新型的萃取分離技術(shù)課件

1、第五章 新型的萃取分離技術(shù)膠團萃取雙水相萃取超臨界流體萃取固相(微)萃取、液相微萃取微波輔助溶劑萃取加速溶劑萃取溶劑徽膠囊萃取超臨界流體萃取 Supercritical F1uid Extraction 一、概述二、超臨界流體萃取原理 三、SFE萃取的基本流程四、 SFE萃取的特點五、 應(yīng)用一、概述 超臨界流體萃取(Supercritical F1uid Extraction, SFE )，也叫氣體萃取(Gas Extraction)、流體萃取(F1uid Extraction)、稠密氣體萃取(Dense Gas Extraction)或蒸餾萃取(Destraction). 由于萃取中的一個重

2、要因素是壓力，有效的溶劑萃取過程也可以在非臨界狀態(tài)下實現(xiàn)，因此廣義地稱之為壓力流體萃取(Pressure Fluid Extraction) 它是利用超臨界流體(Supercritical Fluid，SCF)，即溫度和壓力略超過或靠近超臨界溫度(Tc)和臨界壓力(pc)、介于氣體和液體之間的流體，作為萃取劑，從固體或液體中萃取出某種高沸點或熱敏性成分，以達到分離和純化的目的。 超臨界流體萃取作為一種分離過程的開發(fā)和應(yīng)用，是基于在超臨界狀態(tài)下溶劑對固體和液體的萃取能力和選擇性，比在常溫常壓條件下可獲得極大的提高。 作為一個分離過程，超臨界流體萃取介于蒸餾和液液萃取過程之間。 蒸餾是物質(zhì)在流動的

3、氣體中，利用不同的蒸氣壓進行蒸發(fā)分離； 液液萃取是利用溶質(zhì)在不同的溶液中溶解能力的差異進行分離； 超臨界流體萃取是利用臨界或超臨界狀態(tài)的流體，依靠被萃取的物質(zhì)在不同的蒸氣壓力下所具有的不同化學(xué)親和力和溶解能力進行分離、純化的單元操作，即此過程同時利用了蒸餾和萃取現(xiàn)象蒸氣壓和相分離均在起作用。超臨界萃取技術(shù)在其它方面也有著廣泛的應(yīng)用前景。如金屬與適當配位體生成絡(luò)合物后，可以溶解于超臨界CO2 。利用這一性質(zhì)，可以將一些金屬直接從固體和液體中提取出來，不需任何前處理過程，為金屬的提取和分離提供了新的途徑。同時，人們還可以借助超臨界萃取技術(shù)，根據(jù)聚合物分子量、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成對聚合物混合物進行分離。

4、今后，隨著人們對于超臨界流體技術(shù)認識和研究的進一步深化，這一新興技術(shù)必將得以更廣泛和深入的應(yīng)用。而超臨界流體技術(shù)本身也必將對人類科技進步和經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。 要充分利用超臨界流體的獨特性質(zhì)，必須了解純?nèi)軇┘捌浜腿苜|(zhì)的混合物在超臨界條件下的相平衡行為。 現(xiàn)用超臨界純?nèi)軇┑南鄨D來表明臨界點及其相平衡行為。下圖為以純二氧化碳的密度為第三參數(shù)的壓力溫度圖。1. 純?nèi)軇┑男袨槎?、超臨界流體萃取原理 超臨界萃取的實際操作范圍以及通過調(diào)節(jié)壓力或溫度改變?nèi)軇┟芏葟亩淖內(nèi)軇┹腿∧芰Φ牟僮鳁l件，可以用二氧化碳的對比壓力對比密度圖加以說明.超臨界萃取和超臨界色譜的實際操作區(qū)域為圖中黃色區(qū)域，在這一區(qū)域里，超

5、臨界流體具有極大的可壓縮性。溶劑密度可從氣體般的密度(0.1)遞增至液體般的密度(2.0)。由圖可見，等溫線在一定密度范圍內(nèi)趨于平坦，即在此區(qū)域內(nèi)微小的壓力變化將大大改變超臨界流體的密度.另一方面，在壓力一定的情況下，提高溫度可以大大降低溶劑的密度。如壓力在10.3MPa時，溫度從37 提高到92 也可以使密度作相應(yīng)的降低，從而降低其萃取能力，使之與萃取物分離。 超臨界流體萃取正是利用了這個特性，形成了新的分離工藝。它是經(jīng)典萃取工藝的延伸和擴展。 流體在臨界區(qū)附近，壓力和溫度的微小變化，會引起流體的密度大幅度變化，而溶質(zhì)在超臨界流體中的溶解度大致上和流體的密度成正比。 當氣體處于超臨界狀態(tài)時,

6、 成為性質(zhì)介于液體和氣體之間的單一相態(tài), 具有和液體相近的密度, 粘度雖高于氣體但明顯低于液體, 擴散系數(shù)為液體的10100倍; 因此對物料有較好的滲透性和較強的溶解能力, 能夠?qū)⑽锪现心承┏煞痔崛〕鰜怼?超臨界流體萃取分離過程就是利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關(guān)系，即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進行的。 超臨界流體是處在高于其臨界點的溫度和壓力條件下的流體，用它作為萃取劑時，常表現(xiàn)出十幾倍、甚至幾十倍于通常條件下流體的萃取能力和良好的選擇性。除此以外，它所具有的某些傳遞性質(zhì)，也使之成為理想的萃取溶劑。2.超臨界流體的性質(zhì)不同流體狀態(tài)時的物理性質(zhì) 流體狀態(tài)密度g/mL擴散系數(shù)

