雙水相萃取技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、現(xiàn)代分離技術(shù)課程論文雙水相萃取技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢劉現(xiàn)輝（河南工業(yè)大學 化學化工學院 化學1304，學號201313030415）摘要：雙水相萃取技術(shù)(ATPE)是一種新型的用于提取、分離、純化的技術(shù)，目前的研究證明雙水相萃取已經(jīng)應用于生物分子分離、污水處理、貴金屬分離、生物合成、檢測等方面，而且由于其本身的易于擴大，成本低、快速、高效等優(yōu)勢，應用前景會更加廣闊。本文介紹了雙水相萃取技術(shù)的原理、特點，及其應用和發(fā)展方向，并對其進行展望。關(guān)鍵詞：雙水相萃取技術(shù)；形成原理；應用；發(fā)展方向雙水相萃取是1896年Beijerineh最早發(fā)現(xiàn)的,1956年由瑞典倫德大學的Albertsson重新發(fā)現(xiàn)。

2、1979年德國GBF的Kula等人將雙水相萃取分離技術(shù)應用于生物產(chǎn)品分離。雙水相系統(tǒng)萃取的特點是分相時間短,易于操作,目標產(chǎn)物分配系數(shù)大,投資費用少,大多數(shù)形成雙水相的高聚物可回收利用等。由于雙水相系統(tǒng)中的含水量高達70%90%,不會造成生物活性物質(zhì)的變性或失活, 甚至還能起到穩(wěn)定和保護生物活性的作用, 因此雙水相系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛用于蛋白質(zhì)、酶、核酸、病毒等生物產(chǎn)品的分離和純化【1】。1 雙水相萃取技術(shù)的簡介雙水相萃取技術(shù)(Aqueous two-phase extraction,ATPE)是指把兩種聚合物或一種聚合物與一種鹽的水溶液混合在一起，由于聚合物與聚合物之間或聚合物與鹽之間的不

3、相溶性形成兩相，是近年來引人注目，極有前途的新型分離技術(shù)。被分離物質(zhì)進入雙水相體系后由于表面性質(zhì)、電荷間作用和各種作用力(疏水鍵、氫鍵和離子鍵)等因素的影響，在兩相間的分配系數(shù)不同，導致其在上下相的濃度不同達到分離目的。常見的雙水相體系主要有五類：聚合物/聚合物/水；高分子電解質(zhì)/聚合物/水；高分子電解質(zhì)/高分子電解質(zhì)/水；聚合物/低分子量組分/水；聚合物/無機鹽。目前應用最廣泛的的雙水相體系是聚乙二醇/無機鹽體系。雙水相體系萃取分離技術(shù)具有其獨特的特點。首先反應條件比較溫和，因此對被分離物質(zhì)不會起到破壞作用，特別適合對具有生物活性的物質(zhì)進行分離提純。其次，雙水相萃取技術(shù)操作方便，設(shè)備簡單，并

4、且能夠直接與后續(xù)提純工藝連接，不用進行特殊處理。雙水相萃取技術(shù)的回收率也比較高，如果選擇的體系合適，能夠達到百分之八九十以上，并且分離速度也十分迅速。2 雙水相萃取技術(shù)的基本原理雙水相體系萃取分離原理是基于生物質(zhì)在雙水相體系中的選擇性分配。當生物物質(zhì)進入雙水相體系后，在上相和下相間進行選擇性分配，這種分配關(guān)系與常規(guī)的萃取分配關(guān)系相比，表現(xiàn)出更大或更小的分配系數(shù)。如各種類型的細胞粒子、噬菌體的分配系數(shù)都大于100 或者小于0.01。其分配規(guī)律服從Nernst 分配定律，即k =ct/cb，式中ct、cb分別代表上相、下相中的溶質(zhì)（分子或粒子）的濃度。研究表明，在相體系固定時，預分離物質(zhì)在相當大的

5、濃度范圍內(nèi)，分配系數(shù)K為常數(shù)，與溶質(zhì)的濃度無關(guān)，只取決于被分離物質(zhì)本身的性質(zhì)和特定的雙水相體系的性質(zhì)2。根據(jù)2相平衡時化學位相等的原則，從Brownstedt 方程式求得分配系數(shù)K，即：式中 M- 物質(zhì)分子量- 系統(tǒng)的表面特性系數(shù)k- 波爾茲曼常數(shù)T- 溫度在實際單元操作中，由于無法固定整個雙水相體系，也很難確切地知道被分離的原液含有多少其他物質(zhì)，這些因素共同作用和影響，使整個體系變得相當復雜，因而目前尚沒有定量的關(guān)聯(lián)模型能預測整個體系的分配關(guān)系。最佳的操作條件須依靠實驗得到。3 雙水相萃取體系的特點雙水相萃取成為新興生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究的熱點，主要是該技術(shù)對于生物物質(zhì)的分離和純化表現(xiàn)出特有的優(yōu)點

