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1、双水相萃取技术,主讲人：2014-12-25,一.概述二.基本原理及流程三.技术与设备四.研究及应用 五、不足之处 六.发展方向,一、概述,1.1 基本概念,萃取（extraction)：,萃取是利用溶质在互不混溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的技术。,萃取剂：用以进行萃取的溶剂,参与溶质分配的两相不同,液-固萃取,液-液萃取,萃取原理,物理萃取化学萃取双水相萃取超临界萃取,萃取剂：用以进行萃取的溶剂,萃取法的分类：,1896年荷兰微生物学家Berjerinck发现琼脂水溶液与可溶性淀粉或明胶水溶液混合时形成双水相现象。,1.2 发展历程,1956年瑞典Land大学的Alber
2、tsson教授及其同事开始 对水相系统研究。测定了许多双水相系统的相图，考察 了蛋白质、核酸、病毒、细胞及细胞颗粒在双水相中的 分配行为，为双水相萃取系统的发展奠定了基础。只局限于实验内的测定和理论研究。,Kula教授研究小组对双水相的应用、工艺流程、操作参数、设备、成本分析等进行了大量研究，在应用工程上获得成功。1978年首先将双水相萃取技术用于酶的大规模分离钝化，建成了一套工业装置，达到20Kg/h的处理能力，分离钝化了几十种酶，也应用与基因工程的分离。,国内自20世纪80年代起也开展了ATPE技术研究。,迄今为止,双水相萃取技术已被成功应用于生物工程、药物提取、金属离子分离等方面。在生物
3、工程、药物分析、环境科学等方面有着广阔的应用前景。尽管其已发展成为一种相对比较成熟的技术,然而,相关研究和应用还不够深入,一些技术难题还有待解决，但仍然有值得深入研究与完善的方面。,1.3 双水相概念,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时，体系自然地分成互不相溶的两相.,二.双水相萃取的原理及流程,2.1 原理 一定条件下，水相也可以形成两相甚至多相。所以有可能将生物活性物质（水溶性的酶、蛋白质等）从一个水相转移到另一个水相中，从而完成分类任务。因此双水相萃取与溶媒萃取的原理相似。,当两种高聚物水溶液相互混合时，他们之间的相互作用可分为三类：,互不相容（imcomp
4、atibility）复合凝聚（complex coacervation）完全互溶（complete miscibility）,2.1.1 双水相体系的形成,聚合物之间的不相溶性，即聚合物分子的空间阻碍作用（表面性质、电荷作用、氢键、离子键、环境因素等），相互间无法渗透，分为两相。两种聚合物水溶液的水溶性有差异，混合后发生相分离，并且水溶性差别越大，相分离的倾向越大。加入盐分，由于盐析作用，聚合物与盐类溶液也能形成两相。,2.1.2 双水相体系的分类,双聚物：,PEG/DEX、聚乙二醇/聚乙烯醇、聚乙烯醇/甲基纤维素、聚丙二醇/葡聚糖、聚丙二醇/甲氧基乙二醇等,聚合物-低分子物质的化合物：,PE
5、G/磷酸钾、PEG/磷酸胺、PEG/硫酸钠、PEG/葡糖糖等,2.1.3 分配系数,当萃取体系的性质不同时，物质进入双水相体系后，由于各种阻碍作用的存在，物质分配不同，使其在上、下相中的浓度不同。,K=C上/C下,C上和C下分别为被分离物质在上、下相的浓度。,分配系数K等于物质在两相的浓度比，由于各物质的K不同，可用双水相萃取体系对物质进行分离，其分配情况服从分配定律。,其中上下相组成分别为T和B，T和B量的遵循杠杆定律:即T和B相质量之比等于系线上MB与MT的线段长度之比。,2.1.4 相图,图1是典型的高聚物-高聚物-水双水相体系的直角坐标相图。两种聚合物A、B以适当比例溶于水就会分别形成
6、有不同组成密度的两相。轻相组成用T点表示，重相组成用B点表示。曲线称为结线，直线称为系线。结线上方是两相区，下方为单相区。,2.2双水相萃取工艺流程,双水相萃取技术的工艺流程主要有三部分构成：,（1）目的产物的萃取（2）PEG循环（3）无机盐的循环,三、双水相萃取技术及设备,离子液体双水相体系(Ionic liquids aqueous two-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,它综合了离子液体和双水相体系的优点。,3.1 离子液体双水相萃取,Gutowski等于 2003年首次提出了离子液体双水相的
