萃取设备错流萃取逆流萃取

萃取设备错流萃取逆流萃取 第八章 萃取设备及计算 第1节 萃取设备 节 一、萃取原理和基本过程 1、基本概念 、 溶剂萃取法: 溶剂萃取法:是指利用物质在互不混 溶的两相(有机相和水溶液相) 溶的两相(有机相和水溶液相)中溶 解度的不同，依据分配定律，提取和 解度的不同，依据分配定律， 分离物质的一种方法。 分离物质的一种方法。 在萃取过程中, 所用的溶剂称为萃取剂 萃取剂。 在萃取过程中 所用的溶剂称为萃取剂。 混合液中欲分离的组分称为溶质。 混合液中欲分离的组分称为溶质。 溶质 混合液中的原溶剂称稀释剂。 混合液中的原溶剂称稀释剂。 稀释剂 萃剂提取了溶质成为萃取相，分离出 萃剂提取了溶质成为萃取相， 萃取相后剩余的混合液成为萃余相 萃余相。 萃取相后剩余的混合液成为萃余相。 2、液-液萃取的分类 、 液萃取的分类 (1)物理萃取 ) 概念: ? 概念:进行萃取的体系是多相多组分体 在萃取过程中不发生化学反应。 系，在萃取过程中不发生化学反应。 在一个多组分两相体系中， 在一个多组分两相体系中，溶质自动地从 化学位大的一相转移到化学位小的一相， 化学位大的一相转移到化学位小的一相， 其过程是自发进行的。 其过程是自发进行的。 萃取过程符合Nerst分配定律。 分配定律。 萃取过程符合 分配定律 ?分配定律的应用条件 必须是稀溶液 溶质对溶剂的互溶度没有影响 溶质在两相中必须是同一种分子类型， 溶质在两相中必须是同一种分子类型， 即不发生缔合或离解。 即不发生缔合或离解。 ?萃取工艺操作方式 单级萃取 多级萃取 多级错流萃取 多级逆流萃取 2、液-液萃取的分类 、 液萃取的分类 (2)化学萃取 ) 在萃取过程中常伴随有化学反应， 在萃取过程中常伴随有化学反应，包括相内 反应与相界面上的反应。这类萃取统称为化 反应与相界面上的反应。这类萃取统称为化 学萃取(反应萃取)。 学萃取(反应萃取)。 根据溶质与萃取剂之间发生的化学反应机理， 根据溶质与萃取剂之间发生的化学反应机理， 大致可分为五类 即络合反应、 五类， 大致可分为五类，即络合反应、阳离子交换 反应、离子缔合反应、 反应、离子缔合反应、加合反应和带同萃取 反应等。 反应等。 3、萃取的基本过程 、 流程:混合 分离 溶剂回收(见图) 分离?溶剂回收 流程:混合?分离 溶剂回收(见图) 4、影响溶剂萃取的主要因素 、 (1)主要影响因素 ) pH:根据萃取药物性质确定 : 温度:低温操作 温度: 盐析作用:增大萃取度，有助于分相。 盐析作用:增大萃取度，有助于分相。 溶剂的性质 (2)溶剂的选择 ) 分配系数尽量大 分离因素大于1 分离因素大于 料液与萃取溶剂互溶度尽量小 毒性低 化学性质稳定， 化学性质稳定，腐蚀性小 价格便宜， 价格便宜，来源方便 ——常用:乙 酸乙酯、乙酸戊酯、丁醇 常用: 常用 乙酸乙酯、乙酸戊酯、 5、双水相萃取 、 (1)概念 ) 双水相现象: 双水相现象:当两种聚合物或一种聚合物与 一种盐溶于同一溶剂时， 一种盐溶于同一溶剂时，由于聚合物之间或 聚合物与盐之间的不相容性， 聚合物与盐之间的不相容性，当聚合物或无 机盐浓度达到一定值时， 机盐浓度达到一定值时，就会分成不互溶的 两相。 两相。 双水相萃取: 双水相萃取:利用物质在不相溶的两水相间 分配系数的差异进行萃取的方法。 分配系数的差异进行萃取的方法。 