第六章雙水相萃取ppt課件

1、 利用物質(zhì)在互不相溶的兩水相間分配系數(shù)的利用物質(zhì)在互不相溶的兩水相間分配系數(shù)的差異來進(jìn)行萃取的方法。差異來進(jìn)行萃取的方法。雙水相萃取？雙水相萃取？ 雙水相的形成 將兩種不同的水溶性聚合物的水溶液混合時，當(dāng)聚合物濃度達(dá)到一定值，體系會自然的分成互不相溶的兩相，這就是雙水相體系。這種含有不同聚合物分子的溶液發(fā)生分相的現(xiàn)象叫聚合物的不相容性。 形成原因：由于高聚物之間的不相溶性，即高聚物分子的空間阻礙作用，相互無法滲透，不能形成均一相，從而具有分離傾向，在一定條件下即可分為二相。常用的雙水相體系常用的雙水相體系 高聚物高聚物/高聚物體系：聚乙二醇高聚物體系：聚乙二醇(簡稱簡稱PEG) / 葡聚糖葡聚

2、糖(簡稱簡稱Dextran) 高聚物高聚物/無機鹽體系：無機鹽體系：硫酸鹽體系。常見的高聚物硫酸鹽體系。常見的高聚物/ 無機鹽體系為無機鹽體系為: PEG/ 硫酸鹽或磷酸鹽體系。硫酸鹽或磷酸鹽體系。雙水相系統(tǒng)雙水相系統(tǒng)(aqueous two-phase system, ATPS) PEG = 聚已二醇(polyethylene glycol)Kpi = 磷酸鉀DX = 葡聚糖(dextran) 雙水相萃取的原理雙水相萃取的原理 是生物物質(zhì)在雙水相體系中的選擇性分配，當(dāng)物是生物物質(zhì)在雙水相體系中的選擇性分配，當(dāng)物質(zhì)進(jìn)入雙水相體系后，由于表面性質(zhì)、電荷作用質(zhì)進(jìn)入雙水相體系后，由于表面性質(zhì)、電荷作

3、用和各種作用力如憎水鍵、氫鍵和離子鍵等的和各種作用力如憎水鍵、氫鍵和離子鍵等的存在和環(huán)境的影響，使其在上、下相中的濃度不存在和環(huán)境的影響，使其在上、下相中的濃度不同，即分配系數(shù)不同。同，即分配系數(shù)不同。第一節(jié)第一節(jié) 雙水相分離理論雙水相分離理論雙節(jié)線：把均相區(qū)和兩相區(qū)域分隔開。雙節(jié)線：把均相區(qū)和兩相區(qū)域分隔開。 系線：連接雙節(jié)線上兩點的直線。系線：連接雙節(jié)線上兩點的直線。 均相區(qū)均相區(qū)兩相區(qū)兩相區(qū)n在同一條系線上的各點分成的兩相具有相同的組成，在同一條系線上的各點分成的兩相具有相同的組成，n但體積比不同但體積比不同臨界點：當(dāng)系線長度趨向于零時，即在圖中的臨界點：當(dāng)系線長度趨向于零時，即在圖中的

4、C點，點，兩相差別消失，任何溶質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)均為兩相差別消失，任何溶質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)均為1，成為單相體系。，成為單相體系。ATPS相圖雙節(jié)線雙節(jié)線(bi-nodal)：圖中的曲線。雙節(jié)線以下的區(qū)圖中的曲線。雙節(jié)線以下的區(qū)域為均相區(qū)域為均相區(qū),以上的區(qū)域為兩相以上的區(qū)域為兩相區(qū)，即區(qū)，即ATPS 。 系線系線(tie line)：雙節(jié)線上兩點的直線。雙節(jié)線上兩點的直線。系線反映的信息系線反映的信息A 杠桿規(guī)則：系線上各點均為分杠桿規(guī)則：系線上各點均為分成組成相同，而體積不同的兩成組成相同，而體積不同的兩相。兩相體積近似服從杠桿規(guī)相。兩相體積近似服從杠桿規(guī)則則B 性質(zhì)差異：系線的長度是衡

