第五章萃取技术

1、第五章第五章 萃萃 取取 技技 术术第一节第一节 萃取技术概述萃取技术概述一基本概念一基本概念1 1萃取萃取2 2反萃取反萃取3 3物理萃取和化学萃取物理萃取和化学萃取 1. 萃萃 取取萃取技术的分类萃取技术的分类萃取剂液体原料固体原料超临界流体液固萃取（浸取）双水相萃取液膜萃取反胶束萃取有机溶剂萃取液液萃取液体2反反 萃萃 取取3物理萃取和化学萃取物理萃取和化学萃取 例： 利用季铵盐(如氯化三辛基甲铵，R+Cl-)为萃取剂萃取氨基酸时，阴离子氨基酸(A-)通过与萃取剂在水相和萃取相间发生下述离子交换反应而进入萃取相。 其中横杠表示该组分存在于萃取相。ClARAClR二分配定律与分配平衡 12

2、ccA 分配定律分配定律即溶质的分配平衡规律溶质的分配平衡规律，即：在恒温恒压条件下，溶质在互不相溶的两相中达到分配平衡时，如果其在两相中的相对分子质量相等，则其在两相中的平衡浓度（摩尔浓度）之比为常数，即 （5-1） A称为分配常数。12ccA 多数情况下，溶质在各相中并非以同一种分子形态存在，特别是在化学萃取中。因此，萃取过程中常用溶质在两相中的总浓度之比表示溶质的分配平衡，该比值称为分配系数分配系数或分配比分配比 （5-2）其中，c1,t和c2,t为溶质在相1和相2中的总摩尔浓度，m为分配系数。ttccm, 1, 2第二节 溶剂萃取一弱电解质的分配平衡一弱电解质的分配平衡弱电解质在水相中

3、发生不完全解离，弱电解质在水相中发生不完全解离，仅仅是游离酸或游离碱在两相产生分配平仅仅是游离酸或游离碱在两相产生分配平衡，而酸根或碱基不能进入有机相。衡，而酸根或碱基不能进入有机相。萃取达到平衡状态时，一方面弱电解萃取达到平衡状态时，一方面弱电解质在水相中达到质在水相中达到解离平衡解离平衡，另一方面未解，另一方面未解离的游离电解质在两相中达到离的游离电解质在两相中达到分配平衡分配平衡。 AHHAKa弱酸性电解质的解离平衡关系为：弱酸性电解质的解离平衡关系为：解离平衡常数为解离平衡常数为 （5-3）其中，其中，KaKa为弱酸的解离常数；为弱酸的解离常数； AHAH和和AA- - 分别为游离酸和

4、其酸根分别为游离酸和其酸根离子的浓度。离子的浓度。 AHHAKaHAAH如果在有机相中溶质不发生缔和，如果在有机相中溶质不发生缔和，仅以单分子形式存在，则游离的单分仅以单分子形式存在，则游离的单分子溶质符合分配定律，其分配常数为子溶质符合分配定律，其分配常数为 （5-4）其中，其中， 表示有机相中游离酸的表示有机相中游离酸的浓度，浓度，Aa为游离酸的分配常数。为游离酸的分配常数。AHAHAaAH利用一般的分析方法测得的水利用一般的分析方法测得的水相浓度为游离酸和酸根离子的总相浓度为游离酸和酸根离子的总浓度，故为方便起见，用水相总浓度，故为方便起见，用水相总浓度浓度c表示酸的浓度，即表示酸的浓度

5、，即 （5-5）AAHc合并上述三式，可得到有机相合并上述三式，可得到有机相中游离酸浓度：中游离酸浓度： （5-6）HKHcAAHaa设有机相中的浓度 和水相中浓度c之比为分配系数，则 （5-7）该式还可表示为 （5-8）其中，pKa-logKacHKHAmaaaaaapKpHmA ) 1log(二化学萃取平衡 氨基酸等两性电解质不能采用物理氨基酸等两性电解质不能采用物理萃取，而需采用化学萃取方法。萃取，而需采用化学萃取方法。常用氨基酸的萃取剂有季铵盐类常用氨基酸的萃取剂有季铵盐类（如氯化三辛基甲铵）、磷酸酯类等。（如氯化三辛基甲铵）、磷酸酯类等。氨基酸解离平衡为 其中K1和K2为解离平衡常数

6、。分别用A、A+、A-表示偶极离子、阳离子、阴离子型氨基酸。 （5-9） （5-10） AHAK1 AHAK2利用阴离子交换萃取剂氯化三辛基甲铵(TOMAC，记作R+Cl-)，只有阴离子型氨基酸与萃取剂发生离子交换反应，反应平衡常数为 （5-11）ClRAClARKeCl氨基酸和Cl-的表观分配系数分别为 （5-12） （5-13）其中，mA和mCl分别为氨基酸和氯离子的分配系数，cA为水相氨基酸总浓度 （5-14）AAcARmClClRmCl AAAcA从式(5-9)至(5-14)可推导出下式 （5-15） 12122)1 (KKHKHmKmCleClA事实上，阴离子氨基酸的离子交换反应需在

7、高于其等电点的pH范围内进行，所以式（5-14）中的A+可忽略不计，式(5-15)简化成下式 （5-16） HKKmKmcleClA221水相物理条件的影响水相物理条件的影响q水相水相pH值值q温度温度q无机盐无机盐无论是物理萃取还是化学萃取，无论是物理萃取还是化学萃取，水相水相pH值对弱电解质分配系数均具值对弱电解质分配系数均具有显著影响。有显著影响。物理萃取时，弱酸性电解质的分物理萃取时，弱酸性电解质的分配系数随配系数随pHpH降低而增大，而弱碱性电降低而增大，而弱碱性电解质则正相反。解质则正相反。 水相水相pH值值青霉素是较强的有机青霉素是较强的有机酸，较低酸，较低pH有利于青霉有利于青

