第四章溶剂萃取

第四章 溶剂萃取

溶剂萃取

 溶剂萃取法是20世纪40年代兴起的一项化工分离技术，它是用一种溶剂将产物自另一种溶剂(如水)中提取出来，达到浓缩和提纯的目的。

 溶剂萃取法比化学沉淀法分离程度高，比离子交换法选择性好，传质快，比蒸馏法能耗低且生产能力大，周期短，便于连续操作、容易实现自动化等。  现已广泛用于抗生素、有机酸、维生素、激素等产物的提取上

新型的萃取技术

 双（两）水相萃取

 反相胶束（胶团）萃取

 超临界萃取

 液膜萃取

溶剂萃取

溶剂萃取：利用物质在互不相溶的两相溶剂中溶解度的不同，将物质从一相溶剂转移到另一相溶剂中，从而进行分离、浓缩和提纯目的产物的方法．

注意: 1、两种溶剂要互不相溶

2、溶质在加入的作萃取的溶剂中的溶

解度比在原溶剂中的溶解度大的多

第一节 溶剂萃取

一、溶剂萃取的理论基础

物质的溶解和相似相溶原理

相似相溶原理

所谓“相似性原理”是指：在没有化学作用的情况下，结构相似的化合物容易互相混溶，而结构差别很大的化合物不容易互相混溶。

一是分子结构相似

二是能量相似

1．极性溶剂（如水）易溶解极性物质（离子晶体、分子晶体中的极性物质如强酸等）；

2．非极性溶剂（如苯、汽油、四氯化碳、酒精等）能溶解非极性物质

3．含有相同官能团的物质互溶，如水中含羟基（—OH）能溶解含有羟基的醇、酚、羧酸。

1. 物质的溶解

1）从能量的角度，说明溶解过程

纯溶质B+纯溶剂A→溶解 △G

△G=△H- T△S

△H=△E+ △（pv）

因为一般溶解过程，pv变化很小S变化也很小，所以△G

热，即考虑体系的能量变化即可说明溶解是否可以进行。

溶解过程

① 溶质B各质点分离：

固态B——单个分子B Q吸1=Q升

液态B——单个分子B Q吸1=Q气

晶体B——离子 Q吸1=Q晶

汽态B——单个分子 Q吸1=0

Q吸1与B质点之间作用力有关

非极

② 溶剂A在溶质B的作用下形成可容纳B质点的空位

Q吸2：溶剂A分子之间作用力大小有关，非极

溶质质点B的大小有关：大，则空穴大，破坏溶剂A之间作用的个数多。

③ 溶质质点B进入溶剂A形成的空位

Q放——溶质B与溶剂A之间的相互作用力有关。

A、B均为非极分子

溶剂化也称溶剂合化，是指一定数目的溶剂分子较牢固地结合在溶质质

点上。若溶剂是水，则称为水（合）化。有溶剂化能力的溶剂称为溶剂

化溶剂。

2）从能量的角度，说明相似相溶原理（分析几种溶解过程）

① 两种情性溶剂（也叫N型溶剂，不能形成氢键的溶剂：苯、烷烃……）互溶。

A吸1、Q吸2均很小，易于由Q放所补偿，因而溶解较好。

② 水向油溶解困难：Q吸1（要克服水分子氢键）大，Q吸2小，Q放不足以

补偿所需吸收能量。非自发。

③ 油向水中溶解难：Q吸1小，但Q吸2大，Q放不能放出足够能量补偿。 ④ 水和乙醇可以溶解：Q吸1大，Q吸2大，Q放很大（溶质、溶剂均为极性

