双水相体系是怎样形成的其分配机理是什么什么双水相
双水相萃取原理
双水相萃取原理双水相萃取是一种常用的分离和提取技术，广泛应用于化工、生物制药、环境保护等领域。
它是利用两种不相溶的溶剂（通常是水和有机溶剂）之间的相互作用，将目标物质从一种相中转移到另一种相中的过程。
在这个过程中，萃取剂的选择、相互作用机理、萃取条件等因素都对萃取效果有着重要的影响。
首先，我们来谈谈双水相萃取的基本原理。
在双水相系统中，两种相的界面上存在着大量的界面活性剂，这些界面活性剂能够形成胶束结构，使得两种相之间形成了一定的亲和力。
当目标物质存在于其中一种相中时，由于界面活性剂的存在，目标物质会在两种相的界面上分配，从而实现了目标物质的转移和分离。
其次，双水相萃取的原理还涉及到了萃取剂的选择。
通常情况下，我们会选择一种水相和一种有机相作为双水相系统的溶剂。
这两种溶剂的选择应该考虑到目标物质的亲和性，以及两种相之间的亲和性。
另外，萃取剂的选择还应该考虑到工艺操作的便捷性、回收利用的可行性等因素。
另外，双水相萃取的原理还受到了萃取条件的影响。
萃取条件包括温度、pH 值、搅拌速度等因素，这些条件会直接影响到目标物质在两种相中的分配情况。
通过合理地控制萃取条件，我们可以实现目标物质的高效分离和提取。
最后，双水相萃取的原理还涉及到了相互作用机理。
在双水相系统中，两种相之间的相互作用是通过界面活性剂来实现的。
界面活性剂的存在使得两种相之间形成了一定的亲和力，从而实现了目标物质的转移和分离。
同时，界面活性剂的种类和用量也会直接影响到双水相萃取的效果。
综上所述，双水相萃取是一种重要的分离和提取技术，其原理涉及到了萃取剂的选择、萃取条件的控制、相互作用机理等多个方面。
通过对这些因素的合理把握，我们可以实现对目标物质的高效分离和提取，为化工、生物制药、环境保护等领域的生产实践提供了重要的技术支持。
希望通过本文的介绍，读者能够对双水相萃取的原理有一个更加深入的了解。
双水相萃取解析
➢ 一般采用室温操作： 成相系统聚合物PEG对蛋白质有稳定作用，常温下蛋 白质不会发生变性； 常温下溶液粘度较低， 容易相分离； 常温操作节省冷却费用。
4.双水相萃取技术的发展
（1）历史：
➢ 早在1896年，Beijerinck发现，当明胶与琼脂或明胶与 可溶性淀粉溶液相混时，得到一个混浊不透明的溶液，随 之分为两相，上相富含明胶，下相富含琼脂（或淀粉）， 这种现象被称为聚合物的不相溶性（incompatibility）； ➢ 20世纪60年代，瑞典Lund大学的Albertsson P A及同事 最先提出了双水相萃取技术； ➢ 1979年，西德的Kula M R等人首次将ATPE应用于生物产 品分离；
➢大量研究表明：生物分子的分配系数取决于溶质与双水相系统 间的各种相互作用，主要有静电作用、疏水作用和亲和作用等， 其分配系数可为各种相互作用之和。
ln m ln me ln mh ln ml
①静电作用：两相系统中若有带电溶质存在，会ห้องสมุดไป่ตู้大分子在两 相间的分配系数产生影响。（图5-15） Donnan Potential:当大分子或粒子带有静电荷时，在带有电荷 分配不相等时，就会在两相间产生电位差，称为道南电位。 ②疏水作用：某些大分子物质表面具有疏水区，溶质的表面疏 水性会对其在两相间的分配系数产生影响。
3.影响双水相分配的主要因素
高聚物的相对分子质量 高聚物的浓度 盐的种类和浓度 PH值 温度
（1）高聚物的相对分子质量：
➢在高聚物浓度保持不变的前提下，降低该高聚物的相对分子质 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，将更多地分配于该相。
以PEG-Dextran体系为例，↓Dextran→K↓ ↓PEG→K↑（表5-4）
双水相萃取详细资料
三步两水相萃取酶的流程：
细胞匀浆液
第一步双水相萃取
+PEG +盐（或是葡聚糖）
分离机
下相 ） 细胞碎片
杂蛋白 （核酸、多糖）
上 相（PEG相
（目标产物）如prot、E +盐
第二步双水相萃取 静置分层
下 相（盐相） 核酸多糖
上 相（PEG相） 目标产物
杂蛋白
（亲水性较强）
+盐
第三步双水相萃取 静置分层
分子间作用力与熵增加相比占主导地位。
➢ 作用力为斥力：形成两个水相，两种高聚物分 别富集于上、下两相。
➢ 作用力为引力：也形成两个水相，但两种高聚 物都分配于一相，另一相几乎为溶剂。
➢ 作用力没有强烈的引力或斥力：完全互溶，形
成均相的高聚物水溶液
• 聚合物的不相容性：两种聚合物分子间存在斥力，在 达到平衡后，分成两相，两种聚合物分别进入到一相 中。
优点：1.与固定床反应器相比，不需载体，不存在多孔载体中的 扩散阻力，故反应速度快，生产能力较高；2.生物催化剂在两水 相系统中教稳定；3.两相间表面张力低，轻微搅拌即能形成高度 分散的系统，分散相液滴在10μm一下，有很大的表面积，有利于 底物和产物的传递。