7、cm2/sec黏度g/cm.sec 氣體1atm, 15-30C (0.6 2) 10-30.1 0.4(1 3) 10-4 液體0.6 1.6(0.2 2) 10-5(0.2 3) 10-2 P=Pc,T=TcSF P=4Pc,T=Tc0.2 0.50.7 10-3(1 3) 10-40.4 0.90.2 10-3(3 9) 10-4超臨界流體的溶解性溶質(zhì)在一種溶劑中的溶解度取決于兩種分子之間的作用力，這種溶劑溶質(zhì)之間的相互作用隨著分子的靠近而強烈地增加，也就是隨著流體相密度的增加而強烈的增加。物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度C與超臨界流體的密度之間的關(guān)系可以用下式表示：lnC=mln+b m和b

8、值與萃取劑及溶質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。 選用的超臨界流體與被萃取物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)越相似，溶解能力就越大。在SFE中，壓力和溫度影響SFs的密度，進而影響SFs溶劑化能力，所以影響SFs效率。 超臨界流體顯示出在傳遞性質(zhì)上的獨特性，產(chǎn)生了異常的質(zhì)量傳遞性能。 如前所述，溶劑的密度對于溶解度而言是一個非常重要的性質(zhì)。但是，作為傳遞性質(zhì)，必須對熱和質(zhì)量傳遞提供推動力。超臨界流體的傳遞性 粘度、熱傳導(dǎo)性和質(zhì)量擴散度等都對超臨界流體特性有很大的影響。超臨界流體的密度近似于液相的密度，溶解能力也基本上相同。此外，傳遞性質(zhì)值的范圍在氣體和液體之間，例如在超臨界流體中的擴散系數(shù)比在液相中要高出l0100倍，但是黏度就

9、比其小10l00倍，這就是說超臨界流體是一種低黏度、高擴散系數(shù)易流動的相，所以能又快又深地滲透到包含有被萃取物質(zhì)的固相中去，使擴散傳遞更加容易并能減少泵送所需的能量。同時，超臨界流體能溶于液相，從而降低了與之相平衡的液相粘度和表面張力，并且提高了平衡液相的擴散系數(shù)，有利于傳質(zhì)。 超臨界流體的熱傳導(dǎo)性大大超過了濃縮氣體的熱傳導(dǎo)性，與液體基本上在同一數(shù)量級。這種性能在對流熱傳遞過程中和熱與質(zhì)量傳遞過程同時發(fā)生的情況下有一個比較強的效應(yīng)。 超臨界流體萃取過程能否有效地分離產(chǎn)物或除去雜質(zhì)，關(guān)鍵是超臨界流體萃取中使用的流體必須具有良好的選擇性。 提高溶劑選擇性的基本原則是： 操作溫度應(yīng)和超臨界流體的臨界

10、溫度相接近； 超臨界流體的化學(xué)性質(zhì)應(yīng)和待分離溶質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)相接近。 若兩條原則基本符合，效果就較理想，若符合程度降低，效果就會遞減。3. 超臨界流體的選擇1 、 萃取劑需具有化學(xué)穩(wěn)定性，對設(shè)備沒有腐蝕性;2 、 臨界溫度不能太低或太高，最好在室溫附近或操作溫度附近；3 、操作溫度應(yīng)低于被萃取溶質(zhì)的分解溫度或變質(zhì)溫度；4 、臨界壓力不能太高，可節(jié)約壓縮動力費；5 、 選擇性要好，容易得到高純度制品：6 、溶解度要高，可以減少溶劑的循環(huán)量；7 、萃取溶劑要容易獲取，價格要便宜。超臨界流體必須具備的條件若采用CO2萃取極性物質(zhì)，就需將其改性，常用改性方法有兩種：流體改性：向CO2中加入少量極性溶劑(

11、改性劑)，增加混合流體的極性?；w改性：直接將改性劑加到樣品基體中。當被萃取物與樣品基體較強地結(jié)合在一起時，這種方法更為有效。 CO2 改性方法：改善SF溶劑性能，提高低揮發(fā)溶質(zhì)在超臨界流體中的溶解度。改變超臨界流體的PVT特性，大致可用下式表示： Tc=XaTa+XbTb Pc=XaPa十XbPb 式中，Tc、Pc分別為混合流體的臨界溫度和臨界壓力；Xa、Xb分別為溶劑A、B的摩爾分數(shù)；Ta、Tb和Pa、Pb分別為A、B的臨界溫度和臨界壓力。提高萃取混合物時對溶質(zhì)的選擇性上述兩種方法中改性劑的作用可歸納為三個方面：影響超臨界CO2萃取的主要因素物料顆粒的大?。?060目）萃取壓力的影響萃取溫

