第五章反胶团萃取1

1、1第六章第六章 反胶团萃取与反胶团萃取与双水相萃取双水相萃取26.1 反胶团萃取反胶团萃取 传统的分离方法，如液传统的分离方法，如液-液萃取技术，具有操液萃取技术，具有操作连续、多级分离、放大容易和便于控制等优点，作连续、多级分离、放大容易和便于控制等优点，在化学、化工、石化等领域得到广泛应用。在化学、化工、石化等领域得到广泛应用。 但很难用于具有某些特殊性质的但很难用于具有某些特殊性质的生化产品生化产品(如如蛋白质、氨基酸等蛋白质、氨基酸等)的提取与分离，原因在于这类的提取与分离，原因在于这类物质多数不溶于非极性有机溶剂，或与有机溶剂接物质多数不溶于非极性有机溶剂，或与有机溶剂接触后会引起变

2、性和失活。触后会引起变性和失活。3胶束胶束(micelles): 向向水水中加入表面活性剂，水溶液的表中加入表面活性剂，水溶液的表面张力随面张力随S增大而下降。当增大而下降。当S达到一定值后，达到一定值后，S缔缔合形成水溶性胶束合形成水溶性胶束, 溶液的表面张力不再随表面活性溶液的表面张力不再随表面活性剂浓度的增大而降低。胶团形成均是剂浓度的增大而降低。胶团形成均是S分子自聚集的分子自聚集的结果，是热力学稳定体系。结果，是热力学稳定体系。自组装自组装(self-assembly): 自动有序聚集的过程自动有序聚集的过程临界胶束浓度临界胶束浓度(critical micelle concentr

3、ation,CMC): S在水溶剂中形成胶束的最低浓度在水溶剂中形成胶束的最低浓度。4反胶团萃取反胶团萃取(Reversed micellar extraction)的分离原理的分离原理:表面活性剂在非极性的有机相中超过临界胶团浓度而表面活性剂在非极性的有机相中超过临界胶团浓度而聚集形成反胶团聚集形成反胶团,在有机相内形成分散的亲水微环境。在有机相内形成分散的亲水微环境。 许多生物分子如蛋白质是亲水憎油的许多生物分子如蛋白质是亲水憎油的,一般仅微溶一般仅微溶于有机溶剂于有机溶剂,而且如果使蛋白质直接与有机溶剂相接触而且如果使蛋白质直接与有机溶剂相接触,往往会导致蛋白质的变性失活往往会导致蛋白质

4、的变性失活,因此萃取过程中所用的因此萃取过程中所用的溶剂必须既能溶解蛋白质又能与水分层溶剂必须既能溶解蛋白质又能与水分层,同时不破坏蛋同时不破坏蛋白质的生物活性。反胶团萃取技术正是适应上述需要白质的生物活性。反胶团萃取技术正是适应上述需要而出现的。而出现的。5反胶团形成过程及其特性反胶团形成过程及其特性 从胶体化学可知从胶体化学可知,向水溶液中加入表面活性剂向水溶液中加入表面活性剂,当表当表面活性剂的浓度超过一定值时面活性剂的浓度超过一定值时,就会形成胶体或胶团就会形成胶体或胶团,它是表面活性剂的聚集体。在这种聚集体中它是表面活性剂的聚集体。在这种聚集体中,表面活性表面活性剂的剂的极性头向外极

5、性头向外,即向水溶液即向水溶液,而非极性尾向内。而非极性尾向内。当向当向非极性溶剂中加入表面活性剂时非极性溶剂中加入表面活性剂时,如果表面活性剂的浓如果表面活性剂的浓度超过一定值度超过一定值,也会在溶剂内形成表面活性剂的聚集体也会在溶剂内形成表面活性剂的聚集体,称这种聚集团为称这种聚集团为反胶团。反胶团。在这种聚集体中，表面活性在这种聚集体中，表面活性剂的剂的憎水的非极性尾向外憎水的非极性尾向外,与在水相中所形成的胶团反与在水相中所形成的胶团反向。向。 6 下图为几种可能的表面活性剂聚集体的构下图为几种可能的表面活性剂聚集体的构型。从图中可看出。在反胶团中有一个极型。从图中可看出。在反胶团中有

