生物工程下游技术---萃取

Chapter4萃取SolventExtraction,4.1概述,4.2有机溶剂萃取过程的基本理论4.3工业萃取技术及其计算4.4其它萃取方法,4.1概述4.1.1基本概念萃取(Extraction):利用一种组分在两个互不相溶的两液相中溶解度的不同达到分离的目的。其实质是组分在两相之间的传质过程。一般是目标物从水相转移到有机相的过程反萃取(BackExtraction):调节反水相条件，将目标物从有机相转移到水相的萃取操作溶质(solute)：目标物质，被提取的物质萃取剂(extractan)：加入的第三组分，用于萃取目标物的溶剂萃取相(extractionphase):萃取剂萃取到目标物后所得的混合组分萃余相(extractionraffinate):原溶液被萃取剂萃取后剩余的混合物,4.1.2萃取操作的分类按原料分：液液萃取；固液萃取(浸取Leaching)按原理分：物理萃取-萃取剂与目标物之间无化学反应化学萃取-萃取剂有选择地与目标物化合或络合，从而使目标物在两相中重新分配按原料和萃取剂接触的方式及流动情况分：单级萃取(Single-stepextraction)多级萃取(Poly-stepextraction)：错流接触萃取(cross-flowextraction)逆流接触萃取(reverse-flowextraction)按萃取剂的不同分：超临界，反胶团，双水相,萃取、洗涤和反萃操作过程示意图,液中含有少量目标产物，为提高收率，需将此溶液返回到萃取段。经过萃取、洗涤和反萃取操作，大部分目标产物进入到反萃相(第二水相)，而大部分杂质则残留在萃取后的料液相(称作萃余相)。,4.1.3萃取分离的特点（1）萃取过程有选择性（2）能与其它步聚相配合（3）通过相转移减少产品水解（4）适用于不同规模（5）传质快（6）毒性与安全环境问题,4.2有机溶剂萃取过程的基本理论4.2.1物质的溶解和相似相溶原理(similaritysolution)物质的溶解过程(体系自由能下降可使过程自发进行):,-溶解过程忽略S、P、V，则只考虑体系能量变化则从能量角度将溶解分三个过程：溶质各质点(B)的分离(吸能)溶剂(A)在溶质作用下形成可容纳溶质质点的空位(吸能)B进入A的空位(放能)-溶解时的能量：吸能的大小与溶质分子间作用力有关-非极性极性氢键离子型物质；与溶液分子A间的相互作用力有关-非极性极性氢键离子型物质；与溶质和溶液分子间作用力有关-A、B为非极性非-极A、B为极性B被A溶济化溶剂化(溶剂合化)：指一定数目的溶剂分子较牢固地结合在溶质质点上(若A为水，则称为水化),物质溶解的规律-相似相溶原理,-分子间的相似：分子结构相似分子组成、官能团、形态、结构相似能量(相互作用力)相似相互作用力(极性与非极性)能量相近：互溶,-相似相容：即极性相近溶，分四类：两种惰性溶剂互溶：不能形成H键的，如烷烃、苯、CCl4等。能量小，易被补偿水向油中溶解：H2O分子H键大，能大，能小，但能A-B相分离（2）A-AA-A凝聚复合,混溶性疏水梯度,双水相体系类型,(1)高聚物-高聚物（PEG-Dextran）易于与后续处理连接(2)高聚物-盐(PEG-(NH4)2SO4)盐浓度高，蛋白质易盐析，废水处理困难,双水相萃取的原理,依据悬浮粒子与其周围物质具有的复杂的相互作用：氢键电荷力疏水作用范德华力构象效应,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。,可形成双水相的双聚合物体系很多，如聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG)/葡聚糖(dextran，Dx)，聚丙二醇(polypropyleneglycol)/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。