第三章----溶剂萃取1.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Henan Institute of Science and Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,萃取具有可连续操作、分离效果好等优点，在化学工业中的应用非常广泛，例如抗生素、维生素等发酵产物通常采用有机溶剂萃取法来提取，近年来又相继开发成功超临界萃取、反胶束萃取和双水相萃取等一些新的萃取技术，尤其适用于氨基酸、酶和蛋白质类药物的提取。此外，随着天然药物需求量的增加，固,-,液萃取逐渐得到重视。本章将重点讨论有机溶剂萃取，双水相萃取，反胶束萃取，超临界流体萃取，并对微波协助萃取，固,-,液萃取和化学萃取作简要的介绍。,2025/9/25 周四,1,萃取分离的种类,溶剂萃取,双水相萃取,反胶束萃取,超临界萃取,固相萃取,亚临界水萃取,2025/9/25 周四,2,萃取方法,原,理,应 用,液,-,固萃取,属于用液体提取固体原料中有用成分的扩散分离操作。,多用于提取存在于胞内的有效成分。,液,-,液萃取,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）中溶解度和分配性质上的差异进行的分离操作。,可用于有机酸、氨基酸、维生素等生物小分子的分离纯化。,双水相萃取,利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异进行,的分离操作。,主要用于蛋白质、酶，特别是胞内蛋白的提取纯化。,反胶团萃取,利用表面活性剂在有机相中形成的反胶团，从而在有机相中形成分散的亲水微环境，使生物分子在有机相（萃取相）内存在于反胶团的亲水微环境中。,适用于氨基酸、肽和蛋白质等生物分子的分离纯化，特别是蛋白质类生物大分子的分离。,液膜萃取,液膜能将与之不互溶的液体分开，使其中一侧液体中的溶质选择性地透过液膜进入另一侧，实现溶质之间的分离。,适用于金属离子、烃类、有机酸、氨基酸和抗生素的分离及废水处理，在酶的包埋固定化和生物医学方面的应用也前景广阔。,超临界流体萃取,利用超临界流体作为萃取剂，对物质进行溶解和分离。,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。,几种萃取方法的比较,2025/9/25 周四,3,一、基本概念,（一）萃取与反萃取,被提取的溶液称为原料液，其中欲提取的物质称溶质，而用以进行萃取的溶剂称为,萃取溶剂,(,萃取剂,),达到萃取平衡后，大部分溶质转移到萃取溶剂中，这种含有溶质的,萃取溶剂,溶液称为,萃取液,，而被萃取出溶质以后的料液称为,萃余液,。,2025/9/25 周四,6,萃取,一般指用有机溶剂将物质从水相转移到有机相的过程。,反萃取,(stripping,或,back extraction),是将萃取液与反萃取剂（一般为水溶液）相接触，使某种被萃入有机相的溶质转入水相的过程，可看作是萃取的逆过程。,2025/9/25 周四,7,（二）、分配定律,分配定律：在一定温度、一定压力下，某一溶质在互不相溶的两种溶剂间分配时，达到平衡后，在两相中的活度之比为一常数。如果是稀溶液，可以用浓度代替活度，即：,K,称为分配系数,2025/9/25 周四,8,应用分配定律时，须符合下列条件：,必须是稀溶液，即适用于接近理想溶液的萃取体系；,溶质对溶剂的互溶度没有影响；,溶质在两相中必须是同一分子形式，即不发生缔合或解离。,2025/9/25 周四,9,在萃取过程中，溶质在两相的分子形式常常并不相同，仍然采用类似分配定律的公式作为基本公式。这时候溶质在萃取相和萃余相中的浓度，实际上是以各种化学形式进行分配的溶质总浓度，它们的比值以,分配比,(distribution ratio),表示：,2025/9/25 周四,10,（三）、萃取因素,萃取因素也称萃取比，其定义为被萃取溶质进入萃取相的总量与该溶质在萃余相中总量之比。通常以,E,表示。若以,V,l,和,V,2,分别表示萃取相和萃余相的体积，,C,L,和,C,R,分别表示溶质在萃取相和萃余相中的平衡浓度。萃取因素（,E,）为：,2025/9/25 周四,11,（四）、分离因素,料液中的溶质并非是单一的组分，除了所需产物（,A,）外，还存在有杂质（,B,）。