雙水相萃取技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、現(xiàn)代分離技術(shù)課程論文雙水相萃取技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)劉現(xiàn)輝（河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 化學(xué)1304，學(xué)號(hào)201313030415）摘要：雙水相萃取技術(shù)(ATPE)是一種新型的用于提取、分離、純化的技術(shù)，目前的研究證明雙水相萃取已經(jīng)應(yīng)用于生物分子分離、污水處理、貴金屬分離、生物合成、檢測(cè)等方面，而且由于其本身的易于擴(kuò)大，成本低、快速、高效等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。本文介紹了雙水相萃取技術(shù)的原理、特點(diǎn)，及其應(yīng)用和發(fā)展方向，并對(duì)其進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：雙水相萃取技術(shù)；形成原理；應(yīng)用；發(fā)展方向雙水相萃取是1896年Beijerineh最早發(fā)現(xiàn)的,1956年由瑞典倫德大學(xué)的Albertsson重新發(fā)現(xiàn)。

2、1979年德國GBF的Kula等人將雙水相萃取分離技術(shù)應(yīng)用于生物產(chǎn)品分離。雙水相系統(tǒng)萃取的特點(diǎn)是分相時(shí)間短,易于操作,目標(biāo)產(chǎn)物分配系數(shù)大,投資費(fèi)用少,大多數(shù)形成雙水相的高聚物可回收利用等。由于雙水相系統(tǒng)中的含水量高達(dá)70%90%,不會(huì)造成生物活性物質(zhì)的變性或失活, 甚至還能起到穩(wěn)定和保護(hù)生物活性的作用, 因此雙水相系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛用于蛋白質(zhì)、酶、核酸、病毒等生物產(chǎn)品的分離和純化【1】。1 雙水相萃取技術(shù)的簡介雙水相萃取技術(shù)(Aqueous two-phase extraction,ATPE)是指把兩種聚合物或一種聚合物與一種鹽的水溶液混合在一起，由于聚合物與聚合物之間或聚合物與鹽之間的不

3、相溶性形成兩相，是近年來引人注目，極有前途的新型分離技術(shù)。被分離物質(zhì)進(jìn)入雙水相體系后由于表面性質(zhì)、電荷間作用和各種作用力(疏水鍵、氫鍵和離子鍵)等因素的影響，在兩相間的分配系數(shù)不同，導(dǎo)致其在上下相的濃度不同達(dá)到分離目的。常見的雙水相體系主要有五類：聚合物/聚合物/水；高分子電解質(zhì)/聚合物/水；高分子電解質(zhì)/高分子電解質(zhì)/水；聚合物/低分子量組分/水；聚合物/無機(jī)鹽。目前應(yīng)用最廣泛的的雙水相體系是聚乙二醇/無機(jī)鹽體系。雙水相體系萃取分離技術(shù)具有其獨(dú)特的特點(diǎn)。首先反應(yīng)條件比較溫和，因此對(duì)被分離物質(zhì)不會(huì)起到破壞作用，特別適合對(duì)具有生物活性的物質(zhì)進(jìn)行分離提純。其次，雙水相萃取技術(shù)操作方便，設(shè)備簡單，并

4、且能夠直接與后續(xù)提純工藝連接，不用進(jìn)行特殊處理。雙水相萃取技術(shù)的回收率也比較高，如果選擇的體系合適，能夠達(dá)到百分之八九十以上，并且分離速度也十分迅速。2 雙水相萃取技術(shù)的基本原理雙水相體系萃取分離原理是基于生物質(zhì)在雙水相體系中的選擇性分配。當(dāng)生物物質(zhì)進(jìn)入雙水相體系后，在上相和下相間進(jìn)行選擇性分配，這種分配關(guān)系與常規(guī)的萃取分配關(guān)系相比，表現(xiàn)出更大或更小的分配系數(shù)。如各種類型的細(xì)胞粒子、噬菌體的分配系數(shù)都大于100 或者小于0.01。其分配規(guī)律服從Nernst 分配定律，即k =ct/cb，式中ct、cb分別代表上相、下相中的溶質(zhì)（分子或粒子）的濃度。研究表明，在相體系固定時(shí)，預(yù)分離物質(zhì)在相當(dāng)大的

5、濃度范圍內(nèi)，分配系數(shù)K為常數(shù)，與溶質(zhì)的濃度無關(guān)，只取決于被分離物質(zhì)本身的性質(zhì)和特定的雙水相體系的性質(zhì)2。根據(jù)2相平衡時(shí)化學(xué)位相等的原則，從Brownstedt 方程式求得分配系數(shù)K，即：式中 M- 物質(zhì)分子量- 系統(tǒng)的表面特性系數(shù)k- 波爾茲曼常數(shù)T- 溫度在實(shí)際單元操作中，由于無法固定整個(gè)雙水相體系，也很難確切地知道被分離的原液含有多少其他物質(zhì)，這些因素共同作用和影響，使整個(gè)體系變得相當(dāng)復(fù)雜，因而目前尚沒有定量的關(guān)聯(lián)模型能預(yù)測(cè)整個(gè)體系的分配關(guān)系。最佳的操作條件須依靠實(shí)驗(yàn)得到。3 雙水相萃取體系的特點(diǎn)雙水相萃取成為新興生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究的熱點(diǎn)，主要是該技術(shù)對(duì)于生物物質(zhì)的分離和純化表現(xiàn)出特有的優(yōu)點(diǎn)

