萃取 • 超临界流体萃取 应用：溶剂萃取用于小分子物质的提取，双水相
（三）离子交换机理及选择性（自学）
二、离子交换设备
四个概念：
固定床：树脂在交换柱中不动（仅料液流动，应用最多） 流动床 ：树脂在交换柱中流动（树脂向下，料液向上） 正吸附：溶液进入交换柱的方向至上而下流动 反吸附：溶液至下而上流过
解误：“间歇操作的固定床”指树脂间歇进入，生产 习惯指物料，故也是连续操作。 P283
符号说明：m-即k；H-料流量；L-每级萃取剂流量。
解第1问： 解第2问：
式2-3-2 式2-3-6
式2-3-10 或：直接2-3-11
答案：需要三级逆流萃取。 验算：收率为 99.3％ ，高于错流94.6%。多级逆流优于错流。
（二）影响萃取操作因素
1、萃取剂选择：与溶质分子极性接近 2、PH范围：（三原则，P264） 3、温度确定：考虑产品稳定、料液粘度 4、盐析、带溶剂、去乳化的作用 盐析：产物水溶性降低，更多转入溶剂 带溶剂：与提取物复合，降低产物水溶性。 去乳化：过滤、离心分离等
参数：
K —分配系数：萃取相中溶质浓度C1与萃余相中溶质浓
度C2的比值；
2-3-1
E—萃取因数 ：溶质在萃取相中的数量与在萃余相中的数
量 （重量或摩尔量）的比值；
2-3-2
m—体积浓缩倍数：料液体积与溶剂体积的比值。
φ—萃余分率 ：
2-3-3
1-φ —理论收得率：
2-3-4
讨论：
K值愈大，理论收率愈高；m值愈大，1一φ愈小
1、混合罐
带搅拌的罐，连续操作 罐壁挡板—防止液面下凹 参数计算： 混合时间τ 0：式2-3-13 萃取相和萃余相浓度c1 、c2 • 完全平衡态：式2-3-14、15 • 实际状态：式2-3-16～21
（了解）
2、混合管
料液在管呈湍流状态 在管内停留时间10～20s。 萃取效果高于混合罐，
（二）吸附剂选择
两类： 有机吸附剂：活性炭、纤维素、大孔树脂等 无机吸附剂：白土、氧化铝、硅藻土等
（1～4吸附剂自学）
活性炭
大孔树脂
白土、硅藻土
（三）影响吸附因素
1.吸附剂性质 如：比表面、粒度、孔径、极性等 2.吸附物性质 如：熔点、自身缔合性 3.溶剂及操作条件 溶剂：溶质在单溶剂中易被吸附，混合溶剂则否。 应用：单溶剂吸附，混合溶剂解吸。 操作条件：PH、温度
原理：被提取的溶质在两相中分配系数不同。
体系：（常用：聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dx)、磷酸钾、
磷酸铵、氯化钠）
表2-3-1
优势：克服细胞破碎液黏度大、碎片小、分离困难的难 题，实现固液分离、液-液萃取一次完成。
上 相
下 相
注意：两相密度差很小
（二）双水相萃取方法
应用：胞内酶提取
2.设备放大 （1）罐交换负荷f相同原则放大 放大设备中树脂体积：式2-3-29或 2-3-30 放大设备直径与高度：式2-3-31或 2-3-32 （2）溶液空塔流速相同放大 特点：树脂床高不变，仅直径放大 放大尺寸：式2-3-33 放大体积：式2-3-34 3.床层压力降 正吸附：式2-3-35 反吸附：式2-3-36
rH↑→ rs ↑→分界半径外移→重液层变薄， 利于轻液分离。
反之分界半径内移，重液变厚利于分离。
操作：用提圈、螺孔、向心泵改变重液出 口半径rH。
管式离心机 工作原理
萃余液
（三）离心萃取机
特点：混合、分离一次完成
1、多级离心萃取机
工艺：三级逆流萃取 每级：包含混合、分离 进料： • 料液第一级加入； • 萃取轻相第一级引出； • 新萃取剂第三级加入； • 萃余重液第三级引出。
3．混合床交换罐
阴、阳树脂混装。 H+和OH-就地 混合床制备无盐水流程 （再生状态）
4. 连续式离子交换设备
树脂与料液逆流 接触
图2-3-22 筛板式连续离 子交换设备 1-树脂计量管及加料口 2塔身 3-漏斗形树脂下降管 4-筛板 5-饱和树脂受器 6虹吸管
一、离子交换树脂分离原理及理化性能
（复习内容）
离子交换法：利用离子交换树脂具有离子交 换或吸附的作用，将溶液中不同物质的分子 进行分离的方法。
（一）离子交换树脂的分类
离子交换树脂：由惰性立体 网络骨架、活性基团组成；
按活性基团电离程度分类
阳离子交换树脂：
强酸性阳离子交换树脂 弱酸性阳离子交换树脂 阴离子交换树脂：
二、双水相萃取
