论萃取分离技术的综合应用.doc

自然辩证法概论课程论文论萃取分离技术的综合应用学生姓名：牛福星学号：1208305009专业：发酵工程学院： 生命科学与技术学院学院班序：4班导师姓名：韦宇拓学期：2012-2013/上任课老师：严建新诚 信 声 明我郑重声明：本人提交的自然辩证法概论课程论文是由本人独立完成的，在正文中和在文末的参考文献中已全部标注并列出了文中所引用的他人的学术成果、观点、图表或论述，保证此文符合学术道德规范的要求。声明人签名：日期：论萃取分离技术的综合应用牛福星生命科学与技术学院发酵工程专业研究生级；学号摘要：本文主要简单介绍各种萃取技术：双水相萃取、离子液体双水相萃取、亲和萃取、凝胶萃取、反胶团萃取、膜萃取、液膜萃取、超临界萃取、超声萃取、微波萃取和固相萃取在生物技术上的应用机理，优缺点，影响因素等。关键词：萃取；分离；生物技术。1 引言 随着近年来生物工程技术的飞速发展，各种新型的生化分离技术应运而生。生化分离是生物工程技术转化为生产力传统的过程中必不可少的重要环节。生物工程技术特别是细胞工程、基因工程、蛋白质工程等技术产品的特殊性，要求分离技术既具有较高的分离效率又不影响产品的生物活性，因此据各种产品的特色及要求，双水相萃取、离子液体双水相萃取、亲和萃取、凝胶萃取、反胶团萃取、膜萃取、液膜萃取、超临界萃取、超声萃取、微波萃取和固相萃取等应用而生且高效而温和的生物分离新技术越来越受到人们的关注。2 萃取分离技术.1 双水相萃取 双水相萃取是利用组分在两个互不相溶的水相中的溶解度不同而达到分离的萃取技术。1956年瑞典伦德大学的Albertsson发现双水相体11979年德国GBF的Kula等人将双水相萃取用于生物产品分离，此后，对于双水相体系的研究和应用逐步展开，并取得很大进展。 双水相萃取与水一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，如常用的双水相体系是聚乙二醇葡聚糖体系和聚乙二醇磷酸盐体系。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2。而对于双水相体系中不同种类盐分相的能力是有差异的，一般说来离子半径越小（电荷数越多)其水化作用与盐析作用越强，另外盐析效应一般随离子强度的增加而增加。且双水相的分相过程其实是一个有机溶剂与无机盐争夺水分子的过程。 双水相萃取主要具有如下基本特点：(1)体系有生物亲和性含水量高。(2)易于工程放大和连续操作J。(3)界面张力小，有助于生物活性与强化相际间的质量传递。(4)分相时间短。(5)不存在有机溶剂残留问题。(6)能进行萃取性的生物转化2。2.2 离子液体双水相萃取 离子液体是一种新型的绿色溶剂，是完全由离子组成的盐类，在室温或室温附近呈液体状态，因此也称为室温熔融盐或室温离子液体。Gutowski等人于2003年首次提出了离子液体双水相的概念，离子液体双水相体系(Ionic liquids aqueoustwo-phase system，ILATPS)通常由一种有机盐(亲水性离子液体)、一种无机盐(如磷酸盐、碳酸盐、氢氧化物等)和水形成3，离子液体双水相体系具有1)体系易于放大；2)体系内传质和平衡速度快，回收率高；3)体系的相间张力大大低于有机溶剂与水的相间张力，分离条件温和；4)离子液体的蒸汽压几乎为零，不会出现像有机溶剂那样因挥发而引起环境问题且黏度低、萃取过程不易乳化且离子液体可以回收利用等优点3,4。2.3 亲和萃取亲和萃取就是将一种和目标蛋白质有很强亲和力的配基与一种成相聚合物共价结合，该成相聚合物与另一种成相聚合物形成双水相体系进行萃取时，目标蛋白质专一性地进入结合有配基的那种成相聚合物所在相中，其它杂蛋白则进入另一相2。其实属于在双水相的基础上又进一步发展起来的萃取技术，本属一致的。2.4 凝胶萃取 凝胶萃取是利用凝胶在溶剂中溶胀特性和凝胶网络对大分子、微粒等的排斥作用达到溶液浓缩分离的目的。是Cussler等在1984年首次提出的分离过程。，凝胶可以发生可逆的、非连续的溶胀和皱缩，吸收或释放出液体，其体积变化常达数百乃至数千倍。凝胶对所吸收的液体只具有选择性，即它只吸收小分子物质而不吸收如蛋白质等大分子物质2,4。