双水相萃取技术

双水相萃取技术的应用及研究进展

班级：生物工程10-1

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双水相萃取技术的应用及研究进展

孙兵川

（郑州轻工业学院，河南郑州）

摘要:双水相萃取技术作为一项新的分离技术日益受到重视,它与传统的萃取方法相比有

独特的优点。本文综述了双水相萃取技术基本原理、特点、应用及热力学模型,并对双水相萃取技术存在的问题和研究进展作了论述和介绍。

关键词:双水相萃取;分离纯化;生物物质

Research progress and application of aqueous

two-phase extraction

Abstract：Aqueous two-phase extraction technique, a new separation technology , is more and more attached importance to, it has a unique advantage compared with the traditional extraction method. This paper reviews the basic principle, characteristic, application and the thermodynamic model of aqueous two-phase extraction technology, and the existing problems and the Research progress of aqueous two-phase extraction are discussed and introduced.

Keywords: aqueous two phase extraction; separation and purification; biological material

前言：随着基因工程、蛋白质工程、细胞培养工程、代谢工程等高新生物技术研究工作的广泛展开,各种生化新产品不断涌现,但由于大部分的生物产品原液是具有低浓度和生物活性的,对分离条件以及环境要求极其苛刻,使得传统的液液萃取已不能适应分离要求,因此一种新型的液液分离技术———双水相萃取技术应运而生。双水相萃取技术是利用组分在两水相间分配的差异而进行组分的分离提纯的技术。由于双水相萃取分离过程条件温和,可调节因素多,易于放大和操作,并可借助传统溶剂萃取的相关理论和经验,不存在有机溶剂残留问题,特别适用于生物物质的分离和提纯。目前,双水相萃取技术已被广泛地应用于医药化学、细胞生物学、生物化工和食品工业等领域,被认为是生物下游工程中一种具有广阔应用前景的分离技术。

1．双水相萃取原理

双水相萃取与一般的水2有机物萃取的原理相似,都是依据物质在两相间的选择性分配。当萃取体系的性质不同,物质进入双水相体系后,由于分子间的范德华力、疏水作用、分子间的氢键、分子与分子之间电荷的作用,目标物质在上、下相中的浓度不同,从而达到分离的目的。溶质(包括蛋白质等大分子物质、稀有金属以及贵金属的络合物、中草药成分等)在双水相体系中服从Nernst分配定律:

K=Ct/Cb

其中ct、cb分别代表溶质在上相、下相中的浓度。系统固定时,分配系数为一常数,与溶质的浓度无关。当目标物质进入双水相体系后,在上相和下相间进行选择性分配,这种分配关系与常规的萃取分配关系相比,表现出更大或更小的分配系数。如各种类型的细胞粒子、噬菌体的分配系数都大于100或者小于0.01,因此为物质分离提供了可能。

2．双水相萃取体系的特点

(1)整个体系的含水量高(70 %～90 %) ,萃取是在接近生物物质生理环境的

条件下进行,故而不会引起生物活性物质失活或变性;

(2)单级分离提纯效率高。通过选择适当的双水相体系,一般可获得较大的分配系数,也可调节被分离组分在两相中的分配系数,使目标产物有较高的收率;

(3)传质速率快,分相时间短。双水相体系中两相的含水量一般都在80 %左右,界面张力远低于水-有机溶剂两相体系,故传质过程和平衡过程快速;

(4)操作条件温和,所需设备简单。整个操作过程在室温下进行,相分离过程非常温和,分相时间短。大量杂质能与所有固体物质一起去掉,大大简化分离操作过程;

(5)过程易于放大和进行连续化操作。双水相萃取易于放大,各种参数可以按比例放大而产物收率并不降低,易于与后续提纯工序直接相连接,无需进行特殊处理,这对于工业生产来说尤其有利;

(6)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;

(7)双水相萃取处理容量大,能耗低。主要成本消耗在聚合物的使用上,而聚合物可以循环使用,因此生产成本较低。

3．双水相技术的研究进展

(1)廉价新型双水相系统的开发

目前双水相萃取技术走向工业化所需解决的最大问题是构成双水相成相系统组分的价格十分昂贵。为了解决这个问题,国内外进行了大量的研究,一方面用廉价的无机盐代替以往常用的昂贵的葡聚糖,硫钠、硫酸镁、碳酸钾等盐与PEG 形成的双水相系统现已经大量用于萃取操作;另一方面开发可替代聚乙二醇和葡聚糖的高聚物。变性淀粉PPT、阿拉伯树胶、Reppa/ PES 的淀粉衍生物、Pulluan 的微生物多糖、糊精、麦芽糖糊精、乙基羟乙基纤维素等取代葡聚糖,乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羟基纤维素等替代PEG,均取得阶段性的成果。

