双水相萃取研究论文

1、双水相萃取技术姓名：小行星学号：20128888专业：化工工艺摘要：双水相萃取是一种新型的萃取分离技术，本文介绍了双水相体系的形成 及特点，重点介绍了双水相萃取技术的应用和双水相萃取的主要设备， 对双水相萃取技术应用前景及展望关键字：双水相萃取分离技术应用展望1、引言溶剂萃取法是分离技术中最重要的方法之一。传统的溶剂萃取分离是依据 被分离物质在两个互不相溶液相中的溶解性不同而达到分离目的。一般的萃取体 系包括有机相和水相两部分,迄今为止，已有若干种分类方法。随着近年来分离技 术在生命科学、天然药物提纯及各类抗生素药物等方面应用的迅速发展，新型的 萃取技术应运而生。例如对于生物物质来说,分离的对

2、象复杂，既包括可溶物,如 蛋白质和核酸,也包括悬浮的小颗粒,如细胞器和整个细胞；由于生物物质极易变 性和失活,传统的有机相和水相的两相萃取不能解决生物物质失活等问题，给分 离带来很大的难度，而双水相萃取技术能够很好的解决这一难题。双水相萃取(Aqueoustwo-phase extraction, ATPE)1是两种水溶性不同的 聚合物或者一种聚合物和无机盐的混合溶液，在一定的浓度下，体系就会自然分 成互不相容的两相，被分离物质进入双水相体系后由于表面性质、电荷间作用和 各种作用力(如憎水键、氢键和离子键)等因素的影响,在两相间的分配系数K不 同，导致其在上下相的浓度不同，达到分离目的，这种现

3、象在 1896年被B eijerinck首次发现，随后双水相萃取技术作为一种新型的分离技术日益受到重 视，与传统的萃取及其他分离技术相比具有操作条件温和、处理量大、易于连续 操作等优点，随着生物、医药等行业的蓬勃发展，从而使双水相萃取技术能越来 越广泛应用于生物工程、药物分析和金属分离等方面。简而言之，双水相萃取是利用溶质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。双水相萃取与水-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，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

4、的浓度不同。随着双水相体系的种类不同，其形成原理也不同， 表1例举了几种双水相体系的形成及其形成原理。对于某一物质，只要选择合 适的双水相体系，控制一定的条件,就可以得到合适的分配系数,从而达到分离纯 化之目的。表1双水相体系的分类以及成相原理双水相体.系的种类成相基本原理高聚物欠高鬃物 空间上产生的空间阻隔效附高聚物，无机盐盐析作用低分子有机物/无机盐 盐相、有机相与水分子缔合竞争表面活性剂双水和增胶束平衡共存的结果双水相萃取中使用的双水相是由两种互不相溶的高分子溶液或者互不相溶 的盐溶液和高分子溶液组成。最常见的就是聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dextran)和 PEG/无机盐(硫酸盐、磷

5、酸盐等)体系，其次是聚合物/低分子量组分、离子液体体 系和高分子电解质/高分子表面活性剂体系。此外,还有被称为智能聚合物的双水 相体系等，表2例举了几种常见的双水相体系。表2常见的双水相系统类型上相的蛆公相的纲分览再，酹甲.基索西，醉，聚乙一酹.聚乙怖醉，聚乙稀此睛烷闹.羟丙基葡展帮北桶,型鼠公物 年肉型型普刈聚产酒聚乙端醇.肇乙症Pit喈烷8L葡聚糖、糜版.乙些若乙基纤处素笥聚糖甲基纤雌素荀能糖.柱内基葡索相聚丙二与烧酸髀非宙子型聚合物泣机蚣聚产.静帝酸佳、繇酰伸，碗的留、就酸的、甲解的，酒石酸甲钠高分了七懒质扃分子电标质碗梗笛聚触晌盐按甲基鼾能素钠盐一中生葡稿等钠盐俄甲魇纤笨素钠盐笆聚施内

