摘 要 萃取是在两个液相间进行。大部分萃取采用一个是水相。另 一个是有机相。但有机相易使蛋白质等生物活性物质变性。最近， 发现有一些高分子水溶液（如分子量从几千到几万的聚乙二醇硫 酸盐水溶液）可以分为两个水相，蛋白质在两个水相中的溶解度 有很大的差别。故可以利用双水相萃取过程分离蛋白质等溶于水 的生物产品。 例如用聚乙二醇（PEG Mr 为 6000 ）/磷酸钾系统从 大肠杆菌匀浆中提取 β-半乳糖苷酶。这是一个很有前途的新的 离方法，特别适用于生物工程得出的产品的分离。 萃取技术是一种分离技术，主要用于物质的分离和提纯，这里 将介绍几种常用的萃取技术，有溶剂萃取、双水相萃取、凝胶萃取 三种，本文将分别从它们的原理、过程及应用三方面介绍，这些技 术广泛应用于分析化学、原子能、冶金、电子、环境保护、生物化 学和医药等领域。 关键字 溶剂萃取 双水相萃取 凝胶萃取 原理 过程 应用 1 目 录 摘要 1 目录 2 一、 溶剂萃取 3 1 原理 3 2 过程 5 3 应用 5 二、 双水相萃取 6 1 原理 6 2 过程 7 3 应用 8 三、 凝胶萃取 8 1 原理 8 2 过程 10 3 应用 11 参考文献 11 2 第一章溶剂萃取 利用在两个互不相溶的液相中各种组分（包括目的产物）溶解 度的不同，从而达到分离的目的。溶剂对需分离组分有较高的溶解 能力，分离过程纯属物理过程。 溶质：被萃取的物质 原溶剂：原先溶解溶质的溶剂 萃取剂：加入的第三组分 萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大的溶解度 1、原理 溶剂萃取法也称液—液萃取法，简称萃取法。萃取法由有机相 和水相相互混合，水相中要分离出的物质进入有机相后，再靠两相 质量密度不同将两相分开。有机相一般由三种物质组成，即萃取剂、 稀释剂、溶剂。有时还要在萃取剂中加入一些调节剂，以使萃取剂 的性能更好。从氰化物溶液中萃取有色金属氰络物一般用高分子有 机胺类，如氯化三烷基甲胺（ N263）、稀释剂为高碳醇、溶剂是磺 化煤油。水相即是要处理的废水。 溶剂萃取 利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分 配系数的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中。 经过反复多次萃取，将绝大部分的化合物提取出来。 分配定律是萃取方法理论的主要依据，物质对不同的溶剂有 着不同的溶解度。同时，在两种互不相溶的溶剂中，加入某种可 溶性的物质时，它能分别溶解于两种溶剂中，实验证明，在一定 温度下，该化合物与此两种溶剂不发生分解、电解、缔合和溶剂 化等作用时，此化合物在两液层中之比是一个定值。不论所加物 质的量是多少，都是如此。用公式表示。 CA/CB=K CA.CB 分别表示一种化合物在两种互不相溶地溶剂中的摩尔浓度。 K是一个常数，称为“分配系数”。 有机化合物在有机溶剂中一般比在水中溶解度大。用有机溶 剂提取溶解于水的化合物是萃取的典型实例。在萃取时，若在溶 解度，常可提高萃取效果。 3 要把所需要的水溶液中加入一定量的电解质（如氯化钠） ，利 用“盐析效应”以降低有机物和萃取溶剂在水溶液中的化合物从溶 液中完全萃取出来，通常萃取一次是不够的，必须重复萃取数次。 利用分配定律的关系，可以算出经过萃取后化合物的剩余量。 设：V 为原溶液的体积 w0 为萃取前化合物的总量 w1 为萃取一次后化合物的剩余量 w2 为萃取二次后化合物的剩余量 w3 为萃取n 次后化合物的剩余量 S 为萃取溶液的体积 经一次萃取，原溶液中该化合物的浓度为 w1/V ；而萃取溶剂中该 化合物的浓度为(w0-w1)/S ；两者之比等于 K ，即： w1/V =K w1=w0 KV (w0-w1)/S KV+S 同理，经二次萃取后，则有 w2/V =K 即 (w1-w2)/S w2=w1 KV =w0 KV KV+S KV+S 因此，经n 次提取后: wn=w0 ( KV ) KV+S 单级萃取：使含溶质的溶液（h ）和萃取剂（L ）解出混合，静 止后分成两层。 多级萃取：是工业生产最常用的萃取流程，分离效率高，产品 回收率高，溶剂用量少。 当用一定量溶剂时，希望在水中的剩余量越少越好。