7、概念,研究发现了亲水性离子液体 Bm im Cl和水合磷酸钾可以形成上相富集离子液体和下相富集磷酸钾的双水相体系,并且证明这一双水相体系可能在分离萃取上有极好地应用前景。,1)体系易于放大,各种参数可以按比例放大而产物的回收率并不降低,这点对于工业应用尤为有利;2)体系内传质和平衡速度快,回收率高,可达到90%以上,比起其他的一些分离过程,其能耗小;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,因而能保持绝大部分生物分子的活性;4)操作条件温和,整个过程可在常温常压下进行;5)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;6)与传统的高聚物双水相相比,
8、可更好的控制乳化现象。,3.1.1特点,3.2两水相反应器,在两水相系统中进行转化翻译功能，如酶促反应，可以把产物移入另一相中，消除产物抑制，因而提高了产率。这实际上是一种反应和分离耦合的过程，有时也成为萃取生物转化；如果发生的是一种发酵过程，则也称为萃取发酵，因此此时也可以把两水相系统称为两水相反应器。,3.3进行两水相生物转化反应需满足以下条件,催化剂应单侧分配；底物应分配于催化剂所处的相中；产物应分配 在另 一相中；要有合适的相比。如产物分配在上相中，则 相比要大，反之则相比要小。,由于这些条件很难同时满足，并且分离理论还不完善，因此常需要根据试验选择最优系统和操作条件。,3.4采用双水
9、相系统进行生物转化反应的优点：,与固定床反应器相比，不需载体，不存在多孔载体中的扩散阻力，故反应速度较快，生产能力较高；生物催化剂在两水相系统中较稳定；两相间表面张力低，轻微搅拌即能姓曾高度分散系统，分散相液滴在10m以下，有很大的表面积，有利于底物和产物的传递。,3.5 工业设备,在萃取过程中，要求在萃取设备内两相能密切接触并伴有较高的湍动，以实现两相之间的质量传递；尔后，又能使两相较快的分离。但是，由于两相间的密度差较小，实现两相的密切接触和快速分离有一定的困难。根据两相接触方式，萃取设备分为逐级接触和微分接触式两种；根据有无外功输入分为外加能量和无外加能量两种。,3.5.1 原则当两相流
10、量相差很大时，将流量大的选做分散相可增加相际传质面积。但是，若所用的设备可能产生严重轴向返混时，应选择流量小的作分散相，以减小返混的影响。在填料塔、筛板塔等萃取设备中，应将润湿性差的液体作为分散相。当两相粘度相差较大时，应将粘度大的液体作为分散相，这样液滴在连续相内沉降（或升浮）速度较大，可提高设备生产能力。为减小液滴尺寸并增加液滴表面的湍动，对于界面张力梯度大于零的物系，溶质应从液滴向连续相传递。为降低成本和保证安全操作，应将成本高的和易燃易爆的液体作为分散相。,为防止分散相液滴过多聚结，可增加塔内流体的湍动，即向填料提供外加脉动能量，造成液体脉动，这种填料塔成为脉动填料塔。但须注意，向填料
11、塔加入脉动会使乱堆填料趋向定向排列，导致沟流，从而使脉动填料塔的应用受到限制。,脉动填料塔,筛板萃取塔,塔体内装有若干层筛板，筛孔直径比气-液传质的孔径有效。工业中所用孔径一般为39mm，孔距为孔径的34倍，板间距为150600mm。如果选轻相为分散相，则其通过塔板上的筛孔而被分散成细滴，与塔板上的连续相密切接触后便分层凝聚，并聚结于上层筛板的下面，然后借助压强差的推动，再经筛孔而分散。重液相经降液管流向下层塔板，水平横向流到筛板另一端降液管。两相如是依次反复进行接触与分层，便构成逐级接触萃取。如果先重相为分散相，则应使轻相通过盛液管进入上层塔板。,筛板萃取塔内由于塔板的限制，减小了轴向返混，
12、同时由分散相的多次分散和聚结，液滴表面不断更新，使筛板萃取塔的效率比填料塔有所提高，再加上筛板塔结构简单，价格低廉，可处理腐蚀性料液，因而在许多萃取过程中得到广泛应用。,转盘萃取塔,在塔体内壁上按一定距离装置若干个环形挡板，固定环使塔内形成许多分开的空间。在中心轴上按同样间距安装若干个转盘，每个转盘处于分割空间的中间。转盘的直径小于固定环的内径，以便于装卸。固定环和转盘均有薄平板制成。转盘随中心轴做高速旋转时，对液体产生强烈的搅拌作用，增加了相际接触面积和液体的湍动。固定环在一定程度上抑制了轴向返混，因而转盘塔的效率较高。,转盘萃取塔,填料转盘塔,3.5.5结构及特点,1.塔身即萃取塔中间段是