6、障昨想广型聚普物服力最纲分聚内蹄心.屋假酸恸出羽循氧/聚乙一醉选酸惮近年来,出现了一些新型、高效、廉价的双水相体系，如用低分子有机物与无 机盐所形成的双水相体系来分离提取中药材中的有效成分这种双水相体系的引 入，可以节约能耗、降低成本、简化操作流程!提高产品收率，为大规模工业化的 实现提供了可能。在实际应用中，双水相体系中的水溶性高聚物具有难挥发性，反萃取是必不 可少的，同时由于盐会进入反萃取剂也会给分离工作带来一定的难度。3、双水相萃取的应用3.1 双水相萃取与生命科学通常,溶剂萃取分离时，由于使用了有机溶剂会使生物大分子(如蛋白质和酶) 失活。从20世纪90年代初期,人们致力于应用ATPE

7、技术分离提取蛋白质，避免 蛋白质的变性。目前，已成功应用于蛋白质、生物酶、菌体、细胞、细胞器、亲 水性生物大分子、氨基酸、抗生素以及生物小分子等的分离、纯化。特别是近年 来，国内外在此方面的研究有很大的进展。例如Menica等5利用聚乙二醇(PEG) /磷酸盐双水相体系提取天然发酵物中的碱性木聚糖酶，确定最佳体系是 22%PEG6000, 10%K2HP04和12%NaCl活性酶的产率可达98%。除此以外，在近几年 的报道中双水相萃取已用于多种蛋白质和生物酶的分离,如牛血清蛋白(BSA)、牛 酪蛋白、B-乳球蛋白、血清蛋白;A-淀粉酶和蛋白酶、胆固醇氧化酶、脂肪酶、 磷酸甘油酸激酶(PGK)和

8、磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)、葡糖淀粉酶、L-天门冬酰胺 酶等都在双水相体系中得到较好的分离。B-内酰胺类包括青霉素和头抱菌素,是 应用广泛的抗生素药物;大环内酯类抗生素如:红霉素和乙酰螺旋霉素都利用ATPE技术得到了较好的收率;在多肽类抗生素中，用双水相体系对万古霉素的提 取也得到了满意的结果。3.2 双水相萃取与天然药物中药中含有大量的有机化合物且成分十分复杂，提高中草药中有效成分提 取及分离技术对我国中医中药进入国际市场有很大的促进作用。天然活性成分的 分离提取和质量控制将是今后重点研究课题,这类具有独特功能和生物活性的化 合物，是疾病预防与治疗的基础物质。主要包括:黄酮、多酚、萜类等

9、。目前,活 性成分的提取分离技术还有待发展,双水相萃取技术作为一种新型的萃取技术已 经成功的应用于天然产物的分离纯化。近几年有关双水相提取天然药物中有效成 分的报道也逐年增多。甘草的主要成分甘草皂甙,又称甘草酸,采用乙醇/磷酸氢 二钾双水相体系萃取,分配系数达到12.8,回收率可达98. 3%。选用PEG/磷酸盐 体系在一定温度、pH条件下萃取银杏浸取液,主要药用成分黄酮类化合物进入上 相,达到分离的目的,最佳条件在25e,PEG的分子量在1500左右,一般采用较高的 相比可以提高萃取率，但是过高会引起上相的体积增多，最佳萃取率可达98. 2%。 黄苓甙和谷胱甘肽也分别在环氧乙烷和环氧丙烷的无

10、规则共聚物(EOPO) /混合 磷酸钾(KHP)体系，以及环氧乙烷和环氧丙烷的无规则共聚物(EOPO)/羟丙基淀粉 (PES)所组成的双水相体系中得到较好的分离,萃取率分别是75.8%和80%以上。天然产物有效成分含量低,难于富集，体系复杂,大分子与小分子、生命与非 生命物质共存,特别是存在结构异构体等都使分离提纯工作的难度加大。ATPE技 术在天然产物的分离和纯化等方面还有待进一步研究。3.3 双水相萃取与重金属传统的溶剂萃取分离重金属常常存在溶剂污染环境、对人体有害、工艺复 杂等缺点。双水相以其高效、快速、无毒、简单以及无需反萃取等优点,而被用 于分离富集重金属元素。例如6-5(W)与Zr

