生物工业中，萃取是一个重要的提取方法和分离混合物的单元操作。萃取法是20世纪40年代兴起的一项分离技术，将选定的某种溶剂加入到混合物中，因混合物中的各组分在同种溶剂中的溶解度不同，因此就可将所需提取的组分加以分离出来，这个操作过程叫做萃取。萃取在能源和资源利用、生物和医药工程以及环境工程和高新材料的开发等方面面临着新的机遇和挑战，应用前景广泛，发展潜力巨大。

若萃取的混合物是液体，则此过程是液-液萃取。常用的萃取方法有溶媒萃取法、双水相萃取法和超临界萃取法。若被处理的物料是固体，则此过程称为液-固萃取（也称为提取或浸取），即应用溶液将固体原料中的可溶组分提出来的操作。超临界萃取过程是介于蒸馏和液-液萃取过程之间的分离过程，是利用临界或超临界状态的流体，使被萃取的物质在不同的蒸汽压力下所具有的不同化学亲和力与溶解能力进行分离、纯化的操作。

1 生物工业萃取设备的选用原则

萃取设备的类型较多，对具体的生产过程选择适宜的设备，其原则是首先应满足生产的工艺要求和条件，然后从经济的角度衡量，使成本降低。为此，需要了解过程的特点、物系的性质，再结合设备的优缺点和适用范围进行初选，以经济衡算决定。但是，目前对萃取设备的研究还很不充分，经济衡算所必需的数据尚缺欠，故在选择时往往要和经验联系起来综合考虑。

（1）对于中、小生产能力来说，可用填料塔、脉冲塔；对较大的处理量，可选用转盘塔、筛板塔和往复筛板塔，离心萃取机的处理能力相当大。

（2）所需的平衡级数。当所需的理论级数不多（≤3），各种萃取设备都可满足要求。理论级数较多时，可选筛板塔。再多时，如10～20级，可选用转盘塔、脉冲塔和往复筛板塔等输入机械能量的设备。

（3）物料的理化性状。当两液体间的界面张力大时，液滴难于分散、易于合并，要求输入机械能以改善传质性能；黏度大的物系也有此要求。界面张力小，易于乳化以及密度差很小难于分层的物系，则宜选用离心萃取机，而不宜选用其他输入机械能的设备。

（4）特殊物性的物系。有较强腐蚀性的物系，宜选用结构简单的填料塔、脉冲填料塔，对于放射性元素的提取，脉冲塔和混合-澄清槽用得较多。当物系含固体悬浮物或会产生沉淀时，通常需要周期停工以进行清洗，以混合-澄清槽较为适用；往复筛板塔和脉冲塔具有一定的自动清洗能力，也可考虑；填料塔和离心萃取机则不宜采用。

（5）物料的停留时间。当要求萃取时间短，如抗菌素生产等，以离心萃取机为合适。相反，若要求萃取时间长，如伴有慢速反应的物系，则以混合-澄清槽为合适。

2 生物工业萃取设备的选型

实现组分分离的萃取操作过程由混合、分层、萃取相分离和萃余相分离等组成，工业生产中常见的萃取流程有单级和多级萃取流程。

2.1 液-液萃取设备选用

液-液萃取设备包括混合设备、分离设备和溶剂回收设备。混合设备是进行萃取操作设备，它要求制液与萃取剂充分混合形成乳浊液，欲分离的生物产品自料液中转入萃取剂中，分离设备是将萃取后形成的萃取相和萃余相进行分离。溶剂回收设备需要把萃取液中的生物产品与萃取溶剂分离并加以回收，主要用蒸馏设备完成。

2.1.1 混合设备选用

混合设备可分为三种。一种是搅拌罐式混合器，传统的混合设备的搅拌罐，类似于带机械搅拌器的密闭式反应罐，可用螺旋桨式或涡轮式搅拌器，罐内设置挡板，罐口顶设置加料管，料液在罐内几乎处于全混流状态，使罐内两液相的平均浓度与出口浓度近似相同，其特点是：装置简单，操作方便，但属于间歇操作，生产能力小，传质效率较低；第二种是管式混合器，通常采用混合排管，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，料液应在管道内停留足够的时间，并使流动量完全湍流状态，混合管的萃取效果高于混合罐，且为连续操作；第三种是喷射式混合器，喷射式混合器有多种形式，器内混合、器外混合及混合孔板式。

