第五章萃取技術(shù)

1、第五章第五章 萃萃 取取 技技 術(shù)術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 萃取技術(shù)概述萃取技術(shù)概述一基本概念一基本概念1 1萃取萃取2 2反萃取反萃取3 3物理萃取和化學(xué)萃取物理萃取和化學(xué)萃取 1. 萃萃 取取萃取技術(shù)的分類萃取技術(shù)的分類萃取劑液體原料固體原料超臨界流體液固萃取（浸?。╇p水相萃取液膜萃取反膠束萃取有機(jī)溶劑萃取液液萃取液體2反反 萃萃 取取3物理萃取和化學(xué)萃取物理萃取和化學(xué)萃取 例： 利用季銨鹽(如氯化三辛基甲銨，R+Cl-)為萃取劑萃取氨基酸時(shí)，陰離子氨基酸(A-)通過(guò)與萃取劑在水相和萃取相間發(fā)生下述離子交換反應(yīng)而進(jìn)入萃取相。 其中橫杠表示該組分存在于萃取相。ClARAClR二分配定律與分配平衡 12

2、ccA 分配定律分配定律即溶質(zhì)的分配平衡規(guī)律溶質(zhì)的分配平衡規(guī)律，即：在恒溫恒壓條件下，溶質(zhì)在互不相溶的兩相中達(dá)到分配平衡時(shí)，如果其在兩相中的相對(duì)分子質(zhì)量相等，則其在兩相中的平衡濃度（摩爾濃度）之比為常數(shù)，即 （5-1） A稱為分配常數(shù)。12ccA 多數(shù)情況下，溶質(zhì)在各相中并非以同一種分子形態(tài)存在，特別是在化學(xué)萃取中。因此，萃取過(guò)程中常用溶質(zhì)在兩相中的總濃度之比表示溶質(zhì)的分配平衡，該比值稱為分配系數(shù)分配系數(shù)或分配比分配比 （5-2）其中，c1,t和c2,t為溶質(zhì)在相1和相2中的總摩爾濃度，m為分配系數(shù)。ttccm, 1, 2第二節(jié) 溶劑萃取一弱電解質(zhì)的分配平衡一弱電解質(zhì)的分配平衡弱電解質(zhì)在水相中

3、發(fā)生不完全解離，弱電解質(zhì)在水相中發(fā)生不完全解離，僅僅是游離酸或游離堿在兩相產(chǎn)生分配平僅僅是游離酸或游離堿在兩相產(chǎn)生分配平衡，而酸根或堿基不能進(jìn)入有機(jī)相。衡，而酸根或堿基不能進(jìn)入有機(jī)相。萃取達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，一方面弱電解萃取達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，一方面弱電解質(zhì)在水相中達(dá)到質(zhì)在水相中達(dá)到解離平衡解離平衡，另一方面未解，另一方面未解離的游離電解質(zhì)在兩相中達(dá)到離的游離電解質(zhì)在兩相中達(dá)到分配平衡分配平衡。 AHHAKa弱酸性電解質(zhì)的解離平衡關(guān)系為：弱酸性電解質(zhì)的解離平衡關(guān)系為：解離平衡常數(shù)為解離平衡常數(shù)為 （5-3）其中，其中，KaKa為弱酸的解離常數(shù)；為弱酸的解離常數(shù)； AHAH和和AA- - 分別為游離酸和

4、其酸根分別為游離酸和其酸根離子的濃度。離子的濃度。 AHHAKaHAAH如果在有機(jī)相中溶質(zhì)不發(fā)生締和，如果在有機(jī)相中溶質(zhì)不發(fā)生締和，僅以單分子形式存在，則游離的單分僅以單分子形式存在，則游離的單分子溶質(zhì)符合分配定律，其分配常數(shù)為子溶質(zhì)符合分配定律，其分配常數(shù)為 （5-4）其中，其中， 表示有機(jī)相中游離酸的表示有機(jī)相中游離酸的濃度，濃度，Aa為游離酸的分配常數(shù)。為游離酸的分配常數(shù)。AHAHAaAH利用一般的分析方法測(cè)得的水利用一般的分析方法測(cè)得的水相濃度為游離酸和酸根離子的總相濃度為游離酸和酸根離子的總濃度，故為方便起見(jiàn)，用水相總濃度，故為方便起見(jiàn)，用水相總濃度濃度c表示酸的濃度，即表示酸的濃度

5、，即 （5-5）AAHc合并上述三式，可得到有機(jī)相合并上述三式，可得到有機(jī)相中游離酸濃度：中游離酸濃度： （5-6）HKHcAAHaa設(shè)有機(jī)相中的濃度 和水相中濃度c之比為分配系數(shù)，則 （5-7）該式還可表示為 （5-8）其中，pKa-logKacHKHAmaaaaaapKpHmA ) 1log(二化學(xué)萃取平衡 氨基酸等兩性電解質(zhì)不能采用物理氨基酸等兩性電解質(zhì)不能采用物理萃取，而需采用化學(xué)萃取方法。萃取，而需采用化學(xué)萃取方法。常用氨基酸的萃取劑有季銨鹽類常用氨基酸的萃取劑有季銨鹽類（如氯化三辛基甲銨）、磷酸酯類等。（如氯化三辛基甲銨）、磷酸酯類等。氨基酸解離平衡為 其中K1和K2為解離平衡常數(shù)

6、。分別用A、A+、A-表示偶極離子、陽(yáng)離子、陰離子型氨基酸。 （5-9） （5-10） AHAK1 AHAK2利用陰離子交換萃取劑氯化三辛基甲銨(TOMAC，記作R+Cl-)，只有陰離子型氨基酸與萃取劑發(fā)生離子交換反應(yīng)，反應(yīng)平衡常數(shù)為 （5-11）ClRAClARKeCl氨基酸和Cl-的表觀分配系數(shù)分別為 （5-12） （5-13）其中，mA和mCl分別為氨基酸和氯離子的分配系數(shù)，cA為水相氨基酸總濃度 （5-14）AAcARmClClRmCl AAAcA從式(5-9)至(5-14)可推導(dǎo)出下式 （5-15） 12122)1 (KKHKHmKmCleClA事實(shí)上，陰離子氨基酸的離子交換反應(yīng)需在

7、高于其等電點(diǎn)的pH范圍內(nèi)進(jìn)行，所以式（5-14）中的A+可忽略不計(jì)，式(5-15)簡(jiǎn)化成下式 （5-16） HKKmKmcleClA221水相物理?xiàng)l件的影響水相物理?xiàng)l件的影響q水相水相pH值值q溫度溫度q無(wú)機(jī)鹽無(wú)機(jī)鹽無(wú)論是物理萃取還是化學(xué)萃取，無(wú)論是物理萃取還是化學(xué)萃取，水相水相pH值對(duì)弱電解質(zhì)分配系數(shù)均具值對(duì)弱電解質(zhì)分配系數(shù)均具有顯著影響。有顯著影響。物理萃取時(shí)，弱酸性電解質(zhì)的分物理萃取時(shí)，弱酸性電解質(zhì)的分配系數(shù)隨配系數(shù)隨pHpH降低而增大，而弱堿性電降低而增大，而弱堿性電解質(zhì)則正相反。解質(zhì)則正相反。 水相水相pH值值青霉素是較強(qiáng)的有機(jī)青霉素是較強(qiáng)的有機(jī)酸，較低酸，較低pH有利于青霉有利于青

8、霉素在有機(jī)相中的分配，當(dāng)素在有機(jī)相中的分配，當(dāng)pH大于大于6.0時(shí)，青霉素幾時(shí)，青霉素幾乎完全分配于水相中。乎完全分配于水相中。選擇適當(dāng)?shù)倪x擇適當(dāng)?shù)膒H，不僅，不僅有利于提高青霉素的收率，有利于提高青霉素的收率，還可根據(jù)共存雜質(zhì)的性質(zhì)還可根據(jù)共存雜質(zhì)的性質(zhì)和分配系數(shù)，提高青霉素和分配系數(shù)，提高青霉素的萃取選擇性。的萃取選擇性。 水相水相pH值對(duì)青霉素分配系數(shù)的影響值對(duì)青霉素分配系數(shù)的影響紅霉素是堿性電解質(zhì)，在乙酸乙酯紅霉素是堿性電解質(zhì)，在乙酸乙酯和和pH9.8的水相之間分配系數(shù)為的水相之間分配系數(shù)為44.7，而，而水相水相pH降至降至5.5時(shí)，分配系數(shù)為時(shí)，分配系數(shù)為14.4。通過(guò)調(diào)節(jié)水相的通

