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1、精选优质文档-倾情为你奉上 学科前沿进展题 目： 双水相萃取技术及其应用 学 院： 化学化工学院 专 业： 生物工程 班级： 0801 学号：6 学生姓名： 李 夫 教师姓名： 谢 涛 完成日期： 2011年10月30日 双水相萃取技术及其应用摘要：介绍了双水相萃取技术(ATPE)的应用现状，综述了近年来取水相萃取技术的相关研究进展。针对双水相系统(ATPE)的经济适用性问题，对新型ATPS相组成材料的研究取得了极大的发展；为了提高双水相萃取技术的选择性和分离效率，在组成传统ATPS的聚合物上偶联亲和配基的亲和ATPS也得到关注；双水相萃取技术的发展趋势还体现在与其他生物分离技术的结合以及萃取
2、机理和热力学模型的优化上。关键词：双水相萃取;原理;应用The Techniques and Application of the Aqueous Two-Phase ExtractionAbstract：The applications of the aqueous two-phase extraction(ATPE) in the years were summarized, and the advances on the research of ATPE were reviewed The novel aqueous two-phase systems were developed by
3、 using the cheaper phase forming polymer. In order to improve the selective and separation efficiency，the affinity extraction using aqueous two-phase systems(ATPS) which links affinity ligand to polymer In traditional ATPS got progressed. The integration with related techniques was also the developm
4、ent direction of ATPE, which overcame some shortcomings in the single ATPE. Although the application of the extraction equipments and continuous operation technique in ATPE indicated that the industrializations of APTE were growing up, establishing the thermodynamic model and theories about the part
5、ioning of solute in ATPS need to be optimized.Key words: aqueous two-phase extraction; principle; application双水相萃取(Aqueous two-phase extraction，AIPE)技术始于20世纪印年代，从1956年瑞典伦德大学的Albensson发现双水相体系到1979年德国GBF的Kula等人将双水相萃取分离技术应用于生物产品分离，虽然只有20多年的历史，但由于其条件温和，容易放大，可连续操作，目前，已成功地应用于蛋白质、核酸和病毒等生物产品的分离和纯化，双水相体系也已被成
6、功的应用到生物转化及生物分析中。双水相技术作为一种新型的分离技术，因其体积小，处理能力强，成相时间短，适合大规模化操作等特点，已经越来越受到人们的重视。双水相萃取技术作为一种新型的萃取分离技术，有着很多的优点，但也存在着一定的局限性。一是成相聚合物的价格，如PEG/Dextran体系，葡聚糖比较昂贵，而且体系黏度大。11 双水相萃取简介1.1 双水相的形成双水相体系的形成主要是由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。一般认为只要两聚合物水溶液的憎水程度有所差异，混合时就可发生相分离。与一般的水一有机溶剂体系
7、相比较，双水相体系中两相的性质差别较小。由于折射率的差别甚小，有时甚至都难于发现它们的相界面。两相间的界面张力也很小，仅为10-6100Nm-1(一般体系为10-310-2Nm-1)。界面与试管壁形成的接触角几乎是直角。常用高聚物体系如表1所示：表1 各种常用双水相系统1聚合物1聚合物2或盐聚合物1聚合物2或盐丙二醇乙基羟乙基纤维素聚丙二醇聚乙二醇聚乙烯吡咯烷酮甲氧基聚乙二醇聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮甲基聚丙二醇聚乙二醇聚乙烯醇聚乙烯吡咯烷酮羟丙基葡聚糖葡聚糖葡聚糖硫酸钾甲基纤维素葡聚糖羟丙基葡聚糖聚乙二醇羟丙基葡聚糖聚乙二醇甲基纤维素聚乙烯醇聚乙烯吡咯烷酮葡聚糖聚蔗糖葡聚糖硫酸镁硫酸铵硫酸钠甲
8、酸钠酒石酸钾钠葡聚糖羟丙基葡聚糖1.2 萃取原理双水相萃取与水一有机相萃取的原理相似，都是依据物质在两相问的选择性分配，但萃取体系的性质不同。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。分配系数K等于物质在两相的浓度比，各种物质的K值不同(例如各种类型的细胞粒子、噬菌体等分配系数都大于100或小于0.01，酶、蛋白质等生物大分子的分配系数大致在0.110之间，而小分子盐的分配系数在1.0左右)，因而双水相体系对生物物质的分配具有很大的选择性。成相聚合物的相对分子质量和浓度是影响分配系数的重要因素，若降低聚合物
9、的相对分子质量则蛋白质易分配于富含该聚合物的相中成相聚合物的浓度越高，蛋白质越容易分配于其中的某一相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l)，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T和B相重量之比等于系线上MB与MT的
