通过结合测得的各物流流量、酶浓度和组分物料衡算，可以确定酶回收效率。 对于单级液液萃取阶段，应测量水相进料流量和浓度、有机萃取相流量和浓度，以及水相萃余液浓度。酶回收率等于萃取相中流出的酶质量除以随进料进入的酶质量，而物料衡算则用于验证测量结果是否涵盖了回收的酶、剩余的酶以及可能损失的酶。
核心计算公式为 ( \dot{m}{\text{in}} = \dot{m}{\text{extract}} + \dot{m}_{\text{raffinate}} )，并根据积累量和取样损失进行调整。分配比（D）可以预测两相中的浓度，但必须结合测得的浓度和酶活性，才能确定中试装置的实际回收率。
定义萃取系统
识别相关物流
典型的单元操作包括含酶的水相进料、有机溶剂进料、富含酶的有机萃取相，以及酶含量降低的水相萃余液。
溶剂进入系统时可能不含酶，但应验证这一假设。任何通过循环溶剂或上游循环物流进入的酶，都必须计入入口衡算。
定义测量基准
衡算可以基于质量、摩尔数、浓度或酶活性进行。对于酶回收，活性基准通常最有意义，因为酶虽然可能仍以化学形式存在，但可能因变性或界面损伤而失去催化功能。
对于浓度基准，应使用一致的单位，例如千克每立方米和立方米每小时。对于活性基准，应使用每单位体积的酶活性单位，并乘以体积流量。
建立稳态运行条件
只有在中试装置达到稳定运行状态后才应采集样品。在取样期间，流量、界面位置、两相外观、温度、pH 值和出口浓度都应保持足够稳定。
在启动、停机、两相转换或运行不稳定期间，系统可能会在容器和管道内部积累酶。忽略这一积累量的稳态衡算可能看似无法闭合，即使测量结果是正确的。
计算酶的物料衡算
计算酶入口速率
对于水相进料，进入萃取器的酶质量流率为：
[ \dot{m}{\text{feed}} = Q{\text{aq}} C_{\text{feed}} ]
其中：
- (Q_{\text{aq}}) 为水相进料流量
- (C_{\text{feed}}) 为进料中的酶浓度
- (\dot{m}_{\text{feed}}) 为酶输入速率
如果进料浓度以酶活性表示，则计算结果为活性输入速率，而不是质量输入速率。
计算出口速率
有机萃取相中流出的酶为：
[ \dot{m}{\text{extract}} = Q{\text{org}} C_{\text{org}} ]
水相萃余液中剩余的酶为：
[ \dot{m}{\text{raffinate}} = Q{\text{aq,out}} C_{\text{aq}} ]
如果出口流量因蒸发、夹带、取样或溶剂损失而不同于入口流量，应使用实际出口流量。
应用总体衡算
在稳态下，酶衡算为：
[ \dot{m}{\text{feed}} + \dot{m}{\text{other inlets}}
\dot{m}{\text{extract}} + \dot{m}{\text{raffinate}} + \dot{m}_{\text{other outlets}} ]
对于酶仅通过水相进料进入，并通过两个产品相流出的简化情况：
[ Q_{\text{aq}} C_{\text{feed}}
Q_{\text{org}} C_{\text{org}} + Q_{\text{aq,out}} C_{\text{aq}} ]
入口酶速率与测得的出口酶速率之间的差值，代表未测得的积累量、取样损失、相夹带、分析误差或实际的酶降解。应将其报告为衡算闭合间隙，而不应将其默认为萃取量。
使用分配比
定义分配关系
分配比为：
[ D = \frac{C_{\text{org}}}{C_{\text{aq}}} ]
其中，(C_{\text{org}}) 和 (C_{\text{aq}}) 分别为有机相和水相中的平衡酶浓度。
将 (C_{\text{org}} = D C_{\text{aq}}) 代入简化衡算式可得：
[ Q_{\text{aq}} C_{\text{feed}}
Q_{\text{aq}} C_{\text{aq}} + Q_{\text{org}} D C_{\text{aq}} ]
因此：
[ C_{\text{aq}}
\frac{Q_{\text{aq}} C_{\text{feed}}} {Q_{\text{aq}} + D Q_{\text{org}}} ]
并且：
[ C_{\text{org}} = D C_{\text{aq}} ]
估算理想单级回收率
在相同假设下，转移到有机相中的理想酶分数为：
[ R_{\text{ideal}}
\frac{\dot{m}{\text{extract}}}{\dot{m}{\text{feed}}}
\frac{D Q_{\text{org}}} {Q_{\text{aq}} + D Q_{\text{org}}} ]
相应的百分比回收率为：
[ %R_{\text{ideal}} = 100 R_{\text{ideal}} ]
该表达式说明，分配比和溶剂与水相的流量比共同控制萃取性能。
区分平衡性能与实际性能
分配比描述特定条件下的平衡分配。由于接触时间不足、界面面积有限、两相分离不完全、夹带、乳化或酶不稳定，中试装置的实际回收率可能低于理论值。
因此，在可能的情况下，应根据测得的出口浓度计算实际回收率。分配比应作为预测或诊断参数使用，而不能替代装置运行数据。
确定实际回收效率
计算萃取回收率
在有机萃取相中回收的进料酶分数为：
[ R_{\text{extract}}
\frac{Q_{\text{org}} C_{\text{org}}} {Q_{\text{aq}} C_{\text{feed}}} ]
以百分比表示：