6、一个极性核心性核心,它包括了表面活性剂的极性头所组它包括了表面活性剂的极性头所组成的内表面、抗衡离子和水成的内表面、抗衡离子和水,被形象地称为被形象地称为“水池水池”。由于极性分子可以溶解在。由于极性分子可以溶解在 “水水池池”中中,也因此可溶解在非极性的溶剂之中。也因此可溶解在非极性的溶剂之中。78 胶团的大小和形状与很多因素有关胶团的大小和形状与很多因素有关,既取决于既取决于表表面活性剂和溶剂的种类和浓度面活性剂和溶剂的种类和浓度,也取决于温度、压也取决于温度、压力、离子强度力、离子强度等因素。等因素。 典型的水相中胶团内的聚集数是典型的水相中胶团内的聚集数是50100,其形其形状可以是状

7、可以是球形、椭球形或是棒状球形、椭球形或是棒状。反胶团直径一般。反胶团直径一般为为520nm,其聚集数通常小于其聚集数通常小于50,通常为球形通常为球形,但在某但在某些情况下些情况下,也可能为椭球形或棒状。也可能为椭球形或棒状。 9 实验中观察到实验中观察到,对于大多数表面活性剂对于大多数表面活性剂,要要形成胶团形成胶团,存在一个临界胶团浓度存在一个临界胶团浓度(CMC),即要即要形成胶团所必需的表面活性剂的最低浓度。低形成胶团所必需的表面活性剂的最低浓度。低于此值则不能形成胶团。这个数值可随温度、于此值则不能形成胶团。这个数值可随温度、压力、溶剂和表面活性剂的化学结构而改变压力、溶剂和表面活

8、性剂的化学结构而改变,一一般为般为0.11.0mmol/L。10l反胶束反胶束(reverse micelles): 若向若向有机溶剂有机溶剂中加入一定中加入一定浓度浓度S，在有机溶剂中就会形成胶束。，在有机溶剂中就会形成胶束。当形成反胶束当形成反胶束时，水在有机相中的溶解随时，水在有机相中的溶解随S线性增大。线性增大。因此，可因此，可通过测定有机相中平衡水浓度的变化，确定形成反通过测定有机相中平衡水浓度的变化，确定形成反胶团的最低表面活性剂浓度。胶团的最低表面活性剂浓度。l反胶束的形态：反胶束的形态：球形或近似球形，也呈柱状。球形或近似球形，也呈柱状。l极性核极性核(polar core):

9、 S分子的自组装形成了极性核。分子的自组装形成了极性核。l微水相或微水相或“水池水池”(water pool)：反胶束内溶解的水。：反胶束内溶解的水。 1112内水池半径内水池半径R R：反胶束的大小与溶剂和：反胶束的大小与溶剂和S S的种类与浓度、的种类与浓度、温度、温度、I I等因素有关，一般为等因素有关，一般为5-20nm5-20nm，R R用下式计算：用下式计算： R = 3WR = 3WO O V VW W /A/AS SW W0 0- -有机相中水与有机相中水与S S的摩尔比，又称为含水率的摩尔比，又称为含水率(water (water content)content)；VW- -

10、水分子体积；水分子体积； AS 每个每个S S分子所占有分子所占有的面积。的面积。13 内水的性质：内水的性质：当当W0较低较低 (如如S = AOT双（2乙基己基）琥珀酸酯磺酸钠 , W0 = 6-8)时时, 微水相的微水相的水分子受水分子受S亲水基团的强烈束缚亲水基团的强烈束缚, 表观粘度上升表观粘度上升50倍倍, 疏水性也极高。随疏水性也极高。随W0的增大的增大, 这些现象逐渐减弱这些现象逐渐减弱, 当当 W016时时, 微水相的水与正常的水接近微水相的水与正常的水接近, 反胶团内可反胶团内可形成双电层。但即使当形成双电层。但即使当W0值很大值很大, 水池内水的理化水池内水的理化性质也不

11、能与正常的水完全相同性质也不能与正常的水完全相同, 特别是在接近特别是在接近S亲亲水头的区域内。水头的区域内。14反胶团萃取过程反胶团萃取过程 用反胶团技术萃取蛋白质时用反胶团技术萃取蛋白质时,用以形成反胶团用以形成反胶团的表面活性剂起着关键作用。现在多数研究者采的表面活性剂起着关键作用。现在多数研究者采用用AOT(阴离子型阴离子型)为表面活性剂。为表面活性剂。AOT是琥珀酸是琥珀酸二二(2-乙基己基乙基己基)酯磺酸钠或丁二酸二异辛酯磺酸酯磺酸钠或丁二酸二异辛酯磺酸钠钠(Aerosol OT)。溶剂则常用异辛烷。溶剂则常用异辛烷 (2,2,4-二甲二甲基戊烷基戊烷)。15 AOT作为反胶团的表