12、度的影響CO2流量夾帶劑的選擇傳質(zhì)性能的改善萃取時間 該流程包括如下幾部分： 1.高壓泵。2.萃取池。3.限流器（阻尼器）4.收集器。5.控制部分。 三、SFE萃取的基本流程（1）高壓泵 高壓泵的作用是對超臨界流體（包括改性劑）加壓并將其傳送至萃取池，常用高壓注射泵。加壓系統(tǒng)具有程序升壓和程序升密功能。（2）萃取池萃取池是超臨界流體萃取進行的主要場所，其作用是盛放樣品。液體樣品通常是從萃取池底部引入，出口在上方，呈逆流形式，使超臨界流體和分析物充分接觸，提高萃取的效率。（3）阻尼器阻尼器也稱節(jié)流器，其作用是限制超臨界流體流出萃取池流人收集器的流量和壓力。 高壓針閥阻尼器其特點是流量限制可以調(diào)節(jié)

13、。但是價格較貴，同時不能像毛細管那樣經(jīng)常更換，容易出現(xiàn)交叉污染的情況。（4）收集器 收集器也稱采集器或吸收池，其作用是收集萃取的目標分析物。收集器種類繁多，一般容器都可以使用。分析物隨超臨界流體流出萃取池后，必須采用適當?shù)姆椒ㄊ勾罅康某R界流體與分析物分離，從而得到純品。目前，通用的方法有兩種：升溫法和降壓法。在壓力不變的情況下，可以讓承載有分析物的超臨界流體流經(jīng)熱交換器進行升溫，超臨界流體中的溶質(zhì)因密度降低而析出，此法為升溫法。若溫度不變，可以使超臨界流體流經(jīng)阻尼器，在阻尼器的出口是常壓，超臨界流體因降壓密度變小而析出溶質(zhì)，此法為降壓法。降壓法較升溫法常用，但是分析物因壓力降低而膨脹會形成氣

14、溶膠，堵塞阻尼器，解決的辦法是采用密封收集或者使用大口阻尼器。（5）控制部分用微機控制溫度系統(tǒng)和高壓泵系統(tǒng)，進行恒溫和程序升溫、恒壓或程序升壓、恒密或程序升密以及程序修改等操作。目前微機技術(shù)的發(fā)展，為超臨界流體萃取與其他分析技術(shù)的聯(lián)用提供了很好的軟件平臺，操作者也更容易在良好的操作界面下優(yōu)化和使用超臨界流體。 SFC 流程示意圖 可分為動態(tài)、靜態(tài)、靜態(tài)動態(tài)三種。 1. 動態(tài)萃?。核唵?、方便、快速，特別適合于萃取那些在超臨界流體萃取劑中溶解度很大的物質(zhì)，而且樣品基體又很容易被SFs滲透的場合。該法SFs用量大。 2. 靜態(tài)萃?。哼m合萃取與基體較難分離和在流體中溶解度不大的溶質(zhì)，也適合于樣品基體

15、較為致密，SFs不易滲透的樣品。 3. 靜態(tài)動態(tài)萃?。杭挫o態(tài)與動態(tài)法的結(jié)合。該法比靜態(tài)法效率高，而且可以克服動態(tài)法的缺點，適用于那些動態(tài)法萃取效率不高的樣品。操作方式 ： 1萃取和分離合二為一，當飽含溶解物的二氧化碳超臨界流體流經(jīng)分離器時，由于壓力下降使得CO2與萃取物迅速成為兩相（氣液分離）而立即分開，不存在物料的相變過程，不需回收溶劑, 操作方便；不僅萃取效率高，而且能耗較少，節(jié)約成本。 2壓力和溫度都可以成為調(diào)節(jié)萃取過程的參數(shù)。臨界點附近，溫度壓力的微小變化，都會引起CO2密度顯著變化，從而引起待萃物的溶解度發(fā)生變化，可通過控制溫度或壓力的方法達到萃取目的。壓力固定，改變溫度可將物質(zhì)分離

16、；反之溫度固定，降低壓力使萃取物分離；因此工藝流程短、耗時少。對環(huán)境無污染，萃取流體可循環(huán)使用，真正實現(xiàn)生產(chǎn)過程綠色化。四、 SFE萃取的特點3萃取溫度低, CO2的臨界溫度為31.265 ,臨界壓力為 7.18MPa, 可以有效地防止熱敏性成分的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸點，低揮發(fā)渡、易熱解的物質(zhì)在其沸點溫度以下萃取出來。4. 臨界CO2流體常態(tài)下是氣體, 無毒, 與萃取成分分離后, 完全沒有溶劑的殘留, 有效地避免了傳統(tǒng)提取條件下溶劑毒性的殘留。同時也防止了提取過程對人體的毒害和對環(huán)境的污染, 100%的純天然。5超臨界流體的極性可以改變, 一定溫度條件下, 只要改變壓力或