6、和獨有的技術(shù)優(yōu)勢【3,4】。(1 ) 易于放大，各種參數(shù)可以按比例放大而產(chǎn)物收率并不降低。Albertson 證明分配系數(shù)僅與分離體積有關(guān)，這是其他過程無法比擬的，這一點對于工業(yè)應用尤為有利；(2 ) 雙水相系統(tǒng)之間的傳質(zhì)和平衡過程速度快，回收效率高，相對于某些分離過程來說，能耗較小，速度快。如選擇適當體系，回收率可達80%以上，提純倍數(shù)可達220倍；(3 ) 易于進行連續(xù)化操作，設(shè)備簡單，且可直接與后續(xù)提純工序相連接，無需進行特殊處理；( 4 ) 雙水相體系的相間張力大大低于有機溶劑與水相之間的相間張力，相分離條件溫和，因而會保持絕大部分生物分子的活性，而且可直接用在發(fā)酵液中。如潘杰等人用雙

7、水相技術(shù)直接從發(fā)酵液中將丙酰螺旋酶素與菌體分離、純化【5】；(5 ) 影響雙水相體系的因素比較復雜，從某種意義上說，可以采取多種手段來提高選擇性或提高收率；( 6 ) 操作條件溫和，整個操作過程在常溫常壓下進行；(7 ) 不存在有機溶劑殘留問題，高聚物一般是不揮發(fā)性物質(zhì)，因而操作環(huán)境對人體無害；(8 ) 親和雙水相萃取技術(shù)可以提高分配系數(shù)和萃取的專一性。4 雙水相萃取技術(shù)的工藝流程【6】主要由三部分構(gòu)成: 目的產(chǎn)物的萃取，PEG 的循環(huán)，無機鹽的循環(huán)。4.1 目的產(chǎn)物的萃取原料勻漿液與PEG 和無機鹽在萃取器中混合，然后進入分離器分相。通過選擇合適的雙水相組成，一般使目標蛋白質(zhì)分配到上相( P

8、EG相)，而細胞碎片、核酸、多糖和雜蛋白等分配到下相(富鹽相)。第二步萃取是將目標蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入富鹽相，方法是在上相中加入鹽，形成新的雙水相體系，從而將蛋白質(zhì)PEG分離，以利于使用超濾或透析將PEG回收利用和目的產(chǎn)物進一步加工處理。4.2 PEG的循環(huán)在大規(guī)模ATPE 過程中，成相材料的回收和循環(huán)使用，不僅可以減少廢水處理的費用，還可以節(jié)約化學試劑，降低成本。PEG的回收有兩種方法: 加入鹽使目標蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)入富鹽相來回收PEG；將PEG相通過離子交換樹脂，用洗脫劑先洗去PEG，再洗出蛋白質(zhì)。4.3 無機鹽的循環(huán)將含無機鹽相冷卻，結(jié)晶，然后用離心機分離收集。除此之外還有電滲析法、膜分離法回收鹽類或除去

9、PEG相的鹽。5 雙水相萃取技術(shù)的應用及現(xiàn)狀5.1 雙水相萃取技術(shù)在生物技術(shù)中的應用雙水相萃取技術(shù)最先應用的領(lǐng)域是生物產(chǎn)品的分離，目前，雙水相萃取技術(shù)已應用于蛋白質(zhì)、生物酶、菌體、細胞以及氨基酸、抗生素等生物小分子物質(zhì)的分離、純化。劉楊等【7】以PEG/硫酸鈉雙水相體系，經(jīng)一次萃取從鈍頂螺旋藻( Spirulina platensis) 細胞破碎液中富集分離藻藍蛋白。結(jié)果表明，萃取最適宜的條件為12% PEG4000，15% Na2SO4，1% KCl，藻藍蛋白收率為91.2%，分配系數(shù)達到8.01，分離因數(shù)達到6.33。對于螺旋藻藻藍蛋白的富集分離，雙水相萃取法與傳統(tǒng)的鹽析沉淀法相比，具有節(jié)

