双水相萃取技术

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,双水相萃取技术,1,目录,双水相萃取技术的原理,双水相萃取技术的特点,双相萃取技术的工艺流程,双水相萃取技术的应用,双水相萃取技术的发展趋势,参考文献,2,1.,双水相萃取技术的原理,1.1,双水相体系的形成机理,双水相体系是指某些有机物之间或有机物与无机盐之间，在水中以适当的浓度溶解后形成互不相溶的,2,相或多相水相体系。,从溶液理论上说来，当,2,种或多种有机物和水溶液相互混合时，是分层还是混合成一相，取决于混合时熵变问题和分子间的相互作用力,2,个因素。双水相体系熵的计算很难准确，分子间的相互作用力也不清楚，因而对于双水相的形成，至今还没有一套完整的理论模型来解释。,3,按传统的双水相理论来说，只有大分子才能由于界面张力等因素形成,2,相间的不对称，在空间上产生了空间阻隔效应，使,2,相之间无法相互渗透，在一定条件下就有双水相现象出现。这种解释是基于对于过去所研究的只是高聚物,-,高聚物双水相体系而言，存在着一定的合理性，但也存在着明显的片面性。例如，对近几年开发研究的高聚物与盐、低分子量的某些表面活性剂之间，以及很多普通有机物和无机盐之间的双水相体系现象的解释就显得无能为力。,4,对于这些新型体系形成机理的解释可以说各种各样，不过大多数学者认为，高聚物,-,盐,-,水体系的形成机理是盐析作用的结果；普通有机物乙醇、异丙醇类形成的双水相机理，是一个盐溶液与有机溶剂争夺水分子形成缔合水合物的结果；对于表面活性剂混合溶液形成双水相体系的机理，以,BIankstein,等为代表的学者认为是由于表面活性剂混合溶液中不同结构和组成的胶束平衡共存的结果。,5,1.2,双水相萃取的原理,双水相萃取与水,-,有机相萃取技术的原理相似，都是依据物质在两相间的选择性分配。当物质进入双相体系后，由于表面性质、电荷作用和各种力（如憎水键、氢键、离子键）的存在和环境因素的影响，使其上下相中的浓度不同。分配系数,K,等于物质在两相的浓度比，由于物质的,K,值不同，可利用双水相萃取体系对物质进行分离。,6,研究表明，在相体系固定时，预分离物质在相当大的浓度范围内，分配系数,K,为常数，与溶质的浓度无关，只取决于被分离物质本身的性质和特,定的双水相体系的性质。,根据,2,相平衡时化学位相等的原则，从,Brownstedt,方程式求得分配系数,K,：,M-,物质分子量,-,系统的表面特性系数,k-,波尔兹曼常数,T-,温度,7,在实际单元操作中，由于无法固定整个双水相体系，也很难确切地知道被分离的原液含有多少其他物质，这些因素共同作用和影响，使整个体系变得相当复杂，因而目前尚没有定量的关联模型能预测整个体系的分配关系。最佳的操作条件须依靠实验得到。,8,双水相形成条件和定量关系常用相图来表示，用三角形相图或直角坐标相图表示。图,1,是典型的高聚物,-,高聚物,-,水双水相体系的直角坐标相图，,2,种聚合物,A,、,B,以适当比例溶于水就会分别形成有不同组成、密度的,2,相，轻相组成用,T,点表示，重相组成用,B,点表示，由图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,点为临界点或褶点。曲线,TCB,称为结线，直线,TMB,称为系线。结线上方是,2,相区，下方为单相区。所以组成在系线上的点，分为,2,相后，其上下相组成分别为,T,和,B,，,T,、,B,量的多少服从相图的杠杆定律。即,T,和,B,相质量之比等于系线上,MB,与,MT,的线段长度之比。又由于,2,相密度相差很小，故上下相体积之比也近似等于系线上,MB,与,MT,线段长度之比。,9,2.,双水相萃取技术的特点,(1),双水相体系中的传质和平衡速度快，回收率高，分相时间短，自然分相时间一般为,5-15 min,，相对某些分离过程，可以实现快速分离，且能耗较低。,(2),两相间的界面张力小， 一般为,110,-7,-110,-4,mN.m,-1,，比一般的有机萃取两相体系界面张力低得多，因此两相易分散，有利于强化相际间的物质传递，整个操作过程可以在常温常压下进行，不会引起生物活性物质失活或变性。