双水相萃取技术研究现状及发展趋势.doc

《现代分离技术》课程论文
双水相萃取技术研究现状及发展趋势
刘现辉
（河南工业大学 化学化工学院 化学1304，学号201313030415）
摘要：双水相萃取技术(ATPE)是一种新型的用于提取、分离、纯化的技术，目前的研究证明双水相萃取已经应用于生物分子分离、污水处理、贵金属分离、生物合成、检测等方面，而且由于其本身的易于扩大，成本低、快速、高效等优势，应用前景会更加广阔。本文介绍了双水相萃取技术的原理、特点，及其应用和发展方向，并对其进行展望。
关键词：双水相萃取技术；形成原理；应用；发展方向
双水相萃取是1896年Beijerineh最早发现的,1956年由瑞典伦德大学的Albertsson重新发现。1979年德国GBF的Kula等人将双水相萃取分离技术应用于生物产品分离。双水相系统萃取的特点是分相时间短,易于操作,目标产物分配系数大,投资费用少,大多数形成双水相的高聚物可回收利用等。由于双水相系统中的含水量高达70%～90%,不会造成生物活性物质的变性或失活, 甚至还能起到稳定和保护生物活性的作用, 因此双水相系统技术现在已经被广泛用于蛋白质、酶、核酸、病毒等生物产品的分离和纯化【1】。
1 双水相萃取技术的简介
双水相萃取技术(Aqueous two-phase extraction,ATPE)是指把两种聚合物或一种聚合物与一种盐的水溶液混合在一起，由于聚合物与聚合物之间或聚合物与盐之间的不相溶性形成两相，是近年来引人注目，极有前途的新型分离技术。被分离物质进入双水相体系后由于表面性质、电荷间作用和各种作用力(疏水键、氢键和离子键)等因素的影响，在两相间的分配系数不同，导致其在上下相的浓度不同达到分离目的。常见的双水相体系主要有五类：聚合物/聚合物/水；高分子电解质/聚合物/水；高分子电解质/高分子电解质/水；聚合物/低分子量组分/水；聚合物/无机盐。目前应用最广泛的的双水相体系是聚乙二醇/无机盐体系。双水相体系萃取分离技术具有其独特的特点。首先反应条件比较温和，因此对被分离物质不会起到破坏作用，特别适合对具有生物活性的物质进行分离提纯。其次，双水相萃取技术操作方便，设备简单，并且能够直接与后续提纯工艺连接，不用进行特殊处理。双水相萃取技术的回收率也比较高，如果选择的体系合适，能够达到百分之八九十以上，并且分离速度也十分迅速。
2 双水相萃取技术的基本原理
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。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。其分配规律服从Nernst 分配定律，即k =ct/cb，式中ct、cb分别代表上相、下相中的溶质（分子或粒子）的浓度。研究表明，在相体系固定时，预分离物质在相当大的浓度范围内，分配系数K为常数，与溶质的浓度无关，只取决于被分离物质本身的性质和特定的双水相体系的性质[2]。根据2相平衡时化学位相等的原则，从Brownstedt 方程式求得分配系数K，即：

式中 M- 物质分子量
λ- 系统的表面特性系数
k- 波尔兹曼常数
T- 温度
在实际单元操作中，由于无法固定整个双水相体系，也很难确切地知道被分离的原液含有多少其他物质，这些因素共同作用和影响，使整个体系变得相当复杂，因而目前尚没有定量的关联模型能预测整个体系的分配关系。最佳的操作条件须依靠实验得到。
3 双水相萃取体系的特点
双水相萃取成为新兴生物技术产业研究的热点，主要是该技术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【3,4】。
(1 ) 易于放大，各种参数可以按比例放大而产物收率并不降低。Albertson 证明分配系数仅与分离体积有关，这是其他过程无法比拟的，这一点对于工业应用尤为有利；
