2第三章萃取与色谱分离设备
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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）： n 溶剂萃取（有机溶剂） n 双水相萃取 n 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
2、多级错流萃取
工艺：料液多次经新鲜萃取剂萃取。
缺点：萃取剂用量大，萃取液浓度低。
收率：2-3-6
Biblioteka Baidu
P263
图2-3-2 多级错流萃取
3、多级逆流萃取
工艺：料液经较稀萃取液多次萃取。 优点：萃取剂用量少，萃取液浓度高，溶质收率高。
（如例题）
图2-3-3 多级逆流萃取
参数： 理论收率： 理论级数：获得目标收率的萃取级数。
➢ 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 。
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，
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
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
（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，
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
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
表例：表2-3-2
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。
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
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
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
无气、液界面。
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。
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
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
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 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τ0：式2-3-13 萃取相和萃余相浓度c1 、c2 n 完全平衡态：式2-3-14、15 n 实际状态：式2-3-16～21
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）
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）： n 溶剂萃取（有机溶剂） n 双水相萃取 n 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
2、多级错流萃取
工艺：料液多次经新鲜萃取剂萃取。
缺点：萃取剂用量大，萃取液浓度低。
收率：2-3-6
Biblioteka Baidu
P263
图2-3-2 多级错流萃取
3、多级逆流萃取
工艺：料液经较稀萃取液多次萃取。 优点：萃取剂用量少，萃取液浓度高，溶质收率高。
（如例题）
图2-3-3 多级逆流萃取
参数： 理论收率： 理论级数：获得目标收率的萃取级数。
➢ 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 。
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，
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
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
（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，
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
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
表例：表2-3-2
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。
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
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
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
无气、液界面。
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。
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
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
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 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τ0：式2-3-13 萃取相和萃余相浓度c1 、c2 n 完全平衡态：式2-3-14、15 n 实际状态：式2-3-16～21
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）