12、面活性剂是由于它具作为反胶团的表面活性剂是由于它具有两个优点有两个优点:一是所形成的反胶团的含水量较一是所形成的反胶团的含水量较大大,非极性溶剂中水浓度与表面活性剂浓度之比非极性溶剂中水浓度与表面活性剂浓度之比可达可达5060;另一点是另一点是AOT形成反胶团时形成反胶团时,不需要不需要助表面活性剂。助表面活性剂。AOT的不足之处是不能萃取分的不足之处是不能萃取分子量较大的蛋白质子量较大的蛋白质,且沾染产品。如何进一步选且沾染产品。如何进一步选择与择与合成性能更为优良的表面活性剂合成性能更为优良的表面活性剂将是今后将是今后应用研究的一个重要方面。应用研究的一个重要方面。16lAOTAOT反胶团

13、直径反胶团直径d dAOTAOT: :l第第1 1项为水核直径，第二项项为水核直径，第二项(2(2* *1.2 nm)1.2 nm)为二倍为二倍AOTAOT分分子长度子长度. . 一般反胶团的一般反胶团的W W0 0不超过不超过40. 40. 因此因此, , 依据上依据上式式, , 利用利用ATOATO形成的水核直径一般不超过形成的水核直径一般不超过12nm, 12nm, 大致大致可容纳一个直径为可容纳一个直径为5-10nm5-10nm的的propro分子分子. . 当当propro分子比分子比与反胶团直径相比大得多时与反胶团直径相比大得多时( (如如, ,当当M 100-200kD),M 1

14、00-200kD),难于溶解到反胶团中难于溶解到反胶团中. .1718微水池溶解和分离作用：微水池溶解和分离作用： 反胶团的微水池的水反胶团的微水池的水可溶解可溶解氨基酸、肽和蛋白氨基酸、肽和蛋白质质等生物分子等生物分子, 为生物分为生物分子提供易于生存的亲水微子提供易于生存的亲水微环境环境. 因此因此,反胶团萃取可反胶团萃取可用于氨基酸、肽和蛋白质用于氨基酸、肽和蛋白质等生物分子的分离纯化，等生物分子的分离纯化，特别是蛋白质类生物大分特别是蛋白质类生物大分子。子。19 因为弹性光散射等许多实验研究均间接地因为弹性光散射等许多实验研究均间接地证明了水壳模型的正确性。由图可知证明了水壳模型的正确

15、性。由图可知,在水壳模在水壳模型中型中,蛋白质居于蛋白质居于“水池水池”的中心的中心,而此水壳层而此水壳层则保护了蛋白质则保护了蛋白质,使它的生物活性不会改变。使它的生物活性不会改变。生物分子溶解于反胶团相的主要推动力是表面活生物分子溶解于反胶团相的主要推动力是表面活性剂与蛋白质的静电相互作用。性剂与蛋白质的静电相互作用。反胶团与生物反胶团与生物分子间的空间阻碍作用和疏水性相互作用对生分子间的空间阻碍作用和疏水性相互作用对生物分子的溶解度也有重要影响。物分子的溶解度也有重要影响。20蛋白质溶解模型：蛋白质溶解模型：a、水壳模型：水壳模型：蛋白质位于水池的中心，周围存蛋白质位于水池的中心，周围存

16、在的水层将其与反胶团壁隔开；在的水层将其与反胶团壁隔开；b、半岛模型半岛模型：pro表面存在强烈疏水区，该区直表面存在强烈疏水区，该区直接与有机相接触；接与有机相接触；c、pro吸附于反胶团内壁；吸附于反胶团内壁；d、pro疏水区与几个反胶团的疏水区与几个反胶团的S疏水尾发生相互疏水尾发生相互作用，作用，被几个小反胶团所被几个小反胶团所“溶解溶解”。21A 萃取的基本方法萃取的基本方法. 22C 分级萃取分级萃取反萃取反萃取231) pH valueAOT = 二二-(2-乙基已乙基已基基)琥珀酸酯磺酸琥珀酸酯磺酸钠钠。24静电作用：静电作用：理论上理论上, ,当溶质所带电荷与表面活性剂相反时

