化學(xué)文獻(xiàn)檢索綜述論文(共9頁)

1、文獻(xiàn)檢索綜述(zngsh)論文雙水相萃取分離技術(shù)(jsh)的研究進(jìn)展及應(yīng)用學(xué)院(xuyun)：化學(xué)與生物工程學(xué)院 專業(yè)：化學(xué)工程與工藝學(xué)生：李鳴昊 年級(jí): 2012級(jí)學(xué)號(hào)：201207547 指導(dǎo)老師：楊西摘 要 雙水相萃取技術(shù)是一種新興的生物分離技術(shù)，近年來發(fā)展迅猛，因其與傳統(tǒng)的液液萃取方法相比有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，故雙水相萃取技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到了越來越多的研究專家的重視。本文綜述了雙水相萃取技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)及應(yīng)用，并對(duì)雙水相萃取技術(shù)現(xiàn)階段存在的問題和未來發(fā)展趨勢(shì)做出簡(jiǎn)單論述。關(guān)鍵詞 雙水相體系 萃取技術(shù) 分離技術(shù)1 前言近年來，隨著分離技術(shù)在生命科學(xué)、天然藥物提純及各類抗生素藥物生產(chǎn)等方面

2、應(yīng)用的需求和發(fā)展，一種新型的液液分離技術(shù)雙水相萃取技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。雙水相萃取技術(shù)又稱水溶液兩相分配技術(shù)，是利用組分在兩水相間分配的差異而進(jìn)行組分的分離提純的技術(shù)。由于雙水相萃取分離過程具有條件溫和、可調(diào)節(jié)因素多、易于放大、可連續(xù)操作且不存在有機(jī)溶劑殘留等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于生物物質(zhì)的分離和提純。在1956年，瑞典的Albertsson首次運(yùn)用了雙水相萃取技術(shù)來提取生物物質(zhì)，開始對(duì)ATPS(雙水相系統(tǒng))進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究，測(cè)定了許多ATPS的相圖，考察了蛋白質(zhì)、核酸、病毒、細(xì)胞及細(xì)胞顆粒在ATPS中的分配行為，為發(fā)展雙水相萃取技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，雙水相萃取技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥化學(xué)、細(xì)胞生

3、物學(xué)、生物化工和食品工業(yè)等領(lǐng)域，是一項(xiàng)擁有廣闊應(yīng)用前景的新型分離技術(shù)。本文將就雙水相萃取技術(shù)的原理、應(yīng)用和發(fā)展情況作一簡(jiǎn)述。2 雙水相萃取原理雙水相萃取與水有機(jī)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。當(dāng)萃取體系的性質(zhì)不同時(shí)，物質(zhì)進(jìn)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)境因素的影響，使其在上、下相中的濃度不同。溶質(zhì)(包括蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)、稀有金屬以及貴金屬的絡(luò)合物、中草藥成分等)在雙水相體系中服從Nernst 1分配定律：K= C上/ C下（其中K為分配系數(shù)，C上和C下分別為被分離物質(zhì)在上、下相的濃度）系統(tǒng)固定時(shí)，分配系數(shù)為一常數(shù)，與溶

4、質(zhì)的濃度無關(guān)。當(dāng)目標(biāo)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0101，因此為物質(zhì)分離提供了可能。水溶性兩相的形成條件和定量關(guān)系常用相圖來表示，以PEG/ Dextran體系的相圖為例(圖12 )，這兩種聚合物都能與水無限混合，當(dāng)它們的組成在圖1曲線的上方時(shí)(用M點(diǎn)表示)體系就會(huì)分成兩相，分別有不同的組成和密度，輕相(或稱上相)組成用T點(diǎn)表示，重相(或稱下相)組成用B表示。C為臨界點(diǎn)，曲線TCB稱為結(jié)線，直線TMB稱為系線。結(jié)線上方是兩相區(qū)，下方是單相區(qū)。所有組

