雙水相萃取技術(shù)

1、雙水相萃取技術(shù)1目錄雙水相萃取技術(shù)的原理雙水相萃取技術(shù)的特點(diǎn)雙相萃取技術(shù)的工藝流程雙水相萃取技術(shù)的應(yīng)用雙水相萃取技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)參考文獻(xiàn)21.雙水相萃取技術(shù)的原理1.1 雙水相體系的形成機(jī)理雙水相體系是指某些有機(jī)物之間或有機(jī)物與無(wú)機(jī)鹽之間，在水中以適當(dāng)?shù)臐舛热芙夂笮纬苫ゲ幌嗳艿?相或多相水相體系。從溶液理論上說(shuō)來(lái)，當(dāng)2種或多種有機(jī)物和水溶液相互混合時(shí)，是分層還是混合成一相，取決于混合時(shí)熵變問(wèn)題和分子間的相互作用力2 個(gè)因素。雙水相體系熵的計(jì)算很難準(zhǔn)確，分子間的相互作用力也不清楚，因而對(duì)于雙水相的形成，至今還沒(méi)有一套完整的理論模型來(lái)解釋。3按傳統(tǒng)的雙水相理論來(lái)說(shuō)，只有大分子才能由于界面張力等因素形

2、成2 相間的不對(duì)稱，在空間上產(chǎn)生了空間阻隔效應(yīng)，使2 相之間無(wú)法相互滲透，在一定條件下就有雙水相現(xiàn)象出現(xiàn)。這種解釋是基于對(duì)于過(guò)去所研究的只是高聚物- 高聚物雙水相體系而言，存在著一定的合理性，但也存在著明顯的片面性。例如，對(duì)近幾年開發(fā)研究的高聚物與鹽、低分子量的某些表面活性劑之間，以及很多普通有機(jī)物和無(wú)機(jī)鹽之間的雙水相體系現(xiàn)象的解釋就顯得無(wú)能為力。4對(duì)于這些新型體系形成機(jī)理的解釋可以說(shuō)各種各樣，不過(guò)大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，高聚物- 鹽- 水體系的形成機(jī)理是鹽析作用的結(jié)果；普通有機(jī)物乙醇、異丙醇類形成的雙水相機(jī)理，是一個(gè)鹽溶液與有機(jī)溶劑爭(zhēng)奪水分子形成締合水合物的結(jié)果；對(duì)于表面活性劑混合溶液形成雙水相體系

3、的機(jī)理，以BIankstein 等為代表的學(xué)者認(rèn)為是由于表面活性劑混合溶液中不同結(jié)構(gòu)和組成的膠束平衡共存的結(jié)果。51.2 雙水相萃取的原理雙水相萃取與水-有機(jī)相萃取技術(shù)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)物質(zhì)進(jìn)入雙相體系后，由于表面性質(zhì)、電荷作用和各種力（如憎水鍵、氫鍵、離子鍵）的存在和環(huán)境因素的影響，使其上下相中的濃度不同。分配系數(shù)K等于物質(zhì)在兩相的濃度比，由于物質(zhì)的K值不同，可利用雙水相萃取體系對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離。6研究表明，在相體系固定時(shí)，預(yù)分離物質(zhì)在相當(dāng)大的濃度范圍內(nèi)，分配系數(shù)K為常數(shù)，與溶質(zhì)的濃度無(wú)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)。根據(jù)2 相平衡時(shí)化學(xué)

4、位相等的原則，從Brownstedt 方程式求得分配系數(shù)K：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7在實(shí)際單元操作中，由于無(wú)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(méi)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。8雙水相形成條件和定量關(guān)系常用相圖來(lái)表示，用三角形相圖或直角坐標(biāo)相圖表示。圖1 是典型的高聚物- 高聚物- 水雙水相體系的直角坐標(biāo)相圖，2種聚合物A、B 以適當(dāng)比例溶于水就會(huì)分別形成有不同組成、密度的2 相，輕相組成用T 點(diǎn)表示，重相組成用B 點(diǎn)表

