全國高等學校高職高專藥品類專業衛生部“十一五”規劃教材《生物制藥設備》目錄第一節萃取設備

第二節萃取工藝流程第三節離子交換分離設備

第四節色譜分離設備

第七章萃取與色譜分離設備學習目標【學習目的】學習萃取和色譜分離基本知識，培養萃取和色譜分離操作基本技能，為進入分離純化車間工作打下理論和技術基礎。【知識要求】1.了解萃取基本原理，了解色譜分離基本原理；2.熟悉各種萃取設備和色譜分離設備的工作過程；3.掌握萃取、色譜分離設備的結構和性能。【能力要求】1.學會液液萃取設備和色譜分離設備的操作技術；2.熟練應用萃取技術和色譜分離技術進行混合物的分離純化操作。第一節萃取設備一、萃取基本知識（一）萃取過程1.萃取過程

萃取：兩互不相溶的溶劑構成的非均相體系中，組分從一相轉移到另一相的過程。萃取劑：轉移組分的溶劑。萃取液：萃取劑萃取組分后所得溶液。萃余液：被萃取劑萃取后的溶液。2.萃取原理萃取推動力：遵守相似相溶原理，組分在兩溶劑中溶解度之差即為推動力，推動力越大萃取大越容易進行。（二）分配定律在其他條件不變的情況下，萃取過程達到平衡后，萃取液中溶質濃度與萃余液中溶質濃度的比值是常數，這個規律叫分配定律。令原料液體積萃取劑體積組分在萃取液中的摩爾濃度組分在萃余液中的摩爾濃度則K：

分配系數，萃取液中組分濃度與在萃余液中濃度之比值。m：原料液體積與萃取劑體積的比值，又稱濃縮倍數。E：

萃取因數，組分在萃取相中的數量與萃余相中數量之比值。萃取分率

萃取過程完成后，組分在萃余液中的數量與原料液中總數量的比值。組分的回收率在多次萃取過程中，每一次萃取都服從分配定律，且每次萃取過程的分配系數都相同。

所以，隨著萃取次數的增加，殘留在原料體系中的組分越來越少，但無論進行多少次萃取，都不可能將組分從原料體系中徹底萃取出來。在生產中，為降低蒸發溶劑成本，只進行有限次萃取。二、萃取設備（一）混合設備1.機械攪拌式混合罐由罐體、攪拌器和擋板等組成

混合罐的攪拌器通常采用螺旋槳式攪拌器，轉速控制400～1000范圍。2.管式混合器

是一種沒有運動部件的高效混合設備，由分布器、直管和混合單元組成。靜態混合器的結構一定流速的液體在管道中形成湍流，各液體質點的運動方向不規則，進而快速混合。

管式混合器的混合單元，能使液體分散成0.5～的液滴，混合不均勻度系數≤1%，沒有放大效應。3.噴射式混合器

噴射式混合器工作原理與水力噴射泵的相同，結構上相似，但體積小得多，最小型號的擴大管公稱直徑只有10mm。噴射式混合器壓差小，功率低，會使液體稀釋。（二）分離設備工業上常采用離心沉降法分離溶劑萃取體系。碟片式離心機（常規）管式離心機（常規）萃取分離設備（三）常見萃取設備連續逆流萃取機組雙水相萃取機組液液萃取塔三、離心萃取機

液液萃取設備發展很快，逐漸趨向于將混合與分離功能集于一體的方向發展。混合與分離一體化轉鼓式傾析式逆流離心萃取機三相傾析離心機（一）a—LavalABE-216離心萃取機

該離心萃取機的組成部件有轉鼓、圓筒、中心管、傳動軸、輕相進口和出口、重相進出口等。采用強制傳質和強制分離原理。其特點是應用范圍廣泛,可應用于任何兩相比重大于0.1的可分層液體,具有處理能力大,功耗低，運轉平穩，占地面積小和易于清洗維護等優點。（二）三相傾析離心機

三相傾析離心機可同時分離重液、輕液和固體，主要應用于生物技術中。

在重力場中，由輕相、重相液體以及固相顆粒組成的懸浮液靜置后會分為三層，固體顆粒會下沉到容器最底部，最上面為輕相液體，在兩者之間是重相液體。在離心場中，分層過程會更加迅速而徹底。1.工作原理

當懸浮液進入離心機轉鼓并隨轉鼓高速旋轉時，懸浮液中的固體顆粒比重較大，受到的離心力也大，迅速沉降到轉鼓內壁，而液相則被擠向轉鼓中心，其中重相靠近轉鼓壁，輕相靠近轉鼓中心。在三相分離機中，設置了輕相液體和重相液體排出口以及殘渣出口，從而將固相、重相和輕相分離開來。2.結構與特點