5、双水相萃取 、 (2)可以构成双水相的体系有: )可以构成双水相的体系有: 离子型高聚物,非离子型高聚物( 离子型高聚物,非离子型高聚物(分 子间斥力): ):如 子间斥力):如PEG,DEXTRAN , 高聚物,相对低分子量化合物( 高聚物,相对低分子量化合物(盐析 作用): ):如 作用):如PEG,硫酸铵基本原理 , 5、双水相萃取 、 (3)影响双水相萃取的主要因素 ) 界面张力、成相高聚物的分子量、 界面张力、成相高聚物的分子量、电化学分 疏水反应、生物亲和分配、温度等。 配、疏水反应、生物亲和分配、温度等。 (4)应用 ) 生物大分子(蛋白质、 生物大分子(蛋白质、酶、核酸、干扰素等) 核酸、干扰素等) 及细胞和细胞器(病毒、叶绿体、线粒体、 及细胞和细胞器(病毒、叶绿体、线粒体、 细胞膜等)的提取。 细胞膜等)的提取。 5、双水相萃取 、 (5)特点 ) 操作条件温和，在常温常压下进行; 操作条件温和，在常温常压下进行; 两相的界面张力小，一般在10 , 量级 量级， 两相的界面张力小，一般在 -4N,cm量级， 两相易分散; 两相易分散; 两相的相比随操作条件而变化; 两相的相比随操作条件而变化; 上下两相密度差小，一般在10 上下两相密度差小，一般在 g/L，因此两相 ， 分离较困难; 分离较困难; 易于连续操作，处理量大，成本较低， 易于连续操作，处理量大，成本较低，适合 工业应用。 工业应用。 二、萃取设备 组成、 (一)组成、功能及分类 1、萃取体系的组成及功能 、 液-液萃取设备应包括 个部分:混合设备、 液萃取设备应包括3个部分 液萃取设备应包括 个部分:混合设备、 分离设备和溶剂回收设备。 分离设备和溶剂回收设备。 混合设备: 混合设备:使料液与萃取剂充分混合形成乳 浊液， 浊液，欲分离的生物产品自料液转入萃取剂 中。 分离设备: 分离设备:将萃取后形成的萃取相和 萃余相进行分离。 萃余相进行分离。 溶剂回收设备:把萃取液中的生物产 溶剂回收设备: 品与萃取溶剂分离并加以回收。 品与萃取溶剂分离并加以回收。 2、分类 、 (二)混合设备 1、混合管 、 (1)工作原理 ) 萃取剂及料液在一定流速下进入管道一端， 萃取剂及料液在一定流速下进入管道一端， 混合后 从另一端导出， 从另一端导出，依靠管内特殊的内部单元和流 体流动实现液体混合。 体流动实现液体混合。 强迫湍流状态; 强迫湍流状态;料液在管内平均停留时间10~20s。 。 (2)特点 ) 混合管的萃取效果高于混合罐，且为连续操作。 混合管的萃取效果高于混合罐，且为连续操作。流 程简单、结构紧凑、能耗小、萃取效率高。 程简单、结构紧凑、能耗小、萃取效率高。适于各 种黏度的流体。 种黏度的流体。 2、喷射式混合器 、 (1)类型及作用 ) 弯头交错喷嘴混合器、同向射流混合器、 弯头交错喷嘴混合器、同向射流混合器、 孔板射流混合器 弯头交错喷嘴混合器 两液相已在器外汇合， 两液相已在器外汇合， 然后进入器内经喷嘴或 孔板后， 孔板后，加强了湍流程 度，从而提高了萃取效 率。 同向射流混合器 孔板射流混合器 (2)特点 ) 喷射式混合器是一种体积小效率高的 混合装置，特别适用于低黏度、 混合装置，特别适用于低黏度、易分 散的料液。这种设备投资小， 散的料液。这种设备投资小，但需要 料液在较高的压力下进入混合器。 料液在较高的压力下进入混合器。 (三)混合清澄槽 混合清澄槽是一种单件组合式萃取设备， 混合清澄槽是一种单件组合式萃取设备， 每一级均由一个混合器与一个澄清器组成。 