双水相体系中成相及有机物分配机理的初步研究
双水相体系在化学反应工程中的应用研究进展
广东化工2021年第5期· 62 · 第48卷总第439期双水相体系在化学反应工程中的应用研究进展林锦良，余贵山，李友凤*(遵义师范学院化学与化工学院，贵州遵义563000)[摘要]双水相体系作为化学反应介质具有操作方便、组分可调、绿色环保、连续操作和易于工艺放大等特点，引起了界面科学、分离提纯和反应工程等研究和应用领域的广泛研究。
基于上述优点，本文将对双水相体系在氢化反应、加氢酰胺化反应、耦联反应、聚合反应、CO2还原反应，无膜电池设计和新型纳米材料制备的应用分别进行综述，结合新材料开发、清洁能源利用和环境可持续性发展等研究进行分析，将为相关的研究领域提供参考和启示。
[关键词]双水相体系；化学反应；清洁能源；纳米材料[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2021)05-0062-03Advances of Aqueous Two Phase System (ATPS) Applications on ChemicalReaction EngineeringLin Jinliang, Yu Guishan, Li Youfeng*(Department of Chemistry and Chemical Engineering Zunyi Normal College, Zunyi 563000, China) Abstract: Aqueous Two Phase Systems (ATPS) has attracted tremendous attentions in the field of interracial science, separation and purification, and chemical reaction engineering due to their various advantages of facility, adjustable, sustainable, continuous operation and large scale industrial adaptive when they were employed as chemical reaction medium. The chemical reactions including hydrogenation, hydroamidation, oxidation, coupling reaction, polymerization, CO2 reduction etc. taken in the ATPS have been reviewed in the paper. Besides, the membrane-free cell and Ag particles has also been covered. Thereafter, the discussions on exploitation of clean energy and preparation of novel materials base on the ATPS have also been presented. All these efforts should provided a significance on the relevant researches.Keywords: Aqueous Two Phase System(ATPS)；Chemical Reaction；Clean Energy；Nano Material双水相体系(ATPS)是将两种不同组分的水溶液以一定浓度混合而形成互不相溶的两相系统。
实验五 双水相萃取及分配系数的测定
1.200g/mL。 ⑶ 按质量百分比配制3管（各8g,要求完全溶解，混合均匀）。
添加
顺序 管
PEG
PEG
40%
质量浓度5%
质量浓度10%
丙醇 磷酸钾 硫酸铵
双水相萃取的基本特点
(1) 体 系 有 生 物 亲 和 性 。 两 相 中 的 水 分 含 量 通 常 高 达 65%～90% ，所用的PEG、dextran等高聚物或磷酸盐、硫 酸盐等无机盐对蛋白质、核酸等生物活性物质无毒害，甚 至还有稳定保护作用，而且相界面张力比水-有机或有机有机两相体系的界面张力要小1～3 个数量级。由于生物 活性物质在有机溶剂中易变性，再加上有的生物活性物质 亲水性很强，不溶于有机溶剂，有机溶剂萃取等分离技术 难以在生物活性物质的分离中发挥其效能。
K=C1/C2
思考题：
1、常用双水相体系有哪些？双水相体系形成 的原因是什么？
2、影响双水相成相的因素有哪些？
双水相萃取概述
现代生物技术中，基因工程产品如蛋白质和酶往往是胞内 产品，需经细胞破碎后才能提取、纯化，细胞颗粒尺寸的 变化给固-液分离带来了困难，同时这类产品的活性和功能 对pH值、温度和离子强度等环境因素特别敏感。由于它们 在有机溶剂中的溶解度低并且会变性，因此传统的溶剂萃 取法并不适合。采用在有机相中添加表面活性剂产生反胶 束的办法可克服这些问题，但同样存在相的分离问题。因 此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。其中双水相萃取 技术(又称水溶液两相分配技术)是近年来出现的引人注目、 极有前途的新型分离技术。
双水相萃取技术的研究及应用
双水相萃取技术的研究及应用摘要：双水相萃取技术是一种高效温和的新分离技术，在生物制药、分析检测、稀有金属分析等方面均有应用，特别是在生物分离工业中，它与传统的萃取及其它分离技术相比具有操作条件温和、处理量大、易于连续操作等优点，从而使其能广泛应用于生物分离工程中。
本文简单介绍了双水相萃取技术及其原理、特点，综述了双水相体系在生物工程、药物分析和金属分离等方面的应用，展望了双水相体系的应用前景。