17、当溶质所带电荷与表面活性剂相反时, ,由于由于静电引力的作用静电引力的作用, ,溶质易溶于反胶团溶质易溶于反胶团, ,溶解率或分配溶解率或分配系数较大系数较大, ,反之反之, ,则不能溶解到反胶团相中。则不能溶解到反胶团相中。 上图为上图为pHpH值对不同蛋白质的溶解率急剧变化值对不同蛋白质的溶解率急剧变化, ,当当pHpH小于等电点（小于等电点（pIpI）, ,即在带正电荷的即在带正电荷的pHpH范围内蛋白范围内蛋白质的溶解率接近质的溶解率接近100%,100%,说明静电相互作用对蛋白质的说明静电相互作用对蛋白质的反胶团萃取起决定性作用。反胶团萃取起决定性作用。25等电点：在某一等电点：在某

18、一PH的溶液中，氨基酸或蛋白质的溶液中，氨基酸或蛋白质解离成阳离子和阴离子的趋势或程度相等，成为解离成阳离子和阴离子的趋势或程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的兼性离子，呈电中性，此时溶液的pH成为该氨成为该氨基酸或蛋白质的等电点。基酸或蛋白质的等电点。 262)盐（离子）浓度盐（离子）浓度盐浓度W0S&Pro Z选择性27 离子强度增大时，反胶团内表面的双电层变薄，减离子强度增大时，反胶团内表面的双电层变薄，减弱了蛋白质和反胶团内表面间的静电引力；弱了蛋白质和反胶团内表面间的静电引力；反胶团内表面的双电层变薄后，也减弱了表面活性剂反胶团内表面的双电层变薄后，也减弱了表面活性剂

19、极性基团间的斥力，使反胶团变小，从而使蛋白质不极性基团间的斥力，使反胶团变小，从而使蛋白质不能进入其中；能进入其中；离子强度增大时，增大了离子向反胶团内离子强度增大时，增大了离子向反胶团内“水池水池”迁迁移并取代其中蛋白质的倾向，从而蛋白质盐析；移并取代其中蛋白质的倾向，从而蛋白质盐析； 盐与蛋白质或表面活性剂相互作用，可以改变溶解盐与蛋白质或表面活性剂相互作用，可以改变溶解性能。性能。28空间相互作用空间相互作用 盐浓度增大对反胶团相产生脱水效应盐浓度增大对反胶团相产生脱水效应, , 含水率含水率W W0 0随盐浓度的增大而降低随盐浓度的增大而降低, ,反胶团直径减小反胶团直径减小, , 空

20、间排阻空间排阻作用增大作用增大, pro, pro溶解下降。溶解下降。 如，如，AOT/AOT/异辛烷系统的含水率与异辛烷系统的含水率与I I-0.5-0.5成正比。成正比。图中图中W W0 0与与NaClNaCl浓度关系为浓度关系为: : 图还表示：图还表示：AOT/AOT/异辛烷系统的含水率与异辛烷系统的含水率与AOTAOT浓浓度无关度无关, ,这是多数反胶团系统的共性这是多数反胶团系统的共性. .293) 盐离子的种类盐离子的种类极性基团的电离程度愈大，极性基团的电离程度愈大，反胶团内表面的电荷密度愈反胶团内表面的电荷密度愈大，产生的反胶团愈大。大，产生的反胶团愈大。304) 蛋白质分子

21、量蛋白质分子量M分配系数分配系数m(or K):y 萃取相浓度萃取相浓度x 萃余相浓度萃余相浓度31 反胶团萃取实验研究表明反胶团萃取实验研究表明: : 随着随着M M增大增大, pro, pro的分配系数的分配系数(m, (m, 溶解率溶解率) )下降。当下降。当M 20KDM 20KD时时, m, m很小很小. . 表明随表明随M M增大增大, , 空间排阻作用增大空间排阻作用增大, pro, pro的的溶解率降低。结果还表明溶解率降低。结果还表明, , 要据要据propro间间M M的差别可的差别可以选择性对以选择性对propro进行萃取分离。进行萃取分离。Nernst 分配定律分配定律

22、（1891）：在一定温度下，当某）：在一定温度下，当某一溶质在两种互不相溶的溶剂中分配达到平衡时，一溶质在两种互不相溶的溶剂中分配达到平衡时，则该溶质在两相中的浓度之比为一常数，称为分则该溶质在两相中的浓度之比为一常数，称为分配系数。配系数。325) 表面活性剂表面活性剂SA 种类种类B S应选萃取率最大时的应选萃取率最大时的最佳浓度。最佳浓度。336）疏水性相互作用）疏水性相互作用 propro的疏水性各不相同的疏水性各不相同, , 研究表明研究表明, ,除除pHpH和和I I外外, , propro或肽的或肽的m m随随propro疏水性的增大而增大。蛋白质疏水性的增大而增大。蛋白质的疏水