每一级均由一个混合器与一个澄清器组成。 优点:级数可增减， 优点:级数可增减，既可连续操作也可间 歇操作，级效率高，操作稳定， 歇操作，级效率高，操作稳定，操作弹性 是动力消耗大， 结构简单;缺点是动力消耗大 大，结构简单;缺点是动力消耗大，占地 面积大。 面积大。 原料液及 溶剂同时加入 混合器内， 混合器内，经 搅拌后流入澄 清器， 清器，进行沉 降，即重相沉 至底部形成重 相层， 相层，而轻相 浮入器上部， 浮入器上部， 形成轻相层。 形成轻相层。 轻相层及重相 层分别由其排 出口引出。 出口引出。 (四)分离设备 1、离心分离设备 、 高速离心机:碟片式， 高速离心机:碟片式，4000~6000rpm 超速离心机:管式，, 超速离心机:管式，,10000rpm ，, 三相倾析式:固体、重液、 三相倾析式:固体、重液、轻液 2、离心萃取设备(萃取分离同设备) 、 萃取分离同设备) 重液、 重液、轻液两相快速充分混合并快速分 离 分为逐级接触式和微分接触式两类 分为逐级接触式和微分接触式两类 逐级接触式 优点:结构紧凑，生产强度高， 优点:结构紧凑，生产强度高，物料停 留时间短、 留时间短、分离效果好 缺点:结构复杂，制造困难，造价高， 缺点:结构复杂，制造困难，造价高， 能耗大 芦 威 式 离 心 萃 取 器 三、液-液萃取操作要点 液萃取操作要点 1、选择合适的分散相 、 2、选择合适的各相流速，使各相能够充分 、选择合适的各相流速， 分散 3、开车前，应先确认系统密闭性良好 、开车前， 4、开车后，一般先开启连续相，后开启分 、开车后，一般先开启连续相， 散相 5、萃取设备应定期检查，直接接触 腐蚀性 、萃取设备应定期检查， 液体的部件应及时更换。 液体的部件应及时更换。 第2节 液-液萃取过程的计算 节 液萃取过程的计算 一、萃取方法和理论收率的计算 混合: ? 混合 : 将料液和萃取剂在混合设备中充分 混合，使溶质自料液转入萃取剂中。 混合，使溶质自料液转入萃取剂中。 分离: ? 分离 : 将混合液通过离心分离设备或其他 方法分成萃取相和萃余相。 方法分成萃取相和萃余相。 溶剂回收。 ?溶剂回收。 工业萃取的流程: 工业萃取的流程: 分离器(如碟片式离心机) 分离器(如碟片式离心机) 混合 分离 溶剂回收 混合器 如搅拌混合器) (如搅拌混合器) 溶剂回收装置 如蒸馏塔) (如蒸馏塔) 工业上的萃取过程按操作方式分类， 工业上的萃取过程按操作方式分类 ， 可 分为: 分为 单级萃取: 单级萃取 多级萃取:又可分为错流萃取和逆流萃取。 多级萃取 又可分为错流萃取和逆流萃取。 又可分为错流萃取 (一)单级萃取 一个混合器、 一个混合器、 一个分离器 使用一个混合器和一个分离器的萃取操作: 使用一个混合器和一个分离器的萃取操作: 料液F与萃取剂 一起加入混合器内搅拌混合萃取 料液 与萃取剂S一起加入混合器内搅拌混合萃取; 与萃取剂 一起加入混合器内搅拌混合萃取; 达到平衡后的溶液送到分离器内分离得到萃取相L和萃余相 和萃余相R; 达到平衡后的溶液送到分离器内分离得到萃取相 和萃余相 ; 萃取相送到回收器，萃余相R为废液 为废液; 萃取相送到回收器，萃余相 为废液; 在回收器内产物与溶剂分离(如蒸馏、反萃取等) 在回收器内产物与溶剂分离(如蒸馏、反萃取等)，溶剂则 可循环使用。 可循环使用。 