雙水相萃取技術(shù)課件

雙水相萃取技術(shù)主講人：2014-12-25一.概述二.基本原理及流程三.技術(shù)與設(shè)備四.研究及應(yīng)用五、不足之處六.發(fā)展方向

一、概述1.1基本概念●萃?。╡xtraction)：

萃取是利用溶質(zhì)在互不混溶的兩相之間分配系數(shù)的不同而使溶質(zhì)得到純化或濃縮的技術(shù)。1896年荷蘭微生物學(xué)家Berjerinck發(fā)現(xiàn)瓊脂水溶液與可溶性淀粉或明膠水溶液混合時(shí)形成雙水相現(xiàn)象。1.2

發(fā)展歷程1956年瑞典Land大學(xué)的Albertsson教授及其同事開始對水相系統(tǒng)研究。測定了許多雙水相系統(tǒng)的相圖，考察了蛋白質(zhì)、核酸、病毒、細(xì)胞及細(xì)胞顆粒在雙水相中的分配行為，為雙水相萃取系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。只局限于實(shí)驗(yàn)內(nèi)的測定和理論研究。Kula教授研究小組對雙水相的應(yīng)用、工藝流程、操作參數(shù)、設(shè)備、成本分析等進(jìn)行了大量研究，在應(yīng)用工程上獲得成功。1978年首先將雙水相萃取技術(shù)用于酶的大規(guī)模分離鈍化，建成了一套工業(yè)裝置，達(dá)到20Kg/h的處理能力，分離鈍化了幾十種酶，也應(yīng)用與基因工程的分離。國內(nèi)自20世紀(jì)80年代起也開展了ATPE技術(shù)研究。迄今為止,雙水相萃取技術(shù)已被成功應(yīng)用于生物工程、藥物提取、金屬離子分離等方面。在生物工程、藥物分析、環(huán)境科學(xué)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。盡管其已發(fā)展成為一種相對比較成熟的技術(shù),然而,相關(guān)研究和應(yīng)用還不夠深入,一些技術(shù)難題還有待解決，但仍然有值得深入研究與完善的方面。二.雙水相萃取的原理及流程

2.1原理

一定條件下，水相也可以形成兩相甚至多相。所以有可能將生物活性物質(zhì)（水溶性的酶、蛋白質(zhì)等）從一個(gè)水相轉(zhuǎn)移到另一個(gè)水相中，從而完成分類任務(wù)。

因此雙水相萃取與溶媒萃取的原理相似。當(dāng)兩種高聚物水溶液相互混合時(shí)，他們之間的相互作用可分為三類：互不相容（imcompatibility）復(fù)合凝聚（complexcoacervation）完全互溶（completemiscibility）2.1.1

雙水相體系的形成●聚合物之間的不相溶性，即聚合物分子的空間阻礙作用（表面性質(zhì)、電荷作用、氫鍵、離子鍵、環(huán)境因素等），相互間無法滲透，分為兩相。●兩種聚合物水溶液的水溶性有差異，混合后發(fā)生相分離，并且水溶性差別越大，相分離的傾向越大。●加入鹽分，由于鹽析作用，聚合物與鹽類溶液也能形成兩相。2.1.3

分配系數(shù)●當(dāng)萃取體系的性質(zhì)不同時(shí)，物質(zhì)進(jìn)入雙水相體系后，由于各種阻礙作用的存在，物質(zhì)分配不同，使其在上、下相中的濃度不同。K=C上/C下C上和C下分別為被分離物質(zhì)在上、下相的濃度。分配系數(shù)K等于物質(zhì)在兩相的濃度比，由于各物質(zhì)的K不同，可用雙水相萃取體系對物質(zhì)進(jìn)行分離，其分配情況服從分配定律。2.2雙水相萃取工藝流程雙水相萃取技術(shù)的工藝流程主要有三部分構(gòu)成：（1）目的產(chǎn)物的萃?。?）PEG循環(huán)（3）無機(jī)鹽的循環(huán)三、雙水相萃取技術(shù)及設(shè)備

離子液體雙水相體系(Ionicliquidsaqueoustwo-phasesystem,ILATPS)通常由一種有機(jī)鹽(親水性離子液體)、一種無機(jī)鹽(如磷酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物等)和水形成,它綜合了離子液體和雙水相體系的優(yōu)點(diǎn)。3.1

