反胶束萃取教学课件PPT新型萃取.ppt

反胶束萃取,起源于蛋白质的提取和分离。 1.蛋白质等在40-50便不稳定，开始变性，而且绝大多数蛋白质都不溶于有机溶剂，若使蛋白质与有机溶剂接触，也会引起蛋白质的变性； 2. 萃取剂问题，蛋白质分子表面带有许多电荷，普通的萃取剂很难奏效。,临界胶束浓度 (critical micelle concentration),表面活性剂浓度变大,c cmc 分子在溶液表面定向排列，表面张力迅速降低,c cmc 溶液表面定向排列已经饱和，表面张力达到最小值。开始形成小胶束,c cmc 溶液中的分子的憎水基相互吸引，分子自发聚集，形成球状、层状胶束，将憎水基埋在胶束内部,表面活性剂,cmc,在表面张力对浓度绘制的 曲线 上会出现转折。继续增 加活性剂浓度，表面张力不再 降低，,临界胶束浓度 ( cmc ) (critical micelle concentration),表面活性剂溶液中开始形成胶束的最低浓度称为 临界胶束浓度。,1. 反胶束和反胶束系统 反胶束是表面活性剂在有机溶剂中自发形成的纳米尺度的一种聚集体。 (1)反胶束的形成 表面活性剂通常都有一个亲水的极性头和疏水的非极性尾。当表面活性剂在有机溶剂中的浓度超过其临界胶束浓度后，其疏水的非极性尾向有机溶剂主体中伸展，亲水的极性头则自发向内聚集排列成一个极性核。核中的空间具有溶解水和大分子的能力，称为池(pool)。 表面活性剂的临界胶束浓度(cmc)可通过表面活性剂手册查得，通常在110-4110-3mol/l范围。,4.5.2 反胶束萃取,(1)反胶束的形成,亲水极性头,疏水非极性尾,可游离离子,一种阴离子型表面活性剂,pool,4.5.2 反胶束萃取,(2)反胶束溶液的性质 反胶束溶液是透明的、热力学稳定的系统。 反胶束溶液体系的特性受表面活性剂结构、溶剂种类、温度和压力等因素有关。 反胶束中心约束的水量通常用束水比来表示，即：wo=约束水摩尔数/表面活性剂摩尔数。 wo值与表面活性剂和溶剂的种类、助表面活性剂、温度, 水相中盐的种类和浓度等有关。一般在5-20纳米,4.5.2 反胶束萃取,2. 常见的反胶束系统,4.5.2 反胶束萃取,3. 反胶束萃取原理,水aot异辛烷系统相图,4.5.2 反胶束萃取,3. 反胶束萃取原理,反胶束萃取,3. 反胶束萃取原理,b,c,d,a,水壳模型,反胶束萃取,“水池”中的水的性质 胶团中水的性质不同于自由水。 低含水量时，水与表面活性剂通过氢键相连，流动性差，粘度是自由水的200倍，其增溶能力强。随着w0的增加，水的流动性增强，增溶能力下降。,蛋白质溶入反胶束溶液的推动力,静电作用力： 表面活性剂与带相反电荷的蛋白质。 等电点:当phpi时，蛋白质呈电中性；phpi时，蛋白质带正电荷；phpi时，蛋白质带负电荷，即随着ph的改变，被萃取蛋白质所带电荷的符号和多少是不同的。,位阻效应 许多亲水性物质，如蛋白质、核酸及氨基酸等，都可以通过溶入反胶束“水池”来达到它们溶于非水溶剂中的目的，但是反胶束“水池”的物理性(大小、形状等)及其中水的活度是可以用w0的变化来调节的，并且会影响大分子如蛋白质的增溶或排斥，达到选择性萃取的目的，这就是所谓的位阻效应,影响反胶束萃取蛋白质的主要因素,蛋白质的萃取，与蛋白质的表面电荷和反胶束内表面电荷间的静电作用，以及反胶束的大小有关，所以，任何可以增强这种静电作用或导致形成较大的反胶束的因素，都有助于蛋白质的萃取。影响反胶束萃取蛋白质的主要因素，见下表，只要通过对这些因素进行系统的研究，确定最佳操作条件，就可得到合适的目标蛋白质萃取率，从而达到分离纯化的目的。,10.3.1 水相ph值对萃取的影响 水相的ph值决定了蛋白质表面电荷的状态、从而对萃取过程造成影响。只有当反胶束内表面电荷，也就是表面活性剂极性基团所带的电荷与蛋白质表面电荷相反时，两者产生静电引力，蛋白质才有可能进入反胶束。故,水相的ph值决定了蛋白质表面电荷的状态、从而对萃取过程造成影响。,离子强度对萃取率的影响,离子强度对萃取率的影响主要是由离子对表面电荷的屏蔽作用所决定的： a.屏蔽效应； b. 反胶束内表面的双电层变薄后，也减弱了表面活性剂极性基团之间的斥力，使反胶束变小，从而使蛋白质不能进入其中； c.