9、過(guò)調(diào)節(jié)水相的pH值，控制溶質(zhì)的值，控制溶質(zhì)的分配行為，從而提高萃取率的方法已廣分配行為，從而提高萃取率的方法已廣泛應(yīng)用于抗生素和有機(jī)酸等弱電解質(zhì)的泛應(yīng)用于抗生素和有機(jī)酸等弱電解質(zhì)的萃取操作。萃取操作。操作時(shí)需要注意的是操作時(shí)需要注意的是pH值應(yīng)盡量選值應(yīng)盡量選擇在使產(chǎn)物穩(wěn)定的范圍內(nèi)。擇在使產(chǎn)物穩(wěn)定的范圍內(nèi)。 溫度是影響溶質(zhì)分配系數(shù)和萃取速溫度是影響溶質(zhì)分配系數(shù)和萃取速度的重要因素。選擇適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟?，度的重要因素。選擇適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟?，有利于目?biāo)產(chǎn)物的回收和純化。有利于目標(biāo)產(chǎn)物的回收和純化。由于生物產(chǎn)物在較高溫度下不穩(wěn)定，由于生物產(chǎn)物在較高溫度下不穩(wěn)定，故萃取操作一般在常溫或較低溫度下進(jìn)故萃取操

10、作一般在常溫或較低溫度下進(jìn)行。行。 溫度溫度無(wú)機(jī)鹽的存在可降低溶質(zhì)在水相中的無(wú)機(jī)鹽的存在可降低溶質(zhì)在水相中的溶解度，有利于溶質(zhì)向有機(jī)相中分配；另溶解度，有利于溶質(zhì)向有機(jī)相中分配；另一方面可降低有機(jī)溶劑在水中的溶解度。一方面可降低有機(jī)溶劑在水中的溶解度。鹽的添加量要適當(dāng)，用量過(guò)多可能促鹽的添加量要適當(dāng)，用量過(guò)多可能促使雜質(zhì)一起轉(zhuǎn)入溶劑相中，同時(shí)還要考慮使雜質(zhì)一起轉(zhuǎn)入溶劑相中，同時(shí)還要考慮其經(jīng)濟(jì)性，必要時(shí)要回收。其經(jīng)濟(jì)性，必要時(shí)要回收。 無(wú)機(jī)鹽無(wú)機(jī)鹽2有機(jī)溶劑的選擇有機(jī)溶劑的選擇 由相似相溶原理，選擇與目標(biāo)產(chǎn)物極由相似相溶原理，選擇與目標(biāo)產(chǎn)物極性相近的有機(jī)溶劑；性相近的有機(jī)溶劑； 價(jià)廉易得；價(jià)廉易

11、得； 與水相不互溶；與水相不互溶； 與水相有較大密度差，粘度小，表面與水相有較大密度差，粘度小，表面張力適中，相分散和相分離容易；張力適中，相分散和相分離容易； 容易回收和再利用；容易回收和再利用； 毒性低，腐蝕性小，使用安全；毒性低，腐蝕性小，使用安全； 不與目標(biāo)產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)。不與目標(biāo)產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)。常用溶劑常用溶劑醇類：丁醇醇類：丁醇乙酸酯類：乙酸酯類：甲基異丁基甲酮甲基異丁基甲酮乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸丁酯乙酸丁酯乙酸戊酯乙酸戊酯3化學(xué)萃取劑化學(xué)萃取劑化學(xué)萃取是利用脂溶性萃取劑與溶化學(xué)萃取是利用脂溶性萃取劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)生成脂溶性復(fù)合分子質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)生成脂溶性復(fù)合分子實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)向有機(jī)相

12、的分配。實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)向有機(jī)相的分配。萃取劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)包括萃取劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)包括離子交換和絡(luò)合反應(yīng)等。離子交換和絡(luò)合反應(yīng)等。化學(xué)萃取中通常用煤油、己烷、四化學(xué)萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有機(jī)溶劑溶解萃取劑，改氯化碳和苯等有機(jī)溶劑溶解萃取劑，改善萃取相的物理性質(zhì)，此時(shí)的有機(jī)溶劑善萃取相的物理性質(zhì)，此時(shí)的有機(jī)溶劑稱為稱為稀釋劑稀釋劑。用于氨基酸的化學(xué)萃取劑有季銨鹽用于氨基酸的化學(xué)萃取劑有季銨鹽（如氯化三辛基甲銨）等；（如氯化三辛基甲銨）等；用于抗生素的化學(xué)萃取劑有長(zhǎng)鏈脂肪用于抗生素的化學(xué)萃取劑有長(zhǎng)鏈脂肪酸酸( (如月桂酸如月桂酸CHCH3 3(CH(CH2 2) )1010C

13、OOH)COOH)、烴基磺酸、烴基磺酸、三氯乙酸、四丁胺和正十二烷胺等。三氯乙酸、四丁胺和正十二烷胺等。月桂酸可與鏈霉素形成易溶于丁醇、乙酸月桂酸可與鏈霉素形成易溶于丁醇、乙酸丁酯和異辛醇的復(fù)合物，該復(fù)合物在酸性丁酯和異辛醇的復(fù)合物，該復(fù)合物在酸性（pH5.5pH5.55.75.7）條件下可分解。）條件下可分解。因此，鏈霉素可在中性條件下和月桂酸的因此，鏈霉素可在中性條件下和月桂酸的存在下進(jìn)行萃取，然后用酸性水溶液進(jìn)行反萃存在下進(jìn)行萃取，然后用酸性水溶液進(jìn)行反萃取，使復(fù)合物分解，鏈霉素重新溶于水相中。取，使復(fù)合物分解，鏈霉素重新溶于水相中。帶溶劑帶溶劑 帶溶劑能和產(chǎn)物形成復(fù)合物，使產(chǎn)物更帶溶劑

14、能和產(chǎn)物形成復(fù)合物，使產(chǎn)物更易溶于有機(jī)溶劑相中，該復(fù)合物在一定條件易溶于有機(jī)溶劑相中，該復(fù)合物在一定條件下又要容易分解。下又要容易分解。4乳化現(xiàn)象乳化現(xiàn)象乳化乳化即水或有機(jī)溶劑以微小液滴形式即水或有機(jī)溶劑以微小液滴形式分散于有機(jī)相或水相中的現(xiàn)象。分散于有機(jī)相或水相中的現(xiàn)象。 產(chǎn)生乳化使有機(jī)相和水相分層困難，產(chǎn)生乳化使有機(jī)相和水相分層困難，出現(xiàn)兩種夾帶：出現(xiàn)兩種夾帶：發(fā)酵廢液發(fā)酵廢液( (萃余液萃余液) )中夾帶有機(jī)溶劑中夾帶有機(jī)溶劑( (萃萃取液取液) )微滴，使目標(biāo)產(chǎn)物受到損失；微滴，使目標(biāo)產(chǎn)物受到損失；有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑( (萃取液萃取液) )中夾帶發(fā)酵液中夾帶發(fā)酵液( (萃余萃余液液) )

15、，給后處理操作帶來(lái)困難。，給后處理操作帶來(lái)困難。 乳化產(chǎn)生的原因乳化產(chǎn)生的原因 發(fā)酵液中存在的蛋白質(zhì)和固體顆粒等發(fā)酵液中存在的蛋白質(zhì)和固體顆粒等物質(zhì)，這些物質(zhì)具有表面活性作用，使有物質(zhì)，這些物質(zhì)具有表面活性作用，使有機(jī)溶劑機(jī)溶劑( (油油) )和水的表面張力降低，油或水和水的表面張力降低，油或水易于以微小液滴的形式分散于水相或油相易于以微小液滴的形式分散于水相或油相中，形成水包油型（中，形成水包油型（O/WO/W型）乳濁液或油型）乳濁液或油包水型（包水型（W/OW/O型）乳濁液。型）乳濁液。解決辦法解決辦法l 在萃取操作前，對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行過(guò)濾或絮凝在萃取操作前，對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行過(guò)濾或絮凝沉淀處理。沉