分离因素,(separation factor),，常用,表示，其定义为：在同一萃取体系内两种溶质在同样条件下分配系数的比值,2025/9/25 周四,12,二、溶剂萃取法的基本原理,弱酸,HA,在不同的,pH,条件下，可以有不同的化学状态，其分配比亦有差别，若适度改变,pH,，可将弱酸,HA,自水相转入有机相，或从有机相再转入水相，这样反复萃取，可以达到浓缩和提纯的目的,HA,HA,2025/9/25 周四,13,2025/9/25 周四,14,三、萃取方法和理论收率的计算,萃取方式和理论收率的计算,流程：,2025/9/25 周四,15,三、萃取方法和理论收率的计算,（一）单级萃取,2025/9/25 周四,16,萃取因素,E,为,式中,V,F,料液体积；,V,s,萃取剂的体积；,C,1,溶质在萃取液的总浓度；,C,2,溶质在萃余相的总浓度；,D,分配比；,m,浓缩倍数,2025/9/25 周四,17,萃余率：,理论收率：,2025/9/25 周四,18,例如：,洁霉素在,20,和,pH10.0,时分配比（丁醇,/,水）为,18,。用等体积的丁醇萃取料液中的洁霉素，计算可得理论收率,若改用,1/3,体积丁醇萃取，,理论收率：,2025/9/25 周四,19,（二）多级错流萃取,2025/9/25 周四,20,2025/9/25 周四,21,萃余率：,理论收率,2025/9/25 周四,22,红霉素在,pH 9.8,时的分配比（醋酸丁酯,/,水）为,44.5,，若用,1/2,体积的醋酸丁酯进行单级萃取，则：,理论收率,若用,1/2,体积的醋酸丁酯进行二级错流萃取，则,理论收率,2025/9/25 周四,23,多级逆流萃取,2025/9/25 周四,24,2025/9/25 周四,25,n,级萃取后，萃余率为：,理论收率为,2025/9/25 周四,26,青霉素在,0,和,pH2.5,时的分配比（醋酸丁酯,/,水）为,35,，若用,1/4,体积的醋酸丁酯进行二级逆流萃取，,则：,n,2,，理论收率,2025/9/25 周四,27,若改为二级错流萃取，第一级用,1/4,体积的醋酸丁酯，第二级用,1/10,体积的醋酸丁酯，则,2025/9/25 周四,28,第二节 影响溶剂萃取的因素,一、乳化和破乳化,（一）乳状液的形成和稳定条件,在化学工业中，特别是生物制药工业中进行溶剂萃取时，料液中经常残留具有表面活性的蛋白质，特别容易引起乳化作用，从而使有机相与水相难以分层，即使用离心机也不能将两相完全分开。,“,溶剂相中若夹杂水相”，,将给后续操作带来困难，而水相中夹带溶剂，则会造成目的产物的损失，降低收率。,因此，在溶剂萃取操作中，防止乳化和去乳化是非常重要的。,2025/9/25 周四,29,乳化剂多为表面活性剂。分子结构特点：一般是由亲油基和亲水基两部分组成的，即一端为亲水基团或极性部分，另一端为疏水性基团或非极性部分（烃链）。,2025/9/25 周四,30,乳化剂使乳状液稳定原因：,（,1,）界面膜形成,乳化剂,吸附于油水界面形成结实的界面膜而阻止了液滴间聚结的发生,（,2,）界面电荷的影响,分散相液滴表面的电荷对乳液的稳定性起十分重要的作用,大部分乳状液液滴表面都带有电荷，其来源主要有三种途径：,a,使用离子型表面活性剂作为乳化剂，极性基团伸入水相发生电离而使液滴带电，若乳化剂为阴离子型，液滴带负电荷，阳离子型，液滴带正电荷。,b,使用不能电离的非离子型表面活性剂作为乳化剂时，液滴主要通过从水相中吸附离子使自身表面带电。,2025/9/25 周四,31,（,3,）介质黏度,分散介质粘度越大，液滴布朗运动速度越慢，减少液滴之间相互碰撞，有利于乳状液的稳定。,c,液滴与分散介质发生摩擦也可以使液滴表面带电，所带的电荷的符号与两相的介电常数有关，介电常数大的一相带正电荷，介电常数小的带负电荷。,液滴表面的电荷密度越大，乳状液的稳定性也越高。,2025/9/25 周四,32,每一种表面活性剂都有亲水和疏水基团，两种基团的强度的相对关系称为,HLB,值（,hydrophile-lipophile balance,）亲水亲油平衡值。,完全不亲水（,HLB=0,）和完全亲水（,HLB=20,）的两种极限乳化剂作为标准，其它表面活性剂的,HLB,值就处于这两种极限值之间。,2025/9/25 周四,33,O/W,型,(,水包油型,),乳状液的乳化剂其,HLB,值常在,818,之间,;,作为,W/O,型,(,油包水型,),乳状液的乳化剂其,HLB,值常在,36,之间,.,2025/9/25 周四,34,（二）、影响乳状液类型的因素,1,相体积的影响,假定分散相为大小均匀的圆球，按紧密地堆积，圆球体积占总体积的,74%,。