三相傾析離心機是具有圓錐形轉鼓的高速離心萃取分離機，它由圓柱－圓錐形轉鼓及螺旋輸送器、差速驅動裝置、進料系統、潤滑系統及底座組成。3.工作過程轉鼓與螺旋輸送器在擺線針形行星宙輪的帶動下，以一定的差轉速同時高速旋轉，形成一個大于重力場數千倍的離心力場。料液從重相進料管進入轉鼓的逆流萃取區后受到離心場的作用，在此與中心管進入的輕相相接觸，迅速完成相之間的物質轉移和液－液固分離，固體渣子沉積于轉鼓內壁，借助于螺旋轉子緩慢推向轉鼓錐端，并連續地排出轉鼓。而萃取液則由轉鼓柱端經調節環進入向心泵室，借助離心泵的壓力排出。重相和輕相相對流動為逆流流動方式

4.操作工藝流程第二節萃取工藝流程混合分離溶劑回收萃取過程一、常用萃取工藝流程（一）單級萃取只進行一次萃取操作的過程叫單級萃取。（二）多級錯流萃取

料液經萃取后，所得萃取液多次與新鮮萃取劑接觸，進行反復萃取操作。

三級錯流萃取過程中，第一級的萃余液作為料液進入第二級，并加入新鮮萃取劑進行萃取。第二級的萃余液再作為第三級的原料液，也同樣用新鮮萃取劑進行萃取，將三級萃取液合并送入貯存罐貯存備用。

在錯流萃取中，隨著萃取的級數增加，萃取液中組分總數量增多，溶劑體積逐級增大，萃取液中組分濃度逐級降低。溶媒消耗量大，后續蒸發濃縮量大，但萃取較完全。（三）多級逆流萃取在多級逆流萃取中，在第一級加入原料液，在第三級加入新鮮萃取劑。在第三級萃取后所得萃取液作為萃取劑進入第二級，第一級的萃余液作為原料液進入第二級，兩股流體混合萃取后，所得萃余液作為原料液進入第三級。而萃取液作為萃取劑進入第一級，在第一級對原料液萃取后，所得萃取液被送入貯罐貯存備用。三級逆流萃取工藝流程

在多級逆流萃取中，只在最后一級中加入萃取劑，故和三級錯流萃取相比，萃取劑的消耗量較少。隨著級數的增加，萃取液中組分的濃度逐級升高。在生物制藥生產中，萃取法具有分離效率高、生產能力大，傳質速度快、生產周期短，便于連續操作、容易實現自動化控制，能量消耗少，設備投資費用不高等系列優點。特別是采用多級萃取可使產品達到較高純度，便于下一步處理，減少以后工序的設備和操作費用。二、雙水相萃取工藝流程（一）雙水相萃取原理

將親水性聚合物加入水中會形成兩相，聚合物在兩相中以不同的比例分配。水分在兩相中的比例約85%～95%，蛋白質等生物大分子在這種溶液體系中保持自然活性。

當兩種聚合物的水溶液混合時，在一定條件下會形成兩相而分層，從而可用來進行萃取操作。這種萃取叫雙水相萃取。常用聚合物構成的雙水相體系：聚乙二醇葡聚糖++聚乙二醇聚乙烯醇+羧甲基纖維素聚乙烯醇聚丙二醇甲氧基聚乙二醇+常用聚合物與無機鹽構成的雙水相體系：聚乙二醇磷酸鉀++聚乙二醇磷酸銨+硫酸鈉聚乙二醇聚乙二醇葡萄糖+

由于雙水相體系不損傷生物大分子的活性，因而可應用于蛋白質、酶、核酸、人生長激素、干擾素等的分離純化。（二）雙水相萃取酶的工藝流程工業上采用兩級雙水相萃取工藝流程。

細胞懸浮液經泵輸送到管式混合器中與PEG的鹽液混合，再用蝶片式離心機或管式離心機分離得萃取液，將萃取液輸送到中間罐中暫存，萃余液進入廢渣貯罐貯存待后續處理。第一級萃取：將中間罐中的萃取液放出并與無機鹽溶液在管式混合器中混合，混合液再次經過蝶片式離心機或管式離心機分離得萃取液，將萃取液打入貯存罐中貯存備用，萃余液進入廢渣貯罐貯存待后續處理。第二級萃取：在雙水相萃取中，PEG的回收采用鹽溶蛋白質和離子交換法，無機鹽的回收采用結晶沉淀法進行。第三節離子交換分離設備一、離子交換樹脂（一）離子交換樹脂1.離子交換樹脂的組成

由聚苯乙烯與二乙烯苯交聯所得多孔網狀高分子有機化合物,其多孔網狀結構上連接了活性基團。連接酸性基團的稱為陽離子交換樹脂，連接堿性基團的稱為陰離子交換樹脂。732強酸型陽離子交換樹脂結構通式717強堿型陰離子交換樹脂結構通式2.離子交換樹脂的性能參數（1）顆粒度0.2～1.2mm之間（2）交換容量