离子强度增加时，增大了离子向反胶束内“水池”的迁移并取代其中蛋白质的倾向，使蛋白质从反胶束内被盐析出来； d.盐与蛋白质或表面活性剂的相互作用，可以改变溶解性能，盐的浓度越高，其影响就越大。,表面活性剂浓度,表面活性剂浓度增加，w0减小，水池中的水增溶能力增加，萃取率提高，但表面活性剂浓度太高，水池变小，蛋白质进不去，萃取率下降。,温度: 更多影响传质速率，研究很少 助表面活性剂,反胶束萃取技术的应用,(1)分离蛋白质混合物 如用二烷基磷酸盐/异辛烷反胶束溶液萃取分离溶菌酶和肌红蛋白。 (2)浓缩-淀粉酶 如用tomac/异辛烷反胶束溶液萃取水相中的-淀粉酶，以实现-淀粉酶的浓缩。 (3)直接提取细胞内酶 如用ctab/己醇-辛烷反胶束溶液直接从棕色固氮菌细胞内提取胞内脱氢酶，既不破坏菌细胞，也可保持酶的活性。 (4)从动植物资源中提取蛋白质 可利用反胶束溶液直接从大豆、菜籽、蚕蛹等残渣中提取分离有用的蛋白质。,双水相萃取,1. 双水相体系 将双水相体系就是由两个互不相容的水相和在一起构成的体系。 双水相体系的形成主要是由于水相中高聚物之间的互不相容性，即高聚物分子的空间阻碍，导致相互不能渗透，不能形成均一相而产生的。 通常，只要两聚合物水溶液的憎水程度有所差异，混合时就可能发生相分离。憎水程度相差越大，相分离倾向就越大。,基因工程产品如蛋白质和酶往往是胞内产品，需经细胞破碎后才能提取、纯化，细胞颗粒尺寸的变化给固-液分离带来了困难，同时这类产品的活性和功能对ph值、温度和离子强度等环境因素特别敏感。由于它们在有机溶剂中的溶解度低并且会变性，因此传统的溶剂萃取法并不适合。采用在有机相中添加表面活性剂产生反胶束的办法可克服这些问题，但同样存在相的分离问题。因此基因工程产品的商业化迫切需要开发适合大规模生产的、经济简便的、快速高效的分离纯化技术。其中双水相萃取技术(two-aqueous phase extraction,atps)，又称水溶液两相分配技术(partition of two aqueous phase extraction)是近年来出现的引人注目、极有前途的新型分离技术。,聚合物的不相溶性(incompatibility)：当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相容性。,双水相系统,1. 双水相体系 两种高聚物分子都希望在他周围是同种分子，而不是异种分子。聚合物的不相容性。 高聚物分子和一些高价无机盐也能形成两相。“高价无机盐的盐析作用”。 双水相中，水分都占85%-95%，高聚物和无机盐都是生物相容的，活性物质不会失活,双水相萃取法的特点是能够保留产物的活性，整个操作可以连续化，在除去细胞或细胞碎片时，还可以纯化蛋白质25倍，与传统的过滤法和离心法去除细胞碎片相比，无论在收率上还是成本上都要优越得多。，因此已被广泛地应用在生物化学、细胞生物学和生物化工领域，进行生物转化、蛋白质、核酸和病毒等产品的分离纯化和分析等。用此法来提纯的酶已达数十种，其分离过程也达到相当规模，如乙醇脱氢酶的分离已达到几十千克湿细胞规模，-半乳糖苷酶的提取也到了中试规模等。,可形成双水相的双聚合物体系很多，如聚乙二醇(polyethylene glycol, peg)/葡聚糖(dextran，dx)，聚丙二醇(polypropylene glycol) / 聚乙二醇和甲基纤维素(methylcellulose)/葡聚糖等。双水相萃取中常采用的双聚合物系统为peg/dx，该双水相的上相富含peg，下相富含dx。除双聚合物系统外，聚合物与无机盐的混合溶液也可形成双水相，例如，peg/磷酸钾(kpi)、peg/磷酸铵、peg/硫酸钠等常用于生物产物的双水相萃取。peg/无机盐系统的上相富含peg，下相富含无机盐。,双水相系统,图a为peg/dx系统的典型相图,在系线上各点处系统的总浓度不同，但均分成组成相同而体积不同的两相。两相的体积近似服从杠杆规则，即,系线的长度是衡量两相间相对差别的尺度，系线越长，两相间的性质差别越大，反之则越小。当系线长度趋向于零时，即在图b的双节线上k点，两相差别消失，任何溶质在两相中的分配系数均为1，因此k点称为临界点(critical point)。