关键词：双水相萃取；分离提纯；生物物质；应用Research and application of aqueous two - phase system technique Abstract:Phasepartitioning technology is a kind of high efficient mild new separation technique in biological pharmacy, analysis, testing, rare metals analysis were used, especially in biological separation industry, it and the traditional extraction and other separation technology compared with mild conditions, large quantity of operation, easy for operation, which makes its advantages such as extensively applied in biological separation engineering. This article simply introduces phasepartitioning technology and its principle, characteristics, summarized the aqueous two-phase system in biological engineering, drug analysis and metal separation of application, and looks forward to the aqueous two-phase system application prospect.Keywords:aqueous two-phase extraction; separation and purification;biological material application1 引言双水相萃取技术是一种高效温和的新分离技术。
双水相萃取分离技术的研究进展及应用
双水相萃取分离技术的研究进展及应用1 前言近年来，随着分离技术在生命科学、天然药物提纯及各类抗生素药物生产等方面应用的需求和发展，一种新型的液液分离技术—双水相萃取技术应运而生。
双水相萃取技术又称水溶液两相分配技术，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具有条件温和、可调节因素多、易于放大、可连续操作且不存在有机溶剂残留等优点，已被广泛用于生物物质的分离和提纯。
在1956年，瑞典的Albertsson 首次运用了双水相萃取技术来提取生物物质，开始对ATPS(双水相系统)进行比较系统的研究，测定了许多ATPS的相图，考察了蛋白质、核酸、病毒、细胞及细胞颗粒在ATPS中的分配行为，为发展双水相萃取技术打下了坚实的基础。
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，是一项拥有广阔应用前景的新型分离技术。
本文将就双水相萃取技术的原理、应用和发展情况作一简述。
2 双水相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。
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[ 1]分配定律：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）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0101，因此为物质分离提供了可能。
水溶性两相的形成条件和定量关系常用相图来表示，以PEG/ Dextran体系的相图为例(图1[2 ] )，这两种聚合物都能与水无限混合，当它们的组成在图1曲线的上方时(用M点表示)体系就会分成两相，分别有不同的组成和密度，轻相(或称上相)组成用T点表示，重相(或称下相)组成用B表示。
双水相萃取全解
1、双水相体系的组成
双水相体系的主要成因——聚合物的 不相溶性
双水相现象是当两种聚合物或一种聚 合物与一种盐溶于同一溶剂时，由于聚合 物之间或聚合物与盐之间的分子空间阻碍 作用，无法相互渗透，当聚合物或无机盐 浓度达到一定值时，就会分成不互溶的两 相，因为使用的溶剂是水，所以称为双水 相。
① 聚合物∕聚合物双水相
影响双水相萃取平衡的主要因素有： 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 离子浓度、pH值、温度等。
1）聚合物的类型
不同聚合物的水相系统显示出不同的疏水 性，聚合物的疏水性按下列次序递增：葡萄 糖硫酸盐糖＜葡萄糖＜羟丙基葡聚糖＜甲基 纤维素＜聚乙二醇＜聚丙三醇，这种疏水性 的差异对目的产物的作用是重要的。
双水相萃取全解
主要内容：
一、双水相萃取的基本理论 二、双水相萃取工艺流程操作 三、影响双水相的因素 四、双水相萃取的应用 五、双水相萃取技术的发展
前言
• 双水相萃取现象最早是1896年由Bei jerinck 在琼脂与可溶性淀粉或明胶混合时发现的， 这种现象被称为聚合物的“不相溶性” (incompatibility)。
但一般来说，当双水相系统离双节线足够远 时，温度的影响很小，1-2度的温度改变不影 响目标产物的萃取分离。
大规模双水相萃取操作一般在室温下进行， 不需冷却。这是基于以下原因：
(l)常温下，溶液的粘度较低，容易分相 (2)成相聚合物PEG对某些具有生物活性溶质 如蛋白质有稳定的作用，常温下蛋白质一般不 会发生失活、变性。 (3)常温操作节省冷却费用。