8、霉素在有机相中的分配，当素在有机相中的分配，当pH大于大于6.0时，青霉素几时，青霉素几乎完全分配于水相中。乎完全分配于水相中。选择适当的选择适当的pH，不仅，不仅有利于提高青霉素的收率，有利于提高青霉素的收率，还可根据共存杂质的性质还可根据共存杂质的性质和分配系数，提高青霉素和分配系数，提高青霉素的萃取选择性。的萃取选择性。 水相水相pH值对青霉素分配系数的影响值对青霉素分配系数的影响红霉素是碱性电解质，在乙酸乙酯红霉素是碱性电解质，在乙酸乙酯和和pH9.8的水相之间分配系数为的水相之间分配系数为44.7，而，而水相水相pH降至降至5.5时，分配系数为时，分配系数为14.4。通过调节水相的通

9、过调节水相的pH值，控制溶质的值，控制溶质的分配行为，从而提高萃取率的方法已广分配行为，从而提高萃取率的方法已广泛应用于抗生素和有机酸等弱电解质的泛应用于抗生素和有机酸等弱电解质的萃取操作。萃取操作。操作时需要注意的是操作时需要注意的是pH值应尽量选值应尽量选择在使产物稳定的范围内。择在使产物稳定的范围内。 温度是影响溶质分配系数和萃取速温度是影响溶质分配系数和萃取速度的重要因素。选择适当的操作温度，度的重要因素。选择适当的操作温度，有利于目标产物的回收和纯化。有利于目标产物的回收和纯化。由于生物产物在较高温度下不稳定，由于生物产物在较高温度下不稳定，故萃取操作一般在常温或较低温度下进故萃取操

10、作一般在常温或较低温度下进行。行。 温度温度无机盐的存在可降低溶质在水相中的无机盐的存在可降低溶质在水相中的溶解度，有利于溶质向有机相中分配；另溶解度，有利于溶质向有机相中分配；另一方面可降低有机溶剂在水中的溶解度。一方面可降低有机溶剂在水中的溶解度。盐的添加量要适当，用量过多可能促盐的添加量要适当，用量过多可能促使杂质一起转入溶剂相中，同时还要考虑使杂质一起转入溶剂相中，同时还要考虑其经济性，必要时要回收。其经济性，必要时要回收。 无机盐无机盐2有机溶剂的选择有机溶剂的选择 由相似相溶原理，选择与目标产物极由相似相溶原理，选择与目标产物极性相近的有机溶剂；性相近的有机溶剂； 价廉易得；价廉易

11、得； 与水相不互溶；与水相不互溶； 与水相有较大密度差，粘度小，表面与水相有较大密度差，粘度小，表面张力适中，相分散和相分离容易；张力适中，相分散和相分离容易； 容易回收和再利用；容易回收和再利用； 毒性低，腐蚀性小，使用安全；毒性低，腐蚀性小，使用安全； 不与目标产物发生反应。不与目标产物发生反应。常用溶剂常用溶剂醇类：丁醇醇类：丁醇乙酸酯类：乙酸酯类：甲基异丁基甲酮甲基异丁基甲酮乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸丁酯乙酸丁酯乙酸戊酯乙酸戊酯3化学萃取剂化学萃取剂化学萃取是利用脂溶性萃取剂与溶化学萃取是利用脂溶性萃取剂与溶质之间的化学反应生成脂溶性复合分子质之间的化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质向有机相

12、的分配。实现溶质向有机相的分配。萃取剂与溶质之间的化学反应包括萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和络合反应等。离子交换和络合反应等。化学萃取中通常用煤油、己烷、四化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂，改氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为称为稀释剂稀释剂。用于氨基酸的化学萃取剂有季铵盐用于氨基酸的化学萃取剂有季铵盐（如氯化三辛基甲铵）等；（如氯化三辛基甲铵）等；用于抗生素的化学萃取剂有长链脂肪用于抗生素的化学萃取剂有长链脂肪酸酸( (如月桂酸如月桂酸CHCH3 3(CH(CH2 2) )1010C

13、OOH)COOH)、烃基磺酸、烃基磺酸、三氯乙酸、四丁胺和正十二烷胺等。三氯乙酸、四丁胺和正十二烷胺等。月桂酸可与链霉素形成易溶于丁醇、乙酸月桂酸可与链霉素形成易溶于丁醇、乙酸丁酯和异辛醇的复合物，该复合物在酸性丁酯和异辛醇的复合物，该复合物在酸性（pH5.5pH5.55.75.7）条件下可分解。）条件下可分解。因此，链霉素可在中性条件下和月桂酸的因此，链霉素可在中性条件下和月桂酸的存在下进行萃取，然后用酸性水溶液进行反萃存在下进行萃取，然后用酸性水溶液进行反萃取，使复合物分解，链霉素重新溶于水相中。取，使复合物分解，链霉素重新溶于水相中。带溶剂带溶剂 带溶剂能和产物形成复合物，使产物更带溶剂

14、能和产物形成复合物，使产物更易溶于有机溶剂相中，该复合物在一定条件易溶于有机溶剂相中，该复合物在一定条件下又要容易分解。下又要容易分解。4乳化现象乳化现象乳化乳化即水或有机溶剂以微小液滴形式即水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中的现象。分散于有机相或水相中的现象。 产生乳化使有机相和水相分层困难，产生乳化使有机相和水相分层困难，出现两种夹带：出现两种夹带：发酵废液发酵废液( (萃余液萃余液) )中夹带有机溶剂中夹带有机溶剂( (萃萃取液取液) )微滴，使目标产物受到损失；微滴，使目标产物受到损失；有机溶剂有机溶剂( (萃取液萃取液) )中夹带发酵液中夹带发酵液( (萃余萃余液液) )

15、，给后处理操作带来困难。，给后处理操作带来困难。 乳化产生的原因乳化产生的原因 发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等发酵液中存在的蛋白质和固体颗粒等物质，这些物质具有表面活性作用，使有物质，这些物质具有表面活性作用，使有机溶剂机溶剂( (油油) )和水的表面张力降低，油或水和水的表面张力降低，油或水易于以微小液滴的形式分散于水相或油相易于以微小液滴的形式分散于水相或油相中，形成水包油型（中，形成水包油型（O/WO/W型）乳浊液或油型）乳浊液或油包水型（包水型（W/OW/O型）乳浊液。型）乳浊液。解决办法解决办法l 在萃取操作前，对发酵液进行过滤或絮凝在萃取操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理。沉