而上式 KV/(KV+S) 总是小于 1，所以 n 越大，wn 就越小。也就是说把溶 剂分成数次作多次萃取比用全部量的溶剂作一次萃取为好。但应 该注意，上面的公式适用于几乎和水不相溶地溶剂，例如苯，四 氯化碳等。而与水有少量互溶地溶剂等，上面公式只是近似 的。但还是可以定性地指出预期的结果。 水相与一完全或部分不相溶的有机相密切接触后，水相中的 溶质转入有机相，并在两相中重新分配的过程。由于它能有效地 从含量很低的铀矿浸出液中分离、富集和提纯原子能工业中应用 的铀。 分配比、萃取率和分离系数 物质 M 在水相和有机相之间的重 新分配服从能斯脱(Nernst) 分配定律，即在一定温度下： Kd ＝[M]0/[M] 4 [M]0、[M]分别表示平衡时溶质在水相和有机相中的浓度， Kd 为 分配系数。当含有溶质的两相溶液接近于理想溶液，且溶质在两 相中的分子状态相同，温度一定时， Kd为常数。 2、过程 溶剂萃取的工艺过程，除了萃取和反萃取这两个主要工序以外， 还包括负载有机相的洗涤和贫有机相再生两个工序。 由有机萃取剂、添加剂和有机溶剂（稀释剂）组成的有机相，从溶 液（或矿浆）中萃取铀，萃余水相在回收有机相后尾弃；负载铀的 有机相采用洗涤剂，通过洗涤去除部分杂质；然后用反萃取剂把铀 转入水相，得到反萃取成品液，用于制备铀化合物产品。如果反萃 取过程中还有部分杂质留在有机相中，需要采用其它试剂（再生剂） 使这些杂质转入水相，同时使有机相再生，达到可以返回萃取的目 的。萃取-洗涤-反萃取-再生-萃取，加上从水相中回收有机相，这 就是溶剂萃取工艺的全部过程。每个具体的工艺流程，可以根据实 际情况的需要，决定采用全部或部分工序。 3、应用 萃取剂在使用过程中，有机相必须能够再生和反复使用，才 有工业应用的价值。溶于水相的溶质与有机溶剂接触后，经过物 理或化学作用，部分或几乎全部转移到有机相的过程。又称液液 萃取。是一种分离技术，主要用于物质的分离和提纯，具有装置 简单、操作容易的特点，既能用来分离、提纯大量物质，更适合 于微量或痕量 物质的分离、富集，广泛应用于分析化学、原子能、 冶金、电子、环境保护、生物化学和医药等领域。 溶剂萃取法广泛地应用于冶金和化工行业中。在黄金行业中， 用溶剂萃取法提取纯金、银已有许多研究，在国外，其成熟技术已 经工业应用多年。用萃取法从含氰废水中提取铜、锌的研究也多有 报导。 5 在我国，1997 年由清华大学和山东省莱州黄金冶炼厂合作完成 了萃取法从氰化贫液中分离铜的工业试验，取得了较好的效果。 第二章双水相萃取 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。 1、原理 某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可以形成 两相，并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统 （aqueous two-phase system,ATPS ）。利用亲水性高分子聚合 物的水溶液可形成双水相的性质， Albertsson 于 20 世纪 50 年代 后期开发了双水相萃取法（ aqueous two-phase extraction ）， 又称双水相分配法。20 世纪 70 年代,科学家又发展了双水相萃取 在生物分离过程中的应用，为蛋白质特别是胞内蛋白质的分离和 纯化开辟了新的途径。 双水相萃取的聚合物不相容性：根据热力学第二定律，混合 是熵增过程可以自发进行，但分子间存在相互作用力，这种分子 间作用力随相对分子质量增大而增大。当两种高分子聚合物之间 存在相互排斥作用时，由于相对分子质量较大的分子间的排斥作 用与混合熵相比占主导地位，即一种聚合物分子的周围将聚集同 种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚 合物的两相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚 合物的不相溶性。 可形成双水相的双聚合物体系很多，如聚乙二醇（ PEG ）/葡 聚糖（Dx ）,聚丙二醇/聚乙二醇，甲基纤维素 /葡聚糖。双水相萃 取中采用的双聚合物系统是 PEG/Dx ，该双水相的上相富含 PEG ， 下相富含 Dx 。