食品工程原理張秋亮食品大分子結構與功能特性研究室Tel:Email:第十一章萃取

第一節(jié)液—液萃取第二節(jié)浸取第三節(jié)超臨界流體萃取學習目的與要求

掌握液-液萃取基本原理和過程，掌握浸取基本原理、流程，了解其簡單設備，了解超臨界流體萃取基本原理和應用。萃取(extraction)：利用溶質在互不相溶的兩相之間分配系數(shù)的不同而使溶質得到純化或濃縮的單元操作。液—液萃取液—固萃取超臨界流體萃取第一節(jié)液-液萃取

液—液萃?。河靡后w溶劑萃取與之不互溶的液體中的組分

萃取相平衡萃取平衡：在一定的萃取體系及操作條件下，溶質在兩相間所具有的平衡分配關系。液—液萃取至少涉及三個組分，通常用等腰直角三角形或等邊三角形表示三組分相圖。液-液萃取的基本原理ABC等邊三角形相圖XBXCXAM0.20.40.60.80.20.40.60.80.20.40.60.8三角形的三個頂點分別表示A、B、C三純組分。A-B、A-C、B-C表示兩組份的混合物（質量分數(shù)或摩爾分數(shù)表示）。混合物的物系點距哪個頂點近表明該組分所占的比例大。三組分相圖等腰直角三角形XB=1-XA-XC三組分相圖也可以用直角三角形相圖來表示其坐標圖的性質與等邊三角形相圖相同三角相圖常用的性質：平行線上各點所對應的組分濃度相同某點引出的直線上另兩組份的含量比一定一對組分部分互溶的三相圖溶質A完全溶于B及C，但B與C部分互溶單相區(qū)單相區(qū):曲線R0R1PE1E0之外兩相區(qū):曲線R0R1PE1E0之內物系點M，平衡時兩相為R1、E1共混相兩個概念：聯(lián)結線、褶點杠桿規(guī)則(leverrule)單級平衡萃取單級平衡萃取流程

單級平衡萃取計算由物料衡算可知：根據(jù)杠桿規(guī)則有：確定M點位置，則共軛點Ri，Ei在通過M的聯(lián)結線上，由物料衡算可知：溶質概念識記

在一定溫度下，當萃取體系達到平衡時，被萃取組分A在萃取相的質量分數(shù)yA和在萃余相中的質量分數(shù)xA之比，稱為組分A的分配比(distributionratio)，又稱為分配系數(shù)，用KA表示

；分配比一定條件下同一萃取體系內兩組分分配系數(shù)的比值，稱為分離因素(separationfactor)，又稱選擇性系數(shù)，常用β表示：分離因素β越大，A和B間的分離效果越好

萃取率萃取的完全程度可用E來表示，它是被萃取物質在萃取相的量與原料液中的總量比，其計算公式：非連續(xù)接觸萃取連續(xù)接觸萃取逐級萃取過程微分逆流萃取萃取液-液萃取過程液-液萃取過程一般主要分為兩類：逐級萃取若干單級萃取設備以一定的方式連接起來，構成多級萃取流程，主要有兩種形式：多級錯流萃取多級逆流萃取多級錯流萃取

優(yōu)缺點：萃取率高，但溶劑消耗量大、回收費用高。根據(jù)第1級溶質A的物料衡算：可得第1級萃取的操作線方程：式中，B——原料液中組分B的質量，kg；

S——萃取劑中組分C的質量，kg；XF，YS——原料液和萃取劑中溶質A的質量比；X1，Y1——第1級萃余相和萃取相中溶質A的質量比。多級錯流萃取物料衡算多級逆流萃取

優(yōu)缺點：溶劑消耗量小、萃取液濃度高、但萃取率較低。多級逆流萃取物料衡算在第1級和第i級之間作溶質A的物料衡算得：為多級逆流萃取的操作線方程式：式中，Yi+1——進入第i級萃取相中溶質A的質量比，kgA/kgS；

Xi——離開第i級萃余相中溶質A的質量比，kgA/kgB；

Y1——最終萃取相中溶質A的質量比，kgA/kgS；

S——純萃取劑的量，kg；

B——原料液中原溶劑的量，kg；XF——原料液中溶質A的質量比，kgA/kgB。逐級萃取設備混合—澄清槽

優(yōu)點：結構簡單，操作方便，穩(wěn)定可靠，傳質效率高（一般高于80%）；缺點：設備占地面積大，能量消耗較大，設備費和操作費都較高。篩板萃取塔

特點：結構簡單，價格低廉，占地面積較小，混合的湍動程度低，級效率較低。篩板萃取塔的結構與篩板蒸餾塔相似4.篩孔板5.降液管微分逆流萃取過程另一類塔式或柱式萃取設備也有廣泛的應用輕相和重相分別由塔底和塔頂加入，在密度差的作用下兩者呈逆流流動，連續(xù)接觸進行質量傳遞。由于兩相的濃度在操作過程中沿塔高成微分變化，故稱為微分逆流萃取微分傳質單元

假設原溶劑B和萃取劑S完全不互溶，萃余相的溶劑流量B和萃取相的溶劑流量S皆為常量。兩相濃度分別用摩爾比X和Y表示。對微分塔段dH，有:式中，NA——溶質A的萃取傳質通量，mol/（ｍ2·s）;av——單位體積有效傳質界面面積，ｍ2/ｍ3；A——塔的橫截面積，m2。下面僅依萃余相濃度變化加以討論。由穩(wěn)態(tài)相間傳質方程：及上兩式，可得：