6、和獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)【3,4】。(1 ) 易于放大，各種參數(shù)可以按比例放大而產(chǎn)物收率并不降低。Albertson 證明分配系數(shù)僅與分離體積有關(guān)，這是其他過程無法比擬的，這一點(diǎn)對(duì)于工業(yè)應(yīng)用尤為有利；(2 ) 雙水相系統(tǒng)之間的傳質(zhì)和平衡過程速度快，回收效率高，相對(duì)于某些分離過程來說，能耗較小，速度快。如選擇適當(dāng)體系，回收率可達(dá)80%以上，提純倍數(shù)可達(dá)220倍；(3 ) 易于進(jìn)行連續(xù)化操作，設(shè)備簡單，且可直接與后續(xù)提純工序相連接，無需進(jìn)行特殊處理；( 4 ) 雙水相體系的相間張力大大低于有機(jī)溶劑與水相之間的相間張力，相分離條件溫和，因而會(huì)保持絕大部分生物分子的活性，而且可直接用在發(fā)酵液中。如潘杰等人用雙

7、水相技術(shù)直接從發(fā)酵液中將丙酰螺旋酶素與菌體分離、純化【5】；(5 ) 影響雙水相體系的因素比較復(fù)雜，從某種意義上說，可以采取多種手段來提高選擇性或提高收率；( 6 ) 操作條件溫和，整個(gè)操作過程在常溫常壓下進(jìn)行；(7 ) 不存在有機(jī)溶劑殘留問題，高聚物一般是不揮發(fā)性物質(zhì)，因而操作環(huán)境對(duì)人體無害；(8 ) 親和雙水相萃取技術(shù)可以提高分配系數(shù)和萃取的專一性。4 雙水相萃取技術(shù)的工藝流程【6】主要由三部分構(gòu)成: 目的產(chǎn)物的萃取，PEG 的循環(huán)，無機(jī)鹽的循環(huán)。4.1 目的產(chǎn)物的萃取原料勻漿液與PEG 和無機(jī)鹽在萃取器中混合，然后進(jìn)入分離器分相。通過選擇合適的雙水相組成，一般使目標(biāo)蛋白質(zhì)分配到上相( P

8、EG相)，而細(xì)胞碎片、核酸、多糖和雜蛋白等分配到下相(富鹽相)。第二步萃取是將目標(biāo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入富鹽相，方法是在上相中加入鹽，形成新的雙水相體系，從而將蛋白質(zhì)PEG分離，以利于使用超濾或透析將PEG回收利用和目的產(chǎn)物進(jìn)一步加工處理。4.2 PEG的循環(huán)在大規(guī)模ATPE 過程中，成相材料的回收和循環(huán)使用，不僅可以減少廢水處理的費(fèi)用，還可以節(jié)約化學(xué)試劑，降低成本。PEG的回收有兩種方法: 加入鹽使目標(biāo)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入富鹽相來回收PEG；將PEG相通過離子交換樹脂，用洗脫劑先洗去PEG，再洗出蛋白質(zhì)。4.3 無機(jī)鹽的循環(huán)將含無機(jī)鹽相冷卻，結(jié)晶，然后用離心機(jī)分離收集。除此之外還有電滲析法、膜分離法回收鹽類或除去

9、PEG相的鹽。5 雙水相萃取技術(shù)的應(yīng)用及現(xiàn)狀5.1 雙水相萃取技術(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用雙水相萃取技術(shù)最先應(yīng)用的領(lǐng)域是生物產(chǎn)品的分離，目前，雙水相萃取技術(shù)已應(yīng)用于蛋白質(zhì)、生物酶、菌體、細(xì)胞以及氨基酸、抗生素等生物小分子物質(zhì)的分離、純化。劉楊等【7】以PEG/硫酸鈉雙水相體系，經(jīng)一次萃取從鈍頂螺旋藻( Spirulina platensis) 細(xì)胞破碎液中富集分離藻藍(lán)蛋白。結(jié)果表明，萃取最適宜的條件為12% PEG4000，15% Na2SO4，1% KCl，藻藍(lán)蛋白收率為91.2%，分配系數(shù)達(dá)到8.01，分離因數(shù)達(dá)到6.33。對(duì)于螺旋藻藻藍(lán)蛋白的富集分離，雙水相萃取法與傳統(tǒng)的鹽析沉淀法相比，具有節(jié)