PEG系统中细胞碎片分配到下相中较容易 分配在上相中的蛋白质可通过加入适量的盐（有时也可 加入适量的PEG），尽兴第二次双水相萃取，以除去多 糖和核酸，它们的亲水相较强因而容易分配在盐相中， 而蛋白质就留在了PEG相中；在第三步萃取中，应该使 蛋白质分配在盐相中（例如：调节pH），以使和主体 PEG分离。色素由于其疏水性，通常分配在上相。主体 PEG可循环使用，而盐相蛋白质则可用超滤方法去除残 余的PEG以提高产品的纯度。
双水相系统
●双水相系统与萃取: 某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后
可以形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统（aqueous two-phase system,ATPS）。
利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质.20世纪50年代后期开发了双水相萃取法（aqueous two-phase extraction），又称双水相分配法.
●双水相系统是一个十分出色的方法，用以进行从粗制细胞浓缩物或其他混合
物中萃取蛋白质/酶以及其他易变性生物分子的操作
●双水相体系萃取分离原理是基于生物质在双水相体系中的选择性分配。
当生
物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
●本文用的双水相系统是聚乙二醇-右旋糖酐体系
“上相”是由更加疏水性的聚乙二醇（PEG）所形成，此相较“下相”的密度小，下相由更加亲水性且密度大的右旋糖酐溶液组成。
双水相萃取技术在分离_纯化中的应用(精)
第39卷第8期化工技术与开发 V ol.39 No.8 2010年8月 Technology & Development of Chemical Industry Aug.2010综述与进展双水相萃取技术在分离、纯化中的应用谭志坚,李芬芳,邢健敏(中南大学化学化工学院,湖南长沙 410083摘要:双水相技术是一种新型的液-液萃取技术,由于其条件温和、易操作等特点,目前已广泛应用于物质的分离、纯化。
本文综述了双水相形成原理、工艺流程和特点、体系类别、影响双水相分配的因素及其在分离纯化中的应用,并针对其未来发展趋势进行了展望。
关键词:双水相萃取;分离纯化;应用中图分类号:TQ 028.32 文献标识码:A 文章编号:1671-9905(201008-0029-07基金项目:国家自然科学基金(项目编号:20956001通讯联系人:李芬芳(1964,女,湖南邵阳人,教授,博士生导师,研究方向:植物活性成分提取及分离纯代,E-mail:lfflgg@收稿日期:2010-03-30与传统的分离技术相比,双水相技术作为一种新型的分离技术,因其体积小,处理能力强,成相时间短,适合大规模化操作等特点[1],已经越来越受到人们的重视。
Beijeronck 在1896年将琼脂水溶液与可溶性淀粉或明胶水溶液混合,发现了双水相现象。
双水相萃取(Aqueous two-phase extraction, ATPE技术真正应用是在20世纪60年代,1956 年瑞典伦德大学的 Albertsson 将双水相体系成功用于分离叶绿素,这解决了蛋白质变性和沉淀的问题[2]。
1979年德国Kula 等人将双水相萃取分离技术应用于生物酶的分离,为以后双水相在应用生物蛋白质、酶分离纯化奠定了基础[3]。
迄今为止,被成功应用于生物医药工程,天然产物分离纯化,金属离子分离等方面[4~6]。
因其广泛的应用性,已经发展成为一种相对成熟的技术,但仍有很大潜在的价值等待我们去开发。
双水相名词解释
双水相名词解释
双水相系统（Aqueous two-phase system）是一种新型的分离技术，通常由两种聚合物、一种聚合物与一种亲液盐或是两种盐（一种是离散盐且另一种是亲液盐）在适当的浓度或是在一个特定的温度下相混合在一起形成。
这两相大多数情况下由水与非挥发性成分组成，因此避免了挥发性有机成分的使用。
这种系统被广泛应用于生物技术领域，如蛋白质、酶和细胞等的分离和纯化，因为它具有非变性且温和的特性。
双水相系统的形成是由于聚合物之间的不相溶性，即聚合物分子的空间阻碍作用，相互间无法渗透，从而分为两相。
一般认为，只要两种聚合物水溶液的水溶性有所差异，混合时就可发生相分离，并且水溶性差别越大，相分离的倾向越大。
此外，双水相系统还可以用于金属离子分离、环境修复、冶金应用等。
如需更多关于“双水相”的信息，建议查阅相关文献或咨询化学领域专业人士。
双水相体系萃取(精)