如水的体积占总体积小于,26%,时，只能形成,W,O,型乳状液；大于,74%,时，只能形成,O,W,型乳状液。,2,乳化剂分子空间构型的影响,截面积小的一头指向分散相，截面积大的一头指向分散介质，所以,一价金属皂形成,O,W,型,乳状液，而,二价金属皂形成,W,O,型乳状液，,2025/9/25 周四,35,3,界面张力的影响,乳化剂聚集于界面形成薄膜，若两相界面张力不等，则使膜弯曲，,其凹面一侧为界面张力较高的相，高界面张力这侧的液体易形成内相。,4,容器壁性质的影响,亲水性强的容器易得,O,W,型乳状液，亲油性强的容器易形成,W,O,型乳状液。,2025/9/25 周四,36,（三）、乳状液的破坏,1.,加入去乳化剂,（,破乳剂往往是反型,乳化剂,),2.,离心,3.,加电解质,：中和乳状液分散相所带的电荷；,4.,加热：,加快蛋白质胶粒絮凝速度，降低黏度，促使乳化消除；,5.,吸附过滤,：,通过多孔介质过滤，水分被吸附；,6.,稀释法,2025/9/25 周四,37,（四）、常用的去乳化剂,1.,阳离子表面活性剂,（,1,）十二烷基三甲基溴化铵（,1231,）,CH,3,(CH,2,),10,CH,2,(CH,3,),3,N,+,Br,（,2,）溴代十五烷吡啶（,PPB,）,（碳氢链较短）,2025/9/25 周四,38,2.,阴离子表面活性剂,阴离子表面活性剂，如亚油酸钠、十二烷基磺酸钠、石油磺酸钠等,3,其他破乳剂,如用溴代四烷基吡啶作去乳化剂，因其既易溶于水，又易溶于醋酸丁酯中，既能破坏,W,O,型，也能破坏,O,W,型乳状液，比,PPB,破乳完全，用量为,0.03%0.05%,。它能降低青霉素提取时随废液的损失，提高收率。,2025/9/25 周四,39,二、,pH,的影响,1,、,pH,影响被萃取物,(,弱酸或弱碱性,),的分配比,2,、,pH,也影响被萃取物,(,弱酸或弱碱性,),的稳定性,例：用醋酸丁酯提取苄基青霉素，在,0,、,pH2.5,时测得,D,=30,，,K,P,=10,-2.75,，可求得,2025/9/25 周四,40,可按下式计算表观分配系数和水相,pH,的关系：,可得，当,pH=4.4,时，,D=1,。当,pH,4.4,时，青霉素从醋酸丁酯相转移到水相，称为反萃取。,2025/9/25 周四,41,三、温度和萃取时间的影响,高温不稳定，高温时溶剂间互溶度增大，一般化合物水解速度与温度的关系服从阿伦尼乌斯公式：,2025/9/25 周四,42,有机溶剂与水之间的互溶度随温度升高而增大，这会使萃取效率降低。另一方面，很多生化样品都有热敏性，因此萃取一般在低温下进行。,2025/9/25 周四,43,四、盐析作用的影响,原理,:,蛋白质在水溶液中的溶解度是由蛋白质 周围亲水基团与水形成水化膜的程度，以及蛋白质分子带有电荷的情况决定的。当用中性盐加入蛋白质溶液，,中性盐对水分子的亲和力大于蛋白质，于是蛋白质分子周围的水化膜层减弱乃至消失。,同时，,中性盐加入蛋白质溶液后，由于离子强度发生改变，蛋白质表面电荷大量被中和，更加导致蛋白溶解度降低，使蛋白质分子之间聚集而沉淀。,2025/9/25 周四,44,其对萃取的影响：,由于盐析剂与水分子结合，降低了被萃取物在水中的溶解度，使其易转入有机相；,盐析剂降低有机溶剂在水中的溶解,盐析剂增大萃余相比重，有助于分相。,2025/9/25 周四,45,五、溶剂种类、用量及萃取方式,分配系数愈大愈好，若分配系数未知，则可根据“相似相溶”的原则，选择与被萃取物结构相近的溶剂；,选择分离因素大于,1,的溶剂；,料液与萃取溶剂的互溶度愈小愈好；,尽量选择毒性低的溶剂。,溶剂的化学稳定性高，腐蚀性低，沸点不宜太高，挥发性要小，价格便宜，来源方便，便于回收。,2025/9/25 周四,46,如洁霉素,20,，,pH10.0,时，分配比（丁醇水）,=18,，根据萃取方式理论收得率的计算方法，得出：,2025/9/25 周四,47,第三节 萃取过程和溶剂回收,一、混合,1,、搅拌罐,2,、管式混合器,2025/9/25 周四,48,3,、喷嘴式混和器,4,、气流搅拌混和罐,2025/9/25 周四,49,二、液,-,液两相分离,离心机,(,管式超高速,),2025/9/25 周四,50,碟片式高速离心机,2025/9/25 周四,51,三、溶剂回收,（一）、单组分溶剂回收,简单蒸馏,或精馏,2025/9/25 周四,52,（二）、低浓度溶剂回收,先简单蒸馏,后精馏,精馏：塔底,102,，塔顶,91,，蒸馏物为恒沸混和物，含水量为,28%-29%,，超过水在醋酸丁酯中溶解度（,20,，,1.4%,）。