呼和浩特职业学院教案首页 课 题第四章萃取分离技术 授课时间 3.25,3.30 授课对象 2013级生物技术及应用1、2班 授课学时 4 1.了解萃取分离的基本概念 教学目的2.熟悉萃取分离方法及其应用 3.掌握影响有机溶剂萃取分离的因素 教学重点 萃取分离方法及影响有机溶剂萃取分离的因素 教学难点 萃取原理，双水相系统 教学方法 举例子，归纳法，图示法，视频法，提问法，作业法等 (一)组织教学：点名、检查学生的出勤情况(5min) (二)以学生上学期实训项目-花青素的提取，提问花青 教学步骤素是怎样从紫土豆转移到5%柠檬酸的？导入新课：萃取技 及 术室什么？如何操作，有哪些注意事项(15min) 内容提要 (三)开始讲解（萃取原理，方法，特点，设备）(150min》 (四)小结与思考题(8min) (五)结束本次，学生讨论(2min) 备注
呼和浩特职业学院教案首页 课 题 第四章 萃取分离技术 授课时间 3.25,3.30 授课对象 2013 级生物技术及应用 1、2 班 授课学时 4 教学目的 1．了解萃取分离的基本概念 2．熟悉萃取分离方法及其应用 3．掌握影响有机溶剂萃取分离的因素 教学重点 萃取分离方法及影响有机溶剂萃取分离的因素 教学难点 萃取原理，双水相系统 教学方法 举例子，归纳法，图示法，视频法，提问法，作业法等 教学步骤 及 内容提要 （一）组织教学:点名、检查学生的出勤情况（5min） （二）以学生上学期实训项目-花青素的提取，提问花青 素是怎样从紫土豆转移到 5%柠檬酸的？导入新课:萃取技 术室什么？如何操作，有哪些注意事项（15 min） （三）开始讲解（萃取原理，方法，特点，设备）（150 min） （四）小结与思考题（8 min） （五）结束本次，学生讨论（2 min） 备注
导入新课 教学提示 复习回忆一一学生上学期实训项目“花青素的提取过程”，提问5%柠檬 酸的作用？ 提问法 答：花青素从紫土豆转移到溶液中。 带着问题：萃取如何操作，有哪些注意事项？ 讲授本次课内容： 第四章萃取分离技术 第一节基本概念 一、萃取 萃取是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操 作，一相为流体，一般称该流体为萃取剂。以液体为萃取剂时，如果含有目 标产物的原料也为液体，则称此操作为液液萃取：如果含有目标产物的原料 为固体，则称此操作为液固萃取或浸取。以超临界流体为萃取剂时，含有目 副板书 标产的原料可以是液体，也可以是固体，称此操作为超临界流体萃取。 二、物理萃取和化学萃取 物理萃取即溶质根据相似相溶的原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与 溶质之间不发生化学反应。例如，利用乙酸丁酯发酵液中的青霉素即属于物 理萃取。化学萃取则利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复 合分子实现溶质向有机相的分配。萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交 结合天然 换和络合反应等。例如，利用季铵盐（如氯化三辛基甲铵记作R+C)为萃取药物化学 剂萃取氨基酸时，阴离子氨基酸(A)通过与萃取剂在水相和萃取相间发生 中的萃取 离子交换反应而进入萃取相。 原理来学 化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂， 改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。 