23、性影响其在反胶团中的溶解形式的疏水性影响其在反胶团中的溶解形式, ,因而影因而影响其分配系数。疏水性较大的响其分配系数。疏水性较大的propro可能以可能以“半岛半岛式式”形式溶解。形式溶解。347) 助表面活性剂助表面活性剂35361) 蛋白质分离蛋白质分离372) 胞内酶的提取胞内酶的提取3) 蛋白质复性蛋白质复性( protein refolding )38 反胶团萃取可采用各种传统的液液萃取中普反胶团萃取可采用各种传统的液液萃取中普遍使用的微分萃取设备遍使用的微分萃取设备(如喷淋塔如喷淋塔)和混合和混合/澄清型澄清型萃取设备。需要指出的是萃取设备。需要指出的是,反胶团萃取技术仍处反胶团

24、萃取技术仍处于起步阶段于起步阶段,尚未得到大规模工业应用。在此只尚未得到大规模工业应用。在此只能就一些研究结果加以介绍。能就一些研究结果加以介绍。 39 利用中空纤维膜组件可以进行生物分子的反胶团萃利用中空纤维膜组件可以进行生物分子的反胶团萃取。中空纤维膜材料多为聚丙烯等疏水材料取。中空纤维膜材料多为聚丙烯等疏水材料,孔径在微孔径在微米级米级,以保证生物分子和含有生物分子的反胶团的较大以保证生物分子和含有生物分子的反胶团的较大通量。反胶团膜萃取技术的优点是通量。反胶团膜萃取技术的优点是: 水相和有机相分别通过膜组件的壳程和管程流水相和有机相分别通过膜组件的壳程和管程流动动,从而保证两相有很高的

25、接触比表面积从而保证两相有很高的接触比表面积; 膜起相分离器和相接触器的作用膜起相分离器和相接触器的作用,从而在连续操从而在连续操作的条件下可防止液泛等发生作的条件下可防止液泛等发生; 提高萃取速度及规模放大容易。提高萃取速度及规模放大容易。40 大量的研究工作已经证明了反胶团萃取法提大量的研究工作已经证明了反胶团萃取法提取蛋白质的可行性与优越性。不管是自然细胞还取蛋白质的可行性与优越性。不管是自然细胞还是基因工程细胞中的产物都能被分离出来是基因工程细胞中的产物都能被分离出来;不仅发不仅发酵滤液和浓缩物可通过反胶团萃取进行处理酵滤液和浓缩物可通过反胶团萃取进行处理,就是就是发酵清液也可同样进行

26、加工。不仅是蛋白质和酶发酵清液也可同样进行加工。不仅是蛋白质和酶都能被提取都能被提取,还有核酸、氨基酸和多肽也可顺利地还有核酸、氨基酸和多肽也可顺利地溶于反胶团。然而反胶团萃取在真正实用之前还溶于反胶团。然而反胶团萃取在真正实用之前还有许多有待于研究和解决的问题有许多有待于研究和解决的问题,例如例如表面活性剂表面活性剂对产品的沾染、工业规模所需的基础数据对产品的沾染、工业规模所需的基础数据;反胶团反胶团萃取过程的模拟和放大技术等。萃取过程的模拟和放大技术等。41l尽管如此尽管如此,用反胶团萃取法大规模提取蛋用反胶团萃取法大规模提取蛋白质由于具有成本低、溶剂可循环使用、白质由于具有成本低、溶剂可

27、循环使用、萃取和反萃取率都很高等优点萃取和反萃取率都很高等优点,正越来越正越来越多地为各国科技界和工业界所研究和开多地为各国科技界和工业界所研究和开发。发。42l6.2.1 概述概述l(1) 发展历史发展历史l 始于始于20 世纪世纪60年代年代,从从1956 年瑞典伦德大学年瑞典伦德大学Albertsson 发现双水相体系发现双水相体系l 1979 年德国年德国GBF 的的Kula 等人将双水相萃取分离技术等人将双水相萃取分离技术应用于生物产品分离应用于生物产品分离 l国内自国内自20世纪世纪80 年代起也开展了双水相萃取技术研究。年代起也开展了双水相萃取技术研究。6.2 双水相萃取双水相萃

