第五章萃取分离nullnull5萃取5.1基本概念（原理） 利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法。至少有一相为液相。null杂质溶质原溶剂萃取剂Light phase（萃取相）Heavy phase（萃余相）null萃取是生物分离中常用的单元操作固液分离分离提取纯 化精 制null选择萃取剂的条件： 1.对原料液中的溶质有尽可能大的溶解度； 2.与原料液互不相溶或微溶。 反萃取：（调节或改变水相的条件）萃取使目标物从水（发酵液）到有机溶剂中，使物质从有机向水重新转移的过程...

　　nullnull5萃取5.1基本概念（原理） 利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法。至少有一相为液相。null杂质溶质原溶剂萃取剂Light phase（萃取相）Heavy phase（萃余相）null萃取是生物分离中常用的单元操作固液分离分离提取纯 化精 制null选择萃取剂的条件： 1.对原料液中的溶质有尽可能大的溶解度； 2.与原料液互不相溶或微溶。 反萃取：（调节或改变水相的条件）萃取使目标物从水（发酵液）到有机溶剂中，使物质从有机向水重新转移的过程，产物从有机溶剂中分离出来。 一般完整的萃取过程都涉及反萃取。null萃取、洗涤和反萃操作过程示意图null萃取机理： 1.物理过程：利用溶剂对需要分离的组分有较高的溶解能力； 2.化学过程：溶剂首先有选择性的与溶质化合或络合，在两相中重新分配。null分配定律 萃取需要通过不同溶质在两相中分配量的差异来达到分离。 分配定律：恒T、恒P下，溶质在互相不溶的两相中达到分配平衡时，分配系数＝y/x。 y:平衡时溶质在轻相（L）中的浓度 x:平衡时溶质在重相（H）中的浓度 轻相：萃取相（有机溶剂）。 重相：萃余相（水或原溶剂）。null简单溶剂萃取的操作 〔1〕水相物理条件（pH、T、Salt）的影响，使溶质发生变化; 〔2〕有机溶剂（萃取剂）的选择。 ①有大的萃取容量，即单位体积的萃取剂能萃取大量产物； ②有良好的选择性，只萃取目标物。null萃取方式 5.2单级萃取（混合－澄清）： 液－液最简单的操作。只需要一个萃取器、分离器和回收器，可间歇或连续操作。溶质与有机溶剂在回收器中完成分离后，溶剂还可用于重新萃取。 使含溶质的溶液（h） 和萃取剂（L）混合，静置后分成两层。null静置分层振荡萃取萃取过程 null5.3多级逆流萃取 多个混合－澄清萃取单元串联，原料液与溶剂分别从两端加入，萃取相与萃余相逆向流动。null5.4微分萃取 在柱式或塔式容器中，重相与轻相采用逆流接触的方式，目标物从一相传到另一相，实现产物分离。 特点：两液相相向连续流过设备，无沉降分离时间，传质未达平衡，适用于两相有较大的密度差。null5.5双水相萃取 又称为水溶液两相分配技术。某些亲水性的高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可以形成两相，并且在两相中水分占据了极大的比例，这称为双水相系统。 离子型和非离子型高聚合物能形成双水相。 高聚物与低分子质量化合物之间也能形成双水相。null两种高聚物的水溶液相互混合时，可产生三种上情况： （1）互不相溶：形成两个水相，两种高的分别富集于上、下相； （2）复合凝聚：也成双水相，但两种聚合物分配于一相，另上相为水； （3）完全互溶：形成均相的高聚物水溶液。null5.5.1双水相的形成 需要有两种亲水成分的非互溶性。在水相中，由于各自分子结构上的不同，聚合物分子倾向于在其周围有相同形状、大小和极性的分子，同时，不同类型分子间的排斥力＞与亲水性有关的吸引力，故聚合物发生分离，形成两相，即聚合物的不相溶性。nullA为PEG/DX; B为PEG/KPInull5.5.2双水相的分配平衡 概念与普通的萃取同。但由于是两相，分配系数决定于溶质与双水相系统间的相互作用。 （1）静电作用：双水相系统常有缓冲液和无机盐等电解质，因此在两相中产生电位，导致溶质在两相分配上的差异，对带电的生物子如蛋白、核酸等的分配有很大影响。 （2）疏水作用：蛋白有疏水性；在双水相中，两种组分的