離子液體雙水相萃取

Gutowski等于2003年首次提出了離子液體雙水相的概念,研究發(fā)現(xiàn)了親水性離子液體[Bmim]Cl和水合磷酸鉀可以形成上相富集離子液體和下相富集磷酸鉀的雙水相體系,并且證明這一雙水相體系可能在分離萃取上有極好地應(yīng)用前景。3.2兩水相反應(yīng)器在兩水相系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)化翻譯功能，如酶促反應(yīng)，可以把產(chǎn)物移入另一相中，消除產(chǎn)物抑制，因而提高了產(chǎn)率。這實(shí)際上是一種反應(yīng)和分離耦合的過程，有時(shí)也成為萃取生物轉(zhuǎn)化；如果發(fā)生的是一種發(fā)酵過程，則也稱為萃取發(fā)酵，因此此時(shí)也可以把兩水相系統(tǒng)稱為兩水相反應(yīng)器。3.4采用雙水相系統(tǒng)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)：與固定床反應(yīng)器相比，不需載體，不存在多孔載體中的擴(kuò)散阻力，故反應(yīng)速度較快，生產(chǎn)能力較高；生物催化劑在兩水相系統(tǒng)中較穩(wěn)定；兩相間表面張力低，輕微攪拌即能姓曾高度分散系統(tǒng)，分散相液滴在10μm以下，有很大的表面積，有利于底物和產(chǎn)物的傳遞。3.5工業(yè)設(shè)備

在萃取過程中，要求在萃取設(shè)備內(nèi)兩相能密切接觸并伴有較高的湍動，以實(shí)現(xiàn)兩相之間的質(zhì)量傳遞；爾后，又能使兩相較快的分離。但是，由于兩相間的密度差較小，實(shí)現(xiàn)兩相的密切接觸和快速分離有一定的困難。根據(jù)兩相接觸方式，萃取設(shè)備分為逐級接觸和微分接觸式兩種；根據(jù)有無外功輸入分為外加能量和無外加能量兩種。為防止分散相液滴過多聚結(jié)，可增加塔內(nèi)流體的湍動，即向填料提供外加脈動能量，造成液體脈動，這種填料塔成為脈動填料塔。但須注意，向填料塔加入脈動會使亂堆填料趨向定向排列，導(dǎo)致溝流，從而使脈動填料塔的應(yīng)用受到限制。3.5.2

脈動填料塔3.5.3

篩板萃取塔

塔體內(nèi)裝有若干層篩板，篩孔直徑比氣-液傳質(zhì)的孔徑有效。工業(yè)中所用孔徑一般為3~9mm，孔距為孔徑的3~4倍，板間距為150~600mm。如果選輕相為分散相，則其通過塔板上的篩孔而被分散成細(xì)滴，與塔板上的連續(xù)相密切接觸后便分層凝聚，并聚結(jié)于上層篩板的下面，然后借助壓強(qiáng)差的推動，再經(jīng)篩孔而分散。重液相經(jīng)降液管流向下層塔板，水平橫向流到篩板另一端降液管。兩相如是依次反復(fù)進(jìn)行接觸與分層，便構(gòu)成逐級接觸萃取。如果先重相為分散相，則應(yīng)使輕相通過盛液管進(jìn)入上層塔板。篩板萃取塔內(nèi)由于塔板的限制，減小了軸向返混，同時(shí)由分散相的多次分散和聚結(jié)，液滴表面不斷更新，使篩板萃取塔的效率比填料塔有所提高，再加上篩板塔結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，可處理腐蝕性料液，因而在許多萃取過程中得到廣泛應(yīng)用。3.5.4

轉(zhuǎn)盤萃取塔

在塔體內(nèi)壁上按一定距離裝置若干個(gè)環(huán)形擋板，固定環(huán)使塔內(nèi)形成許多分開的空間。在中心軸上按同樣間距安裝若干個(gè)轉(zhuǎn)盤，每個(gè)轉(zhuǎn)盤處于分割空間的中間。轉(zhuǎn)盤的直徑小于固定環(huán)的內(nèi)徑，以便于裝卸。固定環(huán)和轉(zhuǎn)盤均有薄平板制成。轉(zhuǎn)盤隨中心軸做高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，對液體產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，增加了相際接觸面積和液體的湍動。固定環(huán)在一定程度上抑制了軸向返混，因而轉(zhuǎn)盤塔的效率較高。

轉(zhuǎn)盤萃取塔填料轉(zhuǎn)盤塔3.5.5結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.塔身即萃取塔中間段是直立圓筒，也可根據(jù)萃取規(guī)模的大小設(shè)計(jì)成不同大小的不銹鋼材料或高硼硅玻璃。