图a和b分别为PEG/Dx和PEG/KPi系统的典型相图,双水相系统,a,双节线,系线,b,双节线,均相区,均相区,两相区,两相区,系线,临界点,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(criticalpoint)。,双水相中的分配平衡,与溶剂萃取相同，溶质在双水相中的分配系数也用m=c2/c1表示。为简便起见，用c1和c2分别表示平衡状态下下相和上相中溶质的总浓度。,有关双水相系统中溶质分配平衡的理论已有很多研究报导。但是，由于影响双水相系统中溶质分配平衡的因素非常复杂，很难建立完整的热力学理论体系。从双水相萃取过程设计的角度出发，确定影响分配系数的主要因素是非常重要的。已有的大量研究表明，生物分子的分配系数取决于溶质与双水相系统间的各种相互作用，其中主要有静电作用、疏水作用和生物亲和作用等。因此，分配系数是各种相互作用的和:,lnm=lnme+lnmh+lnml,me，mh，ml分别为静电作用、疏水作用和生物亲和作用对溶质分配系数的贡献。,实际的双水相系统中通常含有缓冲液和无机盐等电解质，当这些离子在两相中分配浓度不同时(即分配系数1)，将在两相间产生电位差，此时，荷电溶质的分配平衡将受相间电位的影响，从相平衡热力学理论推导溶质的分配系数表达式为,lnm=lnmo+FZ/RT,因此，荷电溶质的分配系数的对数与溶质的净电荷数成正比,由于同一双水相系统中添加不同的盐产生的相间电位不同，故分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异.,2)疏水作用,一般蛋白质表面均存在疏水区，疏水区占总表面积的比例越大，疏水性越强。所以，不同蛋白质具有不同的相对疏水性。在pH为等电点的双水相中，蛋白质主要根据表面疏水性的差异产生各自的分配平衡。同时，疏水性一定的蛋白质的分配系数受双水相系统疏水性的影响。因此，有必要确定双水相系统的疏水性尺度，以便在萃取操作时调整和设计蛋白质的分配系数。PEG/Dx和PEG/无机盐等双水相系统的上相(PEG相)疏水性较大，相间的疏水性差用疏水性因子HF(hydrophoblcfactor)表示。HF可通过测定疏水性已知的氨基酸在其等电点处的分配系数maa测算,lnmaa=HF(RH+B),其中，RH为氨基酸的相对疏水性(relativehydrophobicity)，是通过测定氨基酸在水和乙醇中溶解度的差别确定的，并设疏水性最小的甘氨酸的RH0。,B=lnmGly/HF,所以，pHpI时氨基酸在双水相系统中的分配系数与其RH值呈线性关系，直线的斜率就是该双水相系统的HF值。,利用前式可确定不同双水相系统的HF值。如果在pH为等电点的双水相中蛋白质的分配系数(m0)与HF值之间呈线性关系，则直线的斜率定义为该蛋白质的表面疏水性，用HFS(hydrophobicfactorofsolutes)表示,lnm0=HFHFS,一般形式,lnm=HF(HFS+HFS)+FZ/RT,该式较全面地描述了双水相系统的疏水性和相间电位、蛋白质的疏水性和净电荷数对分配系数的影响，同时也间接地通过盐对蛋白质表面疏水性和相间电位的影响表现了盐对蛋白质分配系数的作用。,双水相系统中目标物分配系数的影响因素,成相高聚物浓度界面张力成相高聚物的相对分子量一般来说，蛋白等高分子量物质易集中于低分子量相电化学分配双水相萃取时，蛋白质的分配系数受离子强度的影响很小疏水反应生物亲和分配温度及其它因素,影响物质分配平衡的因素,影响物质在双水相系统中分配的因素主要有双水相系统的聚合物组成(包括聚合物类型、平均分子量)，盐类(包括离子的类型和浓度、离子强度、pH值)，溶质的物理化学性质(包括分子量、等电点)以及体系的温度等。