,2025/9/25 周四,53,四、回收与水部分互溶并 形成恒沸混和物的溶剂,2025/9/25 周四,54,五、回收完全互溶的混和溶剂 并不形成恒沸混和物,如丙酮,-,丁醇混和溶剂，由于其沸点相差较大（丙酮沸点为,56.1,，丁醇沸点为,117.4,），采用精馏方法很易得到纯组分。如果混和溶剂要反复使用，则不需要将它们分成纯组分，只需经过蒸馏方式除去不挥发物质，然后测定混和溶剂的比例，再添加不足的溶剂使达到要求。,2025/9/25 周四,55,常用的液,-,液萃取装置,2025/9/25 周四,56,溶剂萃取的应用,2025/9/25 周四,57,应用领域,石油化工,分离轻油裂解和铂重整产生的芳烃和非芳烃混合物；用酯类溶剂萃取乙酸,用丙烷萃取润滑油中的石蜡；以,HF-BF3,作萃取剂,从,C,8,馏分中分离二甲苯及其同分异构体。,生物化工,以醋酸丁酯为溶剂从发酵液中萃取青霉素,精细化工,香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素食品工业中用,TBP,从发酵液中,萃取柠檬酸,湿法冶金,用溶剂,LIX63-65,等萃取剂从铜的浸取液中提,取铜,溶剂萃取的,应用实例,2025/9/25 周四,58,第四节,双水相萃取,双水相萃取技术，又称水溶液两相分配技术，它利用不同的,高分子溶液,相互混合可产生,两相或多相系统,，静置平衡后，分成互不相溶的两个水相，利用物质在互不相溶的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法，称为双水相萃取法。,特点：能保留产物的活性，操作可连续化，可纯化蛋白质,25,倍。,2025/9/25 周四,59,一、双水相的形成,如葡聚糖与聚乙二醇按一定比例与水混合，静置平衡后，分成互不相溶的两个水相，上相富含,PEG,，下相富含葡聚糖,2025/9/25 周四,60,2025/9/25 周四,61,二、双水相萃取的基本概念,（一）相图,相图右上部为两相区，左下部为均相区，两相与均相的分界线叫双节线。组成位于,A,点的系统实际上由位于,C,、,B,两点的两相所组成，,BC,称为系线。,当系线向下移动时，长度逐渐减小，表明两相的差别减小，当达到,K,点时，两相间差别消失，,K,点称为临界点。,2025/9/25 周四,62,（二）分配系数,影响分配系数的因素包括很多，如被萃取微粒子大小、疏水性、表面电荷、粒子或大分子的构象等，这些因素微小的变化可导致分配系数较大的变化，因而双水相萃取有较好的选择性。分配系数,K,与溶质的浓度和相体积比无关：,2025/9/25 周四,63,三、影响双水相萃取的因素,（一）、成相高聚物的分子量,一般原则,:,对于,PEG-Dextran,所形成的双水相，如果降低,PEG,的分子量，蛋白质分配于富含,PEG,的上相中，使分配系数增大，而将,Dextran,分子量减小，则会导致分配系数降低,。,2025/9/25 周四,64,（二）成相聚合物浓度,一般来说，双水相萃取时，如果相系统组成位于临界点附近，则蛋白质等大分子的分配系数接近于,1,。高聚物浓度增加，系统组成偏离临界点，蛋白质的分配系数也偏离,1,，即,K,1,或,K,1,2025/9/25 周四,65,随着浓度差的变化，分配系数会有很大的变化,2025/9/25 周四,66,（三）分配物质的分子量,双水相系统适应于大分子量物质的分离，分子量小分配系数接近于,1,，分离越困难。,2025/9/25 周四,67,（四,),盐类的影响,盐的种类和组成对带电大分子的分配影响很大。例如，对于,PEG/dex,系统，氯化钠的浓度等于,2mol/L,时，血红蛋白的分配系数增加两个数量级，充分说明盐类对分配系数的巨大影响。盐影响所有带电大分子和带电细胞粒子在两相中的分配。例如，,DNA,萃取时，离子组分微小的变化可使,DNA,从一相几乎完全转移到另一相。,2025/9/25 周四,68,（五）、温度及其它因素,温度的影响是间接的，它主要影响相的高聚物组成，只有当相系统组成位于临界点附近时，温度对分配系数才具有较明显的作用。