2.1.2 分离设备选用

料液萃取的分离主要依靠两相液体的密度不同，在离心力的作用下，将液体分离。一般采用分离因数很大的碟片高速离心机和管式超速离心机进行分离操作。

2.1.2.1 碟片式离心机选用

碟片式离心机适于分离乳浊液或含少量固体的乳浊液，其结构分为机械传动装置、转鼓、碟片架、碟片和输送装置等。此类离心机种类较多，有英国Delaval、德国OEH-10006、OEP-10006型以及国产DRY-400型等。下表列出几种离心机的技术特性，可供参考。

2.1.2.2 管式离心机选用

管式离心机是为避免转鼓所受过大压力，保持设备坚固性，同时增加转速，减少了转鼓半径，使转速得以提高。该机转鼓上端设有轻、重液排出口，下端的中空轴与转鼓内腔相通，并通过轴封装置与进料管相连。管式离心机的转鼓直径在200mm以内，一般为70～160mm，其长度与直径之比一般为4～8。转鼓的转速多在10000r/min以上，分离因数可达15000～65000。离心机启动后，料液由进料管进入转鼓底部，在转鼓内从下向上流动的过程中，由于轻、重组分的密度不同而分成内、外两液层。外层为重液，内层为轻液，到达顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。其清液通过轴周围环状挡板环溢流而出，而重液则通过转鼓前端的内径可更换的环状溢流堰外面引出。

特点是结构简单、紧凑，维修方便，但生产能力小；可分离轻重不同互不溶解的混合液，同时亦可以分离含少量微细固体悬浮物的液固系。管式离心机型号有国产GF-105型、1280型，国外有美国Sharpler型等。

2.1.2.3 立式连续逆流离心萃取机选用

立式连续离心萃取机国内外有较多型号，国内生产厂也较多，下表列出二种型号LC-500，ABE-216特性参数，可参考。

如对两种密度差很小液体的萃取分离时，或界面张力很小，而易乳化或黏度很大时，可采用连续式萃取。连续逆流离心萃取机是将萃取剂与料液在逆流情况下进行多次接触和多次分离的萃取设备。

它的主要结构是由11个不同直径的同心圆筒组成的转鼓，圆筒上在一端有开孔，位置上下错开，液体折转上下流动。4～11筒外壁上均焊有螺旋形导流板，使两液相间混合与分离时间延长。操作时料液从底部轴周围的套管进入转鼓，沿螺旋形通道由内向外顺次流经各筒，由外筒经溢流环到向心泵室排出。萃取剂则由底部的中心管进入转鼓，流入第10圆筒，从下端进入螺旋形通道，由外向内顺次流过各筒，从第1筒经出口排出。

2.1.2.4 倾析式离心机选用

倾析式离心机由德国较早研制出来，如英、日等国公司已将其应用生物技术等领域。其特点是可同时分离重液、轻液和固体，它由圆柱-圆锥形转鼓、螺旋输送器、驱动装置和进料系统等组成。该机与卧式螺旋离心机的区别为：在螺旋转子柱的两端分别配制有调节环和分离盘，以调节轻、重相界面，并在轻相出口处配有向心泵，在泵的压力作用下，将轻液排出，进料系统上设有中心套管式进料口，使轻、重液二相均从中心进入，固体沉积于转鼓内壁，借助于螺旋转子缓慢推向转鼓锥端，并连续排出。

2.1.2.5 LUWE型离心萃取器选用

该机是一种立式逐级接触式离心萃取设备，结构上分为三段。下段是 级混合与分离区，中段是第二级，上段是第三级。每一段的下部是混合区域，中部是分离区域，上部是重液相引出区域，新鲜的萃取剂由第三级加入，待萃取料液则由 级加入，萃取轻液相在 级引出，萃取余液则在第三级引出。

LUWE型离心萃取器的优点是：可以靠离心力的作用处理密度差小或易产生乳化现象的物系；设备结构紧凑，占地面积小，效率高。缺点是：动能消耗大，设备费用也较高。

2.2 浸取设备的选用

浸取过程又可称为固-液萃取，是指在一定作用条件下，用浸出溶剂从固体原料中浸出有效成分的过程。浸取过程中，物质由固相转移到液相是一个传质过程。整个过程，固体物料是否需要预处理，物料中溶质是否能快速与溶剂接触，是影响浸取速度的一个重要因素。浸取设备可分为单级与多级，多级按固液流向又可分为错流和逆流。按操作方式又有间歇、半连续和连续之分。浸取操作广泛地应用于生物工业、食品工业、制药工业和冶金工业中，间歇式浸取器使用较少，工业生产多以连续式浸取器为主，下面以连续式浸取器为重点介绍。