另外，聚合物与无机盐的混合溶液也可以形成双水 相，例如，PEG/磷酸钾（KPi ）、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用 于双水相萃取。PEG/无机盐系统的上相富含 PEG,下相富含无机盐。 生物分子的分配系数取决与溶质于双水相系统间的各种相互作 用，其中主要有静电作用、疏水作用和生物亲和作用。因此，分 配系数是各种相互作用的和。 6 2、过程 双水相的形成 （1）如两种聚合物间存在强的吸引力，则它们结合后存在于一相中； 如两种聚合物间有斥力，即某种分子希望在它周围的分子是同种分 子而不是异种分子，达到平衡后会形成两相，两种聚合物分处一相。 （2）加入盐分，由于盐析作用，聚合物与盐类溶液也能形成两相。 双水相体系 聚合物的不相溶性：当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作 用时，由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程 的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子 而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两 相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相 溶性。 双水相中的分配平衡：（1）与溶剂萃取相同，溶质在双水相中 的分配系数也用 m=c/c表示。 2 1 c c （2）为简便起见，用 和 分别表示平衡状态下下相和上相中溶 1 2 质的总浓度。 7 要成功地运用两水相萃取胞内酶，应满足下列条件： ①欲提取的酶和细胞应分配在不同的相中； ②酶的分配系数应足够大，使在一定的相体积比时，经过一次萃 取，就能得到高的收率； ③两相用离心机很容易分离。 3、应用 双水相萃取自发现以来，无论在理论上还是实践上都有很大的 发展。在最近几年中更为突出。双水相萃取技术已广泛应用于生物 化学、细胞生物学、生物化工和食品化工等领域，并取得了许多成 功的范例，在若干生物工艺过程中得到了应用，其中最重要的领域 是蛋白质的分离和纯化，其应用举例如表所示。 双水相萃取技术可用于多种生活活性物质的分离和纯化，见下表： 分离物质 举 体系 分配系数 收率﹪ 酶 过氧化氢酶的分离 PEG\dextran 2.95 81 核酸 分离有活性核酸DNA PEG\dextran 生长素 人生长激素的纯化 PEG\盐 6.4 60 病毒 脊髓病毒和线病毒纯化 PEG\NaDS 90 干扰素 分离干扰素 PEG-磷酸酯\盐 630 97 细胞组织 分离含有胆碱受体的细胞 三甲胺-PEG\dextran 3.64 57 注：PEG为聚乙二醇；dextran为葡聚糖。 此外双水相还可用于稀有金属／贵金属分离，传统的稀有金属 ／贵金属溶剂萃取方法存在着溶剂污染环境，对人体有害，运行成 本高，工艺复杂等缺点。双水相技术萃取技术引入到该领域，无疑 是金属分离的一种新技术。 第三章凝胶萃取 1、原理 凝胶——是一种高分子胶体微粒的聚合物。微粒经交联键合形 成三维网络并与溶剂分子组成的体系。凝胶具有敏感的自我调节能 力，受外界影响能发生溶胀和体积收缩。凝胶萃取即利用凝胶的这 一特性。凝胶既不是液体，也有别于固体物质，能产生明显的变形 8 和溶胀。凝胶受到外界环境的pH 值、温度、电场变化、离子强度等 因素的影响，体积发生变化。低温时，大分子溶液中的凝胶能大量 吸收水分而膨胀，使溶液得到浓缩；温度升高后，凝胶能释放出所 吸的水分而收缩，可重新使用。 萃取用凝胶的要求：在一定温度下不溶解、不熔融、不污染溶 液，溶胀量大，溶胀和收缩块，易与溶液分离及再生，强度大，寿 命长等。 凝胶的相变温度指凝胶的临界温度Tc。 T＜ Tc 时，凝胶随着温度的下降而急剧膨胀 T＞ Tc 时，凝胶随着温度的上升而急剧收缩 Tc 与凝胶的结构、侧基的种类等因素有关。 凝胶的溶胀与收缩机理： （1）凝胶是由具有弹性的交联高分子组成的三维网络。 （2）在纯水中，带有负电荷的聚合物链由于斥力作用而呈伸展状态， 体积大大膨胀； （3）在盐溶液中，带正电荷的盐离子中和了聚合物链上的负电荷， 使斥力消失，凝胶由伸展变为蜷缩，体积大大缩小。 