雙水相萃取技術(shù)及其應(yīng)用

1、 學科前沿進展題 目： 雙水相萃取技術(shù)及其應(yīng)用 學 院： 化學化工學院 專 業(yè)： 生物工程 班級： 0801 學號：200806030106 學生姓名： 李 夫 教師姓名： 謝 濤 完成日期： 2011年10月30日 雙水相萃取技術(shù)及其應(yīng)用摘要：介紹了雙水相萃取技術(shù)(ATPE)的應(yīng)用現(xiàn)狀，綜述了近年來取水相萃取技術(shù)的相關(guān)研究進展。針對雙水相系統(tǒng)(ATPE)的經(jīng)濟適用性問題，對新型ATPS相組成材料的研究取得了極大的發(fā)展；為了提高雙水相萃取技術(shù)的選擇性和分離效率，在組成傳統(tǒng)ATPS的聚合物上偶聯(lián)親和配基的親和ATPS也得到關(guān)注；雙水相萃取技術(shù)的發(fā)展趨勢還體現(xiàn)在與其他生物分離技術(shù)的結(jié)合以及萃取機理

2、和熱力學模型的優(yōu)化上。關(guān)鍵詞：雙水相萃取;原理;應(yīng)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 u

3、sing 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 developmen

4、t 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 partio

5、ning of solute in ATPS need to be optimized.Key words: aqueous two-phase extraction; principle; application雙水相萃取(Aqueous two-phase extraction，AIPE)技術(shù)始于20世紀印年代，從1956年瑞典倫德大學的Albensson發(fā)現(xiàn)雙水相體系到1979年德國GBF的Kula等人將雙水相萃取分離技術(shù)應(yīng)用于生物產(chǎn)品分離，雖然只有20多年的歷史，但由于其條件溫和，容易放大，可連續(xù)操作，目前，已成功地應(yīng)用于蛋白質(zhì)、核酸和病毒等生物產(chǎn)品的分離和純化，雙水相體系也已被成功的

6、應(yīng)用到生物轉(zhuǎn)化及生物分析中。雙水相技術(shù)作為一種新型的分離技術(shù)，因其體積小，處理能力強，成相時間短，適合大規(guī)?；僮鞯忍攸c，已經(jīng)越來越受到人們的重視。雙水相萃取技術(shù)作為一種新型的萃取分離技術(shù)，有著很多的優(yōu)點，但也存在著一定的局限性。一是成相聚合物的價格，如PEG/Dextran體系，葡聚糖比較昂貴，而且體系黏度大。11 雙水相萃取簡介1.1 雙水相的形成雙水相體系的形成主要是由于高聚物之間的不相溶性，即高聚物分子的空間阻礙作用，相互無法滲透，不能形成均一相，從而具有分離傾向，在一定條件下即可分為二相。一般認為只要兩聚合物水溶液的憎水程度有所差異，混合時就可發(fā)生相分離。與一般的水一有機溶劑體系相比

7、較，雙水相體系中兩相的性質(zhì)差別較小。由于折射率的差別甚小，有時甚至都難于發(fā)現(xiàn)它們的相界面。兩相間的界面張力也很小，僅為10-6100N·m-1(一般體系為10-310-2N·m-1)。界面與試管壁形成的接觸角幾乎是直角。常用高聚物體系如表1所示：表1 各種常用雙水相系統(tǒng)1聚合物1聚合物2或鹽聚合物1聚合物2或鹽丙二醇乙基羥乙基纖維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羥丙基葡聚糖葡聚糖葡聚糖硫酸鉀甲基纖維素葡聚糖羥丙基葡聚糖聚乙二醇羥丙基葡聚糖聚乙二醇甲基纖維素聚乙烯醇聚乙烯吡咯烷酮葡聚糖聚蔗糖葡聚糖

8、硫酸鎂硫酸銨硫酸鈉甲酸鈉酒石酸鉀鈉葡聚糖羥丙基葡聚糖1.2 萃取原理雙水相萃取與水一有機相萃取的原理相似，都是依據(jù)物質(zhì)在兩相問的選擇性分配，但萃取體系的性質(zhì)不同。當物質(zhì)進入雙水相體系后，由于表面性質(zhì)、電荷作用和各種力(如憎水鍵、氫鍵和離子鍵等)的存在和環(huán)境的影響，使其在上、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，各種物質(zhì)的K值不同(例如各種類型的細胞粒子、噬菌體等分配系數(shù)都大于100或小于0.01，酶、蛋白質(zhì)等生物大分子的分配系數(shù)大致在0.110之間，而小分子鹽的分配系數(shù)在1.0左右)，因而雙水相體系對生物物質(zhì)的分配具有很大的選擇性。成相聚合物的相對分子質(zhì)量和濃度是影響分配系數(shù)的重