物质，且二者之间可形成很强的氢键）。

2.溶剂的分类和互溶性

作用于液体分子之间的作用力有两种，即范德华引力和氢键。一般来说，氢

键比范德华引力的作用力强。

氢键A—H---B（其中A或B为电负性大而半径小的原子，例如：O、N、F

等）的生成条件是溶剂分子中存在电子供体B或电子受体A—H。因此，有机溶

剂可以按照是否含有A—H或B分为四种类型：

①N型溶剂：不能形成氢键，如烷烃、苯、四氯化碳、二硫化碳、煤油等，称惰

性溶剂；

②A型溶剂：只有电子受体的溶剂A-H，即：受电子溶剂。例如：氯仿、二氯甲

烷、五氯乙烷等含有A—H键的溶剂，能与B型溶剂生成氢键。

一般来说，由于C原子的电负性不够大，C—H键（例如：CH4

中的C—H键）不能与B型溶剂生成氢键。但是，如果C原子上连

接几个Cl原子，由于Cl原子的诱导作用，使C原子的电负性增加，

所以能与B型溶剂生成氢键

③B型溶剂：只有电子供体的溶剂；即：给电子溶剂。例如：醚、酮、醛、酯、

叔胺等含有B原子，能与A型溶剂生成氢键的溶剂。

R—O…H—A R—C＝O…H—A R—N…H—A

④AB型溶剂：具备电子受体A-H和供体B的溶剂，即：给受型电子溶剂。交链

氢键缔合：水、多元酸等。直链氢键缔合：酸、羧酸生成内氢键.

这类溶剂同时具有A—H键和B，可以缔合成多聚分子。

这类溶剂可以分成三类：

（a）AB(1)型溶剂，即：交链氢键缔合溶剂。例如：水、多元醇、胺基取代醇、羟基羧酸、多元羧酸、多酚等。

（b）AB(2)型溶剂，即：直链氢键缔合溶剂。例如：醇、胺、羧酸等。

（c）AB(3)型溶剂，即：生成内氢键的分子。例如：邻位硝基苯酚等。这类溶剂中的受电子基团A—H由于已形成内氢键而不再接受电子，因此AB(3)型溶剂的性质与B型溶剂相似。

两种溶剂混合后生成氢键的数目或强度大于混合前氢键的数目或强度，则有

利于互相混溶，否则不利于互相混溶。具体来说，有以下几种情况：

（1）N型溶剂与AB型溶剂混合，由于不生成氢键，不能互相混溶。例如：作为AB型溶剂的水与作为N型溶剂的苯、四氯化碳或煤油，几乎完全不能混溶。

（2）A型溶剂与B型溶剂混合，在混合前没有氢键，在混合后生成氢键，因此特别有利于完全混溶。例如：作为A型溶剂的氯仿与作为B型溶剂的丙酮、五氯乙烷或环己酮完全混溶。

（3）AB型溶剂与A型溶剂混合，AB型溶剂与B型溶剂混合，AB型溶剂与AB型溶剂混合，由于在混合前后都有氢键，互溶的程度由混合前后氢键的强弱和多少决定。

（4）A型溶剂与A型溶剂混合，B型溶剂与B型溶剂混合，N型溶剂与N型溶剂混合，N型溶剂与A型溶剂混合，N型溶剂与B型溶剂混合，由于在混合前后都没有氢键存在，互溶的程度由混合前后范德华引力的大小决定，即：与溶剂分子的偶极矩和极化率有关。可以利用相似性原理：“结构相似的化合物容易互相混溶，结构差别很大的化合物不易互相混溶”，作为判断互溶性的参考。

