第五章生物產(chǎn)品萃取技術(shù)

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生物產(chǎn)品萃取技術(shù)生物工程下游技術(shù)?萃取有機(jī)溶劑萃取萃取：利用物質(zhì)在兩種互不混溶的溶劑中的分配差異進(jìn)行分離的技術(shù)。有機(jī)溶劑萃?。阂耘c水互不相溶的有機(jī)溶劑作萃取劑從水相中萃取目的產(chǎn)物的分離技術(shù)。廣泛應(yīng)用于抗生素、有機(jī)酸、維生素等發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)。

用于蛋白質(zhì)、核酸、酶等生物大分子的分離很少成功。

QuestionsA、protein萃??？B、胞內(nèi)酶的萃??？5.1 雙水相萃取1、雙水相基本原理(ATPS相圖)(重點)2、蛋白質(zhì)的分配平衡（熟悉）3、影響分配平衡因素（熟悉）4、Applications（了解）雙水相系統(tǒng)(aqueoustwo-phasesysten,ATPS)

PEG=聚已二醇(polyethyleneglycol)Kpi=磷酸鉀DX=葡聚糖(dextran)1、Pro如何分布2、影響因素3、應(yīng)用1、ATPS相圖雙節(jié)線(bi-nodal)：

圖中的曲線。雙節(jié)線以下的區(qū)域為均相區(qū),以上的區(qū)域為兩相區(qū)，即ATPS。

系線(tieline)：

雙節(jié)線上兩點的直線。系線(tieline)反映的信息A杠桿規(guī)則：系線上各點均分為組成相同，而體積不同的上下相。兩相體積近似服從杠桿規(guī)則。B性質(zhì)差異：系線的長度是衡量兩相間相對差別的尺度,系線越長,兩相間的性質(zhì)差別越大；反之則越小。C 臨界點(criticalpoint)：當(dāng)系線長度趨于零時,兩相差別消失,任何溶質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)均為1。如K點。

2、蛋白質(zhì)的分配平衡

一種物質(zhì)在兩相系統(tǒng)中的分配行為可用分配系數(shù)來描述，分配系數(shù)K為該物質(zhì)在上相和下相中的濃度之比。

控制能夠影響物質(zhì)分配系數(shù)K的因素，包括環(huán)境因素，相系統(tǒng)性質(zhì)和組成就能改變物質(zhì)的分配系數(shù)。常用的雙水相體系體系類型化合物1化合物2高聚物/高聚物體系聚丙二醇聚乙二醇、聚乙烯醇、葡聚糖（Dex）、羥丙基葡聚糖聚乙二醇（PEG）聚乙烯醇、葡聚糖高聚物/無機(jī)鹽體系聚乙二醇硫酸鎂、硫酸銨、硫酸鈉、磷酸鉀、酒石酸鉀鈉高聚物/聚電解質(zhì)體系硫酸葡聚糖鈉鹽甲基纖維素聚電解質(zhì)/聚電解質(zhì)體系羧甲基葡聚糖鈉鹽羧甲基纖維素鈉鹽普通雙水相系統(tǒng)

普通雙水相萃取是指主要依靠空間位阻分配和界面電位分配的雙水相萃取，如利用聚合物/聚合物系統(tǒng)和聚合物/鹽系統(tǒng)的萃取。為了改進(jìn)萃取效率和分離效果，利用控制相系統(tǒng)的pH或在相系統(tǒng)中加入鹽或有機(jī)溶劑的方法提高目的物的分配系數(shù)。普通的雙水相萃取系統(tǒng)的選擇性比較低，只適用于產(chǎn)物回收和初步分離。