　　面疏水性差异使各自在系统中产生分配平衡。因此，蛋白受到双水相系统疏水性的影响。null故需要确定萃取蛋白时的双水相系统的疏水性程度。 与成相聚合物的种类、分子量、浓度、添加盐的种类、浓度及pH有关。一般随着聚合物的分子量、浓度及盐的浓度的增大而增大。null5.5.3影响分配平衡的因素 （1）成相聚合物及浓度： 聚合物的分子量对分配系数的影响决定于聚合物的化学性质。在PEG/Dx中，蛋白的分配系数随着Dx相对分子质量的增加而增加；随着PEG相对分子质量的增加而降低。 降低聚合物的相对分子质量，则蛋白容易分配于该聚合物相中。null（2）盐浓度和种类： 见“静电作用”。 注意：多价离子的分配还决定于水溶液的pH值。 盐浓度不要太高（？）。实际离子浓度在0.001－0.1M时，蛋白的分配系数受离子强度的影响很小。 （3）pH：改变蛋白的净电荷。 （4）温度：对临界点附近相的组成影响很大，但一般双水相离临界点较远，影响不大（可在室温下进行萃取？）。null5.5.4双水相系统的应用及优点 应用于蛋白、酶、干扰素、人生长激素等。 优点： （1）双水相系统含水量高，为生物活性物质提供了温和的分离环境； （2）操作简单，易于放大（10ml-1m3），但收率不降低。nullnullnull双水相萃取的工艺

　　1.目的产物的萃取。细胞经破碎后，与PEG和无机盐或葡萄糖在萃取器中混合，再进入离心机分相；选择合适的双水相，通常使目标物在上相（PEG相）；第二步将目标物转入富盐相，形成新的双水相，将目标物与PEG分离； 2.PEG的循环。一是将目标物转入盐相来收集，另一种是将PEG通过离子交换树脂，用洗脱剂洗去PEG，再洗出蛋白质； 3.无机盐的循环。将含磷酸钠的盐相冷却，结晶，然后用离心机分离收集。也可通过电渗析、膜分离等方法。nullnullnullnull5.7 反胶团萃取尽管传统的分离方法(如溶剂萃取技术)已在抗生素等物质的生产中广泛应用，并显示出优良的分离性能，但它却难以应用于蛋白质的提取和分离。主要原因：蛋白质等在40-50℃便不稳定，开始变性，而且绝大多数蛋白质都不溶于有机溶剂，若使蛋白质与有机溶剂接触，也会引起蛋白质的变性。null5.7.1反胶团的基本性质 临界胶团浓度（CMC）的概念。 反胶团：向非极性有机溶剂中加入表面活性剂，当浓度＞一定浓度后，形成反胶团。反胶束溶液是透明的、热力学稳定的系统。其内部可溶解水，称为“水池”或“微水相”。 “水池”：在疏水环境中具有使亲水性的大分子（蛋白质）保持活性。 null反胶团的形成nullnull5.7.2反胶团的溶解作用“水池”可溶解AA、蛋白、核酸等。一旦进入，由于周围水层和极性基团的保护，保持蛋白的天然构型，不会失活。反胶团的溶解作用null常用的表面活性剂及相应的有机溶剂null蛋白进入反胶团的推动力： 5.7.2.1静电相互作用：反胶团萃取一般用离子型表面活性剂，故在萃取体系中，表活与蛋白都是带电的。因此，PH是一个重要因素，可决定蛋白的净电荷。pH=pI，蛋白中性；pH＞pI，蛋白负电荷；pH＜pI，蛋白正电荷。 对阳离子表活形成的体系，萃取发生在水溶液的pH ＞pI时；阴则发生在pH＜pI时。 阳离子表活形成的反胶团内表面带正电荷； 阴……………………………………负电荷。原因null例一：离子型表面活性剂的反离子并不都固定在反胶束表面，对于AOT反胶束，约有30％的反离子处于解离状态，同时，在萃取时，水相中的离子会同蛋白质分子竞争表面活性剂离子，从而降低了蛋白质和表面活性剂的静电作用力。null例二：离子强度(盐浓度)影响蛋白质与表面活性剂极性头之间的静电作用力。