,pH,对酶的分配系数也有很大关系，特别是在系统中含有磷酸盐时。由于,pH,的变化会影响磷酸盐是一氢化物还是二氢化物磷酸盐的存在，而一氢化物磷酸盐对界面电位有明显的影响。,2025/9/25 周四,69,四、双水相系统的选择,选择合适的双水相系统是双水相分离的关键，常见的两类双水相系统为：,PEG-Dex,系统 优点：盐的浓度低，易分相，,不易失活。缺点：粘度大，价格高,PEG-,盐系统 优点：粘度小，价格低,缺点：盐的浓度高，界面吸附多，易失活。,选择原则：,根据目标蛋白质和杂质蛋白表面的疏水性，分子量、等电点等性质上的差别来选择双水相系统。,确定聚合物的分子量，浓度，盐种类的和浓度，,pH,值等因素,2025/9/25 周四,70,1.,目标蛋白质和杂质蛋白等电点不同，添加适当的盐，调节,pH,值使相间电位差变大，达到分离的目的。,2.,根据目标蛋白质和杂质蛋白表面的疏水性，可以利用盐析原理，提高成相系统浓度，增大双水相系统的疏水性，达到分离的目的。,3.,可采用分子量较大的,PEG,，组成成相系统，提高目标蛋白质的选择性，在磷酸盐存在下，改变系统的,pH,值，提高目标蛋白质的选择性,.,2025/9/25 周四,71,要成功的应用双水相系统必须满足下列条件：,1.,待提取的物质和原料液应分配在不同的相中,2.,待提取物的分配系数足够大，使其在一定相比时，经过一次萃取，就能得到完全萃取。,3.,两相易于离心分离。,五、双水相萃取的应用,2025/9/25 周四,72,双水相系统平衡时间短，含水量高，界面张力低，为生物活性物质提供了温和的分离环境。它还具备操作简便、经济省时、易于放大。据报道，系统可从,10ml,直接放大到,1m,3,规模（,10,5,倍）,而各种试验参数均可按比例放大，产物收率并不降低。,2025/9/25 周四,73,例如,PEG-Dextran,系统特别适用于从细胞匀浆液中除去核酸和细胞碎片。系统中加入,0.1mol/L NaCl,可使核酸和细胞碎片转移到下相（,Dextran,相）,产物胞内酶位于上相。选择适当的盐组分，经一步或多步萃取，可获得满意的分离效果。如果,NaCl,浓度增大到,25mol/L,，几乎所有的蛋白质、酶都转移到上相，下相富含核酸。,2025/9/25 周四,74,2025/9/25 周四,75,五、双水相萃取技术的发展,（一）、廉价双水相体系的开发,一方面用廉价的无机盐代替以往常用的昂贵的葡聚糖,（二）、,亲和双水相萃取技术,亲和吸附具有专一性强，分离效率高等特点。利用其特点，将亲和吸附与双水相萃取技术相结合，即对成相聚合物进行化学修饰。该体系不仅具有萃取系统处理量大、放大简单等优点，而且具有亲和吸附专一性强、分离效率高的特点。,2025/9/25 周四,76,第五节 反胶束萃取,反胶束（,reversed micelle,），也称反胶团，是,表面活性剂,分散在连续的有机相中,自发形成,的纳米尺度的一种,聚集体,。,2025/9/25 周四,77,2025/9/25 周四,78,一、基本原理,表面活性剂溶于非极性溶剂中，并使其浓度超过,临界胶束浓度,，便会在有机溶剂内形成聚集体，非极性基团在外，极性基团则排列在内，,形成一个极性核,，此极性核具有溶解极性物质的能力，极性核溶解水后就变成,水池,。当含有此种反胶束的有机溶剂与蛋白质的水溶液接触后，蛋白质及其他亲水性物质能,够,溶于极性核内部的水中,，,由于周围的水层和极性基团的保护，蛋白质不与有机溶剂接触，从而不会造成失活。,2025/9/25 周四,79,用于萃取蛋白质等物质的反胶束通常为球形，半径约为,10-100nm,，其大小随溶剂和表面活性剂的改变而改变，同时，也受温度、压力和离子强度的影响。,2025/9/25 周四,80,2025/9/25 周四,81,二、反胶束体系,在反胶束萃取的早期研究中多用季胺盐，目前用得最多的是,AOT,，其化学名为丁二酸乙基己基酯,-,磺酸钠。,2025/9/25 周四,82,三、反胶束萃取过程,反胶束选择性分离目标蛋白质包括两个过程,:,萃取过程,(forward extraction),和反萃取过程,(backward extraction),。,萃取过程,:,目标蛋白质从主体溶液转移至反胶束溶液中的过程；,反萃取过程,:,目标蛋白质从反胶束溶液中转移至第二水相,(,或以固体的形式游离出来,),的过程。