1.表面自由能

2.表面電荷由于影響分配系數(shù)的因素很多，加上各因素之間又相互影響，因此，要定量地將蛋白質(zhì)的一些分子性質(zhì)與分配系數(shù)關(guān)聯(lián)起來是困難的，最佳的雙水相系統(tǒng)的作條件還要依靠實驗來獲得。影響分配的因素（1）成相聚合物（2）鹽的種類和濃度（3）pH值（4）溫度（5）細(xì)胞3、影響分配平衡因素(熟悉)溫度對分配系數(shù)的影響通常酶的穩(wěn)定性會隨溫度的增高而減低，但在雙水相系統(tǒng)中，由于所使用的聚合物含有多羥基，對酶有保護(hù)作用，即使在室溫下，酶的失活也不明顯。因此酶的雙水相萃取可以在室溫下進(jìn)行，這可以節(jié)省因冷卻造成的大量能量。4 Applications1)、蛋白質(zhì)、酶的純化2)、多肽的分離純化3)、核酸的分離純化4)、病毒、細(xì)胞、細(xì)胞器的分離雙水相系統(tǒng)萃取酶的一般流程圖反膠團(tuán)萃取技術(shù)（Reversedmicellarextraction）是近年來發(fā)展起來的一種新型萃取分離技術(shù)，主要適合于蛋白質(zhì)的提取和分離。反膠團(tuán)體系由水、有機(jī)相及表面活性劑組成，是表面活性劑分散于連續(xù)有機(jī)相中自發(fā)形成的一種具有微水池結(jié)構(gòu)的油包水微乳液。料液有機(jī)相5.2 反膠團(tuán)萃取靜電引力：主要是蛋白質(zhì)的表面電荷與反膠束內(nèi)表面電荷（離子型表面活性劑）之間的靜電引力作用?？臻g位阻作用：增大反膠束極性核的尺寸，以減小大分子蛋白進(jìn)入膠核的傳質(zhì)阻力。凡是能夠引起靜電引力，能夠促使反膠束尺寸增大的因素均有利于提高分配系數(shù)。這些因素主要是pH、離子強(qiáng)度、表面活性劑種類和濃度等，通過因素優(yōu)化，實現(xiàn)選擇性地萃取和反萃取。反膠團(tuán)萃取的原理在反膠束內(nèi)部包含了水溶液，蛋白質(zhì)等生物分子萃取后進(jìn)入反膠團(tuán)內(nèi)部的“水池”中，避免了與有機(jī)溶劑直接接觸，反膠束內(nèi)的微環(huán)境與生物膜內(nèi)相似，故能很好保持其生物活性，解決了蛋白質(zhì)在有機(jī)溶劑中容易變性失活和難溶于有機(jī)溶劑的問題，為蛋白質(zhì)的提取和分離開辟了一條新的途徑。成本低，有機(jī)溶劑可反復(fù)使用；容易放大和實現(xiàn)連續(xù)操作。反膠束萃取是一條具有工業(yè)發(fā)展前景的蛋白質(zhì)分離技術(shù)。反膠團(tuán)萃取的優(yōu)點反膠團(tuán)萃取的操作A 萃取的基本方法B反萃取.

C反萃取5.3 超臨界流體萃取

流體在超臨界狀態(tài)下，其密度接近液體，具有與液體溶劑相當(dāng)?shù)妮腿∧芰Γ黄湔扯冉咏跉怏w，傳遞阻力小，傳質(zhì)速率大于其處于液態(tài)下的溶劑萃取速率。基于超臨界流體的這種優(yōu)良特性，自20世紀(jì)70年代以來，迅速發(fā)展為一門綜合了精餾與液液萃取兩個單元操作的優(yōu)點的獨特的分離工藝。

超臨界流體每一種物質(zhì)都有其特征的臨界參數(shù)，在壓力--溫度相圖上，稱其為臨界點。臨界點對應(yīng)的壓力稱為臨界壓力，用PC表示，對應(yīng)的溫度稱為臨界溫度，用TC表示。不同的物質(zhì)有不同的臨界點。臨界點是氣體和液體轉(zhuǎn)化的極限，飽和液體和飽和氣體的差別消失。

當(dāng)溫度和壓力超過臨界點值時，物質(zhì)處于既不是液體也不是氣體的超臨界狀態(tài)，稱其為超臨界流體。超臨界萃取中應(yīng)用最多的是CO2。CO2的臨界溫度31.3℃,接近于室溫，臨界壓力為7.38Mpa，處于中等壓力，目前工業(yè)水平易于達(dá)到，并且無毒，無味，性質(zhì)穩(wěn)定，不燃，不腐蝕，易于精制，易于回收。圖3-15臨界點附近的P-T相圖

超臨界萃取原理

溶質(zhì)在一種溶劑中的溶解度取決于兩種分子間的作用力，這種溶劑溶質(zhì)之間的作用力隨著分子靠近而強(qiáng)烈的增加，分子間作用力越大，溶質(zhì)的溶解度越大。超臨界流體的密度越接近液體的密度，因此對溶質(zhì)的溶解能力與液體基本相同。壓力越大，超臨界流體的密度越大，對溶質(zhì)的溶解度也就越大。當(dāng)改變條件，隨著壓力的降低，超臨界流體的密度減小，溶解度急劇減小，溶質(zhì)釋放出來。

由此可見，在保持溫度恒定條件下，通過調(diào)節(jié)壓力來控制超臨界流體的萃取能力或保持壓力不變改變溫度來提高其萃取能力。流體在臨界區(qū)域附近，壓力和溫度的微小變化，會引起流體密度的大幅度變化，而非揮發(fā)性溶質(zhì)在超臨界流體中的溶解度大致和流體的密度成正比，保持溫度恒定，增大壓力，流體密度增大，對溶質(zhì)的萃取能力增強(qiáng)；保持壓力恒定，提高溫度，流體密度相對減小，對溶質(zhì)的萃取能力降低，使萃取劑與溶質(zhì)分離。超臨界流體萃取正是利用了這種特性，形成了獨特的分離工藝。超臨界C02的萃取特性(熟悉)