S 萃取器 F 分离器 R 回收器 P(产物) (产物) 萃取因素E为 萃取因素 为: 萃取相中溶质总量 C1VS VS 1 E= = =K =K 萃余相中溶质总量 C2VF VF m 式中 :VF—料液体积;Vs—萃取剂的体积; 料液体积; 萃取剂的体积; 料液体积 萃取剂的体积 C1—溶质在萃取液的浓度; 溶质在萃取液的浓度; 溶质在萃取液的浓度 C2—溶质在萃余相的浓度; 溶质在萃余相的浓度; 溶质在萃余相的浓度 K—观分配系数; m—浓缩倍数 表观分配系数; 表观分配系数 浓缩倍数 萃余率: 萃余率: 萃余液中溶质总量 1 ?= ×100% = ×100% 原始料液中溶质总量 E +1 理论收率: 理论收率: 1 E 1?? =1? ×100% = ×100% E +1 E +1 例如: 例如: 林可霉素在20? 时分配系数( 林可霉素在 ? 和 pH10.0时分配系数 ( 丁醇 水 ) 时分配系数 丁醇/水 为 18。 用等量的丁醇萃取料液中的林可霉素 ， 计 。 用等量的丁醇萃取料液中的林可霉素， 算可得理论收率 18 1?? = 1/ 3 =6 若改用1/3体积丁醇萃取 体积丁醇萃取， 若改用 体积丁醇萃取， E = 18× 1 理论收率: 理论收率: 6 1?? = ×100% = 85.7% 6 +1 可见:当分配系数相同而萃取剂用量减少时， 可见:当分配系数相同而萃取剂用量减少时，其萃取率 下降。 下降。 18+ 18 +1 ×100% = 94.7% (二)多级错流萃取 料液经萃取后， 料液经萃取后，萃余液再与新鲜萃取剂 接触，再进行萃取。 接触，再进行萃取。 第一级的萃余液进入第二级作为料液， 第一级的萃余液进入第二级作为料液， 并加入新鲜萃取剂进行萃取; 并加入新鲜萃取剂进行萃取;第二级的 萃余液再作为第三级的料液，以此类推。 萃余液再作为第三级的料液，以此类推。 此法特点在于每级中都加溶剂， 此法特点在于每级中都加溶剂，故溶剂 消耗量大， 消耗量大，而得到的萃取液平均浓度较 但萃取较完全。 稀，但萃取较完全。 (二)多级错流萃取 料液经萃取后的萃余液再用新鲜萃取剂 进行萃取的方法称为多级错流萃取 多级错流萃取。 进行萃取的方法称为多级错流萃取。 多级错流萃取示意图 料 液 入 口 第一级 第二级 第三级 萃余液出口 多级错流萃取流程 萃余率: 萃余率: 1 ?n = ×100% (E1 +1)(E2 +1)?(En +1) n = 理论收率 (E +1) 1 n ×100% (E +1) ?1×100% 1 1??n =1? ×100% = n n (E +1) (E +1) n 红霉素在pH 9.8时的分配系数(醋酸丁酯 水) 时的分配系数( 红霉素在 时的分配系数 醋酸丁酯/水 体积的醋酸丁酯进行单级萃取， 为44.5，若用 体积的醋酸丁酯进行单级萃取，则: ，若用1/2体积的醋酸丁酯进行单级萃取 1/ 2 E = 44.5× = 22.25 1 理论收率 若用1/2体积的醋酸丁酯进行二级错流萃取， 若用 体积的醋酸丁酯进行二级错流萃取，则 体积的醋酸丁酯进行二级错流萃取 1/ 4 E1 = E2 = 44.5× =11.125 1 理论收率 22.25 1 ? ? = 1? ×100% = 95.7% 22.25 +1 (11.125 +1)2 ?1 ×100% = 99.32% 1? ? = (11.125 +1)(11.125 +1) 由此可见， 当萃取剂用量相同时， 二级萃取收 由此可见 ， 当萃取剂用量相同时 ， 率比单级萃取收率要高。 