11、(W)可以在聚乙二醇PEG2000-硫酸 铵-偶氮胂(III)中分离;另外，乙醇-氯化钠-水双水相体系在氢澳酸介质中，可从 碱金属中定量萃取金(III),萃取率达99.1%;Co(II)、Ni(II)、Mo(W)等金属离子 也在聚乙二醇PEG2000-硫酸钠-硫氰酸钾的双水相体系中得到分离。4、双水相萃取的主要设备双水相萃取的基本过程包括双水相的形成、溶质在双水相中的分配（混合） 和双水相的分离，主要设备包括相混合设备和相分离设备。4.1 相混合设备在将双水相萃取进行工业应用时，需要考虑达到平衡所需的时间、相分离的 速度及设备和萃取流程的设计等。如前所述，双水相体系的表面张力很低。例如， 对聚

12、乙二醇/盐体系，表面张力为0. 11mN/cm,而对聚乙二醇/葡聚糖体 系，则小到0. 00010. 01mN/cm。因此，搅拌时很容易分散成微滴，几秒钟 即可达到萃取平衡，且能耗也很少。张力小还能使蛋白质一类的生物活性物质的 失活减少，提高收率。静态混合器是常用的混合器之一，静态混合器与传统混合设备如搅拌器、均 质管、和文氏管等相比具有结构简单，成本低、体积小，利于连续操作等优点广 泛应用于化学反应、传热、乳化及萃取等方面9,1叽静态混合器的工作原理，就是让流体在管线中流动冲击各种类型板元件，增 加流体截面的速度梯度或形成湍流。层流时流体产生“切割-扭曲-分离-混 合”运动。湍流时，流体除上

13、述情况运动外，还会在断面方向产生剧烈的涡流， 产生强烈的剪切力作用于流体，使流体进一步分割混合，最终达到混合的目的11。 图1给出了静态混合器的混合过程。lurlaulBn-L-inertial regimeF-ll H-HIIILJIaIkJI IHl I u图1静态混合器混合过程国外现有静态混合器主要有美国的Kenics,瑞士苏尔士 （Sulzer）的SMX、 SMV、SMXL（与SMX型的主要区别是内部十字交叉元件的间隙加深）和SML 等，日本东丽的Hi。国内将静态混合器主要分为5种类型12,即SV型、SL型、SK型、SX型 和SH型，主要区别在于V、X、L、H、K表示的单元结构不同，近

14、年来出现SD、 SY型静态混合器。4.2 相分离设备达到分配平衡的两相进行分离时，可采用重力沉降法(静置分层)或离心沉降 法。混合-澄清器也可以用于双水相萃取，但由于它是借助重力实现相分离的， 分离能力低，只能用于高聚物一盐体系。但对有的双水相体系的两相密度差小， 黏度较大，所以实现其相分离是比较困难的。如例如对聚乙二醇/盐体系，密度 差通常为0.040.10kg/m3,而对聚乙二醇/葡聚糖体系，则为0.020.07kg/m3。 上相乙二醇相一般为连续相，黏度为315mPaS而带细胞碎片的下相，葡聚 糖的黏度可达几千毫帕秒(mPas)。由于两相密度差太小，仅依靠重力进行相分离 将非常慢。这时可

15、利用离心力，采用离心机相分离的效果非常好，处理能力可以 很大，且适合于任何双水相体系13。离心萃取器则不同，它是借助离心沉降，因此可以用于任何双水相体系，并 易于实现连续化操作。常用的离心沉降设备有管式离心机和碟片式离心机，其中 碟片式离心机使用最多。图5-18表示的是流体在碟片式离心机中的流动方向。离心机按操作性质分为三足式、碟片式与管式离心机常用的离心沉降设备有管式离心机和碟片式离心机。1下面介绍管式和碟片式两种离心机的工作原理。加图4管式离心机结构1.进料管2.下轴承装置3.转鼓4.机壳5.重相液出口 6.轻相液出口 7.转鼓轴颈8.上轴 承装置9.上轴承装置10.电动机11.分离头分离