17、加入適宜的改性劑即可提取不同極性的物質(zhì), 可選擇范圍廣。 超臨界流體萃取由于高效、快速、后處理簡單等特點，是一種很理想的樣品前處理“清洗”技術(shù)，在近年來得到了廣泛的應(yīng)用。 具體應(yīng)用可以分為以下幾個方面： 1、從藥用植物中萃取生物活性分子，生物堿萃取和分離； 2、來自不同微生物的類脂脂類，或用于類脂脂類回收，或從蛋白質(zhì)中去除類脂脂類； 3、從多種植物中萃取抗癌物質(zhì)，特別是從紅豆杉樹皮和枝葉中獲得紫杉醇防治癌癥； 4、維生素，主要是維生素E的萃?。?5、對各種活性物質(zhì)（天然的或合成的）進行提純，除去不需要分子（比如從蔬菜提取物中除掉殺蟲劑）或“渣物”以獲得提純產(chǎn)品； 6、對各種天然抗菌或抗氧化萃取

18、物的加工，如羅勒、串紅、百里香、蒜、洋蔥、春黃菊、辣椒粉、甘草和茴香子等。五、SFE的應(yīng)用 傳統(tǒng)的食用油提取方法是乙烷萃取法，但此法生產(chǎn)的食用油所含溶劑的量難以滿足食品管理法的規(guī)定，美國采用超臨界二氧化碳萃取法提取豆油獲得成功，產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，且無污染問題。目前，已經(jīng)可以用超臨界二氧化碳從葵花籽、紅花籽、花生、小麥胚芽、棕櫚、可可豆中提取油脂，且提出的油脂中含中性脂質(zhì)，磷含量低，著色度低，無臭味。 這種方法比傳統(tǒng)的壓榨法的回收率高，而且不存在溶劑法的溶劑分離問題。專家們認為這種方法可以使油脂提取工藝發(fā)生革命性的改進。 例1. 在食品方面的應(yīng)用 在抗生素藥品生產(chǎn)中，傳統(tǒng)方法常使用丙酮、甲醇等

19、有機溶劑，但要將溶劑完全除去，又不使藥物變質(zhì)非常困難，若采用SCFE法則完全可以符合要求。美國ADL公司從7種植物中萃取出了治療癌癥的有效成分，使其真正應(yīng)用于臨床。用SCFE法從銀杏葉中提取的銀杏黃酮，從魚的內(nèi)臟，骨頭等提取的多烯不飽和脂肪酸（DHA，EPA），從沙棘籽提取的沙棘油，從蛋黃中提取的卵磷脂等對心腦血管疾病具有獨特的療效。日本學(xué)者宮地洋等從藥用植物蛇床子、桑白皮、甘草根、紫草、紅花、月見草中提取了有效成分。 例2. 在醫(yī)藥保健品方面的應(yīng)用 用SCFE法萃取香料不僅可以有效地提取芳香組分，而且還可以提高產(chǎn)品純度，能保持其天然香味，如從桂花、茉莉花、菊花、梅花、米蘭花、玫瑰花中提取花香

20、精，從胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料，從芹菜籽、生姜，莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油，不僅可以用作調(diào)味香料，而且一些精油還具有較高的藥用價值。 啤酒花是啤酒釀造中不可缺少的添加物，具有獨特的香氣、清爽度和苦味。傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的啤酒花浸膏不含或僅含少量的香精油，破壞了啤酒的風(fēng)味，而且殘存的有機溶劑對人體有害。超臨界萃取技術(shù)為酒花浸膏的生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。美國SKW公司從啤酒花中萃取啤酒花油,已形成生產(chǎn)規(guī)模。例3. 天然香精香料的提取 近年來的研究發(fā)現(xiàn)超臨界條件下的酶催化反應(yīng)可用于某些化合物的合成和拆分。另外在超臨界或亞臨界條件下的水可作為一種酸催化劑，對纖維素的轉(zhuǎn)化起催化作用，使其迅

21、速轉(zhuǎn)化為葡萄糖。1988年開發(fā)了超臨界流體細胞破碎技術(shù)（CFD）。用超臨界CO2作介質(zhì)，高壓CO2易于滲透到細胞內(nèi)，突然降壓，細胞內(nèi)因胞內(nèi)外較大的壓差而急劇膨脹發(fā)生破裂。超臨界流體還被用于物質(zhì)結(jié)晶和超細顆粒的制備當中。 例4. 生物工程方面的應(yīng)用 近10多年來，我國超臨界流體技術(shù)研究和應(yīng)用，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工藝流程及實驗設(shè)備等方面均有較好的發(fā)展，已形成了一支由科研單位、高等院校和企業(yè)構(gòu)成的高素質(zhì)研究、開發(fā)、應(yīng)用隊伍，并取得了一批我國的自主專利技術(shù)，尤其在中藥現(xiàn)代化應(yīng)用方面頗具特色和前景。中科院地化所超臨界流體技術(shù)研究開發(fā)中心在超臨界流體萃取設(shè)備的研制和生物資源有效成分的提取及產(chǎn)品開發(fā)等方面，取得了