(1)溶解特性超臨界C02是一種非極性流體，符合相似相溶的原理。其溶解力隨物質(zhì)極性的減弱而增大，隨物質(zhì)分子量的增大而減弱。一般地表現(xiàn)為，對分子量小，極性弱的物質(zhì)易溶解，對分子量較大，極性較強(qiáng)的物質(zhì)難溶解，對分子量高，強(qiáng)極性的物質(zhì)，如氨基酸、蛋白質(zhì)、糖和無機(jī)鹽等則不溶解。在實際應(yīng)用中，有時根據(jù)需要向超臨界C02中加入助溶劑，來調(diào)整其溶解力。

(2)溶解力與P．T的關(guān)系(P83)超臨界CO2的溶解力受P和T的影響較大。壓力P增加，超臨界C02的密度增加，溶解力也相應(yīng)增加，其實驗的結(jié)果也是如此。以超臨界CO2

萃取沙棘油為例，T＝39℃，P＝15MP時，油的收率為88.0％，同樣溫度下，增加壓力P＝25MPa時，油的收率增加到90.7％。但一般當(dāng)壓力在40MP時，超臨界CO2

的溶解力就達(dá)到了實際所能獲得的最高限。因為若再升高壓力，萃取收率的提高，相對于為獲得及保持這樣高的壓力所增的投資和操作費用來說就不經(jīng)濟(jì)了。

溫度T升高，一般情況下CO2的溶解力有所增加，且較壓力影響明顯。仍以超臨界CO2

萃取沙棘油為例。F＝30MPa，T＝32℃時，沙棘油的收率為90.1%，當(dāng)溫度升高T＝40℃，油的收率提高到92.1％．但溫度的升高受到對所萃取物質(zhì)熱敏性要求的限制。

(3)助溶劑(夾帶劑)對溶解力的影響(P84)

向超臨界CO2流體中加入一定量的水、甲醇、乙酸、醋酸乙酯等物質(zhì)或者是它們的混合物，可以增加溶解力，從而改變對所萃取物質(zhì)的選擇性。如在超臨界CO2流體中加入總體積50~60％的甲醇后，即可以從濃度為1~3％的發(fā)酵液中蘋取L-脯氨酸，收率可達(dá)50％以上。但在使用助溶劑的時候，要注意助溶劑的分離和殘留。超臨界流體的密度與液體基本相同，而其粘度比液體小10～100倍，其自擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于液體的自擴(kuò)散系數(shù)，可以迅速滲透到物體的內(nèi)部溶解目標(biāo)物質(zhì)，快速達(dá)到萃取平衡。因此在固體內(nèi)提取有效成份時，用超臨界流體作為萃取劑遠(yuǎn)優(yōu)于液體。

超臨界二氧化碳萃取流程圖

超臨界流體的應(yīng)用實例

用超臨界CO2從咖啡中脫除咖啡因

超臨界CO2可以有選擇性地直接從原料中萃取咖啡因而不失其芳香味。具體過程為將綠咖啡豆預(yù)先用水浸泡增濕，用70～90℃，16～22MPa的超臨界CO2（這時PCO2≈0.4～0.65g/cm3）進(jìn)行萃取，咖啡因從豆中向流體相擴(kuò)散然后隨CO2一起進(jìn)入水洗塔，用70～90℃水洗滌，約10小時后，所有的咖啡因都被水吸收；該水經(jīng)脫氣后進(jìn)入蒸餾器回收咖啡因。CO2可循環(huán)使用。通過萃取，咖啡豆中的咖啡因可以從原來的0.7%?3%下降到0.02%以下，具體工藝流程見圖3-16。圖3-16超臨界CO2從咖啡中脫除咖啡因示意圖由于超臨界流體萃取毒性小、溫度低、溶解性能好，非常適合生化產(chǎn)品的分離和提取，近年來在生化工程上的應(yīng)用研究愈來愈多，如超大型臨界CO2萃取氨基酸，從單細(xì)胞蛋白的游離物中提取脂類，從微生物發(fā)酵的干物質(zhì)中萃取γ-亞麻酸，用超臨界CO2萃取發(fā)酵法生產(chǎn)的乙醇，以及各種抗生素的超臨界流體干燥，脫除丙酮、甲醇等有機(jī)溶劑，避免產(chǎn)品的藥性降低等等。可以預(yù)料，在不久的將來超臨界流體萃取