28、取43 这项技术在动力学研究、双水相亲和分离、多这项技术在动力学研究、双水相亲和分离、多级逆流层析、反应分离耦合等方面都取得了一定级逆流层析、反应分离耦合等方面都取得了一定的进展。到目前为止，双水相技术几乎在所有的的进展。到目前为止，双水相技术几乎在所有的生物物质如生物物质如氨基酸、多肽、核酸、细胞器、细胞氨基酸、多肽、核酸、细胞器、细胞膜、各类细胞、病毒等的分离纯化中得到应用膜、各类细胞、病毒等的分离纯化中得到应用,特特别是成功地应用在蛋白质的大规模分离中。别是成功地应用在蛋白质的大规模分离中。双水相萃取双水相萃取(Aqueous two-phase extraction)是利用物是利用物质

29、在互不相溶的两个水相之间分配系数的差异实现分质在互不相溶的两个水相之间分配系数的差异实现分离的方法。离的方法。4445(2) 双水相的形成双水相的形成l 将两种不同的水溶性聚合物的水溶液混合时，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，体系会自然的分成互当聚合物浓度达到一定值，体系会自然的分成互不相溶的两相，这就是双水相体系。不相溶的两相，这就是双水相体系。l 46l形成原因：由于高聚物之间的不相溶性，即形成原因：由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子高聚物分子的空间阻碍作用，的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从相互无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，

30、在一定条件下即可分为二相。一般认而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。一般认为只要两聚合物水溶液的为只要两聚合物水溶液的憎水程度有差异，憎水程度有差异，混合时就可混合时就可发生相分离，且憎水程度相差越大，相分离的倾向也就发生相分离，且憎水程度相差越大，相分离的倾向也就大。大。47l亲水性的聚合物溶液亲水性的聚合物溶液l熵增熵增(与分子数有关与分子数有关)混合混合自发自发l分子间作用力分子间作用力-随着随着Mr的增加的增加,而增大而增大l聚合物的不相容性聚合物的不相容性-含有聚合物分子的溶液含有聚合物分子的溶液发生分相的现象发生分相的现象l相图相图:相平衡时物系的组成相平衡时物系的组成, 温

31、度与压力的关系温度与压力的关系48双水相系统双水相系统(aqueous two-phase system, ATPS) PEG = 聚乙二醇(polyethylene glycol)Kpi = 磷酸钾DX = 葡聚糖(dextran)49l(3) 常用的双水相体系常用的双水相体系l 高聚物高聚物/高聚物体系：高聚物体系：聚乙二醇聚乙二醇(简称简称PEG) / 葡葡聚糖聚糖(简称简称Dextran) 和和PEG/ Dextran l 高聚物高聚物/无机盐体系：无机盐体系：硫酸盐体系。常见的高聚硫酸盐体系。常见的高聚物物/ 无机盐体系为无机盐体系为: PEG/ 硫酸盐或磷酸盐体系。硫酸盐或磷酸盐体

32、系。50 一般认为一般认为, 只要两种聚合物水溶液的水溶性有所只要两种聚合物水溶液的水溶性有所差异差异,混合时就可发生相分离混合时就可发生相分离,并且水溶性差别越大并且水溶性差别越大,相相分 离 倾 向 也 就 越 大 。 聚 乙 二 醇分 离 倾 向 也 就 越 大 。 聚 乙 二 醇 (PEG)/葡 聚 糖葡 聚 糖(Dextran,DEX),聚乙二醇聚乙二醇/聚乙烯醇聚乙烯醇,聚乙烯醇聚乙烯醇/甲基纤甲基纤维素维素,聚丙二醇聚丙二醇/葡聚糖，聚丙二醇葡聚糖，聚丙二醇/甲氧基聚乙二醇等甲氧基聚乙二醇等均为双聚合物的双水相系统。均为双聚合物的双水相系统。51最为常用的聚合物最为常用的聚合物-

33、低相对分子量化合物体系为低相对分子量化合物体系为PEG/磷酸钾、磷酸钾、PEG/磷酸铵、磷酸铵、PEG/硫酸钠、硫酸钠、PEG/葡萄糖等。上相富含葡萄糖等。上相富含PEG,下相富含无机盐下相富含无机盐或葡萄糖。或葡萄糖。 与一般的水一有机溶剂体系相比较与一般的水一有机溶剂体系相比较,双水相双水相体系中两相的性质差别体系中两相的性质差别(如密度和折射率等如密度和折射率等)较小。较小。由于折射率的差别甚小由于折射率的差别甚小,有时甚至都难于发现它有时甚至都难于发现它们的相界面。两相间的界面张力也很小们的相界面。两相间的界面张力也很小,仅为仅为10-510-4N/m(一般体系为一般体系为10-321

