雙水相萃取法

1、第七章 雙水相萃取11. 教學內容雙水相分離理論；雙水相的形成；相圖與物質在兩相中的分配；雙水相萃取技術的應用與發(fā)展。2教學基本要求 了解雙水相形成原理及在生物工程領域中的應用；掌握雙水相萃取技術的概念、優(yōu)缺點。3重點與難點 雙水相相圖極其應用。1 雙水相體系1.1 雙水相的形成機理 把兩種或兩種以上具有一定濃度的親水性聚合物溶液混合后靜置，這些親水性的高分子聚合物并不混為一相，而是分成多個液相，這種現(xiàn)象稱之為聚合物的不相容性。由于這些聚合物都是以水作為溶劑;因此形成上述的兩個相體系就稱雙水相體系。定義: 利用雙水相的成相現(xiàn)象及待分離組分在兩相間分配系數(shù)的差異，進行組分分離或多水相提純的技術就

2、叫做雙水相萃取技術。 雙水相的成相原因: 空間阻礙作用 根據(jù)熱力學第二定律可知，混合是熵增加的過程，因而可自發(fā)進行。 另一方面，分子間存在相互作用力，并且這種分子間相互作用力隨相對分子質量的增大而增大。 當兩種高分子聚合物之間存在相互排斥作用時，由于相對分子質量較大，分子間的相互排斥作用與混合過程的熵增加相比占主導地位，一種聚合物分子的周圍將聚集同種分子而排斥異種分子，當達到平衡時，即形成分別富含不同聚合物的兩相。 1.2 相圖 把雙水相體系中的組成成分，分別以不同的濃度相混，然后觀察其成相過程，把此過程以圖的形式描繪下來，即稱為此種雙水相體系的相圖。 不同的雙水相體系，其成相條件是不同的，相

3、圖常被用于研究不同雙水相體系中的成相現(xiàn)象。用A點代表體系總組成，B點和C點分別代表互相平衡的上相和下相組成，稱為節(jié)點。A、B、C三點在一條直線上，稱為系線(tiellne)。系線的長度是衡量兩相間相對差別的尺度，系線越長，兩相間的性質差別越大，反之則越小。若A向雙節(jié)線移動，B、C兩點接近，系線長度趨向于零時，即A點在雙節(jié)線K點時，體系變成一相，K稱為臨界點。在同一系線上不同的點，總組成不同，而上、下兩相組成相同，只是兩相體積VT、VB不同，但它們均服從杠桿原理。B相和C相質量之比等于系線上CA與AB的線段長度之比。又由于兩相密度相差很小(雙水相體系上相和下相密度常在1.01.1kgdm3之間)

4、，故上下相體積之比也近似等于系線上CA與AB線段長度之比，即：1.3 常用的雙水相體系常用體系 雙水相萃取中常采用的雙聚合物系統(tǒng)為PEG/Dex，該雙水相的上相富含PEG，下相富含Dex。 2.1 影響物質分配平衡的因素 影響物質在雙水相系統(tǒng)中分配的主要因素有： 組成雙水相體系的高聚物類型； 高聚物的平均分子量和分子量分布； 高聚物的濃度； 成相鹽和非成相鹽的種類；鹽的離子強度；pH值。(1)高聚物的分子量 在高聚物濃度保持不變的前提下，降低該高聚物的分子量，被分配的可溶性生物大分子如蛋白質或核酸，或顆粒如細胞或細胞碎片和細胞器，將更多的分配于該相。對PEG Dcxtran體系而言，Dextr

5、an分子量減小，分配系數(shù)會減??； PEG 的分于量減小，物質的分配系數(shù)會增大(見表2-13)，這是一條普遍規(guī)律。(2)高聚物濃度界面張力的影響 當成相系統(tǒng)的總濃度增大時，系統(tǒng)遠離臨界點，系線長度增加，兩相性質的差別(疏水性等)增大，界面張力也隨著增大，蛋白質分子的分配系數(shù)將偏離臨界點處的值(m=1)，即大于1或小于1。(3)鹽類 由于鹽的正、負離子在兩相間的分配系數(shù)不同，兩相間形成電勢差，從而影響帶電生物大分子的分配。 研究還發(fā)現(xiàn)，當鹽類濃度增加到一定程度，由于鹽析作用蛋白質易分配于上相。分配系數(shù)幾乎隨鹽濃度成指數(shù)增加，且不同的蛋白質增大程度各異。利用此性質可使蛋白質相互分離。KCl對分配的影

6、響與NaCI類似。(4)pH值 pH值對分配的影響源于兩個方面的原因。第一，pH值會影響蛋白質分子所帶電荷的性質和數(shù)量。第二，pH值影響磷酸鹽的離解程度，從而改變H2PO4-和HPO42- 之間的比例，進而影響相間電位差。這樣蛋白質的分配因pH值的變化發(fā)生變化。pH值的微小變化會使蛋白質的分配系數(shù)政變23個數(shù)量級。(5)溫度溫度越高發(fā)生相分離所需的高聚物濃度越高。在臨界點附近對雙水相體系形成的影響更為明顯。但一般來說，當雙水相系統(tǒng)離雙節(jié)線足夠遠時，12的溫度改變不影響目標產物的萃取分離。 由于高聚物對生物活性物質有穩(wěn)定作用，在大規(guī)模生產中多采用常溫操作，從而節(jié)省冷凍費用。但適當提高操作溫度，體

7、系黏度較低，有利于分離。2.2 雙水相萃取過程 雙水相萃取過程包括以下幾個步驟： 雙水相的形成； 溶質在雙水相中的分配； 雙水相的分離。2.2 雙水相萃取過程 在實際操作中，經(jīng)常將固狀(或濃縮的)聚合物和鹽直接加入到細胞勻漿液中，同時進行機械攪拌使成相物質溶解，形成雙水相。 溶質在兩相中發(fā)生物質傳遞，達到分配平衡。 聚合物和鹽的溶解多為萃取過程的速率控制步驟。達到分配平衡后的兩相分離可采用重力沉降(靜置分層)或離心沉降法。2.3 雙水相萃取的優(yōu)點 雙水相萃取對于生物物質的分離和純化表現(xiàn)出特有的優(yōu)點和獨有的技術優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下方面： 易于放大。各種參數(shù)可以按比例放大而產物收率并不降低。雙水相

8、系統(tǒng)之間的傳質和平衡過程速度快，回收效率高，能耗較小，速度快。如選擇適當體系，同收率可達80以上，提純倍數(shù)可達220倍。 易于進行連續(xù)化操作，設備簡單，且可直接與后續(xù)提純工序相連接，無需進行特殊處理。 雙水相體系的相間表而張力大大低于有機溶劑與水相之間的相間張力，相分離條件溫和，因而會保持絕大部分生物分子的活性，可直接用在發(fā)酵液中。影響雙水相體系的因素比較復雜，可以采取多種手段來提高選擇性或提高收率。操作條件溫和，整個操作過程在常溫常壓下進行。不存在有機溶劑殘留問題，高聚物一般是不揮發(fā)性物質，因而操作環(huán)境對人體無害。 親和雙水相萃取技術可以提高分配系數(shù)和萃取的專一性。雙水相萃取技術缺點易乳化、相分離時間長，成相聚合物的成本較高，水溶性高聚物大多數(shù)黏度較大，不易定量控制；水溶性的高聚物難以揮發(fā)，使反萃必不可少，高聚物回收