物理萃取广泛应用于石油化工和抗生素及天然植物中有效成分的提取过程， 而化学萃取主要用于金属的提取，也可用于氢基酸、抗生素和有机酸等生物 产物的分离回收。 第二节萃取分离方法及其应用 一、有机溶剂萃取 (一)概念 液一液萃取是利用溶质在两个互不混溶的溶剂中溶解度的差异将溶质从 ·个溶剂相向另一个溶剂相转移的操作。 (二)影响液一液萃取的因素 很重要。因为在水溶液中某些酸、碱物质会解离，在萃取时改变了分配 系数，直接影响提取效率。所以萃取具有酸、碱基团的物质时，酸性物质在 酸性条件下萃取，碱性物质在碱性条件下萃取，对氨基酸等两性电解质，则 采用pH值在等电点时进行提取较好。 2
2 导入新课: 复习回忆——学生上学期实训项目“花青素的提取过程”，提问 5%柠檬 酸的作用？ 答：花青素从紫土豆转移到溶液中。 带着问题：萃取如何操作，有哪些注意事项 ？ 讲授本次课内容： 第四章 萃取分离技术 第一节 基本概念 一、萃取 萃取是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操 作，一相为流体，一般称该流体为萃取剂。以液体为萃取剂时，如果含有目 标产物的原料也为液体，则称此操作为液液萃取；如果含有目标产物的原料 为固体，则称此操作为液固萃取或浸取。以超临界流体为萃取剂时，含有目 标产的原料可以是液体，也可以是固体，称此操作为超临界流体萃取。 二、物理萃取和化学萃取 物理萃取即溶质根据相似相溶的原理在两相间达到分配平衡，萃取剂与 溶质之间不发生化学反应。例如，利用乙酸丁酯 发酵液中的青霉素即属于物 理萃取。化学萃取则利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复 合分子实现溶质向有机相的分配。萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交 换和络合反应等。例如，利用季铵盐（如氯化三辛基甲铵记作 R+Cl-）为萃取 剂萃取氨基酸时，阴离子氨基酸（A-）通过与萃取剂在水相和萃取相间发生 离子交换反应而进入萃取相。 化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂， 改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂。 物理萃取广泛应用于石油化工和抗生素及天然植物中有效成分的提取过程， 而化学萃取主要用于金属的提取，也可用于氨基酸、抗生素和有机酸等生物 产物的分离回收。 第二节 萃取分离方法及其应用 一、有机溶剂萃取 （一）概念 液一液萃取是利用溶质在两个互不混溶的溶剂中溶解度的差异将溶质从 一个溶剂相向另一个溶剂相转移的操作。 （二）影响液一液萃取的因素 很重要。因为在水溶液中某些酸、碱物质会解离，在萃取时改变了分配 系数，直接影响提取效率。所以萃取具有酸、碱基团的物质时，酸性物质在 酸性条件下萃取，碱性物质在碱性条件下萃取，对氨基酸等两性电解质，则 采用 pH 值在等电点时进行提取较好。 教学提示 提问法 副板书 结合天然 药物化学 中的萃取 原理来学 习
影响液一液萃取的因素主要有目的物在两相的分配比（分配系数K)和教学提示 有机溶剂的用量等。分配系数K值增大，提取效率也增大，萃取就易于进行 完全。当K值较小时，可以适当增加有机溶剂用量来提高萃取率，但有机溶 剂用量增加会增加后处理的工作量，因此在实际工作中，常常采取分次加入 溶剂，连续多次提取来提高萃取率。 (三)溶剂萃取的注意事项： 1、pH在萃取操作中正确选择pH值 2、盐析加入中性盐如硫酸按，氯化钠等可以使一些生化物质溶解度减 少，这种现象称作盐析。在提取液中加入中性盐，可以促使生化物质转入有 机相从而提高萃取率。盐析作用也能减少有机溶剂在水中的溶解度，使提取 副板书 液中的水分含量减少。 