16、淀處理。l 產(chǎn)生乳化后，可根據(jù)乳化的程度和乳濁液產(chǎn)生乳化后，可根據(jù)乳化的程度和乳濁液的形式，采取適當(dāng)?shù)钠迫槭侄巍５男问?，采取適當(dāng)?shù)钠迫槭侄巍３Ｓ玫钠迫榉椒ǔＳ玫钠迫榉椒ㄈ绻榛F(xiàn)象不嚴(yán)重，可采用過(guò)濾或離心沉如果乳化現(xiàn)象不嚴(yán)重，可采用過(guò)濾或離心沉降的方法。降的方法。對(duì)于對(duì)于O/WO/W型乳濁液，加入親油性表面活性劑，型乳濁液，加入親油性表面活性劑，可使乳濁液從可使乳濁液從O/WO/W型轉(zhuǎn)變成型轉(zhuǎn)變成W/OW/O型，但由于溶液條型，但由于溶液條件不允許件不允許W/OW/O型乳濁液的形成，即乳濁液不能存型乳濁液的形成，即乳濁液不能存在，從而達(dá)到破乳的目的。在，從而達(dá)到破乳的目的。對(duì)于對(duì)于W/OW/O

17、型乳濁液，加入親水性表面活性劑型乳濁液，加入親水性表面活性劑如十二烷基磺酸鈉可達(dá)到破乳的目的。如十二烷基磺酸鈉可達(dá)到破乳的目的。 概述概述 反膠束及其基本性質(zhì)反膠束及其基本性質(zhì) 反膠束萃取的基本原理反膠束萃取的基本原理 影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素 反膠束萃取蛋白質(zhì)的應(yīng)用示例反膠束萃取蛋白質(zhì)的應(yīng)用示例1 1）大部分蛋白質(zhì)不溶于有機(jī)溶劑，而且）大部分蛋白質(zhì)不溶于有機(jī)溶劑，而且接觸有機(jī)溶劑會(huì)變性；接觸有機(jī)溶劑會(huì)變性；2 2）蛋白質(zhì)分子表面帶有許多電荷，普通）蛋白質(zhì)分子表面帶有許多電荷，普通的離子締合型萃取劑很難進(jìn)行萃取。的離子締合型萃取劑很難進(jìn)行萃取。傳統(tǒng)溶劑萃取方

18、法難以應(yīng)用于蛋白質(zhì)傳統(tǒng)溶劑萃取方法難以應(yīng)用于蛋白質(zhì)的提取和分離：的提取和分離：反膠束萃取的研究始于反膠束萃取的研究始于2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代末期，近年來(lái)該研究已經(jīng)在國(guó)年代末期，近年來(lái)該研究已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外深入開(kāi)展。內(nèi)外深入開(kāi)展。反膠束萃取的問(wèn)世，為蛋白質(zhì)的反膠束萃取的問(wèn)世，為蛋白質(zhì)的分離提取開(kāi)辟了一條具有工業(yè)開(kāi)發(fā)分離提取開(kāi)辟了一條具有工業(yè)開(kāi)發(fā)前景的新途徑。前景的新途徑。反膠束萃取的本質(zhì)仍是液液有機(jī)溶劑反膠束萃取的本質(zhì)仍是液液有機(jī)溶劑萃取，但又有區(qū)別：萃取，但又有區(qū)別：1 1）利用表面活性劑在有機(jī)相中形成反膠）利用表面活性劑在有機(jī)相中形成反膠束，從而在有機(jī)相內(nèi)形成分散的親水束，從而在有機(jī)相內(nèi)形

19、成分散的親水微環(huán)境。微環(huán)境。2 2）生物分子可溶解在反膠團(tuán)的親水微環(huán)）生物分子可溶解在反膠團(tuán)的親水微環(huán)境中，消除了蛋白質(zhì)類生物活性物質(zhì)境中，消除了蛋白質(zhì)類生物活性物質(zhì)難溶于有機(jī)相或在有機(jī)相中發(fā)生不可難溶于有機(jī)相或在有機(jī)相中發(fā)生不可逆變性的現(xiàn)象。逆變性的現(xiàn)象。反膠束萃取的優(yōu)點(diǎn)：反膠束萃取的優(yōu)點(diǎn)：成本低、溶劑可反復(fù)使用、萃取率成本低、溶劑可反復(fù)使用、萃取率和反萃取率都很高。和反萃取率都很高。解決蛋白質(zhì)在非細(xì)胞環(huán)境中迅速解決蛋白質(zhì)在非細(xì)胞環(huán)境中迅速失活的問(wèn)題；失活的問(wèn)題；用于直接從整細(xì)胞中提取蛋白質(zhì)用于直接從整細(xì)胞中提取蛋白質(zhì)和酶。和酶。潛在的優(yōu)勢(shì)：潛在的優(yōu)勢(shì)： 概述概述 反膠束及其基本性質(zhì)反膠束及

20、其基本性質(zhì) 反膠束萃取的基本原理反膠束萃取的基本原理 影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素 反膠束萃取蛋白質(zhì)的應(yīng)用示例反膠束萃取蛋白質(zhì)的應(yīng)用示例向水中加入表面活性劑，濃度達(dá)到一定值向水中加入表面活性劑，濃度達(dá)到一定值后，將發(fā)生表面活性劑分子的締合或自聚集，后，將發(fā)生表面活性劑分子的締合或自聚集，形成形成膠束膠束。表面活性劑在水溶液中形成膠束。表面活性劑在水溶液中形成膠束的最低濃度稱為的最低濃度稱為臨界膠束濃度臨界膠束濃度（CMCCMC）。）。膠束中，表面活性膠束中，表面活性劑親水頭部向外，與水劑親水頭部向外，與水相接觸，而疏水尾部埋相接觸，而疏水尾部埋在膠束內(nèi)部。在膠束

21、內(nèi)部。向有機(jī)溶劑中加入某種表面活性劑，濃度向有機(jī)溶劑中加入某種表面活性劑，濃度超過(guò)一定值時(shí)，也會(huì)形成膠束。超過(guò)一定值時(shí)，也會(huì)形成膠束。反膠束的形成反膠束的形成有機(jī)溶劑中膠束有機(jī)溶劑中膠束的表面活性劑分子的的表面活性劑分子的疏水尾部向外，而親疏水尾部向外，而親水頭部向內(nèi)，稱為水頭部向內(nèi)，稱為反反膠束膠束。當(dāng)表面活性劑在有機(jī)溶劑中形當(dāng)表面活性劑在有機(jī)溶劑中形成反膠束時(shí)，水在有機(jī)溶劑中的溶成反膠束時(shí)，水在有機(jī)溶劑中的溶解度隨表面活性劑濃度線性增大。解度隨表面活性劑濃度線性增大。通過(guò)測(cè)定有機(jī)相中平衡水濃度通過(guò)測(cè)定有機(jī)相中平衡水濃度的變化，可以確定的變化，可以確定形成反膠束的最形成反膠束的最低表面活性劑

22、濃度低表面活性劑濃度。 反膠束的形成是表面活性劑分子反膠束的形成是表面活性劑分子自發(fā)形成的納米尺度的聚集體，是熱自發(fā)形成的納米尺度的聚集體，是熱力學(xué)穩(wěn)定的體系。力學(xué)穩(wěn)定的體系。 在有機(jī)相中反膠束以非常高的速度生成在有機(jī)相中反膠束以非常高的速度生成和破滅，不停地交換其構(gòu)成分子，這一過(guò)程和破滅，不停地交換其構(gòu)成分子，這一過(guò)程符合二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，速率常數(shù)約為符合二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，速率常數(shù)約為10106 6-10-107 7 m m3 3/kmol/kmols s。 n形狀：多為球形或近球形。形狀：多為球形或近球形。n反膠束內(nèi)溶解的水通常稱為反膠束內(nèi)溶解的水通常稱為微水相微水相或或“水池水池”。n大?。?/p>