5、示，由圖可知上下相所含高聚物有所偏重，上相主要含B，下相主要含A。C 點(diǎn)為臨界點(diǎn)或褶點(diǎn)。曲線TCB 稱為結(jié)線，直線TMB 稱為系線。結(jié)線上方是2 相區(qū)，下方為單相區(qū)。所以組成在系線上的點(diǎn)，分為2 相后，其上下相組成分別為T 和B，T、B 量的多少服從相圖的杠桿定律。即T 和B 相質(zhì)量之比等于系線上MB 與MT的線段長(zhǎng)度之比。又由于2 相密度相差很小，故上下相體積之比也近似等于系線上MB 與MT 線段長(zhǎng)度之比。92.雙水相萃取技術(shù)的特點(diǎn)(1)雙水相體系中的傳質(zhì)和平衡速度快，回收率高，分相時(shí)間短，自然分相時(shí)間一般為5-15 min，相對(duì)某些分離過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)快速分離，且能耗較低。(2)兩相間的界面

6、張力小， 一般為110-7-110-4mN.m-1，比一般的有機(jī)萃取兩相體系界面張力低得多，因此兩相易分散，有利于強(qiáng)化相際間的物質(zhì)傳遞，整個(gè)操作過(guò)程可以在常溫常壓下進(jìn)行，不會(huì)引起生物活性物質(zhì)失活或變性。10(3)分離過(guò)程更經(jīng)濟(jì)，與常用固液分離方法相比，可省去1-2個(gè)分離步驟。(4)兩相的溶劑都是水，上相和下相的含水量高達(dá)70%90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，不存在有機(jī)溶劑殘留問(wèn)題。(5)聚合物的濃度、無(wú)機(jī)鹽的種類和濃度以及體系的pH值等因素都對(duì)被萃取物質(zhì)在兩相間的分配產(chǎn)生影響，因此可以采用多種手段來(lái)提高選擇性和回收率。(6)操作條件溫和，由于雙水相的界面張力大大低于有機(jī)溶劑與水相之間的界面張力，整個(gè)操作過(guò)

7、程可以在常溫常壓下進(jìn)行，對(duì)于生物活性物質(zhì)的提取來(lái)說(shuō)有助于保持生物活性和強(qiáng)化相際傳質(zhì)。11(7)一般不存在有機(jī)溶劑的殘留問(wèn)題，現(xiàn)已證明形成雙水相的聚合物(如PEG)對(duì)人體無(wú)害，可用于食品添加劑、注射劑和制藥，因此對(duì)環(huán)境污染小。(8)過(guò)程易于放大和進(jìn)行連續(xù)化操作。雙水相萃取易于放大，各種參數(shù)可以按比例放大而產(chǎn)物收率并不降低，易于與后續(xù)提純工序直接相連接，無(wú)需進(jìn)行特殊處理，這對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)尤其有利。(9)雙水相萃取處理容量大，能耗低。主要成本消耗在聚合物的使用上，而聚合物可以循環(huán)使用，因此生產(chǎn)成本較低。123.雙相萃取技術(shù)的工藝流程ATPE技術(shù)的工藝流程，主要由三部分構(gòu)成：目的產(chǎn)物的萃取，PEG的

8、循環(huán)，無(wú)機(jī)鹽的循環(huán)。13(1)目的產(chǎn)物的萃取 原料勻漿液與PEG和無(wú)機(jī)鹽在萃取器中混合，然后進(jìn)入分離器分相。通過(guò)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，而細(xì)胞碎片、核酸、多糖和雜蛋白等分配到下相。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)與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。(2)PEG的循環(huán) 在大規(guī)模ATPE過(guò)程中，成相材料的回收和循環(huán)使用，不僅可以減少?gòu)U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(lái)回收PEG；將PEG相通過(guò)離子交換樹脂，用洗脫劑