6）无机盐的浓度
盐的正、负离子在两相间分配系数不 同，两相间形成电位差，从而影响带电 生物大分子的分配。无机盐浓度的不同 能改变两相间的电位差。
双水相萃取全解
聚乙二醇
非离子型聚合物/ 非离子型聚 合物
聚丙二醇
聚乙烯醇 聚乙二醇 聚乙烯吡咯烷酮
高分子电解质/非离子型聚合物
羧甲基纤维素钠
聚乙二醇
高分子电解质/高分子电解质
聚合物/ 低分子量化合物
葡聚糖硫酸钠
葡聚糖
羧甲基纤维素钠
丙醇
磷酸钾
聚合物/ 无机盐 聚乙二醇 硫酸铵
双水相的形成
在聚合物∕盐或聚合物∕聚合物系统混合时， 会出现两个不相混溶的水相
②聚合物∕无机盐双水相
某些聚合物溶液和一些无机盐溶液 相混时，在一定浓度下，由于盐析作 用，也会形成两相，即聚合物/ 无机 盐双水相体系，常用的无机盐有磷酸 盐和硫酸盐。除高聚物、无机盐外， 能形成双水相体系的物质还有高分子 电解质、低分子量化合物。
各种类型的双水相体系
类 型 形成上相的聚合物 形成下相的聚合物 葡聚糖
影响双水相萃取平衡的主要因素有： 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 离子浓度、pH值、温度等。
1）聚合物的类型
不同聚合物的水相系统显示出不同的疏水 性，聚合物的疏水性按下列次序递增：葡萄 糖硫酸盐糖＜葡萄糖＜羟丙基葡聚糖＜甲基 纤维素＜聚乙二醇＜聚丙三醇，这种疏水性 的差异对目的产物的作用是重要的。
缺点：
• 成相聚合物的成本较高， 且高聚物回收困难。 • 水溶性高聚物大多数粘度 较大，不易定量控制。 • 易乳化，相分离时间较长。 • 影响因素复杂。
3、双水相萃取原理
(1) 分配系数
双水相萃取与一般的水-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。
双水相体系配制与萃取实验报告
双水相体系配制与萃取实验报告标题：双水相体系配制与萃取实验报告摘要：本文旨在介绍双水相体系的配制和萃取实验，并从多个方面深入探讨双水相体系的原理、优势以及在化学实验中的应用。
通过配制不同体积比例的两相溶液，我们将研究它们在不同环境下的相互作用和分离效果。
本实验对于理解双水相体系的应用潜力以及深入探索其在分离和萃取过程中的优势具有重要意义。
1. 引言在化学实验中，分离和提纯目标物质是一项重要的任务。
传统的溶剂萃取方法虽然广泛应用，但常常存在一些限制，例如有毒有害溶剂的使用、低分离效率以及操作复杂等。
为了克服这些问题，双水相体系应运而生。
双水相体系是指由两种不相溶的水溶液组成的体系，其特点是分子间相互作用较弱，不需要有害溶剂参与，能够更高效地完成分离和提取任务。
2. 双水相体系配制的方法为了成功配制双水相体系，我们需要选择适当的双水相体系成分，并正确调配它们的比例。
在实验中，我们通常使用两种水溶液，例如磷酸盐溶液和盐酸溶液。
在配制过程中，可以采用逐滴法、加水法或溶剂辅助法等方法，以确保两相溶液的水平接触，并形成稳定的双水相体系。
3. 双水相体系的原理和特点双水相体系的形成是由于两相溶液中存在的一些化学成分之间的亲疏性差异所致。
一般来说，一种水相溶液中的一类极性物质与另一种水相溶液中的另一类亲疏性物质之间存在强烈的相互作用。
这种相互作用可以通过水相中所含的盐的类型、浓度以及 pH 值的调整来控制。
与传统的单相溶剂萃取相比，双水相体系具有好的相容性、高的分离效率、可重复使用等特点。
4. 双水相体系在化学实验中的应用双水相体系在化学实验中有着广泛的应用。
它可以用于生物大分子的提取和分离、金属离子的萃取、有机物的净化等。
利用双水相体系的亲疏性差异，我们可以实现对目标物质的高效提取，并能够在分离过程中控制环境条件，如pH 值、温度等，以满足特定实验需求。
此外，双水相体系还可以减少有毒溶剂的使用，减轻对环境的影响。
《生物分离工程》课程教学大纲
《生物分离工程》教学大纲一、课程基本信息1、课程代码：201342262、课程名称（中/英文）：生物分离工程/Bioseparation Engineering3、课程类别：专业核心课程4、课程学分：3.05、课程学时：56（其中，授课学时：40；实践环节学时：16）6、开课单位：生物与化学工程学院7、教学对象：生物工程专业8、先修课程：物理化学、化工原理、工业微生物学、生物化学二、课程简介生物分离工程是生物工程专业较为重要的一门专业必修课，重在培养学生的工程应用能力与专业技术能力。
生物产品分离起始原材料具有浓度稀、成分多、不稳定的特点，而生物产品对纯度的要求却很高，这就对生物分离方法及工艺提出了很高的要求。
现有的生物分离方法包括生物大分子和生物小分子的分离纯化。
分离方法多式多样，同一产品可用不同的方法进行分离，一种方法亦可分离多种产品；对某一具体产品，在分离工艺上又有多种选择。
本课程的学习任务是：让学生掌握生物分离纯化过程的基本原理，并能在实践中加以灵活应用，提高分析问题和解决实际问题的能力。
同时结合基本原理适当介绍前沿技术进展，使学生了解生物分离工程规模化、集成化、极端条件分离、分子水平分离等技术动态和发展趋势。
三、课程的教学目的和基本要求教学目的：使学生掌握典型的生物工程产品的提取流程，和生物分离纯化过程常规单元操作方法，以及生物体系分离纯化特点和过程所依据的基本原理，并使学生具有进行生物分离过程的工艺设计、过程放大、有关设备的选型和设计的初步能力。
同时，通过进一步阅读参考资料和完成所列习题，使学生加深对生物分离技术的原理、流程和方法的理解，并对生物分离技术的发展趋势有所了解，为今后从事生物工程相关行业打下良好的技术基础。
基本要求：通过对本课程的系统学习，使学生掌握不同来源（微生物发酵、细胞培养、生物转化、生物催化等）的生物工程产品的常用分离纯化方法，理解针对性的操作方法和工艺要点，牢固建立起“纯度”和“质量”专业意识。
双水相萃取
3.影响物质分配的因素