10、线段长度之比。2T MPEG/%(W)CB Dextran 图1 PEG/Dextran体系相图1.3 双水相萃取的特点双水相萃取是一种可以利用较为简单的设备，并在温和条件下进行简单操作就可获得较高收率和纯度的新型分离技术。与一些传统的分离方法相比，双水相萃取技术具有以下独有的特点：(1)两相间的界面张力小，一般为10-710-4mNm-1(一般体系10-3210-2mNm-1)，因此两相易分散，而且它比一般的有机萃取两相体系界面张力低的多，这样有利于强化相际间的物质传递。(2)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
11、性物质的提取来说有助于保持生物活性和强化相际传质。(3)双水相体系中的传质和平衡速度快，回收率高，分相时间短，传质过程和平衡过程速度均很快，自然分相时间一般为515min，因此相对于某些分离过程来说，能耗较低，而且可以实现快速的分离。(4)大量杂质能够与所有固体物质一起去掉，与其他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)含水量高，一般为7590，在接近生理环境的体系中进行萃取，不会引起生物活性物质失活或变性。(6)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。(7)
12、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。(8)易于连续化操作，设备简单，并且可宜接与后续提纯工序相连接，无需进行特殊处理。例如可以采用高分配系数和高选择性的多级逆流分配操作。(9)分配过程因素较多，可以采取多种手段来提高分配选择性或过程收率。2 双水相萃取与传统方法的比较在生物发酵产品制备中，细胞或细胞碎片的除去是整个分离纯化的第一步。传统分离方法主要采用离心法及过滤法。这两种方法在实际应用中都有一定的缺点，如离心法能耗高，过滤法膜孔容易堵塞。双水相萃取法，整个操作可以连续化，除去细胞(细胞碎片)的
13、同时，还可以纯化蛋白质25倍。表2是在除去细胞碎片时，各种方法的比较。在除去细胞碎片时，双水相萃取分离技术是传统的过滤法和离心法所无法比拟的。一般说来，传统的分离方法达到与双水相萃取相同处理量时需要比双水相萃取多310倍的设备，而且传统分离方法放大困难。近年来，亲和双水相萃取的出现，大大地提高了双水相萃取的选择性，而且亲和双水相萃取比双水相萃取具有更大潜力，因其传质阻力小，处理量大等。目前延胡索酸脱氢酶和乳酸脱氢酶的双水相萃取纯化工艺，均已达到中试规模。 表1 不同方法除去细胞碎片的比较3方 法细胞量(kg)体积(L)浓度(kg/1)处理量(1/h)时空产量(kg/1h)收率(%)浓缩倍数时间
14、(h)成本()双水相萃取碟式离心机连续分离1003300.31200.11903537.8碟式离心机间歇离心：7000m210010000.11000.018511030.0转鼓式过滤器A：1.5m21005000.2600.028518.346.0中空纤维错流过滤A：10m2(a)20m2(b)1001002004000.050.032004000.0050.003858511101025.040.03 双水相萃取的应用3.1 生物工程技术中物质的提取与纯化双水相萃取分离技术已应用于蛋白质、生物酶、菌体、细胞、细胞器和亲水性生物大分子以及氨基酸、抗生素等生物小分子物质的分离、纯化。生物酶类在
15、双水相的分离和纯化中，部分已经实现了工业化。如工业化分离甲酸脱氢酶处理量达到50 kg湿细胞规模，萃取收率在90%以上，纯化因子为18。在细胞、蛋白质、病毒、抗生素等物质的分离方面，文献陆续报道，如用PEG/无机盐体系分离含胆碱受体的细胞；用双水相体系从牛奶中纯化蛋白；用PEG/NaDS双水相体系对脊髓病毒和线病毒进行纯化；用PEG/K2HPO4双水相体系处理青霉素G发酵液等等的回收率、分配系数均达到较大值。3.2 中草药有效成分的提取中草药是我国的国宝，已有几千年的应用历史，但是有关中草药有效成分的确定和提取技术在国内发展一直比较缓慢，这无疑限制了中药药理学的发展、深化以及中药现代化。近几年
16、来，有关双水相萃取技术提取中草药有效成分的文献开始报道，尽管数量不多，但是已有的实例充分表明其有良好的应用前景。以乙醇(EtOH)磷酸氢二钾(K2HPO4)水(H2O)双水相体系萃取甘草有效成分，在最佳条件下，分配系数(K)到达12.80，收率(Y)高达98.3%。用双水相萃取体系富集分离银杏叶浸取液的研究，也表现良好的分配系数和分离效果。3.3 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
17、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。43.4 稀有金属/贵金属分离传统的稀有金属/贵金属溶剂萃取方法存在溶剂污染环境，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。在聚乙二醇 2000硫酸铵偶氮胂()双水相体系中，可以实现Ti()与Zr()的分离；在聚乙二醇PEG2000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(PEG)/硫酸钠(Na2SO4)双水相体系中，能从碱性氰化液中萃取分离金属氰化物。参考文献：1 辜 鹏,谢放华.双水相萃取技术的研究现状与应用J.化工技术与开发.2007,36(11):29-302 杨善升,陆文聪,包伯荣.双水相萃取技术及其应用J. 化学工程师. 2004,18(4):38-393 马春宏,朱 红,王 良,等.双水相萃取技术的应用研究进展J.光谱实验室.2010,27(5):19-204 谭天伟,沈忠耀.双水相萃取分离技术的评价和展望.J.微生物学通报.1996,23(6):368-369专心-专注-专业