10、省操作時(shí)間、簡化操作過程、降低能耗和成本以及易于工藝放大等優(yōu)點(diǎn)。5.2 雙水相萃取技術(shù)在藥物提取中的應(yīng)用雙水相萃取技術(shù)已經(jīng)悄然滲透到藥物成分的分離中，如萃取三七皂苷、四環(huán)素、橙皮苷、杜仲黃酮、燈盞花素、桃葉珊瑚甙、蘆薈蒽醌、青霉素等。高云濤等【8】研究了燈盞花素在丙醇硫酸銨雙水相體系中的分配行為，重點(diǎn)對(duì)雙水相的形成、硫酸銨用量和初始pH值對(duì)分配比的影響進(jìn)行了研究。在鹽水相、丙醇初始體積分別為10.0mL和4.0mL，硫酸銨用量為3.5g，初始pH 為4.08條件下，燈盞花素的最大分配比達(dá)107.5，相應(yīng)的萃取率達(dá)97.7%。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的“二元弱酸”分配模型。5.3 雙水相萃取技術(shù)在

11、金屬離子分離中的應(yīng)用傳統(tǒng)的金屬離子溶劑萃取方法存在著溶劑污染環(huán)境、對(duì)人體有害、運(yùn)行成本高、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。近年來，利用雙水相技術(shù)萃取分離金屬離子達(dá)到了較高的水平。許虹【9】研究了在硫酸銨存在下，3，5二溴水楊基熒光酮乙醇體系萃取分離鎢()的行為。實(shí)驗(yàn)表明，作為萃取溶劑的乙醇，既能萃取電中性的螯合物，又能萃取帶電荷的螯合物。在pH為16時(shí)，W()均保持很高的萃取率?？刂埔欢ǖ乃岫?，可以實(shí)現(xiàn)W()與Fe()、Cu()、Co()、Ni()、Mn()、Zn() 之間的分離。5.4 雙水相萃取與其它技術(shù)結(jié)合應(yīng)用技術(shù)總是相通的，雙水相萃取技術(shù)有其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，如能與其它技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，萃取分離效果更佳。雙水相

12、萃取技術(shù)與超聲波、微波、殼聚糖沉淀相結(jié)合應(yīng)用的研究已經(jīng)比較成熟，其中與超聲波分離技術(shù)結(jié)合應(yīng)用得最多。翟素玲等【10】人將PEG/dextran 雙水相體系耦合電泳初步探索了苯丙氨酸和色氨酸的分離。周安存等【11】人集成C2H5OH/(NH4)2SO4按時(shí)雙水相體系與微波提取分離石榴皮多酚，提取率達(dá)到18.33%，多酚在除提物中的含量75.36%。5.5 雙水相萃取技術(shù)的研究新進(jìn)展目前，分離生物物質(zhì)經(jīng)常采用的雙水相系統(tǒng)主要有2類：非離子型聚合物/水系統(tǒng)（最常用的為聚乙二醇/葡聚糖）和非離子型聚合物/無機(jī)鹽/水系統(tǒng)（常用的如聚乙二醇/鹽體系）。原因在于此2類雙水相系統(tǒng)采用的是無毒性的聚合物，且其多

13、元醇、多元糖結(jié)構(gòu)能夠保證生物大分子的穩(wěn)定性。但在實(shí)際應(yīng)用中，2類雙水相系統(tǒng)各有弊端，非離子型聚合物/水系統(tǒng)能夠保證生物活性物質(zhì)的活性，且界面吸附少，但所用聚合物材料如葡聚糖成本較大，且體系黏度大，制約大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過程；相對(duì)于前者，非離子型聚合物/無機(jī)鹽/水系統(tǒng)成本低，體系黏度小，但該系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致某些敏感生物活性物質(zhì)失活，此外還會(huì)產(chǎn)生大量的高濃度鹽廢水。因此，尋求新型雙水相體系成為日后的主要研究方向。目前，新型雙水相體系的開發(fā)主要有廉價(jià)的雙水相系統(tǒng)及其他新型功能雙水相系統(tǒng)。6 結(jié)論、現(xiàn)存問題與展望雙水相萃取技術(shù)是近年來新發(fā)展起來的分離技術(shù)，所需設(shè)備簡單、條件溫和、易于操作，且可以獲得較高的收率

14、和較純的有效成分，與常規(guī)的有機(jī)溶劑萃取技術(shù)相比較，最大的優(yōu)勢(shì)在于可保持生物物質(zhì)的活性及構(gòu)象，因此在生物技術(shù)、藥物分析提取、金屬分離等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。但是體系自身也存在的一定的缺陷，如雙聚合物體系價(jià)格較高，限制了其在工業(yè)中大規(guī)模的應(yīng)用; 體系的易乳化問題，導(dǎo)致萃取過程極不穩(wěn)定，操作十分不方便，條件難以控制; 某些高聚合物雙水相體系分相時(shí)間較長，大大降低了生產(chǎn)效率; 此外雙水相萃取缺乏理論基礎(chǔ)，目前的研究還停留在熱力學(xué)模型的探索階段。因此，開發(fā)廉價(jià)雙水相體系及后續(xù)層析純化工藝，降低原料成本，采用新型親和雙水相萃取技術(shù)，提高分離效率將是雙水相分離技術(shù)的主要發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)【1】 郭晶晶.

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