凝胶萃取根据凝胶在发生相变时，外界条件的不同，可以分为温敏型、酸敏型和电敏型。但不论其是温敏、酸敏或电敏型，均可能成为取代超滤或蒸发浓缩高分子溶液的新分离技术。2.5 反胶团萃取反胶团(reversed micelle)是双亲物质在非极性有机溶剂中自发聚集体，也可以理解为表面活性剂在非极性有机溶剂中超过一定浓度后自发形成了一种亲水性基团向内的，内含微小的纳米级集合性胶体，是一种具有热力学稳定结构，又称为反胶束、逆胶束。1977年，由Luisi等首先应用于胰凝乳蛋白酶中。反胶团萃取类似于液-液萃取，目的蛋白从水中溶解到非极性有机溶液中的反胶团微水相中，因为表面活性剂像膜一样保护了萃取在微水相中的蛋白质，是蛋白质不与有机溶剂直接接触，所以蛋白质不会变性。反胶团萃取技术的主要影响因素有表面活性剂，浓度，水相，水离子强度，温度等。其反应机理有以下几点5：1）静电性相互作用；2）立体性相互作用；3）疏水性相互作用；4）亲和配体间相互作用。2.6 膜萃取 膜萃取(Membrane extraction)是膜过程和液液萃取过程集合形成的一种分离技术，1984年由Kim BM等人提出。即在进行萃取时用膜先进行处理或用膜作为中间的隔线再进行定向的萃取技术分离，与传统萃取技术相比，膜萃取可以减少萃取剂在物料相中的夹带损失；选择萃取剂时可以放宽对物性的要求6。但是在膜萃取中，由于有机溶剂的作用，常使膜发生溶胀而严重影响传质速率，除此之外，膜技术在大多领域是很受欢迎的。2.7 液膜萃取液膜萃取技术其实也是膜萃取技术的一种，是在膜萃取技术发展起来的基础上又进一步对萃取的应用结合。是以液膜为分离介质、以溶度差为推动力的膜分离操作它与溶剂萃取是机理不同，但都属于液-液系统的传质分离过程4。但液膜稳定性和破乳技术仍然是制约液膜技术工业化的关键因素，也是以后有待进一步实验的地方。2.8 超临界萃取 超临界流体(即sCF)指的是物体处于其临界温度（frc)和临界压力(Pc)以上状态时，向该状态气体加压，气体不会液化，只是密度增大，具有类似液体的性质。同时还保留气体性能。可作为scF的物质很多，如一：氧化碳、一氧化亚氮、六氟化硫、乙烷、甲醇、氨和水等，是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度尉超临界流体溶解能力的影响而进行的4,7。实验基本流程如下8：冷却水 放空C02 C02低温浴槽高压泵预热器萃取器分离嚣产品 SFE还具有良好的渗透性利溶解性，能从固体或粘稠的原料中快速提取有效成分；降低超临界流体的密度，容易使溶剂从产品中分离，无溶剂污染，且回收溶剂无相变过程，能耗低等特点，在大多实验领域特受欢迎。2.9 超声萃取超声波是指频率为20 K50 MHz左右的电磁波。超声对萃取的强化作用最主要的原因是空化效应,即存在于液体中的微小气泡，在超声场的作用下被激活，表现为泡核的形成、振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程，及其引发的物理和化学效应。气泡在几微秒之内突然崩溃，可形成高达5 000 K以上的局部热点，压力可达数十乃至上百个兆帕，随着高压的释放，在液体中形成强大的冲击波(均相)或高速射流(非均相)，其速度可以达100 ms。伴随超声空化产生的微射流、冲击波等机械效应加剧了体系的湍动程度，加快相相间的传质速度。同时，冲击流对动植物细胞组织产生一种物理剪切力，使之变形、破裂、并释放出内含物，从而促进细胞内有效成分的溶出。且超声波的机械作用同样促进萃取的进行，在媒介传播过程中其能量不断被媒质质点吸收变成热能，导致媒质质点温度升高，加速有效成分的溶解。其产生的波振面上介质质点交替压缩和伸长，使介质质点运动，从而获得巨大的加速度和动能。巨大的加速度能促进溶剂进人提取物细胞，加强传质过程，使有效成分迅速逸出9,10。 此外，超声还可以强化超临界CO2。萃取技术是在超临界CO2萃取的同时附加超声场，从而降低萃取压力和温度，缩短萃取时间，最终提高萃取率。2.10 微波萃取 微波是一种频率在300 M300 G Hz，即波长在100 nm-1 mm范围内的电磁波。微波萃取技术(microwaveassisted ExtractionTechnique)4,10是指使用微波及合适的溶剂在微波反应器中从各种物质中提取各种化学成分的技术和方法。