由于离解的反离子在表面活性剂极性头附近建立了双电层，称为德拜（Debye）屏蔽，从而缩短了静电吸引力的作用范圈，抑制了蛋白质的萃取，因此在萃取时要尽量避免高盐（即：蛋白溶解度随盐浓度增加而降低）。null5.7.2.2空间相互作用（位阻）在例二中，除静电作用减弱外，还有盐对“水池”的脱水作用。“水池”中的水量随盐增加而减小，反胶团直径减小。实际，“水池”的物理性能（大小、形状）受到含水量（水活度）W0的影响。 研究表明：随着W0减小，蛋白萃取率也减小。说明蛋白与反胶团存在空间相互作用。null5.7.2.3疏水性相互作用见反胶团的溶解作用中图b与d。5.7.3反胶团萃取蛋白步骤萃取过程中，蛋白质在互不相溶的两相间的传递可分为三步：1.蛋白质从水溶液主体扩散到界面；2.在界面形成包容蛋白质的反胶束；3.含有蛋白质的反胶束在有机相中扩散离开界面。 反萃过程与上述相反。反萃比萃取所用时间要长（与传质的类型及机理有关）。null反胶束萃取蛋白质的示意团null5.7.4影响分配平衡的因素（1）有机相助溶剂：作用是促进反胶团的形成，但有最适量； （2）表活和助表活： 表活：增大浓度可增加反胶团的量，从而增大对蛋白的溶解能力。但不宜过大（太大时表活形成复杂的聚集体，加大反萃难度）。 助表活：是为了增加反胶团的含水量（W0增加）。 常用反胶团最大半径6nm，萃取最适相对分子质量＜10万（r=5nm）。null同一离子强度下的四种离子对反胶团的W0null影响反胶束萃取蛋白质的主要因素nullnull反胶团萃取的特点：（1）有很高的萃取率和反应萃取率，具有选择性； （2）分离、浓缩可同时进行，过程简单； （3）成本低、溶剂可反复使用； （4）可解决蛋白质的失活； （5）可直接提取（从细胞中）。null5.7.5浸取用液体提取固体原料中的有效成分。 应用较多： 1.动、植物次生代谢产物（生物碱等）； 2.蛋白等，一般用水； 3.糖类等用水或乙醇、壳聚糖与纤维素用稀碱。null5.8超临界流体萃取是将超临界液流体（SCF）作为萃取溶剂的一种技术。 超临界流体萃取依据：一种溶剂对固体和液体的萃取能力和选择性较之在常温常压条件下有极大的提高。 在美国和欧洲，茶叶处理和脱咖啡因；啤酒花有效成分、香料等－－产业化规模。药物、保健品也有较大进展，美国已用超临界CO2从植物中提取抗癌药物等。 null5.8.1流体性质SCF：临界点上，物质既非液也非气的状态。临界温度：高于此温度，压力不能使气体液化； 临界压力：与临界温度对应的压力。临界点特点：密度接近液体－－萃取能力强； 粘度接近气体－－传质性能好。 常用CO2nullnull5.8.2溶解度溶解度取决于二者分子之间有作用力。随流体密度的增加而增加。 对SCF，密度越大，溶解性越好。 溶解特性： 1.远高于一般液体； 2.随T升高、压力降低而下降，且很敏感；null溶解度C与流体密度的关系： Ln C=m Lnρ+b m、b和萃取剂与溶质的化学性质有关，性质越近，溶解度越大。 实际应用中，压力比密度容易操作。nullnull5.8.3萃取操作影响溶解度主要为：T和P。 1.等温法：调节（降低）压力，降低溶解度； 2.等压法：升高温度，降低溶解度。 3.吸附法：吸附剂对目标物吸附。nullnullnull超临界流体萃取的应用医药工业化学工业食品工业化妆品香料中草药提取 酶，纤维素精制金属离子萃取 烃类分离 共沸物分离 高分子化合物分离植物油脂萃取 酒花萃取 植物色素提取天然香料萃取 化妆品原料提取精制null大型超临界流体萃取装置null5.8.4特点1.萃取能力容易控制； 2.萃取效率高； 3.回收溶剂简单； 4.对CO2，近常温下操作、廉价、无污染等，是一种具有广阔应有前景的“绿色工艺”null作业： 1.萃取、反萃取的概念及机理； 2. 几种萃取方式。 3.双水相的形成及萃取优点。 4.反胶团萃取蛋白的步骤。 5.超临界流体概念及萃取操作，为什么？

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