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浙江工业大学硕士学位论文 氨基酸的反胶束水合萃取研究 摘要 反胶束体系是一种类生命环境介质，反胶束萃取技术是一种新型的、 有发展前途的生物物质分离技术，广泛应用于生物物质活性控制及提取方 面的研究。水合物生成对反胶束体系内生物质活性控制及提取具有重要意 义，国外水合物界在这方面一直做着探索性的研究。国内还未有相关研究 成果公开发表。基于以上考虑，本文通过研究反胶束体系中水合物的生成 特性以及水合物生成对包含在a o t 异辛烷反胶束体系中氨基酸的提取效 果，探讨了水合物形成对反胶束体系含水量的调节机理和氨基酸的提取机 理，为开展水合物法生物质活性控制及反胶束水合萃取研究提供了理论依 据。 通过电导率法对反胶束体系含水量及稳定性测试，探讨了各因素对含 水量的影响，并结合合理假设及理论推导建立了反胶束体系临界含水量与 盐度相关联的数学模型。这对研究反胶束体系的性质及反胶束生物物质活 性控制与提取具有指导意义。纯水体系和反胶束体系中乙烯水合物对比实 验表明：两种体系中水合物生成动力学特性差异较大，反胶束体系中水合 物生成的溶解、成核和生长三个过程持续时间短，温度和压力变化曲线有 一近乎九十度的转折。 氨基酸的反胶束水合萃取实验表明：水合物的生成对体系含水量具有 调节作用，且初始压力和温度对含水量调节起决定性作用，属于显著性因 浙江工业大学硕士学位论文 素。调节机理可表述为：最初成核发生在反胶束“水池”内，成核消耗了 反胶束内的部分自由水；反胶束在碰撞过程中总是不断打开和重组，且水 合物晶核或晶体密度大于异辛烷，于是反胶束的不断打开和重组及时释放 了反胶束内形成的水合物晶核和晶体，即以水合物晶核和晶体的形式最终 转移了反胶束的部分自由水；随着水合物晶核和晶体沉降过程的不断进 行，反胶束含水量也不断降低，即反胶束含水量通过水合物生成得到了调 整。氨基酸能通过静电或疏水作用增溶在反胶束体系的“水池”内，并可 以伴随水合物的生成从反胶束体系中析出，且提取效果明显。这一过程属 于界面控制，水相盐度、酸度和压力对提取效果影响较大。 关键词：反胶束，水合物，氨基酸，a o t , 异辛烷 u 塑垩三些查兰壁主竺垡丝塞 s t u d yo fa m i n oa c i dr e c o v e r y f r o mr e v e r s e m i c e l l e st h r o u g hh y d r a i ef o r m a t i o n r e v e r s em i c e l l e ss y s t e mi ss i m i l a rt ol i v i n ge n v i r o n m e n t ，t h er e v e r s e m i c e l l e se x t r a c t i o ni san o v e lb i o s e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , w i d e l yu s e di n a c t i v i t yc o n t r o la n de x t r a c t i o no fb i n - p r o d u c t h y d r a t ef o r m a t i o n i ss i g n i f i c a n t f o ra c t i v i t yc o n t r o la n de x t r a c t i o no fb i o p r o d u c ti nr e v e r s em i c e l l e s f o r e i g n s c h o l a r sh a v em a d es o m ee x p l o r a t o r yr e s e a r c h e so nt h ea b o v e b u ti no u r c o u n t r yn or e l e v a n tr e s e a r c hr e s u l t sa r ep u b l i s h e da sy e t i nc o n s i d e r a t i o no f t h e s ea s p e c t s ，i nt h i sp a p e rh y d r a t ef