双水相萃取技术早在1896年,Beijerinck发现,当明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液相混时,得到一个混浊不透明的溶液,随之分为两相,上相富含明胶,下相富含琼脂(或淀粉,这种现象被称为聚合物的不相溶性(incompatibility,从而产生了双水相体系(Aqueous two phase system,ATPS。
传统的双水相体系是指双高聚物双水相体系,其成相机理是由于高聚物分子的空间阻碍作用,相互无法渗透,不能形成均一相,从而具有分离倾向,在一定条件下即可分为二相。
一般认为只要两聚合物水溶液的憎水程度有所差异,混合时就可发生相分离,且憎水程度相差越大,相分离的倾向也就越大。
可形成双水相体系的聚合物有很多,典型的聚合物双水相体系有聚乙二醇(polyethylene glycol,略作PEG/葡聚糖(dextran,聚丙二醇(polypropylene glycol/聚乙二醇和甲基纤维素(methylcellulose/葡聚糖等。
另一类双水相体系是由聚合物/盐构成的。
此类双水相体系一般采用聚乙二醇(polyethylene glycol作为其中一相成相物质,而盐相则多采用硫酸盐或者磷酸盐。
萃取原理双水相萃取与水-有机相萃取的原理相似,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时,物质进入双水相体系后,由于表面性质、电荷作用和各种力(如憎水键、氢键和离子键等的存在和环境因素的影响,使其在上、下相中的浓度不同。
物质在双水相体系中分配系数K可用下式表示:K= C上/ C下其中K为分配系数,C上和C下分别为被分离物质在上、下相的浓度。
分配系数K等于物质在两相的浓度比,由于各种物质的K值不同,可利用双水相萃取体系对物质进行分离。
其分配情况服从分配定律,即,“在一定温度一定压强下,如果一个物质溶解在两个同时存在的互不相溶的液体里,达到平衡后,该物质在两相中浓度比等于常数”,分离效果由分配系数来表征。
双水相的研究
正负离子表面活性剂混合体系双水相性质的研究一、目的要求1.掌握表面活性剂的基本性质，了解其前沿研究动态2.学会运用称量法配制三元相行为中的特定样品，运用恒温法得到双水相3.学会用分光光度法测定双水相两相中被萃取物质的浓度，并学会萃取效率和分配系数的计算方法二、实验原理表面活性剂是一大类有机化合物，它的性质极具特色，应用广泛。
表面活性剂的分子特点是具有不对称。
整个分子可分为两部分，一部分为亲油的非极性集团，叫做亲油基（hydrophobic group）；另一部分是亲水的，叫亲水基(hydrophilic group)。
因此，表面活性分子具有两亲性。
表面活性剂溶于水后，当其浓度很小（小于临界胶束浓度CMC）时，其在溶液中主要以单分子状态或少数几个分子聚集在一起的形式存在。
当其浓度超过临界胶束浓度CMC时，表面活性剂自发聚集成胶束。
表面活性剂在形成胶束前后，一系列的性质会发生突变，如表面张力、电导、渗透压等。
表面活性剂按极性基团的解离性质分类：1、阴离子表面活性剂：硬脂酸，十二烷基苯磺酸钠2、阳离子表面活性剂：季铵化物3、两性离子表面活性剂：卵磷脂，氨基酸型，甜菜碱型4、非离子表面活性剂：脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦（司盘），聚山梨酯（吐温）表面活性剂在工农业中已经得到了广泛的应用，实用中的表面活性剂几乎都是混合物。
两种或两种以上的表面活性剂混合物往往显示出更加优良的表面活性。
同系混合物为表面活性剂产品中常见的混合物；与单一的表面活性剂相比，正负离子表面活性剂混合物系统形成胶束的能力大为增强。
在适当的具体条件下，正负离子表面活性剂与负离子表面活性剂是可以混合使用，并且在混合溶液中存在强烈的相互作用。
这种作用的本质是电性相反的表面活性离子静电作用及其疏水性碳链间的相互作用。
与单一表面活性离子键的作用相比，混合表面活性剂离子间的相互作用不但没有相同电荷间的斥力，反而增加了相反电荷间的引力，从而大大促进了两种不同电荷离子间的缔合，在溶液中更易形成胶束，产生更高的表面活性。
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包括： 双水相的形成 溶质在双水相中的分配 双水相的分离。
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2.3.3 双水相萃取操作及特点
萃取一般操作
固体聚合物 盐
加入
细胞匀浆
搅拌
成相物质溶解
形成双水相
蛋白质在两相中发生物质传递，达到分配平衡； 采用离心沉降进行相分离。
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均相区 双节线