34、0-2N/m)。52l(4) 双水相相平衡关系双水相相平衡关系53双节线双节线(bi-nodal)：图中的曲线。双节线以下图中的曲线。双节线以下的区域为均相区的区域为均相区,以上的区以上的区域为两相区，即域为两相区，即ATPS 。 系线系线(tie line)：双节线上连两点的直线。双节线上连两点的直线。54系线反映的信息系线反映的信息A 杠杆规则：杠杆规则：系线上各点均为分成组成相同，而体积系线上各点均为分成组成相同，而体积不同的两相。两相体积近似服从杠杆规则不同的两相。两相体积近似服从杠杆规则B 性质差异性质差异：系线的长度是衡量两相间相对差别的尺系线的长度是衡量两相间相对差别的尺度度,系

35、线越长系线越长,两相间的性质差别越大；反之则越小两相间的性质差别越大；反之则越小.C 临界点临界点(critical point)：当系线长度趋于零时当系线长度趋于零时, 两相差两相差别消失别消失,任何溶质在两相中的分配系数均为任何溶质在两相中的分配系数均为1。如。如K点。点。55l(5) 影响物质分配平衡的因素影响物质分配平衡的因素l 1）聚合物及其分子量的影响）聚合物及其分子量的影响l 不同聚合物的水相系统显示出不同的疏水性，不同聚合物的水相系统显示出不同的疏水性，水溶液中聚合物的疏水性按下列次序递增水溶液中聚合物的疏水性按下列次序递增:l 葡萄糖硫酸盐葡萄糖硫酸盐 甲基葡萄糖甲基葡萄糖

36、葡萄糖葡萄糖 羟丙基葡羟丙基葡聚糖聚糖 甲基纤维素甲基纤维素 聚乙烯醇聚乙烯醇 聚乙二醇聚乙二醇FeFe3+3+HH+ +CaCa2+2+MgMg2+2+KK+ +NaNa+ +LiLi+ +常用电解质：常用电解质：AlAl2 2(SO(SO4 4) )3 318H18H2 2O O、AlClAlCl3 36H6H2 2O O、FeClFeCl3 3、ZnSOZnSO4 4、MgSOMgSO4 492定义：定义： 是指在某些高是指在某些高分子絮凝剂存在下，分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使基于架桥作用，使细胞聚集形成粗大细胞聚集形成粗大的絮凝团的过程。的絮凝团的过程。93常用絮凝剂常用絮凝剂：

37、人工高分子聚合物：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯，聚乙稀人工高分子聚合物：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯，聚乙稀亚胺的衍生物亚胺的衍生物无机高分子聚合物：聚合铝盐、聚合铁盐无机高分子聚合物：聚合铝盐、聚合铁盐天然有机高分子絮凝剂：壳聚糖、葡聚糖、明胶、骨天然有机高分子絮凝剂：壳聚糖、葡聚糖、明胶、骨胶胶微生物絮凝剂：糖蛋白，粘多糖，纤维素，核酸微生物絮凝剂：糖蛋白，粘多糖，纤维素，核酸94聚丙烯酰胺絮凝剂聚丙烯酰胺絮凝剂95絮凝剂的加量絮凝剂的加量絮凝剂的分子量絮凝剂的分子量溶液的溶液的pHpH搅拌速度搅拌速度搅拌时间搅拌时间96 杂蛋白的其他去除方法杂蛋白的其他去除方法1 1）变性沉淀）变性沉淀热变性：适于热稳

38、定物质热变性：适于热稳定物质大幅度调整大幅度调整pHpH：根据产物特性反向调节，：根据产物特性反向调节，加有机溶剂，等电点沉淀加有机溶剂，等电点沉淀972 2）化合法沉淀）化合法沉淀 在酸性溶液中，蛋白质与阴离子形在酸性溶液中，蛋白质与阴离子形成沉淀，如：三氯乙酸，水杨酸盐，钨成沉淀，如：三氯乙酸，水杨酸盐，钨酸盐，苦味酸盐，鞣酸盐，过氯酸盐等酸盐，苦味酸盐，鞣酸盐，过氯酸盐等 在碱性溶液中，与阳离子形成沉淀，在碱性溶液中，与阳离子形成沉淀，如：如：AgAg+ +，CuCu2+2+，ZnZn2+2+，FeFe3+3+，PbPb2+2+等等98GaGa2+2+：加入草酸和草酸盐，生成草酸钙；加入