16、淀处理。l 产生乳化后，可根据乳化的程度和乳浊液产生乳化后，可根据乳化的程度和乳浊液的形式，采取适当的破乳手段。的形式，采取适当的破乳手段。常用的破乳方法常用的破乳方法如果乳化现象不严重，可采用过滤或离心沉如果乳化现象不严重，可采用过滤或离心沉降的方法。降的方法。对于对于O/WO/W型乳浊液，加入亲油性表面活性剂，型乳浊液，加入亲油性表面活性剂，可使乳浊液从可使乳浊液从O/WO/W型转变成型转变成W/OW/O型，但由于溶液条型，但由于溶液条件不允许件不允许W/OW/O型乳浊液的形成，即乳浊液不能存型乳浊液的形成，即乳浊液不能存在，从而达到破乳的目的。在，从而达到破乳的目的。对于对于W/OW/O

17、型乳浊液，加入亲水性表面活性剂型乳浊液，加入亲水性表面活性剂如十二烷基磺酸钠可达到破乳的目的。如十二烷基磺酸钠可达到破乳的目的。 概述概述 反胶束及其基本性质反胶束及其基本性质 反胶束萃取的基本原理反胶束萃取的基本原理 影响反胶束萃取蛋白质的主要因素影响反胶束萃取蛋白质的主要因素 反胶束萃取蛋白质的应用示例反胶束萃取蛋白质的应用示例1 1）大部分蛋白质不溶于有机溶剂，而且）大部分蛋白质不溶于有机溶剂，而且接触有机溶剂会变性；接触有机溶剂会变性；2 2）蛋白质分子表面带有许多电荷，普通）蛋白质分子表面带有许多电荷，普通的离子缔合型萃取剂很难进行萃取。的离子缔合型萃取剂很难进行萃取。传统溶剂萃取方

18、法难以应用于蛋白质传统溶剂萃取方法难以应用于蛋白质的提取和分离：的提取和分离：反胶束萃取的研究始于反胶束萃取的研究始于2020世纪世纪7070年代末期，近年来该研究已经在国年代末期，近年来该研究已经在国内外深入开展。内外深入开展。反胶束萃取的问世，为蛋白质的反胶束萃取的问世，为蛋白质的分离提取开辟了一条具有工业开发分离提取开辟了一条具有工业开发前景的新途径。前景的新途径。反胶束萃取的本质仍是液液有机溶剂反胶束萃取的本质仍是液液有机溶剂萃取，但又有区别：萃取，但又有区别：1 1）利用表面活性剂在有机相中形成反胶）利用表面活性剂在有机相中形成反胶束，从而在有机相内形成分散的亲水束，从而在有机相内形

19、成分散的亲水微环境。微环境。2 2）生物分子可溶解在反胶团的亲水微环）生物分子可溶解在反胶团的亲水微环境中，消除了蛋白质类生物活性物质境中，消除了蛋白质类生物活性物质难溶于有机相或在有机相中发生不可难溶于有机相或在有机相中发生不可逆变性的现象。逆变性的现象。反胶束萃取的优点：反胶束萃取的优点：成本低、溶剂可反复使用、萃取率成本低、溶剂可反复使用、萃取率和反萃取率都很高。和反萃取率都很高。解决蛋白质在非细胞环境中迅速解决蛋白质在非细胞环境中迅速失活的问题；失活的问题；用于直接从整细胞中提取蛋白质用于直接从整细胞中提取蛋白质和酶。和酶。潜在的优势：潜在的优势： 概述概述 反胶束及其基本性质反胶束及

20、其基本性质 反胶束萃取的基本原理反胶束萃取的基本原理 影响反胶束萃取蛋白质的主要因素影响反胶束萃取蛋白质的主要因素 反胶束萃取蛋白质的应用示例反胶束萃取蛋白质的应用示例向水中加入表面活性剂，浓度达到一定值向水中加入表面活性剂，浓度达到一定值后，将发生表面活性剂分子的缔合或自聚集，后，将发生表面活性剂分子的缔合或自聚集，形成形成胶束胶束。表面活性剂在水溶液中形成胶束。表面活性剂在水溶液中形成胶束的最低浓度称为的最低浓度称为临界胶束浓度临界胶束浓度（CMCCMC）。）。胶束中，表面活性胶束中，表面活性剂亲水头部向外，与水剂亲水头部向外，与水相接触，而疏水尾部埋相接触，而疏水尾部埋在胶束内部。在胶束

21、内部。向有机溶剂中加入某种表面活性剂，浓度向有机溶剂中加入某种表面活性剂，浓度超过一定值时，也会形成胶束。超过一定值时，也会形成胶束。反胶束的形成反胶束的形成有机溶剂中胶束有机溶剂中胶束的表面活性剂分子的的表面活性剂分子的疏水尾部向外，而亲疏水尾部向外，而亲水头部向内，称为水头部向内，称为反反胶束胶束。当表面活性剂在有机溶剂中形当表面活性剂在有机溶剂中形成反胶束时，水在有机溶剂中的溶成反胶束时，水在有机溶剂中的溶解度随表面活性剂浓度线性增大。解度随表面活性剂浓度线性增大。通过测定有机相中平衡水浓度通过测定有机相中平衡水浓度的变化，可以确定的变化，可以确定形成反胶束的最形成反胶束的最低表面活性剂

22、浓度低表面活性剂浓度。 反胶束的形成是表面活性剂分子反胶束的形成是表面活性剂分子自发形成的纳米尺度的聚集体，是热自发形成的纳米尺度的聚集体，是热力学稳定的体系。力学稳定的体系。 在有机相中反胶束以非常高的速度生成在有机相中反胶束以非常高的速度生成和破灭，不停地交换其构成分子，这一过程和破灭，不停地交换其构成分子，这一过程符合二级反应动力学，速率常数约为符合二级反应动力学，速率常数约为10106 6-10-107 7 m m3 3/kmol/kmols s。 n形状：多为球形或近球形。形状：多为球形或近球形。n反胶束内溶解的水通常称为反胶束内溶解的水通常称为微水相微水相或或“水池水池”。n大小：