2.萃取塔內(nèi)構(gòu)件及管道均由不銹鋼材質(zhì)制作。

3.該萃取裝置清洗簡便，適合于粘度大的有機(jī)混合物。

四、雙水相萃取的研究及應(yīng)用1、在生物大分子分離純化方面的應(yīng)用2、在天然產(chǎn)物中提取小分子物質(zhì)方面的應(yīng)用3、在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用4、在廢水處理方面的應(yīng)用5、在手性分子識別分離方面的應(yīng)用6、在生物合成方面的應(yīng)用7、在測定方面的應(yīng)用8、在貴金屬分離方面的應(yīng)用4.1在生物大分子分離純化方面的應(yīng)用蛋白質(zhì)、酶、多糖、核酸等大分子物質(zhì)可以利用雙水相進(jìn)行分離、純化，雙水相體系由于其溫和的特性，能夠保持酶本身應(yīng)有的活性，所以利用雙水相萃取技術(shù)分離純化酶得到廣泛的應(yīng)用。

如：

①利用表面活性劑/鹽雙水相體系純化鵲腎樹葉中的絲氨酸蛋白酶。

②用PEG6000/Na2HPO4雙水相提取脂肪酶。

③利用PEG

/K3PO4雙水相室溫下純化α-淀粉酶。

4.2在天然產(chǎn)物中提取小分子物質(zhì)方面的應(yīng)用

天然產(chǎn)物中存在許多對人體有益的活性小分子物質(zhì)，但是提取一直以來都是高投入低回收，目前許多活性物質(zhì)大多數(shù)是利用化學(xué)合成來滿足人們的需求，但是化學(xué)合成物質(zhì)的效果和天然活性成分比，仍有一定的差距，人們一直在尋找能夠同時(shí)達(dá)到高提取率和高純度的方法，以降低成本“目前有很多關(guān)于雙水相分離純化活性小分子的研究。如：①用C2H5OH/磷酸鹽形成的雙水相體系從烏拉爾甘草提取液中分離甘草酸。②用(NH4)2SO4/C2H5OH雙水相體系結(jié)合超聲提取丹參中的紫草酸

B。4.3

在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用

雙水相體系不僅可以用于分離醫(yī)藥行業(yè)需要的細(xì)胞，還可以用來高效的提取抗生素。抗生素不僅能殺滅細(xì)菌，而且對支原體、衣原體等致病微生物也具有良好的抑制及殺滅效果。所以雙水相萃取技術(shù)在醫(yī)藥行業(yè)得到廣泛認(rèn)可。如：①利用免疫親和性PEG/Dextran雙水相體系從臍帶血中分離造血干細(xì)胞/源細(xì)胞。②親水性離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼B(yǎng)F?和NaH?PO?形成的雙水相體系能夠快速從青霉素水溶液中萃取青霉素G。③用親水性離子液體四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼B(yǎng)F4和NaH2PO?組成的雙水相體系萃取分離四環(huán)素。4.4

在廢水處理方面的應(yīng)用工廠排放的廢水中往往既含有大量的對環(huán)境污染性極大的物質(zhì)，如酚類物質(zhì)及一些鎘等金屬污染物，也含有一些可以回收循環(huán)利用的物質(zhì)，所以對廢水的處理意義重大，亟需一種快速高效的方法來解決這些問題。如：①用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化1-propanol/(NH4)2SO4雙水相體系去除醫(yī)藥、橡膠等行業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢水中的對氨基酚。②利用1-propanol/(NH4)2SO4雙水相體系除去電鍍廢水中鎘締合物。4.5

在手性分子識別分離方面的應(yīng)用手性分子，是化學(xué)中結(jié)構(gòu)上鏡像對稱而又不能完全重合的分子。手性分子在藥力、毒性等方面往往存在差別，有的甚至作用相反，所以獲得藥物的單一旋光手性化合物意義重大。目前，利用雙水相分離手性分子達(dá)到了較高水平。如：①用含手性選擇劑β-環(huán)糊精的PEG2000/(NH4)2SO4雙水相體系手性萃取拆分扁桃酸外消旋體。②用含手性選擇劑β-環(huán)糊精和HP-β-環(huán)糊精的PEG/