也就是说， 率比单级萃取收率要高 。 也就是说 ， 在萃取剂 用量一定的情况下， 萃取次数越多， 用量一定的情况下 ， 萃取次数越多 ， 则萃取越 完全。 完全。 多级错流萃取流程的特点 : 每级均加新鲜溶剂， 多级错流萃取流程的 特点: 每级均加新鲜溶剂 ， 特点 故溶剂消耗量大， 故溶剂消耗量大 ， 得到的萃取液产物平均浓度 较稀，但萃取较完全。 较稀，但萃取较完全。 (三)多级逆流萃取 在第一级中加入料液( ) 在第一级中加入料液(F)，萃余液顺 序作为后一级的料液， 序作为后一级的料液 ， 而在最后一级加入 萃取剂( ) 萃取剂(S)，萃取液顺序作为前一级的萃 取剂。 取剂 。 由于料液移动的方向和萃取剂移动 的方向相反，故称为逆流萃取。 的方向相反，故称为逆流萃取。 此法与错流萃取相比，萃取剂耗量较少， 此法与错流萃取相比，萃取剂耗量较少， 因而萃取液平均浓度较高。 因而萃取液平均浓度较高。 多级逆流萃取示意图 青霉素的多级逆流萃取 青霉素发酵过滤液进入第一级萃取罐， 青霉素发酵过滤液进入第一级萃取罐，在此与从第二级分离器来的萃 取相(含产品青霉素)混合萃取，然后流入第一级分离器分成上下层， 取相(含产品青霉素)混合萃取，然后流入第一级分离器分成上下层，上 层为萃取相，富含目的产物，送去蒸馏回收溶剂和产物进一步精制; 层为萃取相，富含目的产物，送去蒸馏回收溶剂和产物进一步精制;下一 层为萃余相，含目的产物浓度比新鲜料液低得多，送第二级萃取; 层为萃余相，含目的产物浓度比新鲜料液低得多，送第二级萃取;如此经 三级萃取后，最后一级的萃余相作为废液排走。 三级萃取后，最后一级的萃余相作为废液排走。 多级逆流萃取流程 多级逆流萃取流程的特点: 多级逆流萃取流程的特点:料液走向和萃取剂走向 相反，只在最后一级中加入萃取剂，萃取剂消耗少， 相反，只在最后一级中加入萃取剂，萃取剂消耗少， 萃取液产物平均浓度高，产物收率较高。 萃取液产物平均浓度高，产物收率较高。 工业上多采用多级逆流萃取流程。 工业上多采用多级逆流萃取流程。 n级萃取后，萃余率为: 级萃取后，萃余率为: 级萃取后 E ?1 = E n+1 1 ×100% n+1 理论收率为 E ?1 E ?E 1?? =1? n+1 ×100% = n+1 ×100% E ?1 E ?1 青霉素在0? 时的分配系数( 青霉素在 ?和pH2.5时的分配系数(醋 时的分配系数 酸丁酯/水 酸丁酯 水)为35，若用 体积的醋酸丁酯进 ，若用1/4体积的醋酸丁酯进 行二级逆流萃取， 行二级逆流萃取， 则: n=2，理论收率 = ， 2+1 1/ 4 E = 35× = 8.75 1 (8.75) ? 8.75 ×100% = 98.84% 1? ? = 2+1 (8.75) ?1 若改为二级错流萃取，第一级用 体积 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， 体积的醋酸丁酯， 的醋酸丁酯，第二级用 体积的醋酸丁酯 则 1/ 4 E1 = 35 × 1/10 8.75 = E2 = 35× 1 = 3.5 1 1 1? ? = 1 ? ×100% = 97.72% (8.75 +1)(3.5 +1) 二、混合设备的计算 (一)平衡时出口浓度 上式假设混合罐内两液相间达到完全平衡。 