雙水相萃取研究(論文)概述

1、雙水相萃取技術(shù)姓名：小行星 學(xué)號： 20128888 專業(yè)：化工工藝摘要： 雙水相萃取是一種新型的萃取分離技術(shù)，本文介紹了雙水相體系的形成及特點，重點介紹了雙水相萃取技術(shù)的應(yīng)用和雙水相萃取的主要設(shè)備，對雙水相萃取技術(shù)應(yīng)用前景及展望關(guān)鍵字：雙水相萃取 分離技術(shù) 應(yīng)用 展望1、引言溶劑萃取法是分離技術(shù)中最重要的方法之一。傳統(tǒng)的溶劑萃取分離是依據(jù)被分離物質(zhì)在兩個互不相溶液相中的溶解性不同而達到分離目的。一般的萃取體系包括有機相和水相兩部分,迄今為止,已有若干種分類方法。隨著近年來分離技術(shù)在生命科學(xué)、天然藥物提純及各類抗生素藥物等方面應(yīng)用的迅速發(fā)展,新型的萃取技術(shù)應(yīng)運而生。例如對于生物物質(zhì)來說,分離的

2、對象復(fù)雜,既包括可溶物,如蛋白質(zhì)和核酸,也包括懸浮的小顆粒,如細胞器和整個細胞;由于生物物質(zhì)極易變性和失活,傳統(tǒng)的有機相和水相的兩相萃取不能解決生物物質(zhì)失活等問題，給分離帶來很大的難度，而雙水相萃取技術(shù)能夠很好的解決這一難題。雙水相萃取(Aqueoustwo-phase extraction, ATPE)1是兩種水溶性不同的聚合物或者一種聚合物和無機鹽的混合溶液,在一定的濃度下,體系就會自然分成互不相容的兩相，被分離物質(zhì)進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(如憎水鍵、氫鍵和離子鍵)等因素的影響,在兩相間的分配系數(shù)K不同,導(dǎo)致其在上下相的濃度不同,達到分離目的，這種現(xiàn)象在1896

3、年被B eijerinck首次發(fā)現(xiàn),隨后雙水相萃取技術(shù)作為一種新型的分離技術(shù)日益受到重視,與傳統(tǒng)的萃取及其他分離技術(shù)相比具有操作條件溫和、處理量大、易于連續(xù)操作等優(yōu)點,隨著生物、醫(yī)藥等行業(yè)的蓬勃發(fā)展，從而使雙水相萃取技術(shù)能越來越廣泛應(yīng)用于生物工程、藥物分析和金屬分離等方面。2、雙水相體系簡而言之，雙水相萃取是利用溶質(zhì)在兩個互不相溶的水相中的溶解度不同而達到分離的萃取技術(shù)。雙水相萃取與水-有機相萃取的原理相似,都是依據(jù)物質(zhì)在兩相間的選擇性分配,但萃取體系的性質(zhì)不同。當(dāng)物質(zhì)進入雙水相體系后,由于表面性質(zhì)、電荷作用和各種力(如憎水鍵、氫鍵和離子鍵等)的存在和環(huán)境的影響,使其在上、下相中的濃度不同。隨

4、著雙水相體系的種類不同，其形成原理也不同，表1例舉了幾種雙水相體系的形成及其形成原理2。對于某一物質(zhì),只要選擇合適的雙水相體系,控制一定的條件,就可以得到合適的分配系數(shù),從而達到分離純化之目的3。雙水相萃取中使用的雙水相是由兩種互不相溶的高分子溶液或者互不相溶的鹽溶液和高分子溶液組成。最常見的就是聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dextran)和PEG/無機鹽(硫酸鹽、磷酸鹽等)體系,其次是聚合物/低分子量組分、離子液體體系和高分子電解質(zhì)/高分子表面活性劑體系。此外,還有被稱為智能聚合物的雙水相體系等，表2例舉了幾種常見的雙水相體系4。表2 常見的雙水相系統(tǒng)近年來,出現(xiàn)了一些新型、高效、廉價的雙水