(2 ) 双水相系统之间的传质和平衡过程速度快，回收效率高，相对于某些分离过程来说，能耗较小，速度快。如选择适当体系，回收率可达80%以上，提纯倍数可达2～20倍；
(3 ) 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；
( 4 ) 双水相体系的相间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，而且可直接用在发酵液中。如潘杰等人用双水相技术直接从发酵液中将丙酰螺旋酶素与菌体分离、纯化【5】；
(5 ) 影响双水相体系的因素比较复杂，从某种意义上说，可以采取多种手段来提高选择性或提高收率；
( 6 ) 操作条件温和，整个操作过程在常温常压下进行；
(7 ) 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；
(8 ) 亲和双水相萃取技术可以提高分配系数和萃取的专一性。
4 双水相萃取技术的工艺流程【6】
主要由三部分构成: 目的产物的萃取，PEG 的循环，无机盐的循环。
4.1 目的产物的萃取
原料匀浆液与PEG 和无机盐在萃取器中混合，然后进入分离器分相。通过选择合适的双水相组成，一般使目标蛋白质分配到上相( PEG相)，而细胞碎片、核酸、多糖和杂蛋白等分配到下相(富盐相)。第二步萃取是将目标蛋白质转入富盐相，方法是在上相中加入盐，形成新的双水相体系，从而将蛋白质PEG分离，以利于使用超滤或透析将PEG回收利用和目的产物进一步加工处理。
4.2 PEG的循环
在大规模ATPE 过程中，成相材料的回收和循环使用，不仅可以减少废水处理的费用，还可以节约化学试剂，降低成本。PEG的回收有两种方法: ①加入盐使目标蛋白质转入富盐相来回收PEG；②将PEG相通过离子交换树脂，用洗脱剂先洗去PEG，再洗出蛋白质。
4.3 无机盐的循环
将含无机盐相冷却，结晶，然后用离心机分离收集。除此之外还有电渗析法、膜分离法回收盐类或除去PEG相的盐。
5 双水相萃取技术的应用及现状
5.1 双水相萃取技术在生物技术中的应用
双水相萃取技术最先应用的领域是生物产品的分离，目前，双水相萃取技术已应用于蛋白质、生物酶、菌体、细胞以及氨基酸、抗生素等生物小分子物质的分离、纯化。
刘杨等【7】以PEG/硫酸钠双水相体系，经一次萃取从钝顶螺旋藻( Spirulina platensis) 细胞破碎液中富集分离藻蓝蛋白。结果表明，萃取最适宜的条件为12% PEG4000，15% Na2SO4，1% KCl，藻蓝蛋白收率为91.2%，分配系数达到8.01，分离因数达到6.33。对于螺旋藻藻蓝蛋白的富集分离，双水相萃取法与传统的盐析沉淀法相比，具有节省操作时间、简化操作过程、降低能耗和成本以及易于工艺放大等优点。
5.2 双水相萃取技术在药物提取中的应用
双水相萃取技术已经悄然渗透到药物成分的分离中，如萃取三七皂苷、四环素、橙皮苷、杜仲黄酮、灯盏花素、桃叶珊瑚甙、芦荟蒽醌、青霉素等。
高云涛等【8】研究了灯盏花素在丙醇－硫酸铵双水相体系中的分配行为，重点对双水相的形成、硫酸铵用量和初始pH值对分配比的影响进行了研究。在盐水相、丙醇初始体积分别为10.0mL和4.0mL，硫酸铵用量为3.5g，初始pH 为4.08条件下，灯盏花素的最大分配比达107.5，相应的萃取率达97.7%。在实验基础上建立了相应的“二元弱酸”分配模型。
5.3 双水相萃取技术在金属离子分离中的应用
传统的金属离子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。近年来，利用双水相技术萃取分离金属离子达到了较高的水平。
许虹【9】研究了在硫酸铵存在下，3，5－二溴水杨基荧光酮－乙醇体系萃取分离钨(Ⅵ)的行为。实验表明，作为萃取溶剂的乙醇，既能萃取电中性的螯合物，又能萃取带电荷的螯合物。在pH为1～6时，W(Ⅵ)均保持很高的萃取率。控制一定的酸度，可以实现W(Ⅵ)与Fe(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Zn(Ⅱ) 之间的分离。