9、要因素，若降低聚合物的相對分子質(zhì)量則蛋白質(zhì)易分配于富含該聚合物的相中成相聚合物的濃度越高，蛋白質(zhì)越容易分配于其中的某一相水溶性兩相的形成條件和定量關(guān)系常用相圖來表示，以PEG/Dextran體系的相圖為例(圖l)，這兩種聚合物都能與水無限混合，當它們的組成在圖1曲線的上方時(用M點表示)體系就會分成兩相，分別有不同的組成和密度，輕相(或稱上相)組成用T點表示，重相(或稱下相)組成用B表示。C為臨界點，曲線TCB稱為結(jié)線，直線TMB稱為系線。結(jié)線上方是兩相區(qū)，下方是單相區(qū)。所有組成在系統(tǒng)上的點，分成兩相后，其上下相組成分別為T和B、M點時兩相T和B的量之間的關(guān)系服從杠桿定律，即T和B相重量之比等

10、于系線上MB與MT的線段長度之比。2T MPEG/%(W)CB Dextran 圖1 PEG/Dextran體系相圖1.3 雙水相萃取的特點雙水相萃取是一種可以利用較為簡單的設(shè)備，并在溫和條件下進行簡單操作就可獲得較高收率和純度的新型分離技術(shù)。與一些傳統(tǒng)的分離方法相比，雙水相萃取技術(shù)具有以下獨有的特點：(1)兩相間的界面張力小，一般為10-710-4mN·m-1(一般體系10-32×10-2mN·m-1)，因此兩相易分散，而且它比一般的有機萃取兩相體系界面張力低的多，這樣有利于強化相際間的物質(zhì)傳遞。(2)操作條件溫和，由于雙水相的界面張力大大低于有機溶劑與水相之間

11、的界面張力，整個操作過程可以在常溫常壓下進行，對于生物活性物質(zhì)的提取來說有助于保持生物活性和強化相際傳質(zhì)。(3)雙水相體系中的傳質(zhì)和平衡速度快，回收率高，分相時間短，傳質(zhì)過程和平衡過程速度均很快，自然分相時間一般為515min，因此相對于某些分離過程來說，能耗較低，而且可以實現(xiàn)快速的分離。(4)大量雜質(zhì)能夠與所有固體物質(zhì)一起去掉，與其他常用固液分離方法相比，雙水相分配技術(shù)可省去12個分離步驟，使整個分離過程更經(jīng)濟。(5)含水量高，一般為7590，在接近生理環(huán)境的體系中進行萃取，不會引起生物活性物質(zhì)失活或變性。(6)一般不存在有機溶劑的殘留問題，現(xiàn)已證明形成雙水相的聚合物(如PEG)對人體無害，

12、可用于食品添加劑、注射劑和制藥，因此對環(huán)境污染小。(7)聚合物的濃度、無機鹽的種類和濃度，以及體系的pH值等因素都對被萃取物質(zhì)在兩相間的分配產(chǎn)生影響，因此可以采用多種手段來提高選擇性和回收率。(8)易于連續(xù)化操作，設(shè)備簡單，并且可宜接與后續(xù)提純工序相連接，無需進行特殊處理。例如可以采用高分配系數(shù)和高選擇性的多級逆流分配操作。(9)分配過程因素較多，可以采取多種手段來提高分配選擇性或過程收率。2 雙水相萃取與傳統(tǒng)方法的比較在生物發(fā)酵產(chǎn)品制備中，細胞或細胞碎片的除去是整個分離純化的第一步。傳統(tǒng)分離方法主要采用離心法及過濾法。這兩種方法在實際應(yīng)用中都有一定的缺點，如離心法能耗高，過濾法膜孔容易堵塞。