5、相體系,如用低分子有機物與無機鹽所形成的雙水相體系來分離提取中藥材中的有效成分"這種雙水相體系的引入,可以節(jié)約能耗、降低成本、簡化操作流程!提高產(chǎn)品收率,為大規(guī)模工業(yè)化的實現(xiàn)提供了可能。在實際應(yīng)用中,雙水相體系中的水溶性高聚物具有難揮發(fā)性,反萃取是必不可少的,同時由于鹽會進入反萃取劑也會給分離工作帶來一定的難度。3、雙水相萃取的應(yīng)用3.1 雙水相萃取與生命科學(xué)通常,溶劑萃取分離時,由于使用了有機溶劑會使生物大分子(如蛋白質(zhì)和酶)失活。從20世紀(jì)90年代初期,人們致力于應(yīng)用ATPE技術(shù)分離提取蛋白質(zhì),避免蛋白質(zhì)的變性。目前,已成功應(yīng)用于蛋白質(zhì)、生物酶、菌體、細胞、細胞器、親水性生物大分

6、子、氨基酸、抗生素以及生物小分子等的分離、純化。特別是近年來,國內(nèi)外在此方面的研究有很大的進展。例如Menica等5利用聚乙二醇(PEG) /磷酸鹽雙水相體系提取天然發(fā)酵物中的堿性木聚糖酶,確定最佳體系是22%PEG6000, 10%K2HPO4和12%NaCl活性酶的產(chǎn)率可達98%。除此以外,在近幾年的報道中雙水相萃取已用于多種蛋白質(zhì)和生物酶的分離,如牛血清蛋白(BSA)、牛酪蛋白、B-乳球蛋白、血清蛋白;A-淀粉酶和蛋白酶、膽固醇氧化酶、脂肪酶、磷酸甘油酸激酶(PGK)和磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)、葡糖淀粉酶、L-天門冬酰胺酶等都在雙水相體系中得到較好的分離。B-內(nèi)酰胺類包括青霉素和頭

7、孢菌素,是應(yīng)用廣泛的抗生素藥物;大環(huán)內(nèi)酯類抗生素如:紅霉素和乙酰螺旋霉素都利用ATPE技術(shù)得到了較好的收率;在多肽類抗生素中,用雙水相體系對萬古霉素的提取也得到了滿意的結(jié)果。3.2 雙水相萃取與天然藥物中藥中含有大量的有機化合物且成分十分復(fù)雜,提高中草藥中有效成分提取及分離技術(shù)對我國中醫(yī)中藥進入國際市場有很大的促進作用。天然活性成分的分離提取和質(zhì)量控制將是今后重點研究課題,這類具有獨特功能和生物活性的化合物,是疾病預(yù)防與治療的基礎(chǔ)物質(zhì)。主要包括:黃酮、多酚、萜類等。目前,活性成分的提取分離技術(shù)還有待發(fā)展,雙水相萃取技術(shù)作為一種新型的萃取技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于天然產(chǎn)物的分離純化。近幾年有關(guān)雙水相提

8、取天然藥物中有效成分的報道也逐年增多。甘草的主要成分甘草皂甙,又稱甘草酸,采用乙醇/磷酸氫二鉀雙水相體系萃取,分配系數(shù)達到12.8,回收率可達98. 3%。選用PEG/磷酸鹽體系在一定溫度、pH條件下萃取銀杏浸取液,主要藥用成分黃酮類化合物進入上相,達到分離的目的,最佳條件在25e,PEG的分子量在1500左右,一般采用較高的相比可以提高萃取率,但是過高會引起上相的體積增多,最佳萃取率可達98. 2%。黃芩甙和谷胱甘肽也分別在環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷的無規(guī)則共聚物(EOPO) /混合磷酸鉀(KHP)體系,以及環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷的無規(guī)則共聚物(EOPO)/羥丙基淀粉(PES)所組成的雙水相體系中得到較