,10,(3),分离过程更经济，与常用固液分离方法相比，可省去,1-2,个分离步骤。,(4),两相的溶剂都是水，上相和下相的含水量高达,70%,90%(,质量分数,),，不存在有机溶剂残留问题。,(5),聚合物的浓度、无机盐的种类和浓度以及体系的,pH,值等因素都对被萃取物质在两相间的分配产生影响，因此可以采用多种手段来提高选择性和回收率。,(6),操作条件温和，由于双水相的界面张力大大低于有机溶剂与水相之间的界面张力，整个操作过程可以在常温常压下进行，对于生物活性物质的提取来说有助于保持生物活性和强化相际传质。,11,(7),一般不存在有机溶剂的残留问题，现已证明形成双水相的聚合物,(,如,PEG),对人体无害，可用于食品添加剂、注射剂和制药，因此对环境污染小。,(8),过程易于放大和进行连续化操作。双水相萃取易于放大，各种参数可以按比例放大而产物收率并不降低，易于与后续提纯工序直接相连接，无需进行特殊处理，这对于工业生产来说尤其有利。,(9),双水相萃取处理容量大，能耗低。主要成本消耗在聚合物的使用上，而聚合物可以循环使用，因此生产成本较低。,12,3.,双相萃取技术的工艺流程,ATPE,技术的工艺流程，主要由三部分构成：目的产物的萃取，,PEG,的循环，无机盐的循环。,13,(1),目的产物的萃取 原料匀浆液与,PEG,和无机盐在萃取器中混合，然后进入分离器分相。通过选择合适的双水相组成，一般使目标蛋白质分配到上相，而细胞碎片、核酸、多糖和杂蛋白等分配到下相。第二步萃取是将目标蛋白质转入富盐相，方法是在上相中加入盐，形成新的双水相体系，从而将蛋白质与,PEG,分离，以利于使用超滤或透析将,PEG,回收利用和目的产物进一步加工处理。,(2)PEG,的循环 在大规模,ATPE,过程中，成相材料的回收和循环使用，不仅可以减少废水处理的费用，还可以节约化学试剂降低成本。,PEG,的回收有两种方法：加入盐使目标蛋白质转入富盐相来回收,PEG,；将,PEG,相通过离子交换树脂，用洗脱剂先洗去,PEG,，再洗出蛋白质。,14,(3),无机盐的循环 将含元机盐相冷却，结晶，然后用离心机分离收集。除此之外还有电渗析法、膜分离法回收盐类或除去,PEG,相的盐。,15,4.,双水相萃取技术的应用,4.1,在生物工程中的应用,双水相技术作为一种生化分离技术，由于其条件温和，易操作，可调节因素多，并可借助传统溶剂萃取的成功经验，而被认为是一种生物下游工程初步分离的单元操作。,Babu,等用,18,的,PEG 1500,与,14,的磷酸盐组成的双水相从菠萝中萃取菠萝蛋白酶和多酚氧化酶，菠萝蛋白的纯化倍数为,4.0,，酶活回收率达到,22.8,，而多酚氧化酶的纯化倍数为,2.07,，酶活回收率达到,90,。,16,Halve,和,Bajpai,利用,PEG/Dex,双水相系统分离纯化了假单胞杆菌胞内的立体专一性酒石酸脱氢酶。,Duarte,等采用,16,的,PEG 6000,和,8,的磷酸盐组成的双水相系统从,3,种不同的微生物中纯化碱性木聚糖酶。,Sarote,等利用,80,的,PEG,及,15,的硫酸铵组成的双水相体系从木瓜乳浆中萃取出高纯度的木瓜蛋白酶。,张兰威等运用,20,的,PEG 1000,和,25,的硫酸镁组成的双水相从风干香肠中分离提取蛋白酶，最高酶活,12,37 U,g,，纯化倍数为,4.61,，回收率为,85,。张佰鹏等采用,12.0,的,PEG,、,13,3,的硫酸铵和,0,003,的,NaCl,组成的双水相萃取,-,淀粉酶抑制剂，分配系数为,4.40,，酶活回收率为,71.41,。,17,4.2,双水相萃取分析,常规的检测生物物质的技术既繁琐又费时，很难及时满足现代生化生产分析的要求，因而开发一种快速、方便、准确的生物活性物质的检测技术是必要的。基于液,-,液体系或界面性质而开发的分析检测技术是一项潜在的有应用价值的生化检测分析技术。这一技术已成功地应用于免疫分析、生物分子间相互作用力的测定和细胞数的测定。如强心药物异羟基毛地黄毒苷（简称黄毒苷）的免疫测定，双水相体系检测螺旋霉素的电化学方法都利用生物物质在双水相体系的分配系数的不同为基础进行的分析。