5、成在系統(tǒng)上的點(diǎn)，分成兩相后，其上下相組成分別為T 和B。M點(diǎn)時(shí)兩相T和B的量之間的關(guān)系服從杠桿定律，即T和B相重量之比等于系線上MB與MT的線段長(zhǎng)度之比。圖1 PEG/ Dextran體系(tx)的相圖3 雙水相萃取(cuq)體系的特點(diǎn)2 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)(wzh)的分離和純化表現(xiàn)出特有的優(yōu)點(diǎn)和獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。雙水相體系萃取技術(shù)具有如下特點(diǎn)： (1) 雙水相系統(tǒng)之間的傳質(zhì)和平衡過程(guchng)速度快，回收效率高，相對(duì)于某些分離過程來說，能耗小，速度快。如選擇適當(dāng)體系，回收率可達(dá)80%，倍數(shù)(bish)可達(dá)220倍； (2) 系統(tǒng)(xtng)

6、含水量多達(dá)75%90%，兩相界面張力極低（10-710-4 Nm-1），有助于保持生物活性和強(qiáng)化相際間的質(zhì)量傳遞，但也有系統(tǒng)易乳化的問題，值得注意。 (3) 分相時(shí)間短（特別是聚合物/鹽系統(tǒng)），自然分相時(shí)間一般只有515min。 (4) 雙水相分配技術(shù)易于連續(xù)化操作。若系統(tǒng)物性研究透徹，可運(yùn)用化學(xué)工程中的萃取原理進(jìn)行放大，但要加強(qiáng)萃取設(shè)備方面的研究。 (5) 目標(biāo)產(chǎn)物的分配系數(shù)一般大于3，大多數(shù)情況下，目標(biāo)產(chǎn)物有較高的收率。 (6) 大量雜質(zhì)能夠與所有固體物質(zhì)一起去掉，與其它常用固液分離方法相比，雙水相分配技術(shù)可省去12個(gè)分離步驟，使整個(gè)分離過程更經(jīng)濟(jì)。 (7) 易于放大，各種參數(shù)可以按比例放

7、大而產(chǎn)物收率并不降低。Albertson證明了分配系數(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)用有位有利； (8) 設(shè)備投資費(fèi)用少，操作簡(jiǎn)單，不存在有機(jī)溶劑殘留問題。 (9) 操作條件溫和，整個(gè)操作過程在常溫常壓下進(jìn)行； (10)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。由于雙水相萃取具有上述優(yōu)點(diǎn)，因此，被廣泛用于生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物化工等領(lǐng)域的產(chǎn)品分離和提取。4 雙水相萃取技術(shù)應(yīng)用的影響因素物質(zhì)在雙水相體系中的分配系數(shù)不是一個(gè)確定的量，它要受許多因素的影響(表2) 。對(duì)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(較大的)分配系數(shù)，從

8、而達(dá)到分離純化之目的，包括直接從細(xì)胞破碎勻漿液中萃取蛋白質(zhì)而無須將細(xì)胞碎片分離，改變體系的pH值和電解質(zhì)濃度可進(jìn)行反萃取。 表2 影響生物物質(zhì)分配的主要因素4.4.1 聚合物及分子量的影響(yngxing)不同聚合物的水相系統(tǒng)顯示出不同的疏水性，水溶液中聚合物的疏水性按下列次序遞增：葡萄糖硫酸鹽 甲基葡萄糖 葡萄糖 羥丙基葡聚糖 甲基纖維素 聚乙烯醇 聚乙二醇 聚丙三醇，這種疏水性的差異對(duì)目的產(chǎn)物與相的相互作用是重要的。同一聚合物的疏水性隨分子量增加而增加，其大小的選擇依賴于萃取過程的目的和方向(fngxing)，若想在上相獲得較高的蛋白質(zhì)收率，對(duì)于PEG聚合物,應(yīng)降低它的平均分子量，相反，若