9、好的分離,萃取率分別是75.8%和80%以上。天然產(chǎn)物有效成分含量低,難于富集,體系復(fù)雜,大分子與小分子、生命與非生命物質(zhì)共存,特別是存在結(jié)構(gòu)異構(gòu)體等都使分離提純工作的難度加大。ATPE技術(shù)在天然產(chǎn)物的分離和純化等方面還有待進一步研究。3.3雙水相萃取與重金屬傳統(tǒng)的溶劑萃取分離重金屬常常存在溶劑污染環(huán)境、對人體有害、工藝復(fù)雜等缺點。雙水相以其高效、快速、無毒、簡單以及無需反萃取等優(yōu)點,而被用于分離富集重金屬元素。例如6-8Ti()與Zr()可以在聚乙二醇PEG2000-硫酸銨-偶氮胂()中分離;另外,乙醇-氯化鈉-水雙水相體系在氫溴酸介質(zhì)中,可從堿金屬中定量萃取金(),萃取率達99.1%;Co

10、()、Ni()、Mo()等金屬離子也在聚乙二醇PEG2000-硫酸鈉-硫氰酸鉀的雙水相體系中得到分離。4、雙水相萃取的主要設(shè)備雙水相萃取的基本過程包括雙水相的形成、溶質(zhì)在雙水相中的分配（混合）和雙水相的分離，主要設(shè)備包括相混合設(shè)備和相分離設(shè)備。4.1 相混合設(shè)備在將雙水相萃取進行工業(yè)應(yīng)用時，需要考慮達到平衡所需的時間、相分離的速度及設(shè)備和萃取流程的設(shè)計等。如前所述，雙水相體系的表面張力很低。例如，對聚乙二醇鹽體系，表面張力為011mNcm，而對聚乙二醇葡聚糖體系，則小到00001001mN/cm。因此，攪拌時很容易分散成微滴，幾秒鐘即可達到萃取平衡，且能耗也很少。張力小還能使蛋白質(zhì)一類的生物活

11、性物質(zhì)的失活減少，提高收率。靜態(tài)混合器是常用的混合器之一，靜態(tài)混合器與傳統(tǒng)混合設(shè)備如攪拌器、均質(zhì)管、和文氏管等相比具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低、體積小，利于連續(xù)操作等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)、傳熱、乳化及萃取等方面9,10。靜態(tài)混合器的工作原理，就是讓流體在管線中流動沖擊各種類型板元件，增加流體截面的速度梯度或形成湍流。層流時流體產(chǎn)生“切割 - 扭曲 - 分離 - 混合”運動。湍流時，流體除上述情況運動外，還會在斷面方向產(chǎn)生劇烈的渦流，產(chǎn)生強烈的剪切力作用于流體，使流體進一步分割混合，最終達到混合的目的11。圖1 給出了靜態(tài)混合器的混合過程。圖1 靜態(tài)混合器混合過程國外現(xiàn)有靜態(tài)混合器主要有美國的 Ken

12、ics，瑞士蘇爾士 (Sulzer) 的 SMX、SMV、SMXL( 與SMX 型的主要區(qū)別是內(nèi)部十字交叉元件的間隙加深 ) 和 SML 等，日本東麗的 Hi。 國內(nèi)將靜態(tài)混合器主要分為 5 種類型12 ，即SV 型、SL 型、SK 型、SX 型和SH 型 ，主要區(qū)別在于V、X、L、H、K表示的單元結(jié)構(gòu)不同，近年來出現(xiàn)SD、SY型靜態(tài)混合器。 4.2 相分離設(shè)備 達到分配平衡的兩相進行分離時，可采用重力沉降法(靜置分層)或離心沉降法?；旌?澄清器也可以用于雙水相萃取，但由于它是借助重力實現(xiàn)相分離的，分離能力低，只能用于高聚物一鹽體系。但對有的雙水相體系的兩相密度差小，黏度較大，所以實現(xiàn)其相分離

13、是比較困難的。如例如對聚乙二醇鹽體系，密度差通常為0.040.10kg/m3，而對聚乙二醇葡聚糖體系，則為0.020.07kg/m3。上相乙二醇相一般為連續(xù)相，黏度為315mPa·S，而帶細胞碎片的下相，葡聚糖的黏度可達幾千毫帕秒(mPa·s)。由于兩相密度差太小，僅依靠重力進行相分離將非常慢。這時可利用離心力，采用離心機相分離的效果非常好，處理能力可以很大，且適合于任何雙水相體系13。 離心萃取器則不同，它是借助離心沉降，因此可以用于任何雙水相體系，并易于實現(xiàn)連續(xù)化操作。常用的離心沉降設(shè)備有管式離心機和碟片式離心機，其中碟片式離心機使用最多。圖5-18表示的是流體在碟片式

