化工新技术2006-4

K>1或K<1
界面张力增大，固体颗粒易在界面集中，使界面减少
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2.双水相萃取的技术特征和工艺流程
2.1双水相萃取的技术特征
双水相萃取是一项可以利用不复杂设备，并
在温和条件下进行简单操作就可获得较高收率和
纯度产品的新型分离技术。
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(1)体系有生物亲和性
双水相体系水分含量高，操作简便，条件温和，分
1～2个步骤，使整个分离过程更经济。
（7）易于工程放大和连续操作 各参数可以按比例放大而不影响产物收率。
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1.4 影响分配平衡的因素
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， 曲线TCB称为结线，C为临界点，
结线上方是两相区，下方是单
相区。在相图曲线上方时(M点) 体系分成轻相(或称上相)组成用
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。
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与一般的水-有机溶剂体系相比较，双水相体系中两相
的性质差别(如密度和折射率等)较小。由于折射率的
差别甚小，有时甚至都难于发现它们的相界面。两相 间的界面张力也很小，仅为10-6～10-4 N· -1 (一般体系 m 为10-3～10-2 N· -1 )。界面与试管壁形成的接触角几乎 m 是直角。
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研发方向：
用改性淀粉PPT、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代替 葡聚糖。
用聚乙烯醇、聚乙烯毗咯烷酮作为PEG的替代品。 用硫酸钠、硫酸镁、碳酸钾等盐取代磷酸盐。
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研究开发新的体系，如：
双水相胶束体系，更适合分离纯化生物分子，易于放大和便
PEG／Dextran体系的相图
T点表示和重相(或称下相)组成用B表示。直线TMB称为系
线。所有组成在系统上的点，分成两相后，其上下相组成 分别为T和B。M点两相T和B量之间的关系服从杠杆定律，
即T和B相重量之比等于系线上MB与MT线段长度之比。
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物质在双水相体系中的分配系数不是一个确定的量，它要 受许多因素的影响。对于某一物质，选择合适的双水相体 系，控制一定的条件，就可以得到合适的(较大的)分配系
在双水相体系中进行萃取发酵的有：枯草杆菌、淀粉液化
芽孢杆菌制n～淀粉酶，地衣形芽孢杆菌制碱性蛋白酶等。 这些制备生产能力与分离效率均优于单一水相中的间歇操
作方法。
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(3)体系所需设备简单、操作方便

仅需可使粗提取液与两相体系充分混合及放置的贮罐和 普通离心机或使两相迅速分离的分离器。这些设备可以 是通用设备，如混合器-沉淀器系统以及离心分离机。 离心机一般为管式离心机，蝶片式离心机(澄清型离心 机和分离型离心机)。 操作能够容易、精确地运用化学工程中的萃取原理。适 合连续化生产，它可将过滤、离心、盐析等合为一
合物与另一种成相聚合物形成双水相体系进行萃取时，目
标蛋白质专一性地进入结合有配基的那种成相聚合物所在 相中，其它杂蛋白则进八另一相。

配基主要有：基团亲和配基型．染料亲和配基型、生物亲 和配基型，还有金属螯台亲和配基、免疫性亲和配基以及 单克隆抗体等用磷酸酯PGE／磷酸盐萃取β-干抗素。
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（5）可方便地与后续纯化工艺相衔接