o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i nr e v e r s e m i c e l l e ss y s t e m ，t h er e g u l a t i o no fw a t e rc o n t e n to fr e v e r s em i c e l l e ss y s t e m a n dt h er e c o v e r ye f f e c t so fa m i n oa c i dc o n t a i n e di nr e v e r s em i c e l l e st h r o u g h g a sh y d r a t ef o r m a t i o n w e r er e s e a r c h e db ye x p e r i m e n t s i tw i l lb ee v i d e n t i a lt o t h ed e v e l o p m e n to ft h en e ws e p a r a t i o nt e c h n o l o g yc o u p l i n gr e v e r s em i c e l l e s w i t hh y d r a t e w a t e rc o n t e n ta n d s t a b i l i t y o fr e v e r s em i c e l l e sw e r et e s t e d b y c o n d u c t i v i t ym e t h o d ，t h ei n f l u e n c eo fe a c h f a c t o ro nr e v e r s e m i c e l l e sw a s d i s c u s s e d ，c o m b i n i n gw i t hs o m er e a s o n a b l eh y p o t h e s e sa n dd e d u c t i o n s ，w e e s t a b l i s h e dam a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hc o n n e c t e dc r i t i c a lw a t e rc o n t e n to f r e v e r s em i c e l l e ss y s t e mw i t hs a l i n i t y t h i sw o r ki sd i r e c t i v et ob i o 。p r o d u c t i l l 浙江工业大学硕士学位论文 a c t i v i t yc o n t r o la n de x t r a c t i o n ，a sw e l la st h en a t u r eo ft h er e v e r s em i c e l l e s c o n t r a s te x p e r i m e n t so fe t h y l e n eh y d r a t ef o r m a t i o ni np u r ew a t e ra n dr e v e r s e m i e e l l e ss y s t e ms h o w e dt h a t ：t h e r ei sl a r g ed i f f e r e n c eo nf o r m a t i o nk i n e t i c so f h y d r a t ei nt h et w os y s t e m s ，i n r e v e r s em i c e l l e ss y s t e mt h ep r o c e s so fs o l u t i o n ， n u c l e a t i o na n dc r y s t a lg r o w t hi sv e r ys h o r t ，t h ek i n e t i co l i v e so fe t h y l e n e h y d r a t ef o r m a t i o n h a v eat u r n i n ga n g l en e a r l yt o9 0d e g r e e s t h ee x p e r i m e n t so fa m i n