大规模操作一般在室温下进行，不需冷却。这是基于： (a) 成相聚合物PEG对蛋白质有稳定作用，常温下蛋白质不会 发生变性；
(b) 常温下溶液粘度较低，容易相分离；
(c) 常温操作节省冷却费用。
3.影响物质分配的因素
3.5 生物分子疏水基团的影响
• 对于同一种双水相体系，微生物也会影响体系上下相的 比例以及胞内蛋白质在体系的分配系数。 • 这种分配的差异主要是由细胞破碎程度引起的，细胞壁 和细胞膜不同的化学结构也会导致体系上下相比例的改 变。 • 此外，因为PEG是一种常见的絮凝剂和沉淀剂，细胞物 质的絮凝和在不同相中的分配同时发生。所以PEG的存 在改变了物质的溶解曲线。
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水相萃取技术的进展
5.2.2 双水相萃取同亲和层析相结合—亲和双水相
1.双水相体系概述
1.1 双水相萃取的原理 Sub Text title1
(1) 分配系数
双水相萃取与一般的水-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。
3.2 pH的影响
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 白质的分配系数改变2～3个数量级。
双水相萃取(化工35班)
前言
• 有机溶剂萃叏癿丌足：
许多蛋白质都有极强癿亲水性，丌溶于有机溶剂 ； 蛋白质在有机溶剂相中易变性失活。 • 溶液癿分相丌一定完全依赖于有机溶剂，在一定条件下， 水相也可以形成两相(即双水相系统)甚至多相。于是有可 能将水溶性癿酶、蛋白质等生物活性物质从一个水相转移 到另一水相中，从而完成分离任务。
双水相萃取特点
(1)系统含水量多达75％～90％，两相界面张力极低(10-7~10-4N· -1。)，有助于 m 保持生物活性和强化相际间的质量传递，但也有系统易乳化的问题，值得注 意。 (2)分相时间短(特别是聚合物／盐系统)，自然分相时间一般只有5～15min。 (3)双水相分配技术易于连续化操作。若系统物性研究透彻，可运用化学工程中 的萃取原理进行放大，但要加强萃取设备方面的研究。 (4)目标产物的分配系数一般大予3，大多数情况下，目标产物有较高的收率。 (5)大量杂质能够不所有同体物质一起去掉，不其它常用固液分离方法相比，双 水相分配技术可省去1—2个分离步骤，使整个分离过程更经浌。 (6)设备投资费用少，操作简单，丌存在有机溶剂残留问题。
水两种表面活性剂葡萄糖聚乙醇研究最多的几种典型双水相系统研究最多的几种典型双水相系统形成上相的聚合物形成下相的聚合物非离子型聚合物非离子型聚合聚乙二醇葡聚糖聚乙烯醇聚丙二醇聚乙二醇聚乙烯吡咯烷酮高分子电解质非离子型聚合物羧甲基纤维素钠聚乙二醇高分子电解质高分子电解质葡聚糖硫酸钠羧甲基纤维素钠聚合物低分子量化合物葡聚糖丙醇聚合物无机盐聚乙二醇磷酸钾硫酸铵双水相系统形成原理空间位阻极性差异盐析效应高聚物高聚物之间的双水相体系的形成主要是由于高聚物之间的不相溶性
8监视器 9记录仪 10样品收集器
双水相萃取技术的应用
• 1.在生物工程中的应用
全氢辛酸盐等离子表面活性剂双水相体系性质及萃取机理探讨
Ｋ ｙｗ ｒ ｓｒ ｃ ｌ ｔｏ ｈｓ ；ａｓ ｅ ｏｄ ｕｆ ｔ ｔ ｗ —ｐ ａｅ ｃｕｅ ａｍ ；
水相分离是最近发展得较快 的一种分离技术 ， 由于其结构简单 、 使用条件温和 、 经济方便 ， 毒性小等
特点且 保证 生 物活 性物质 的活性 而得 到重视 。表 面活性 剂用 于分 离技 术最 先是 利用 它们 的浊点 析相 的 原理进 行 的浊 点析 相法 ， 随后 发现 当阴 阳离子 表面 活性 剂溶 液 相混 合 后 溶液 将 由混 浊 变清 且 出现 两 相 。这一现 象 与高 分子化 合 物溶 液 的双水相 体系 类 似 ， 因而 称 其 为 “ 阳离 子 双水 相 ” 。本文 通 过研 阴 究 由阴离子 表 面活性 剂 Ｓ Ｆ Ｐ Ｏ与 Ｃ Ｅ复配 成双 水相 体 系 以及 由 Ｃ Ｎ Ｎ 。 Ｅ与 Ｓ Ｓ成 的双 水相 体 系 的性 质 Ｄ 和对一 些 物质 在其 中的分配情 况 分析 ， 出阴 阳离 子表 面 活性 剖 双 水相体 系 的萃取 机理 。 找
ｔ 实验 部 分
① 收 稿 日期 ：ｏ２一Ｏ 一０ ２ｏ ｌ ６
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第２ 期
吴瑛等 ： 全氟辛酸盐等离子表面活性 剂双水相体 系性质及 萃取机理探讨
１ 主 要仪器 和试 剂
７４型紫外 可 见 分光光 度计 （ ５ 上海分析 仪器 厂 ） 溴代十 二烷 、 乙胺 、 三 丙酮 、 乙醚 、 卟啉 （Ｒ ） 四磺 酸 基 苯基 卟 啉 （ Ｐ Ｓ 、 原 ＰＯ 、 Ｔ Ｐ ） 四苯基 卟 啉 口 Ｐ 四 甲 、
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第ｌ ４学
第 ２期
Ｊ ｒ ｍⅡ
塔 里 木 农 垦 大 学 学 报
Ｔ ｍ ｎ ｖ 晰 ｏ ｇ ｉｕｔ ｒｌ Ｒ ｃ跚 ０ ｍｉ Ｕ ｉ￣ ｆＡ ｒ ｌ ａ ｅ 】 ｃ ｕ ｎ
双水相萃取的原理及应用[专业内容]
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高等教育
ATPE 的基本原理
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相图:相平衡时物系的组成, 温度与压力的关系
系线反映的信息 杠杆规则：系线上各点均为分成组成相同，而体积不同 的两相。两相体积近似服从杠杆规则
性质差异：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.