23、與溶劑和表面活性劑的種類與大小：與溶劑和表面活性劑的種類與濃度、溫度、離子強(qiáng)度等有關(guān)。一般濃度、溫度、離子強(qiáng)度等有關(guān)。一般為為520nm。利用利用AOTAOT形成的反膠束水核直徑一般不形成的反膠束水核直徑一般不超過(guò)超過(guò)12nm12nm，其中大致可容納一個(gè)直徑，其中大致可容納一個(gè)直徑5 510nm10nm的蛋白質(zhì)。的蛋白質(zhì)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的相對(duì)分子量超過(guò)當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的相對(duì)分子量超過(guò)100kD100kD時(shí)便時(shí)便難于溶解到反膠束中。難于溶解到反膠束中。 概述概述 反膠束及其基本性質(zhì)反膠束及其基本性質(zhì) 反膠束萃取的基本原理反膠束萃取的基本原理 影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素 反膠束

24、萃取蛋白質(zhì)的應(yīng)用示例反膠束萃取蛋白質(zhì)的應(yīng)用示例1蛋白質(zhì)在反膠束中的溶解模型蛋白質(zhì)在反膠束中的溶解模型水殼模型水殼模型蛋白質(zhì)被蛋白質(zhì)被吸附在反吸附在反膠束內(nèi)壁膠束內(nèi)壁蛋白質(zhì)的疏蛋白質(zhì)的疏水部水部 分直接分直接與有機(jī)相接與有機(jī)相接觸觸蛋白質(zhì)的疏水蛋白質(zhì)的疏水區(qū)與被多個(gè)反區(qū)與被多個(gè)反膠束疏水尾部膠束疏水尾部作用，并被反作用，并被反膠束所溶解膠束所溶解對(duì)于親水性蛋白質(zhì)，對(duì)于親水性蛋白質(zhì)，目前普遍接受的是目前普遍接受的是“水水殼殼”模型模型：大分子的蛋：大分子的蛋白質(zhì)被封閉在白質(zhì)被封閉在“水池水池”中，表面存在一層水化中，表面存在一層水化層與膠束內(nèi)表面分隔開(kāi)，層與膠束內(nèi)表面分隔開(kāi)，從而使蛋白質(zhì)不與有機(jī)從

25、而使蛋白質(zhì)不與有機(jī)溶劑直接接觸。溶劑直接接觸。 光散射研究證實(shí)了在蛋白質(zhì)分子光散射研究證實(shí)了在蛋白質(zhì)分子周?chē)辽俅嬖谝粋€(gè)單分子水層；周?chē)辽俅嬖谝粋€(gè)單分子水層； -糜蛋白酶在反膠束中的熒光特糜蛋白酶在反膠束中的熒光特性與在主體水中很相像；性與在主體水中很相像； 反膠束中酶所顯示的動(dòng)力學(xué)特性反膠束中酶所顯示的動(dòng)力學(xué)特性接近于在主體水中。接近于在主體水中。 2蛋白質(zhì)溶入反膠束溶液的推動(dòng)力蛋白質(zhì)溶入反膠束溶液的推動(dòng)力 表面活性劑與蛋白質(zhì)的靜電相互作用表面活性劑與蛋白質(zhì)的靜電相互作用 反膠束與生物分子的空間相互作用反膠束與生物分子的空間相互作用 反膠束與生物分子的疏水性相互作用反膠束與生物分子的疏水性

26、相互作用（1）靜電相互作用）靜電相互作用 反膠束相一般使用離子型表面活性劑反膠束相一般使用離子型表面活性劑來(lái)制備，其中應(yīng)用最多的是來(lái)制備，其中應(yīng)用最多的是陰離子型陰離子型表面表面活性劑化學(xué)名為丁二酸活性劑化學(xué)名為丁二酸-2-2-乙基己基酯磺乙基己基酯磺酸鈉酸鈉AOTAOT，陽(yáng)離子型陽(yáng)離子型表面活性劑主要有氯表面活性劑主要有氯化三辛基甲銨（化三辛基甲銨（TOMACTOMAC）和溴化十六烴基）和溴化十六烴基三甲胺（三甲胺（CATBCATB）等季銨鹽。）等季銨鹽。這些表面活性劑所形成的反膠束內(nèi)表這些表面活性劑所形成的反膠束內(nèi)表面帶有負(fù)電荷（面帶有負(fù)電荷（AOTAOT）或正電荷（）或正電荷（TOMAC

27、TOMAC和和CATBCATB）。）。當(dāng)水相當(dāng)水相pHpH偏離蛋白質(zhì)等電點(diǎn)時(shí)，蛋偏離蛋白質(zhì)等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)帶正電荷或負(fù)電荷，與表面活性白質(zhì)帶正電荷或負(fù)電荷，與表面活性劑間的靜電相互作用影響其萃取率劑間的靜電相互作用影響其萃取率。理論上，蛋白質(zhì)所帶電荷與表面活理論上，蛋白質(zhì)所帶電荷與表面活性劑相反時(shí)，易溶于反膠束，反之，性劑相反時(shí)，易溶于反膠束，反之，則不能溶解則不能溶解。（2）位阻效應(yīng)）位阻效應(yīng)反膠束的含水量反膠束的含水量W W0 0（每個(gè)反膠束中水（每個(gè)反膠束中水與表面活性劑的摩爾濃度比）是衡量反與表面活性劑的摩爾濃度比）是衡量反膠束增溶能力的重要參數(shù)。膠束增溶能力的重要參數(shù)。含水量的變化影

28、響反膠束含水量的變化影響反膠束“水池水池”的物理性能的物理性能( (大小、形狀等大小、形狀等) )及其中水的及其中水的活度，進(jìn)而會(huì)影響蛋白質(zhì)等大分子的增活度，進(jìn)而會(huì)影響蛋白質(zhì)等大分子的增溶或排斥，達(dá)到選擇性萃取的目的，這溶或排斥，達(dá)到選擇性萃取的目的，這就是所謂的就是所謂的位阻效應(yīng)位阻效應(yīng)。反膠束含水量降低時(shí)，反膠束直反膠束含水量降低時(shí)，反膠束直徑減小，空間排阻作用增大，蛋白質(zhì)徑減小，空間排阻作用增大，蛋白質(zhì)萃取率降低；萃取率降低；蛋白質(zhì)相對(duì)分子量增大時(shí)，空間蛋白質(zhì)相對(duì)分子量增大時(shí)，空間排阻作用增大，蛋白質(zhì)萃取率降低。排阻作用增大，蛋白質(zhì)萃取率降低。（3）疏水性相互作用）疏水性相互作用蛋白質(zhì)的

29、疏水性影響它在反膠束蛋白質(zhì)的疏水性影響它在反膠束中的溶解形式，因而影響其萃取率。中的溶解形式，因而影響其萃取率。疏水性較大的蛋白質(zhì)溶解在反膠束中的疏水性較大的蛋白質(zhì)溶解在反膠束中的形式并非水殼模型，因而其分配系數(shù)隨蛋白形式并非水殼模型，因而其分配系數(shù)隨蛋白質(zhì)疏水性的增大而增大。質(zhì)疏水性的增大而增大。 概述概述 反膠束及其基本性質(zhì)反膠束及其基本性質(zhì) 反膠束萃取的基本原理反膠束萃取的基本原理 影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素 反膠束萃取蛋白質(zhì)的應(yīng)用示例反膠束萃取蛋白質(zhì)的應(yīng)用示例蛋白質(zhì)的萃取，與蛋白質(zhì)的表面電荷和蛋白質(zhì)的萃取，與蛋白質(zhì)的表面電荷和反膠束內(nèi)表面電荷間的靜電作

30、用，以及反反膠束內(nèi)表面電荷間的靜電作用，以及反膠束的大小有關(guān)。膠束的大小有關(guān)。所以，任何可以增強(qiáng)這種靜電作用或?qū)?，任何可以增?qiáng)這種靜電作用或?qū)е滦纬奢^大的反膠束的因素，都有助于蛋致形成較大的反膠束的因素，都有助于蛋白質(zhì)的萃取。白質(zhì)的萃取。 通過(guò)對(duì)這些因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究，確定通過(guò)對(duì)這些因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究，確定最佳操作條件，就可得到合適的目標(biāo)蛋白最佳操作條件，就可得到合適的目標(biāo)蛋白質(zhì)萃取率，從而達(dá)到分離純化的目的。質(zhì)萃取率，從而達(dá)到分離純化的目的。 1水相水相pH值對(duì)萃取的影響值對(duì)萃取的影響水相的水相的pHpH值決定了蛋白質(zhì)表面電荷的值決定了蛋白質(zhì)表面電荷的狀態(tài)，從而對(duì)萃取過(guò)程造成影響。狀態(tài)，