oa c i dr e c o v e r yi nr e v e r s em i c e l l e st h r o u g h h y d r a t ef o r m a t i o ni n d i c a t e dt h a t ：t h e r ei so b v i o u sa d j u s t m e n to n w a t e rc o n t e n t o fr e v e r s em i c e l l e s ，a n dt h ei n i t i a lp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ea r ep r o m i n e n t f a c t o r sf o re x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h i sr e g u l a t i v em e c h a n i s mc a nb eb r i e f l y d e s c r i b e da sf o l l o w ：i n i t i a ln u c l e a t i o no fh y d r a t e so c c u r si nt h em i c r o - a q u e o u s p o o l s s i n c et h er e v e r s em i c e l l e sa r ed y n a m i c s t r u c t u r e st h a tc o n t i n u a l l yb r e a k o p e n a n dr e f o r mt h r o u g hc o l l i s i o n s ，t h ec r y s t a ln u c l e u sa n dc r y s t a l so f h y d r a t e sa r ep r e c i p i t a t e d a n ds e t t l et ot h eb o t t o mo ft h ec e l ld u r i n gt h i s p r o c e s s ( h y d r a t e sb e i n gd e n s e rt h a n t h er e v e r s em i c e l l e ss y s t e m ) a st h e p r o c e s sg o e so n ，t h ew a t e rc o n t e n to ft h er e v e r s em i c e l l e ss y s t e m i sr e d u c e d a m i n oa c i dc a i lb ec o n t a i n e di nt h e w a t e rp o o l o fr e v e r s em i c e l l e sb y e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o no rh y d r o p h o b i ca c t i o n ，w h i l et h eh y d r a t ef o r m a t i o n o c c u r si tc a nb es e p a r a t e do u t ，t h ee f f e c t sa r ed i s t i n c t t h i sp r o c e s sb e l o n g s t o i n t e r f a c ec o n t r o l ，t h es a l i n i t ya n da c i d i t yo fa q u e o u sp h a s ea n dp r e s s u r ep l a ya m a j o rr o l ei nt h er e s u l t s k e y w o r d s ：r e v e r s em i c e l l e s ，h y d r a t e ，a m i i l oa c i d ，a o t , i s o o c t a n e i v 渐江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 储躲捌鸯 醐晒辞己旯岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密母彳 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：殇砂巾牝乌 导师签名：秀发聂多y 日期：仞刁年厂月，日 日期：d 7 年乡月二日 浙江工业大学硕士学位论文 刖看 笼形水合物，简称水合物，是指由一些低分子量的气体和某些挥发性液体，如 c 1 一，c 4 轻烃，n 2 、0 2 、c 0 2 、h 2 s 、环氧乙烷、四氢呋喃和卤代烷烃等在接近冰点温度 和压力的条件下与水( 或冰) 形成的一种非化学计量型笼形结构晶体。