9、先洗去PEG，再洗出蛋白質(zhì)。14(3)無(wú)機(jī)鹽的循環(huán) 將含元機(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PEG相的鹽。154.雙水相萃取技術(shù)的應(yīng)用4.1 在生物工程中的應(yīng)用雙水相技術(shù)作為一種生化分離技術(shù)，由于其條件溫和，易操作，可調(diào)節(jié)因素多，并可借助傳統(tǒng)溶劑萃取的成功經(jīng)驗(yàn)，而被認(rèn)為是一種生物下游工程初步分離的單元操作。Babu等用18的PEG 1500與14的磷酸鹽組成的雙水相從菠蘿中萃取菠蘿蛋白酶和多酚氧化酶，菠蘿蛋白的純化倍數(shù)為4.0，酶活回收率達(dá)到22.8，而多酚氧化酶的純化倍數(shù)為2.07，酶活回收率達(dá)到90。16Halve和Bajpai利用PEG/

10、Dex雙水相系統(tǒng)分離純化了假單胞桿菌胞內(nèi)的立體專一性酒石酸脫氫酶。Duarte等采用16的PEG 6000和8的磷酸鹽組成的雙水相系統(tǒng)從3種不同的微生物中純化堿性木聚糖酶。Sarote等利用80的PEG及15的硫酸銨組成的雙水相體系從木瓜乳漿中萃取出高純度的木瓜蛋白酶。張?zhí)m威等運(yùn)用20的PEG 1000和25的硫酸鎂組成的雙水相從風(fēng)干香腸中分離提取蛋白酶，最高酶活1237 Ug，純化倍數(shù)為4.61，回收率為85。張佰鵬等采用12.0的PEG、133的硫酸銨和0003的NaCl組成的雙水相萃取-淀粉酶抑制劑，分配系數(shù)為4.40，酶活回收率為71.41。174.2 雙水相萃取分析常規(guī)的檢測(cè)生物物質(zhì)

11、的技術(shù)既繁瑣又費(fèi)時(shí)，很難及時(shí)滿足現(xiàn)代生化生產(chǎn)分析的要求，因而開發(fā)一種快速、方便、準(zhǔn)確的生物活性物質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)是必要的?；谝? 液體系或界面性質(zhì)而開發(fā)的分析檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)潛在的有應(yīng)用價(jià)值的生化檢測(cè)分析技術(shù)。這一技術(shù)已成功地應(yīng)用于免疫分析、生物分子間相互作用力的測(cè)定和細(xì)胞數(shù)的測(cè)定。如強(qiáng)心藥物異羥基毛地黃毒苷（簡(jiǎn)稱黃毒苷）的免疫測(cè)定，雙水相體系檢測(cè)螺旋霉素的電化學(xué)方法都利用生物物質(zhì)在雙水相體系的分配系數(shù)的不同為基礎(chǔ)進(jìn)行的分析。184.3 在發(fā)酵工程中的應(yīng)用由于發(fā)酵液中成分比較復(fù)雜，目標(biāo)產(chǎn)物含量低，而傳統(tǒng)的分離純化方法步驟繁瑣，導(dǎo)致產(chǎn)品回收率低，成本居高不下。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有利用雙水相休系從發(fā)酵液萃

12、取分離目標(biāo)產(chǎn)物的報(bào)道和研究，并取得了一些成績(jī)。Maria等利用PEG 1000/磷酸二氫鈉體系Fusarium solanipisi 發(fā)酵液中分離純化角質(zhì)酶，該酶主要分配在上相，酶活回收率91，純化倍數(shù)4.1。Mirjanait利用PEG 4000/Dex體系Polyporus squamosus發(fā)酵液中分離果膠酶。該酶主要分配在上相，酶活回收率80.2，純化倍數(shù)2.45。19馮菁等采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)8的PEG4000、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13的硫酸鈉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6NaCl組成的雙水相直接從重組巴氏畢赤酵母發(fā)酵上清液中分離人溶菌酶，雙水相萃取率達(dá)到96.63，純化因子為6.5。黃瑛等采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10的PEG