3、温度温度升高可使生化物质不稳定，又易使有机溶剂挥发，所以 般在室温或低温下进行萃取操作。 副板书 4、乳化液一液萃取时，常发生乳化作用，使有机溶济与水相分层困难。 结合天然 去乳化的常用方法有：过滤与离心：轻轻搅动：改变两相的比例：加热：加 药物化学 电解质（氯化钠、氢氧化钠、盐酸及高价离子等）：加吸附剂（如碳酸钙）等。 的相关知 (四)液一液萃取时溶剂的选择要注意以下几点： 识来学习 1、选用的溶剂必须具有较高选择性，各种溶质在所选的溶剂中之分配系 数差异愈大愈好。 副板书 2、选用的溶剂，在萃取后，溶质与溶剂要容易分离与回收。 3、两种溶剂的密度相差不大时，易形成乳化，不利于萃取液的分离，选 用溶剂时应注意。 4、要选用无毒，不易燃烧的价廉易得的溶剂。 二、双水相萃取 重点内容 (一)简介 不同高分子化合物的溶液相互混合可形成两相或多相系统，如葡聚糖与 聚乙二醇(PEG)按一定比例与水混合后，溶液先呈浑浊状态，待静置平衡 后，逐渐分成互不相溶的两相，上相富含PEG,下相富含葡聚糖，许多高分 子混合物的水溶液都可以形成类似的多相系统。 早在1896年，就已观察到这种双水相现象，将明胶与琼脂或与可溶性淀粉的 溶液混合后，形成的胶化乳浊液可分成两相，上相含有大部分琼脂或可溶性 淀粉，而大量的胶则聚集于下相。这种利用物质在互不相溶的两水相间分配 系数的差异来进行萃取的方法为双水相萃取法。 副板书
3 影响液一液萃取的因素主要有目的物在两相的分配比（分配系数 K）和 有机溶剂的用量等。分配系数 K 值增大，提取效率也增大，萃取就易于进行 完全。当 K 值较小时，可以适当增加有机溶剂用量来提高萃取率，但有机溶 剂用量增加会增加后处理的工作量，因此在实际工作中，常常采取分次加入 溶剂，连续多次提取来提高萃取率。 （三）溶剂萃取的注意事项： 1、pH 在萃取操作中正确选择 pH 值 2、盐析 加入中性盐如硫酸按，氯化钠等可以使一些生化物质溶解度减 少，这种现象称作盐析。在提取液中加入中性盐，可以促使生化物质转入有 机相从而提高萃取率。盐析作用也能减少有机溶剂在水中的溶解度，使提取 液中的水分含量减少。 3、温度 温度升高可使生化物质不稳定，又易使有机溶剂挥发，所以一 般在室温或低温下进行萃取操作。 4、乳化 液一液萃取时，常发生乳化作用，使有机溶济与水相分层困难。 去乳化的常用方法有：过滤与离心；轻轻搅动；改变两相的比例；加热；加 电解质（氯化钠、氢氧化钠、盐酸及高价离子等）；加吸附剂（如碳酸钙）等。 （四）液一液萃取时溶剂的选择要注意以下几点： 1、选用的溶剂必须具有较高选择性，各种溶质在所选的溶剂中之分配系 数差异愈大愈好。 2、选用的溶剂，在萃取后，溶质与溶剂要容易分离与回收。 3、两种溶剂的密度相差不大时，易形成乳化，不利于萃取液的分离，选 用溶剂时应注意。 4、要选用无毒，不易燃烧的价廉易得的溶剂。 二、双水相萃取 （一）简介 不同高分子化合物的溶液相互混合可形成两相或多相系统，如葡聚糖与 聚乙二醇（PEG）按一定比例与水混合后，溶液先呈浑浊状态，待静置平衡 后，逐渐分成互不相溶的两相，上相富含 PEG，下相富含葡聚糖，许多高分 子混合物的水溶液都可以形成类似的多相系统。 早在 1896 年，就已观察到这种双水相现象，将明胶与琼脂或与可溶性淀粉的 溶液混合后，形成的胶化乳浊液可分成两相，上相含有大部分琼脂或可溶性 淀粉，而大量的胶则聚集于下相。这种利用物质在互不相溶的两水相间分配 系数的差异来进行萃取的方法为双水相萃取法。 教学提示 副板书 副板书 结合天然 药物化学 的相关知 识来学习 副板书 重点内容 副板书