5、量性質(zhì)差異：系線的長度是衡量兩相間相對差別的尺度兩相間相對差別的尺度,系線越系線越長長,兩相間的性質(zhì)差別越大；反兩相間的性質(zhì)差別越大；反之則越小之則越小.C 臨界點臨界點(critical point)：當(dāng)系：當(dāng)系線長度趨于零時線長度趨于零時, 兩相差別消兩相差別消失失,任何溶質(zhì)在兩相中的分配系任何溶質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)均為數(shù)均為1。如。如K點。點。 p對于對于PEG/Dextran所形成的雙水相所形成的雙水相體系中，若降低體系中，若降低PEG相對分子質(zhì)量，相對分子質(zhì)量，則生物分子分配于富含則生物分子分配于富含PEG的上相中，的上相中，使分配系數(shù)增大；而降低使分配系數(shù)增大；而降低Dextran

6、相相對分子質(zhì)量，則分配系數(shù)減小。對分子質(zhì)量，則分配系數(shù)減小。p若想在上相獲得較高的蛋白質(zhì)收率，若想在上相獲得較高的蛋白質(zhì)收率，對于對于PEG聚合物，應(yīng)降低它的平均分聚合物，應(yīng)降低它的平均分子量，相反，若想在下相獲得較高的子量，相反，若想在下相獲得較高的蛋白質(zhì)收率，則平均分子量應(yīng)增加。蛋白質(zhì)收率，則平均分子量應(yīng)增加。(1)成相聚合物的影響成相聚合物的影響A、成相聚合物分子量、成相聚合物分子量B、成相聚合物的濃度、成相聚合物的濃度 聚合物分相的最低濃度為臨界點，系線的長度為聚合物分相的最低濃度為臨界點，系線的長度為零，此時分配系數(shù)為零，此時分配系數(shù)為1，即組分均勻的分配于上，即組分均勻的分配于上下

7、相下相. 隨著成相聚合物的總濃度或聚合物隨著成相聚合物的總濃度或聚合物/鹽混合物的總鹽混合物的總濃度增大，系統(tǒng)遠(yuǎn)離臨界點，系線長度增加，兩濃度增大，系統(tǒng)遠(yuǎn)離臨界點，系線長度增加，兩相性質(zhì)的差別相性質(zhì)的差別(疏水性等疏水性等)增大，蛋白質(zhì)分子的分增大，蛋白質(zhì)分子的分配系數(shù)將偏離臨界點處的值配系數(shù)將偏離臨界點處的值(m=1)，即大于，即大于1或小或小于于1。因此。因此,成相物質(zhì)的總濃度越高，系線越長，成相物質(zhì)的總濃度越高，系線越長，蛋白質(zhì)越容易分配于其中的某一相。蛋白質(zhì)越容易分配于其中的某一相。(2) 鹽的種類和濃度鹽的種類和濃度p鹽的種類和濃度對分配系數(shù)的影響主要反鹽的種類和濃度對分配系數(shù)的影響

8、主要反映在對相間電位和蛋白質(zhì)疏水性的影響。映在對相間電位和蛋白質(zhì)疏水性的影響。鹽的種類鹽的種類 在雙聚合物系統(tǒng)中，無機離子具有各自的分配系在雙聚合物系統(tǒng)中，無機離子具有各自的分配系數(shù)，不同電解質(zhì)的正負(fù)離子的分配系數(shù)不同，從數(shù)，不同電解質(zhì)的正負(fù)離子的分配系數(shù)不同，從而產(chǎn)生不同的相間電位。由于各相要保持電中性，而產(chǎn)生不同的相間電位。由于各相要保持電中性，使得帶電生物大分子，如蛋白質(zhì)和核酸等分別向使得帶電生物大分子，如蛋白質(zhì)和核酸等分別向兩相移動分配。兩相移動分配。鹽的濃度鹽的濃度 鹽的濃度不僅影響蛋白質(zhì)的表面疏水性，而且擾鹽的濃度不僅影響蛋白質(zhì)的表面疏水性，而且擾亂雙水相系統(tǒng)，改變各相中成相物質(zhì)的