31、從而對(duì)萃取過(guò)程造成影響。只有當(dāng)反膠束內(nèi)表面電荷，也就是表只有當(dāng)反膠束內(nèi)表面電荷，也就是表面活性劑極性基團(tuán)所帶的電荷與蛋白質(zhì)面活性劑極性基團(tuán)所帶的電荷與蛋白質(zhì)表面電荷相反時(shí)，兩者產(chǎn)生靜電引力，表面電荷相反時(shí)，兩者產(chǎn)生靜電引力，蛋白質(zhì)才有可能進(jìn)入反膠束。蛋白質(zhì)才有可能進(jìn)入反膠束。 對(duì)于陽(yáng)離子表面活性對(duì)于陽(yáng)離子表面活性劑，溶液的劑，溶液的pHpH值需高于蛋值需高于蛋白質(zhì)的白質(zhì)的pIpI值，反膠束萃取值，反膠束萃取才能進(jìn)行；才能進(jìn)行；對(duì)于陰離子表面活性對(duì)于陰離子表面活性劑，當(dāng)劑，當(dāng)pHpIpHpI時(shí)，萃取率幾時(shí)，萃取率幾乎為零，當(dāng)乎為零，當(dāng)pHpIpHpI時(shí)，萃取時(shí)，萃取率急劇提高；如果率急劇提高；如

32、果pHpH值很值很低，在界面上會(huì)產(chǎn)生白色低，在界面上會(huì)產(chǎn)生白色絮凝物，并且萃取率也降絮凝物，并且萃取率也降低，這種情況可認(rèn)為是蛋低，這種情況可認(rèn)為是蛋白質(zhì)變性之故。白質(zhì)變性之故。2離子強(qiáng)度對(duì)萃取率的影響離子強(qiáng)度對(duì)萃取率的影響離子強(qiáng)度對(duì)萃取率的影響主要是由離子對(duì)表離子強(qiáng)度對(duì)萃取率的影響主要是由離子對(duì)表面電荷的屏蔽作用所決定的：面電荷的屏蔽作用所決定的：離子強(qiáng)度增大離子強(qiáng)度增大反膠束內(nèi)表面雙電層變薄反膠束內(nèi)表面雙電層變薄蛋白質(zhì)與反膠束內(nèi)表面靜電吸引減弱蛋白質(zhì)與反膠束內(nèi)表面靜電吸引減弱蛋白蛋白質(zhì)溶解度減少；質(zhì)溶解度減少；同時(shí)，反膠束內(nèi)表面雙電層變薄同時(shí)，反膠束內(nèi)表面雙電層變薄表面活性表面活性劑極性基

33、團(tuán)之間斥力減弱劑極性基團(tuán)之間斥力減弱反膠束變小反膠束變小蛋蛋白質(zhì)不能進(jìn)入其中；白質(zhì)不能進(jìn)入其中； 離子強(qiáng)度增加時(shí)，增大了離子向反離子強(qiáng)度增加時(shí)，增大了離子向反膠束內(nèi)膠束內(nèi)“水池水池”的遷移并取代其中的遷移并取代其中蛋白質(zhì)的傾向，使蛋白質(zhì)從反膠束蛋白質(zhì)的傾向，使蛋白質(zhì)從反膠束內(nèi)被鹽析出來(lái)；內(nèi)被鹽析出來(lái)；鹽與蛋白質(zhì)或表面活性劑的相互作鹽與蛋白質(zhì)或表面活性劑的相互作用，可以改變?nèi)芙庑阅埽}的濃度用，可以改變?nèi)芙庑阅?，鹽的濃度越高，其影響就越大。越高，其影響就越大。 在較低的在較低的KClKCl濃度濃度下，蛋白質(zhì)幾乎全部下，蛋白質(zhì)幾乎全部被萃取，當(dāng)被萃取，當(dāng)KClKCl濃度濃度高于一定值時(shí)，萃取高于一

34、定值時(shí)，萃取率就開(kāi)始下降，直至率就開(kāi)始下降，直至幾乎為零。幾乎為零。 3表面活性劑類型的影響表面活性劑類型的影響從反膠束萃取蛋白質(zhì)的機(jī)理來(lái)看，從反膠束萃取蛋白質(zhì)的機(jī)理來(lái)看，應(yīng)選用有利于增強(qiáng)蛋白質(zhì)表面電荷與反應(yīng)選用有利于增強(qiáng)蛋白質(zhì)表面電荷與反膠束內(nèi)表面電荷間的靜電作用和增加反膠束內(nèi)表面電荷間的靜電作用和增加反膠束大小的表面活性劑。膠束大小的表面活性劑。實(shí)踐中，為了改善萃取性能，可在實(shí)踐中，為了改善萃取性能，可在單一表面活性劑中加入具有親合作用的單一表面活性劑中加入具有親合作用的生物表面活性劑或另一種非離子型表面生物表面活性劑或另一種非離子型表面活性劑?；钚詣?4表面活性劑濃度的影響表面活性劑濃

35、度的影響增大表面活性劑的濃度可增加反膠束增大表面活性劑的濃度可增加反膠束的數(shù)量，從而增大對(duì)蛋白質(zhì)的溶解能力。的數(shù)量，從而增大對(duì)蛋白質(zhì)的溶解能力。表面活性劑濃度過(guò)高時(shí)，有可能在溶表面活性劑濃度過(guò)高時(shí)，有可能在溶液中形成比較復(fù)雜的聚集體，同時(shí)會(huì)增加液中形成比較復(fù)雜的聚集體，同時(shí)會(huì)增加反萃取過(guò)程的難度。反萃取過(guò)程的難度。應(yīng)選擇蛋白質(zhì)萃取率最大時(shí)的表面活應(yīng)選擇蛋白質(zhì)萃取率最大時(shí)的表面活性劑濃度為最佳濃度。性劑濃度為最佳濃度。 5離子種類對(duì)萃取的影響離子種類對(duì)萃取的影響通常反膠束中表面活性劑的極性基團(tuán)通常反膠束中表面活性劑的極性基團(tuán)不是完全電離的，有很大一部分陽(yáng)離子仍不是完全電離的，有很大一部分陽(yáng)離子仍

36、在膠團(tuán)的內(nèi)表面上（相反離子締合）。極在膠團(tuán)的內(nèi)表面上（相反離子締合）。極性基團(tuán)的電離程度愈大，反膠束內(nèi)表面的性基團(tuán)的電離程度愈大，反膠束內(nèi)表面的電荷密度愈大，產(chǎn)生的反膠束也愈大。電荷密度愈大，產(chǎn)生的反膠束也愈大。表面活性劑電離的程度與離子種表面活性劑電離的程度與離子種類有關(guān)。類有關(guān)。極性基團(tuán)的電荷密度按極性基團(tuán)的電荷密度按K K+ +，CaCa2+2+，NaNa+ +，MgMg2+2+的順序逐漸增大，電離程度的順序逐漸增大，電離程度也相應(yīng)地增大。也相應(yīng)地增大。 6影響反膠束結(jié)構(gòu)的其他因素影響反膠束結(jié)構(gòu)的其他因素有機(jī)溶劑的影響有機(jī)溶劑的影響 有機(jī)溶劑的種類影響反膠束的大有機(jī)溶劑的種類影響反膠束的

37、大小，從而影響水增溶的能力，所以可小，從而影響水增溶的能力，所以可以利用因溶劑作用引起的不同膠束結(jié)以利用因溶劑作用引起的不同膠束結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)選擇性增溶生物分子的目的。構(gòu)實(shí)現(xiàn)選擇性增溶生物分子的目的。 助表面活性劑的影響助表面活性劑的影響 當(dāng)使用陽(yáng)離子表面活性劑時(shí)，引當(dāng)使用陽(yáng)離子表面活性劑時(shí)，引入助表面活性劑，能夠增進(jìn)有機(jī)相的入助表面活性劑，能夠增進(jìn)有機(jī)相的溶解容量，這是由于膠束尺寸增加而溶解容量，這是由于膠束尺寸增加而產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。溫度的影響溫度的影響 溫度的變化對(duì)反膠束系統(tǒng)中的物溫度的變化對(duì)反膠束系統(tǒng)中的物理化學(xué)性質(zhì)有激烈的影響，增加溫度理化學(xué)性質(zhì)有激烈的影響，增加溫度能夠增加蛋白質(zhì)在有機(jī)相的

