雙水相萃取技術(shù)課件

主講人：2014-12-25一、概述1.1基本概念●萃?。╡xtraction)：

●萃取劑：用以進行萃取的溶劑參與溶質(zhì)分配的兩相不同液-固萃取液-液萃取萃取原理物理萃取化學(xué)萃取雙水相萃取超臨界萃取●萃取劑：用以進行萃取的溶劑●萃取法的分類：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、細胞及細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)。只局限于實驗內(nèi)的測定和理論研究。1.3

雙水相概念將兩種不同的水溶性聚合物的水溶液混合時，當(dāng)聚合物濃度達到一定值時，體系自然地分成互不相溶的兩相.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）從一個水相轉(zhuǎn)移到另一個水相中，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，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?！窦尤臌}分，由于鹽析作用，聚合物與鹽類溶液也能形成兩相。2.1.2

雙水相體系的分類雙聚物：PEG/DEX、聚乙二醇/聚乙烯醇、聚乙烯醇/甲基纖維素、聚丙二醇/葡聚糖、聚丙二醇/甲氧基乙二醇等聚合物-低分子物質(zhì)的化合物：2.1.3

分配系數(shù)●當(dāng)萃取體系的性質(zhì)不同時，物質(zhì)進入雙水相體系后，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)進行分離，其分配情況服從分配定律。其中上下相組成分別為T和B，T和B量的遵循杠桿定律:即T和B相質(zhì)量之比等于系線上MB與MT的線段長度之比。2.1.4

相圖●

圖1是典型的高聚物-高聚物-水雙水相體系的直角坐標相圖。兩種聚合物A、B以適當(dāng)比例溶于水就會分別形成有不同組成密度的兩相。輕相組成用T點表示，重相組成用B點表示。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)，下方為單相區(qū)。2.2雙水相萃取工藝流程（1）目的產(chǎn)物的萃?。?）PEG循環(huán)（3）無機鹽的循環(huán)

離子液體雙水相體系(Ionicliquidsaqueoustwo-phasesystem,ILATPS)通常由一種有機鹽(親水性離子液體)、一種無機鹽(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。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。1)體系易于放大,各種參數(shù)可以按比例放大而產(chǎn)物的回收率并不降低,這點對于工業(yè)應(yīng)用尤為有利;2)體系內(nèi)傳質(zhì)和平衡速度快,回收率高,可達到90%以上,比起其他的一些分離過程,其能耗小;3)體系的相間張力大大低于有機溶劑與水的相間張力,分離條件溫和,因而能保持絕大部分生物分子的活性;4)操作條件溫和,整個過程可在常溫常壓下進行;5)離子液體的蒸汽壓幾乎為零,不會出現(xiàn)像有機溶劑那樣因揮發(fā)而引起環(huán)境問題;6)與傳統(tǒng)的高聚物雙水相相比,可更好的控制乳化現(xiàn)象。3.1.1特點3.2兩水相反應(yīng)器在兩水相系統(tǒng)中進行轉(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。這實際上是一種反應(yīng)和分離耦合的過程，有時也成為萃取生物轉(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，因此此時也可以把兩水相系統(tǒng)稱為兩水相反應(yīng)器。3.3進行兩水相生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)需滿足以下條件●催化劑應(yīng)單側(cè)分配；●底物應(yīng)分配于催化劑所處的相中；產(chǎn)物應(yīng)分配在另一相中；要有合適的相比。如產(chǎn)物分配在上相中，則相比要大，反之則相比要小。由于這些條件很難同時滿足，并且分離理論還不完善，因此常需要根據(jù)試驗選擇最優(yōu)系統(tǒng)和操作條件。3.4采用雙水相系統(tǒng)進行生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的優(yōu)點：與固定床反應(yīng)器相比，不需載體，不存在多孔載體中的擴散阻力，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。3.5.1原則①當(dāng)兩相流量相差很大時，將流量大的選做分散相可增加相際傳質(zhì)面積。但是，若所用的設(shè)備可能產(chǎn)生嚴重軸向返混時，應(yīng)選擇流量小的作分散相，以減小返混的影響。②在填料塔、篩板塔等萃取設(shè)備中，應(yīng)將潤濕性差的液體作為分散相。③當(dāng)兩相粘度相差較大時，應(yīng)將粘度大的液體作為分散相，這樣液滴在連續(xù)相內(nèi)沉降（或升?。┧俣容^大，可提高設(shè)備生產(chǎn)能力。④為減小液滴尺寸并增加液滴表面的湍動，對于界面張力梯度大于零的物系，溶質(zhì)應(yīng)從液滴向連續(xù)相傳遞。⑤為降低成本和保證安全操作，應(yīng)將成本高的和易燃易爆的液體作為分散相。產(chǎn)生分散相的動力微分接觸式逐級接觸式重力差噴啉塔、填料塔篩板塔、流動混合器機械攪拌轉(zhuǎn)盤萃取塔、攪拌萃取塔、振動篩板塔混合澄清器脈沖脈沖填料塔、脈沖篩板塔脈沖混合澄清器離心力作用連續(xù)式離心萃取器逐級式離心萃取器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。

脈動填料塔

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。

轉(zhuǎn)盤萃取塔

在塔體內(nèi)壁上按一定距離裝置若干個環(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轉(zhuǎn)盤，每個轉(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，對液體產(chǎn)生強烈的攪拌作用，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

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達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用正交實驗優(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)用五、不足之處(1)雙聚合物體系價格較高，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)