23、与溶剂和表面活性剂的种类与大小：与溶剂和表面活性剂的种类与浓度、温度、离子强度等有关。一般浓度、温度、离子强度等有关。一般为为520nm。利用利用AOTAOT形成的反胶束水核直径一般不形成的反胶束水核直径一般不超过超过12nm12nm，其中大致可容纳一个直径，其中大致可容纳一个直径5 510nm10nm的蛋白质。的蛋白质。当蛋白质的相对分子量超过当蛋白质的相对分子量超过100kD100kD时便时便难于溶解到反胶束中。难于溶解到反胶束中。 概述概述 反胶束及其基本性质反胶束及其基本性质 反胶束萃取的基本原理反胶束萃取的基本原理 影响反胶束萃取蛋白质的主要因素影响反胶束萃取蛋白质的主要因素 反胶束

24、萃取蛋白质的应用示例反胶束萃取蛋白质的应用示例1蛋白质在反胶束中的溶解模型蛋白质在反胶束中的溶解模型水壳模型水壳模型蛋白质被蛋白质被吸附在反吸附在反胶束内壁胶束内壁蛋白质的疏蛋白质的疏水部水部 分直接分直接与有机相接与有机相接触触蛋白质的疏水蛋白质的疏水区与被多个反区与被多个反胶束疏水尾部胶束疏水尾部作用，并被反作用，并被反胶束所溶解胶束所溶解对于亲水性蛋白质，对于亲水性蛋白质，目前普遍接受的是目前普遍接受的是“水水壳壳”模型模型：大分子的蛋：大分子的蛋白质被封闭在白质被封闭在“水池水池”中，表面存在一层水化中，表面存在一层水化层与胶束内表面分隔开，层与胶束内表面分隔开，从而使蛋白质不与有机从

25、而使蛋白质不与有机溶剂直接接触。溶剂直接接触。 光散射研究证实了在蛋白质分子光散射研究证实了在蛋白质分子周围至少存在一个单分子水层；周围至少存在一个单分子水层； -糜蛋白酶在反胶束中的荧光特糜蛋白酶在反胶束中的荧光特性与在主体水中很相像；性与在主体水中很相像； 反胶束中酶所显示的动力学特性反胶束中酶所显示的动力学特性接近于在主体水中。接近于在主体水中。 2蛋白质溶入反胶束溶液的推动力蛋白质溶入反胶束溶液的推动力 表面活性剂与蛋白质的静电相互作用表面活性剂与蛋白质的静电相互作用 反胶束与生物分子的空间相互作用反胶束与生物分子的空间相互作用 反胶束与生物分子的疏水性相互作用反胶束与生物分子的疏水性

26、相互作用（1）静电相互作用）静电相互作用 反胶束相一般使用离子型表面活性剂反胶束相一般使用离子型表面活性剂来制备，其中应用最多的是来制备，其中应用最多的是阴离子型阴离子型表面表面活性剂化学名为丁二酸活性剂化学名为丁二酸-2-2-乙基己基酯磺乙基己基酯磺酸钠酸钠AOTAOT，阳离子型阳离子型表面活性剂主要有氯表面活性剂主要有氯化三辛基甲铵（化三辛基甲铵（TOMACTOMAC）和溴化十六烃基）和溴化十六烃基三甲胺（三甲胺（CATBCATB）等季铵盐。）等季铵盐。这些表面活性剂所形成的反胶束内表这些表面活性剂所形成的反胶束内表面带有负电荷（面带有负电荷（AOTAOT）或正电荷（）或正电荷（TOMAC

27、TOMAC和和CATBCATB）。）。当水相当水相pHpH偏离蛋白质等电点时，蛋偏离蛋白质等电点时，蛋白质带正电荷或负电荷，与表面活性白质带正电荷或负电荷，与表面活性剂间的静电相互作用影响其萃取率剂间的静电相互作用影响其萃取率。理论上，蛋白质所带电荷与表面活理论上，蛋白质所带电荷与表面活性剂相反时，易溶于反胶束，反之，性剂相反时，易溶于反胶束，反之，则不能溶解则不能溶解。（2）位阻效应）位阻效应反胶束的含水量反胶束的含水量W W0 0（每个反胶束中水（每个反胶束中水与表面活性剂的摩尔浓度比）是衡量反与表面活性剂的摩尔浓度比）是衡量反胶束增溶能力的重要参数。胶束增溶能力的重要参数。含水量的变化影

28、响反胶束含水量的变化影响反胶束“水池水池”的物理性能的物理性能( (大小、形状等大小、形状等) )及其中水的及其中水的活度，进而会影响蛋白质等大分子的增活度，进而会影响蛋白质等大分子的增溶或排斥，达到选择性萃取的目的，这溶或排斥，达到选择性萃取的目的，这就是所谓的就是所谓的位阻效应位阻效应。反胶束含水量降低时，反胶束直反胶束含水量降低时，反胶束直径减小，空间排阻作用增大，蛋白质径减小，空间排阻作用增大，蛋白质萃取率降低；萃取率降低；蛋白质相对分子量增大时，空间蛋白质相对分子量增大时，空间排阻作用增大，蛋白质萃取率降低。排阻作用增大，蛋白质萃取率降低。（3）疏水性相互作用）疏水性相互作用蛋白质的

29、疏水性影响它在反胶束蛋白质的疏水性影响它在反胶束中的溶解形式，因而影响其萃取率。中的溶解形式，因而影响其萃取率。疏水性较大的蛋白质溶解在反胶束中的疏水性较大的蛋白质溶解在反胶束中的形式并非水壳模型，因而其分配系数随蛋白形式并非水壳模型，因而其分配系数随蛋白质疏水性的增大而增大。质疏水性的增大而增大。 概述概述 反胶束及其基本性质反胶束及其基本性质 反胶束萃取的基本原理反胶束萃取的基本原理 影响反胶束萃取蛋白质的主要因素影响反胶束萃取蛋白质的主要因素 反胶束萃取蛋白质的应用示例反胶束萃取蛋白质的应用示例蛋白质的萃取，与蛋白质的表面电荷和蛋白质的萃取，与蛋白质的表面电荷和反胶束内表面电荷间的静电作