教学 (二)双水相萃取原理 提 当两种高聚物水溶液相互混合时，二者之间的相互作用可以分为3类： ①)互不相溶，形成两个水相： 副板书 ②复合凝聚，也形成两个水相，但两种高聚物都分配于一相，另一相几 乎全部为溶剂水： ③完全互溶，形成均相的高聚物水溶液。 离子型高聚物和非离子型高聚物都能形成双水相系统。根据高聚物之间 的作用方式不同，两种高聚物间可以产生相互排斥作用而分别富集于上、下 两相，即互不相容：或者立生相互引力而聚集于同一相，即复合凝聚。 高聚物与低分子量化合物之间也可形成双水相系统，如PEG与硫酸氨或 硫酸镁水溶液的双水相系统中，上相富含PEG,下相富含无机盐。溶质在两水 相间的分配主要由其表面性质所决定，通过在两相间的选择性分配而得到分 副板书 离。分配能力的大小可用分配系数K来表示。 分配系数K与溶质的浓度和相体积比无关，它主要取决于相系统的性质， 被萃取物质的表面性质和温度。 在双水相萃取系统中，悬浮粒子与其周围物质具有复杂的相互作用，如 氢键、离子键疏水作用等，同时，还包括一些其他较弱的作用力，很难预计 哪一种作用占优势。但在两相之间，净作用力一般会存在差异。 分配系统由多种因素决定，如粒子大小、疏水性、表面电荷、粒子或大 分子的构象等。 这些因素微小的变化可导致分配系数较大的变化，因而双水相萃取有较 好的选择性。 双水相系统中，数子的分配由两种相后的趋势所决定，一种是粒子的拭 运动，即布朗运动，它使粒子在整个相系统中均匀分配：另一种是作用于粒 子的界面张力，它使粒子分配不均匀，并使系统的能量最低。界面自由能是 粒子位置的函数。两种表面性质相反的粒子，它们能各自趋向于不同的相而 提问：何 得到分离，而且粒子越大，分离越完全。 谓分配系 数，它的 的意义何 在？ 4
4 （二）双水相萃取原理 当两种高聚物水溶液相互混合时，二者之间的相互作用可以分为 3 类： ①互不相溶，形成两个水相； ②复合凝聚，也形成两个水相，但两种高聚物都分配于一相，另一相几 乎全部为溶剂水； ③完全互溶，形成均相的高聚物水溶液。 离子型高聚物和非离子型高聚物都能形成双水相系统。根据高聚物之间 的作用方式不同，两种高聚物间可以产生相互排斥作用而分别富集于上、下 两相，即互不相溶；或者产生相互引力而聚集于同一相，即复合凝聚。 高聚物与低分子量化合物之间也可形成双水相系统，如 PEG 与硫酸氨或 硫酸镁水溶液的双水相系统中，上相富含 PEG,下相富含无机盐。溶质在两水 相间的分配主要由其表面性质所决定，通过在两相间的选择性分配而得到分 离。分配能力的大小可用分配系数 K 来表示。 分配系数 K 与溶质的浓度和相体积比无关，它主要取决于相系统的性质、 被萃取物质的表面性质和温度。 在双水相萃取系统中，悬浮粒子与其周围物质具有复杂的相互作用，如 氢键、离子键疏水作用等，同时，还包括一些其他较弱的作用力，很难预计 哪一种作用占优势。但在两相之间，净作用力一般会存在差异。 分配系统由多种因素决定，如粒子大小、疏水性、表面电荷、粒子或大 分子的构象等． 这些因素微小的变化可导致分配系数较大的变化，因而双水相萃取有较 好的选择性。 双水相系统中，粒子的分配由两种相反的趋势所决定，一种是粒子的热 运动，即布朗运动，它使粒子在整个相系统中均匀分配；另一种是作用于粒 子的界面张力，它使粒子分配不均匀，并使系统的能量最低。界面自由能是 粒子位置的函数。两种表面性质相反的粒子，它们能各自趋向于不同的相而 得到分离，而且粒子越大，分离越完全。 教学 提示 副板书 副板书 提问：何 谓分配系 数，它的 的意义何 在？