（5）生成内氢键的AB(3)型溶剂，行为与AB(1)型溶剂或AB(2)型溶剂不同，而

与N型溶剂或B型溶剂相似

各类溶剂的互溶规律可以用图表示

溶剂的极性

在生物工业上，萃取时依据“相似相溶”原则的量化指标是分子的极性大小，极性相当，则分子间相互作用力相似，作用能相似。

1）介电常数——物质的摩尔极化程度的量度。

c为某物质在电容器二极板间的静电容量

c0为无介质时的同一电容器的电容

1代表标准记，2代表试记。c1、c2、ε1可求出ε2。

萃取剂选择的原则：

根据萃取目标产物的介电常数，寻找极性相接近的溶剂为萃取溶剂。好的溶剂应满足以下要求：

①萃取容量大，单位体积萃取溶剂能萃取大量产物；

②选择性好，只萃取产物而不萃取杂物；

③有利于相的分散和两相分离，与被萃取相互溶度小，且粘度小，界面传力小 ④易回收和再生；

⑤化学致定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；

⑥经济性好，价廉易得；

⑦安全性好，闪点高，对人体无毒或低毒。

溶剂萃取法的基本概念

分配定律与分配系数

在进行萃取的体系是多相多组分体系，根据物理化学中的分配定律，在一定的温度和压力下，当体系达到平衡时，溶质在两相中的浓度比为一常数Ko ,此常数称为分配系数：

KOc1

c2

式中c1、c2分别为溶质在萃取相和萃余中的浓度。Ko为分配系数，他反映了萃

取后，溶质在两相中的分配系数，如果Ko值大，表示萃取后大部分溶质在溶剂相中，反之在水相中。分配系数Ko值可通过实验来求得。

溶剂萃取法的基本概念

在溶剂萃取中，被提取的溶液称为料液，

其中欲提取的物质（产物）称为溶质，

用以萃取的溶剂称为萃取剂。

经接触分离后,大部分溶质转移到萃取剂中，得到的溶液称为萃取液，

而被萃取出溶质的料液称为萃余液。

应用上式的分配定律须符合下列条件：

（1） 必须是稀溶液。

（2） 溶质对溶剂的互溶没有影响。

（3） 溶质在两相中必须为同一种分子类型，即不发生缔合或离解。

如料液中含有溶质A外，还含有溶质B（杂质），由于两者分配系数不同，

则溶质A和溶质B在萃取相和萃余相中的相对含量必然不同。

如果溶质A的分配系数大于溶质B，则萃取相中溶质A的浓度就高于溶质B，

这样溶质A（产物）与溶质B（杂质）就能在一定程度上得到分离。萃取剂对溶质A和溶质B分离能力的大小，可用分离因素β来表示：

c1Ac1B

c2Ac2BKAKB

式中C1A、C1B、C2A、C2B分别表示萃取相和萃余相中溶质A和溶质B的

浓度。由上式可知，分离因素等于两溶质分配系数之比，分离因数愈大，分离提取得效果就越好。

弱电解质的萃取与表观分配系数

很多生物合成药物如青霉素、红霉素等抗生素往往是一些有机酸或有机碱等

弱电解质，他们在水溶液中存在电离平衡，并不遵循前述的分配定律。

在进行萃取时，他们在两相中的分配情况，可以用表观分配系数（K）来表示。 弱酸与弱碱的表观分配系数与分配系数之间，分别存在如下关系

KaKO[H]Kp[H]KbKOKpKp[H]