30、用，以及反反胶束内表面电荷间的静电作用，以及反胶束的大小有关。胶束的大小有关。所以，任何可以增强这种静电作用或导所以，任何可以增强这种静电作用或导致形成较大的反胶束的因素，都有助于蛋致形成较大的反胶束的因素，都有助于蛋白质的萃取。白质的萃取。 通过对这些因素进行系统的研究，确定通过对这些因素进行系统的研究，确定最佳操作条件，就可得到合适的目标蛋白最佳操作条件，就可得到合适的目标蛋白质萃取率，从而达到分离纯化的目的。质萃取率，从而达到分离纯化的目的。 1水相水相pH值对萃取的影响值对萃取的影响水相的水相的pHpH值决定了蛋白质表面电荷的值决定了蛋白质表面电荷的状态，从而对萃取过程造成影响。状态，

31、从而对萃取过程造成影响。只有当反胶束内表面电荷，也就是表只有当反胶束内表面电荷，也就是表面活性剂极性基团所带的电荷与蛋白质面活性剂极性基团所带的电荷与蛋白质表面电荷相反时，两者产生静电引力，表面电荷相反时，两者产生静电引力，蛋白质才有可能进入反胶束。蛋白质才有可能进入反胶束。 对于阳离子表面活性对于阳离子表面活性剂，溶液的剂，溶液的pHpH值需高于蛋值需高于蛋白质的白质的pIpI值，反胶束萃取值，反胶束萃取才能进行；才能进行；对于阴离子表面活性对于阴离子表面活性剂，当剂，当pHpIpHpI时，萃取率几时，萃取率几乎为零，当乎为零，当pHpIpHpI时，萃取时，萃取率急剧提高；如果率急剧提高；如

32、果pHpH值很值很低，在界面上会产生白色低，在界面上会产生白色絮凝物，并且萃取率也降絮凝物，并且萃取率也降低，这种情况可认为是蛋低，这种情况可认为是蛋白质变性之故。白质变性之故。2离子强度对萃取率的影响离子强度对萃取率的影响离子强度对萃取率的影响主要是由离子对表离子强度对萃取率的影响主要是由离子对表面电荷的屏蔽作用所决定的：面电荷的屏蔽作用所决定的：离子强度增大离子强度增大反胶束内表面双电层变薄反胶束内表面双电层变薄蛋白质与反胶束内表面静电吸引减弱蛋白质与反胶束内表面静电吸引减弱蛋白蛋白质溶解度减少；质溶解度减少；同时，反胶束内表面双电层变薄同时，反胶束内表面双电层变薄表面活性表面活性剂极性基

33、团之间斥力减弱剂极性基团之间斥力减弱反胶束变小反胶束变小蛋蛋白质不能进入其中；白质不能进入其中； 离子强度增加时，增大了离子向反离子强度增加时，增大了离子向反胶束内胶束内“水池水池”的迁移并取代其中的迁移并取代其中蛋白质的倾向，使蛋白质从反胶束蛋白质的倾向，使蛋白质从反胶束内被盐析出来；内被盐析出来；盐与蛋白质或表面活性剂的相互作盐与蛋白质或表面活性剂的相互作用，可以改变溶解性能，盐的浓度用，可以改变溶解性能，盐的浓度越高，其影响就越大。越高，其影响就越大。 在较低的在较低的KClKCl浓度浓度下，蛋白质几乎全部下，蛋白质几乎全部被萃取，当被萃取，当KClKCl浓度浓度高于一定值时，萃取高于一

34、定值时，萃取率就开始下降，直至率就开始下降，直至几乎为零。几乎为零。 3表面活性剂类型的影响表面活性剂类型的影响从反胶束萃取蛋白质的机理来看，从反胶束萃取蛋白质的机理来看，应选用有利于增强蛋白质表面电荷与反应选用有利于增强蛋白质表面电荷与反胶束内表面电荷间的静电作用和增加反胶束内表面电荷间的静电作用和增加反胶束大小的表面活性剂。胶束大小的表面活性剂。实践中，为了改善萃取性能，可在实践中，为了改善萃取性能，可在单一表面活性剂中加入具有亲合作用的单一表面活性剂中加入具有亲合作用的生物表面活性剂或另一种非离子型表面生物表面活性剂或另一种非离子型表面活性剂。活性剂。 4表面活性剂浓度的影响表面活性剂浓

35、度的影响增大表面活性剂的浓度可增加反胶束增大表面活性剂的浓度可增加反胶束的数量，从而增大对蛋白质的溶解能力。的数量，从而增大对蛋白质的溶解能力。表面活性剂浓度过高时，有可能在溶表面活性剂浓度过高时，有可能在溶液中形成比较复杂的聚集体，同时会增加液中形成比较复杂的聚集体，同时会增加反萃取过程的难度。反萃取过程的难度。应选择蛋白质萃取率最大时的表面活应选择蛋白质萃取率最大时的表面活性剂浓度为最佳浓度。性剂浓度为最佳浓度。 5离子种类对萃取的影响离子种类对萃取的影响通常反胶束中表面活性剂的极性基团通常反胶束中表面活性剂的极性基团不是完全电离的，有很大一部分阳离子仍不是完全电离的，有很大一部分阳离子仍

36、在胶团的内表面上（相反离子缔合）。极在胶团的内表面上（相反离子缔合）。极性基团的电离程度愈大，反胶束内表面的性基团的电离程度愈大，反胶束内表面的电荷密度愈大，产生的反胶束也愈大。电荷密度愈大，产生的反胶束也愈大。表面活性剂电离的程度与离子种表面活性剂电离的程度与离子种类有关。类有关。极性基团的电荷密度按极性基团的电荷密度按K K+ +，CaCa2+2+，NaNa+ +，MgMg2+2+的顺序逐渐增大，电离程度的顺序逐渐增大，电离程度也相应地增大。也相应地增大。 6影响反胶束结构的其他因素影响反胶束结构的其他因素有机溶剂的影响有机溶剂的影响 有机溶剂的种类影响反胶束的大有机溶剂的种类影响反胶束的

37、大小，从而影响水增溶的能力，所以可小，从而影响水增溶的能力，所以可以利用因溶剂作用引起的不同胶束结以利用因溶剂作用引起的不同胶束结构实现选择性增溶生物分子的目的。构实现选择性增溶生物分子的目的。 助表面活性剂的影响助表面活性剂的影响 当使用阳离子表面活性剂时，引当使用阳离子表面活性剂时，引入助表面活性剂，能够增进有机相的入助表面活性剂，能够增进有机相的溶解容量，这是由于胶束尺寸增加而溶解容量，这是由于胶束尺寸增加而产生的。产生的。温度的影响温度的影响 温度的变化对反胶束系统中的物温度的变化对反胶束系统中的物理化学性质有激烈的影响，增加温度理化学性质有激烈的影响，增加温度能够增加蛋白质在有机相的