9、組成和相亂雙水相系統(tǒng)，改變各相中成相物質(zhì)的組成和相體積比。體積比。 例如，例如，PEG/磷酸鹽體系中上下相的磷酸鹽體系中上下相的PEG和磷酸鹽和磷酸鹽濃度及濃度及Cl-在上下相中的分配平衡隨添加在上下相中的分配平衡隨添加NaCl濃濃度的增大而改變，這種相組成即相性質(zhì)的改變直度的增大而改變，這種相組成即相性質(zhì)的改變直接影響蛋白質(zhì)的分配系數(shù)，如圖。接影響蛋白質(zhì)的分配系數(shù)，如圖。 離子強度對不同蛋白質(zhì)的影響程度不同，利用這離子強度對不同蛋白質(zhì)的影響程度不同，利用這一特點，通過調(diào)節(jié)雙水相系統(tǒng)的鹽濃度，可有效一特點，通過調(diào)節(jié)雙水相系統(tǒng)的鹽濃度，可有效地萃取分離不同的蛋白質(zhì)。地萃取分離不同的蛋白質(zhì)。（4溫

10、度的影響溫度的影響 分配系數(shù)對溫度的變化不敏感分配系數(shù)對溫度的變化不敏感 成相聚合物對蛋白質(zhì)有穩(wěn)定化作用成相聚合物對蛋白質(zhì)有穩(wěn)定化作用,所以室所以室溫操作活性收率依然很高溫操作活性收率依然很高,而且室溫時粘度而且室溫時粘度較冷卻時較冷卻時(4 ) 低低,有助于相的分離并節(jié)省有助于相的分離并節(jié)省了能源開支。了能源開支。（一目的物的萃?。ㄒ荒康奈锏妮腿?、如果目標(biāo)產(chǎn)物在上相中的分配系數(shù)足夠大，則、如果目標(biāo)產(chǎn)物在上相中的分配系數(shù)足夠大，則細(xì)胞勻漿液中的目標(biāo)產(chǎn)物可采用一步或兩步雙水細(xì)胞勻漿液中的目標(biāo)產(chǎn)物可采用一步或兩步雙水相萃取工藝獲得較高的純化倍數(shù)。相萃取工藝獲得較高的純化倍數(shù)。 一步雙水相萃取：是

11、把生物材料懸浮液和雙水相系一步雙水相萃?。菏前焉锊牧蠎腋∫汉碗p水相系統(tǒng)混合后，其中下相含有大多數(shù)雜質(zhì)，而上相含統(tǒng)混合后，其中下相含有大多數(shù)雜質(zhì)，而上相含目標(biāo)產(chǎn)物。目標(biāo)產(chǎn)物。兩步雙水相萃取：把一步萃取體系中的上相分離出兩步雙水相萃?。喊岩徊捷腿◇w系中的上相分離出來后，再加入鹽使其形成新的雙水相體系，則富來后，再加入鹽使其形成新的雙水相體系，則富含含PEG的上相得到回收，同時，含有目標(biāo)產(chǎn)物的的上相得到回收，同時，含有目標(biāo)產(chǎn)物的鹽相通過超濾等操作得到分離目標(biāo)。鹽相通過超濾等操作得到分離目標(biāo)。 三步雙水相萃取酶的流程示意圖三步雙水相萃取酶的流程示意圖 2、如果細(xì)胞勻漿液中的目標(biāo)產(chǎn)物的分配系數(shù)較小，、

12、如果細(xì)胞勻漿液中的目標(biāo)產(chǎn)物的分配系數(shù)較小，則可采用多步雙水相萃取工藝以獲得較高的純化則可采用多步雙水相萃取工藝以獲得較高的純化倍數(shù)。倍數(shù)。 （二（二PEG循環(huán)循環(huán) 在大規(guī)模雙水相萃取過程中，成相材料的回收和在大規(guī)模雙水相萃取過程中，成相材料的回收和循環(huán)使用，不僅可以減少廢水處理的費用，還可循環(huán)使用，不僅可以減少廢水處理的費用，還可以節(jié)約化學(xué)試劑，降低成本。以節(jié)約化學(xué)試劑，降低成本。 PEG的回收有三種方法：的回收有三種方法： 加入鹽使目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)入富鹽相來回收加入鹽使目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)入富鹽相來回收PEG； 將將PEG相通過離子交換樹脂，用洗脫劑先洗去相通過離子交換樹脂，用洗脫劑先洗去PEG，再洗出蛋白