10、省操作時間、簡化操作過程、降低能耗和成本以及易于工藝放大等優(yōu)點。5.2 雙水相萃取技術(shù)在藥物提取中的應用雙水相萃取技術(shù)已經(jīng)悄然滲透到藥物成分的分離中，如萃取三七皂苷、四環(huán)素、橙皮苷、杜仲黃酮、燈盞花素、桃葉珊瑚甙、蘆薈蒽醌、青霉素等。高云濤等【8】研究了燈盞花素在丙醇硫酸銨雙水相體系中的分配行為，重點對雙水相的形成、硫酸銨用量和初始pH值對分配比的影響進行了研究。在鹽水相、丙醇初始體積分別為10.0mL和4.0mL，硫酸銨用量為3.5g，初始pH 為4.08條件下，燈盞花素的最大分配比達107.5，相應的萃取率達97.7%。在實驗基礎(chǔ)上建立了相應的“二元弱酸”分配模型。5.3 雙水相萃取技術(shù)在

11、金屬離子分離中的應用傳統(tǒng)的金屬離子溶劑萃取方法存在著溶劑污染環(huán)境、對人體有害、運行成本高、工藝復雜等缺點。近年來，利用雙水相技術(shù)萃取分離金屬離子達到了較高的水平。許虹【9】研究了在硫酸銨存在下，3，5二溴水楊基熒光酮乙醇體系萃取分離鎢()的行為。實驗表明，作為萃取溶劑的乙醇，既能萃取電中性的螯合物，又能萃取帶電荷的螯合物。在pH為16時，W()均保持很高的萃取率。控制一定的酸度，可以實現(xiàn)W()與Fe()、Cu()、Co()、Ni()、Mn()、Zn() 之間的分離。5.4 雙水相萃取與其它技術(shù)結(jié)合應用技術(shù)總是相通的，雙水相萃取技術(shù)有其獨有的優(yōu)點，如能與其它技術(shù)結(jié)合應用，萃取分離效果更佳。雙水相

12、萃取技術(shù)與超聲波、微波、殼聚糖沉淀相結(jié)合應用的研究已經(jīng)比較成熟，其中與超聲波分離技術(shù)結(jié)合應用得最多。翟素玲等【10】人將PEG/dextran 雙水相體系耦合電泳初步探索了苯丙氨酸和色氨酸的分離。周安存等【11】人集成C2H5OH/(NH4)2SO4按時雙水相體系與微波提取分離石榴皮多酚，提取率達到18.33%，多酚在除提物中的含量75.36%。5.5 雙水相萃取技術(shù)的研究新進展目前，分離生物物質(zhì)經(jīng)常采用的雙水相系統(tǒng)主要有2類：非離子型聚合物/水系統(tǒng)（最常用的為聚乙二醇/葡聚糖）和非離子型聚合物/無機鹽/水系統(tǒng)（常用的如聚乙二醇/鹽體系）。原因在于此2類雙水相系統(tǒng)采用的是無毒性的聚合物，且其多

13、元醇、多元糖結(jié)構(gòu)能夠保證生物大分子的穩(wěn)定性。但在實際應用中，2類雙水相系統(tǒng)各有弊端，非離子型聚合物/水系統(tǒng)能夠保證生物活性物質(zhì)的活性，且界面吸附少，但所用聚合物材料如葡聚糖成本較大，且體系黏度大，制約大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過程；相對于前者，非離子型聚合物/無機鹽/水系統(tǒng)成本低，體系黏度小，但該系統(tǒng)會導致某些敏感生物活性物質(zhì)失活，此外還會產(chǎn)生大量的高濃度鹽廢水。因此，尋求新型雙水相體系成為日后的主要研究方向。目前，新型雙水相體系的開發(fā)主要有廉價的雙水相系統(tǒng)及其他新型功能雙水相系統(tǒng)。6 結(jié)論、現(xiàn)存問題與展望雙水相萃取技術(shù)是近年來新發(fā)展起來的分離技術(shù)，所需設(shè)備簡單、條件溫和、易于操作，且可以獲得較高的收率

14、和較純的有效成分，與常規(guī)的有機溶劑萃取技術(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用前景。但是體系自身也存在的一定的缺陷，如雙聚合物體系價格較高，限制了其在工業(yè)中大規(guī)模的應用; 體系的易乳化問題，導致萃取過程極不穩(wěn)定，操作十分不方便，條件難以控制; 某些高聚合物雙水相體系分相時間較長，大大降低了生產(chǎn)效率; 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模型的探索階段。因此，開發(fā)廉價雙水相體系及后續(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。參考文獻【1】 郭晶晶.

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