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B 临界点
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2.3.1 双水相体系的形成与分配
双
T’
水
相
体
系
单相
的
相
图
K 临界点
•N
TKB 双
节线
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双相 节线
M’
B’
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2.3.1 双水相体系的形成与分配
M点, 两相T和B的量之间的关系(体积)服从杠杆规则，即
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。当系线长度趋向于零时， 即在图b的双节线上K点，两相差别消失，任何溶质在两相中 的分配系数均为1，因此K点称为临界点(critical point)。
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2.3.3 双水相萃取操作及特点
2.3.3.1 双水相系统的选择
选择原则： 根据目标蛋白质和共存杂质的表面疏水性、相对分子
质量、等电点和表面电荷等性质上的差别 综合利用静电作用、疏水作用,添加适当种类和浓度
的盐，可选择性萃取目标产物。
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2.3.3 双水相萃取操作及特点
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本节要点及学习要求
双水相体系的形成与分配机理 掌握： 双水相萃取分离的原理
双水相体系中的分配平衡：静电作用、疏水作用。
了解：
聚合物的不相溶性、系线、双节线、临界点。 影响物质分配平衡的因素：
双水相中聚合物组成的影响； 双水相系统物理化学性质的影响； 盐和缓冲液的影响；温度的影响。
双水相系统的应用。
2.3.2.2 影响分配系数的因素分析 1）成相聚合物 ---相对分子质量和浓度影响分配平衡.
对于成相聚合物系统和生物大分子来说：
A 聚合物的分子量降低
生物大分子该相溶解度增大
形成双水相所 需的浓度越高
上相分子量降低
B 成相聚合物的浓度越高
两相体系距离临界越远
分配系数增大。
分配系数
增大
下相分子量降低
2.3 双水相萃取
双水相体系是怎样形成的？ 其分配机理是什么？ 什么双水相萃取？ 双水相体系的相图？ 双水相萃取的原理是什么？ 特点是什么？ 影响双水相萃取体系的因
素有哪些？ 其应用范围是什么？
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2.3.1双水相体系的形 成与分配 2.3.2双水相萃取分离 的原理 2.3.3双水相萃取体系 的影响因素 2.3.4双水相萃取操作 及特点 2.3.5双水相萃取的应 用
先得到一浑浊不透明溶液，随后分为两相, 水相也可以分为
两相，即双水相系统 ?
将水溶性的酶、蛋白质等生物活性物质从一个水相转移到另 一个水相中__双水相萃取.
开始于本世纪70年代，现已应用到酶、核酸、生长激素、 病毒等分离提纯。近年来出现的引人注目、极有前途的新型 分离技术。
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2.3.1 双水相体系的形成与分配
(2)双水相体系
亲水性高分
水
子聚合物
明胶-琼脂水溶液混合 明胶-淀粉水溶液混合 葡聚糖-甲基纤维素
水溶液 在一定浓度范围
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密度不同两相
两相均含有
较多的水
双水相
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2.3.1 双水相体系的形成与分配
举例
向水相中加入高分子化合物PEG/葡聚糖或盐，在 一定组成范围内，可以形成密度不同的两相。
2.3.1 双水相体系的形成与分配
几种典型的双水相系统
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2.3.1 双水相体系的形成与分配
各 种 双 水 相 体 系
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2.3.1 双水相体系的形成与分配
(3)双水相体系的类型
双聚合物体系 聚合物与无机盐体系 表面活性剂-表面活性剂
常用PEG/Dx 如PEG/磷酸钾
影响蛋白质的表面疏水性，
改变各相成相物质组成和相体积比.
分配系数随盐浓度增加而增加,不同蛋白质
增加不同.