因此，凝胶具有在水中膨胀而在盐溶液中收缩的特性。利用此特性 可进行萃取。 引起凝胶体积变化的因素有：pH 值、温度、电场效应、溶液组 成、金属离子浓度等。 凝胶的性质与它的网络结构及网络所包含的溶剂的性质密切相关： a 溶剂与聚合物长链的亲和性越好，凝胶的溶胀能力越大； b 聚合物链上交联点的数量越少，溶胀能力也越大。 凝胶的筛分作用： （1）凝胶由于其网络结构内部存在着孔隙，对液体中的大小分子有 筛分的作用。 (2)原理：凝胶进入溶液后，小分子溶质能进入凝胶内部并占据着 孔隙，中等分子也能进入网络内部的大小适中的孔隙，而大分子溶 质仍留在溶液中。因此凝胶作固相萃取剂时，用于分离溶液中大小 不同的分子。 凝胶萃取有三种典型工艺： （1）pH 值敏感凝胶萃取 含-COOH、-NH 等基团的聚电解质，可随溶液 pH 值的变化而解 4 9 离出氢离子，凝胶内外溶液的离子强度发生改变，破坏了凝胶内的 氢键，使交联点减少，凝胶溶胀，孔径变大。 （2）温度明凝胶萃取 温敏性凝胶含有一定比例的疏/亲水基团，温度的改变引起基团 的相互作用和氢键的变化，从而使凝胶结构和体积发生改变。 （3）电敏性凝胶萃取 只要凝胶网络上带有电荷，在直流电场下均会发生凝胶的电收缩。 即： –带正电荷时，在电场下，水分从阳极放出； –带负电荷时，在电池下，水分从阴极放出。 此电收缩是可逆的，重新吸水后，凝胶可再次膨胀。 实验证明，在电场中，中性水合凝胶完全不会收缩；阴离子型凝胶 在阴极附近有轻微收缩，在阳极附近有明显收缩；阳离子型凝胶则 正好相反；凝胶的电收缩率与电流的大小成正比。 2、过程 萃取用凝胶的膨胀特性，常受到一些因素的强烈作用和调节， 其中主要的是 PH 值和温度，因此将凝胶萃取分为 PH 值敏感型和温 度敏感型两类。 A PH 值敏感型凝胶萃取 （1）凝胶投入某一PH 值的溶液并发生膨胀； （2）滤去膨胀的凝胶的浓缩液； （3）凝胶加酸调节PH 值，皱缩再生。见下图： 浓液 ↑ 加入溶剂 溶胀 → → 干树脂 凝胶 溶胀平衡 （回收凝胶） ↑ ∣ 冲洗 ∣ ↓加酸 收缩 收缩平衡 ← 酸度控制 ∣ 回收溶剂 ↓ 酸敏凝胶萃取循环步骤 10 B 温度敏感型凝胶萃取 凝胶溶液 原 料 → → 浓液分离 →浓缩产品 溶液浓缩 ∣ ∣ ∣ 冷却 加热 恒温 ∣ ∣ 溶剂或水← 清液分离 ← 凝胶收缩 39-45 度 温敏凝胶萃取循环步骤 对萃取分离用凝胶的要求： (1)溶胀量大，再生容易； (2)溶胀与皱缩过程要快，与溶液分离容易； (3)对溶质的吸收选择性要高； (4)强度好，使用寿命长； (5)不溶解也不熔融、不污染溶液。 3、应用 由于凝胶萃取具有耗能小，萃取剂易再生，设备及操作简单， 对物料分子不存在机械剪贴或热力破坏等优点，故适用于从稀溶液 中提取有机物或生物制品，如淀粉脱水，发酵液中抗生素的提取以 及遗传工程蛋白质的提取等，还可能在一定程度上替代膜分离和凝 胶层析等过程。 A 对牛血清、蓝葡聚糖、碱性蛋白酶以及某些激素等溶液进行浓缩 B 对牛血清蛋白和牛血红蛋白的分离 C 糖引起凝胶系统膨胀和收缩 参考文献 [1] 严希康.生化分离技术 .上海：华东理工大学出版社， 1996. 19~53 [2] 孙彦．生物分离工程[M]．北京：化学工业出版社．1998．64 [3]江咏，李晓玺，李琳，胡松青.双水相萃取技术的研究进展及应 用.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510610 [4]琳东强．朱自强．姚善泾．生化分离过程的新探索——双水相分 配与相关技术的集成[J]．化工学报，2000，51(1)：1—6． [4] 孙彦.生物分离工程.1998 [5] 百度文库.溶剂萃取手册 11 [6] 马荣骏. 溶剂萃取在湿法冶金中的应用. 北京：冶金工业出版 社, 1979. [7] 杨伯和. 有机萃取剂体系中的离子交换. 北京：冶金工业出版 社, 1993. 27~53. [8] 百度课件.第五章，萃取分离. [9] 百度文库课件.萃取. [10] Albertsson

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