这些形成水合 物的气体和液体统称为水合物形成物。水合物是一种较为特殊的包络化合物，由主客 体两种分子组成。在气体水合物中，水分子( 主体分子) 通过氢键作用形成具有一定 尺寸大小空穴的晶格主体，较小的气体分子则被包容在空穴中，从而形成外观类似冰 霜的固体。其中气体分子和水分子之间的作用力为v a l ld e r w a a l s 力。 自1 9 世纪初发现水合物至今已有近2 0 0 年的历史，但对水合物的研究长期以来一 直未引起人们的重视。只是在近二、三十年中，由于蕴藏在大陆冻土带和海底沉积层 中储量惊人的天然气水合物被相继探明以及显示出重要工业应用前景的水合物技术 不断涌现，水合物的巨大潜在价值得到了充分体现，人们对水合物的认识才上升到新 的高度。水合物研究也从长期仅被少数学者关注跨越到受许多人的高度重视。许多发 达国家已经把天然气水合物作为传统能源的重要替代品，把基于水合物生成和分解的 水合物技术作为高新技术的重要发展方向，纷纷制定了相应的发展战略和大型的国家 研究开发计划。我国政府也把水合物正式列为国家研究开发计划。国家自然科学基金 重大研究计划“西部能源利用及其环境保护的若干关键问题”中把“天然气水合物的 形成机理与释放机制”作为西部能源工程的重要科学问题之一。 水合物技术在近临界和超临界、混合物分离、海水淡化、放射性气体的地下贮存、 生物酶活性控制及提取回收和高级材料特别是微束半导体胶质的制各等领域也具有 广阔的应用前景。目前在已发现一百多种能形成水合物的物质中，已得到验证可在反 胶束溶液中生成水合物的物质包括：甲烷、丙烷、乙烯、氟利昂2 2 ( h c f c 2 2 ) 等。 随着社会对环保要求的日益提高，生物工程技术的快速发展以及对新能源的开发需 求，水合物技术在生物工程上应用已引起越来越多的科学家和工业界人士的关心。 另一方面，反胶束技术作为一种新型的生物分离技术，可用于非极性体系中极性 物质的分离，也可用于酶的固定化。近年来，国内外对反胶束的研究主要集中在研究 其物理化学性质、反胶柬形成热力学以及在酶、蛋白质等生物物质的分离过程中的应 用。其中蛋白酶反萃取方法的改进以及反胶束萃取的工业化模拟也成为近年来的研究 浙江工业大学硕士学位论文 热点。大多数酶对所处环境很敏感，在较高温度、p h l o 情况下不稳定、易变 性失活【1 】尤其是对那些大分子蛋白酶，采用常规调节p h 值和离子强度的反萃取方法 不仅易造成交性，而且反萃取率也很低，难以达到安全、经济、高效分离的要求，所 以必须寻求新的分离途径。同时，非水环境中，即反胶束体系中酶的催化性能应用， 使得反胶束中酶的活性控制研究也受到关注。由于水合物分离技术对低温溶液特别有 效，且水合物形成消耗水减小反胶束尺寸可改变反胶束中酶的活性，也可以促进反萃 取过程进行，将它应用于反胶束溶液内生物酶活性控制及提取是很自然的，国外水合 物界一直在这方面做着一些探索性的研究。国内还未有相关研究成果公开发表。基于 这几点考虑，本论文通过水合物反胶束体系提取氨基酸的实验研究，希望能为以后开 展水合物法生物物质活性控制及提取研究提供一些理论依据。 为了做好水合物法生物物质活性控制及提取研究的前期工作，须保证实验条件适 合生物活性物质生存，所选择的水合物形成物能在此条件范围内生成水合物。本论文 选择乙烯作为实验中的水合物形成物。因为在同等实验条件下乙烯较甲烷、乙烷等易 形成水合物，且在它的常规区、近临界区和超临界区都可以生成水合物，水合物生成 的温度和压力条件又较温和，适合大多生物活性物质生存。 本实验室已对纯水体系中乙烯水合物生成动力学进行了系统的研究，包括常规条 件、近临界条件和超临界条件下的乙烯水合物生成动力学生成特性i 2 1 。本论文主要研 究a o t 浓度，水相酸度及盐度对反胶束含水量的影响；反胶束体系中水合物生成动 力学，水合物的形成对反胶束体系含水量的调节机理以及对氨基酸的提取效果。 