高等教育
ATPE 的基本原理
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高等教育
ATPE 的历史：
4
ATPE 的历史：
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，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。
高等教育
ATPE 的历史：
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ATPE 的历史：
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。
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ATPE 的基本原理:
萃取：利用物质在两种互不混溶的溶剂中的分配 差异进行分离的技术。 有机溶剂萃取：以与水互不相溶的有机溶剂作萃 取剂从水相中萃取目的产物，广泛应用于抗生素、 有机酸、维生素等发酵产品生产。用于蛋白质、核 酸、酶等生物大分子的分离很少成功。 反萃取：使用水溶液从有机溶剂中萃取水溶性的 物质。
高等教育
ATPE 的历史：
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ATPE 的历史：
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。
双水相萃取法
双水相萃取法的应用及研究进展摘要:双水相萃取技术作为一项新的分离技术日益受到重视，它与传统的萃取及其它分离技术相比具有操作条件温和、处理、量大、易于连续操作等优点，从而使其能广泛应用于生物分离工程中。
本文介绍了双水相的形成、双水相萃取技术的基本原理以及影响物质分配系数的因素。
同时对双水相萃取技术的研究进展及其应用进行了综述。
关键词：双水相萃取分离纯化进展一：方法随着基因工程、蛋白质工程、细胞培养工程、代谢工程等高新技术研究工作的广泛开展，各种高附加值的生化新产品不断涌现，对生化分离技术也提出了越来越高的要求。
包括精馏、吸收、萃取、蒸发、结晶在内传统的分离技术有三大特点:分离过程伴随有相的变化;筛分过程不能实现分子级别的分离;精制过程成本极高，这些特征对于节约能源、生物分离、环境保护、资源开发、替代能源、高纯材料等当代化学工程与科学技术发展不相适应。
围绕以上几个问题的讨论就构成了分离技术研究与发展的主流，即新型分离技术产生的背景。
双水相萃取技术始于20世纪60年代，从1956年瑞典伦德大学Albertsson发现双水相体系[2]到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，虽然只有20多年的历史，但由于其条件温和，容易放大，可连续操作，目前，已成功的应用于蛋白质、核酸和病毒等生物产品的分离和纯化，双水相体系也已被成功的应用到生物转化及生物分析中。
双水相现象是当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一溶剂时，由于聚合物之间或聚合物与盐之间的不相溶性，使得聚合物或无机盐浓度达到一定值时，就会分成不相溶的两相，因使用的溶剂是水，因此称为双水相原则上，无论是天然的还是合成的亲水聚合物，绝大多数在与另一种聚合物水溶液混合时都可分成两相，构成双水相体系。
双水相萃取与水一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，但萃取体系的性质不同。
当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)的存在和环境的影响，使其在上、下相中的浓度不同。
双水相萃取技术的研究现状
双水相萃取技术研究进展[摘要]：双水相萃取技术作为一种新型的分离技术日益受到重视，与传统的萃取及其他分离技术相比具有操作条件温和、处理量大、易于连续操作等优点，从而使其能广泛应用于生物工程、药物分析和环境科学等方面，本文简单介绍了双水相萃取技术及其原理、特点，影响因素及其应用。
[关键字]：双水相萃取；分离；应用Aqueous two-phase extraction technology researchstatus[Abstra ct]:aqueous two-phase extraction technology as a new separation technology is becoming more and more attention, compared with the traditional extraction and separation technology other mild operating condition, the advantages of large capacity, easy to continuous operation, making it can be widely used in biological engineering, pharmaceutical analysis and environmental science, etc., this article simply introduces the aqueous two-phase extraction technology and its principle, characteristics, influence factors and its application.[key wo rds]: Aqueous two-phase extraction; Separation; application引言随着生物化工等新型学科的发展，一些含量较少、具有生理活性又极有机价值的生物物质的分离提纯，成了十分关键的技术课题。
双水相萃取技术的研究进展及应用
述———————瓦丽而矿垒盟双水相荸取技永的研舞进展及硅用ｉ江咏。
李晓玺，李琳，胡松青（华南理工大学轻工与食品学院，广东广州５ｌｏ“ｏ）摘要：夼绍了双水相革取技术（ＡＴＰＥ）的应用现状，综述了近年来取水相萃取技术的相关研完进展。
