第三章萃取與色譜分離設備詳解演示文稿當前1頁，總共40頁。優選第三章萃取與色譜分離設備當前2頁，總共40頁。萃取分離的特點1、比化學沉淀法分離程度高；

2、比離子交換法選擇性好、傳質快；

3、比蒸餾法能耗低，生產能力大，周期短，連續操作，可以自動化控制；

4、和其他新型分離技術相結合，產生了一系列新型分離技術當前3頁，總共40頁。雙水相萃取的原理聚合物的不相溶性(incompatibility)：當兩種高分子聚合物之間存在相互排斥作用時，由于相對分子質量較大，分子間的相互排斥作用與混合過程的熵增加相比占主導地位，一種聚合物分子的周圍將聚集同種分子而排斥異種分子，當達到平衡時，即形成分別富含不同聚合物的兩相。這種含有聚合物分子的溶液發生分相的現象稱為聚合物的不相容性。當前4頁，總共40頁。采用雙水相萃取時，通常將蛋白質分配在上相（PEG聚乙二醇），細胞碎片分配在下相（鹽）。反過來對相的分離不利，因為當上相固含量高時，分離機的性能會受到影響。在操作時、單位重量相系統中料漿的加入量是一個重要的參數。顯然，料漿的加入量愈多愈經濟，但過量的漿會影響原來聚合物的成相系統，使分配系數降低，結果收率降低。根據經驗，一般每1kg萃取系統處理200～400g濕菌體為宜。當前5頁，總共40頁。兩級雙水相系統萃取酶的流程。

圖兩級雙水相萃取酶的流程

1一細胞懸浮液2一細胞破碎機3一冷卻器4-PEG一鹽貯罐5一混合器6一離心機

7一廢渣相貯罐8一暫存罐9一鹽貯罐10一酶液貯罐當前6頁，總共40頁。單級萃取流程單級萃取只包括一個混合器和一個分離器，如圖2－3－1所示。料液F和溶劑S加入混合器中經接觸達到平衡后，用分離器分離得到萃取液L和萃余液R。設料液體積為VF，溶劑的體積為Vs，則經過萃取后。溶質在萃取相中的濃度為山，在萃余相中的濃度為C2當前7頁，總共40頁。當前8頁，總共40頁。設K-分配系數，即萃取相中溶質濃度與萃余相中溶質濃度的比值；

E—萃取因數(extractionfactor)，即溶質在萃取相中的數量與在萃余相中的數量（重量或摩爾量）的比值；

m—體積濃縮倍數，即料液體積與溶劑體積的比值。

E=mL/H另外，用φ表示萃余分率，則在單級萃取時有當前9頁，總共40頁。多級萃取

當前10頁，總共40頁。萃取設備液一液萃取設備應包括3個部分：混合設備、分離設備和溶劑回收設備。混合設備是真正進行萃取的設備，它要求料液與萃取劑充分混合形成乳濁液，欲分離的生物產品自料液轉入萃取劑中。分離設備是將萃取后形成的萃取相和萃余相進行分離。溶劑回收設備需要把萃取液中的生物產品與萃取溶劑分離并加以回收。當前11頁，總共40頁。混合通常在攪拌罐中進行，也可將料液與萃取劑在管道內以很高速度混合，稱管道萃取，也有利用噴射泵進行渦流混合，稱噴射萃取。分離多采用分離因數較高的離心機，也可將混合與分離同時在一個設備內完成，稱萃取機。大多數生物產品在pH變化較大時不穩定，這就要求混合分離能夠快速進行，其次，由于料液中常含有可溶性蛋白質和糖，萃取過程中會產生乳化現象而影響分離，因此，各種類型的萃取分離塔是不適用的。溶劑回收利用各種蒸餾設備來完成當前12頁，總共40頁。混合設備混合罐的結構類似于帶機械攪拌的密閉式反應罐，如圖2－3－5所示。采用螺旋槳式攪拌器，轉速為400～1000r／min；若用渦輪式攪拌器，轉速為300～600r／min，為防止中心液面下凹，在罐壁設置擋板，罐頂上有萃取劑、料液、調節pH的酸（堿）液及去乳化劑的進口管，底部有排料管。料液在罐內的平均混合停留時間約1～2min。由于攪拌器的作用，罐內幾乎處于全混流狀態，使罐內兩液相的平均濃度與出口濃度近似相等。