PEG/KPi系统中上、下相(或称轻重
相)的PEG和磷酸钾浓度以及Cl离子
在上、下相中的分配平衡随添加
NaCl浓度的增大而改变。
调节双水相系统的盐浓度，可 有效萃取分离不同的蛋白质
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富含不同聚合 物的两相
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2.3.1 双水相体系的形成与分配
(5)双水相萃取分离的原理
生物分子在双水相体系中的选择性分配 分配规律服从能特特分配定律. 与溶剂萃取比,表现出更大或更小的分配系数.→相图
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2.3.1 双水相体系的形成与分配
双水相体系的相图 a
T 系线
两相区
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蛋白质下游加 工中比较独特
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2.3.4 双水相萃取的应用
可用于多种生物活性物质的分离纯化 1）酶的提取和纯化 酶主要分配在上相，菌体在下相或界面处.
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2.3.4 双水相萃取的应用
表5-7双水相萃取体系从微生物的破碎细胞中提取分离酶的实例
p8新4型分离技术
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2.3.4 双水相萃取的应用
收率为81％
从E.coli中提取hGH的三级错流萃取
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2.3.4 双水相萃取的应用
4）β干扰素（ β-IFN)的提取 不用PEG/Dextran体系 用PEG－磷酸酯/盐的体系才能使β-IFN分配在上相，杂
蛋白分配在下相。
基因工程产品的商业化迫切需要开发适合大规模生产的、 经济简便的、快速高效的分离纯化技术。
双水相萃取技术
(two-aqueous phase extraction,ATPS)
又称水溶液两相分配技术
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2.3.1 双水相体系的形成与分配
技术诞生
明胶-琼脂水溶液混合
1896年Bei jerinck观察到 明胶-淀粉水溶液混合
系数影响因素
pH值
温度 双水相系统的选择
双 双水相萃取操作及特点 双水相萃取过程
水 相 萃
双水相萃取的应用
双水相萃取的特点
细胞碎片和蛋
流程 双水相组成的选择
取
白质分离纯化 增大收率应考虑的因素
双水相体系与生物转化相结合
双水相萃取同其 双水相萃取同膜分离技术相结合 它分离技术结合· 双水相萃取同亲和层析相结合
方法
目标产物与杂蛋白的等电点不同， 调节系统pH值，添加适当盐，产生希望的相间电位。 目标产物与杂蛋白的疏水性不同－充分利用盐析作用 增大成相系统浓度－使细胞碎片选择性分配于下相。 采用相对分子质量较大的PEG 降低蛋白质的分配系数，提高目标蛋白的选择性。
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2.3.3 双水相萃取操作及特点
(2)常温下溶液粘度较低，容易相分离； (3)常温操作节省冷却费用。
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2.3.2双水相萃取体系的影响因素
5)低分子量化合物:高浓度时起作用。
6)双水相体系物理化学性质的影响： 双水相系统的性质主要取决于下列物理化学参数： 密度(ρ)和两相间的密度差 黏度(μ)和两相间的黏度差以及表面张力(σ) 相间电势差,相分离时间等。
双水相萃取与细胞破碎的结合
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2.3.2双水相萃取体系的影响因素
3）pH值
改变
pH值
影响
蛋白质的表面电荷数 改变
分配系数
磷酸盐的解离
影响
系统的相间电位和 蛋白质的分配系数。
4）温度 温度影响相图, 规模化操作采用常温, 一般双水 相系统来说，温度的影响很小。
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2.3.2双水相萃取体系的影响因素
重点：
双水相体系的形成与分配机理， 双水相萃取分离的原理和特点。
难点： 双水相体系的形成与分配机理。
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2.3.1 双水相体系的形成与分配
(1)概述：
基因工程产品如蛋白质和酶的特点: 活性和功能对pH值、温度和离子强度等特别敏感； 在有机溶剂中的溶解度低并且会变性。
传统的溶剂萃取法并不适合。反胶束的办法可克服这些 问题，但存在大量使用有机相和相的分离问题。
分配系数 降低
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2.3.2双水相萃取体系的影响因素
2）盐的种类和浓度 ---主要影响相间电位和蛋白质疏水性。
在双聚合物 双水相系统中
无机离子分配系数 相间电位不同
盐种类
影响带电蛋白质、核酸生 物大分 子的分配系数
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2.3.2双水相萃取体系的影响因素
盐浓度
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2.3.4 双水相萃取的应用
2）核酸分离纯化 用PEG/Dextran体系萃取核酸时，盐组分的微
小变化将会引起分配系数的微小变化。
3）人生长激素的提取
用PEG4000 6.6%/磷酸盐14％体系从E.coli 碎
片中提取人生长激素（hGH) （hGH)分配在上相，分配系数6.4，收率60％.
亲和配基-高聚物, 亲和双水相萃取