2 浙江工业大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 水合物的生成可看成是一个伴有气一液非均相反应的结晶过程，水合物形成气和 水反应生成水合物晶体并从液相中析出： m ( g ) + 以。h 2 0 ( 1 ) 一m 托。h 2 0 ( s ) 式中厅。为水合数，即水合物结构中水分子和气体分子之比。其具体过程由气体溶解、 成核、生长等步骤组成，微观机理复杂，实验测试非常困难。因此，开展水合物生成 动力学的研究存在着相当大的难度，尤其是反胶束体系中的水合物生成动力学还很不 成熟。 在自然界中，水合物大多存在于大陆冻土带和海底沉积层中，形成水合物的气体 组成以甲烷为主，与天然气相似，故常称为天然气水合物，俗名可燃冰，可以作为传 统能源的替代品。水合物理论研究的不断进步推动水合物应用技术的快速发展，应用 技术的开发又进一步为工程实践奠定基础。 目前，国外水合物技术在生物工程应用研究主要涉及反胶束体系中水合物生成热 力学、酶活性控制1 3 1 ；和酶提取回收i 铜三个方面。国内尚没有此方面的相关报道。本文 的文献综述部分主要介绍水合物热力学和动力学理论、水合物应用技术和反胶束体系 特性及应用方面一些研究情况，还归纳并评价了几种常用氨基酸分析方法和水分分析 方法。 1 2 水合物理论研究 水合物的理论研究可分为生成、分解及抑制研究，也可从动力学和热力学的角度 来阐述。下面主要从热力学和动力学的角度对水合物生成的实验和理论研究成果进行 了系统评述。 1 2 1 热力学研究 水合物晶体的形成过程常被看作一个化学反应，也类似于结晶过程。液相中水合 物的形成使体系的无序程度下降、熵降低，系统的温度会升高。作为水合物研究的基 本手段，相平衡测定为水合物的应用提供基本物性数据，到目前，已有大量文献报道 3 浙江工业大学硕士学位论文 了水合物热力学相态的实验数据。也有一些模型和方法可用于预测水合物的生成条 件，兵中最早也是最经典的当推1 9 5 9 年v a nd e rw a a l s 和p l a t t e e u w l 6 】提出的统计热力 学模型。该模型基于球形空穴假设和l a n g m u i r 气体吸附理论。s a i t o 等 7 1 基于此模型 提出了一种预测水合物生成条件的方法随后，p a r r i s h 和p r a u s n i t z 8 1 运用k i h a r a 势能 对此模型进行了修正，将其拓展为能够预测多组分气体混合物体系的水合物生成条 件。后来，n g 和r o b i n s o n l 9 及h o l d e r 等【1 0 1 分别对p a r r i s h p l a t t e e u w 方法作了不同 程度的改进。国内陈光进和郭天民【1 1 】也提出了一个考虑水合物实际生成情形的热力学 模型。事实上，水合物热力学相态的研究已达到了相当成熟的程度，并取得了令人满 意的成果。 1 2 2 动力学研究 一个完整的水合物生成过程通常包含气体溶解、成核( 晶核的形成) 和生长( 晶 核生长成晶体) 三个阶段。晶核的形成是指在被水合物形成气过饱和的溶液中形成一 种具有临界尺寸的稳定晶核。由于从物系中产生一个新相( 晶核) 比较困难，因此该 阶段大多比较缓慢，一般都需要一个持续较长时间的诱导期，因此这一步亦是水合物 形成的控制步骤。晶核形成时体系的g i b b s 自由能达到最大。晶核一旦形成，体系将 自发地向g i b b s 自由能减小的方向发展，从而步入生长阶段。在这一阶段中，晶核将 比较快速地生长成宏观规模的水合物晶体。 虽然水合物的生成并没有经历旧化学键断裂和新化学键形成的过程，但考虑到生 成物即水合物是一种非化学计量的化合物，开展水合物生成动力学研究因而可以遵循 化学动力学的研究思路，研究重点是水合物生成机理，这对建立其动力学模型具有指 导意义。 v y s n i a u s k a s 和b i s h i 【1 2 ，”】在上世纪8 0 年代初首次提出了一个比较简单的水合物 生成机理。通过把气体水合物形成过程分成初始成簇过程、晶核形成过程和水合物生 长过程，建立了一个由水单体浓度、晶核浓度、气体浓度和气液界面面积所决定的半 经验速率方程。 s l o a n 和f l e y f e l 【“】曾提出一个描述水合物从冰中成晶的机理，主要用于解释某些 简单水合物诱导期的形成。 