13、2000、15的磷酸鹽和l的NaCl組成的雙水相系統(tǒng)從洋蔥假單細(xì)胞G-63發(fā)酵粗酶液中提取脂肪酶，當(dāng)系統(tǒng)的pH為8.0時(shí)，分配系數(shù)4.36，純化因子3.98。脂肪酶的回收率達(dá)到87.25。4.4在金屬分離及絡(luò)合物中的應(yīng)用雙水相還可用于稀有金屬/貴金屬分離，傳統(tǒng)的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)。雙水相技術(shù)萃取技術(shù)引入到該領(lǐng)域，無(wú)疑是金屬分離的一種新技術(shù)。20在聚乙二醇2000/硫酸按/偶氮胂()雙水相體系中,實(shí)現(xiàn)了Ti()與Zr()的分離；在聚乙二醇2000/硫酸鈉/硫氰酸鉀雙水相體系中，實(shí)現(xiàn)了Co()、Ni()、Mo()等金屬離子的定量分離。在聚乙二醇/

14、硫酸鈉雙水相體系中，實(shí)現(xiàn)了從堿性氰化液中萃取分離金。在溴化鉀/乙醇/硫酸銨雙水相體系中，實(shí)現(xiàn)了AuB與AlB、NiA、MnA、CrB、CoA、FeB、ZnA、CuA、MoE、UC的分離。在聚乙二醇2000/鄰苯二酚紫/硫酸鈉體系中，實(shí)現(xiàn)了鈹?shù)妮腿?。在硫酸銨/乙醇/溴化十六烷基三甲銨中，能夠使Bi()與常見離子Mn(II)、Fe()、Co()、Ni()、Zn()、Al()等完全分離。在聚乙二醇/硫酸銨/鉻天青S體系中，實(shí)現(xiàn)了La()與Ti()之間的分離。215.雙水相萃取技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)5.1廉價(jià)新型雙水相系統(tǒng)的開發(fā)目前雙水相萃取技術(shù)走向工業(yè)化所需解決的最大問(wèn)題是構(gòu)成雙水相成相系統(tǒng)組分的價(jià)格十分昂

15、貴。為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，一方面用廉價(jià)的無(wú)機(jī)鹽代替以往常用的昂貴的葡聚糖。硫酸鈉、硫酸鎂、碳酸鉀等鹽與PEG形成的雙水相系統(tǒng)現(xiàn)已經(jīng)大量用于萃取操作；另一方面開發(fā)可替代聚乙二醇和葡聚糖的高聚物。變性淀粉PPT、阿拉伯樹膠、Pulluan的微生物多糖、糊精、麥芽糖糊精、乙基羥乙基纖維素等取代葡聚糖。乙醇、異丙醇、丙酮、四氫呋喃、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羥基纖維素等替代PEG，均取得階段性的成果。22此外，有利用臨界膠束濃度下表面活性劑的特異自組織行為及良好的穩(wěn)定性形成的ATPS，此類ATPS分相依據(jù)的是膠束的形成包括由非離子型表面活性劑組成的ATPS和由離子型表面活性劑組成的

16、ATPS。這些由表面活性劑組成的ATPS與傳統(tǒng)ATPS相比有含水量更高兩相更容易分離，表面活性劑用量很少且可循環(huán)利用等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。5.2 親和雙水相萃取技術(shù)親和吸附具有專一性強(qiáng)，分離效率高等特點(diǎn)。利用其特點(diǎn)，將親和吸附與雙水相萃取技術(shù)相結(jié)合，即對(duì)成相聚合物進(jìn)行化學(xué)修飾。該體系不僅具有萃取系統(tǒng)處理量大、放大簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且具有親和吸附專一性強(qiáng)、分離效率高的特點(diǎn)。235.3生物轉(zhuǎn)化與雙水相萃取技術(shù)相結(jié)合在生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物量的增加，常會(huì)抑制生化過(guò)程的進(jìn)行。因此，及時(shí)移走產(chǎn)物是生化反應(yīng)中的主要問(wèn)題之一。將雙水相系統(tǒng)與生物轉(zhuǎn)化相結(jié)合，形成雙水相生物轉(zhuǎn)化，解決了生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在的產(chǎn)物抑制以