（一）双水相萃取原理
问题：溶剂提取蛋白、核酸等生物大分子可能带来变性， 或这类物质亲水性强，难溶有机溶剂。
概念：若两种聚合物分子之间存在排斥力，在水溶液中 一种聚合物分子的周围将聚集同种分子，而排斥异种分
子，达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相-双 水相。 （互不相容的两种水溶液）
一、吸附分离原理
（一）吸附等温线
概念：恒温下，吸附剂吸附溶质达到平衡时，吸附量 q与溶液浓度c的函数关系。
方程 ：2-3-99 （Langmuir方程，单层吸附）
讨论：
稀溶液 q=ac
(q.c线性关系)
浓溶液 q=a/b (恒数值)
中等浓度溶液 q=kc1/n (Frendlish方程)
表例：表2-3-2
P266
收率多数达到90％
分配系数多数大于3。
“PEG一盐” 系统用得广泛，因无机盐价廉且选择性高。
蛋白质分配在上相（ PEG），细胞碎片分配下相（盐）
图2-3-4 两级双水相萃取酶的流程 1一细胞悬浮液 2一细胞破碎机 3一冷却器 4-PEG一盐贮罐 5一混合器
图2-3-23 漩涡式连续离子 交换设备
1-树脂加料器 2-具有螺旋带 的转子 3-树脂提升管 4-塔身 5-虹吸管
（二）离子交换设备的计算
计算说明：
•树脂交换能力因物料不同和操作条件不同差异很大。 •常控制树脂吸附量为总容量的70% •设备设计要在实验基础上放大。
1．树脂用量和罐体积 树脂装填体积：式2-3-25 树脂装填干重：式2-3-26 操作时间：式2-3-27 罐体积：式2-3-28
料、剂
固相
（液相:再多分配一层出口就是三相）
图2-3-12 三相倾析式离心机
四、超临界流体萃取
超临界流体概念：适宜温、压下，介于气体和液体之间的流体，
无气、液界面。
超临界流体特性：具有与液体同样的溶解力，与气体相近的扩散力。
表2-3-7
P275
超临界萃取特征：兼有蒸馏与萃取特征。
超临界萃取应用：萃取高附加值的高沸点或热敏性产品。
混合管
3、喷射式混合器
（a）器内混合 （b ）（c）器外汇合
优点：体积小、效率高 适用于低黏度料液
（似糖蜜稀释器）
（二）分离设备
1、管式离心机（略）
2、蝶式离心机（略）
3、离心分离机分界面计算
意义：分析轻、重液分界面调整原理
依据：
式2-3-22
分析：
当ρL、ρH及rL不变时
溶剂
三级 二级 一级
液料 萃取液
2. 立式离心萃取机
转鼓：
11个同心圆筒组成,
筒外壁焊有螺旋导流板
操作：
重液相：由内向外流经 各筒
轻液相：从第十圆筒下
端进入，由外向内流过
各筒。
轻液入口
3.倾析式离心机 转鼓：圆柱-圆锥形、螺旋输送器、进出料系统等。 特点：同时分离重液，轻液及固相 。
萃取用于蛋白质等大分子物质的提取。
一、溶剂萃取
四个概念：溶质、萃取剂、萃取液、萃余液。 分配定律：在恒温恒压条件下，溶质在不相溶的
两相中分配达到平衡时，其在两相中的浓度之比 为常数。 定律应用：不同溶质在两相中分配差异，是实现 萃取分离的依据。
（一）溶剂萃取方法
1、单级萃取 工艺：进行一次混合、分离 缺点：溶质提取率低
夹带剂：纯流体中添加的与被萃取物亲和力强的组分。
表2-3-8
P276
（一）超临界流体萃取过程
基本流程： 图2-3-14
典型流程：
等温法：从萃取相中获取产品 等压法：从萃取相中获取产品 吸附法：萃取相中为去除的物质
图2-3-15（1） 图2-3-15（2） 图2-3-15（3）
2-3-10 2-3-11
例1： 利用乙酸乙酯萃取发酵液中的放线菌素 D ， pH3.5 时分配系数 m=57 。采用三级错流萃取，令 H ＝ 450dm3/h ， 三 级萃取剂流量之和为 39dm3/h 。
1. 计算 L1 =L2 =L3 ＝ 13dm3/h 的萃取 率 。 2. 设上述操作条件不变(L＝39dm3/h)，计算采 用多级逆 流萃取时，使收率达到99％所需的级数。
6一离心机 7一废渣相贮罐 8一暂存罐 9一盐贮罐 10一酶液贮罐
说明：罐10为盐析蛋白产品。
三、萃取操作过程及设备
液-液萃取设备 混合设备——料液与萃取剂混合。 分离设备——萃取相和萃余相分离。 溶剂回收设备——将萃取液中的产物与萃取剂
分离（蒸馏设备，不讲） 。
（一）混合设备
例2-3-2 ：放大实例