针对双水相系统（ＡＴ鸭）的经济适用性问题，对新型ＡＴＰｓ相组成材料的研究取得了极大的发展；为了提高双水相萃取技术的选择性争分毒效率，在组成传统Ⅳｌ＿皓的聚合物上偶联亲和配基的亲和Ａ什ｓ也得到关注；越水相萃取技术的发展趋势还体现在与其他生物分离技术的结合以厦革职机理和鹅力学模型的优化上。
美羹词：双水相革卑．蛋白质，分离纯化＾ｂｓ打ａｄ：Ｔｈｅａｐｐ｜ｉｃａｔｉｏｎｓ。
ｆｔｈｅａｑｕｅｏｕｓｔｗ０一ｐｈａｓｅｅｘｔｒａｃｔｌｏｎ（ＡＴＰＥ）ｍｔｈｅ８ｅｙｅａｒｓｗｅｒｅｓｕｍｍａｎｚｅｄ，ａｎｄ廿１ｅａｄｖａｎｃｅｓＯｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ０ｆＡＴＰＥｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄＴｈｅｎｄｖｅｌａｑｕｅｏｕｓｔｗｏ—ｐｈ船ｅｓｙｓｔｅｍｓｗｅｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｕｓｌｎｇｔｈｅｃｈｅａｐｅｒｐｈａｓｅｆＯｒｍＩｎｇｐＯｌｙｍｅｒｌｎＯｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｆｈｅ∞ｌｅｃｔｌｖ时ａｎｄｓｅｐａｒａｔｌｏｎｅ衔ｃＩｅｎｃｙ，ｉｈｅａ卅Ｉｎ时ｅｘｔｒａｃｔｂｎｕｄｎｇａｑｕｏｏｕｓｎⅣ０一ｐｈａｓｅｓｙｓｔｅｍｓ（ＡＴＰｓ）ｗｈｌｃｈ呲ｓ甜ｌｎｉ【ｙ¨ｇａｎｄｔ。
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双水相生物反应体系的研究进展
现 生物 反应 一 产物 分 离 的耦 合 。由于 产物 被 萃取 入 上相 消 除 了产物 抑 制作 用 ， 实现 了细胞 的高 密 度 生
长和 生物 催 化剂 活 性 的长 期 保 持 ； 时 ， 配 于下 相 的细 胞 或 酶得 以循 环使 用 。 同 分 此外 ， 过 产物 在 相 间 通 的转移 而 使平 衡 向 着 产物 生 成 的方 向移 动 ， 高 了反 应 的转 化 率 。 双水 相 生物 反应 体 系将 生 物 转 化 提 ④ 与 分离 耦合 ， 少 了后 续 的分 离 单元 操作 ， 减 能耗 较 小 ， 济省 时 ， 经 对工 业应 用 尤 为有效 。正 因 为双 水相 体 系 具 有许 多 优 点 ， 有 多 类 生 物 反 应 在 双 水 相 体 系 中进 行 ， 括 抗 生 素 ］ 酶 ［ 、 ］ 有 机 已 包 、 ５ 肽 、 ］
酸 ． 、 ９ 有机 溶 剂 Ｌ 。表 面 活性 剂 Ｌ］ 的生 物 合成 和 转化 。 ｊ 】、 。 】等
很 明显 ， 水相 体 系 中的生 物转 化将 生物 反应 与 产 物分 离 耦 合在 一 起 ， 时解 决 了产 物抑 制 和 生 双 同
收 稿 日 期 ： ０ １ １ — １ ； 订 日期 ： ０ １ １ — １ ２ ０ ０ 修 ６ ２０— ２ ７ 作 者 简 介 ： 华 松 （ ９ ４ ） 男 ， 士研 究 生 。 彭 １７ ． 博 基 金项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（ ０ ７ ０ ９ ， 东 省 自然 科 学 基 金 资 助项 目（ ８ ５ ３ 国 ２ ０ ６ １ ）广 ９０４ ）ຫໍສະໝຸດ 维普资讯 第 ２期
彭 华 松 等 ． 双 水 相 生 物 反 应 体 系 的 研 究 进 展
说明双水相体系的构成原理
说明双水相体系的构成原理双水相体系是指由两种不相溶的液体构成的体系，其中一种液体被称为连续相，另一种液体则被称为离散相。
双水相体系的构成原理涉及到两种液体的相互作用和界面特性，主要受到溶剂的极性、分子间作用力和表面张力等因素的影响。
首先，双水相体系的构成要求两种液体之间不能相溶，即亲水性液体与疏水性液体相互间接触时，不能形成混合溶液。
这是因为水分子是极性分子，在水中存在氢键和极性吸引力，而疏水性液体的分子则在水中形成类似“水合层”的结构，由于分子间的作用力不同，导致两种液体不能相互溶解。
其次，双水相体系的构成还受到溶剂的极性大小的影响。
在双水相体系中，通常选择较为极性的液体作为连续相，而选择较为疏水的液体作为离散相。
这只是一种普遍规律，并不是绝对的，具体的选择通常还受到其他因素的制约，如反应物的性质、体系的稳定性等。
此外，双水相体系的构成还与两种液体的表面张力有关。
表面张力是液体表面上的分子间作用力，决定了液体的流动性和液滴形态。
在双水相体系中，疏水性液体的表面张力较大，通常形成分散相的液滴；而亲水性液体的表面张力较小，通常形成连续相的水相。
双水相体系的构成可以通过各种方法实现。
一种常用的方法是通过混合剂来调节两种液体的相互作用和界面张力。
混合剂的选择应考虑到两种液体的性质，并能改变两种液体之间的相互作用力，从而实现液相体系的构建。
常见的混合剂包括表面活性剂、共溶剂等。
例如，选择一种适当的表面活性剂可以在两种液体之间形成一层分子膜，从而降低液体之间的表面张力，有助于形成双水相体系。
此外，还可以利用温度、压力、离子强度等因素来调节双水相体系的构建。
例如，通过控制温度可以改变溶剂的极性，从而调节双水相体系的构成。
另外，适量的化学试剂可以改变液体的溶解度和极性，进而影响双水相体系的构建。
总之，双水相体系的构成原理涉及到两种液体之间的相互作用和界面特性。
通过合理选择液体的性质、混合剂的添加以及环境条件的调节，可以构建稳定的双水相体系，并在化学合成、分离纯化等多个领域中得到广泛应用。
双水相体系的形成
其分子间作用力有也越大。
当两种大分子物质相混合时，其混 合结果主要由分子间作用力决定。 两种混合分子间如果存在相互排斥 作用，及某种分子的周围将聚集同 种分子而非异种分子，达到平衡时， 就可能分成两相。而两种聚合物分 别进入一相中的现象，称为聚合物 的不溶性。两高聚物双水相体系的 形成就是依据这一特性。
低分子有机物/无机盐双水相体系 。 表面活性剂双水相体系
双水相的概念