22、多項重要成果。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 但目前我國的超臨界流體萃取技術(shù)的研究和應(yīng)用狀況不容樂觀，主要表現(xiàn)在重復(fù)性研究多于實際應(yīng)用，小規(guī)模試驗多于大規(guī)模生產(chǎn)，設(shè)備制造商的經(jīng)濟收益大于設(shè)備使用企業(yè)的經(jīng)濟收益。 原因: 一是設(shè)備操作壓力高，造價高，產(chǎn)品成本高，企業(yè)一次性投資風(fēng)險大；二是超臨界二氧化碳萃取性能的普遍適用性不高，它主要適用于非極性或弱極性化合物的提取，如油脂、揮發(fā)油等；三是目前國內(nèi)所用的設(shè)備均屬于簡單萃取，而簡單萃取方法無法生產(chǎn)高純度產(chǎn)品，因而大部分產(chǎn)品附加值不高；四是不少企業(yè)對該技術(shù)及裝備情況知之甚少，對其所生產(chǎn)產(chǎn)品的市場情況調(diào)查不夠，在應(yīng)用該技術(shù)及購置裝備時存在較大盲目性。 江蘇南通華安SFE

23、有限公司HA420-40-96-EX型 第七章 雙水相萃取技術(shù)（ATPE）aqueous two-phase extraction 一、雙水相萃取的起源 雙水相萃取(Aques two phase extration,ATPE)技術(shù)始于20世紀60年代, 瑞典倫德大學(xué)的Albertson理首先研究雙水相技術(shù),他主要研究了聚乙二醇/葡聚糖(PEG/DEX)系統(tǒng)和PEG/鹽系統(tǒng)在分離純化中的應(yīng)用。在隨后的幾十年中,這項技術(shù)有了長足的發(fā)展。在雙水相的分離模型研究中,主要提出了兩類模型: Edmond等人提出的滲透維里模型,即Edmond-Ogston方程,在預(yù)測聚合物的成相行為和蛋白質(zhì)的分配上有較高

24、的準確度 Flory和Huggins根據(jù)熱力學(xué)的基本原理提出晶格模型, 在粒子的能量概念上可以很好地擬合實驗數(shù)據(jù). 1979年德國的Kula等人將雙水相萃取分離技術(shù)應(yīng)用于生物產(chǎn)品分離.在1896年Beijerinck觀察到當明膠與瓊脂或明膠與可溶性淀粉的水溶液混合時,就得到一個渾濁不透明的溶液,它隨之分成兩個液相,這就是后期的雙水相體系。雖然只有20多年的歷史,但由于其條件溫和,容易放大,可連續(xù)操作,目前, 雙水相技術(shù)幾乎在所有的生物物質(zhì)的分離純化中得到應(yīng)用:如氨基酸、多肽、核酸、細胞器、細胞膜、各類細胞、病毒等,特別是成功地應(yīng)用在蛋白質(zhì)的大規(guī)模分離中,同時也已被成功的應(yīng)用到生物轉(zhuǎn)化及生物分析

25、中。國內(nèi)自20世紀80年代起也開展了雙水相萃取技術(shù)研究。二、雙水相萃取技術(shù)的原理1、雙水相的形成 將兩種不同的水溶性聚合物的水溶液混合時,當聚合物濃度達到一定值,體系會自然的分成互不相溶的兩相,這就是雙水相體系。雙水相體系的形成主要是由于高聚物之間的不相溶性,即高聚物分子的空間阻礙作用,相互無法滲透,不能形成均一相,從而具有分離傾向,在一定條件下即可分為二相。一般認為只要兩聚合物水溶液的憎水程度有所差異,混合時就可發(fā)生相分離,且憎水程度相差越大,相分離的傾向也就越大?；蛘哒f雙水相是利用物質(zhì)在互不相溶的兩水相間分配系數(shù)的差異來進行的萃取。 不同的高分子溶液相互混合可產(chǎn)生兩相或多相系統(tǒng)。如葡聚糖與

26、聚乙二醇按一定比例與水混合，溶液混濁，靜置平衡后，分成互不相溶的兩相，上相富含PEG，下相富含葡聚糖，如圖所示 如等量的1.1%右旋糖酐溶液和 0.36%甲基纖維素溶液混合，靜止后產(chǎn)生2 相，上相含右旋糖酐0.39%，含甲基纖維素0.65%；而下相含右旋糖酐1.58% ，含甲基纖維素0.15% 。一般情況下，兩種高聚物水溶液相互混合時，它們之間的作用可以分為三類：1、互不相溶（incompatibility），兩種高聚物產(chǎn)生相互斥力，形成兩個水相，兩個高聚物分別富集于上下兩相。2、復(fù)合凝集（complex coacervation），兩種高聚物產(chǎn)生相互引力而聚集于同一相，也形成兩個水相，但兩種

27、高聚物都分配于一相，另一相幾乎全部為溶劑水。3、完全互溶（complete misciblity）,形成均相的高聚物水溶液。2、常用雙水相系統(tǒng)表1列出了近幾年研究較多的雙水相系統(tǒng)常用于物質(zhì)分離的雙水相體系高聚物體系:聚乙二醇(簡稱PEG)/葡聚糖(簡稱Dextran)和PEG/Dextran硫酸鹽體系。高聚物與低相對分子質(zhì)量化合物之間形成的雙水相系統(tǒng)，如聚乙二醇與硫酸胺或硫酸鎂溶液。近幾年也開發(fā)了一些高聚物與低分子量的某些表面活性劑之間，以及很多普通有機物和無機鹽之間的雙水相體系。 兩種高聚物之間形成的雙水相系統(tǒng)并不一定是液相，其中一相可以或多或少地成固體或凝膠狀，如PEG的相對分子質(zhì)量小于1