,18,4.3,在发酵工程中的应用,由于发酵液中成分比较复杂，目标产物含量低，而传统的分离纯化方法步骤繁琐，导致产品回收率低，成本居高不下。目前国内外已经有利用双水相休系从发酵液萃取分离目标产物的报道和研究，并取得了一些成绩。,Maria,等利用,PEG 1000/,磷酸二氢钠体系,Fusarium solanipisi,发酵液中分离纯化角质酶，该酶主要分配在上相，酶活回收率,91,，纯化倍数,4.1,。,Mirjanait,利用,PEG 4000/Dex,体系,Polyporus squamosus,发酵液中分离果胶酶。该酶主要分配在上相，酶活回收率,80.2,，纯化倍数,2.45,。,19,冯菁等采用质量分数,8,的,PEG4000,、质量分数为,13,的硫酸钠和质量分数为,6,NaCl,组成的双水相直接从重组巴氏毕赤酵母发酵上清液中分离人溶菌酶，双水相萃取率达到,96.63,，纯化因子为,6.5,。黄瑛等采用质量分数,10,的,PEG 2000,、,15,的磷酸盐和,l,的,NaCl,组成的双水相系统从洋葱假单细胞,G-63,发酵粗酶液中提取脂肪酶，当系统的,pH,为,8.0,时，分配系数,4.36,，纯化因子,3.98,。脂肪酶的回收率达到,87.25,。,4.4,在金属分离及络合物中的应用,双水相还可用于稀有金属,/,贵金属分离，传统的溶剂萃取方法存在着溶剂污染环境，对人体有害，运行成本高，工艺复杂等缺点。双水相技术萃取技术引入到该领域，无疑是金属分离的一种新技术。,20,在聚乙二醇,2000/,硫酸按,/,偶氮胂,(,),双水相体系中,实现了,Ti(,),与,Zr(,),的分离；在聚乙二醇,2000/,硫酸钠,/,硫氰酸钾双水相体系中，实现了,Co(,),、,Ni(,),、,Mo(,),等金属离子的定量分离。在聚乙二醇,/,硫酸钠双水相体系中，实现了从碱性氰化液中萃取分离金。在溴化钾,/,乙醇,/,硫酸铵双水相体系中，实现了,AuB,与,AlB,、,NiA,、,MnA,、,CrB,、,CoA,、,FeB,、,ZnA,、,CuA,、,MoE,、,UC,的分离。在聚乙二醇,2000/,邻苯二酚紫,/,硫酸钠体系中，实现了铍的萃取。在硫酸铵,/,乙醇,/,溴化十六烷基三甲铵中，能够使,Bi(,),与常见离子,Mn(II),、,Fe(,),、,Co(),、,Ni(,),、,Zn(,),、,Al(,),等完全分离。在聚乙二醇,/,硫酸铵,/,铬天青,S,体系中，实现了,La(),与,Ti(,),之间的分离。,21,5.,双水相萃取技术的发展趋势,5.1,廉价新型双水相系统的开发,目前双水相萃取技术走向工业化所需解决的最大问题是构成双水相成相系统组分的价格十分昂贵。为了解决这个问题，国内外进行了大量的研究，一方面用廉价的无机盐代替以往常用的昂贵的葡聚糖。硫酸钠、硫酸镁、碳酸钾等盐与,PEG,形成的双水相系统现已经大量用于萃取操作；另一方面开发可替代聚乙二醇和葡聚糖的高聚物。变性淀粉,PPT,、阿拉伯树胶、,Pulluan,的微生物多糖、糊精、麦芽糖糊精、乙基羟乙基纤维素等取代葡聚糖。乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羟基纤维素等替代,PEG,，均取得阶段性的成果。,22,此外，有利用临界胶束浓度下表面活性剂的特异自组织行为及良好的稳定性形成的,ATPS,，此类,ATPS,分相依据的是胶束的形成包括由非离子型表面活性剂组成的,ATPS,和由离子型表面活性剂组成的,ATPS,。这些由表面活性剂组成的,ATPS,与传统,ATPS,相比有含水量更高两相更容易分离，表面活性剂用量很少且可循环利用等独特的优点。,5.2,亲和双水相萃取技术,亲和吸附具有专一性强，分离效率高等特点。利用其特点，将亲和吸附与双水相萃取技术相结合，即对成相聚合物进行化学修饰。该体系不仅具有萃取系统处理量大、放大简单等优点，而且具有亲和吸附专一性强、分离效率高的特点。,23,5.3,生物转化与双水相萃取技术相结合,在生物转化过程中，随着转化的产物量的增加，常会抑制生化过程的进行。因此，及时移走产物是生化反应中的主要问题之一。