《双水相萃取技术的》PPT课件.ppt

双水相萃取技术的研究进 展 相关理论的发展 v早在1896年,Beijerinck发现,当明胶与琼脂或明胶与可溶性 淀粉溶液相混时,得到一个混浊不透明的溶液，随之分为两相 ,上相富含明胶,下相富含琼脂(或淀粉), 这种现象被称为聚合 物的不相溶性，从而产生了双水相体系(Aqueous two phase system，ATPS)。 v1955年由Albertson首先利用两水相技术分离生物分子，他 主要研究了聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dex)系统和 PEG/(NH4)2SO4系统在分离提纯中的应用。在随后的几十 年中，这项技术有了长足的发展。在双水相的分离模型研究 中，主要提出了两类模型3，4，Edmond等人提出的渗透 维里模型，即Edmond bgston方程；Flory和Huggins根据 热力学的基本原理提出FloryHuggins晶格模型。 v 双水相的形成 v基本原理 v 萃取原理 双水相的形成 v将两种不同的水溶性聚合物的水溶液混合时，当聚 合物浓度达到一定值，体系会自然地分成互不相溶 的两相。双水相体系的形成主要是由于高聚物之间 的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互 无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向， 在一定条件下即可分为二相。 v原则上，无论是天然的还是合成的亲水性聚合物， 绝大多数在与另一种聚合物水溶液混合时都可分成 两相，构成双水相体系部分双水相系统列于表1。 用于生物分离的高聚物体系有:聚乙二醇(简称PEG)/ 葡聚糖(简称Dexteran)和PEG/Dextran硫酸盐体系 。常见的高聚物/无机盐体系为:PEG/硫酸性或磷酸 盐体系。 萃取原理 v双水相萃取与水有机相萃取的原理相似，都是依据 物质在两相间的选择性分配，但萃取体系的性质不 同。当物质进入双水相体系后，由于表面性质、电 荷作用和各种力(如憎水键、氢键和离子键等)的存 在和环境的影响，使其在上、下相中的浓度不同。 对于某一物质，只要选择合适的双水相体系，控制 一定的条件，就可以得到合适的分配系数，从而达 到分离纯化之目的。物质在双水相体系中分配系数 K可用下式表示： v K= C上/ C下 v 其中K为分配系数，C上和C下分别为被分离物 质在上、下相的浓度。 v图1 PEG/ Dextran体系的相图 v这两种聚合物都能与水无限混合，当它们的 组成在图1曲线的上方时(用M点表示)体系就 会分成两相，分别有不同的组成和密度，轻 相(或称上相)组成用T点表示，重相(或称下相 )组成用B表示。C为临界点，曲线TCB称为 结线，直线TMB称为系线。结线上方是两相 区，下方是单相区。所有组成在系统上的点 ，分成两相后，其上下相组成分别为T 和B。 M点时两相T和B的量之间的关系服从杠杆定 律，即T和B相重量之比等于系线上MB与MT 的线段长度之比。 双水相萃取的应用 v1)基因工程药物的分离与提取 双水相萃取技术可 以保证基因工程药物在温和的条件下得以分离和纯 化。其中有代表性的工作是用 PEG4000/磷酸盐从 重组大肠杆菌碎片中提取人生长激素 ,采用 3级错流 连续萃取 ,1 h 处理量为 15 L ,收率达 80 %。 v2)酶工程药物的分离与提取 目前 ,双水相萃取技 术提取纯化的酶有几十种 ,如从微生物细胞碎片中 提取纯化甲酸脱氢酶 ,其分离经 4 次连续萃取 ,已达 到 1 h 处理 50 kg 湿细胞的规模 ,处理的酶蛋白高 达150 g ,收率为 90 %100 %。 v3)抗生素的分离与提取 以青霉素类为例 ,先以 PEG/ (N H4 ) 2 SO4 将青霉素从发酵液中提取到 PEG相 ,然后用醋酸丁酯进行反萃 ,再结晶 ,处理1 000 mL 青霉素发酵液得到青霉素晶体 7. 228 g ,纯 度为84. 15 %,3 步操作总收率为 76. 56 %。将3次 调节p H 值改为只调节 1 次 ,可减轻青霉素的失活; 将 3 次萃取改为 1 次萃取 ,减少了溶媒用量 ,缩短了 工艺流程。 v4)天然植物药用有效成分的分离与提取 具有代表 性的工作是对黄芩苷和黄芩素的分离。黄芩苷和黄 芩素都有一定的憎水性 ,在 PEG6000/磷酸二氢钾中 主要分配在富含 PEG的上相 ,2 种物质分配系数为 30 和 35。其分配系数随温度升高而降低 ,黄芩苷的 降幅比黄芩素大 ,通过一定手段去掉溶液中的 PEG, 浓缩结晶后即可得到黄芩苷和黄芩素产品 双水相技术的发展趋势 v1.廉价新型双水相系统的开发 v2.亲和双水相萃取技术 v3.生物转化与双水相萃取技术相结合 v4.双水相萃取与膜分离相结合 v5.双水相萃取与细胞破碎过程相结合 局限性和未来展望 v双水相萃取技术克服了常规萃取有机溶剂对 生物物质的变性作用,并且取得了一些阶段性 的成果。然而,在应用和研究过程中不可避免 地会遇到一些技术难题。 v(1)聚合物/聚合物构成的双水相体系具有良好的分离 性能，但用于构造双水相体系的成相聚合物的价格 都比较昂贵，对于一般的生物产品，分离成本过高 ，从经济上是不合理的。 v(2)虽然通过选择适宜的双水相体系和操作条件，可 获得被分离物质在两相间较大的分配系数和较高的 纯化倍数，但目标产物与成相物质的分离比较困难 。 v(3)双水相体系界面张力较小，虽有利于提高传质效 率，但是较小的界面张力会易导致乳化现象的产生 ，使相分离时间延长，分离效率降低。 v(4)双水相体系中组分间的作用非常复杂， v目前没有建立一套较为完整的理论和方法解释和预 测物质在双水相体系中的相行为和被分配物质在两 相中的分配行为。 v(5)缺乏对双水相过程的工程放大及设备方面的研究 ，在体系流体力学，相际间的传质，传递过程方面 研究很少。研究的方法基本上还是通过实验的方法 ，研究的结果只是建立在实验的基础上，大部分情 况下不能外延，缺乏对过程规律的认识。 v(6)对双水相萃取工艺整体的集成优化研究还不足， 对分离过程中产生的大量含成相物质的稀溶液，还 没有找到一条科学合理的利用及处理途径，大量含 盐或含成相组分的废水溶液难于回收及处理