9、想在下相獲得較高的蛋白質(zhì)收率，則平均分子量應(yīng)增加。4.4.2 PH值的影響(yngxing)體系的pH值對(duì)被萃取物的分配有很大影響，這是由于體系的pH值變化能明顯的改變兩相的電位差，如體系pH 值與蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)相差越大，則蛋白質(zhì)在兩相中分配越不均勻。4.4.3 溫度的影響分配系數(shù)對(duì)溫度的變化不敏感，這是由于成相聚合物對(duì)蛋白質(zhì)有穩(wěn)定化作用，所以室溫操作活性收率依然很高，而且室溫時(shí)粘度較冷卻時(shí)(4 ) 低，有助于相的分離并節(jié)省了能源開支。5 雙水相萃取技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展5.1 在生命科學(xué)中的應(yīng)用傳統(tǒng)的液液萃取分離，由于使用了有機(jī)溶劑，通常會(huì)使生物大分子（如蛋白質(zhì)等）失活。而雙水相技術(shù)作為一種生化分離

10、技術(shù)，由于其條件溫和，易操作，可調(diào)節(jié)因素多，目前已成功應(yīng)用于生命科學(xué)中蛋白質(zhì)、生物酶、細(xì)胞器、氨基酸、抗生素以及生物小分子等的分離純化。雙水相萃取技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外的研究都取得了很多豐富的成果。如Miyuki3通過PEG/ K3PO4雙水相體系，用兩步法對(duì)葡糖淀粉酶進(jìn)行了萃取純化。用第一步萃取后含有酶的下相和PEG組成雙水相作為第二步萃取體系，稱作兩步法。葡糖淀粉酶的最佳分配條件是PEG4000(第一步)、PEG 1500 (第二步)，pH=7，純化系數(shù)提高了3倍。張志娟等3用PEG/磷酸鹽雙水相體系萃取青霉TS67胞外活性蛋白，研究了PEG的濃度、磷酸鹽的濃度對(duì)蛋白的分配特性的影

11、響。周念波4等采用PEG-(NH4)2SO4雙水相體系直接從Bacillus spLS發(fā)酵液上清液中分離殼聚糖酶，確定了室溫下雙水相萃取最佳條件為：PEG 600 20、(NH4)2SO4 20、NaCl 0.1、pH值6.0，在此條件下殼聚糖酶分配系數(shù)達(dá)5.91，萃取率達(dá)88.7。4.2 在天然藥物(yow)提取與分離中的應(yīng)用雙水相萃取技術(shù)在天然藥物提取與分離方面也有著獨(dú)特(dt)的優(yōu)勢(shì)。在這方面的許多研究成果主要集中在國(guó)內(nèi)。如朱自強(qiáng)(z qin)等5用8%的PEG 2000與20%的(NH4)2SO4組成的雙水相系統(tǒng)提取青霉素G，分配系數(shù)高達(dá)58.39，濃縮倍數(shù)為3.53，回收率為93.6

12、7%?；羟?分別研究了葛根素在PEG/(NH4)2SO4雙水相體系與丙酮/K2HPO4雙水相體中的分配特性，實(shí)驗(yàn)確定了PEG/(NH4)2SO4雙水相最佳體系：PEG 1500質(zhì)量分?jǐn)?shù)20，(NH4)2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)16，最大的分配系數(shù)可達(dá)148.2，最大收率99.09；丙酮/ K2HPO4雙水相最佳體系為：丙酮:水=8:2，K2HPO4質(zhì)量為1.5g，最大的分配系數(shù)可達(dá)36.7，最大收率99.55。刑健敏等7研究了聚乙二醇/鹽雙水相體系中煙堿的分配行為，確定了當(dāng)含鹽量25%、pH=9為體系的最佳分離萃取條件，回收率為96.7%，純度為99.87%。4.3 在金屬分離及絡(luò)合物中的應(yīng)用雙水相還可