这些过程可连续操作，反胶束可在两套系统中循环。,2025/9/25 周四,83,反胶束相,混合器,1,分离器,1,混合器,2,分离器,2,进料,前萃取 后萃取,出料,2025/9/25 周四,84,四、影响因素,表面活性剂的种类,早期用一种表面活性剂,现在混合体系的研究较多，要求蛋白质和表面活性剂所带的电荷相反。,水相,pH,值,决定蛋白质表面带电基团的离子化状态,与表面活性剂的头部基团有相互作用,.,对于阳离子表面活性剂，溶液的,pH,应高于等电点，对于阴离子表面活性剂，溶液的,pH,应低于等电点。,2025/9/25 周四,85,温度,提高温度可使反胶束排斥水,起浓缩作用,离子强度,降低带电蛋白与反胶束极性基团的相互作用,并导致高离子强度下反胶束颗粒变小,亲和反胶束萃取,导入亲合配基,提高萃取率和选择性,2025/9/25 周四,86,五、应用举例,（一）蛋白质类药物,如蛋白酶、脂肪酶等,（二）、氨基酸,亲水性不同,疏水氨基酸主要在反胶束界面,;,亲水性氨基酸在反胶束内部极性水中,（三）、抗生素,如胆甾醇,-D-,丙氨酰胺,-D-,丙氨酸酯,（四）、核酸,2025/9/25 周四,87,超临界流体萃取法,(SFE),以超临界流体,(SCF),作萃取剂，直接从固体（粉末）或液体样品中萃取目标物质（有机物）。,100,年前人们就知道超临界流体可以溶解很多物质。,20,世纪,50,年代，美国将,SFE,用于工业分离。,1963,年，德国首次申请,SFE,分离技术的专利。,20,世纪,80,90,年代成为热门学科。,第六节 超临界流体萃取法,2025/9/25 周四,88,SFE,论文与专利发表情况,论文,2025/9/25 周四,89,专利,2025/9/25 周四,90,SFE,的优点：,1.,萃取剂在常温常压下为气体，萃取后可以方便地与萃取组分分离。,2.,在较低的温度和不太高的压力下操作，特别适合天然产物和生物物质的分离。,3.,超临界流体的溶解能力可以通过调节温度、压力、夹带剂（如：醇类）在很大范围内变化；而且还可以采用压力梯度和温度梯度。,4.,不使用有毒溶剂，无污染。萃取速度快（通常,30min,左右）,SFE,的缺点：选择性不够高。,2025/9/25 周四,91,SFE,基本流程,分,离,釜,萃,取,釜,CO,2,热交换器,压缩机或泵,过滤器,热,交,换,器,2025/9/25 周四,92,一、基本原理,超临界流体萃取技术（,SFE),，又称压力流体萃取、超临界气体萃取、临界溶剂萃取等，是利用处于,临界压力,和,临界温度,以上的溶剂流体所具有增加物质溶解能力来进行分离纯化的技术。,2025/9/25 周四,93,超临界流体(,Supercritical fluids SCF),超临界流体是指超过临界温度和临界压力状态的流体。,临界流体既不同于气体，也不同于液体的一种流体状态。,CO,2,密度随压力与温度变化的特点,2025/9/25 周四,94,超临界流体性质,1.,在临界点附近，在临界温度稍高的区域内，压力稍有变化，就会引起密度很大的变化，流体的密度随压力增高而迅速增加，并接近液体密度；,2.,在临界温度与临界压力以上，无论压力多高，流体都不能液化；,3.,在超临界状态下，流体对很多液体、固体物质的溶解能力都有较大增强，并接近于液体的溶解能力。,2025/9/25 周四,95,超临界流体与气体、液体传递性质的比较,物 性,常温、常压,下,气体,超临界流体,常温、常压,下,液体,T,C,p,C,T,C,4p,C,密 度,(g/cm,3,),0.006,0.002,0.2,0.5,0.4,0.9,0.6,1.6,粘 度,(10,-4,g/cm.s),1,3,1,3,3,9,20,300,自扩散系数,(cm,2,/s,）,0.1,0.4,0.7,10,-3,0.2,10,-3,(0.2,2)10,-5,2025/9/25 周四,96,超临界流体的特性,气体特征：,粘度小，接近于普通气体；扩散系数比液体大,100,倍,比气体小得多，温度和粘度对扩散系数的影响较大，表明，在超临界流体中比液体中的传质要好。,液体行为：,密度大，接近于普通液体，溶解度较大。