式中，KR——以萃余相濃度為基準的總傳質系數(shù)，mol/(ｍ2·s)；X*——與萃取相濃度Y平衡的萃余相濃度。對上式積分，得：式中，H——萃取塔的有效塔高，m。傳質單元高度為：傳質單元數(shù)為：填料萃取塔

填料萃取塔的結構與吸收和蒸餾使用的填料塔基本相同。特點：結構簡單，操作方便，適合處理腐蝕性物料。POD離心萃取器

了解一下大豆第二節(jié)浸取浸取屬于液—固萃取，又稱為提取、浸提。傳統(tǒng)的加工方法廣泛的應用重要的操作單元花生油菜籽浸取的基本原理浸取平衡平衡級：假定物料F中的不溶性多孔惰性固體B中含有不被B吸附的溶質A，溶質A的量低于其在浸取溶劑S的飽和溶解度。物料與溶劑經過足夠長的時間接觸后，溶質A溶解，且經擴散使固體空隙中液體濃度等于周圍液體的濃度。此時，固體空隙內液體和周圍液體的溶質A濃度都不再隨接觸時間的延長而變化，這種接觸級稱為平衡級，或稱理想級。浸取操作一般在浸取器中進行。右圖為一單級浸取器。送入的原料液F0包含惰性固體B和可溶部分F（溶質A及其它）。溢流(overflow)：原料F與浸取溶劑S接觸達一定時間后，由頂部排出的澄清液E1。底流(underflow)：由底部排出的夾帶液體的固體糊狀物W。惰性固體B在混合物中的含量用惰性固體B對溶液的質量比N表示：mB：惰性固體B（kg）mA：溶質A（kg）mS：溶劑S（kg）溶質A、惰性固體B和溶劑S溢流的溶質濃度y為：

底流液中溶質濃度x為：不包括B的量浸取平衡相圖典型的Ponchon-Savarit浸取平衡相圖溢流線與X軸重合物料衡算上圖是一個單級浸取過程總物料衡算：

溶質A衡算：

M—總液流量（A+S）由上式可知：可得到：杠桿規(guī)則溶質AF0MS與R1ME1兩直線交點M根據(jù)進料和溶劑的數(shù)據(jù)，求解E1和R1浸取機理包含多種物理化學過程，機理非常復雜五個步驟：溶劑——固表快溶劑——固孔稍慢溶質——溶劑溶解溶質——固表非穩(wěn)過程溶質——溶劑稍快一些浸取流程和設備浸取流程與液液萃取過程相似，也分為兩類：級式流程連續(xù)流程單級浸取多級浸取錯流逆流微分逆流浸取多級錯流浸取浸取效果好，但溶劑需求量大，回收成本高。浸取流程多級逆流浸取流程多級逆流浸取流程使用溶劑較少，浸取液所含溶質濃度較高。微分逆流浸取流程連續(xù)接觸過程國體物料和溶劑逆向流動重力或輸送設備浸取設備單級浸取罐U型管式浸取器三級逆流固定床浸出系統(tǒng)平轉式浸取器第三節(jié)超臨界流體萃取

超臨界流體萃取(supercriticalfluidExtration，簡稱SCFE)是利用超臨界狀態(tài)的流體具有強的溶解能力而對物質進行提取分離的技術。有著廣泛的應用化工、石油、食品、醫(yī)藥和香料等領域超臨界流體超臨界流體(supercriticalfluid，簡稱SCF)：處于臨界溫度TC和臨界壓力pC以上的一種非凝縮性的高密度流體。超臨界流體萃取原理流體處于超臨界狀態(tài)時，其密度隨流體壓力和溫度的改變發(fā)生十分明顯的變化，而溶質在超臨界流體中的溶解度隨超臨界流體密度的增大而增大?？梢栽谳^高壓力下，使溶質溶解于SCF中，然后，使SCF的壓力降低或者溫度升高，這時，溶解于SCF中的溶質就會因SCF的密度下降，溶解度降低而析出，這樣只需調節(jié)流體的壓力或溫度就實現(xiàn)了物質的提取和分離。流體的臨界點先看一下純流體的三相圖！流體的臨界點常用流體的臨界參量流體臨界溫度TC（℃）臨界壓力pC（MPa）臨界密度ρC（kg/m3）CO231.17.37468NH3132.411.28235C2H632.24.88203C2H49.25.04217C3H896.64.25217C3H691.84.62232C6H6288.94.89302C6H5CH3318.54.11300H2O374.221.76322CO2超臨界相圖目前在SCFE研究和工業(yè)應用中絕大部分采用的是CO2。超臨界CO2優(yōu)點：臨界密度大，易變性臨界溫度低，TC=31.1℃臨界壓力不高，pC=7.37MPa無毒成本低超臨界流體萃取的基本流程超臨界流體萃取流程基本上由萃取階段和分離階段構成。主要過程包括：原料預處理萃取分離二氧化碳增壓和循環(huán)。變壓分離萃取流程變溫分離萃取流程吸附分離萃取流程SCFE根據(jù)采用的分離方法的不同，可以分為3種典型流程：超臨界流體萃取條件的選擇

（1）確定作為萃取溶劑的流體（2）壓力和溫度。（3）溶劑流量操作條件的選擇

夾帶劑的使用夾帶劑又稱為提攜劑，能明顯改變SCF體系的相行為：增大某些在SCF中溶解度很小的物質的溶解度，提高SFE的效率，擴大SFE技術的應用范圍；降低超臨界流體的操作壓力；減少超臨界流體用量，降低投資費和操作費用。常用夾帶劑：甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮超臨界流體萃取在食品中的應用Seetextbook:4