28、000時，葡聚糖可形成固態(tài)凝膠相。 多種互不相溶的高聚物水溶液按一定比例混合時，還可形成多相系統(tǒng)。 雙水相體系萃取分離原理是基于生物物質(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)。溶質(zhì)在兩不相間的分配主要由其表面性質(zhì)所決定，而分配能力的大小則用分配系數(shù)K來表示。 分配系數(shù)K其分配規(guī)律服從Nernst 分配定律， 即 K=t/b (1) 式中Ct，b分別代表上相、下相中的被萃取物 （分子或粒子）的濃度，mol/L。 研究表明，在相體系固定時，預(yù)分離物質(zhì)在相當大的濃度范圍內(nèi)，分配系數(shù) 為常數(shù)

29、，與溶質(zhì)的濃度等無關(guān)，只取決于被分離物質(zhì)本身的表面性質(zhì)、溫度和特定的雙水相體系的性質(zhì)。 3、分配系數(shù)K及相關(guān)理論計算 在雙水相萃取系統(tǒng)中，懸浮粒子與其周圍物質(zhì)具有復(fù)雜的相互作用，如氫鍵、離子鍵、疏水作用等，同時還包括一些其他較弱的作用力，很難預(yù)計哪一種作用占優(yōu)勢，但是在兩水相之間，凈作用力一般會存在差異。將一種粒子從相2移到相1所需的能量如為E，則當系統(tǒng)達到平衡時，根據(jù) 相平衡時化學(xué)位相等的原則，從rounstedt 方程式求得分配系數(shù) 即C1/C2=eE/kT （ 2） 式中 k 波爾茲曼常數(shù) T 絕對溫度 C1溶質(zhì)在相1中的濃度，mol/L C2溶質(zhì)在相2中的濃度，mol/L 顯然， E與

30、被分配粒子的大小有關(guān)，粒子越大，暴露于外界的粒子數(shù)越多，與其周圍相系統(tǒng)的作用力也越大。故E 可看作與粒子的表面積A或相對分子質(zhì)量M成正比即 C1/C2=e A/kT =e M/kT （3） M- 物質(zhì)相對分子質(zhì)量 A粒子的表面積 系統(tǒng)的表面特性系數(shù)，表征粒子性能的參數(shù)（與表面積或分子量無關(guān)）如果粒子所帶的凈電荷為Z，則在兩相間存在電位差U1-U2時， E 中應(yīng)包括電能項Z（U1-U2），則有 C1/C2=e 1 A+Z(U1-U2)/kT （4） 式中1 與粒子大小和凈電荷無關(guān)，而決定于其它性質(zhì)的常數(shù) 通過公式1-4可知，分配系統(tǒng)由多種因素決定，如粒子大小，分子質(zhì)量，溫度，表面電荷及分子構(gòu)象等

31、，這些因素的微小變化均可導(dǎo)致分配系數(shù)較大的變化，因而雙水相萃取有較好的選擇性。4、雙水相系統(tǒng)的相圖 兩種高聚物的水溶液，當它們以不同的比例混合時，可形成均相或兩相，可用相圖來表示。當它們的組成在圖1曲線的右上方時(用點表示)體系就會分成兩相,分別有不同的組成和密度,輕相(或稱上相)組成用點表示,重相(或稱下相)組成用表示。曲線稱為結(jié)線,直線稱為系線。結(jié)線上方是兩相區(qū),下方是單相區(qū)。組成位于M點的系統(tǒng)實際上由位于T，B兩點的兩相所組成，當系線向下移動時，長度逐漸減少，這表明兩相的差別減小，當達到點時，系線的長度為零，兩相間的差別消失，所以稱C點為臨界點。 假設(shè)系統(tǒng)總量為m0，高聚物Dextran

32、在上、下相的含量分別為mt，mb則 mt+mb=m0 (5) 100 mt=VttCt (6) 式中Vt 上相體積 t 上相密度 Ct 葡聚糖在上相的濃度 對于下相同樣有 100 mb=VbbCb (7)設(shè)C0為葡聚糖在系統(tǒng)中的總濃度，則由物料衡算可得： 100 m0=(Vtt+Vbb)C0 (8)將公式6，7，8代入式5得： Vtt/Vb b=Cb-C0/C0-Ct (9)由圖1得： Cb-C0/C0-Ct=MB/MT （10）將公式10代入9得： Vtt/Vb b=MB/MT （11） 雙水相系統(tǒng)含水量高，上、下相密度與水接近，因此，如果忽略上、下相的密度差，則由式11可知，相體積比可用系