,2025/9/25 周四,97,物质,沸点,临界温度,临界压力,临界密度,物质,沸点,临界温度,临界压力,临界密度,氩,122.4,4.86,0.53,氟利昂,-11,198.1,4.41,甲烷,164,83.0,4.64,0.160,异丙醇,82.5,235.2,4.76,0.273,氪,-63.8,5.50,0.920,甲醇,240.5,8.10,0.272,乙烯,103,10.0,5.12,0.217,正己烷,69.0,234.2,2.97,0.234,氙,16.7,5.89,1.150,乙醇,78.2,243.4,6.30,0.276,三氟甲烷,26.2,4.85,0.620,正丙醇,263.4,5.17,0.275,氟利昂,-13,28.9,3.92,0.580,丁醇,275.0,4.30,0.27,二氧化碳,78.5,31.06,7.38,0.468,环己烷,280.3,4.07,乙烷,88.0,32.4,4.88,0.203,苯,80.1,288.1,4.89,0.302,丙烯,47.7,92.0,4.67,0.288,乙二胺,319.9,6.27,0.29,丙烷,44.5,97.2,4.24,0.220,甲苯,110.6,320.0,4.13,0.292,氨,33.4,132.3,11.39,0.236,对二甲苯,343.0,3.52,n-,丁烷,0.5,152.0,3.80,0.228,吡啶,347.0,5.63,0.31,二氧化硫,157.6,7.88,0.525,水,100.0,374.1,22.06,0.326,n-,戊烷,36.5,196.6,3.37,0.232,可供选用溶剂的临界性质,2025/9/25 周四,98,超临界流体的溶剂选择原则,化学性质稳定，对设备没有腐蚀性；,临界温度应接近室温或操作温度；,操作温度应低于萃取组分的分解、变质温度；,临界压力最好在,4MPa,上下（降低压缩动力）；,选择性尽可能高（容易得到高纯度产品）；,对萃取质的溶解度高（减少溶剂用量）；,萃取剂必须对人体无毒。,2025/9/25 周四,99,利用,CO,2,作为萃取剂主要有以下优点,:,(1),二氧化碳超临界温度,(,T,c=31.06),是所有溶剂中最接近室温的，可以在,35,40,的条件下进行提取,防止热敏性物质的变质和挥发性物质的逸散。,(2),在,CO,2,气体笼罩下进行萃取,萃取过程中不发生化学反应,;,又由于完全隔绝了空气中的氧,因此,萃取物不会因氧化或化学变化而变质。,2025/9/25 周四,100,(3),由于,CO,2,无味、无臭、无毒、不可燃、价格便宜、纯度高、容易获得,使用相对安全。,(4)CO,2,是较容易提纯与分离的气体,因此萃取物几乎无溶剂残留,也避免了溶剂对人体的毒害和对环境的污染。,(5)CO,2,扩散系数大而粘度小,大大节省了萃取时间,萃取效率高。,2025/9/25 周四,101,二、影响超临界流体萃取的因素,（一）压力的影响,压力增加，绝大多数化合物溶解度都急剧上升。,7.0MPa,时,溶解度很小,;,25MPa,时,溶解度,70g/L;,理想气体下，溶解度,5g/L.,萘在,CO,2,中的溶解度与压力关系,2025/9/25 周四,102,根据萃取压力的变化,SFE,分为,3,类基本应用,:,一是高压区的全萃取，高压时,超临界流体的溶解能力强,可最大限度地溶解大部分组分；,二是低压临界区的脱臭，在临界点附近,仅能提取易溶解的组分,或除去有害成分,;,三是中压区的选择萃取，在高低压区之间,可根据物料萃取的要求,选择适宜压力进行有效萃取。,2025/9/25 周四,103,（二）温度的影响,一个是温度对流体密度的影响，随温度升高，,CO,2,流体密度降低，导致其溶剂化效应下降，对物质的溶解度也下降；,另一个是温度对物质蒸气压的影响，随温度升高，物质的蒸气压增大，使物质在,CO,2,流体中的溶解度增大。,2025/9/25 周四,104,超临界流体的溶解能力比较,萘在超临界,CO,2,流体中的溶解度,实线在,CO,2,中，虚线按理想气体计算,2025/9/25 周四,105,(,三,),、助溶剂,（夹带剂）,当在,CO,2,流体中加入少量第二溶剂，可以大大提高其对原来溶解度很小的溶质的溶解能力，这种第二组分溶剂称为辅助溶剂（,entrainer,），又称助溶剂。,从经验上看，,加入极性助溶剂对提高极性成分的溶解度有帮助，对非极性溶质作用不大；相反，非极性助溶剂对极性和非极性溶质都有增加溶解度的效能。