PEG／Dextran硫酸盐体系
常见的高聚物／无机盐体系为：

PEG／硫酸盐或磷酸盐体系。
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1.2 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，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。分配系数K 等于物质在两相的浓度比，即
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1.1 双水相的形成
传统的溶剂萃取分离是依据被分离物质在两个互不相 溶液相中的溶解性不同而达到分离目的。
双水相萃取是两种水溶性不同的聚合物或者一种聚合
物和无机盐的混合溶液，在一定的浓度下，体系就会
自然分成互不相容的两相。
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双水相体系的形成主要是由于高聚物之间的不相溶
性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，
K CT CB
式中CT是上层溶质浓度，CB是上层溶质浓度，K是分配系数。
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当相体系固定时，待分离物质在相当大的浓度范围内K
值为常数，与溶质浓度无关，只取决于被分离物质本 身的特性和特定的双水相系统。
据两相平衡时化学位相等的原则，从Brownstedt方程
式求得分配系数K：
LnK E kT M kT
式中M为物质的相对分子量；λ系统表面特性系数；k为 波尔兹曼常数，T为温度。
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1.3 双水相萃取特点 （1）含水量高（75％· 90％） 接近生理的环境温度和体系中进行萃取，不会
引起生物活性物质失活或变性，操作条件温和。
（2）分相时间短 自然分相时间一般为5～15，可避免传统萃取过 程中出现的“乳化现象”，节省时间和能耗。
部分阴、阳离子在两相间分配系数
正离子 K+ lgK+ -0.084 阴离子 lgKI0.151 正离子 lgK+ 阴离子 lgKClF0.051
Na+
-0.076
Br-
0.083
NH4+ -0.036 Li+ -0.015
0.040
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(5)聚合物浓度 临界点C： 聚合物浓度最低，
K=1
离开临界点： 聚合物总浓度或聚合物/盐总浓度增加，
第二步：将目标蛋白质转人富盐相，方法是在上相中加盐，
形成新的双水相体系，从而将蛋白质与PEG分离，以利于使 用超滤或透析将PEG回收利用和目标产物进一步加工处理。
相时间短，经济省时。对蛋白质等生物活性物质无
毒害，并有稳定保护作用相。
界面张力小，有助于相际间的质量传递，为亲水性
很强的生物活性物质的溶解和萃取提供了适宜的环
境．不涉及有机溶剂，无生物活性物质的失活和变
性问题，也无劳动保 护和三废的处理问题。
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(2)体系能进行萃取性的生物转化
体系可将发酵生产过程中的生物转化与下游处理相结合。 即生物反应在其中一相中进行，同时生成的反应产物被连续 萃取到另一相中，既解决了产物反馈抑制作用造成的产量低 的问题，而且酶在高聚物溶液中比缓冲液中更稳定，活性更 大。尤其适于连续生产。 在双水相体系中进行酶催化的生物转化过程有：青霉素的 脱酰化、青霉素G转化为6-氨基青霉烷酸等。
于生产，其组成更简单、操作更灵活，提取更便捷。 去污剂形成的双水相体系
只有一种成相聚合物的双水相体系(如EOPO，即环氧乙烷
(EO)和环氧丙烷(PO)构成的水溶性热分离高聚物)，上相几乎 l00％ 是水，聚合物位于下相。 这些体系不仅操作成本低、萃取效果好，还为活性物质提 供了更温和 良好的环境。

同一聚合物的疏水性随分子量增加而增加，其大小的选
择依赖于萃取过程的目的和方向，若想在上相获得较高 的蛋白质收率，对于PEG聚合物，应降低它的平均分子 量；相反，若想在下相获得较高的蛋白质收率，则平均 分子量应增加。
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（2）pH值的影响
体系的pH值对被萃取物的分配有很大影响，这是 由于体系的pH值变化能明显的改变两相的电位差。如 体系pH值与蛋白质的等电点相差越大，则蛋白质在两 相中分配越不均匀。 （3）温度的影响 分配系数对温度的变化不敏感，这是由于成相聚合

细胞碎片 也能使目标蛋白质分配在上相，经沉淀后，又可
使目标物质与原来的取水相成相组成分离。

双水相萃取还能与凝聚过滤、离子交换层析、膜分膜等技 术集成结合。
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(6)开发廉价新型的双水相体系
存在问题：

成相聚合物价格昂贵


磷酸盐会带来环境问题
体系盐浓度高，无法实现亲和分配，并会破坏某些生 物物质的活性，使其应用范围受到限制
任何两相体系，都不要求特殊的处理就可与后续纯化 工艺相衔接，促进过程技术集成化的进程。如：

将亲和配体与可逆地可溶-不可溶的聚合相偶联，萃取中 与目标蛋白质进行专一结台。 改变pH值、温度和盐的浓度等参数，可产生沉淀。导致配 体、亲和络合物等与其它不络合的组分分离此法将双水相 萃取和亲和沉淀两个单元操作集合为一个过程，既能去除
物对蛋白质有稳定化作用，所以室温操作活性收率依然
很高，而且室温时粘度较冷却时(4℃)低，有助于相的分 离并节省了能源开支。
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（4）离子环境对蛋白质在两相体系分配的影响
电解质的阴、阳离子在两相间分配系数不同，在两相
间形成一穿过相界面的电势差(Donnan电势)，①影响荷电 大分子如蛋白质和核酸等的分配；②影响粒子迁移，粒子 因迁移而在界面上积累。故只要设法改变界面电势，就能 控制蛋白质等电荷大分子转入某一相。
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1.双水相ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ取原理及特点
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广泛开展，各种高附加值的生化产 品不断涌现，对生化分离技术也提出了越来越高的要求。
双水相萃取技术始于20世纪60年代，从1956年瑞典伦德
大学的Albertsson发现双水相体系到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，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、生物转 化及生物分析中。
三、双水相萃取技术
Aqueous Two—Phase Extraction ,ATPE