然而，这些参数并不是独立地起作用。所以要预测溶质在双水相系统间的分配系数是困难的。这些系统复杂性表现在如下的一些例子中：在一相中引入疏水性基团会影响离子的分配和电位，在大分子(亲水聚合物或蛋白质溶质)结构中构象的变化，能使另一些原子暴露在微环境中。这些事实导致只能用实验的方法来确定满足分配要求的操作条件。,1)双水相中聚合物组成的影响,双水相系统作为一种成功的萃取方法，很大程度上取决于使用的聚合物类型，当两种不同聚合物的溶液混合时，可能存在三种情况：a完全混溶性(匀相溶液)；b物理的不相溶性(相分离)；c复杂的凝聚(相分离,聚合物聚集在同一相中，纯溶剂-水,聚集在另一相中)。离子和非离子聚合物都可以使用在双水相系统的构成上，但是，当这两种聚合物是离子化合物并带有相反电荷时，它们互相吸引并发生复杂的凝聚。,2)双水相系统物理化学性质的影响,双水相系统的性质主要取决于下列物理化学参数：密度()和两相间的密度差，黏度()和两相间的黏度差以及表面张力()。,系线长度代表了系统达到平衡时上、下相和总组成的关系，在临界点附近系线的长度趋向于零，上相和下相的组成相同，因此,分配系数应该是1。随着聚合物和成相盐浓度增大，,系线的长度增加,上相和下相相对组成的差别就增大，产物如酶在两相中的界面张力差别也增大，这将会极大地影响分配系数，使酶富集于上相。,3)盐和缓冲液的影响,盐的种类和浓度对分配系数的影响主要反映在对相间电位和蛋白质疏水性的影响。在双聚合物系统中，无机离子具有各自的分配系数，不同电解质的正负离子的分配系数个同，当双水相系统中含有这些电解质时，由于两相均应各自保持电中性，从而产生不同的相间电位，因此，盐的种类(离子组成)影响蛋白质、核酸等生物大分子的分配系数，盐浓度不仅影响蛋白质的表面疏水性，而且扰乱双水相系统，改变各相中成相物质的组成和相体积比。例如，PEG/KPi系统中上、下相(或称轻重相)的PEG和磷酸钾浓度以及Cl离子在上、下相中的分配平衡随添加NaCl浓度的增大而改变。这种相组成即相性质的改变直接影响蛋白质的分配系数。离子强度对不同蛋白质的影响程度不同，利用这一特点，通过调节双水相系统中的盐浓度，可有效地萃取分离不同的蛋白质。,4)温度的影响,温度影响双水相系统的相图，因而影响蛋白质的分配系数。但一般来说，当双水相系统离双节线足够远时，温度的影响很小，1-2度的温度改变不影响目标产物的萃取分离。,大规模双水相萃取操作一般在室温下进行，不需冷却。这是基于以下原因：(1)成相聚合物PEG对蛋白质有稳定作用，常温下蛋白质一般不会发生失活或变性；(2)常温下溶液粘度较低，容易相分离；(3)常温操作节省冷却费用。,双水相系统的应用,双水相萃取自发现以来，无论在理论上还是实践上都有很大的发展。在最近几年中更为突出,在若干生物工艺过程中得到了应用，其中最重要的领域是蛋白质的分离和纯化，其应用举例如表所示。,4.4.3反胶束萃取,表面活性剂在非极性有机溶剂中形成的一种聚集体当表面活性剂浓度超过临界微团浓度时，表面活性剂会在水溶液中形成聚集体微团和反微团,微团：表面活性剂的极性头朝外，疏水的尾部朝内，中间形成非极性的“核”,水,非极性的“核”,极性“头”,非极性“尾”,反微团：表面活性剂的极性头朝内，疏水的尾部向外，中间形成极性的“核”,有机溶剂,极性“头”,极性的“核”,非极性“尾”,反微团的优点,极性“水核”具有较强的溶解能力。生物大分子由于具有较强的极性，可溶解于极性水核中，防止与外界有机溶剂接触，减少变性作用。由于“水核”的尺度效应，可以稳定蛋白质的立体结构，增加其结构的刚性，提高其反应性能。,构成反胶团的表面活性剂种类,阴离子表面活性剂AOT阳