式中KP为离解常数，Ka、Kb分别为弱酸和弱碱的表观分配系数。

萃取方式和理论收率的计算

萃取过程在工业生产中一般包括3个步骤。

① 混合 将料液和萃取剂在混合液器内充分混合形成乳浊液，使所需产物从料液

中转入萃取剂中；

② 分离 将乳浊液通过离心分离设备分成萃取液和萃取液；

③ 将废溶剂进行回收后循环使用。

根据料液与萃取剂的接触方式，萃取过程可分为单级萃取，多极错流萃取与多极逆流萃取三种方式。

单级萃取

只有一个混合器和一个分离器的萃取，称为单级萃取。料液F和萃取剂S分

别加入混合器中，搅拌均匀，再经分离器分离或萃取液L和萃余液R。

设分配系数为K，料液体积为VF，萃取剂体积为VS经萃取后溶质在萃取液和萃余液中总量（mol）的比，成为萃取因数，以E来表示，则

由E可求得未被萃取的萃余率φ和理论收率（1-φ）：

例如：赤霉素在10C和PH2.5时的分配系数（乙酸乙酯/水）为35，用1/2料

液体积的乙酸乙酯进行单积萃取1次，则

E=35х0.5/1=17.5

理论收率 1-φ=17.5/（17.5+1）=94.59%

这种流程比较简单，由于之萃取1次，一般效率不太高，产物在萃余相中残存

量仍然较多。 EKVSVF

多级错流萃取

多级错流萃取流程是由数个萃取器（由混合器与分离器组成）串联组成，料

液经萃取后的萃余液依次流入下一萃取器用新鲜萃取剂继续萃取，图为三级萃取流程。

经n级萃取后，萃余率φn为

总理论收率为 1-φn

现仍以赤霉素为例：K为35，第一级用料液体积2/5的乙酸乙酯，第二级用1/10体积的乙酸乙酯进行二级错流萃取，则：

萃取因素

总理论收率：

由上可见，当乙酸乙酯总用量为料液体积的1/2时的二级错流萃取的总收率

n1(E11)(E21)(En1)E1352/5114E2351/1013.5111(E11)(E21)11(141)(3.51)1167.598.52%

为98.52%，比前述用相同量乙酸乙酯的单级萃取收率94.59%要高的多。

这种方式由于新鲜溶剂分别加入各级萃取器中，萃取效率高，但与下述多级逆流萃取相比，溶剂用量较大，萃取液中产物的浓度较稀。

其特点是料液与萃取剂分别由两端加入。料液从一端（第一级）进入，连续

通过各级萃取器，从末端（第n级）排出；萃取剂则从末端进入，通过各级萃取器，最后从第一级排出。由于这一萃取过程，溶剂与料液互成逆流接触，故称多级逆流萃取。多极逆流萃取的萃取率和理论收率分别为：

萃余率

理论收率

再以赤霉素为例：K为35，现以料液体积1/4的乙酸乙酯进行二级逆流萃取，则： n=2

理论收得率：

从上述计算可见，上述三种萃取方式中，以逆流萃取收率最高，溶剂用量小，

所以工业生产上普遍采用这种最经济的萃取方式。

1En1n1E1En111En1n1E1EE351/418.75E1E(8.75)38.753(8.75)198.84%

（三） 主要的萃取体系

概念：溶剂萃取体系是由水相和有机相组成的。

①其中有机相被称为萃取剂；

②萃取后的水相称为萃余液，

③被萃入到有机相中的物质称为萃合物。

分类：根据萃合物分子性质的不同，萃取体系可分为螯合物萃取、离子缔合物 萃取和协同萃取等几种类型。

1． 螯合物萃取体系

螯合物萃取是分析化学中应用最广泛的萃取体系，所用的萃取剂为螯合剂。可用做萃取剂的螯合剂与试样中的被萃取金属离子生成四元、五元或六元环状螯合物很稳定，因而萃取灵敏度很高，可用于萃取浓度很低的金属离子，在分离同时达到富集的效果。

离子缔合物萃取体系

离子缔合物萃取是被萃取物和萃取剂两种不同电荷离子缔合而成疏水性中性分子而被有机溶剂萃取

协同萃取体系

当两种或两种以上萃取剂混合物同时萃取某一金属离子或其化合物时，如其分配比显著地大于每一萃取剂在相同浓度下单独使用时的分配比之和，则称这一体系为协同萃取体系。

乳化与去乳化

经过预处理和过滤后的发酵滤液，虽已除去大部分非水溶性杂质和部分水溶性杂质，但仍有一些杂质残留，其中的水溶性蛋白质具有表面活性，在进行萃取时常会引起乳化，使溶剂相与水相难以分层，即使应用离心机往往也不能将两相完全分开。 溶剂相中若夹杂水相，会给后续操作带来困难，而水相中夹带溶剂，则会造成产物的损失。因此，在萃取过程中防止乳化和去乳化是非常重要的步骤。

乳化是一种液体成细小液滴（分散相）分散在另一不相混合的液体（连续相）中的分散体系，生成的这种液体称为乳状液或乳浊液。乳状液一般可分为“水包油（O/W）”和“油包水（W/O）”两种类型，

在发酵液中主要是由蛋白质引起的乳化液为O/W型，其平均粒径在2.5~30μm，这种界面乳状液很稳定，放置数月而不会凝聚。乳状液的消除方法甚多，其中主要有下列几种方法。