将双水相系统与生物转化相结合，形成双水相生物转化，解决了生物转化过程中存在的产物抑制以及生物催化剂回收利用两方面的问题，为生物转化赋予了新的内涵。,5.4,双水相萃取与膜分离相结合,利用中空纤维膜传质面积大的特点，将膜分离与双水相萃取相结合，可以大大加快萃取传质速率。利用膜将双水相体系隔开，可解决双水相萃取的乳化和生物活性物质在界面的吸附问题。因此，将膜分离同双水相萃取技术相结合，是解决双水相体系易乳化问题及加快萃取速率的有利手段。,24,5.5,双水相萃取与细胞破碎过程相结合,利用高速珠磨机为设备，将细胞破碎和双水相萃取同时在珠磨机内进行。由于珠磨机内有良好的混合条件，,PEG,、无机盐和水得到充分混合，形成均匀的双水相分散体系。经过珠磨机加工的匀浆直接用离心机分相，细胞碎片分配在下相，胞内产物分配在上相。这种方法不仅节省了萃取设备和时间，而且由于双水相对很多蛋白质具有保持活性的特点，可以避免胞内产物的损失。,5.6,双水相萃取技术与相关技术的集成,双水相分配技术作为一个很有发展前景的生物分离单元操作，除了其独特优势外；也有一些不足之处，如易乳化、相分离时间较长、成相聚台物的成本较高、单次分离效率不高等，一定程度上限制了双水相分配技术的工业化推广和应用。如何克服这些困难，已成为国内外学者关注的焦点，其中,“,集成化,”,概念的引入给双水相分配技术注入了新的生命力。,25,双水相分配技术与其他相美的生物分离技术进行有效组合，实现了不同技术闻的相互渗透、相互融合，充分体现了集成化的优势。有人认为双水相萃取与相关技术的集成可以归纳成为以下,3,个方面：与温度诱导相分离、磁场作用、超声波作用、气溶胶技术等常规技术实现集成化，改善了双水相分配技术中诸如成相聚合物回收困难、相分离时间较长、易乳化等问题，为双水相分配技术的进一步成熟、完善并走向工业化奠定了基础；与亲和沉淀、高效层析等新型生化分离技术实现过程集成，充分融合了双方的优势，既提高了分离效率，义简化了分离流程；将生物转化、化学渗透释放和电泳等技术引人双水相分配，给已有的技术赋予了新的内涵，为新分离过程的诞生提供了新的思路。,26,5.7,双水相萃取相关理论的发展,虽然双水相萃取技术在应用方面取得了很大进展，但目前这些工作几乎都只是建立在实验数据的基础上，至今还没有一套比较完善的理论来解释生物大分子在体系中的分配机理。考虑到生物物质在双水相系统中分配时是一个由聚合物、聚合物,(,或无机盐,),、生物分子和水等构成的四元系统，系统中的组分性质千差万别，从晶体到无定形聚合物、从非极性到极性、从电解质到非电解质、从无机小分子到有机高分子甚至生物大分子，这些都不可避免地造理论计算的复杂性。因此，建立溶质在职水相系统中分配的机理模型一直是双水相系统相关研究的重点和难点。,27,参考文献,1.,苏永祥,孙月枝,.,双水相萃取技术的研究现状及应用,J.,焦作师范高等专科学校学报,.2007,23(3):63-65,2.,徐长波,王巍杰,.,双水相萃取技术研究进展,J.,化工科技,.2009,17(2):75,79,3.,江咏,.,双水相萃取技术的研究进展与应用,J.,食品工业科技,.2007,28(10):235-238,4.,范芳,.,双水相萃取技术的应用进展,J.,化学与生物工程,.2011,28(7):16-20,28,5.,杨善生等,.,双水相萃取技术及其应用,J.,化学工程师,.2004,103(4):37-40,6.,郭黎平,.,双水相萃取技术的研究进展,J.,东北师范大学自然科学版,.2000,32(3):34-40,7.,马宏春等,.,双水相萃取技术的应用研究进展,J.,光谱实验室,.2010,27(5):1906-1914,8.,朱茂电,.,双水相萃取技术进展及其应用概况,J.,江苏化工,.2007,35(6):5-8,9.,郭宪厚,.,双水相萃取技术研究进展,J.,广州化工,.2008,36(5):17-20,10.,徐长波,王巍杰,.,双水相萃取技术研究进展,J.,化工技术与开发,.2009,38(5):40-44,29,11.,谭平华,林金清,肖春妹,郝三存,.,双水相萃取技术研究进展及应用,J.,化工生产与技术,.2003,10(1):19-23,30,