雙水相萃取法

1、第七章 雙水相萃取11. 教學(xué)內(nèi)容雙水相分離理論；雙水相的形成；相圖與物質(zhì)在兩相中的分配；雙水相萃取技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。2教學(xué)基本要求 了解雙水相形成原理及在生物工程領(lǐng)域中的應(yīng)用；掌握雙水相萃取技術(shù)的概念、優(yōu)缺點(diǎn)。3重點(diǎn)與難點(diǎn) 雙水相相圖極其應(yīng)用。1 雙水相體系1.1 雙水相的形成機(jī)理 把兩種或兩種以上具有一定濃度的親水性聚合物溶液混合后靜置，這些親水性的高分子聚合物并不混為一相，而是分成多個(gè)液相，這種現(xiàn)象稱之為聚合物的不相容性。由于這些聚合物都是以水作為溶劑;因此形成上述的兩個(gè)相體系就稱雙水相體系。定義: 利用雙水相的成相現(xiàn)象及待分離組分在兩相間分配系數(shù)的差異，進(jìn)行組分分離或多水相提純的技術(shù)就

2、叫做雙水相萃取技術(shù)。 雙水相的成相原因: 空間阻礙作用 根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，混合是熵增加的過程，因而可自發(fā)進(jìn)行。 另一方面，分子間存在相互作用力，并且這種分子間相互作用力隨相對分子質(zhì)量的增大而增大。 當(dāng)兩種高分子聚合物之間存在相互排斥作用時(shí)，由于相對分子質(zhì)量較大，分子間的相互排斥作用與混合過程的熵增加相比占主導(dǎo)地位，一種聚合物分子的周圍將聚集同種分子而排斥異種分子，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，即形成分別富含不同聚合物的兩相。 1.2 相圖 把雙水相體系中的組成成分，分別以不同的濃度相混，然后觀察其成相過程，把此過程以圖的形式描繪下來，即稱為此種雙水相體系的相圖。 不同的雙水相體系，其成相條件是不同的，相

3、圖常被用于研究不同雙水相體系中的成相現(xiàn)象。用A點(diǎn)代表體系總組成，B點(diǎn)和C點(diǎn)分別代表互相平衡的上相和下相組成，稱為節(jié)點(diǎn)。A、B、C三點(diǎn)在一條直線上，稱為系線(tiellne)。系線的長度是衡量兩相間相對差別的尺度，系線越長，兩相間的性質(zhì)差別越大，反之則越小。若A向雙節(jié)線移動(dòng)，B、C兩點(diǎn)接近，系線長度趨向于零時(shí)，即A點(diǎn)在雙節(jié)線K點(diǎn)時(shí)，體系變成一相，K稱為臨界點(diǎn)。在同一系線上不同的點(diǎn)，總組成不同，而上、下兩相組成相同，只是兩相體積VT、VB不同，但它們均服從杠桿原理。B相和C相質(zhì)量之比等于系線上CA與AB的線段長度之比。又由于兩相密度相差很小(雙水相體系上相和下相密度常在1.01.1kgdm3之間)

4、，故上下相體積之比也近似等于系線上CA與AB線段長度之比，即：1.3 常用的雙水相體系常用體系 雙水相萃取中常采用的雙聚合物系統(tǒng)為PEG/Dex，該雙水相的上相富含PEG，下相富含Dex。 2.1 影響物質(zhì)分配平衡的因素 影響物質(zhì)在雙水相系統(tǒng)中分配的主要因素有： 組成雙水相體系的高聚物類型； 高聚物的平均分子量和分子量分布； 高聚物的濃度； 成相鹽和非成相鹽的種類；鹽的離子強(qiáng)度；pH值。(1)高聚物的分子量 在高聚物濃度保持不變的前提下，降低該高聚物的分子量，被分配的可溶性生物大分子如蛋白質(zhì)或核酸，或顆粒如細(xì)胞或細(xì)胞碎片和細(xì)胞器，將更多的分配于該相。對PEG Dcxtran體系而言，Dextr

