1、双水相萃取技姓名：刘祥庆班级：化101-4学号:201055504433双水相萃取技术及其发展趋势关键词：双水相萃取；应用；发展摘 要：主要介绍了双水相萃取技术的基本原理、应用特点以及其发展趋势萃取是利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶 剂内转移到另外一种溶剂中，达到物质分离的目的。双水相萃取是利用组分在两个互不相溶的水相中的溶解度不同而达到分离的萃取技术。由于双水相萃取分离过程条件温和、可调节因素多、易于放大和操作，并可借助传统溶剂萃取的相关理论和经验，不存在有机溶剂残留问题，特别适用于生物物质的分离和提纯。目前，双水相萃取技术已被广泛地应用于医
2、药化学、细胞生物学、生物化工和食品工业等领域，被认为是生物下游工程中一种具有广阔应用前景的分离技术1、 双水相萃取的基本要点1.1双水相萃取技术的原理 双水相体系萃取分离原理与基本的液液萃取是一样的，是基于物质在双水相体系中的选择性分配。当物质进入双水相体系后，在上相和下相间进行选择性分配，这种分配关系与常规的萃取分配关系相比，表现出更大或更小的分配系数。 当物质进入双水相体系后，由于表面性质、电荷作用和各种力( 如憎水键氢键和离子键等) 的存在和环境的影响，使其在上、下相中的浓度不同。其分配规律服从Nernst 分配定律，即 K=Ct/Cb，其中分别为上相和下相的浓度， K 为分配系数。各种
3、物质的分配系数K 是不一样的，因而双水相体系对生物物质的分配具有很大的选择性。水溶性两相的形成条件和定量关系常用相图来表示，以PEG/ Dextran体系的相图为例(图1 )图1 PEG/ Dextran 体系的相图 这两种聚合物都能与水无限混合，当它们的组成在图1曲线的上方时( 用M点表示)体系就会分成两相，分别有不同的组成和密度，轻相( 或称上相) 组成用T点表示，重相( 或称下相)组成用B表示。C为临界点，曲线TCB称为结线，直线 TMB称为系线。结线上方是两相区，下方是单相区。所有组成在系统上的点，分成两相后，其上下相组成分别为T 和B。M点时两相T和B 的量之间的关系服从杠杆定律，即
4、T和B相重量之比等于系线上MB与MT的线段长度之比。以分离细胞中蛋白质为例，其工艺流程图见图2图 2 双水相萃取工艺流程图1.2 影响物质分配平衡的因素物质在双水相体系中的分配系数不是一个确定 的量 ，它要受许多因素的影响(表 1) 。对于某一物质，只要选择合适的双水相体系，控制一定的条件，就可以得到合适的(较大的) 分配系数，从而达到分离纯化之目的，包括直接从细胞破碎匀浆液中萃取蛋白质而无须将细胞碎片分离。改变体系的 pH 值和电解质浓度可进行反萃取。表 1 影响生物物质分配的主要因素与目的产物 与离子有关 与环境有关与聚合物有关的因素有关的因素 的因素 的因素聚合物的种类 电荷 离子的种类
5、 体系的温度聚合物的结构 大小 离子的浓度 体系的 pH 值聚合物的平均分子量 形状 离子的电荷聚合物的浓度（1）聚合物及其分子量的影响不同聚合物的水相系统显示出不同的疏水性，水溶液中聚合物的疏水性按下列次序递增:葡萄糖硫酸盐 甲基葡萄糖 葡萄糖 羟丙基葡聚糖 甲基纤维素 聚乙烯醇 聚乙二醇 聚丙三醇;这种疏水性的差异对目的产物与相的相互作用是重要的。同一聚合物的疏水性随分子量增加而增加，其大小的选择依赖于萃取过程的目的和方向，若想在上相获得较高的蛋白质收率，对于 PEG 聚合物，应降低它的平均分子量，相反，若想在下相获得较高的蛋白质收率，则平均分子量应增加。（2）pH 值的影响体系的 pH
6、值对被萃取物的分配有很大影响，这是由于体系的 pH 值变化能明显的改变两相的电位差。如体系 pH 值与蛋白质的等电点相差越大，则蛋白质在两相中分配越不均匀。血清蛋白在两种盐系统中分配系数 m 与 pH 的关系（3）离子环境对蛋白质在两相体系分配的影响在双水相聚合物系统中，加入电解质时，其阴阳离子在两相间会有不同的分配。同时，由于电中性的约束，存在一穿过相界面的电势差 ( Donnan 电势) ，它是影响荷电大分子如蛋白质和核酸等分配的主要因素。同样，对于粒子迁移也有相似的影响，粒子因迁移而在界面上积累。故只要设法改变界面电势，就能控制蛋白质等电荷大分子转入某一相。（4）温度的影响分配系数对温度
7、的变化不敏感，这是由于成相聚合物对蛋白质有稳定化作用，所以室温操作活性收率依然很高，而且室温时粘度较冷却时(4 ) 低，有助于相的分离并节省了能源开支。1.3 双水相萃取的主要优点(1)系统含水量多达 75 %90 %，两相界面张 力极低(10 - 7 10 - 4 Nm - 1 )，有助于保持生物活性和强化相际间的质量传递，但也有系统易乳化的问题，值得注意。(2)分相时间短(特别是聚合物/ 盐系统)，自然分相时间一般只有 515min 。双水相分配技术易于连续化操作。若系统物性研究透彻 ,可运用化学工程中的萃取原理进行放大，但要加强萃取设备方面的研究。(3)目标产物的分配系数一般大于 3，大