17、及生物催化劑回收利用兩方面的問(wèn)題，為生物轉(zhuǎn)化賦予了新的內(nèi)涵。5.4 雙水相萃取與膜分離相結(jié)合利用中空纖維膜傳質(zhì)面積大的特點(diǎn)，將膜分離與雙水相萃取相結(jié)合，可以大大加快萃取傳質(zhì)速率。利用膜將雙水相體系隔開，可解決雙水相萃取的乳化和生物活性物質(zhì)在界面的吸附問(wèn)題。因此，將膜分離同雙水相萃取技術(shù)相結(jié)合，是解決雙水相體系易乳化問(wèn)題及加快萃取速率的有利手段。245.5雙水相萃取與細(xì)胞破碎過(guò)程相結(jié)合利用高速珠磨機(jī)為設(shè)備，將細(xì)胞破碎和雙水相萃取同時(shí)在珠磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行。由于珠磨機(jī)內(nèi)有良好的混合條件，PEG、無(wú)機(jī)鹽和水得到充分混合，形成均勻的雙水相分散體系。經(jīng)過(guò)珠磨機(jī)加工的勻漿直接用離心機(jī)分相，細(xì)胞碎片分配在下相，胞內(nèi)

18、產(chǎn)物分配在上相。這種方法不僅節(jié)省了萃取設(shè)備和時(shí)間，而且由于雙水相對(duì)很多蛋白質(zhì)具有保持活性的特點(diǎn)，可以避免胞內(nèi)產(chǎn)物的損失。5.6 雙水相萃取技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的集成雙水相分配技術(shù)作為一個(gè)很有發(fā)展前景的生物分離單元操作，除了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)外；也有一些不足之處，如易乳化、相分離時(shí)間較長(zhǎng)、成相聚臺(tái)物的成本較高、單次分離效率不高等，一定程度上限制了雙水相分配技術(shù)的工業(yè)化推廣和應(yīng)用。如何克服這些困難，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，其中“集成化”概念的引入給雙水相分配技術(shù)注入了新的生命力。25雙水相分配技術(shù)與其他相美的生物分離技術(shù)進(jìn)行有效組合，實(shí)現(xiàn)了不同技術(shù)聞的相互滲透、相互融合，充分體現(xiàn)了集成化的優(yōu)勢(shì)。有人認(rèn)為雙水

19、相萃取與相關(guān)技術(shù)的集成可以歸納成為以下3個(gè)方面：與溫度誘導(dǎo)相分離、磁場(chǎng)作用、超聲波作用、氣溶膠技術(shù)等常規(guī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成化，改善了雙水相分配技術(shù)中諸如成相聚合物回收困難、相分離時(shí)間較長(zhǎng)、易乳化等問(wèn)題，為雙水相分配技術(shù)的進(jìn)一步成熟、完善并走向工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)；與親和沉淀、高效層析等新型生化分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程集成，充分融合了雙方的優(yōu)勢(shì)，既提高了分離效率，義簡(jiǎn)化了分離流程；將生物轉(zhuǎn)化、化學(xué)滲透釋放和電泳等技術(shù)引人雙水相分配，給已有的技術(shù)賦予了新的內(nèi)涵，為新分離過(guò)程的誕生提供了新的思路。265.7雙水相萃取相關(guān)理論的發(fā)展雖然雙水相萃取技術(shù)在應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)展，但目前這些工作幾乎都只是建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，至今還沒(méi)有一套比較完善的理論來(lái)解釋生物大分子在體系中的分配機(jī)理?？紤]到生物物質(zhì)在雙水相系統(tǒng)中分配時(shí)是一個(gè)由聚合物、聚合物(或無(wú)機(jī)鹽)、生物分子和水等構(gòu)成的四元系統(tǒng)，系統(tǒng)中的組分性質(zhì)