38、溶解度。能够增加蛋白质在有机相的溶解度。 概述概述 反胶束及其基本性质反胶束及其基本性质 反胶束萃取的基本原理反胶束萃取的基本原理 影响反胶束萃取蛋白质的主要因素影响反胶束萃取蛋白质的主要因素 反胶束萃取蛋白质的应用示例反胶束萃取蛋白质的应用示例1分离蛋白质混合物分离蛋白质混合物 分子量相近的蛋白质，由于它分子量相近的蛋白质，由于它们的们的pIpI值及其它因素而具有不同的值及其它因素而具有不同的溶解度，可利用反胶束溶液的选择溶解度，可利用反胶束溶液的选择性溶解进行分离。性溶解进行分离。 2浓缩浓缩-淀粉酶淀粉酶用用TOMAC/TOMAC/异辛烷反胶束溶液对异辛烷反胶束溶液对-淀粉淀粉酶水溶液进

39、行两级连续萃取和反萃取操作，酶水溶液进行两级连续萃取和反萃取操作，结果可使结果可使-淀粉酶浓缩淀粉酶浓缩8 8倍，酶活力的得倍，酶活力的得率约为率约为4545。如果在反胶束相中添加非离子型表面如果在反胶束相中添加非离子型表面活性剂以提高其分配系数并增大搅拌转速活性剂以提高其分配系数并增大搅拌转速提高其传质速率，则反萃取水相中的提高其传质速率，则反萃取水相中的-淀淀粉酶活力得率可达到粉酶活力得率可达到8585，浓缩，浓缩1717倍。倍。在在pH=9时时,核糖核糖核酸酶的溶解度核酸酶的溶解度很小很小,保留在水保留在水相而与其他两种相而与其他两种蛋白质分离蛋白质分离相分离得到的反胶束相（含细胞色相分

40、离得到的反胶束相（含细胞色素素C和溶菌酶）与和溶菌酶）与0.5mol/L的的KCl水溶液接触后，细胞色素水溶液接触后，细胞色素C被反萃被反萃到水相，而溶菌酶保留在反胶束相到水相，而溶菌酶保留在反胶束相含溶菌酶的反胶束含溶菌酶的反胶束相与相与2.0mol/L KCl，pH值为值为11.5的水相的水相接触，将溶菌酶反接触，将溶菌酶反萃取到水相中萃取到水相中反胶束萃取的优点：反胶束萃取的优点：成本低、溶剂可反复使用、萃取率成本低、溶剂可反复使用、萃取率和反萃取率都很高。和反萃取率都很高。反胶束萃取工业化待解决问题：反胶束萃取工业化待解决问题： 表面活性剂对产品的沾染表面活性剂对产品的沾染 工业规模所

41、需的基础数据工业规模所需的基础数据 反胶束萃取过程的模拟和放大技术反胶束萃取过程的模拟和放大技术第四节第四节 双水相萃取双水相萃取 概述概述 双水相体系双水相体系 双水相萃取过程的理论基础双水相萃取过程的理论基础 影响物质分配平衡的因素影响物质分配平衡的因素 成相聚合物的回收成相聚合物的回收 双水相系统的应用与发展方向双水相系统的应用与发展方向双水相萃取出现的背景双水相萃取出现的背景 能够保留产物的活性，整个操作可以连能够保留产物的活性，整个操作可以连续化，在除去细胞或细胞碎片时，还可续化，在除去细胞或细胞碎片时，还可以纯化蛋白质以纯化蛋白质2 25 5倍。倍。 处理量相同时，双水相萃取法比传

42、统的处理量相同时，双水相萃取法比传统的分离方法，设备需用量要少分离方法，设备需用量要少3 31010倍。倍。双水相萃取法的特点：双水相萃取法的特点： 概述概述 双水相体系双水相体系 双水相萃取过程的理论基础双水相萃取过程的理论基础 影响物质分配平衡的因素影响物质分配平衡的因素 成相聚合物的回收成相聚合物的回收 双水相系统的应用与发展方向双水相系统的应用与发展方向1双水相的形成双水相的形成在聚合物在聚合物- -盐或聚合物盐或聚合物- -聚合物聚合物系统混合时，会出现两个不相混溶系统混合时，会出现两个不相混溶的水相。的水相。当各种溶质均在低浓度时，可以得到当各种溶质均在低浓度时，可以得到单相匀质液

43、体；单相匀质液体；当溶质的浓度增加时，溶液会变得浑当溶质的浓度增加时，溶液会变得浑浊，在静止的条件下，会形成两个液层，浊，在静止的条件下，会形成两个液层，上层富集了上层富集了PEGPEG，而下层富集了葡聚糖。，而下层富集了葡聚糖。 聚乙二醇（聚乙二醇（PEG）和葡聚糖体系）和葡聚糖体系双水相形成原因双水相形成原因根据热力学第二定律，混合是熵增加的过程，因而可根据热力学第二定律，混合是熵增加的过程，因而可自发进行，但另一方面，分子间存在相互作用力，并且这自发进行，但另一方面，分子间存在相互作用力，并且这种相互作用力随着相对分子质量的增大而增大。种相互作用力随着相对分子质量的增大而增大。当两种高分

44、子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子量较大，分子间的相互排斥作用于混合过程的熵相对分子量较大，分子间的相互排斥作用于混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的同聚合物的两相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为现象称为聚合物不相容性聚合物不相容性。某些聚合物溶液与一些无机盐溶液某些聚合物溶液与一些无机盐溶液相混时，只要

45、浓度达到一定范围时，体相混时，只要浓度达到一定范围时，体系也会形成两相，成相机理目前还不十系也会形成两相，成相机理目前还不十分清楚。分清楚。葡聚糖本质上是一种几乎不能形成葡聚糖本质上是一种几乎不能形成偶极现象的球形分子，而偶极现象的球形分子，而PEGPEG是一种具是一种具有共享电子对的高密度直链聚合物。有共享电子对的高密度直链聚合物。2双水相系统的类型双水相系统的类型n 高聚物高聚物体系高聚物高聚物体系n 高聚物低分子物质体系高聚物低分子物质体系在高聚物低分子物质体系中，在高聚物低分子物质体系中，PEGPEG盐体系是最常见的价廉体系。盐体系是最常见的价廉体系。由于由于PEG/PEG/盐体系中盐