33、線上MB與MT的距離之比來表示。3影響雙水相萃取的因素 物質(zhì)在雙水相體系中的分配系數(shù)不是一個確定的量,它要受許多因素的影響(表1)。對于某一物質(zhì),只要選擇合適的雙水相體系,控制一定的條件,就可以得到合適的(較大的)分配系數(shù),從而達到分離純化之目的。 這里以PEG/Dextran雙水相系統(tǒng)為例，說明影響雙水相萃取的主要因素3.1成相高聚物濃度-界面張力 一般來說，雙水相萃取時，如果相系統(tǒng)組成位于臨界點附近，則蛋白質(zhì)等大分子的分配系數(shù)接近于1，高聚物濃度增加，系統(tǒng)組成偏離臨界點，蛋白質(zhì)的分配系數(shù)也偏離1，即K1或K1，但也有例外情況，高聚物濃度增加，分配系數(shù)先增大，達到最大值后便逐漸降低，這說明，

34、在上、下兩相中，兩種高聚物的濃度對被分離物質(zhì)分配系數(shù)有不同的影響。對于位于臨界點附近的相系統(tǒng)，目的物可完全分配于上相或下相，此時不存在界面吸附。但當高聚物濃度增大，界面吸附增強，兩相界面張力也相應(yīng)增大。3.2 成相高聚物的相對分子質(zhì)量 對于給定的相系統(tǒng)，如果一種高聚物被低相對分子質(zhì)量的同種高聚物所代替，被萃取的大分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)，核酸，細胞粒子等，將有利于在低相對分子質(zhì)量高聚物一側(cè)分配。如在PEG-Dextran系統(tǒng)中，PEG相對分子質(zhì)量降低或Dextran相對分子質(zhì)量增大，蛋白質(zhì)分配系數(shù)將增大。當成相高聚物濃度，鹽濃度，溫度等其他條件不變時，被分配的蛋白質(zhì)易為相系統(tǒng)中低相對分子質(zhì)量高聚物所

35、吸引，而被高相對分子質(zhì)量的高聚物所排斥。 但對于小分子物質(zhì)，如氨基酸，小分子蛋白，它們的分配系數(shù)受高聚物相對分子質(zhì)量的影響并不象大分子那樣顯著。 基于以上原則，在選擇相系統(tǒng)時，可改變成相高聚物的相對分子質(zhì)量以獲得所需分配系數(shù)，特別是當所采用的相系統(tǒng)離子組分必須恒定時，改變高聚物相對分子質(zhì)量更加適用，來獲得較好的分離效果。3.3電化學(xué)分配 雙水相萃取時，鹽對帶電大分子的分配影響很大。生物大分子的分配主要決定于離子的種類和各種離子之間的比例，而離子強度在此顯得并不重要，這主要是由于離子在上下相不均等形成的電位差。表2例舉了各種無機鹽在PEG-Dextran雙水相系統(tǒng)中的分配情況。化合物濃度(mol

36、/L)K化合物濃度(mol/L)KNaCl0.10.99K2SO40.050.84NaBr0.11.01H3PO40.061.10NaI0.11.05Na3PO40.060.72KCl0.10.98檸檬酸0.11.44KBr0.11.00檸檬酸鈉0.10.81KI0.11.04草酸0.11.13 由上表可以看出，各種鹽的分配系數(shù)存在著微小的差異，正是這種微小的不均等分配產(chǎn)生了相間電位。在雙水相聚合物系統(tǒng)中,加入電解質(zhì)時,其陰陽離子在兩相間會有不同的分配。同時,由于電中性的約束,存在一穿過相界面的電位差,它是影響荷電大分子如蛋白質(zhì)和核酸等分配的主要因素。同樣,對于粒子遷移也有相似的影響,粒子因遷

37、移而在界面上積累。故只要設(shè)法改變界面電位,就能控制蛋白質(zhì)等電荷大分子轉(zhuǎn)入某一相。如某種鹽，所帶電荷為Z+和 Z-，界面電位差U2-U1可用下式表示 U2-U1=RT/ （Z+ Z-）F lnK-/K+ (12) R ：氣體常數(shù)；F ：法拉第常數(shù)；T：絕對溫度 K+、K-，沒有相間電位存在時正負離子的分配系數(shù)由式12可知，K-/K+越大，界面電位越大。即該鹽解離出來的兩種離子，在兩相間的親和力差別越大，界面電位差越大。3.4 疏水反應(yīng) 選擇適當?shù)柠}組成，相系統(tǒng)的電位差可消失。排除了電化學(xué)效應(yīng)后，決定分配系數(shù)的主要因素可能即為粒子的表面疏水性了。在成相高聚物的末端偶聯(lián)上疏水性基團后，疏水效應(yīng)會更加

38、明顯。 水溶液中聚合物的疏水性按下列次序遞增:葡萄糖硫酸鹽甲基葡萄糖葡萄糖羥丙基葡聚糖甲基纖維素聚乙烯醇聚乙二醇 無機鹽雙水相體系等方面相關(guān)文獻報道比較少，有待于進一步研究和開發(fā)。隨著對雙水相體系研究的深入，以及其他雙水相體系的不斷開發(fā)，其形成機理，熱力學(xué)模型、動力學(xué)模型以及工藝技術(shù)等方面的問題最終會被突破和解決，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M一步拓寬。 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一步研究。目前技術(shù)應(yīng)用的最主主要問題是原料成本高和純化倍數(shù)低。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