2.2.1 半连续浸取设备选用

此类设备为一类固定床固液接触设备，固体原料装填成固定床静止不动，萃取剂以一定流量自上而下流经固体将溶质溶出，萃取液在流动过程中浓度增加，自固定床下部排出，其主要设备为萃取塔，有几种典型设备，即填料萃取塔、转盘萃取塔和搅拌萃取塔等。

2.2.1.1 筛板萃取塔的选用

筛板萃取塔的结构与气液传质设备中的筛板塔类似，轻液从塔的近底部处进入，从筛板之下因浮力作用通过筛孔而被分散；液滴浮升到上一层筛板之下，合并，集聚成轻液层，又通过上层筛板的筛孔而被分散。依此，轻液每通过一层筛板就分散-合并一次，直到塔顶集聚成轻液层后引出。作为连续相的重液则在筛板之上流过，与轻液液滴传质，然后沿溢流管流到下一层筛板，逐渐与轻液传质，一直到塔的底段后流出。萃取塔筛板的特点是溢流管不设置溢流堰。如要求重液作为分散相，需使塔身放在倒转的位置上，即溢流管改装在筛板之上成为升液管，使作为连续相的轻液沿管上升。

工业上筛板塔间距一般取约300mm，筛板上的筛孔按正三角形排列，通常孔径为3～8mm，孔间距为孔径的3～4倍，界面张力较大的物系宜用较小的孔径，以促使生成较小的液滴。

2.2.1.2 往复筛板萃取塔的选用

往复筛板萃取塔可较大幅度地增加相际接触面积和提高液体的湍动程度，传质效率高，流体阻力小，操作方便，生产能力大，在石油化工、食品、制药和湿法冶金工业中应用日益广泛。

往复筛板萃取塔是将若干层筛板按一定间距固定在中心轴上，由塔顶的传动机构驱动而作上下往复运动。往复振幅一般为3～50mm，频率可达100/min。往复筛板的孔径要比脉动筛板的大些，一般为7～16mm。当筛板向上运动时，迫使筛板上侧的液体经筛板向下喷射；反之，又迫使筛板下侧的液体向上喷射。为防止液体沿筛板与塔壁间的缝隙走短路，每隔若干块筛板，在塔内壁应设置一块环形挡板，往复筛板萃取塔的效率与塔板的往复频率密切相关，当振幅一定时，在不发生液泛的前提下，效率随频率的增大而提高。

2.2.1.3 转盘萃取塔的选用

转盘萃取塔是常用的萃取工业设备，材料均为不锈钢，由塔身、上、下分离段和转轴等组成。用在植物药液成分的精制，如生物碱、有机酸和黄酮类的提纯精制等操作。

转盘萃取塔，由于转盘能分散液体，故塔内无需另设喷洒器，只是对于大直径的塔，液体宜顺着旋转方向从切线进口引入，以免冲击塔内已经建立起来的流动状况，转盘塔的主要结构参数间的关系一般在下述范围内：塔径/转盘直径=1.5～2.5；塔径/固定环开孔直径=1.3～1.6；塔径/盘间距=2～8。

萃取操作时，转盘随中心轴高速旋转，其在液体中产生的剪应力将分散相破裂成许多细小的液滴，在液相中产生强烈的涡旋运动，从而增大了相际接触面积和传质系数。同时固定环的存在一定程度上抑制了轴向返混，因而转盘萃取塔的传质效率较高。特点有：

（1）转盘的轴采用无级调速，适应不同的工艺条件。

（2）为适应工艺条件设多个视孔、灯孔，便于清洗和料液成分提纯。

（3）转盘萃取塔结构简单，传质效率高，生产能力大。

2.2.2 连续式多功能提取罐的选用

许多药材浸取多用此设备，属于夹套式压力容器，结构多样，可用于中药以及食品、化工等行业的水煎、温浸、热回流、芳香成分提取以及残渣有机溶媒回收，强制循环提取、罐组式逆流提取等多种工艺、工序操作，也可在真空情况下操作。

物料经加料口进入罐内，浸出液从活底上的滤板过滤后排出。夹层可通入蒸汽加热，或通水冷却。排渣底盖，可用气动装置自动启闭。为了防止药渣在提取罐内膨胀，因架桥难以排出，罐内装有料叉，可借助于气动装置自动提升排渣。出渣门上设有不锈钢丝网，这样使料渣与浸出液得到了较为理想的分离。设备底部出渣门和上部投料门的启闭均采用压缩空气作动力，由控制箱中的二位四通电磁气控阀控制气缸活塞，操作方便。也可用手动控制器操纵各阀门，控制气缸动作。