46、浓度太高，使得后盐体系中盐浓度太高，使得后续的纯化工艺不能采用有效的层析方法。续的纯化工艺不能采用有效的层析方法。虽然该体系的成本低，比较适合于工业虽然该体系的成本低，比较适合于工业规模的应用，但废盐水的处理比较困难。规模的应用，但废盐水的处理比较困难。 高聚物高聚物体系可以直接用离高聚物高聚物体系可以直接用离子交换层析进一步纯化，而且可回收高子交换层析进一步纯化，而且可回收高聚物，使成本大大降低。聚物，使成本大大降低。该体系的成本比该体系的成本比PEGPEG盐体系的成本盐体系的成本的高出的高出3 35 5倍，但不会造成严重的环境倍，但不会造成严重的环境污染。污染。3混溶性和相平衡混溶性和相平

47、衡（1） 相图相图 当当PEGPEG、葡聚糖、葡聚糖的组成位于曲线的上的组成位于曲线的上方方MM点时，体系就会点时，体系就会分成两相，分别有不分成两相，分别有不同的组成密度，同的组成密度，上相上相组成用组成用A A点表示，点表示，下相下相组成用组成用B B点表示，点表示，A A、B B点称为点称为结点结点。由相图可知，上由相图可知，上相主要含相主要含PEGPEG，下相主，下相主要含葡聚糖。要含葡聚糖。直线直线AMBAMB称为称为系线系线，是，是相图的重要特征，关系到相图的重要特征，关系到相的平衡组成。相的平衡组成。所有组成在系线上的所有组成在系线上的点，分成两相后，其上下点，分成两相后，其上下

48、相组成均分别为相组成均分别为A A和和B B，但，但是其体积比是其体积比(V(VA A/V/VB B) )不同，不同，相体积比可由相图上的线相体积比可由相图上的线段比段比(BM/MA)(BM/MA)估算，即服从估算，即服从杠杆规则杠杆规则。 图中图中褶点褶点S S代表系统的代表系统的临界点，在该点，两相的临界点，在该点，两相的差异减小，它们的组成和差异减小，它们的组成和体积相等。体积相等。体系中总组成的微小变体系中总组成的微小变化，都会导致一个两相体化，都会导致一个两相体系向单相体系的转变。系向单相体系的转变。从相图可见，靠近临从相图可见，靠近临界点的相间密度差较小，界点的相间密度差较小，因此

49、相的分离速度较慢；因此相的分离速度较慢；远离临界点的聚合物浓远离临界点的聚合物浓度高，聚合物富相的粘度高，聚合物富相的粘度会增加也会导致低的度会增加也会导致低的分离速度，所以在中间分离速度，所以在中间组成时，分离速度最佳。组成时，分离速度最佳。(2) 混溶性混溶性 任何两个组分的距离间隔反映了它们可能的任何两个组分的距离间隔反映了它们可能的混溶性，两个组分在表上靠得越近就越易混溶，混溶性，两个组分在表上靠得越近就越易混溶，相反离得越远，则越不易混溶，这个疏水阶梯的相反离得越远，则越不易混溶，这个疏水阶梯的概念，在选择合理的溶质对时是有用的，在有水概念，在选择合理的溶质对时是有用的，在有水的情况

50、下，可以呈现两相的特性。的情况下，可以呈现两相的特性。 概述概述 双水相体系双水相体系 双水相萃取过程的理论基础双水相萃取过程的理论基础 影响物质分配平衡的因素影响物质分配平衡的因素 成相聚合物的回收成相聚合物的回收 双水相系统的应用与发展方向双水相系统的应用与发展方向1表面自由能的影响表面自由能的影响 蛋白质等生物大分子物质在两相中的分配也服从Nerst分配定律，即 （5-18）式中ct、cb分别为上相和下相中溶质(分子或粒子)的浓度。 btccK 当相系统固定时，分配系数当相系统固定时，分配系数K K为一为一常数，与溶质的浓度无关。常数，与溶质的浓度无关。 根据两相平衡时化学位相等的根据两

51、相平衡时化学位相等的原则，可以求得分配系数原则，可以求得分配系数K服从服从Brownstedt方程式，即：方程式，即： （5-19）式中式中M M为物质相对分子质量；为物质相对分子质量；为系统的为系统的表面特性系数；表面特性系数；k k是为波尔兹曼常数；是为波尔兹曼常数；T T为温度。为温度。kTMkTEKln因为大分子物质的因为大分子物质的M M值很大，值很大，的微小的微小改变就会引起分配系数很大的变化。因此，改变就会引起分配系数很大的变化。因此，利用不同的表面性质利用不同的表面性质( (表面自由能表面自由能) )，可以，可以达到分离大分子物质的目的。达到分离大分子物质的目的。 2表面电荷的

52、影响表面电荷的影响如果粒子带有电荷，并在两相中分配不如果粒子带有电荷，并在两相中分配不相等时，就会在相间产生电位，称为相等时，就会在相间产生电位，称为道南电道南电位位，可用下式表示：，可用下式表示： （5-20）式中式中U2、U1分别表示相分别表示相2和相和相1的电位；的电位； Z+、Z-分别表示一种盐的正、负离子价；分别表示一种盐的正、负离子价； KAZ+、KBZ-分别表示当正、负离子不带电分别表示当正、负离子不带电 时在两相间的分配系数；时在两相间的分配系数； F为法拉第常数；为法拉第常数； R为气体常数；为气体常数； T为绝对温度。为绝对温度。 ZAZBKKFZZRTUUln)(12综合