5、an分子量減小，分配系數(shù)會減?。?PEG 的分于量減小，物質(zhì)的分配系數(shù)會增大(見表2-13)，這是一條普遍規(guī)律。(2)高聚物濃度界面張力的影響 當(dāng)成相系統(tǒng)的總濃度增大時(shí)，系統(tǒng)遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)，系線長度增加，兩相性質(zhì)的差別(疏水性等)增大，界面張力也隨著增大，蛋白質(zhì)分子的分配系數(shù)將偏離臨界點(diǎn)處的值(m=1)，即大于1或小于1。(3)鹽類 由于鹽的正、負(fù)離子在兩相間的分配系數(shù)不同，兩相間形成電勢差，從而影響帶電生物大分子的分配。 研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽類濃度增加到一定程度，由于鹽析作用蛋白質(zhì)易分配于上相。分配系數(shù)幾乎隨鹽濃度成指數(shù)增加，且不同的蛋白質(zhì)增大程度各異。利用此性質(zhì)可使蛋白質(zhì)相互分離。KCl對分配的影

6、響與NaCI類似。(4)pH值 pH值對分配的影響源于兩個(gè)方面的原因。第一，pH值會影響蛋白質(zhì)分子所帶電荷的性質(zhì)和數(shù)量。第二，pH值影響磷酸鹽的離解程度，從而改變H2PO4-和HPO42- 之間的比例，進(jìn)而影響相間電位差。這樣蛋白質(zhì)的分配因pH值的變化發(fā)生變化。pH值的微小變化會使蛋白質(zhì)的分配系數(shù)政變23個(gè)數(shù)量級。(5)溫度溫度越高發(fā)生相分離所需的高聚物濃度越高。在臨界點(diǎn)附近對雙水相體系形成的影響更為明顯。但一般來說，當(dāng)雙水相系統(tǒng)離雙節(jié)線足夠遠(yuǎn)時(shí)，12的溫度改變不影響目標(biāo)產(chǎn)物的萃取分離。 由于高聚物對生物活性物質(zhì)有穩(wěn)定作用，在大規(guī)模生產(chǎn)中多采用常溫操作，從而節(jié)省冷凍費(fèi)用。但適當(dāng)提高操作溫度，體

7、系黏度較低，有利于分離。2.2 雙水相萃取過程 雙水相萃取過程包括以下幾個(gè)步驟： 雙水相的形成； 溶質(zhì)在雙水相中的分配； 雙水相的分離。2.2 雙水相萃取過程 在實(shí)際操作中，經(jīng)常將固狀(或濃縮的)聚合物和鹽直接加入到細(xì)胞勻漿液中，同時(shí)進(jìn)行機(jī)械攪拌使成相物質(zhì)溶解，形成雙水相。 溶質(zhì)在兩相中發(fā)生物質(zhì)傳遞，達(dá)到分配平衡。 聚合物和鹽的溶解多為萃取過程的速率控制步驟。達(dá)到分配平衡后的兩相分離可采用重力沉降(靜置分層)或離心沉降法。2.3 雙水相萃取的優(yōu)點(diǎn) 雙水相萃取對于生物物質(zhì)的分離和純化表現(xiàn)出特有的優(yōu)點(diǎn)和獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下方面： 易于放大。各種參數(shù)可以按比例放大而產(chǎn)物收率并不降低。雙水相

8、系統(tǒng)之間的傳質(zhì)和平衡過程速度快，回收效率高，能耗較小，速度快。如選擇適當(dāng)體系，同收率可達(dá)80以上，提純倍數(shù)可達(dá)220倍。 易于進(jìn)行連續(xù)化操作，設(shè)備簡單，且可直接與后續(xù)提純工序相連接，無需進(jìn)行特殊處理。 雙水相體系的相間表而張力大大低于有機(jī)溶劑與水相之間的相間張力，相分離條件溫和，因而會保持絕大部分生物分子的活性，可直接用在發(fā)酵液中。影響雙水相體系的因素比較復(fù)雜，可以采取多種手段來提高選擇性或提高收率。操作條件溫和，整個(gè)操作過程在常溫常壓下進(jìn)行。不存在有機(jī)溶劑殘留問題，高聚物一般是不揮發(fā)性物質(zhì)，因而操作環(huán)境對人體無害。 親和雙水相萃取技術(shù)可以提高分配系數(shù)和萃取的專一性。雙水相萃取技術(shù)缺點(diǎn)易乳化、相分離時(shí)間長，成相聚合物的成本較高，水溶性高聚物大多數(shù)黏度較大，不易定量控制；水溶性的高聚物難以揮發(fā)，使反萃必不可少，高聚物回收