13、雙水相萃取法，整個操作可以連續(xù)化，除去細胞(細胞碎片)的同時，還可以純化蛋白質(zhì)25倍。表2是在除去細胞碎片時，各種方法的比較。在除去細胞碎片時，雙水相萃取分離技術(shù)是傳統(tǒng)的過濾法和離心法所無法比擬的。一般說來，傳統(tǒng)的分離方法達到與雙水相萃取相同處理量時需要比雙水相萃取多310倍的設(shè)備，而且傳統(tǒng)分離方法放大困難。近年來，親和雙水相萃取的出現(xiàn)，大大地提高了雙水相萃取的選擇性，而且親和雙水相萃取比雙水相萃取具有更大潛力，因其傳質(zhì)阻力小，處理量大等。目前延胡索酸脫氫酶和乳酸脫氫酶的雙水相萃取純化工藝，均已達到中試規(guī)模。 表1 不同方法除去細胞碎片的比較3方 法細胞量(kg)體積(L)濃度(kg/1)處理

14、量(1/h)時空產(chǎn)量(kg/1h)收率(%)濃縮倍數(shù)時間(h)成本()雙水相萃取碟式離心機連續(xù)分離1003300.31200.11903537.8碟式離心機間歇離心：7000m210010000.11000.018511030.0轉(zhuǎn)鼓式過濾器A：1.5m21005000.2600.028518.346.0中空纖維錯流過濾A：10m2(a)20m2(b)1001002004000.050.032004000.0050.003858511101025.040.03 雙水相萃取的應(yīng)用3.1 生物工程技術(shù)中物質(zhì)的提取與純化雙水相萃取分離技術(shù)已應(yīng)用于蛋白質(zhì)、生物酶、菌體、細胞、細胞器和親水性生物大分子以

15、及氨基酸、抗生素等生物小分子物質(zhì)的分離、純化。生物酶類在雙水相的分離和純化中，部分已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化。如工業(yè)化分離甲酸脫氫酶處理量達到50 kg濕細胞規(guī)模，萃取收率在90%以上，純化因子為18。在細胞、蛋白質(zhì)、病毒、抗生素等物質(zhì)的分離方面，文獻陸續(xù)報道，如用PEG/無機鹽體系分離含膽堿受體的細胞；用雙水相體系從牛奶中純化蛋白；用PEG/NaDS雙水相體系對脊髓病毒和線病毒進行純化；用PEG/K2HPO4雙水相體系處理青霉素G發(fā)酵液等等的回收率、分配系數(shù)均達到較大值。3.2 中草藥有效成分的提取中草藥是我國的國寶，已有幾千年的應(yīng)用歷史，但是有關(guān)中草藥有效成分的確定和提取技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展一直比較緩慢，

16、這無疑限制了中藥藥理學的發(fā)展、深化以及中藥現(xiàn)代化。近幾年來，有關(guān)雙水相萃取技術(shù)提取中草藥有效成分的文獻開始報道，盡管數(shù)量不多，但是已有的實例充分表明其有良好的應(yīng)用前景。以乙醇(EtOH)磷酸氫二鉀(K2HPO4)水(H2O)雙水相體系萃取甘草有效成分，在最佳條件下，分配系數(shù)(K)到達12.80，收率(Y)高達98.3%。用雙水相萃取體系富集分離銀杏葉浸取液的研究，也表現(xiàn)良好的分配系數(shù)和分離效果。3.3 雙水相萃取分析常規(guī)的檢測生物物質(zhì)的技術(shù)既繁瑣又費時，很難及時滿足現(xiàn)代生化生產(chǎn)分析的要求，因而開發(fā)一種快速、方便、準確的生物活性物質(zhì)的檢測技術(shù)是必要的?；谝阂后w系或界面性質(zhì)而開發(fā)的分析檢測技術(shù)是

17、一項潛在的有應(yīng)用價值的生化檢測分析技術(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定和細胞數(shù)的測定。如強心藥物異羥基毛地黃毒苷(簡稱黃毒苷)的免疫測定，雙水相體系檢測螺旋霉素的電化學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)進行的分析。43.4 稀有金屬/貴金屬分離傳統(tǒng)的稀有金屬/貴金屬溶劑萃取方法存在溶劑污染環(huán)境，對人體有害，運行成本高，工藝復雜等缺點。雙水相技術(shù)萃取技術(shù)引入到該領(lǐng)域，無疑是金屬分離的一種新技術(shù)。在聚乙二醇 2000硫酸銨偶氮胂()雙水相體系中，可以實現(xiàn)Ti()與Zr()的分離；在聚乙二醇PEG2000硫酸鈉硫氰酸鉀雙水相體系中，實現(xiàn)了Co()、Ni()、Mo()等金屬離子