38、溶解度。能夠增加蛋白質(zhì)在有機(jī)相的溶解度。 概述概述 反膠束及其基本性質(zhì)反膠束及其基本性質(zhì) 反膠束萃取的基本原理反膠束萃取的基本原理 影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素 反膠束萃取蛋白質(zhì)的應(yīng)用示例反膠束萃取蛋白質(zhì)的應(yīng)用示例1分離蛋白質(zhì)混合物分離蛋白質(zhì)混合物 分子量相近的蛋白質(zhì)，由于它分子量相近的蛋白質(zhì)，由于它們的們的pIpI值及其它因素而具有不同的值及其它因素而具有不同的溶解度，可利用反膠束溶液的選擇溶解度，可利用反膠束溶液的選擇性溶解進(jìn)行分離。性溶解進(jìn)行分離。 2濃縮濃縮-淀粉酶淀粉酶用用TOMAC/TOMAC/異辛烷反膠束溶液對(duì)異辛烷反膠束溶液對(duì)-淀粉淀粉酶水溶液進(jìn)

39、行兩級(jí)連續(xù)萃取和反萃取操作，酶水溶液進(jìn)行兩級(jí)連續(xù)萃取和反萃取操作，結(jié)果可使結(jié)果可使-淀粉酶濃縮淀粉酶濃縮8 8倍，酶活力的得倍，酶活力的得率約為率約為4545。如果在反膠束相中添加非離子型表面如果在反膠束相中添加非離子型表面活性劑以提高其分配系數(shù)并增大攪拌轉(zhuǎn)速活性劑以提高其分配系數(shù)并增大攪拌轉(zhuǎn)速提高其傳質(zhì)速率，則反萃取水相中的提高其傳質(zhì)速率，則反萃取水相中的-淀淀粉酶活力得率可達(dá)到粉酶活力得率可達(dá)到8585，濃縮，濃縮1717倍。倍。在在pH=9時(shí)時(shí),核糖核糖核酸酶的溶解度核酸酶的溶解度很小很小,保留在水保留在水相而與其他兩種相而與其他兩種蛋白質(zhì)分離蛋白質(zhì)分離相分離得到的反膠束相（含細(xì)胞色相分

40、離得到的反膠束相（含細(xì)胞色素素C和溶菌酶）與和溶菌酶）與0.5mol/L的的KCl水溶液接觸后，細(xì)胞色素水溶液接觸后，細(xì)胞色素C被反萃被反萃到水相，而溶菌酶保留在反膠束相到水相，而溶菌酶保留在反膠束相含溶菌酶的反膠束含溶菌酶的反膠束相與相與2.0mol/L KCl，pH值為值為11.5的水相的水相接觸，將溶菌酶反接觸，將溶菌酶反萃取到水相中萃取到水相中反膠束萃取的優(yōu)點(diǎn)：反膠束萃取的優(yōu)點(diǎn)：成本低、溶劑可反復(fù)使用、萃取率成本低、溶劑可反復(fù)使用、萃取率和反萃取率都很高。和反萃取率都很高。反膠束萃取工業(yè)化待解決問(wèn)題：反膠束萃取工業(yè)化待解決問(wèn)題： 表面活性劑對(duì)產(chǎn)品的沾染表面活性劑對(duì)產(chǎn)品的沾染 工業(yè)規(guī)模所

41、需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)工業(yè)規(guī)模所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 反膠束萃取過(guò)程的模擬和放大技術(shù)反膠束萃取過(guò)程的模擬和放大技術(shù)第四節(jié)第四節(jié) 雙水相萃取雙水相萃取 概述概述 雙水相體系雙水相體系 雙水相萃取過(guò)程的理論基礎(chǔ)雙水相萃取過(guò)程的理論基礎(chǔ) 影響物質(zhì)分配平衡的因素影響物質(zhì)分配平衡的因素 成相聚合物的回收成相聚合物的回收 雙水相系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展方向雙水相系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展方向雙水相萃取出現(xiàn)的背景雙水相萃取出現(xiàn)的背景 能夠保留產(chǎn)物的活性，整個(gè)操作可以連能夠保留產(chǎn)物的活性，整個(gè)操作可以連續(xù)化，在除去細(xì)胞或細(xì)胞碎片時(shí)，還可續(xù)化，在除去細(xì)胞或細(xì)胞碎片時(shí)，還可以純化蛋白質(zhì)以純化蛋白質(zhì)2 25 5倍。倍。 處理量相同時(shí)，雙水相萃取法比傳

42、統(tǒng)的處理量相同時(shí)，雙水相萃取法比傳統(tǒng)的分離方法，設(shè)備需用量要少分離方法，設(shè)備需用量要少3 31010倍。倍。雙水相萃取法的特點(diǎn)：雙水相萃取法的特點(diǎn)： 概述概述 雙水相體系雙水相體系 雙水相萃取過(guò)程的理論基礎(chǔ)雙水相萃取過(guò)程的理論基礎(chǔ) 影響物質(zhì)分配平衡的因素影響物質(zhì)分配平衡的因素 成相聚合物的回收成相聚合物的回收 雙水相系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展方向雙水相系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展方向1雙水相的形成雙水相的形成在聚合物在聚合物- -鹽或聚合物鹽或聚合物- -聚合物聚合物系統(tǒng)混合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)不相混溶系統(tǒng)混合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)不相混溶的水相。的水相。當(dāng)各種溶質(zhì)均在低濃度時(shí)，可以得到當(dāng)各種溶質(zhì)均在低濃度時(shí)，可以得到單相勻質(zhì)液

43、體；單相勻質(zhì)液體；當(dāng)溶質(zhì)的濃度增加時(shí)，溶液會(huì)變得渾當(dāng)溶質(zhì)的濃度增加時(shí)，溶液會(huì)變得渾濁，在靜止的條件下，會(huì)形成兩個(gè)液層，濁，在靜止的條件下，會(huì)形成兩個(gè)液層，上層富集了上層富集了PEGPEG，而下層富集了葡聚糖。，而下層富集了葡聚糖。 聚乙二醇（聚乙二醇（PEG）和葡聚糖體系）和葡聚糖體系雙水相形成原因雙水相形成原因根據(jù)熱力學(xué)第二定律，混合是熵增加的過(guò)程，因而可根據(jù)熱力學(xué)第二定律，混合是熵增加的過(guò)程，因而可自發(fā)進(jìn)行，但另一方面，分子間存在相互作用力，并且這自發(fā)進(jìn)行，但另一方面，分子間存在相互作用力，并且這種相互作用力隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增大。種相互作用力隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增大。當(dāng)兩種高分

44、子聚合物之間存在相互排斥作用時(shí)，由于當(dāng)兩種高分子聚合物之間存在相互排斥作用時(shí)，由于相對(duì)分子量較大，分子間的相互排斥作用于混合過(guò)程的熵相對(duì)分子量較大，分子間的相互排斥作用于混合過(guò)程的熵增加相比占主導(dǎo)地位，一種聚合物分子的周?chē)鷮⒕奂N增加相比占主導(dǎo)地位，一種聚合物分子的周?chē)鷮⒕奂N分子而排斥異種分子，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，即形成分別富含不分子而排斥異種分子，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，即形成分別富含不同聚合物的兩相。這種含有聚合物分子的溶液發(fā)生分相的同聚合物的兩相。這種含有聚合物分子的溶液發(fā)生分相的現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為聚合物不相容性聚合物不相容性。某些聚合物溶液與一些無(wú)機(jī)鹽溶液某些聚合物溶液與一些無(wú)機(jī)鹽溶液相混時(shí)，只要

45、濃度達(dá)到一定范圍時(shí)，體相混時(shí)，只要濃度達(dá)到一定范圍時(shí)，體系也會(huì)形成兩相，成相機(jī)理目前還不十系也會(huì)形成兩相，成相機(jī)理目前還不十分清楚。分清楚。葡聚糖本質(zhì)上是一種幾乎不能形成葡聚糖本質(zhì)上是一種幾乎不能形成偶極現(xiàn)象的球形分子，而偶極現(xiàn)象的球形分子，而PEGPEG是一種具是一種具有共享電子對(duì)的高密度直鏈聚合物。有共享電子對(duì)的高密度直鏈聚合物。2雙水相系統(tǒng)的類型雙水相系統(tǒng)的類型n 高聚物高聚物體系高聚物高聚物體系n 高聚物低分子物質(zhì)體系高聚物低分子物質(zhì)體系在高聚物低分子物質(zhì)體系中，在高聚物低分子物質(zhì)體系中，PEGPEG鹽體系是最常見(jiàn)的價(jià)廉體系。鹽體系是最常見(jiàn)的價(jià)廉體系。由于由于PEG/PEG/鹽體系中鹽