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。 故称双 水相。
形成机理
两种高聚物相互混合时，其结果是分层还是混合， 取决于两个因素：体系熵的增加和分子间作用力。
在生化工程中广泛运用的双水相 体系主要是聚乙二醇-葡聚糖体系 和聚乙二醇-无机盐体系。
双水相体系相图双水相萃取双水相萃取糖化酶双水相萃取的原理双水相萃取缺点双Байду номын сангаас相双水相萃取技术双水相萃取的应用双水相萃取定义双水相萃取的优缺点
双水相体系的形成
双水相体系的分类
高聚物/高聚物双水相体系，如聚乙二 醇-葡聚糖，聚丙二醇-聚乙二醇和甲基 纤维素糖等。 高聚物/无机盐双水相体系 ，如聚乙二 醇-磷酸钾，聚乙二醇-磷酸铵，聚乙二 醇-硫酸钠等。
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重质碳资源的高效利用 , E - mail: wei_xianyong@163. com
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化工时刊 20101Vo l124 , No. 12 科技进展《Advance s in Sc ie nce & Te chno lo gy》
们对双水相体系的成相 、溶质分布的机理研究尚不非 常清楚 。人们对双水相成相机理的认识大致可归纳 为 3种说法 。
图 1 有机溶剂对双水相成相结果的比较 F ig. 1 Com p a riso n o f the the o rga n ic so lve n ts
+
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+
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+
+
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-
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注 :“ + ”代表可以成相 ,“ - ”代表不能成相 。
2. 2 有机溶剂对双水相成相的影响结果的比较 从图 1 可知 ,在相同的盐浓度下 ,成相时所用的
有机溶剂的量越小 ,则说明该有机溶剂的分相能力越 强 。结果表明 ,几种有机溶剂的分相能力为丙酮 >异 丙醇 >乙醇 >甲醇 (不成相 ) 。而从它们的极性来 看 ,丙酮 >异丙醇 [ 10 ] ,则说明该结果不能支持极性差 异说 。
不支持盐析效应说 ;而在所有的盐中 , NaCl不能与甲 醇或乙 醇 形 成 双 水 相 体 系 , 该 结 果 说 明 了 甲 醇 和 N aC l是所 有 有 机 溶 剂 中 分 相 能 力 最 差 的 有 机 物 和 盐 ,乙醇次之 ,异丙醇和丙酮的分相能力都很强 。该 结果似乎可以用有机物的极性大小来解释 ,但从这些 有机物的分子结构来看 ,它们的分相能力应该与它们 各自的 试剂与仪器 主要仪器 设备 为美 国惠普 公司 生产 的 6890 /
5793型 GC /M S。 本试验所用试剂均为市售分析纯试剂 ,其中有机
溶剂经旋转蒸发仪精制后使用 。 1. 2 试验方法 1. 2. 1 双水相成相的研究
用去离子水将上述 4种盐制成饱和溶液 ,分别取 10 mL 饱和盐溶液于试管中 ,逐滴加入有机溶剂 ,直 到明显分相 。结果见表 1。 1. 2. 2 有机溶剂对双水相成相的影响
Keywords aqueous two phase system organic solvent inorganic salt functional group mechanism
双水相萃取技术是近 20 a以来研究并发展起来 以高聚物 /高聚物 、高聚物 /无机盐为主的双水相体系
的一项新的萃取技术 ,并广泛应用于生物中下游技 以外 ,在近年来的研究中还出现了以低分子有机物 / 术 、食品行业及某些化工行业当中 [ 1～6 ] 。除了传统的 无机盐为主的新型双水相体系 。然而 ,迄今为止 ,人
Abstract Aqueous two phase extraction has been w idely arranged in many fields, but its mechanism of phase form ing and extraction p rocess hasn’t been clearly studied yet. Several organic solvents, such as acetone, isop ro2 panol, ethanol, m ethanol, and ino rganic salts, such as N aH2 PO4 , K2 HPO4 , (NH4 ) 2 SO4 , N aCL , Na2 CO3 were studied for phase form ing; acetic acid, phenol and glucose were arranged in ethanol/NaH2 PO4 system , in order to study the distribution. It is discovered that different functional group s p lay different roll in phase form ing and distribu2 tion in this system , where the hydroxyl group exp resses the strong hydrophilic force, the rest exp ress the hydrophobe force. A s a result, the resultant force leads to the phase separation between organic solvents and salts, furthermore, it also determ ines the distribution of a certain compound.