當前13頁，總共40頁。混合罐當前14頁，總共40頁。為了加大罐內兩相間的傳質推動力，可用帶有中心孔的圓形水平隔板將混合罐分隔成上下連通的幾個混合室（類似于萃取塔），每個室中都設有攪拌器。這樣只有底部一個室中的混合液濃度與出口濃度相同。除機械攪拌混合罐外，尚有氣流攪拌混合罐，即將壓縮空氣通入料液中，借鼓泡作用進行攪拌，特別適用于化學腐蝕性強的料液，但不適用攪拌揮發性強的料液。當前15頁，總共40頁。混合管當前16頁，總共40頁。a）為器內混合過程，即萃取劑及料液由各自導管進入器內進行混合；（b）、（c）則為兩液相已在器外匯合，后經噴嘴或孔板進入器內，從而加強了湍流程度，提高了萃取效率。噴射式混合柱是一種體積小效率高的混合裝置，特別適用于低黏度、易分散的料液。這種設備投資小，但需要料液在較高的壓力下進入混合器。噴射式混合器的壓力降、吸液量計算可參考有關資料。另外，若兩液相容易混合時，可直接利用離心泵在循環輸送過程中進行混合。當前17頁，總共40頁。級離心萃取機是在一臺設備中裝有兩級或三級混合及分離裝置的逆流萃取設備。圖2是LuwestaEK10007三級逆流離心萃取機的示意圖。分上、中、下三段，下段是第一級混合與分離區，中段是第二級，上段是第三級，每一段的下部都是混合區域，中部是分離區域，上部都是重液相引出區域，新鮮的萃取劑由第三級加入，待萃取料液則由第一級加入，萃取輕液相在第一級引出，萃余液則在第三級引出。操作時轉鼓轉速為4500r／min，料液最大處理量為7m3／h，料液進口壓力5×105Pa，萃取劑進口壓力3×105Pa。當前18頁，總共40頁。連續逆流離心萃取機連續逆流離心萃取機是將萃取劑與料液在逆流情況下進行多次接觸和多次分離的萃取設備。圖1是a－LavalABE－216型離心萃取機的結構。其主要部件為一由11個不同直徑的同心圓筒組成的轉鼓，每個圓筒上均在一端開孔，作為料液和萃取劑流動的通道，由于相鄰筒之間開孔位置上下錯開，使液體上了曲折流動。從中心向外數第4～11筒的外壁上均焊有螺旋形導流板，這樣就使兩個液相的流動路程大為加長，從而延長了兩液相的混合與分離時間，在螺旋形導流板上又開設大小不同的缺口，使螺旋形長通道中形成很多短路，增加了兩液相之間的接觸機會。

當前19頁，總共40頁。操作時，重液相（料液）由底部軸周圍的套管進入轉鼓后，沿螺旋形通道由內向外順次流經各筒，最后由外筒經溢流環到向心泵室被排出。輕液（萃取劑）則由底部的中心管進入轉鼓，流入第十圓筒，從下端進入螺旋報通道，由外向內順次流過各筒，最后從第一筒經出口排出。圖2是ABE－216型離心萃取機液體流向圖。當前20頁，總共40頁。當前21頁，總共40頁。臥式連續逆流離心萃取機

轉鼓水平放置同心圓筒上均勻開有小孔，兩相連續接觸分離轉軸處有空隙，為輕液的澄清區，鼓壁處有空隙，為重液的澄清區輕液進口壓強最高，出口壓強稱為背壓；重液進口壓強應大于背壓，出口壓強常壓要求鼓內輕液多時，可增加背壓。當前22頁，總共40頁。當前23頁，總共40頁。第二節離子交換分離原理及設備當前24頁，總共40頁。一、離子交換與離子交換樹脂1.離子交換反應離子交換分離法是通過試樣離子在離子交換劑（固相）和淋洗液（液相）之間的分配（離子交換）而達到分離的方法。分配過程是一離子交換反應過程。陽離子交換反應：Resin-SO3H+Na+=Resin-SO3Na+H+Resin-SO3Na+H+=Resin-SO3H+Na+陰離子交換反應：Resin-N(CH3)3OH+Cl-=N(CH3)3Cl+OH+Resin-N(CH3)3Cl+OH-=N(CH3)3OH+Cl-當前25頁，總共40頁。2.離子交換樹脂離子交換反應發生在離子交換樹脂上的具有可交換離子的活性基團上。離子交換樹脂是以高分子聚合物為骨架，反應引入活性基團構成。高分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯共聚物小球常見，可引入各種特性的活性基團，使之具有選擇性。Resin-SO3H（氫型）樹脂的酸性最強，其Resin-SO3Na（鈉型）比氫型穩定，商品常為鈉型，使用前用酸淋洗轉型（再生）。陰離子交換樹脂的Cl型穩定。以磷酸基團-PO(OH)2和次磷酸基團-PO(OH)作為活性基團的樹脂具有中等強度的酸性。最多的為732#