13、直立圆筒，也可根据萃取规模的大小设计成不同大小的不锈钢材料或高硼硅玻璃。2.萃取塔内构件及管道均由不锈钢材质制作。3.该萃取装置清洗简便，适合于粘度大的有机混合物。,四、双水相萃取的研究及应用,1、在生物大分子分离纯化方面的应用2、在天然产物中提取小分子物质方面的应用3、在医药行业的应用4、在废水处理方面的应用5、在手性分子识别分离方面的应用6、在生物合成方面的应用7、在测定方面的应用8、在贵金属分离方面的应用,4.1在生物大分子分离纯化方面的应用,蛋白质、酶、多糖、核酸等大分子物质可以利用双水相进行分离、纯化，双水相体系由于其温和的特性，能够保持酶本身应有的活性，所以利用双水相萃取技术分离纯
14、化酶得到广泛的应用。如：利用表面活性剂/盐双水相体系纯化鹊肾树叶中的丝氨酸蛋白酶。用 PEG6000/Na2HPO4双水相提取脂肪酶。利用PEG/K3PO4双水相室温下纯化-淀粉酶。,4.2 在天然产物中提取小分子物质方面的应用,天然产物中存在许多对人体有益的活性小分子物质，但是提取一直以来都是高投入低回收，目前许多活性物质大多数是利用化学合成来满足人们的需求，但是化学合成物质的效果和天然活性成分比，仍有一定的差距，人们一直在寻找能够同时达到高提取率和高纯度的方法，以降低成本“目前有很多关于双水相分离纯化活性小分子的研究。如：用 C2H5OH/磷酸盐形成的双水相体系从乌拉尔甘草提取液中分离甘草
15、酸。用(NH4)2SO4/C2H5OH双水相体系结合超声提取丹参中的紫草酸 B。,4.3 在医药行业的应用,双水相体系不仅可以用于分离医药行业需要的细胞，还可以用来高效的提取抗生素。抗生素不仅能杀灭细菌，而且对支原体、衣原体等致病微生物也具有良好的抑制及杀灭效果。所以双水相萃取技术在医药行业得到广泛认可。如：利用免疫亲和性PEG/Dextran 双水相体系从脐带血中分离造血干细胞/源细胞。亲水性离子液体 1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼 BF和 NaHPO形成的双水相体系能够快速从青霉素水溶液中萃取青霉素G。用亲水性离子液体四氟硼酸 1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼 BF4和 NaH2PO组成的双水相
16、体系萃取分离四环素。,4.4 在废水处理方面的应用,工厂排放的废水中往往既含有大量的对环境污染性极大的物质，如酚类物质及一些镉等金属污染物，也含有一些可以回收循环利用的物质，所以对废水的处理意义重大，亟需一种快速高效的方法来解决这些问题。如：用正交实验优化1-propanol/(NH4)2SO4双水相体系去除医药、橡胶等行业生产过程中排放的废水中的对氨基酚。利用1-propanol/(NH4)2SO4双水相体系除去电镀废水中镉缔合物。,4.5 在手性分子识别分离方面的应用,手性分子，是化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子。手性分子在药力、毒性等方面往往存在差别，有的甚至作用相反，所以获得
17、药物的单一旋光手性化合物意义重大。目前，利用双水相分离手性分子达到了较高水平。如：用含手性选择剂-环糊精的PEG2000/(NH4)2SO4双水相体系手性萃取拆分扁桃酸外消旋体。用含手性选择剂-环糊精和HP-环糊精的PEG/(NH4)2SO4双水相体系提取苯丙氨酸对映体。,4.6 在生物合成方面的应用,许多生物反应过程存在产物的反馈抑制高浓度的产物抑制细胞的生长，降低生物催化剂的活力，目的产物往往和大量的底物、副产物混杂在一起，反应体系的组成极其复杂，产物分离困难，分离时间长，分离效率低，制约着生物技术产业化的快速发展。如：利用PEG400/MgSO4双水相体系耦合酶法合成头孢氨苄。双水相共聚
18、合成阴离子型聚丙烯酰胺。利用偶氮类引发剂引发丙烯酞胺（AM)进行双水相共聚合，得到了稳定的阴离子型聚丙烯酞胺(APAM)水分散液。,4.7 在测定方面的应用,用C2H5OH/(NH4)2SO4双水相体系以及分光光度法测定粮食中微量钼。C2H5OH/(NH4)2SO4双水相体系萃取、荧光法测定-萘乙酸。用2-propanol/(NH4)2SO4双水相体系选择性分离富集维生素B12。,4.8在贵金属分离方面的应用,贵金属的分离提取及纯化技术主要有火法和湿法两类，但是这两种方法的成本高!收率低，所以用经济有效!环境友好的方法提取贵金属是大家共同追求的目标，双水相以其独特的优势逐渐被使用在贵金属提取纯