46、濃度太高，使得后鹽體系中鹽濃度太高，使得后續(xù)的純化工藝不能采用有效的層析方法。續(xù)的純化工藝不能采用有效的層析方法。雖然該體系的成本低，比較適合于工業(yè)雖然該體系的成本低，比較適合于工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用，但廢鹽水的處理比較困難。規(guī)模的應(yīng)用，但廢鹽水的處理比較困難。 高聚物高聚物體系可以直接用離高聚物高聚物體系可以直接用離子交換層析進(jìn)一步純化，而且可回收高子交換層析進(jìn)一步純化，而且可回收高聚物，使成本大大降低。聚物，使成本大大降低。該體系的成本比該體系的成本比PEGPEG鹽體系的成本鹽體系的成本的高出的高出3 35 5倍，但不會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境倍，但不會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。污染。3混溶性和相平衡混溶性和相平

47、衡（1） 相圖相圖 當(dāng)當(dāng)PEGPEG、葡聚糖、葡聚糖的組成位于曲線的上的組成位于曲線的上方方MM點(diǎn)時(shí)，體系就會(huì)點(diǎn)時(shí)，體系就會(huì)分成兩相，分別有不分成兩相，分別有不同的組成密度，同的組成密度，上相上相組成用組成用A A點(diǎn)表示，點(diǎn)表示，下相下相組成用組成用B B點(diǎn)表示，點(diǎn)表示，A A、B B點(diǎn)稱為點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)。由相圖可知，上由相圖可知，上相主要含相主要含PEGPEG，下相主，下相主要含葡聚糖。要含葡聚糖。直線直線AMBAMB稱為稱為系線系線，是，是相圖的重要特征，關(guān)系到相圖的重要特征，關(guān)系到相的平衡組成。相的平衡組成。所有組成在系線上的所有組成在系線上的點(diǎn)，分成兩相后，其上下點(diǎn)，分成兩相后，其上下

48、相組成均分別為相組成均分別為A A和和B B，但，但是其體積比是其體積比(V(VA A/V/VB B) )不同，不同，相體積比可由相圖上的線相體積比可由相圖上的線段比段比(BM/MA)(BM/MA)估算，即服從估算，即服從杠桿規(guī)則杠桿規(guī)則。 圖中圖中褶點(diǎn)褶點(diǎn)S S代表系統(tǒng)的代表系統(tǒng)的臨界點(diǎn)，在該點(diǎn)，兩相的臨界點(diǎn)，在該點(diǎn)，兩相的差異減小，它們的組成和差異減小，它們的組成和體積相等。體積相等。體系中總組成的微小變體系中總組成的微小變化，都會(huì)導(dǎo)致一個(gè)兩相體化，都會(huì)導(dǎo)致一個(gè)兩相體系向單相體系的轉(zhuǎn)變。系向單相體系的轉(zhuǎn)變。從相圖可見(jiàn)，靠近臨從相圖可見(jiàn)，靠近臨界點(diǎn)的相間密度差較小，界點(diǎn)的相間密度差較小，因此

49、相的分離速度較慢；因此相的分離速度較慢；遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)的聚合物濃遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)的聚合物濃度高，聚合物富相的粘度高，聚合物富相的粘度會(huì)增加也會(huì)導(dǎo)致低的度會(huì)增加也會(huì)導(dǎo)致低的分離速度，所以在中間分離速度，所以在中間組成時(shí)，分離速度最佳。組成時(shí)，分離速度最佳。(2) 混溶性混溶性 任何兩個(gè)組分的距離間隔反映了它們可能的任何兩個(gè)組分的距離間隔反映了它們可能的混溶性，兩個(gè)組分在表上靠得越近就越易混溶，混溶性，兩個(gè)組分在表上靠得越近就越易混溶，相反離得越遠(yuǎn)，則越不易混溶，這個(gè)疏水階梯的相反離得越遠(yuǎn)，則越不易混溶，這個(gè)疏水階梯的概念，在選擇合理的溶質(zhì)對(duì)時(shí)是有用的，在有水概念，在選擇合理的溶質(zhì)對(duì)時(shí)是有用的，在有水的情況

50、下，可以呈現(xiàn)兩相的特性。的情況下，可以呈現(xiàn)兩相的特性。 概述概述 雙水相體系雙水相體系 雙水相萃取過(guò)程的理論基礎(chǔ)雙水相萃取過(guò)程的理論基礎(chǔ) 影響物質(zhì)分配平衡的因素影響物質(zhì)分配平衡的因素 成相聚合物的回收成相聚合物的回收 雙水相系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展方向雙水相系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展方向1表面自由能的影響表面自由能的影響 蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)在兩相中的分配也服從Nerst分配定律，即 （5-18）式中ct、cb分別為上相和下相中溶質(zhì)(分子或粒子)的濃度。 btccK 當(dāng)相系統(tǒng)固定時(shí)，分配系數(shù)當(dāng)相系統(tǒng)固定時(shí)，分配系數(shù)K K為一為一常數(shù)，與溶質(zhì)的濃度無(wú)關(guān)。常數(shù)，與溶質(zhì)的濃度無(wú)關(guān)。 根據(jù)兩相平衡時(shí)化學(xué)位相等的根據(jù)兩

51、相平衡時(shí)化學(xué)位相等的原則，可以求得分配系數(shù)原則，可以求得分配系數(shù)K服從服從Brownstedt方程式，即：方程式，即： （5-19）式中式中M M為物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量；為物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量；為系統(tǒng)的為系統(tǒng)的表面特性系數(shù)；表面特性系數(shù)；k k是為波爾茲曼常數(shù)；是為波爾茲曼常數(shù)；T T為溫度。為溫度。kTMkTEKln因?yàn)榇蠓肿游镔|(zhì)的因?yàn)榇蠓肿游镔|(zhì)的M M值很大，值很大，的微小的微小改變就會(huì)引起分配系數(shù)很大的變化。因此，改變就會(huì)引起分配系數(shù)很大的變化。因此，利用不同的表面性質(zhì)利用不同的表面性質(zhì)( (表面自由能表面自由能) )，可以，可以達(dá)到分離大分子物質(zhì)的目的。達(dá)到分離大分子物質(zhì)的目的。 2表面電荷的

52、影響表面電荷的影響如果粒子帶有電荷，并在兩相中分配不如果粒子帶有電荷，并在兩相中分配不相等時(shí)，就會(huì)在相間產(chǎn)生電位，稱為相等時(shí)，就會(huì)在相間產(chǎn)生電位，稱為道南電道南電位位，可用下式表示：，可用下式表示： （5-20）式中式中U2、U1分別表示相分別表示相2和相和相1的電位；的電位； Z+、Z-分別表示一種鹽的正、負(fù)離子價(jià)；分別表示一種鹽的正、負(fù)離子價(jià)； KAZ+、KBZ-分別表示當(dāng)正、負(fù)離子不帶電分別表示當(dāng)正、負(fù)離子不帶電 時(shí)在兩相間的分配系數(shù)；時(shí)在兩相間的分配系數(shù)； F為法拉第常數(shù)；為法拉第常數(shù)； R為氣體常數(shù)；為氣體常數(shù)； T為絕對(duì)溫度。為絕對(duì)溫度。 ZAZBKKFZZRTUUln)(12綜合

53、起來(lái)，分配系數(shù)可用綜合起來(lái)，分配系數(shù)可用Gerson提提出的公式表示：出的公式表示： （5-21）式中式中為表面積；為表面積；為兩相表面自由能為兩相表面自由能之差；之差；為電荷數(shù)；為電荷數(shù)；為電位差；為電位差；為由為由標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)位和活度系數(shù)等組成的常數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)位和活度系數(shù)等組成的常數(shù)。aKlg分配系數(shù)和表面自由能及電位差成分配系數(shù)和表面自由能及電位差成指數(shù)關(guān)系。指數(shù)關(guān)系。由于影響分配系數(shù)的因素由于影響分配系數(shù)的因素很多，加上各因素間又互相影很多，加上各因素間又互相影響，因此目前最佳條件還得靠響，因此目前最佳條件還得靠實(shí)驗(yàn)來(lái)得到。實(shí)驗(yàn)來(lái)得到。 概述概述 雙水相體系雙水相體系 雙水相萃取過(guò)程的理論