在s l o a n f l e y f e l 机理的基础上，c h r i s t i a n s e n 和s l o a n 1 5 】提出了一个新的水合物生 成机理：当气体分子溶于水时，水分子将围绕气体分子定向排列形成不稳定簇。不稳 4 浙江工业大学硕士学位论文 定簇所具有的亚临界尺寸决定了它们必然通过面的共享聚集成亚稳团聚体。由于亚稳 团聚体的尺寸仍未超过某- i i $ 界尺寸，所以某些团聚体仍可能变为不稳定簇，另一些 团聚体则继续聚集成稳定的晶核。 i 启k v a m 和r u o f f 1 6 j 针对从水相中生成甲烷水合物晶体的过程提出个由5 个准基 元反应组成的生成机理：溶解、形成晶核、晶核在非催化条件下缓慢生成水合物晶体 以及在水合物晶体自催化作用下由晶核或直接由水跟溶解气反应生成水合物晶体。 以上这些机理普遍存在两点不足之处：第一，他们在从微观的角度来探讨水合物 生成机理时，忽视了水的微观结构以及水分子( 团) 簇在水合物生成过程中的作用， 对水合物的生成环境这一较为复杂却又决定着水合物生成机理的关键问题缺乏考虑； 第二，他们假设的中间物具有较大的随意性，对中间物稳定存在的可能性缺乏从结构 和能量两方面的考虑。 本文作者导师【1 7 1 对水合物生成动力学开展了系统的研究工作，曾提出包含下列四 个步骤的纯水体系中甲烷水合物的生成机理： ( 1 ) 气相中部分甲烷分子溶解于液相，水分子围绕溶解的甲烷分子定向排列形成 不稳定分子簇 ( 2 ) 不稳定分子簇相互间通过顶点与顶点的连接形成单晶： ( 3 ) 单晶相互连接形成晶核 ( 4 ) 晶核生长成水合物晶体 在以上研究的基础上，胡春等【1 8 】又将甲烷水合物生成过程发展成包括6 个拟化学 反应步聚的机理模型。这两个模型能够很好的解释纯水体系中甲烷的生成动力学。 正是因为水合物生成是一类宏观上涉及气液固三相、微观上涉及主客体分子相互 作用的复杂结晶过程，而且需要在较高压力和较低温度的条件下进行，从而给水合物 生成动力学的理论和实验研究带来了许多困难。这就是水合物生成动力学远未成熟的 主要原因，它仍然是水合物研究的热点。 1 。3 水合物应用研究 随着水合物研究的日益深入，水合物应用领域不断拓展，新的水合物技术相继形 成。主要有以下几大领域：( 1 ) 水合物作为潜在的未来能源；( 2 ) 水合物储存和运 输天然气；( 3 ) 水合物分离技术；( 4 ) 水合物技术应用于生物工程。其中水合物分 5 浙江工业大学硕士学位论文 离技术又细分为近临界和超临界萃取、海水脱盐淡化、气体混合物分离、有机水溶液 提浓等几个方面。自1 9 8 9 年，n g u y c n 等【1 9 1 发现在反胶束溶液中能形成气体水合物以 来，国外学者发表了一系列有关水合物技术应用于生物工程的研究报道：在反胶束溶 液中水合物形成热力学特性及对反胶束特性影响的基础上，提出水合物法生物酶活性 控制及提取的可行性，并进一步通过实验得到了论证。此外，水合物储运天然气、放 射性气体、有毒气体的技术也在积极探索中。水合物在高级材料制备闭、汽车驱动、 冷机蓄冷等方面也有应用。为减轻温室效应，日本学者【2 1 , 2 2 1 建议将大气中的二氧化碳 以固体水合物的形式储存到深海中，以减缓温室效应。下面择要介绍。 1 3 1 潜在能源 众所周知，煤、石油、天然气等传统能源正在走向枯竭。人类的目光已专注于搜 寻和开发替代能源。蕴藏在大陆冻土带和深海沉积层中的天然气水合物就是一种重要 的潜在能源。这种能源的储量虽然目前仍无法正确测算，但一致的看法是储量巨大。 据国外专家保守估计，天然气水合物中甲烷资源量约为2 0 1 0 1 6 m 3 ，是目前己探明的 矿物燃料总量的两倍。我国的东海、台湾以东海区及青藏高原的冻土层，都具备天然 气水合物的形成条件，并且已有相关资料报道部分海域确实有天然气水合物存在。 目前，水合物作为一种替代能源，应用前景非常广阔，但大规模的工业开发进展 缓慢，主要原因是开发这种资源的技术难度很大，缺乏行之有效的方法。 1 3 2 近临界和超临界萃取 w i l l s o n 等用一种化合物同时作为水合物形成物和萃取剂回收溶液中的有用物 质( 如图1 - 1 ) ，实验研究了水合物生成对超临界和近临界流体萃取效率的影响。研 究发现，水合物的生成显著改善了萃取过程的有效分配系数和选择性，使有效分配系 数增大6 倍以上，并且随压力升高有效分配系数还将增大。