此外,有利用临界胶束浓度下表面活性剂的特异自组织行为及良好的稳定性形成的ATPS ,此类ATPS 分相依据的是胶束的形成,包括由非离子型表面活性剂组成的ATPS 和由离子型表面活性剂组成的ATPS。这些由表面活性剂组成的ATPS 与传统ATPS 相比有含水量更高,两相更容易分离,表面活性剂用量很少且可循环利用等独特的优点。

(2)亲和双水相萃取技术

亲和吸附具有专一性强,分离效率高等特点。利用其特点,将亲和吸附与双水相萃取技术相结合,即对成相聚合物进行化学修饰。该体系不仅具有萃取系统处理量大、放大简单等优点,而且具有亲和吸附专一性强、分离效率高的特点。(3)生物转化与双水相萃取技术相结合

在生物转化过程中,随着转化的产物量的增加,常会抑制生化过程的进行。因此,及时移走产物是生化反应中的主要问题之一。将双水相系统与生物转化相结合,形成双水相生物转化,解决了生物转化过程中存在的产物抑制以及生物催化剂回收利用两方面的问题,为生物转化赋予了新的内涵。

(4)双水相萃取与膜分离相结合

利用中空纤维膜传质面积大的特点,将膜分离与双水相萃取相结合,可以大大加快萃取传质速率。利用膜将双水相体系隔开,可解决双水相萃取的乳化和生物活性物质在界面的吸附问题。因此,将膜分离同双水相萃取技术相结合,是解决双水相体系易乳化问题及加快萃取速率的有利手段。

(5)双水相萃取与细胞破碎过程相结合

利用高速珠磨机,将细胞破碎和双水相萃取同时在珠磨机内进行。由于珠磨机内有良好的混合条件,PEG、无机盐和水得到充分混合,形成均匀的双水相分散体系。经过珠磨机加工的匀浆直接用离心机分相,细胞碎片分配在下相,胞内产物分配在上相。这种方法不仅节省了萃取设备和时间,而且由于双水相对很多蛋白质具有保持活性的特点,可以避免胞内产物的损失。

(6)双水相电泳

双水相电泳技术就是电泳技术与萃取技术交叉藕合形成的一种新型分离技术,该技术是在多液相状态,既可以克服对流(返混) 的不利影响,又有利于被分离组分的移出。此外,国内外又相继开展了微重力双水相萃取、高速逆流双水相分配、双水相电萃取、温度诱导相分离双水相萃取等新技术的研究。

4．双水相萃取技术的应用

(1)生物工程技术中物质的提取与纯化

双水相萃取分离技术已应用于蛋白质、生物酶、菌体、细胞、细胞器和亲水性生物大分子以及氨基酸、抗生素等生物小分子物质的分离、纯化。生物酶类在双水相的分离和纯化中，部分已经实现了工业化。如工业化分离甲酸脱氢酶处理量达到50kg湿细胞规模，萃取收率在90%以上，纯化因子为1~8。在细胞、蛋白质、病毒、抗生素等物质的分离方面，文献陆续报道，如用PEG/无机盐体系分离含胆碱受体的细胞；用双水相体系从牛奶中纯化蛋白；用PEG/NadS双水相体系对脊髓病毒和线病毒进行纯化；用PEG/K2HPO4双水相体系处理青霉素 G发酵液等等的回收率、分配系数均达到较大值。

(2)中草药有效成分的提取

中草药是我国的国宝，已有几千年的应用历史，但是有关中草药有效成分的确定和提取技术在国内发展一直比较缓慢，这无疑限制了中药药理学的发展、深化以及中药现代化。近几年来，有关双水相萃取技术提取中草药有效成分的文献开始报道，尽管数量不多，但是已有的实例充分表明其有良好的应用前景。以乙醇(EtOH)-磷酸氢二钾(K2HPO4)-水（H2O）双水相体系萃取甘草有效成分，在最佳条件下，分配系数(K)到达12.80，收率(Y)高达 98.3%。用双水相萃取体系富集分离银杏叶浸取液的研究，也表现良好的分配系数和分离效果。（3）双水相萃取分析