13、質(zhì)。，再洗出蛋白質(zhì)。 超濾超濾（三無機鹽的循環(huán)（三無機鹽的循環(huán) 一種方法使將含磷酸鈉的鹽相冷卻到一種方法使將含磷酸鈉的鹽相冷卻到6，使鹽結(jié)晶析出，然后用離心機分離收集；使鹽結(jié)晶析出，然后用離心機分離收集； 另一種方法是用電滲析法、膜分離法回收另一種方法是用電滲析法、膜分離法回收鹽類。鹽類。二、大規(guī)模雙水相萃取及其簡單設(shè)備二、大規(guī)模雙水相萃取及其簡單設(shè)備 兩步萃取法連續(xù)分離胞內(nèi)酶的兩步萃取法連續(xù)分離胞內(nèi)酶的流程示意圖流程示意圖 第三節(jié)第三節(jié) 雙水相萃取技術(shù)在生物、食品雙水相萃取技術(shù)在生物、食品工業(yè)中的應(yīng)用工業(yè)中的應(yīng)用 （1提取酶和蛋白質(zhì)。提取酶和蛋白質(zhì)。 （2進(jìn)行萃取性生物轉(zhuǎn)化進(jìn)行萃取性生物轉(zhuǎn)化

14、 （3酸水解產(chǎn)物中提取二肽、氨基酸、核酸水解產(chǎn)物中提取二肽、氨基酸、核苷酸等風(fēng)味物質(zhì)苷酸等風(fēng)味物質(zhì) （4萃取細(xì)胞、細(xì)胞器、膜等粒子萃取細(xì)胞、細(xì)胞器、膜等粒子 （5應(yīng)用于液液分配層析應(yīng)用于液液分配層析 雙水相的應(yīng)用舉例 分離和提純各種蛋白質(zhì)(酶） 用PEG/ -(NH4) 2SO4 雙水相體系,經(jīng)一次萃取從- 淀粉酶發(fā)酵液中分離提取 - 淀粉酶和蛋白酶, 萃取最適宜條件為PEG1000 ( 15 %) -(NH4) 2SO4 (20 %) ,pH = 8 ,- 淀粉酶收率為90 % ,分配系數(shù)為19. 6 ,蛋白酶的分離系數(shù)高達(dá)15. 1。比活率為原發(fā)酵液的1. 5 倍,蛋白酶在水相中的收率高于

15、60 %。 提取抗生素和分離生物粒子提取抗生素和分離生物粒子 采用采用PEG/ Na2HPO4 體系提取丙酰螺旋體系提取丙酰螺旋霉素，最佳萃取條件是霉素，最佳萃取條件是pH= 8. 08. 5 ， PEG2000 (14 %) / Na2HPO4 (18 %) ,小小試收率達(dá)試收率達(dá)69. 2 % ,對照的乙酸丁酯萃取工對照的乙酸丁酯萃取工藝的收率為藝的收率為53. 4 %第四節(jié)第四節(jié) 雙水相萃取分離技術(shù)的發(fā)展方向雙水相萃取分離技術(shù)的發(fā)展方向 一、開發(fā)廉價的新型雙水相體系一、開發(fā)廉價的新型雙水相體系例如：用粗例如：用粗dextran、變性淀粉、糊精、變性淀粉、糊精、乙基羥乙基纖維素等取代葡聚糖乙基羥乙基纖維素等取代葡聚糖dextran ）二、雙水相分配與相關(guān)技術(shù)的集成化二、雙水相分配與相關(guān)技術(shù)的集成化 集成化集成化 ：不同分離技術(shù)上的相互滲透、實現(xiàn)優(yōu)勢互補，而達(dá)：不同分離技術(shù)上的相互滲透、實現(xiàn)優(yōu)勢互補，而達(dá) 到整體優(yōu)化的目的。到整體優(yōu)化的目的。 具體表現(xiàn)具體表現(xiàn)3個方面：個方面：與常規(guī)技術(shù)結(jié)合解決雙水相萃取本身的難點問題與常規(guī)技術(shù)結(jié)合解決雙水相萃取本身的難點問題引進(jìn)其他分離技術(shù)進(jìn)行融合以提高分離效率，簡化分離過程引進(jìn)其他分離技術(shù)進(jìn)行融合以提高