,2025/9/25 周四,106,CO,2,流体中非极性夹带剂对溶质溶解度的影响,溶质,夹带剂,夹带剂含量（摩尔分数）,溶解度比,六甲基苯,正庚烷,3.5,1.6,（有无之比）,正辛烷,3.5,2.1,正十一烷,3.5,2.6,菲,正庚烷,3.5,1.6,正辛烷,3.5,2.8,正辛烷,5.25,4.2,正辛烷,7.0,5.4,正十一烷,3.5,3.6,1.,夹带剂碳原子数增加，溶解比增大；,2.,同种夹带剂浓度增加，溶解比也增大。,2025/9/25 周四,107,夹带剂,(,丙烷,),浓度对溶解度影响,夹带剂浓度增大，萘在,CO,2,中的溶解度增加。,2025/9/25 周四,108,惰性气体对溶解度的影响,在超临界,CO,2,萃取咖啡因加入惰性气体浓度增加，溶解度降低。,2025/9/25 周四,109,2025/9/25 周四,110,（四）、物料性质的影响,物料的粒度影响,细物料可增加传质效果，但过细增加流动阻力,水分,含水量过高时，形成连续性水膜，影响传质过程,三、超临界流体萃取方法,超临界流体萃取的三种典型流程,2025/9/25 周四,111,变压萃取分离,(,等温法,),在萃取器中使萃取物质与超临界流体充分接触而被萃取，含有萃取组分的超临界流体从萃取器抽出，经膨胀阀后流入分离釜内；由于压力降低，被萃取组分在超临界流体中的溶解度变小，使其在分离器中析出。被萃组分经分离后，从分离器下部放出；降压后的萃取气体则经压缩机或高压泵提升压力后返回萃取器循环使用。,1,3,P,1,2,4,等温法：,T,1,=T,2,P,1,P,2,1,萃取槽；,2,膨胀阀；,3,分离槽；,4,压缩机,T,1,T,2,P,2,溶质,2025/9/25 周四,112,特点是：,在等温条件下，利用不同压力时待萃取组分在萃取剂中的溶解度差异来实现组分的萃取及与萃取剂的分离。,过程易于操作，应用较为广泛，但能耗高一些。,2025/9/25 周四,113,变温萃取分离,(,等压法,),利用超临界流体在一定范围内萃取组分的溶解度随温度升高而降低的性质，将萃取组分通过升温来降低其在超临界流体中的溶解度，来实现萃取组分与萃取剂的分离。,1,3,P,1,2,4,等压法：,T,1,T,2,P,1,=P,2,1,萃取槽；,2,加热器；,3,分离槽；,4,泵；,5,冷却器,P,2,T,2,T,1,5,溶质,2025/9/25 周四,114,特点是：,在低温下萃取，在高温下使溶剂与萃取组分的分离，萃取组分从分离器下方取出，萃取剂经冷却压缩后返回萃取器循环使用。,过程中，萃取釜和分离釜处于相同压力下，因此，只需循环泵即可，压缩功耗较少，但需要加热蒸汽和冷却水。,2025/9/25 周四,115,吸附萃取法,该过程利用分离釜中填充的特定吸附剂（只吸附溶质而不吸附萃取剂），被萃取物在分离器内被吸附并与萃取剂分离，不吸附的萃取剂气体则由压缩机压缩并返回萃取器循环使用。,在操作过程中，萃取釜和分离釜的温度和压力相等。将超临界流体中的分离组分选择性地除去，并定期再生吸附剂。,1,3,P,1,2,4,吸附法：,T,1,=T,2,P,1,=P,2,1,萃取槽；,2,吸附剂；,3,分离槽；,4,泵,P,2,T,2,T,1,2025/9/25 周四,116,三种超临界萃取方法的用途,等温法与等压法,主要用于萃取相中的溶质为需要精制的产物；,吸附法,主要适用于那些萃取质为需除去的有害成分，而萃取槽内留下的萃余物为提纯产物。,2025/9/25 周四,117,萘在,CO,2,中的溶解度及超临界萃取操作曲线,温度,溶解度,温度和压力的改变对溶解能力改变很大，因此超临界气体的回收可以采用在一定温度下变压，或者在一定温度下改变压力。,2025/9/25 周四,118,各种萃取方法所需溶剂及循环量的比较,操,作,线,操作方式,萃取条件,分离条件,每,kg,萃取质所需溶剂量,点,号,压力,MP,a,温,度,溶解度,mol%,代,号,压力,MP,a,温,度,溶解,度,mol%,(a),等温、减压,E,1,30.40,55,5.2,S1,9.12,43,0.2,6.88,(b),等温、气液分离,L,25,0.65,V,25,0.04,56.35,(c),等压、冷却,E,1,30.40,55,5.2,S2,30.40,20,1.2,8.59,(d),等温、加热,E,3,8.11,30,0.85,S3,8.11,8.11,0.1,45.83,2025/9/25 周四,119,SFE,多级操作系统,2,2,7,精馏,+,分离,5,4,1,3,1.,萃取釜,2.,减压阀,3.,分离釜,4.,换热器,5.,压缩机,6.,分离釜,7.,精馏柱,2,2,两级,SFE,5,