教学提 (三)影响双水相苹取的因素 示 形成相系统的高聚物分子景和化学性质、被分配物质的大小和化学性丽 副板书 对双水相萃取效果都有直接的影响。粒子的表面暴露在外，与相组分相互接 触，因而它的分配行为主要依赖其表面性质。盐离子在两相间具有不同的亲 和力，由此形成的道南电位对带电分子或粒子的分配具有很大的影响。 影响双水相萃取的因素很复杂，很难找到一种统一的标准来设计分离工 艺或解释萃取效果的差异，但同时也表明双水相萃取技术可用于很多产品的 分离纯化。 (四)双水相萃取的应用 双水相系统形成的两相均是水溶液，双水相萃取技术特别适用于生物大分 副板书 子和细胞粒子的提取，如动植物细胞、微生物细胞、病毒、叶绿体、线粒体 细胞膜、蛋白质及核酸等 三、超临界流体萃取技术 (一)简介 超临界流体萃取技术是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即 副板书 利用压力和温度变化影响超临界流体溶解不同物质能力而进行分离的方法。 在超临界状态下，超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性 大小、沸点高低和分子量大小不同的成分依次萃取出来。不同压力范用萃取 提问：何 得到的产物不是单一的，通过控制条件可以得到最佳比例的混合成分，然后 为超临界 借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基 流体？ 本析出，从而达到分离提纯的目的，实际上超临界流体萃取工艺过程是由萃 取工序和分离工序组合而成的。 (二)技术原理 1.超临界流体 副板书 超临界流体是物质介于气体和液体之间的一种特殊的聚集状态。任何物 质都有一个所谓临界温度(T。),当其气体的温度超过临界温度后，不管再施 加多大的压力都不能使其变为液体，即临界温度是气体能够液化的最高温度。 对任何纯净化合物都存在这种被称为“超临界”状态的过渡状态：温度低于 实用性较 临界温度(T。)时，液态和气态共存：温度高于(T。)时，则只存在一相即 强，要求 “超临界”流体状态。 学生掌握 2.超临界流体的性质特点 当气体的温度超过其临界温度，压力超过临界压力之后，物质的聚集状 态就介于气态和液态之间，成为超临界流体。超临界流体兼有气体和液体的 双重特性：如其教度较小，扩散能力和渗透能力都较大，这些性质接近于气 体：其密度较大，溶解溶质（包括固体和液体）的能力较大，又接近于液体 两者性质的结合使其具有良好的溶解特性和传质特性
5 （三）影晌双水相苹取的因素 形成相系统的高聚物分子量和化学性质、被分配物质的大小和化学性质 对双水相萃取效果都有直接的影响。粒子的表面暴露在外，与相组分相互接 触，因而它的分配行为主要依赖其表面性质。盐离子在两相间具有不同的亲 和力，由此形成的道南电位对带电分子或粒子的分配具有很大的影响。 影响双水相萃取的因素很复杂，很难找到一种统一的标准来设计分离工 艺或解释萃取效果的差异，但同时也表明双水相萃取技术可用于很多产品的 分离纯化。 （四）双水相萃取的应用 双水相系统形成的两相均是水溶液，双水相萃取技术特别适用于生物大分 子和细胞粒子的提取，如动植物细胞、微生物细胞、病毒、叶绿体、线粒体、 细胞膜、蛋白质及核酸等． 三、超临界流体萃取技术 （一）简介 超临界流体萃取技术是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即 利用压力和温度变化影响超临界流体溶解不同物质能力而进行分离的方法。 在超临界状态下，超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性 大小、沸点高低和分子量大小不同的成分依次萃取出来。不同压力范围萃取 得到的产物不是单一的，通过控制条件可以得到最佳比例的混合成分，然后 借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基 本析出，从而达到分离提纯的目的，实际上超临界流体萃取工艺过程是由萃 取工序和分离工序组合而成的。 （二）技术原理 1．超临界流体 超临界流体是物质介于气体和液体之间的一种特殊的聚集状态。任何物 质都有一个所谓临界温度（Tc ），当其气体的温度超过临界温度后，不管再施 加多大的压力都不能使其变为液体，即临界温度是气体能够液化的最高温度。 对任何纯净化合物都存在这种被称为“超临界”状态的过渡状态：温度低于 临界温度（Tc ）时，液态和气态共存；温度高于（Tc ）时，则只存在一相即 “超临界”流体状态。 2．超临界流体的性质特点 当气体的温度超过其临界温度，压力超过临界压力之后，物质的聚集状 态就介于气态和液态之间，成为超临界流体。超临界流体兼有气体和液体的 双重特性：如其教度较小，扩散能力和渗透能力都较大，这些性质接近于气 体：其密度较大，溶解溶质（包括固体和液体）的能力较大，又接近于液体。 两者性质的结合使其具有良好的溶解特性和传质特性， 教学提 示 副板书 副板书 副板书 提问：何 为超临界 流体？ 副板书 实用性较 强，要求 学生掌握
教学提示 且在临界点附近这种特性对压力和温度的变化非常敏感，表现为温度不 变条件下，溶解度随密度（或压力）的增加而增加，而在压力不变时，温度 增加情况下，溶解度有可能增加或下降。 这些特性决定了超临界流体是一种变化极大的溶剂：超临界状态下，溶 解性能极佳：压缩气体状态下，溶解性能则非常差。 3.常用超临界流体 (1)二氧化碳(co2)在诸多超临界溶剂中，co2的显著特性引起了人们的注 重点 意。它的合适的临界参数(T=31℃，p=7.38MPa),便于在室温和可操作的 压力下（从8~20MPa)的操作。CO2的另一个优点是无毒、非燃性和天然 性。©2己成为在生物技术制药业应用超临界流体萃取技术时优先选择的优良 溶剂，可以在接近室温状态下萃取提取生物活性成分，并能够防止加热处理 对活性药物成分的分解作用及传统萃取工艺中残留有机溶剂的化学危害。 (2)合成溶剂的应用在任何一种场合，纯CO2溶剂粉末都是有限的，只有低 极限（低氧化）的化合物在一定程度上被溶解，且在许多情况下，超临界流 体对复合物、特别是化学结构或分子量非常接近或相似的化合物的提取也是 不充分的。长期以来，为改善c,的性质进行了大量的研究工作，由添加一种 至多种合成溶剂，以提高溶剂产出量或流体优选性能。 压力 固定 液体 超临界流体 气体 温度 6
6 且在临界点附近这种特性对压力和温度的变化非常敏感，表现为温度不 变条件下，溶解度随密度（或压力）的增加而增加，而在压力不变时，温度 增加情况下，溶解度有可能增加或下降。 这些特性决定了超临界流体是一种变化极大的溶剂：超临界状态下，溶 解性能极佳;压缩气体状态下，溶解性能则非常差。 3．常用超临界流体 (1)二氧化碳（co2）在诸多超临界溶剂中，co2 的显著特性引起了人们的注 意。它的合适的临界参数（Tc=31℃，pc= 7. 38 MPa），便于在室温和可操作的 压力下（从 8～20ＭＰa）的操作。CO2 的另一个优点是无毒、非燃性和天然 性。co2 已成为在生物技术制药业应用超临界流体萃取技术时优先选择的优良 溶剂，可以在接近室温状态下萃取提取生物活性成分，并能够防止加热处理 对活性药物成分的分解作用及传统萃取工艺中残留有机溶剂的化学危害。 (2)合成溶剂的应用在任何一种场合，纯 CO2 溶剂粉末都是有限的，只有低 极限（低氧化）的化合物在一定程度上被溶解，且在许多情况下，超临界流 体对复合物、特别是化学结构或分子量非常接近或相似的化合物的提取也是 不充分的。长期以来，为改善 co2 的性质进行了大量的研究工作，由添加一种 至多种合成溶剂，以提高溶剂产出量或流体优选性能。 教学提示 重点