14、離心機中的流動方向。離心機按操作性質(zhì)分為三足式、碟片式與管式離心機常用的離心沉降設(shè)備有管式離心機和碟片式離心機。下面介紹管式和碟片式兩種離心機的工作原理。圖4 管式離心機結(jié)構(gòu)1.進料管 2.下軸承裝置 3.轉(zhuǎn)鼓 4.機殼 5.重相液出口 6.輕相液出口 7.轉(zhuǎn)鼓軸頸 8.上軸承裝置 9.上軸承裝置 10.電動機 11.分離頭分離原理：轉(zhuǎn)鼓正常運轉(zhuǎn)后，被分離物料自進料管進入轉(zhuǎn)鼓下部，在強大離心力的作用下將兩種液體分離。重相液經(jīng)分離頭孔道噴出，進入重相液收集器，從排液管排出；輕相液經(jīng)分離頭中心部位輕相液口噴出，進入輕相液收集器從排出管排出。輕、重液相在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的分界面位置，可通過改變孔徑大小進行調(diào)整

15、14。管式離心機的轉(zhuǎn)鼓直徑最小，用增大轉(zhuǎn)鼓長度增大容積，以提高生產(chǎn)能力。因此，分離因數(shù)可達1500065000，是所有沉降離心機中分離因數(shù)最高的，分離效果最好。適用于固體顆粒直徑0.01100ppm，固相濃度在1以下，固液相密度差大于10kg/m3的乳濁液和懸浮液的分離，每小時的處理能力為0.14m3。多用于油料、油漆、制藥、化工等工業(yè)生產(chǎn)中，如油水、蛋白質(zhì)、青霉素、香精油的分離等15。圖 7 碟片式離心機分離示意圖1.進料管 2.分離室 3.溢流口4.底流口 5.回流管 6.洗水進口分離原理：混合料液由離心機上部進料口進入分離室，均勻分布在碟片間，利用碟片間的薄壁空間在轉(zhuǎn)鼓的高速旋轉(zhuǎn)下（30

16、00-10000r/min）,帶動物料產(chǎn)生很大的離心力,輕物料沿碟片上行，由溢流口排出，相對密度較大的物料集于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁經(jīng)噴嘴從底流口連續(xù)排出29。離心萃取器的優(yōu)點是：生產(chǎn)能力大，分離效率高，接觸時間短，設(shè)備中物料滯留量小，是所有萃取設(shè)備中效率因數(shù)最大的萃取設(shè)備。 由于它是以大于重力百倍以上的離心力來驅(qū)動兩相分離，所以它可以處理比重差極小，以至于比重差接近于0.01g/cm3的系統(tǒng)；可以處理粘度大或是易乳化的系統(tǒng)對于處理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定或是利用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)差異的分離系統(tǒng)，則以離心萃取器最為合適。離心萃取器的缺點是：制造費用和維修費用較高，制造要求嚴(yán)格。另外，由于設(shè)備小，流量大，因而在萃取過程中流

17、比的變化對萃取器的影響較大所以離心萃取器的流量要求嚴(yán)格控制。 由于上述缺點，國內(nèi)過去用在醫(yī)藥工業(yè)較多，其它部門用得較少但是，隨著我國工業(yè)的發(fā)展，自前對于離心萃取設(shè)備，無論是單級的還是多級的，無論是核用的還是民用的，都在積極研制,有的已用于生產(chǎn)16。5、結(jié)束語 由于雙水相體系的萃取條件溫和,萃取后處理簡便,因此已在生物化學(xué)、細胞生物學(xué)和生物化工等領(lǐng)域得以應(yīng)用.許多工作者在這方面已做了大量工作并取得了一些成果。由于該技術(shù)尚處于起步階段,今后應(yīng)加強理論研究,解決大規(guī)模萃取生物活性物質(zhì)的工藝條件和設(shè)備方面的問題,使雙水相萃取能成為一種優(yōu)良的分離技術(shù)。參考文獻1 張珩,張齊,楊藝虹等.醫(yī)藥工程設(shè)計雜志,

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