16、原理：转鼓正常运转后，被分离物料自进料管进入转鼓下部，在强大离 心力的作用下将两种液体分离。重相液经分离头孔道喷出，进入重相液收集器， 从排液管排出；轻相液经分离头中心部位轻相液口喷出，进入轻相液收集器从排 出管排出。轻、重液相在转鼓内的分界面位置，可通过改变孔径大小进行调整14。管式离心机的转鼓直径最小，用增大转鼓长度增大容积，以提高生产能力。 因此，分离因数可达1500065000,是所有沉降离心机中分离因数最高的，分 离效果最好。适用于固体颗粒直径0.01100Ppm，固相浓度在1%以下，固液 相密度差大于10kg/m3的乳浊液和悬浮液的分离，每小时的处理能力为0.1 4m3。多用于油料

17、、油漆、制药、化工等工业生产中，如油水、蛋白质、青霉素、 香精油的分离等15。图7碟片式离心机分离示意图1.进料管2.分离室3.溢流口 4.底流口 5.回流管6.洗水进口分离原理:混合料液由离心机上部进料口进入分离室，均匀分布在碟片间， 利用碟片间的薄壁空间在转鼓的高速旋转下(3000-10000r/min)，带动物料产生 很大的离心力，轻物料沿碟片上行，由溢流口排出，相对密度较大的物料集于转 鼓内壁经喷嘴从底流口连续排出29。离心萃取器的优点是：生产能力大，分离效率高，接触时间短，设备中物 料滞留量小，是所有萃取设备中效率因数最大的萃取设备。由于它是以大于重力 百倍以上的离心力来驱动两相分离

18、，所以它可以处理比重差极小，以至于比重差 接近于0.01g/cm3的系统；可以处理粘度大或是易乳化的系统.对于处理化学性 质不稳定或是利用化学反应动力学差异的分离系统，则以离心萃取器最为合适。离心萃取器的缺点是：制造费用和维修费用较高，制造要求严格。另外， 由于设备小，流量大，因而在萃取过程中流比的变化对萃取器的影响较大.所以 离心萃取器的流量要求严格控制。由于上述缺点，国内过去用在医药工业较多，其它部门用得较少.但是， 随着我国工业的发展，自前对于离心萃取设备，无论是单级的还是多级的，无论 是核用的还是民用的，都在积极研制，有的已用于生产16。5、结束语由于双水相体系的萃取条件温和,萃取后处

19、理简便，因此已在生物化学、细胞 生物学和生物化工等领域得以应用.许多工作者在这方面已做了大量工作并取得 了一些成果。由于该技术尚处于起步阶段,今后应加强理论研究,解决大规模萃取 生物活性物质的工艺条件和设备方面的问题，使双水相萃取能成为一种优良的分 离技术。参考文献1张珩，张齐，杨艺虹等.医药工程设计杂志,2001, 22(5): 22-262辜鹏,谢放华，黄海艳,王丹.双水相萃取技术的研究现状与应用J.化工技术与开 发，2007,(36):29-35.3徐长波，王魏杰.双水相萃取技术研究进展J.化工中间体,2009,(3):16-17.4李伟,柴金玲，谷学新.新型的萃取技术-双水相萃取J.化

20、工教育，2005, (3):7-12.5Chenming Zhang, FabricioMedina Bolivar, ScottBuswel,l etal.1Purification and stabilization of ricin B from tobacco hairy rootculturemedium by aqueous two-phase extraction J1Journal ofBiotechnology, 2005, 117: 394816Ganapathi Pati,l S Chethana, A S Sridev,i et al1Method toobtain C

21、 - phycocyanin of high purity J 1Journal ofChromatographyA, 2006, 1127: 76811.7S Teotia, M N Gupta1Purification of phospholipase D by two-phase affinity extraction J1Journal of Chromatography A, 2004(1025): 2973011.8 Zea D V L Mayerhof,f In es C Roerto, Telma TFranco1Purification of xylose reductase from Candida mogii inaqueous two- phase s