Study on O rgan ic Com pounds in Aqueous Two Pha se
System Pha se Form ing and D istr ibution
L iu Shaopeng1 Zong Zhim in1 W ei Q ing1 W ei X ianyong1, 2
K Ct Cb
其中 , K 为分配系数 , Ct 为上相中溶质浓度 , Cb 为下相中溶质浓度 。
2 结果与讨论
2. 1 双水相成相的结果 从表 1可知 ,甲醇不可能与任一种盐形成双水相
体系 ,过量的甲醇只能使盐以固体形式析出 ,该结果
刘绍鹏等 双水相体系中成相及有机物分配机理的初步研究 20101Vo l124 , No. 12 化工时刊
双水相体系中成相及有机物分配 机理的初步研究
刘绍鹏 1 宗志敏 1 魏 晴 1 魏贤勇 1, 2
(1. 中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室 ,江苏 徐州 , 221008; 2. 武汉科技大学煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室 ,湖北 武汉 , 430081)
摘 要 双水相萃取技术应用广泛 ,但目前为止对其成相 、萃取机理的研究尚不明朗 。通过对丙酮 、异丙醇 、乙醇 、甲 醇和无机盐 NaH2 PO4、K2 HPO4、(NH4 ) 2 SO4、NaCl、Na2 CO3 的 双 水 相 成 相 研 究 及 对 乙 酸 、苯 酚 和 葡 萄 糖 在 乙 醇 / NaH2 PO4 体系内分布的研究 ,发现不同官能团对双水相成相及在双水相体系中物质分配的影响 。其中 ,羟基表现为 强亲水力 ,其它各基团表现为憎水力 。这两种力的结果导致了有机溶剂与无机盐在水溶液中的分相行为 ,并决定了 一种化合物在双水相体系中的分配 。 关键词 双水相体系 有机溶剂 无机盐 官能团 机理
选取 NaH2 PO4 为试验用盐 ,采用浊点法测定双 水 相 成 相 的 临 界 点 [9] 。试 验 过 程 如 下 : 称 取 NaH2 PO4 1 m g,溶于 2 m g水中 ,逐滴加入有机溶剂 3 mg,不断振荡 ,直至溶液中正好出现混浊 ,再加一滴 去离子水 ,混浊消失 ,再加一滴有机溶剂 ,浑浊又重新 出现 ,则判定为成相的临界点 。将所有的物质的浓度 换算成摩尔浓度 ,并绘制相图 。操作在常温常压下进 行 。结果见图 1。 1. 2. 3 双水相分配机理的研究
表 1 双水相体系成相结果 Ta b le 1 R e su lt o f fo rm ing the a queo u s two p ha se sys tem
盐
有机溶剂 乙醇 异丙醇 丙酮 甲醇
N aH2 PO4 K2 HPO4 N a2 CO3 N aCl (NH4 ) 2 SO4
+
+
+
(1. Key Laboratory of Coal Processing and Efficient U tilization, China University of M ining & Technology, J iangsu Xuzhou 221008; 2. Hubei Coal Conversion and New Carbon M aterials Laboratory, W uhan University of Science and Technology, Hubei W uhan 430081)
( 1)空间位阻说 [ 4 ] 该说法认为 ,高聚物 /高聚物之间的双水相体系 的形成主要是由于高聚物之间的不相溶性 。即在高 聚物分子的空间阻碍作用下 ,两种物质无法相互渗 透 ,不能形成均一相 ,从而具有分离倾向 ,继而在一定 条件下分为两相 。该说法认为 ,如两种聚合物憎水程 度有所差异 ,从而导致分离 ,憎水程度相差越大 ,相分 离倾向也就越大 。然而该说法不能有效解释低分子 有机物 /无机盐的成相机理 。因为在该类体系中 ,由 于有机物表现为与水无限互溶 ,不存在高聚物分子的 空间阻碍作用 ,因此无法用憎水程度高低来描述有机 物或盐对水的憎水程度 。 ( 2)盐析效应说 [ 7 ] 该说法认为 ,由于两种不互溶的水溶性物质在水 中会产生争夺水分子的现象 。无机盐等物质的争夺 水分子的现象导致有机分子被富集 ,从而产生相分离 的现象 。然而 ,在有机分子 /无机盐 /水的三相体系 中 ,如果有机分子过量的情况下 ,盐会以固体形式析 出 。何况 ,并非所有的无机盐都能和低分子有机物组 成形成双水相体系 。 ( 3)极性差异说 [ 8 ] 该说法认为 ,双水相成相能力大致与水溶性有机 溶剂的极性相反 ,有机溶剂极性越大 ,分相能力越差 。 而该说法不能完全解释有机溶质在双水相体系中分 布规律时一些大极性分子的分布规律 。 以上 3种理论均从不同角度在一定程度上解释 了双水相分配机理 。而对双水相体系的机理的研究 能够为双水相的应用提供理论基础 ,预测体系中溶质 的分配规律 ,从而有效指导该技术应用于实验或工业 生产中 。 影响双水相成相及溶质分布的因素很多 ,如温 度 、pH 值 、各种物质的组成浓度等等 ,而物质的结构 差异则是能否形成双水相及在两相中分布的关键因 素 。本文以甲醇 、乙醇 、异丙醇和丙酮为低分子有机 物 ,以 N aC l、(NH3 ) 2 SO4 、NaH2 PO4 、K2 HPO4 为 无 机 盐 ,讨论了有机分子的结构对双水相的成相的影响 , 并以乙酸 、苯酚和葡萄糖为溶质 ,讨论了有机物在双 水相中的分配机理 。