（1）加热 升高温度，使蛋白质胶粒絮凝迅速加快，并能降低粘度，促使乳化消除。但此法只适用于非热敏性产物。

（2）加入电解质 本法是利用电解质来中和乳状液分散相所带的电荷而促使其聚沉，同时增加两相的密度差，也便于两相分离。常用的电解质有氯化钠与硫酸铵。

（3）吸附过滤 将乳状液通过铺有一层多孔性介质（碳酸钙或无水碳酸钠）进行过滤，由于乳状液中的溶剂相与水相对此介绍润湿性不同，其中水分被吸附也可引起去乳化作用。

（4）加入去乳化剂 去乳化剂即破乳化剂也是一种表面活性剂，具有相当的表面活性，因此能顶替界面上原来的乳化剂。但由于破乳剂的碳氢链很短，或具有分支结构，不能在相界面上紧密排列成牢固的界面膜，从而使乳状液的稳定性大大降低，达到去乳化的目的。在抗生素生产中常用的去乳化剂有十二烷基磺酸钠（DS）、溴代十五烷吡啶（PPB）及十二烷基三甲基溴化铵（1231）等。

去乳化剂的用量一般为0.01%-0.05%。其中1231目前已用于青霉素的提取，其特点是在破乳离心时，能使蛋白质留在水相底层，相面清晰，不仅去乳化效果好，而且能提高产品质量。

影响溶剂萃取的主要因素

1、pH值 在萃取操作中，正确选择PH值很重要。PH值不但影响弱酸或弱碱性产物的分配系数，也与产物的稳定性有关。所以在选择合适的萃取PH值时，应权衡这两方面的因素来决定。例如青霉素的萃取PH值确定为2.0-2.2，红霉素为PH10-10.2。

2、温度 由于有机溶剂与水之间的互溶度随温度升高而增大，使出萃取效果降低，另一方面产物一般在高温下也不稳定，因此萃取一般应在低温下进行。此外，也要考虑温度对分配系数的影响。

3、盐析作用 氯化钠、硫酸铵等盐析剂的影响有三个方面：

①由于盐析剂与水分子结合导致游离水分减少，降低了产物在水中的溶解度，有利其转入溶剂相中；

②盐析剂能降低有机溶剂在水中的溶解度；

③盐析剂能使萃余相密度增大，有助于相分离。但盐析剂用量要适当，过多会使杂质转入有机溶剂相中。

4、溶剂的选择 选择萃取的有机溶剂应有以下特征：

①对被萃取的物质分配系数要大，对杂质的分离因素要大于1；

②溶剂与料液的互溶度要小；

③化学稳定性高，挥发性小，安全低毒；

④回收处理方便，价廉易得。工业生产上常用于萃取的有机溶剂有乙酸乙、乙酸丁酯、乙酸戊酯、丁醇、甲基异丁酮等。

萃取设备

 液一液萃取设备应包括3个部分：

 混合设备：萃取操作中，用于两液相混合的设备有混合罐、混合管、喷射萃

取器及泵等。

分离设备

溶剂回收设备。

混合设备

1. 混合管

 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，为了保证较

高的萃取效果，料液在管道内应维持足够的停留时间，并使流动呈完全涡流状

态，强迫料液充分混合。

 一般要求 Re=(5~10)×104，流体在管内平均停留时间10～20s。混合管的萃取

效果高于混合罐，且为连续操作。

喷射式混合器

 图为三种常见的喷射式混合器示意图。其中（a）为器内混合过程，即萃取剂

及料液由各自导管进入器内进行混合；

 （b）、（c）则为两液相已在器外汇合，后经喷嘴或孔板进入器内，从而加强了

湍流程度，提高了萃取效率。

 喷射式混合柱是一种体积小效率高的混合装置，特别适用于低黏度、易分散的

料液。这种设备投资小，但需要料液在较高的压力下进入混合器。

管式超速离心机

 管式超速离心机的转速在10000r／min以上，有国产的 GF－105型。管式离

心机具有一长管式转筒，筒底有料液与萃取剂组成的乳浊液进口管，筒顶有轻液溢流环，轻重液出口。

 国产的 GF－105型管式离心机的主要技术特性参数如下：

 转筒内径110mm转筒高度850mm工作体积8L溢流环内径30mm转速

15000rpm最大分离因数13750生产能力1000L／

 1 电机支架

 2 驱动装置

 3 环形堰板

 4 排液管

 5 轻液

 6 重液

 7 转鼓

 8 固体

 9 制动器

 10 机架

 11 液体入口

碟式离心机

常用的液一液分离碟片式离心机有国产的DRY－400型，前西德的OEH－10006及OEP－10006型，美国的DeLayal等。

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