13、用于稀有金屬(xyu jnsh)/貴金屬分離(fnl)，傳統(tǒng)的溶劑萃取方法存在(cnzi)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)。雙水相技術(shù)萃取技術(shù)引入到該領(lǐng)域，無疑是金屬分離的一種新技術(shù)。據(jù)報(bào)道，在丙醇-硫酸銨雙水相萃取體系中，實(shí)現(xiàn)了從大量基體金屬如Fe2、Ca2、Mg2、Mn2、Al3、Pb2和Zn2中分離Pd()，萃取率可達(dá)9928。在溴化十六烷基吡啶一雙水相體系中，實(shí)現(xiàn)了能夠使Bi()與Mn()、Fe()、Co()、Ni()、Zn()、Al()等常見離子完全分離9；在丙醇-硫酸銨-碘化鉀雙水相體系中，實(shí)現(xiàn)了Au()的分離，獲得了最佳萃取條件：HCl濃度0.6mol/L，

14、(NH4)2SO4用量6.0g，KI濃度0.1mol/L，在最佳萃取條件下，體系對(duì)Au的平均萃取率為98.610。5 雙水相萃取技術(shù)的局限和展望目前，雙水相萃取技術(shù)已被研究用于眾多生物產(chǎn)品的分離提純，并顯示出眾多其他分離技術(shù)不具備的優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用前景廣闊的新型生物分離技術(shù)。但是，要將這一技術(shù)開發(fā)應(yīng)用到大規(guī)模生產(chǎn)過程，還有許多理論和實(shí)踐方面的技術(shù)問題有待解決。在理論上，由于雙水相體系中組分間的作用非常復(fù)雜，目前還沒有建立一套完整的理論和方法來解釋和預(yù)測(cè)物質(zhì)在雙水相體系中的相行為和被分配物質(zhì)在兩相中的分配行為。研究基本上還是通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，且研究的結(jié)果還只是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，大部分情況下不能外延

15、，而且研究總結(jié)的成果缺乏對(duì)過程規(guī)律的認(rèn)識(shí)。實(shí)踐方面，雙水相體系分離的成本、效率、操作條件等在實(shí)踐過程中存在很多的不確定性：如雙水相體系中經(jīng)常使用的聚合物/聚合物構(gòu)成的雙水相體系，雖具有良好的分離性能，但用于構(gòu)造雙水相體系的成相聚合物的價(jià)格都過于昂貴，對(duì)于一般的生物產(chǎn)品來說，分離成本過高，在經(jīng)濟(jì)角度是不合理的；又如雙水相體系界面張力較小，雖有利于提高傳質(zhì)效率，但是較小的界面張力易導(dǎo)致乳化現(xiàn)象的產(chǎn)生，使相分離時(shí)間延長(zhǎng)，降低分離效率。為了讓雙水相體系萃取技術(shù)走向成熟化，工業(yè)化，我們不妨從以下幾個(gè)方面展開觀察和研究：繼續(xù)研發(fā)利用廉價(jià)的無機(jī)鹽等代替常用的昂貴的葡聚糖；利用廉價(jià)易得的原料如變性淀粉PPT、

16、糊精、麥芽糖糊精、乙基羥乙基纖維素等取代葡聚糖；用分子量較小的乙醇、異丙醇、丙酮、四氫呋喃等替代聚乙二醇；研究如何通過改變雙水相體系的組成，操作條件，來節(jié)約雙水相體系分離所需的時(shí)間，提高雙水相體系的分離效率等等。今后，隨著對(duì)雙水相體系研究的深入，以及其他雙水相體系的不斷開發(fā)，例如離子液體雙水相體系，其形成機(jī)理，熱力學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型以及工藝技術(shù)等方面的問題最終會(huì)被突破和解決，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓寬，雙水相萃取將會(huì)成為一種優(yōu)良的分離技術(shù)。參考文獻(xiàn)1 王雯娟. 雙水相萃取(cuq)菠蘿蛋白酶的研究D. 廣西: 廣西大學(xué)化學(xué)(huxu)化工學(xué)院, 2004.2 李偉, 柴金玲, 谷學(xué)新. 新型(xn

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