19、化方面。如：1-propanol/盐双水相体系和盐诱导浮选分离法实现了铂、钯、锗、铱、金、锇、等贵金属元素的分离。PEG2000/(NH4)2SO4双水相体系分离王水溶解剩余含金固体。,五、不足之处,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分离技术相比具有操作条件温和、处理量大等优点。且可以获得较高的收率和较纯的有效成分，与常规的有机溶剂萃取技术相比较，最大的优势在于可保持生物物质的活性及构象，因此在生物技术、药物分析提取、金属分离等方面有着广阔的应用前景。但是体系自身也存在的一定的缺陷，如：,(1)双聚合物体系价格较高，限制了其在工业中大规模的应用；(2)体系的
20、易乳化问题，导致萃取过程极不稳定，操作十分不方便，条件难以控制；(3)某些高聚合物双水相体系分相时间较长，大大降低了生产效率；(4)此外双水相萃取缺乏理论基础，目前的研究还停留在热力学模型的探索阶段。,(5)水溶性高聚物大多数粘度较大,不易定量控制;(6)水溶性的高聚物难以挥发,使反萃必不可少,高聚物回收困难;(7)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；,六、发展方向,6.1 ATPE技术的优化,ATPE技术在工业中还没有被广泛利用,部分是因为两相间的溶质分配对于具有高度选择性,需要从上千种蛋白中分离
21、一种蛋白这种情况提供了很小的范围。另一方面,如何从聚合相中回收目的产物、循环利用聚合物与盐以降低成本问题还有待进一步研究。目前ATPE技术应用的主要问题是原料成本高和纯化倍数低。因此,开发廉价双水相体系及后续层析纯化工艺,降低原料成本,采用新型亲和双水相萃取技术,提高分离效率将是双水相分离技术的主要发展方向。,目前双水相萃取技术走向工业化所需解决的最大问题是构成双水相成相系统组分的价格十分昂贵，为了解决这个问题 国内外进行了大量的研究。一方面用廉价的无机盐代替以往常用的昂贵的葡聚糖、硫酸钠、硫酸镁碳酸钾等盐与 PEG形成的双水相系统现已经大量用于萃取操作，另一方面开发可替代聚乙二醇和葡聚糖的高
22、聚物变性淀粉、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羟基纤维素等替代PEG均取得阶段性的成果此外有利用临界胶束浓度下表面活性剂的特异自组织行为及良好的稳定性形成的ATPS。此类ATPS分相依据的是胶束的形成包括由非离子型表面活性剂组成的ATPS和由离子型表面活性剂组成的ATPS。这些由表面活性剂组成的ATPS与传统ATPS相比有含水量更高,两相更容易分离,表面活性剂用量很少,且可循环利用等独特的优点。,6.2 廉价新型双水相系统的开发,亲和吸附具有专一性强、分离效率高等特点。利用其特点 将亲和吸附与双水相萃取技术相结合，即对成相聚合物进行化学修饰。该体系不仅具有萃取系统处理量大、放大简单等优点而且具有亲和
23、吸附专一性强分离效率高的特点。,6.3 亲和双水相萃取技术,双水相电泳技术就是电泳技术与萃取技术交叉藕合形成的一种新型分离技术。该技术是在多液相状态，既可以克服对流(返混)的不利影响，又有利于被分离组分的移出。此外国内外又相继开展了微重力双水相萃取、高速逆流双水相分配、双水相电萃取、温度诱导相分离双水相萃取等新技术的研究。,6.4 双水相电泳,参考文献,1 姜秀敏,卢艳敏,张雷.双水相萃取的应用研究进展J.齐鲁工业大学学报,2014,第28卷(第1期).2 马春宏,朱红,王良.双水相萃取技术的应用研究进展J.光谱实验室,2010,27卷(第5期).3 徐长波,王巍杰.双水相萃取技术研究进展J.华工科技,2009,17卷(第2期).4 李伟,柴金玲,谷学新,等.新型的萃取技术双水相萃取J.化学教育,2005(第3期).5 李洲、秦炜.液-液萃取 M.化学工业出版社,2013.6 罗运柏.化工分离原理、技术、设备与实例 M.化学工业出版社.7 张莉、王红艳.化工分离检测与实训 M.化学工业出版社.8 丁明玉.现代分离方法与技术M.化学工业出版社,2012.,