(NH4)2SO4雙水相體系提取苯丙氨酸對映體。4.6

在生物合成方面的應(yīng)用許多生物反應(yīng)過程存在產(chǎn)物的反饋抑制高濃度的產(chǎn)物抑制細(xì)胞的生長，降低生物催化劑的活力，目的產(chǎn)物往往和大量的底物、副產(chǎn)物混雜在一起，反應(yīng)體系的組成極其復(fù)雜，產(chǎn)物分離困難，分離時(shí)間長，分離效率低，制約著生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。如：①利用PEG400/MgSO4雙水相體系耦合酶法合成頭孢氨芐。②雙水相共聚合成陰離子型聚丙烯酰胺。③利用偶氮類引發(fā)劑引發(fā)丙烯酞胺（AM)進(jìn)行雙水相共聚合，得到了穩(wěn)定的陰離子型聚丙烯酞胺(APAM)水分散液。4.7在測定方面的應(yīng)用①用C2H5OH/(NH4)2SO4雙水相體系以及分光光度法測定糧食中微量鉬。②C2H5OH/(NH4)2SO4雙水相體系萃取、熒光法測定α-萘乙酸。③用2-propanol/(NH4)2SO4雙水相體系選擇性分離富集維生素B12。4.8在貴金屬分離方面的應(yīng)用貴金屬的分離提取及純化技術(shù)主要有火法和濕法兩類，但是這兩種方法的成本高!收率低，所以用經(jīng)濟(jì)有效!環(huán)境友好的方法提取貴金屬是大家共同追求的目標(biāo)，雙水相以其獨(dú)特的優(yōu)勢逐漸被使用在貴金屬提取純化方面。如：①1-propanol/鹽雙水相體系和鹽誘導(dǎo)浮選分離法實(shí)現(xiàn)了鉑、鈀、鍺、銥、金、鋨、等貴金屬元素的分離。②PEG2000/(NH4)2SO4雙水相體系分離王水溶解剩余含金固體。五、不足之處

雙水相萃取技術(shù)作為一種新型的分離技術(shù)日益受到重視，與傳統(tǒng)的萃取及其他分分離技術(shù)相比具有操作條件溫和、處理量大等優(yōu)點(diǎn)。且可以獲得較高的收率和較純的有效成分，與常規(guī)的有機(jī)溶劑萃取技術(shù)相比較，最大的優(yōu)勢在于可保持生物物質(zhì)的活性及構(gòu)象，因此在生物技術(shù)、藥物分析提取、金屬分離等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。但是體系自身也存在的一定的缺陷，如：(1)雙聚合物體系價(jià)格較高，限制了其在工業(yè)中大規(guī)模的應(yīng)用；

(2)體系的易乳化問題，導(dǎo)致萃取過程極不穩(wěn)定，操作十分不方便，條件難以控制；(3)某些高聚合物雙水相體系分相時(shí)間較長，大大降低了生產(chǎn)效率；(4)此外雙水相萃取缺乏理論基礎(chǔ)，目前的研究還停留在熱力學(xué)模型的探索階段。(5)水溶性高聚物大多數(shù)粘度較大,不易定量控制;(6)水溶性的高聚物難以揮發(fā),使反萃必不可少,高聚物回收困難;(7)雖然通過選擇適宜的雙水相體系和操作條件,可獲得被分離物質(zhì)在兩相間較大的分配系數(shù)和較高的純化倍數(shù),但目標(biāo)產(chǎn)物與成相物質(zhì)的分離比較困難；六、發(fā)展方向6.1

ATPE技術(shù)的優(yōu)化ATPE技術(shù)在工業(yè)中還沒有被廣泛利用,部分是因?yàn)閮上嚅g的溶質(zhì)分配對于具有高度選擇性,需要從上千種蛋白中分離一種蛋白這種情況提供了很小的范圍。另一方面,如何從聚合相中回收目的產(chǎn)物、循環(huán)利用聚合物與鹽以降低成本問題還有待進(jìn)一步研究。目前ATPE技術(shù)應(yīng)用的主要問題是原料成本高和純化倍數(shù)低。因此,開發(fā)廉價(jià)雙水相體系及后續(xù)層析純化工藝,降低原料成本,采用新型親和雙水相萃取技術(shù),提高分離效率將是雙水相分離技術(shù)的主要發(fā)展方向。目前雙水相萃取技術(shù)走向工業(yè)化所需解決的最大問題是構(gòu)成雙水相成相系統(tǒng)組分的價(jià)格十分昂貴，為了解決這個(gè)問題國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。一方面用廉價(jià)的無機(jī)鹽代替以往常用的昂貴的葡聚糖、硫酸鈉、硫酸鎂碳酸鉀等鹽與PEG形成的雙水相系統(tǒng)現(xiàn)已經(jīng)大量用于萃取操作，另一方面開發(fā)可替代聚乙二醇和葡聚糖的高聚物變性淀粉、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羥基纖維素等替代PEG均取得階段性的成果此外有利用臨界膠束濃度下表面活性劑的特異自組織行為及良好的穩(wěn)定性形成的ATPS。此類ATPS分相依據(jù)的是膠束的形成包括由非離子型表面活性劑組成的ATPS和由離子型表面活性劑組成的ATPS。這些由表面活性劑組成的ATPS與傳統(tǒng)ATPS相比有含水量更高,兩相更容易分離,表面活性劑用量很少,且可循環(huán)利用等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。6.2廉價(jià)新型雙水相系統(tǒng)的開發(fā)親和吸附具有專一性強(qiáng)、分離效率高等特點(diǎn)。利用其特點(diǎn)將親和吸附與雙水相萃取技術(shù)相結(jié)合