双水相萃取技术的

双水相萃取技术的第1页，共16页，2023年，2月20日，星期五相关理论的发展早在1896年,Beijerinck发现,当明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液相混时,得到一个混浊不透明的溶液，随之分为两相,上相富含明胶,下相富含琼脂(或淀粉),这种现象被称为聚合物的不相溶性，从而产生了双水相体系(Aqueoustwophasesystem，ATPS)。1955年由Albertson首先利用两水相技术分离生物分子，他主要研究了聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dex)系统和PEG/(NH4)2SO4系统在分离提纯中的应用。在随后的几十年中，这项技术有了长足的发展。在双水相的分离模型研究中，主要提出了两类模型[3，4]，Edmond等人提出的渗透维里模型，即Edmondbgston方程；Flory和Huggins根据热力学的基本原理提出Flory—Huggins晶格模型。第2页，共16页，2023年，2月20日，星期五

双水相的形成基本原理

萃取原理第3页，共16页，2023年，2月20日，星期五双水相的形成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，体系会自然地分成互不相溶的两相。双水相体系的形成主要是由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。原则上，无论是天然的还是合成的亲水性聚合物，绝大多数在与另一种聚合物水溶液混合时都可分成两相，构成双水相体系部分双水相系统列于表1。用于生物分离的高聚物体系有:聚乙二醇(简称PEG)/葡聚糖(简称Dexteran)和PEG/Dextran硫酸盐体系。常见的高聚物/无机盐体系为:PEG/硫酸性或磷酸盐体系。第4页，共16页，2023年，2月20日，星期五第5页，共16页，2023年，2月20日，星期五萃取原理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、下相中的浓度不同。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。物质在双水相体系中分配系数K可用下式表示：K=C上/C下其中K为分配系数，C上和C下分别为被分离物质在上、下相的浓度。

第6页，共16页，2023年，2月20日，星期五图1PEG/Dextran体系的相图第7页，共16页，2023年，2月20日，星期五这两种聚合物都能与水无限混合，当它们的组成在图1曲线的上方时(用M点表示)体系就会分成两相，分别有不同的组成和密度，轻相(或称上相)组成用T点表示，重相(或称下相)组成用B表示。C为临界点，曲线TCB称为结线，直线TMB称为系线。结线上方是两相区，下方是单相区。所有组成在系统上的点，分成两相后，其上下相组成分别为T和B。M点时两相T和B的量之间的关系服从杠杆定律，即T和B相重量之比等于系线上MB与MT的线段长度之比。第8页，共16页，2023年，2月20日，星期五双水相萃取的应用1)基因工程药物的分离与提取双水相萃取技术可以保证基因工程药物在温和的条件下得以分离和纯化。其中有代表性的工作是用PEG4000/磷酸盐从重组大肠杆菌碎片中提取人生长激素,采用3级错流连续萃取,1h处理量为15L,收率达80%。2)酶工程药物的分离与提取目前,双水相萃取技术提取纯化的酶有几十种,如从微生物细胞碎片中提取纯化甲酸脱氢酶,其分离经4次连续萃取,已达到1h处理50kg湿细胞的规模,处理的酶蛋白高达150g,收率为90%～100%。第9页，共16页，2023年，2月20日，星期五3)抗生素的分离与提取以青霉素类为例,先以PEG/(NH4)2SO4将青霉素从发酵液中提取到PEG相,然后用醋酸丁酯进行反萃,再结晶,处理1000mL青霉素发酵液得到青霉素晶体7.228g,纯度为84.15%,3步操作总收率为76.56%。将3次调节pH值改为只调节1次,可减轻青霉素的失活;将3次萃取改为1次萃取,减少了溶媒用量,缩短了工艺流程。4)天然植物药用有效成分的分离与提取具有代表性的工作是对黄芩苷和黄芩素的分离。黄芩苷和黄芩素都有一定的憎水性,在PEG6000/磷酸二氢钾中主要分配在富含PEG的上相,2种物质分配系数为30和35。其分配系数随温度升高而降低,黄芩苷的降幅比黄芩素大,通过一定手段去掉溶液中的PEG,浓缩结晶后即可得到黄芩苷和黄芩素产品第10页，共16页，2023年，2月20日，星期五双水相技术的发展趋势

1.廉价新型双水相系统的开发

2.亲和双水相萃取技术

3.生物转化与双水相萃取技术相结合

4.双水相萃取与膜分离相结合5.双水相萃取与细胞破碎过程相结合第11页，共16页，2023年，2月20日，星期五局限性和未来展望双水相萃取技术克服了常规萃取有机溶剂对生物物质的变性作用,并且取得了一些阶段性的成果。然而,在应用和研究过程中不可避免地会遇到一些技术难题。第12页，共16页，2023年，2月20日，星期五(1)聚合物/聚合物构成的双水相体系具有良好的分离性能，但用于构造双水相体系的成相聚合物的价格都比较昂贵，对于一般的生物产品，分离成本过高，从经济上是不合理的。(2)虽然通过选择适宜的双水相体系和操作条件，可获得被分离物质在两相间较大的分配系数和较高的纯化倍数，但目标产物与成相物质的分离比较困难。(3)双水相体系界面张力较小，虽有利于提高传质效率，但是较小的界面张力会易导致乳化现象的产生，使相分离时间延长，分离效率降低。第13页，共16页，2023年，2月20日，星期五(4)双水相体系中组分间的作用非常复杂，目前没有建立一套较为完整的理论和方法解释和预测物质在双水相体系中的相行为和被分配物质在两相中的分配行为。(5)缺乏对双水相过程的工程放大及设备方面的研究，在体系流体力学，相际间的传质，传递过程方面研究很少。研究的方法基本上还是通过实验的方法，研究的结果只是建立在实验的基础上，大部分情况下不能外延，缺乏对过程规律的认识。(6)对双水相萃取工艺整体的集成优化研究还不足，对分离过程中产生的大量含成相物质的稀溶液，还没有找到一条科学合理的利用及处理途径，大量含盐或含成相组分的废水溶液难于回收及处理。第14页，共16页，2023年，2月20日，星期五虽然双水相萃取技术研究中还存在很多问题，但随着对双水相体