上式假设混合罐内两液相间达到完全平衡。 (二)实际出口浓度计算 实际情况下， 由于混合时间的限制， 实际情况下， 由于混合时间的限制， 加之 罐中存在着返混、 死角及短路情况， 罐中存在着返混、 死角及短路情况， 两液相间 不可能达到平衡， 因此， 不可能达到平衡， 因此， 应由以下校正 后的公式求得: 后的公式求得: 即 一般定义体积小的相为分散相， 分散相 (一般定义体积小的相为分散相， 体 积大的相为连续相) 积大的相为连续相) 液滴直径 可由下式 求得: 求得: 所以， 萃取相浓度、 萃余相浓度为: 所以， 萃取相浓度、 萃余相浓度为: 萃取因数: 萃取因数: 产物得率: 产物得率: 三、离心分离机中分界面的计算 设离心机的角速度为ω， 质量为dm的液体在 设离心机的角速度为 ， 质量为 的液体在 半径r处所受到的离心力为 处所受到的离心力为: 半径 处所受到的离心力为: 且 此处h为离心机转筒高度。 此处 为离心机转筒高度。 为离心机转筒高度 于是， 于是， 处回转面上所受压强为: 在r处回转面上所受压强为: 处回转面上所受压强为 则对轻液相，上式积分为: 则对轻液相，上式积分为: 对重液相，上式积分为: 对重液相，上式积分为: 其中p 分别为出口处轻液相、 其中 1、p2分别为出口处轻液相、 重液相内 界面压强， 由于出口与大气相通， 界面压强， 由于出口与大气相通， 则 p1 = p2 =大气压强。 大气压强。 大气压强 因此， 因此， 即 结论: 结论: 由上式可见， 由上式可见，离心机中的分界半径与两液相间 的密度差及两液相的出口半径有关， 的密度差及两液相的出口半径有关，当ρL、 ρH 不变时， 及轻液相出口半径 rL不变时，则分界半径 rS 仅 随重液相出口半径r 而变。 随重液相出口半径 H而变。 增大时， 也随之增大，即分界半径向外移， 当rH增大时，rS也随之增大，即分界半径向外移， 使转筒内重液层变薄，有利于轻液相的分离。 使转筒内重液层变薄，有利于轻液相的分离。 反之，减小 也随之减小，分界半径内移， 反之，减小rH，则rS也随之减小，分界半径内移， 使重液层变厚而有利于重液相的分离。 使重液层变厚而有利于重液相的分离。 第3节 溶剂回收(略) 节 溶剂回收( 一、单组分溶剂的回收 简单蒸馏 或精馏 二、低浓度溶剂的回收 先简单蒸馏,后精馏 先简单蒸馏 后精馏 精馏:塔底102?，塔顶 ?，蒸馏物为 精馏:塔底 ? 塔顶91? 恒沸混和物，含水量为28%-29%，超过 恒沸混和物，含水量为 ， 水在醋酸丁酯中溶解度( ? 水在醋酸丁酯中溶解度(20?，1.4%)。 )。 三、回收与水部分互溶并形成恒沸 混合物的溶剂 简单蒸馏 和精馏 四、回收完全互溶的混合溶剂并不形 成恒沸混合物 如丙酮-丁醇混和溶剂， 如丙酮 丁醇混和溶剂，由于其沸点相差较大 丁醇混和溶剂 丙酮沸点为56.1?，丁醇沸点为 (丙酮沸点为 ? 丁醇沸点为117.4?)， ? 采用精馏方法很易得到纯组分。 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， 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， 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。 和溶剂的比例，再添加不足的溶剂使达到要求。 THANK YOU!