5.4 双水相萃取与其它技术结合应用
技术总是相通的，双水相萃取技术有其独有的优点，如能与其它技术结合应用，萃取分离效果更佳。双水相萃取技术与超声波、微波、壳聚糖沉淀相结合应用的研究已经比较成熟，其中与超声波分离技术结合应用得最多。
翟素玲等【10】人将PEG/dextran 双水相体系耦合电泳初步探索了苯丙氨酸和色氨酸的分离。
周安存等【11】人集成C2H5OH/(NH4)2SO4按时双水相体系与微波提取分离石榴皮多酚，提取率达到18.33%，多酚在除提物中的含量75.36%。
5.5 双水相萃取技术的研究新进展
目前，分离生物物质经常采用的双水相系统主要有2类：非离子型聚合物/水系统（最常用的为聚乙二醇/葡聚糖）和非离子型聚合物/无机盐/水系统（常用的如聚乙二醇/盐体系）。原因在于此2类双水相系统采用的是无毒性的聚合物，且其多元醇、多元糖结构能够保证生物大分子的稳定性。但在实际应用中，2类双水相系统各有弊端，非离子型聚合物/水系统能够保证生物活性物质的活性，且界面吸附少，但所用聚合物材料如葡聚糖成本较大，且体系黏度大，制约大规模的工业生产过程；相对于前者，非离子型聚合物/无机盐/水系统成本低，体系黏度小，但该系统会导致某些敏感生物活性物质失活，此外还会产生大量的高浓度盐废水。因此，寻求新型双水相体系成为日后的主要研究方向。目前，新型双水相体系的开发主要有廉价的双水相系统及其他新型功能双水相系统。
6 结论、现存问题与展望
双水相萃取技术是近年来新发展起来的分离技术，所需设备简单、条件温和、易于操作，且可以获得较高的收率和较纯的有效成分，与常规的有机溶剂萃取技术相比较，最大的优势在于可保持生物物质的活性及构象，因此在生物技术、药物分析提取、金属分离等方面有着广阔的应用前景。但是体系自身也存在的一定的缺陷，如双聚合物体系价格较高，限制了其在工业中大规模的应用; 体系的易乳化问题，导致萃取过程极不稳定，操作十分不方便，条件难以控制; 某些高聚合物双水相体系分相时间较长，大大降低了生产效率; 此外双水相萃取缺乏理论基础，目前的研究还停留在热力学模型的探索阶段。因此，开发廉价双水相体系及后续层析纯化工艺，降低原料成本，采用新型亲和双水相萃取技术，提高分离效率将是双水相分离技术的主要发展方向。
参考文献
【1】 郭晶晶. 双水相萃取技术研究进展.广州化工，2014，（10）.
【2】 刘茉娥，陈欢林. 新型分离技术基础. 第二版. 浙江：浙江大学出版社，1999.5.
【3】 潘杰，李佐虎，秦德华. 双水相技术在抗生素分离中的应用. 生物工程进展，1999，19（2）：48-51.
【4】 邓修，吴俊生. 化工分离工程. 北京：科学出版社，2000.251-258.
【5】 潘杰，秦德华，高红等. 全发酵液萃取丙酰螺旋霉素的研究.中国医药工业杂志, 1998. 29(12)：534-537.
【6】 杨善升，陆文聪，包伯荣．双水相萃取技术及其应用［J］．化学工程师，2004(4):37－40．
【7】 刘杨，王雪青，庞广昌，等．双水相萃取法富集分离螺旋藻藻蓝蛋白的研究［J］．海洋科学，2008，31(7):30－37．
【8】 高云涛，戴云，李世月，等．灯盏花素在丙醇－硫酸铵双水相体系中的分配行为研究［J］．云南民族大学学报:自然科学版，2010，19(2):106－115．
【9】 许虹，吴艳平． 应用3，5二溴水杨基荧光酮－乙醇体系萃取分离钨［J］． 广东化工，2005，30(9):9－10，84．
【10】 翟素玲，刘建刚，骆广生．双水相电泳分离氨基酸［J］．高校化学工程学报，2000，14(3):293－297．
【11】 周安存，喻祖文，冯务群，等．乙醇－硫酸铵双水相体系与微波集成提取石榴皮多酚的实验研究［J］．光明中医，2011，26(4):689－692．