39、主要發(fā)展方向。 另外有關(guān)中藥利用雙水相體系進分離純化的應(yīng)用還幾乎沒有工業(yè)化生產(chǎn)，有待于進一步的研究與開發(fā)。加速溶劑萃取技術(shù)(ASE)傳統(tǒng)萃取存在的問題需要大體積的溶劑幾百毫升時間長幾個小時 無法自動化勞動強度大內(nèi)容特點原理儀器應(yīng)用定義 加速溶劑萃取是在提高的溫度(50 200 ) 和壓力(10003000 psi 或10.320.6 MPa) 下用溶劑萃取固體或半固體樣品的新穎樣品前處理方法。特點 縮短萃取時間、低的萃取溶劑使用量和減少溶劑揮發(fā),可用于樣品中易揮發(fā)的組分的萃取。 通常A S E 萃取所用時間僅為1220min，萃取溶劑的使用量為1545ml。 能夠全自動連續(xù)萃取過濾ASE原理

40、提高溫度 : 能極大地減弱由范德華力、氫鍵形成的溶質(zhì)分子和樣品基體活性位置之間的強的相互作用力;增加了水的溶解度,加速了溶質(zhì)分子的解析動力學(xué)過程,減小解析過程所需的活化能;降低溶劑的粘度,從而減小溶劑進入樣品基體的阻滯,提高了溶劑進入樣品基體的擴散率;降低溶劑和樣品基體之間的表面張力,溶劑更好地“浸潤樣品基體,有利于被萃取物與溶劑的接觸。高溫的作用增加解吸能力學(xué)減少溶劑的粘度 被測物擴散進入溶劑更快克服基體效應(yīng)增加被測物溶解度用更少的溶劑和時間!范圍從40C至200CASE原理 提高壓力:液體的沸點一般隨壓力的升高而提高。液體對溶質(zhì)的溶解能力遠大于氣體對溶質(zhì)的溶解能力,提高壓力可以 在較高的溫

41、度下仍保持溶劑在液態(tài)。另外加壓下,可將溶劑迅速加到萃取池和收集瓶。加壓作用迫使溶劑進入在低壓下受阻的孔隙中加壓使高溫下溶劑操持液態(tài)樣品池在高壓下快速充滿典型值: 1200-2500 psi (3000 psi 最大值)加速溶劑萃取儀 加速溶劑萃取儀中由溶劑瓶、泵、氣路、加溫爐、不銹鋼萃取池和收集瓶等構(gòu)成. 1.ASE100 萃取系統(tǒng) 2.AES200 萃取系統(tǒng) 3.ASE300 萃取系統(tǒng)溶劑泵清洗閥爐氮氣靜態(tài)閥收集瓶萃取池充滿溶劑 時間(min) 0.5-1裝樣品池靜態(tài)萃取 5用氮氣 1 - 2沖洗循環(huán)加熱和 5加壓萃取 總計 (min)準備 12 - 14用新鮮 0.5溶劑沖洗 ASE儀器示

42、意圖ASE100ASE100ASE100 是第一代加速溶劑萃取系統(tǒng), 其適用范圍寬, 價格優(yōu)惠, 主要用于實驗室內(nèi)小批量樣品的萃取.特性: 自動萃取單個樣品 提取液在采集前自動過濾 萃取池、收集瓶操作方便 控制面板易于操作, 可儲存多個方法 內(nèi)置溫度、壓力和溶劑蒸氣壓傳感器,確保安全操作 體積小, 價格優(yōu)惠ASE200ASE200在ASE100 的基礎(chǔ)上, ASE200 提供了更快、自動化程度更高、樣品容量更大、適用范圍更寬的萃取技術(shù)。特性:萃取池體積范圍寬, 可從1ml 至33ml 萃取過程可在15min 內(nèi)完成減少溶劑的暴露提取液可自動過濾一次可自動萃取24個樣品萃取池、收集瓶操作方便內(nèi)置

43、溫度、壓力和溶劑蒸氣壓傳感器,確保安全操 作ASE300對于大體積樣品是理想的方法ASE300ASE300 是最近推出的萃取系統(tǒng). 和ASE200 相比,其萃取池體積更大,可達100ml. 此外, ASE300還可用于潮濕樣品或非均質(zhì)樣品的萃取, 可一次萃取20 50g 潮濕土壤、組織樣品或食品.特性:萃取池體積更大, 可從34ml 至100ml萃取時間少于17min萃取30g 干樣只需45ml 溶劑減少溶劑的暴露萃取池、收集瓶操作方便圓盤式萃取池傳送盤, 內(nèi)置12 個萃取位, 2 個清洗位內(nèi)置溫度、壓力和溶劑蒸氣壓傳感器,確保安全操作加速溶劑萃取儀工作流程 其工作程序如下:第一步是手工將樣品裝入萃取池,放到圓盤式傳送裝置上,以下步驟將完全自動先后進行:圓盤傳送裝置將萃取池送入加熱爐腔并與相對編號的收集瓶聯(lián)接,泵將溶劑輸送到萃取池(2060s) ,萃取池在加熱爐被加溫和加壓(58min) ,在設(shè)定的溫度和壓力下靜態(tài)萃取5min ,多步小量向萃取池加入清洗溶