双水相萃取法

1、第七章 双水相萃取11. 教学内容双水相分离理论；双水相的形成；相图与物质在两相中的分配；双水相萃取技术的应用与发展。2教学基本要求 了解双水相形成原理及在生物工程领域中的应用；掌握双水相萃取技术的概念、优缺点。3重点与难点 双水相相图极其应用。1 双水相体系1.1 双水相的形成机理 把两种或两种以上具有一定浓度的亲水性聚合物溶液混合后静置，这些亲水性的高分子聚合物并不混为一相，而是分成多个液相，这种现象称之为聚合物的不相容性。由于这些聚合物都是以水作为溶剂;因此形成上述的两个相体系就称双水相体系。定义: 利用双水相的成相现象及待分离组分在两相间分配系数的差异，进行组分分离或多水相提纯的技术就

2、叫做双水相萃取技术。 双水相的成相原因: 空间阻碍作用 根据热力学第二定律可知，混合是熵增加的过程，因而可自发进行。 另一方面，分子间存在相互作用力，并且这种分子间相互作用力随相对分子质量的增大而增大。 当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与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。 1.2 相图 把双水相体系中的组成成分，分别以不同的浓度相混，然后观察其成相过程，把此过程以图的形式描绘下来，即称为此种双水相体系的相图。 不同的双水相体系，其成相条件是不同的，相

3、图常被用于研究不同双水相体系中的成相现象。用A点代表体系总组成，B点和C点分别代表互相平衡的上相和下相组成，称为节点。A、B、C三点在一条直线上，称为系线(tiellne)。系线的长度是衡量两相间相对差别的尺度，系线越长，两相间的性质差别越大，反之则越小。若A向双节线移动，B、C两点接近，系线长度趋向于零时，即A点在双节线K点时，体系变成一相，K称为临界点。在同一系线上不同的点，总组成不同，而上、下两相组成相同，只是两相体积VT、VB不同，但它们均服从杠杆原理。B相和C相质量之比等于系线上CA与AB的线段长度之比。又由于两相密度相差很小(双水相体系上相和下相密度常在1.01.1kgdm3之间)

4、，故上下相体积之比也近似等于系线上CA与AB线段长度之比，即：1.3 常用的双水相体系常用体系 双水相萃取中常采用的双聚合物系统为PEG/Dex，该双水相的上相富含PEG，下相富含Dex。 2.1 影响物质分配平衡的因素 影响物质在双水相系统中分配的主要因素有： 组成双水相体系的高聚物类型； 高聚物的平均分子量和分子量分布； 高聚物的浓度； 成相盐和非成相盐的种类；盐的离子强度；pH值。(1)高聚物的分子量 在高聚物浓度保持不变的前提下，降低该高聚物的分子量，被分配的可溶性生物大分子如蛋白质或核酸，或颗粒如细胞或细胞碎片和细胞器，将更多的分配于该相。对PEG Dcxtran体系而言，Dextr

5、an分子量减小，分配系数会减小； PEG 的分于量减小，物质的分配系数会增大(见表2-13)，这是一条普遍规律。(2)高聚物浓度界面张力的影响 当成相系统的总浓度增大时，系统远离临界点，系线长度增加，两相性质的差别(疏水性等)增大，界面张力也随着增大，蛋白质分子的分配系数将偏离临界点处的值(m=1)，即大于1或小于1。(3)盐类 由于盐的正、负离子在两相间的分配系数不同，两相间形成电势差，从而影响带电生物大分子的分配。 研究还发现，当盐类浓度增加到一定程度，由于盐析作用蛋白质易分配于上相。分配系数几乎随盐浓度成指数增加，且不同的蛋白质增大程度各异。利用此性质可使蛋白质相互分离。KCl对分配的影

6、响与NaCI类似。(4)pH值 pH值对分配的影响源于两个方面的原因。第一，pH值会影响蛋白质分子所带电荷的性质和数量。第二，pH值影响磷酸盐的离解程度，从而改变H2PO4-和HPO42- 之间的比例，进而影响相间电位差。这样蛋白质的分配因pH值的变化发生变化。pH值的微小变化会使蛋白质的分配系数政变23个数量级。(5)温度温度越高发生相分离所需的高聚物浓度越高。在临界点附近对双水相体系形成的影响更为明显。但一般来说，当双水相系统离双节线足够远时，12的温度改变不影响目标产物的萃取分离。 由于高聚物对生物活性物质有稳定作用，在大规模生产中多采用常温操作，从而节省冷冻费用。但适当提高操作温度，体

7、系黏度较低，有利于分离。2.2 双水相萃取过程 双水相萃取过程包括以下几个步骤： 双水相的形成； 溶质在双水相中的分配； 双水相的分离。2.2 双水相萃取过程 在实际操作中，经常将固状(或浓缩的)聚合物和盐直接加入到细胞匀浆液中，同时进行机械搅拌使成相物质溶解，形成双水相。 溶质在两相中发生物质传递，达到分配平衡。 聚合物和盐的溶解多为萃取过程的速率控制步骤。达到分配平衡后的两相分离可采用重力沉降(静置分层)或离心沉降法。2.3 双水相萃取的优点 双水相萃取对于生物物质的分离和纯化表现出特有的优点和独有的技术优势，具体表现在以下方面： 易于放大。各种参数可以按比例放大而产物收率并不降低。双水相

8、系统之间的传质和平衡过程速度快，回收效率高，能耗较小，速度快。如选择适当体系，同收率可达80以上，提纯倍数可达220倍。 易于进行连续化操作，设备简单，且可直接与后续提纯工序相连接，无需进行特殊处理。 双水相体系的相间表而张力大大低于有机溶剂与水相之间的相间张力，相分离条件温和，因而会保持绝大部分生物分子的活性，可直接用在发酵液中。影响双水相体系的因素比较复杂，可以采取多种手段来提高选择性或提高收率。操作条件温和，整个操作过程在常温常压下进行。不存在有机溶剂残留问题，高聚物一般是不挥发性物质，因而操作环境对人体无害。 亲和双水相萃取技术可以提高分配系数和萃取的专一性。双水相萃取技术缺点易乳化、相分离时间长，成相聚合物的成本较高，水溶性高聚物大多数黏度较大，不易定量控制；水溶性的高聚物难以挥发，使反萃必不可少，高聚物回收