常规的检测生物物质的技术既繁琐又费时，很难及时满足现代生化生产分析的要求，因而开发一种快速、方便、准确的生物活性物质的检测技术是必要的。基于液-液体系或界面性质而开发的分析检测技术是一项潜在的有应用价值的生化检测分析技术。这一技术已成功地应用于免疫分析、生物分子间相互作用力的测定和细胞数的测定。如强心药物异羟基毛地黄毒苷（简称黄毒苷）的免疫测定，双水相体系检测螺旋霉素的电化学方法都利用生物物质在双水相体系的分配系数的不同为基础进行的分析。

（4）稀有金属/贵金属分离

传统的稀有金属/贵金属溶剂萃取方法存在着溶剂污染环境，对人体有害，运行成本高，工艺复杂等缺点。双水相技术萃取技术引入到该领域，无疑是金属分离的一种新技术。在聚乙二醇2000-硫酸铵-偶氮胂双水相体系中，可以实现Ti(")与Zr的分离；在聚乙二醇PEG2000-硫酸钠-硫氰酸钾双水相体系中，实现了Co、Ni、Mo等金属离子的定量分离；在聚乙二醇（PEG）/硫酸钠(Na2SO4)双水相体系中，能从碱性氰化液中萃取分离金。

5．双水相萃取技术的局限和未来展望

目前,双水相萃取技术已被用于众多生物产品的分离提纯,并显示出众多其他分离技术不具备的优点,是一种应用前景广阔的新型生物分离技术。但是,要将这一技术开发应用到大规模生产过程,还有许多理论和实践方面的技术问题有待解决。主要表现在如下几个方面:

(1)聚合物/ 聚合物构成的双水相体系具有良好的分离性能,但用于构造双水相体系的成相聚合物的价格都比较昂贵,对于一般的生物产品,分离成本过高,在经济上是不合理的。

(2)虽然通过选择适宜的双水相体系和操作条件,可获得被分离物质在两相间较大的分配系数和较高的纯化倍数,但目标产物与成相物质的分离比较困难。

(3)双水相体系界面张力较小,虽有利于提高传质效率,但是较小的界面张力易导致乳化现象的产生,使相分离时间延长,分离效率降低。

(4)双水相体系中组分间的作用非常复杂,目前没有建立一套较为完整的理论和方法解释和预测物质在双水相体系中的相行为和被分配物质在两相中的分配行为。

(5)缺乏对双水相过程的工程放大及设备方面的研究,在体系流体力学,相际间的传质,传递过程方面研究很少。研究的方法基本上还是通过实验的方法,研究的结果只是建立在实验的基础上,大部分情况下不能外延,缺乏对过程规律的认识。

(6)对双水相萃取工艺整体的集成优化研究还不足,对分离过程中产生的大量含成相物质的稀溶液,还没有找到一条科学合理的利用及处理途径,大量含盐或含成相组分的废水溶液难以回收及处理。生物技术的发展,必将促进双水相萃取体系的完善,包括新萃取体系的开发、工艺优化、萃取剂回收、体系分相技术、萃取设备和基础理论研究等,从而更显示出双水相分离技术在生物物质分离的独特优点。

6．结论

双水相萃取技术作为一种新型的分离技术,可以利用不复杂的设备、并在温和条件下进行简单的操作就可获得较高收率和有效成分,克服了常规萃取有机溶剂对生物物质的变性作用,在萃取过程中保持生物物质的活性及构象等明显的技术优势,并且取得了一些阶段性的成果,在生物工程、药物分析、金属分离等方面有着广阔的应用前景。然而,有关双水相的应用和研究还不够,一些技术难题还有待于解决。如: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粘度较大,不易定量控制;水溶性的高聚物难以挥发,使反萃必不可少,高聚物回收困难等等。今后,随着对双水相体系研究的深入,以及其他双水相体系的不断开发,例如离子液体双水相体系,其形成机理,热力学模型、动力学模型以及工艺技术等方面的问题最终会被突破和解决,其应用领域将进一步拓宽,双水相萃取将会成为一种优良的分离技术。

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