39、磷：加入草酸和草酸盐，生成草酸钙；加入磷酸盐，生成磷酸钙酸盐，生成磷酸钙MgMg2+2+：加入草酸；加入磷酸盐，生成磷酸镁；三：加入草酸；加入磷酸盐，生成磷酸镁；三聚磷酸钠（聚磷酸钠（NaNa5 5P P3 3O O1010），生成可溶性络合物），生成可溶性络合物FeFe3+3+：加入黄血盐，生成普鲁士兰沉淀：加入黄血盐，生成普鲁士兰沉淀99l基本概念及分类基本概念及分类l概念概念：萃取是利用溶质在互不混溶的两相之间：萃取是利用溶质在互不混溶的两相之间分配分配系数系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的技术。的不同而使溶质得到纯化或浓缩的技术。l分类分类：液液-固萃取固萃取液液-液萃取液萃取化学萃取

40、化学萃取物理萃取物理萃取双水相萃取双水相萃取超临界萃取超临界萃取萃取原理萃取原理参与溶质参与溶质分配的两分配的两相不同相不同萃取小结萃取小结100概念概念：用某种溶剂把有用物质从固体原料中提：用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程称为固取到溶液中的过程称为固- -液萃取，也称液萃取，也称浸取浸取或浸出或浸出。应用：应用：v用用温水从甜菜中提取糖，温水从甜菜中提取糖，v用有机溶剂从大豆、花生等油料作物中提取食用油，用有机溶剂从大豆、花生等油料作物中提取食用油，v用水或有机溶剂从植物中提取药物、香料或色素等。用水或有机溶剂从植物中提取药物、香料或色素等。液液-固萃取固萃取101用溶剂从

41、溶液中抽提物质叫用溶剂从溶液中抽提物质叫液液- -液萃取液萃取，也称，也称溶溶剂萃取剂萃取。经典的液。经典的液- -液萃取指的是有机溶剂萃取液萃取指的是有机溶剂萃取液液-液萃取液萃取有机溶剂萃取法广泛应用于抗生素、有机酸、维有机溶剂萃取法广泛应用于抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物工业规模的提取上。生素、激素等发酵产物工业规模的提取上。应用应用比化学沉淀法分离程度高；比化学沉淀法分离程度高；比离子交换法选择性好、传质快；比离子交换法选择性好、传质快；比蒸馏法能耗低；比蒸馏法能耗低；生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动化控制生产能力大、周期短、便于连续操作、易实现自动化控制优点优点1

42、02溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型分离技术：了一系列新型分离技术：q超临界流体萃取超临界流体萃取（Supercritical fluid extraction）q反胶团萃取反胶团萃取（Reversed micelle extraction）q双水相萃取技术双水相萃取技术（Partition of two aqueous phase system ）等。等。用于高品质的天然物质、胞内物质（胞内酶、用于高品质的天然物质、胞内物质（胞内酶、蛋白质、多肽、核酸等）的分离提取上。蛋白质、多肽、核酸等）的分离提取上。液液-液萃取液萃取103l物

43、理萃取物理萃取 溶质根据相似相溶的原理在两相间达到溶质根据相似相溶的原理在两相间达到分配平衡而进行萃取的分离过程。分配平衡而进行萃取的分离过程。l化学萃取化学萃取 利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相分配的反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相分配的过程。过程。萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和络合反应等。化学萃取中通常用煤油、己烷、四和络合反应等。化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，此时的

44、有机溶剂称为稀释剂物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂 diluent 。104l 萃取过程具有选择性萃取过程具有选择性l 能与其他纯化步骤相配合能与其他纯化步骤相配合l 通过转移到不同物理或化学特性的第二相中通过转移到不同物理或化学特性的第二相中 l 减少由于降解引起的产品损失减少由于降解引起的产品损失l 可从潜伏的降解过程中分离产物可从潜伏的降解过程中分离产物l 适用于各种不同的规模适用于各种不同的规模l 传质速度快，生产周期短，便于连续操作传质速度快，生产周期短，便于连续操作 105l 生物系统的错综复杂和多组分特性生物系统的错综复杂和多组分特性l 产物的不稳定性产物的不稳定性l 传质速率传质速率l 相分离性能相分离性能106分离依据分离依据 分离方法分离方法 分离原理或特点分离原理或特点 二相萃取法二相萃取法 逆流分溶法（逆流分溶法（CCDCCD） 液滴逆流色谱法（液滴逆流色谱法（DCCCDCCC） 高速逆流色谱法（高速逆流