实验中使用的水合物形成 物包括超临界乙烯和近临界c 0 2 。 美国专利u s 4 6 7 8 5 8 3 1 2 4 1 介绍了利用生成水合物提取稀水溶液中溶质的方法，其中 的三种典型分离过程为；( 1 ) 在1 2 c 、6 5 m p a 条件下利用乙烯水合物处理质量分数为 2 的丁醇溶液；( 2 ) 在4 0 、5 5 m p a 条件下利用c 0 2 水合物处理质量分数为4 的丙烯 酸溶液；( 3 ) 在4 1 2 、常压下利用c c l 3 f 水合物处理l o g l 的丁醇溶液。 b 浙江工业大学硕士学位论文 图卜1 近临界和超临界水台萃取过程 近临界和超临界水合萃取作为一种水溶液分离技术，不仅避免了水合物晶体和溶 液完全分离的困难，而且大大增加了萃取过程的有效分配系数和选择性。但要使其实 现工业化，现有的基础理论研究成果还远不足以支撑。必须强化基础理论特别是超临 界状态下的水合物生成机理以及伴有水合物生成的超l 临界萃取机制的研究。本文作者 导师正在从事此方面的研究。 1 3 3 生物酶活性控制及提取 水合物技术在生物工程应用研究主要是针对包含生物酶反胶柬溶液而进行，主要 涉及反胶柬体系中水合物生成热力学、酶活性控制和酶提取回收。 1 9 8 9 年，n g u y c n 等【1 8 】发现在反胶束溶液中能形成甲烷水合物，为生物酶活性控 制及提取开辟了一条新途径。 1 9 9 0 年，r a o 等【3 l 通过实验又进一步验证了在反胶束溶液中利用甲烷水合物生成 控制酶活性的可行性。特别是对那些在微水环境中起催化作用的酶，可通过水合物生 成来控制反胶束含水量职即水与表面活性剂分子比，从而控制酶活性处于最佳状态。 p h i l l i p s 等【4 】曾利用水合物的生成从生化溶液中回收蛋白质。n a g a h a m a 等1 5 】也发 现某些气体水合物的生成有助于回收反胶束内酶。基本原理如图1 - 2 所示。 利用水合物法提取蛋白酶时，主要是使反胶束溶液与某种气体接触，气体进入反 胶束内并与反胶柬内的水生成水合物，在反胶束体系下水合物生成转移了部分反胶束 所包覆的水，使反胶束体系的含水量降低，表现为反胶束尺寸减小；反胶束体系的含 水量降低，一定程度上直接导致生物酶部分沉淀，从反胶束溶液中提取到生物酶；同 时由于生成的水合物密度比有机相密度大下沉到釜底，不会夹杂在有机相中造成与反 浙江工业大学硕士学位论文 胶束体系难分离现象。最后经过加压过滤不仅得到提浓蛋白酶而且反胶束滤液也可反 复循环使用。 通过相转移萃取蛋白酶 伴 内 置于环境中水合物被分解， 蛋白酶以高浓度形式回收 图1 - 2 水合物法回收蛋白酶原理过程的示意图 反胶束内酶的回收率不仅与水合物形成气的种类有关，而且与酶的类型及反胶束 含水量密切相关。大多数酶对环境很敏感，在较高温度、p h 1 0 情况下不稳 定易变性失效【1 1 。而水合物的生成条件温和，能耗低，分离效率高，对环境无害，这 使得生物酶水合物法提取在某些方面具有一定的优势。在发酵过程和制药过程中都可 以利用生成水合物的方式进行分离工作。 水合物法生物物质活性控制及提取的理论基础是反胶束体系下水合物生成的热 力学和动力学理论、伴随水合物生成反胶束内生物物质活性控制及萃取机理。由于这 几方面的理论仍不成熟，使得水合物法生物物质提取技术的理论基础十分薄弱。需要 进一步开展研究工作来填补这一领域的某些空白，丰富已有的理论，为水合物法生物 物质活性控制及提取技术的开发提供坚实的理论依据。本文宗旨亦在于此。 1 3 4 海水脱盐淡化 水合物法海水淡化技术汹捌是研究最早、授予专利最多的水合物应用技术。它利 用较易生成水合物的气体与海水中的水生成固体水合物，固液分离后，分解水合物即 可得到淡水。该技术的最大优点是能耗低、设备简单、紧凑，但在设计淡化装置时对 水合物形成物有一定的要求：( 1 ) 最好能形成高水气比水合物且相变热低；( 2 ) 在 较低的压力和较高的温度下形成水合物，形成水合物的速度较快：( 3 ) 在水或盐水 中溶解度低；( 4 ) 无毒，价廉易得，无爆炸危险。从海水浓缩液中分离水合物晶体 的难度较大，同时还会夹带一些浓缩液，而这些浓缩液的脱除也比较困难。就目前科 8 浙江工业大学硕士学位论文 技水平而言，该项技术还难以实现大规模的工业应用。水合物法海水淡化技术只在一 些缺水的国家和地区( 如沙特阿拉伯) 实现了工业化。 