双水相萃取.doc.doc

4.4 双水相萃取与应用 4.4.1 概 述 （1）定义： 双水相系统：因两种水溶性聚合物的水溶液，或一 种水溶性聚合物水溶液与盐溶液混合时的不相容性而形成有明显界面的两相系统。 （2）特点： 两相均含有大量的水（高达80%以上）， 界面张力小，一般只有0.5-10-4mN/m， 萃取环境和条件温和， 生物相容性好，有时有稳定作用； 分配系数可控：聚合物修饰、相系统组 成、操作条件容易放大，几百倍。 （3）发展历史： 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。 1956年瑞典lund大学的Albertsson教授及其同事开始对双水相系统进行比较系统研究。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。只局限于实验室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、工程设备、成本分析等进行了大量研究，在应用上获得成功。1978年首先将双水相萃取技术用于酶的大规模分离纯化，建成了一套工业装置，达到20kg/h的处理能力，分离纯化了几十种酶，也应用于基因工程产品的分离。 双水相萃取可分离多肽、蛋白质、酶、核酸、病毒、细胞、细胞器、细胞组织，以及重金属离子等，近年来，还应用于一些小分子，如抗生素、氨基酸和植物的有效成分等的分离纯化。作为反应系统用于酶反应，生物转化，发酵的产物生产与分离的集成 （4）缺点和不足： 双水相系统含较高浓度的水溶性聚合物和盐，会带到产物中，去除需要辅助处理方法。 成本较高。即使水溶性聚合物和盐尽管回收再用。 选择性较低，分离纯化倍数低，一般只适用于粗分离。 研究最多的几种典型双水相系统： 4.4.2 双水相系统及成相机理 两种水溶性聚合物溶液混合，形成单一相还是两相，主要取决于两种因素：系统熵的增加；分子间的作用力。 熵的增加与分子数目有关，而与分子大小无关；分子之间的相互作用力可看作分子中各基团相互作用力之和，随分子量的增加而增加。分子量大的聚合物以摩尔计的相互作用能超过混合熵的增加而起主导作用，进而决定聚合物溶液混合发生的现象。当两种聚合物之间互不相容，而排斥，它们的线团结构无法互相渗透，导致一种分子为同种分子所包围，在达到平衡后，形成了互不相容的各自富含单一种聚合物的两相。 Zaslavsky等人认为，聚合物引起水溶液结构变化是促进相分离的主要原因。X-射线衍射数据表明，无水时葡聚糖（DEX）与聚乙烯醇(PVA)混合物(1:1)并不表现不相溶性。在水溶液中，即使在低浓度（3.5%DEX和2.45%PVA）下也会发生相分离。 在水溶液中，聚合物的长链分子通过氢键同周围的水分子发生强烈地相互作用，每一个氧原子结合两个水分子，使溶液中的PEG分子被一层高度有序的水合作用层所包围。葡聚糖虽无与PEG类似的结构，但同样，分子中的羟基通过氢键作用在分子周围形成水分子层。 两种聚合物周围形成不同的互不相容的分子结构造成相分离。这一机理可解释温度、添加无机盐和尿素等对相分离行为的影响。按聚合物对溶剂水性质的影响程度为PEG＞PVA＞PVP＞Ficoll＞DEX，而成相所需聚合物浓度为DEX-PVA＜DEX-PEG＜DEX-PVP＜DEX-Ficoll。综合考虑聚合物的分子量因素，二者的次序十分一致。 某些水溶性聚合物溶液与某些盐溶液混合，两者浓度达到一定值时，也会分为两相，形成聚合物-盐双水相系统。机理不清楚。一种解释为‘盐析’作用。 无机盐和简单的有机盐均可，其成相相对能力与其盐析能力次序基本一致。阴离子作用比阳离子重要。多原子离子比单原子离子更有效，成相浓度低。大而电荷密度低的单原子阴离子容易与PEG分子中 的氧偶极子发生作用，成相浓度高，无法使用。但它们可以作为中性盐添加组分加入聚合物/聚合物和聚合物/盐系统中，用于改变分配系数。 对于聚合物/盐系统，因盐比葡聚糖便宜得多，使得聚乙二醇(PEG)/盐系统具有工业上应用优势。 4.4.3 选择双水相的原则 能够获得高的产物回收和生物活性回收，高的分离纯化倍数； 系统的物理化学性质有利于大规模的应用，有良好的工艺性能，系统黏度低，相分离快，达到相平衡时间短，工艺参数容易控制，工艺条件可调性范围大； 系统经济，成本低，无毒，适合大规模应用。 4.4.4 双水相系统相图 （1）成相及上、下相组成: 相图中TCB联线为一双节点线，双节点线下方为单相区；双节点线上方为两相区。如果系统组成处于该区，如M点时，系统分为两相，而上相和下相的组成分别为通过M点与双节点线相交的T和B点相对应的组成。上相主要含有PEG，下相主要含有葡聚糖或盐。