微波加热是材料在电磁场中由介质吸收引起的内部整体加热。微波加热意味着将微波电磁能转变成热能，其能量是通过空间或介质以电磁波的形式来传递的，与传统的萃取技术、样品制备技术相比较，微波萃取技术具有以下特点：质量高、产量大、对萃取物料具有较高的选择性，反应或萃取快，能耗低，安全，无污染。微波作用分为热效应和非热效应，热效应是指进入生物系统的微波能量转化为热能，这些热能可使生物整体或局部升温；非热效应是一种非温度变化引起的效应”刮，往往发生在远离平衡态的情况。其特点为：加热迅速-微波能穿透到物料内部，使物料表里同时产生热能，其加热均匀性好，且加热迅速。选择性加热-微波加热具有选择性，可通过选择适当的溶剂来提高萃取效率，以期达到最佳的萃取效果。体积加热-微波加热是一个内部整体加热过程，它将热量直接作用于介质分子，使整个物料同时被加热，此即所谓的”体积加热”过程。高效节能-由于微波独特的加热机理，除少量传输损耗外，几乎没有其它损耗，故热效率高。易于控制-控制微波功率即可实现立即加热和终止，而应用人机界面和PLC可实现工艺过程的自动化控制11。2.11 固相萃取固相萃取（soIid phase extraction，SPE）是一种试样预处理技术，由液固萃取和柱液相色谱技术相结合发展而来12。SPE是利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样品的基体和干扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富集目标化合物的目的。SPE 是一个柱色谱分离过程，分离机理、固定相和溶剂的选择等方面与高效液相色谱（HPLC）有许多相似之处。包括液相和固相的物理萃取过程。在固相萃取中，固相对分离物的吸附力比溶解分离物的溶解度更大，当样品溶液通过吸附床时，分离物浓缩在其表面且，SPE 具有如下优点12,13：（1）分析物的高回收率；（2）更有效地将分析物与干扰组分分离；（3）不需要使用超纯溶剂，有机溶剂的低消耗减少对环境的污染；（4）能处理小体积试样；（5）无相分离操作，容易收集分析物级分；（6）操作简单、省时、省力、易于自动化。3 展望 随着生物技术的不断发展，由于生物技术产品的不断更新及特殊性要求，传统的，单纯的萃取分离技术已经远远不能满足生物产品的分离需要。生物技术在科研和生产过程中，存在着大量的蛋白质、多肽和核工业酸等到生物大分子的分离和纯化工作。迫切需要高效快速成的分离和制备方法4,14：(1)因为种种技术及经济原因，这些技术的大多数还没有真正实现工业化，解决这些技术在工业化过程中的障碍是当今萃取分离技术发展的一个重大方向，如膜的溶胀及带来的寿命问题等。(2)技术的联用，如固相微萃取与气相、液相联用等。(3)萃取方法的影响因素和分离机理的探索，一些萃取方法的用及影响机理，有待于进一步的探索。但总的来说，在实验方面，众多的萃取技术给实验探究者以重大帮助，虽然众多还在试验阶段，但大多已经引起商业领域的高度重视。参考文献1 Albeertosson P APartition of cell particles and macromoleculsNew York：WileyInterseienee 19862 王志华,马会民,马泉莉,苏美红,梁树权.双水相萃取体系的研究.中国科学院化学研究所分子科学中心研究论文，20013 姜大雨，朱红，王良，马春宏，闫永胜，王庆伟.离子液体双水相萃取的应用研究进展江苏大学化学化工学化学试剂，2010，32(9):8058104 刘波,王英锋,郭雪清.新型萃取分离技术在生物技术中的应用.首都师范大学学报(自然科学版).2005,26(2)5 毛忠贵，等.生物工业下游技术M.北京：中国轻工业出版社，19996 蒋维钧，陈翠仙新型膜分离过程现代化工，1992，4：557 陈岚，满瑞林.超临界萃取技术及其应用研究.现代食品科技,2006(87)8 丁刚,霍旭明.超临界流体的技术与应.医药工程设计，2002，23(4)9 张斌，许莉勇.超声萃取技术研究与应用进展.浙江工业大学学报，2008,3（5）10 刘春娟.超声、微波及其协同萃取技术性能评价研究