53、起来，分配系数可用综合起来，分配系数可用Gerson提提出的公式表示：出的公式表示： （5-21）式中式中为表面积；为表面积；为两相表面自由能为两相表面自由能之差；之差；为电荷数；为电荷数；为电位差；为电位差；为由为由标准化学位和活度系数等组成的常数。标准化学位和活度系数等组成的常数。aKlg分配系数和表面自由能及电位差成分配系数和表面自由能及电位差成指数关系。指数关系。由于影响分配系数的因素由于影响分配系数的因素很多，加上各因素间又互相影很多，加上各因素间又互相影响，因此目前最佳条件还得靠响，因此目前最佳条件还得靠实验来得到。实验来得到。 概述概述 双水相体系双水相体系 双水相萃取过程的理论

54、基础双水相萃取过程的理论基础 影响物质分配平衡的因素影响物质分配平衡的因素 成相聚合物的回收成相聚合物的回收 双水相系统的应用与发展方向双水相系统的应用与发展方向p双水相系统的聚合物组成双水相系统的聚合物组成( (包括聚包括聚合物类型、平均分子量合物类型、平均分子量) )；p盐类盐类( (包括离子的类型和浓度、离包括离子的类型和浓度、离子强度、子强度、pHpH值值) )；p溶质的物理化学性质溶质的物理化学性质( (包括分子量、包括分子量、等电点等电点) )；p体系温度。体系温度。1双水相中聚合物组成的影响双水相中聚合物组成的影响 当两种不同聚合物的溶液混合时，可当两种不同聚合物的溶液混合时，可

55、能存在三种情况：能存在三种情况： 完全混溶性完全混溶性( (均相溶液均相溶液) )； 物理的不相容性物理的不相容性( (相分离相分离) )； 复杂的凝聚复杂的凝聚( (相分离，聚合物聚集在同一相分离，聚合物聚集在同一相中，纯溶剂相中，纯溶剂- -水聚集在另一相中水聚集在另一相中) ) 。 高聚物高聚物/ /低分子物质低分子物质( (盐盐) )体系同样体系同样可以得到双水相系统。可以得到双水相系统。近年来已作为大规模生产研究中近年来已作为大规模生产研究中使用的双水相体系，这些物质是没有使用的双水相体系，这些物质是没有毒性的，它们可以广泛地应用在食品毒性的，它们可以广泛地应用在食品和制药工业中酶和

56、活性蛋白的回收。和制药工业中酶和活性蛋白的回收。 聚合物分子量对分配系数的影响取决聚合物分子量对分配系数的影响取决于聚合物的化学性质。于聚合物的化学性质。在在PEG/PEG/葡聚糖系统中，蛋白质的分配系数葡聚糖系统中，蛋白质的分配系数随着葡聚糖相对分子质量的增加而增加。随着葡聚糖相对分子质量的增加而增加。同样，在同样，在PEG/PEG/葡聚糖系统中，蛋白质的分葡聚糖系统中，蛋白质的分配系数随配系数随PEGPEG相对分子质量的增加而降低。相对分子质量的增加而降低。1)1)经济因素；经济因素；2)2)葡聚糖的黏度非常高，经常会产生葡聚糖的黏度非常高，经常会产生凝胶状物质，使溶液的过程控制产凝胶状物

57、质，使溶液的过程控制产生了困难。生了困难。 葡聚糖的使用限制了葡聚糖的使用限制了PEG/PEG/葡聚糖葡聚糖系统的应用。系统的应用。2双水相系统物理化学性质的影响双水相系统物理化学性质的影响双水相系统的性质主要取决于下列双水相系统的性质主要取决于下列物理化学参数：密度物理化学参数：密度()()和两相间的和两相间的密度差，黏度密度差，黏度()()和两相间的黏度差和两相间的黏度差以及表面张力（以及表面张力（）。）。 表中列出了聚合物浓度对这些参数的影响。聚表中列出了聚合物浓度对这些参数的影响。聚合物浓度的增加对相体积比改变不大，但是界面宽合物浓度的增加对相体积比改变不大，但是界面宽度、两相间的密度

58、差、下相的黏度和界面张力都明度、两相间的密度差、下相的黏度和界面张力都明显增加，富含显增加，富含PEGPEG上相的黏度相对较低并且大致保上相的黏度相对较低并且大致保持恒定。持恒定。 3盐和缓冲液的影响盐和缓冲液的影响在水溶液中，存在的离子会影响在水溶液中，存在的离子会影响溶质在两水相间的分配。溶质在两水相间的分配。在一个含水混合物中引入盐时，在一个含水混合物中引入盐时，由于盐的阳离子和阴离子的不均匀分由于盐的阳离子和阴离子的不均匀分配，会在界面上产生一个电位，进而配，会在界面上产生一个电位，进而影响溶质在两相间的分配。影响溶质在两相间的分配。由于多价离子分配取决于水溶液的由于多价离子分配取决于

59、水溶液的pHpH值，故值，故pHpH值也会影响分配系数。值也会影响分配系数。使用磷酸盐缓冲液，在使用磷酸盐缓冲液，在pHpH值大于值大于7 7并且并且下相是负电时，会产生一个高的界面电位。下相是负电时，会产生一个高的界面电位。因此，等电点小于因此，等电点小于7 7的蛋白质优先地聚集在的蛋白质优先地聚集在上相，这样便增加了分配系数。上相，这样便增加了分配系数。增加盐浓增加盐浓度的办法可以度的办法可以用来提高酶的用来提高酶的分配系数。分配系数。 若在聚乙二醇若在聚乙二醇- -葡聚糖系统中加葡聚糖系统中加入入NaClONaClO4 4或或KIKI，能增加上相对带正电，能增加上相对带正电荷物质的亲和效

60、应，并迫使带负电荷物质的亲和效应，并迫使带负电的物质进入下相；的物质进入下相；若加入若加入LiLi3 3POPO4 4，则与上述效应正，则与上述效应正好相反。好相反。 只要设法改变界面电位，就只要设法改变界面电位，就能控制蛋白质等荷电大分子转入能控制蛋白质等荷电大分子转入某一相。某一相。 加入加入pHpH值大于值大于7 7的磷酸盐缓冲液，的磷酸盐缓冲液，由于其中的由于其中的HPOHPO4 42-2-离子在聚乙二醇离子在聚乙二醇- -葡葡聚糖系统中的分配系数相当低，因此聚糖系统中的分配系数相当低，因此可方便地改变界面电位，而使带负电可方便地改变界面电位，而使带负电荷的蛋白质转入富荷的蛋白质转入富