單位體積樹脂可交換的毫摩爾數就是樹脂的體積交換容量，單位（3）含水量單位質量干樹脂所能吸收水分的數量稱為含水量。

離子交換樹脂的含水量一般為0.3～0.7g.（二）離子交換樹脂的工作原理陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂混合使用，則兩種交換過程同時發生，其總反應式為：如果制備去離子水，通過混合柱使交換進行得十分徹底，其出水水質優于陰、陽離子串聯柱，出水電阻率可達，獲得高純度的成品水。二、離子交換樹脂柱（一）常用離子交換樹脂柱1.單樹脂柱

由圓柱形殼體、承重板、水帽、分布器、進水管、出水管、進氣口、反沖水進口管等部件組成。裝填陽離子交換樹脂的柱稱為陽柱裝填陰離子交換樹脂的柱叫陰柱在同一殼體中裝填有陰、陽離子交換樹脂的柱叫混柱。PP玻璃柱不銹鋼玻璃柱不銹鋼樹脂柱2.混合柱

混合柱是用來制備去離子水的樹脂柱，其內裝填有陰離子和陽離子樹脂。混合柱的結構與單柱有所不同，在圓筒形殼體上有上下兩個封頭，上封頭設置有酸堿液進口和反洗水及空氣排出口，中上部設置有純化水進口，中下部開有中排孔。下封頭設計安裝了酸堿液進口、反沖洗水及空氣進口，以及去離子水出口。3.反柱

主體結構和工作過程與常規結構的單樹脂柱相似，只是進料液管延長到樹脂柱底部，料液從底部的分布管中均勻進入樹脂層。混柱離子交換法制純水設備三、離子交換樹脂柱的操作（一）樹脂預處理1.陽離子交換樹脂的預處理飽和氯化鈉1M氫氧化鈉1M鹽酸3BV12小時3BV2～4小時3BV4～8小時2.陰離子樹脂的預處理飽和氯化鈉1M鹽酸1M氫氧化鈉3BV12小時3BV2～4小時3BV4～8小時（二）裝柱

1.干法裝柱

將干的離子交換樹脂緩緩加入柱中，同時輕輕振動色譜柱，使離子交換樹脂松緊一致，樹脂高度一般約為柱內徑的8～10倍。隨后小心沿壁加入洗脫劑，至剛好覆蓋離子交換樹脂頂部平面。

2.濕法裝柱將濕離子交換樹脂加入合適量洗脫劑調成稀糊狀，然后徐徐灌入柱子，讓離子交換樹脂自然沉降。沉降后，樹脂高度一般應在柱內徑的8～10倍范圍。裝柱后樹脂層中不能存留氣泡，不能使樹脂露出水面（三）上樣和洗脫

1.濕法上樣把被分離的組分溶解在少量洗脫劑中，小心加在離子交換樹脂頂部，注意保持離子交換樹脂表面為水平面，上面的液體無湍動現象。

2.干法上樣

在樣平液中加入適量離子交換樹脂，攪拌交換一定時間，收集樹脂裝入樹脂柱。3.洗脫

在樹脂柱中緩緩加入洗脫劑，進行洗脫，各組分則先后被洗出。洗脫液合并后，回收溶劑，得到某單一組分。整個操作過程必須保持樹脂表面的溶液無湍動現象，液面恒定，不流干。（四）陰、陽離子交換樹脂的再生陰、陽離子樹脂的再生操作過程有反沖洗、排出積水、進再生液、置換清洗、正洗等步驟。（五）混合柱的再生混合柱的再生操作包括反洗分層、排除積液、進再生液、置換清洗、混合、正洗等操作步驟，與單柱操作不同的是增加了反洗分層和混合過程。第四節色譜分離設備一、色譜分離法（一）色譜分離原理在色譜分離過程中，固定相和流動相在發生相對移動。在隨流動相流動過程中，如果組分在固定相中分配比例大，則其整體移動速度慢，如果組分在流動相中分配比例大，則組分將隨流動相流動，移動速度快。經過一定時間后，各組分在固定相上移動了不同的距離，從而分離開來。利用各組分物理化學性質的差異，使各組分在固定相和流動相中的分布程度有差別，導致各組分移動速度不同而被分離的過程，稱為色譜分離，又叫層析分離。（二）常見色譜分離法1.按流動相狀態流動相是液體的叫液相色譜，是氣體的叫氣相色譜。2.按作用原理劃分

（1）分配層析利用不同組分在流動相和固定相之間的分配系數不同，使之分離的方法。

（2）離子交換層析利用不同組分對離子交換劑親和力不同的分離方法。

（3）凝膠層析利用不同組分分子大小的不同進行分離的方法