離子交換反應是一可逆反應。離子交換樹脂使用后需要進行再生處理當前26頁，總共40頁。弱酸性陽離子交換樹脂

這類樹脂的活性基團有羧基-COOH，酚羥基-OH等，它們的電離程度小，交換性能受溶液pH的影響很大，其交換能力隨溶液pH的增加而提高。在酸性溶液中，這類樹脂幾乎不發生交換反應、對于羧基樹脂，應該在pH>7的溶液中操作，而對于酚羥基樹脂，應使溶液的pH＞9。

和強酸樹脂不同，弱酸樹脂和氫離子結合能力很強，故再生成氫型較容易，耗酸量少。當前27頁，總共40頁。強堿性陰離子交換樹脂

這類樹脂有兩種，一種含三甲胺基稱為強堿I型，另一種含二甲基-b羥基-乙基胺基團，為強堿型。和強酸離子交換相似，活性基團電離程度較強且不受pH變化的影響，在pH1～14范圍內均可使用。這類樹脂成氯型時較羥型穩定，耐熱性也較好，因此，商品大多以氯型出售。I型的堿性比對Ⅱ型強，但再生較困難，Ⅱ型樹脂的穩定性較差。典型的交換反應為RN(CH3)3CI＋NaOH—→RN(CH3)3OH+NaCl當前28頁，總共40頁。弱堿性陰離子交換樹脂

這類樹脂的活性基團有伯胺基團-NH2、仲胺基=NH、叔胺基≡N和吡啶基等。與弱酸陽離子樹脂一樣，交換能力受溶液pH的影響很大，pH越小交換能力越強。故在pH<7的溶液中使用。這類樹脂和OH-結合能力較強，再生成羥型較容易，耗堿量少。當前29頁，總共40頁。離子交換樹脂的理化性能選擇離子交換樹脂時，除具有良好的化學穩定性外，其理化性能有：顆粒度、交換容量、機械強度、膨脹度、含水量、密度、孔結構等。當前30頁，總共40頁。3.離子交換容量離子交換樹脂在交換反應中可交換離子的數目用交換容量表示，單位mmol/g干樹脂。將離子交換樹脂裝入玻璃柱即構成離子交換分離柱，可用來分離干擾離子。當淋洗液為中性水溶液時，干擾離子保留在柱中。離子交換反應是一可逆反應，被交換離子隨淋洗液pH不同而在分離柱中移動，由于不同離子與離子交換樹脂之間的作用力不同，流出分離柱的時間不同而被分離。一般使用的離子交換樹脂的粒度為50-100目。當前31頁，總共40頁。二、離子交換親和力與選擇性系數離子交換分離中的分配系數是組分離子在樹脂上的濃度與在溶液中的濃度之比，對陽離子Mn+，分配系數KP為：當前32頁，總共40頁。分配系數KP反映了離子與樹脂的親和力大小。不同離子對樹脂的親和力大小具有如下規律：(1)稀溶液中，離子電荷越大，親和力越大；(2)相同電荷時，水合半徑越小，親和力越大；當前33頁，總共40頁。(3)多元素陰離子親和力的順序為：SO42->C2O42->I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->Ac->F-(4)H+對強酸性離子交換樹脂的親和力在Na+與Li+之間，離子交換樹脂的酸性越弱，H+與其親和力越大；(5)OH-對強堿性離子交換樹脂的親和力在Ac-與F-之間，離子交換樹脂的堿性越弱，OH-與其親和力越大；當溶液中有多種離子可與樹脂發生交換時：R-A+B+=R-B+A+此反應的平衡常數稱為離子交換的選擇性系數KB/A。當前34頁，總共40頁。三、離子交換分離法的應用1.去離子水的制備實驗室用去離子水及鍋爐用水的軟化。采用串聯的陽離子交換柱和陰離子交換柱。2.干擾組分的分離如測定礦石中的鈾時，為了除去其他金屬離子的干擾，將礦石溶解后處理成0.1mol/L的硫酸溶液，U(VI)形成[UO2(SO4)2]2-或[UO2(SO4)3]4-，在通過強堿性離子交換樹脂時，被留在樹脂上，金屬離子則流出。之后，將其破壞成為UO2+形式洗脫，回收率可達98%

3.痕量組分的富集天然礦石中痕量釷的富集：釷在鹽酸溶液中難以形成穩定的配位離子，保留；共存的稀土則形成穩定的配位離子，被洗脫。當前35頁，總共40頁。離子交換設備根據離子交換的操作方式不同，可分為靜態和動態交換設備兩大類。靜態設備為一帶有攪拌器的反應罐，反應罐僅作靜態交換用，交換后利用沉降、過濾或水力旋風將樹脂分離，然后裝入解吸罐（柱）中