54、基礎(chǔ)雙水相萃取過(guò)程的理論基礎(chǔ) 影響物質(zhì)分配平衡的因素影響物質(zhì)分配平衡的因素 成相聚合物的回收成相聚合物的回收 雙水相系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展方向雙水相系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展方向p雙水相系統(tǒng)的聚合物組成雙水相系統(tǒng)的聚合物組成( (包括聚包括聚合物類型、平均分子量合物類型、平均分子量) )；p鹽類鹽類( (包括離子的類型和濃度、離包括離子的類型和濃度、離子強(qiáng)度、子強(qiáng)度、pHpH值值) )；p溶質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)溶質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)( (包括分子量、包括分子量、等電點(diǎn)等電點(diǎn)) )；p體系溫度。體系溫度。1雙水相中聚合物組成的影響雙水相中聚合物組成的影響 當(dāng)兩種不同聚合物的溶液混合時(shí)，可當(dāng)兩種不同聚合物的溶液混合時(shí)，可

55、能存在三種情況：能存在三種情況： 完全混溶性完全混溶性( (均相溶液均相溶液) )； 物理的不相容性物理的不相容性( (相分離相分離) )； 復(fù)雜的凝聚復(fù)雜的凝聚( (相分離，聚合物聚集在同一相分離，聚合物聚集在同一相中，純?nèi)軇┫嘀?，純?nèi)軇? -水聚集在另一相中水聚集在另一相中) ) 。 高聚物高聚物/ /低分子物質(zhì)低分子物質(zhì)( (鹽鹽) )體系同樣體系同樣可以得到雙水相系統(tǒng)。可以得到雙水相系統(tǒng)。近年來(lái)已作為大規(guī)模生產(chǎn)研究中近年來(lái)已作為大規(guī)模生產(chǎn)研究中使用的雙水相體系，這些物質(zhì)是沒(méi)有使用的雙水相體系，這些物質(zhì)是沒(méi)有毒性的，它們可以廣泛地應(yīng)用在食品毒性的，它們可以廣泛地應(yīng)用在食品和制藥工業(yè)中酶和

56、活性蛋白的回收。和制藥工業(yè)中酶和活性蛋白的回收。 聚合物分子量對(duì)分配系數(shù)的影響取決聚合物分子量對(duì)分配系數(shù)的影響取決于聚合物的化學(xué)性質(zhì)。于聚合物的化學(xué)性質(zhì)。在在PEG/PEG/葡聚糖系統(tǒng)中，蛋白質(zhì)的分配系數(shù)葡聚糖系統(tǒng)中，蛋白質(zhì)的分配系數(shù)隨著葡聚糖相對(duì)分子質(zhì)量的增加而增加。隨著葡聚糖相對(duì)分子質(zhì)量的增加而增加。同樣，在同樣，在PEG/PEG/葡聚糖系統(tǒng)中，蛋白質(zhì)的分葡聚糖系統(tǒng)中，蛋白質(zhì)的分配系數(shù)隨配系數(shù)隨PEGPEG相對(duì)分子質(zhì)量的增加而降低。相對(duì)分子質(zhì)量的增加而降低。1)1)經(jīng)濟(jì)因素；經(jīng)濟(jì)因素；2)2)葡聚糖的黏度非常高，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生葡聚糖的黏度非常高，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生凝膠狀物質(zhì)，使溶液的過(guò)程控制產(chǎn)凝膠狀物

57、質(zhì)，使溶液的過(guò)程控制產(chǎn)生了困難。生了困難。 葡聚糖的使用限制了葡聚糖的使用限制了PEG/PEG/葡聚糖葡聚糖系統(tǒng)的應(yīng)用。系統(tǒng)的應(yīng)用。2雙水相系統(tǒng)物理化學(xué)性質(zhì)的影響雙水相系統(tǒng)物理化學(xué)性質(zhì)的影響雙水相系統(tǒng)的性質(zhì)主要取決于下列雙水相系統(tǒng)的性質(zhì)主要取決于下列物理化學(xué)參數(shù)：密度物理化學(xué)參數(shù)：密度()()和兩相間的和兩相間的密度差，黏度密度差，黏度()()和兩相間的黏度差和兩相間的黏度差以及表面張力（以及表面張力（）。）。 表中列出了聚合物濃度對(duì)這些參數(shù)的影響。聚表中列出了聚合物濃度對(duì)這些參數(shù)的影響。聚合物濃度的增加對(duì)相體積比改變不大，但是界面寬合物濃度的增加對(duì)相體積比改變不大，但是界面寬度、兩相間的密度

58、差、下相的黏度和界面張力都明度、兩相間的密度差、下相的黏度和界面張力都明顯增加，富含顯增加，富含PEGPEG上相的黏度相對(duì)較低并且大致保上相的黏度相對(duì)較低并且大致保持恒定。持恒定。 3鹽和緩沖液的影響鹽和緩沖液的影響在水溶液中，存在的離子會(huì)影響在水溶液中，存在的離子會(huì)影響溶質(zhì)在兩水相間的分配。溶質(zhì)在兩水相間的分配。在一個(gè)含水混合物中引入鹽時(shí)，在一個(gè)含水混合物中引入鹽時(shí)，由于鹽的陽(yáng)離子和陰離子的不均勻分由于鹽的陽(yáng)離子和陰離子的不均勻分配，會(huì)在界面上產(chǎn)生一個(gè)電位，進(jìn)而配，會(huì)在界面上產(chǎn)生一個(gè)電位，進(jìn)而影響溶質(zhì)在兩相間的分配。影響溶質(zhì)在兩相間的分配。由于多價(jià)離子分配取決于水溶液的由于多價(jià)離子分配取決于

59、水溶液的pHpH值，故值，故pHpH值也會(huì)影響分配系數(shù)。值也會(huì)影響分配系數(shù)。使用磷酸鹽緩沖液，在使用磷酸鹽緩沖液，在pHpH值大于值大于7 7并且并且下相是負(fù)電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高的界面電位。下相是負(fù)電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高的界面電位。因此，等電點(diǎn)小于因此，等電點(diǎn)小于7 7的蛋白質(zhì)優(yōu)先地聚集在的蛋白質(zhì)優(yōu)先地聚集在上相，這樣便增加了分配系數(shù)。上相，這樣便增加了分配系數(shù)。增加鹽濃增加鹽濃度的辦法可以度的辦法可以用來(lái)提高酶的用來(lái)提高酶的分配系數(shù)。分配系數(shù)。 若在聚乙二醇若在聚乙二醇- -葡聚糖系統(tǒng)中加葡聚糖系統(tǒng)中加入入NaClONaClO4 4或或KIKI，能增加上相對(duì)帶正電，能增加上相對(duì)帶正電荷物質(zhì)的親和效

60、應(yīng)，并迫使帶負(fù)電荷物質(zhì)的親和效應(yīng)，并迫使帶負(fù)電的物質(zhì)進(jìn)入下相；的物質(zhì)進(jìn)入下相；若加入若加入LiLi3 3POPO4 4，則與上述效應(yīng)正，則與上述效應(yīng)正好相反。好相反。 只要設(shè)法改變界面電位，就只要設(shè)法改變界面電位，就能控制蛋白質(zhì)等荷電大分子轉(zhuǎn)入能控制蛋白質(zhì)等荷電大分子轉(zhuǎn)入某一相。某一相。 加入加入pHpH值大于值大于7 7的磷酸鹽緩沖液，的磷酸鹽緩沖液，由于其中的由于其中的HPOHPO4 42-2-離子在聚乙二醇離子在聚乙二醇- -葡葡聚糖系統(tǒng)中的分配系數(shù)相當(dāng)?shù)停虼司厶窍到y(tǒng)中的分配系數(shù)相當(dāng)?shù)?，因此可方便地改變界面電位，而使帶?fù)電可方便地改變界面電位，而使帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入富荷的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入富