[ %R_{\text{extract}}
100 \left( \frac{Q_{\text{org}} C_{\text{org}}} {Q_{\text{aq}} C_{\text{feed}}} \right) ]
当有机萃取相为目标产品时，这是主要的萃取回收率指标。
计算萃余相损失
水相萃余液中剩余的酶分数为：
[ R_{\text{raffinate}}
\frac{Q_{\text{aq,out}} C_{\text{aq}}} {Q_{\text{aq}} C_{\text{feed}}} ]
对于测量准确且无显著积累的两相系统：
[ R_{\text{extract}} + R_{\text{raffinate}} \approx 1 ]
较高的萃余相分数表明转移不完全、溶剂或 pH 值不合适、溶剂比不足，或传质效果不佳。
纳入酶活性
当工艺目标是获得具有功能的酶时，应测量进料、萃取相和萃余液中的总酶活性。基于活性的回收率为：
[ %R_{\text{activity}}
100 \left( \frac{Q_{\text{org}} A_{\text{org}}} {Q_{\text{aq}} A_{\text{feed}}} \right) ]
其中 (A) 为单位体积的酶活性。
基于质量的回收率与基于活性的回收率可能不同。这一差异可以揭示萃取过程是否保持了酶的催化功能。
量化回收速率
酶回收速率是单位时间内回收的酶量：
[ \dot{m}_{\text{recovered}}
Q_{\text{org}} C_{\text{org}} ]
以活性为基准：
[ \dot{A}_{\text{recovered}}
Q_{\text{org}} A_{\text{org}} ]
该速率有助于比较不同运行条件，并估算更大型下游设备的处理能力。
收集可靠衡算所需的数据
直接测量流量
记录取样运行条件下的水相和有机相流量。可以使用经过校准的流量计、定时体积收集或重量法测量，但在相关情况下应考虑密度和温度的影响。
如果可能发生溶剂蒸发、相夹带或两相之间的水分转移，不要假设入口和出口流量相等。
对两个出口相进行取样
在两相分离后，从萃取相和萃余液中分别采集具有代表性的样品。样品应避免进一步接触两相，并使用经过验证的酶浓度或活性分析方法进行分析。
测量方法应与溶剂基质相适配。有机溶剂残留可能干扰蛋白质分析或酶活性分析，因此可能需要去除、稀释或进行其他控制。
记录运行条件
记录影响分配和酶稳定性的变量，包括 pH 值、温度、溶剂种类、两相比、混合强度、接触时间和沉降时间。
这些条件对于解释 (D)、出口浓度、回收率和衡算闭合度的变化是必要的。
了解其中的权衡关系
高回收率可能降低选择性
提高溶剂与进料的比例，或使用分配比更高的溶剂，通常会增加酶的转移量。然而，这也可能增加溶剂消耗、杂质共萃取、溶剂回收负荷以及下游溶剂去除要求。
因此，最佳运行点不一定是单级回收率最高的条件。
平衡假设可能并不现实
分配比计算假设达到平衡并且两相充分接触。实际中试设备可能受到混合、传质面积、停留时间或两相分离性能的限制。
应使用测得的出口浓度计算级性能，并将其与平衡预测值进行比较。
相夹带可能导致结果失真
被带入萃余液的有机液滴可能使水相看起来含有比实际更多的酶。相反，有机萃取相中的水滴也可能虚增表观萃取回收率。
检查样品是否存在明显的相夹带，并在必要时使用适当的特定相分析方法对相污染进行校正。
酶损失并不总是萃取损失
物料衡算中的表观亏损可能源于酶吸附在容器表面、沉淀、界面失活、化学降解，或滞留在萃取器和管道中。
仅基于浓度的衡算无法区分这些机制。活性测量、设备冲洗、持液量测量和时间序列取样有助于区分真正的萃取损失、降解和积累。
如何将其应用于中试装置
以下方法可为每次运行提供实用依据：
- 如果主要关注质量回收：测量进料、萃取相和萃余液的流量及酶浓度，然后计算萃取回收率、萃余相损失和总体衡算闭合度。
- 如果主要关注功能性酶收率：使用酶活性，而不只使用浓度，并同时报告活性回收率和基于质量的回收率。
- 如果主要关注工艺预测：在实际 pH 值、温度、溶剂和两相比条件下确定或估算 (D)，然后将理想回收率与测得的中试性能进行比较。
- 如果主要关注放大：针对每次稳态运行报告回收速率、溶剂与进料比、各相流量、接触条件、分离行为和衡算闭合度。
- 如果主要关注故障排查：当入口与出口衡算无法闭合时，调查相夹带、酶降解、设备持液量、取样误差和溶剂损失。
可靠的萃取评估应结合测得的物流数据、分配行为、酶活性和衡算闭合度，从而同时反映转移了多少酶以及有多少酶仍保持可用状态。
汇总表：
| 指标 | 计算 | 用途 |
|---|---|---|
| 酶进料速率 | Q_aq × C_feed |
测量进入装置的酶量 |
| 萃取相速率 | Q_org × C_org |
测量有机相中回收的酶量 |
| 萃余液速率 | Q_aq,out × C_aq |
测量水相中剩余的酶量 |
| 萃取回收率 | (Q_org × C_org) / (Q_aq × C_feed) × 100% |
确定实际回收效率 |
| 活性回收率 | (Q_org × A_org) / (Q_aq × A_feed) × 100% |
确认功能性酶收率 |
| 理想回收率 | D × Q_org / (Q_aq + D × Q_org) × 100% |
预测基于平衡的性能 |
| 衡算闭合度 | 入口酶量 - 测得的出口酶量 |
识别损失、积累或测量误差 |
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