1 3 5 气体混合物分离 利用不同水合物形成物在水合物生成压力上的差别，通过控制压力使易生成水合 物的组分发生相态变化( 从气态到固态) ，从而实现气体混合物的分离。据文献 2 7 1 介绍，前苏联专利s u l 6 4 8 5 2 7 报导了利用水合物法分离气体的方法：在5 c 、5 0 m p a 下，使气体混合物通过含水合物促进剂的水溶液，一些轻质气体( 如乙烯) 与水形成固 体水合物，从而达到分离气体的目的。美国专利u s 4 4 2 4 8 5 8 z s ，q ：发了一种分离轻烃类 气体的设备。在此设备中，热水或热盐水与烃类水合物接触使其分解，水从设备中流 出时将烃类气体以气泡的形式夹带出来。美国哥伦比亚大学h a p p e l 等【2 9 】在1 9 9 4 年召开 的第一届国际天然气水合物会议上，提出了一种新型气体分离装置；利用生成水合物 可将n 2 从c 凰中分离出来。美国专利u s 5 6 6 0 6 0 3 t 3 0 】介绍了从天然气中分离特定烃的方 法；此方法尤其适用于轻烃和二氧化碳的分离。国内马昌峰等【3 1 】研究开发了一种从含 氢气体分离浓缩氢的新技术。 1 4 反胶束技术及应用 1 4 1 反胶束的形成和特性 正常胶束( r m a lm i c e l l e s ) 是表面活性剂分子在极性溶剂，如水中形成的一种亲水 基团( 头) 朝外，疏水基团( 尾) 朝内的具有非极性内核的多分子聚集体。反胶束 ( r e v e r s e dm i c e l l e s ) 是指表面活性剂分散于连续非极性溶剂中，并且浓度超过某临界 值时( 临界胶束浓度c r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o n ，c m c ) 自发形成一种稳定的大小 为纳米级的聚集体，其结构( 以a o t 反胶束为例) 示意于图卜3 。其中表面活性剂亲 水头朝内，形成球状的极性核( p o l a rc o r e ) ；核中能溶解一定数量的水，形成宏观上 透明均一、热力学稳定的微乳状夜，而微观上则是一个个纳米级大小的小“水池” ( w a t e rp 0 0 1 ) 【3 2 】。反胶束中增溶的水与表面活性剂分子数之比，即含水量一般用 矸，( i f 【h 2 0 1 1 表面活性剂 ) 表示，它是表征反胶束大小的一个较好的标志。另外反胶 束的大小还与水相酸碱度、离子强度、溶剂和表面活性剂的种类和浓度以及温度等因 素有关。 口 浙江工业大学硕士学位论文 o ， c z 一s ， 6 善寿) + 善每 纠等鬻， w a ( 瓦，) 4 ( 2 - 2 1 ) 浙江工业大学硕士学位论文 c o n c o n t r a l i o no fn a c i ( m o l ， 图2 - 7 实验所得临界含水量与计算值的对比 2 7 本章小结 一 通过对不同a o t 浓度、不同水相酸度、不同水相盐度等条件下反胶束体系含水 量实验研究发现： 1 对于a o t 异辛烷反胶束体系，即使不加入助表面活性剂也可以形成稳定的反胶 柬，但是a o t 浓度不宜超过0 2 m o l l 。也有文献报道1 8 0 l ，在该体系下使用助表 面活性剂有利于提高体系的增溶能力和稳定性。 2 盐度的增加将明显减小反胶束体系的增溶能力，而酸度对反胶束增溶能力影响不 大，但如果酸度过高，会导致反胶束体系稳定性下降。 3 不同a o t 浓度下，反胶束体系的电导率变化有着相似的趋势，且反胶束体系出 现破乳时的形值，即临界含水量几乎在同一点上，可认为填充系数p 与之间 可能存在某种函数关系，但是由于填充系数中的参数不易测得，且不直观，因此 本文提出了一个反胶束临界含水量与盐度相关联的数学模型，由于实验数据有限， 这一模型的正确性有待进一步考证。 4 进入反胶柬中的水以两种形式存在：自由水和结合水。开始进入反胶束中的水几 乎全部参与a o t 分子的水化，致使水的亲核性大为增强，而流动性大为降低， 水化结束后随着缈的增大开始出现自有水。 3 3 芒窘晷霉车嚣事嚣 浙江工业大学硕士学位论文 第三章反胶束体系中乙烯水合物提取实验 3 1 引言 从第一章文献综述部分来看，水合物技术和反胶束技术的应用研究已经具备一定 的基础，然而反胶束体系下的水合物生成以及伴有水合物生成的反胶束提取理论至今 尚不完善，开展这方面的研究具有广阔的应用前景，可以从中得到一些启发。 本章实验采用乙烯为水合物形成气，选取赖氨酸为提取物。这是因为乙烯形成水 合物的条件较温和，适合生物物质的存在；