8、多数情况下，目标产物有较高的收率。(4)大量杂质能够与所有固体物质一起去掉，与其它常用固液分离方法相比，双水相分配技术可省去 12 个分离步骤，使整个分离过程更经济。(5)设备投资费用少，操作简单，不存在有机溶剂残留问题。(6)可以直接从含有菌体的发酵液和培养液中提取所需的蛋白质（或者酶） ，还能不经过破碎直接提取细胞内酶，省略了破碎或过滤等步骤。四、双水相萃取技术的缺点：1、易乳化2、相分离时间长3、分辨效率不高4、系统中水的含量高，分离后的蛋白质液浓度低，需要浓缩以提高产物的浓度。5、分离后的蛋白质液含有高分子聚合物和盐类，需要将其除去。五、双水相萃取技术的应用1、分离和提纯各种蛋白质(
9、酶)用 PEG/ (NH4) 2 SO4 双水相体系 ,经一次萃取从- 淀粉酶发酵液中分离提取- 淀粉酶和蛋白 酶9 ，萃取最适宜条件为PEG1000 ( 15 %) -(NH4) 2SO4 (20 %) ,pH = 8 , - 淀粉酶收率为 90 %，分配系数为 19. 6，蛋白酶的分离系数高达15. 1。比活率为原发酵液的1. 5倍，蛋白酶在水相中的收率高于60 %。通过向萃取相(上相) 中加入适当浓度的(NH 4)2SO4可达到反萃取。实验结果表明，随着(NH 4) 2SO4 浓度的增加，双水相体系两相间固体物质析出量也增加。固体沉淀物即可干燥后生产工业级酶制剂，也可将固体物加水溶解后用
10、有机溶剂沉淀法制造食品级酶制剂。萃取分离小分子物质双水相萃取技术除了能分离大分子物质外，还可以萃取分离小分子物质， 如萃取大豆苯丙氨酸、发酵液中谷胱甘肽等。2、提取抗生素和分离生物粒子用双水相技术直接从发酵液中将丙酰螺旋霉素与菌体分离后进行提取， 可实现全发酵液萃取操作。采用 PEG/ Na2 HPO4 体系， 最佳萃取条件是 pH = 8. 08. 5 ，PEG2000 (14 %) / Na2 HPO4 (18 %)，小试收率达 69. 2 % ,对照的乙酸丁酯萃取工艺的收率为 53. 4 %，PEG 不同相对分子质量对双水相提取丙酰螺旋霉素的影响不同，适当选择小的相对分子质量的 PEG
11、有利于减小高聚物分子间的排斥作用 ，并能降低体系粘度，有利于抗生素分离。采用双水相技，可直接处理发酵液，且基本消除乳化现象，在一定程度上提高了萃取收率，加快了实验进程 ，但引起纯度下降，需要进一步研究和改进3、天然产物的分离与提取中草药是我国医药宝库中的瑰宝，已有数千年的历史 ,但由于天然植物中所含的化合物众多，特别是中草药有效成分的确定和提取技术发展缓慢，使我国传统中药难以进军国际市场。双水相萃取技术可用于许多天然产物的分离纯化，效果明显 六、双水相萃取技术的发展趋势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
12、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，如变性淀粉、乙基羟乙基纤维素等。另一方面开发可替代聚乙二醇和葡聚糖的高聚物(2)温度诱导双水相体系，环氧乙烷-环氧丙烷共聚物(EO-PO) 具有较低的浊点，在水溶液中，当温度超过其浊点时会形成新的两相，目标产物分配在水相，而富含EO-PO 的一相得以回收。RadosawDembczy ski33研究用EO 50 PO50 与磷酸钾组成的温度诱导双水相体系从鸡蛋白中萃取出了溶解酵素。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
13、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。3、表面活性剂双水相体系表面活性剂双水相是指正、负离子表面活性剂混合水溶液在一定浓度及混合比范围内，自发分离形成的两个互不相溶的水相。由于表面活性剂具有亲水基和亲油基的结构特点，使得这种双水相在萃取分离时具有选择性好。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。5、双水相
14、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。6、双水相电泳双水相电泳技术就是电泳技术与萃取技术交叉藕合形成的一种新型分离技术，该技术是在多液相状态，既可以克服对流（返混）的不利影响，又有利于被分离组分的移出。此外，国内外又相继开展了微重力双水相萃取高速逆流双水相分配双 水 相 电 萃 取 温 度 诱导相分离双水相萃取等新技术的研究。七、双水相萃取技术的局限和未来展望目前，双水相萃取技术已被研究用于众多生物产品的分离提纯，并显示出众多其他分离技术不具备的优点，是一种应用前景广阔的新型生物分离技术。但是，要将这一技术开发应用到大规模生产过程，还有许多理论和实践方面的技术问题有待解决。主要表现在如