主要结构由罐体、出渣门、加料口、提升气缸、夹层和出渣门气缸等组成。按设备外形分，有正锥形、斜锥形和直筒形三种形式；按提取方法分，有动态提取和静态提取两种。

2.3 超临界萃取设备的选用

超临界流体萃取是上世纪70年代末发展起来的一种新型物质分离、精制技术，它是利用超临界流体，即其温度和压力略超过或靠近临界温度和临界压力，介于气体和液体之间的流体作为萃取剂，从固体或液体中萃取出来某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和提纯的目的。

超临界萃取过程针对不同的原料，不同的分离目标，有着不同的技术路线和工艺过程，生产性的超临界萃取装置一般都要单独设计制造。萃取过程的设备主要有萃取釜和分离釜两部分，并配有适当压缩装置和热交换设备，固体原料的萃取过程可分为3种：等温法、等压法和吸附法。超临界流体萃取技术多用于固体物料萃取，但实践证明在液-液萃取分离中亦有优势，液体物料可呈现连续操作，提高效率，降低成本。

超临界CO₂流体兼具气体和液体的特性，溶解能力强，传质性能好，加之其无毒、惰性、无残留等一系列优点，以CO₂为工作介质，实用价值较大，是目前首选的清洁型工业萃取剂，广泛应用于食品、香料和医药等行业，国内外应用较广。

国外某公司萃取设备工艺流程：2个973L的萃取釜串联，被萃取的物料装在原料筐中被放入萃取釜，密闭釜口，系统抽真空，然后开启阀门，启动循环泵升压，超临界CO₂流体由高压泵加压送到萃取釜，经过高压过滤器后，用阀门控制流量降压，加热后进入一级分离釜，解析出被萃取物质，剩余未被分离的物质被流体带出，再用阀门控制流量降压，加热后进入二级分离釜，解析出剩余的被萃取物质。经过低压过滤器后，将CO₂流体冷却，用分子筛除水、再全部冷凝为液态的CO₂，送入溶剂储罐中再循环使用。

国内某公司开发的CO₂超临界萃取设备的工艺流程：液体CO₂由高压泵加压到萃取工艺要求的压力并传送到换热器，将CO₂流体控制在萃取工艺所需温度，然后进入萃取釜，在此完成萃取过程。负载溶质的CO₂流体减压进入分离釜，CO₂减压后溶解度降低使萃取物在分离釜中得以分离。分离萃取物后的CO₂流体再经换热器冷却液化后回到储罐中循环使用。其中温度控制：自动控温＜±1℃；压力控制：自动控制稳压、操作安全；组合形式：二萃一塔一分；材质：接触流体的管道、容器均采用不锈钢材料。

3 生物工业萃取设备的发展趋势

近几年，国内萃取设备行业发展较快，基本上形成了市场体系，但是国产设备对市场的满足率有待提高，设备技术上和国外 水平相比尚有差距，萃取设备的发展更新速度落后于萃取技术的发展，如对极性大、分子量超过500（Dalton）的物质，需要夹带剂或在很高的压力下进行萃取，安全问题十分突出，且价格较昂贵。总体上，萃取设备未来发展将体现出以下一些变化。

（1）强化传质分离形式的转变。新技术的出现极大刺激了萃取工业的发展，传统方式强化传质分离的途径是采用外界输入能量以使两相获得很大的传质比表面积和良好的接触，今后强化传质分离的手段将趋向于细化液滴尺寸和增加相际湍动，如通过超声波、撞击流和旋转流等途径来实现强化传质分离的目的。

（2）萃取装备与检测技术在线联合。如超临界CO₂流体萃取-气相色谱联用、超临界CO₂流体萃取-液相色谱联用，这些联用技术使得萃取物萃取后不用转移即可进行直接分析，将气相色谱与液相色谱用作检测手段，可以充分发挥这些现代分析技术的优点，对萃取效率、萃取物组分、有效成分含量以及萃取物纯度等进行深入研究，进而进行准确的定量分析，并以直观的色谱图反映出来。

（3）新型萃取设备在工业上逐步得到应用。随着技术的进步，新型萃取设备不断产生并得到应用，如微波-萃取技术、固相微萃取技术等，但有些新设备的投资和操作费用也都较为高昂，如何研制出简洁高效、安全经济且适合特定技术或流程的新型萃取设备，还有待萃取装备行业的进一步探索和发展。