,双水相体系的形成,1. 两种高聚物的憎水程度差异越大，越易形成双水相。 2. 高分子分子量越大，越容易形成双水相体系。支链的高聚物比直链的易形成双水相系统。 3. 温度提高，双水相体系形成浓度提高。 4. 低分子量物质对双水相体系形成较小，高浓度才有影响。 双水相体系密度差，折射率和表面张力小，分相较慢。,双水相萃取,高聚物的分子量 质量浓度不变，降低该高聚物的分子量，可溶性生物大分子将 更多分配于该相。 peg/dextran peg 分子量减小，分配系数增大。 dex 分子量减小，分配系数减小。,双水相萃取,高聚物浓度-界面张力的影响 双水相体系的组成越接近临界点，可溶性分子分配系数越接近1。 对于细胞等颗粒，临界点大多分配在一相中，高聚物浓度增加，细胞颗粒将聚集在表面上。 高聚物浓度-界面张力太大，蛋白质在表面上。,双水相萃取,盐类的影响 盐的正负离子在两相间的分配系数不同，两项形成电位差，可大大促进萃取。 ph的影响 影响很大，但和分离的物质及加入的非成相盐有关。1. 蛋白质电解和带电。 2. 加入的盐的电解。 温度 在临界点时，影响较大。,11.4 双水相系统的应用,超临界流体萃取,1. 概述 什么是超临界流体：物质在的温度和压力分别超过其临界温度(tc)和临界压力(pc)时形成的流体(scf)。 处于临界点状态的物质可实现液态到气态的连续过渡，两相相界面消失，汽化热为零。 超过临界点的物质，无论加多大的压力都不会液化，而只会引起密度变化。,超临界流体萃取,超临界流体的基本性质,超临界流体的基本性质,由以上特性可以看出，超临界流体兼有液体和气体的双重特性，扩散系数大，粘度小，渗透性好，与液体溶剂相比，可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。,超临界流体的基本性质,溶质在超临界流体中的溶解度接近液体, 大大高于气体.,超临界流体的基本性质,溶质在超临界流中的溶解度随温度, 压力变化有很大的变化.,超临界流体的基本性质,3. 在溶剂中加入少量其他物质, 或可大大提高一些溶质在超临界流体中的溶解度, 或可增加对某种溶质的选择性. 或可提高溶质溶解度对温度和压力的敏感性. 此物质称为夹带剂. 分为极性夹带剂和非极性夹带剂. 因为超临界流体大多为非极性. 所以非极性夹带剂的加入往往使所有溶质的溶解度提高. 极性夹带剂能提高选择性.,超临界流体的基本性质,常用的超临界流体,超临界萃取的热力学基础： 1. 为什么超临界流体溶解度如此大？,溶质在流体中的逸度系数低,二氧化碳在超临界萃取的应作用： 1. 临界温度在室温附近, 临界压力也不高,密度较大,对水溶解度小.有利于萃取分离有机水溶液. 2.不燃, 不爆,不腐蚀, 无毒害, 化学稳定性好. 3. 廉价易得.,二氧化碳超临界萃取的溶解作用：在超临界状态下，co2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性、沸点和分子量密切相关，一般来说有以下规律：亲脂性、低沸点成分可在104kpa以下萃取，如挥发油、烃、酯、内酯、醚、 环氧化合物等，像天然植物和果实中的香气成分，如桉树脑、麝香草酚、酒花中的低沸点酯类等；化合物的极性基团( 如-oh、-cooh等)愈多，则愈难萃取。强极性物质如糖、氨基酸的萃取压力则要在4104kpa以上；化合物的分子量愈大， 愈难萃取。分子量在200400范围内的组分容易萃取，有些低分子量、易挥发成分甚至可直接用co2液体提取；高分子量 物质(如蛋白质、树胶和蜡等)则很难萃取。,scfs 的溶解度与有机溶液体相近, 但有气体的传递特性(扩散度高, 粘性小). 因为 scfs 的溶解度可以通过改变压力和温度来调节, 因此分离溶剂和质既快又容易. 3. scf加入夹带剂, (如 methanol to co2) , 溶剂的极性可改变, 使其具有好的选择性. 4.可在接近常温下操作. 4. 在工业中涉及食品和医药过程中, 因溶剂可完全气化, 因此不必担心溶剂的污染. 5. scfs 便宜, 简单, 安全. 无污染, 极容易循环使用.,优点,超临界流体萃取,3. 超临界流体萃取的原则流程,1.变压萃取(等温法).,1.变温萃取(等压法).,1.吸附萃取.,超临