双水相萃取技术的发展及应用

双水相取技术的发展及应

1双水相萃取简介....................................................1 1.1双水相体系.....................................................1 1.2双水相萃取的原理...............................................1 1.3影响物质分配平衡的因素 ........................................2 1.4双水相的种类...................................................2 1.5双水相萃取的特点...............................................2 2双水相萃取技术的应用..............................................3 2.1生物工程.......................................................3 2.1.1萃取分离抗生素.............................................3 2.1.2萃取分离酶.................................................3 2.1.3分离蛋白质.................................................4 2.1.4萃取其他生物活性物质.......................................4 2.2在发酵工程中的应用.............................................5 2.3在药物方面的应用...............................................5 2.4在金属分离中的应用.............................................6 2.5与其它技术结合应用.............................................6 3双水相萃取技术的最新进展 .........................................7 3.1廉价双水相体系的开发...........................................7 3.2新的双水相体系探索.............................................7 3.3双水相萃取技术同其他技术集成化.................................7

4双水相萃取技术的未来展望..........................................8 参

考

文

献

双水相萃取技术的发展及应用

摘 要

双水相萃取技术作为一种新型的分离技术日益受到重视, 与传统的萃取及其他分离技术相比具有操作条件温和、处理量大、易于连续操作等优点, 从而使其能广泛应用于生物工程、药物分析和金属分离等方面。目前, 双水相萃取技术的研究进展集中表现在: 廉价双水相体系的开发、新的双水相体系探索、双水相萃取技术同其他技术集成化、双水相萃取相关理论的进展等方面。本文简单介绍了双水相萃取技术及其原理、特点, 综述了双水相体系在生物工程( 其中包括萃取分离抗生素、酶、分离提纯蛋白质和萃取其他生物活性物质) 、药物分析和金属分离等方面的应用, 展望了双水相体系的应用前景。

关键词：双水相萃取 分离 应用

前言：双水相萃取与传统的萃取分离技术不同, 有其独特的优点, 是一种新型的分离技术。因此, 双水相萃取获得了较好的成果, 受到越来越多研究者的青睐。双水相萃取在诸多方面有着广泛的应用,具有良好的应用前景。 1

双水相萃取简介

1.1双水相体系

双水相现象是当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一溶剂时，由于聚合物之间或聚合物与盐之间的不相溶性，使得聚合物或无机盐浓度达到一定值时，就会分成不相溶的两相，因使用的溶剂是水，因此称为双水相。原则上，无论是天然的还是合成的亲水聚合物，绝大多数在与另一种聚合物水溶液混合时都可分成两相，构成双水相体系[1]。通过溶质在相间分配系数的差异而进行萃取的方法即为双水相萃取((aqueous two-phase extraction ATPE )。由于在两个水相中水都占有较大的比例(70%-90%）在这种环境中，活性蛋白或细胞不会失活;而且双水相萃取技术具有操作条件温和、处理量大、易于连续操作等优点，从而使其能广泛应用于生物分离工程中[2]。

自从1956年，瑞典的Albertsson首次运用双水相萃取技术来提取生物物质以来，对于双水相体系的研究和应用逐步展开，并取得了一系列研究成果[3]。现在双水相萃取技术已广泛地应用于蛋白质、酶、核酸等生物产品的分离和纯化以及药物有效成分提取，并逐步向工业化生产迈进，展现了广阔的应用前景。

1.2双水相萃取的原理

双水相萃取与一般的水-有机物萃取的原理相似, 都是依据物质在两相间的选择性分配[4] 。当萃取体系的性质不同, 物质进入双水相体系后, 由于分子间的范德华力、疏水作用、分子间的氢键、分子与分子之间电荷的作用, 目标物质在上、下相中的浓度不同, 从而达到分离的目的。溶质(包括蛋白质等大分子物质、稀有金属以及贵金属的络合物、中草药成分等) 在双水相体系中服从Nernst分配定律[5] :

K=Ct/Cb

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其中: K ——分配系数; Ct、Cb——分别代表溶质在上相、下相中的浓度。 系统固定时, 分配系数K为一常数, 与溶质的浓度无关。当目标物质进入双水相体系后, 在上相和下相间进行选择性分配, 这种分配关系与常规的萃取分配关系相比, 表现出更大或更小的分配系数。如各种类型的细胞粒子、噬菌体的分配系数都大于100或者小于0.01, 因此为物质分离提供了可能[6]。

1.3影响物质分配平衡的因素

影响物质在双水相体系中分配的因素有很多，其中主要包括体系有机相组成(如有机物的类型、平均分子量等)、盐类(包括离子类型和浓度、电荷数、电解质强度、酸碱性等)、相比R(上下相的体积比)、溶质即目标物质的物理化学性质(包括分子量，等电点)，以及体系的温度、压力等。

1.4双水相的种类

双水相萃取中使用的双水相是由两种互不相溶的 高分子溶液或者互不相溶的盐溶液和高分子溶液组成。最常见的就是聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dextran)和PEG/无机盐(硫酸盐、磷酸盐等)体系,其次是聚合物/低分子量组分、离子液体体系和高分子电解质/高分子表面活性剂体系。此外,还有被称为智能聚合物 的双水相体系,智能聚合物又称刺激-响应型聚合物(Stimulus-responsivepolymers)或环境敏感聚合物(Environmentally-sensitivepolymers)。智能聚合物是一种功能高分子材料,当外界环境(如温度、pH值、离子强度、外加试剂、光、电场或磁场等)发生微小变化时,聚合物分子的微观结构会发生快速、可逆的转变,使其从亲水性变为疏水性。智能聚合物的双水相体系有:温度敏感型双水相体系、酸度敏感型双水相体系、光响应型双水相体系、亲和功能双水相体系[7] 。

1.5双水相萃取的特点

双水相萃取是一种可以利用较为简单的设备, 并在温和条件下进行简单操作就可获得较高收率和纯度的新型分离技术。与一些传统的分离方法相比, 双水相萃取技术具有以下独有的特点[8,9] :

(1) 两相间的界面张力小, 一般为10-7—10-4mN·m-1(一般体系10-3—2×10-2mN·m-1) ,因此两相易分散, 而且它比一般的有机萃取两相体系界面张力低的多, 这样有利于强化相际间的物质传递。

(2) 操作条件温和, 由于双水相的界面张力大大低于有机溶剂与水相之间的界面张力, 整个操作过程可以在常温常压下进行, 对于生物活性物质的提取来说有助于保持生物活性和强化相际传质。

(3) 双水相体系中的传质和平衡速度快, 回收率高, 分相时间短, 传质过程和平衡过程速度均很快, 自然分相时间一般为5—15min, 因此相对于某些分离过程来说, 能耗较低, 而且可以实现快速的分离。

(4) 大量杂质能够与所有固体物质一起去掉, 与其他常用固液分离方法相比, 双水相分配技术可省去1—2个分离步骤, 使整个分离过程更经济[10] 。

(5) 含水量高, 一般为75%—90% , 在接近生理环境的体系中进行萃取, 不会引起生物活性物质失活或变性[11] 。

(6) 一般不存在有机溶剂的残留问题, 现已证明形成双水相的聚合物(如PEG)对人体无害, 可用于食品添加剂、注射剂和制药, 因此对环境污染小。

(7) 聚合物的浓度、无机盐的种类和浓度, 以及体系的pH 值等因素都对被萃取物质在两相间的分配产生影响, 因此可以采用多种手段来提高选择性和回收率。

(8) 易于连续化操作, 设备简单, 并且可直接与后续提纯工序相连接, 无

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