双相萃取方法

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双水相 体系
双水相萃取过程的步骤:
双水相 分配
图3.1 双水相萃取的工艺流程图
细胞匀浆液
PEG
第一 步双 水相 萃取
+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
2.5.双水相萃取分离影响因素
2.5.5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低, 有助于相的分离并节约了能 源开支。
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2.6 双水相中的分配平衡

研究表明,生物分子的总分配系数 c
Kp
2
2.5.双水相萃取分离影响因素
2.5.3离子环境对两相体系分配的影响 在双水相体系中加入电解质,由于阴、阳离子在两相中的 分配差异,形成穿过相界面的电位, 从而影响带电大分子 物质在两相中分配。如在PEG/Dextran系统中加入NaClO4 或KI时,可增加上相对带正电荷物质的亲和效应,并使带负 电荷的物质进入下相;
双水相萃取
1896年Beijerinck观察到当把明胶与琼脂或把明胶和可溶性 淀粉的水溶液混合时,先得到一混浊不透明的溶液,随后分成两 相,上相含有大部分明胶,下相含有大部分琼脂(或可溶性淀粉)。 再如下图中,2.2%的葡聚糖水溶液与等体积的0.72%甲基纤维 素钠的水溶液相混合并静置后,可得到两个粘稠的液层。
(2)盐的种类和浓度
盐的种类(离子组成)影响蛋白质、核酸等生物大分子 的分配系数,盐浓度不仅影响蛋白质的表面疏水性,而且 扰乱双水相系统,改变各相中成相物质的组成和相体积比。
例:PEG/葡聚糖体系中上
下相的PEG和葡聚糖浓度
随NaCl浓度的增大而改变, 这种相组成即相性质的改 变直接影响物质的分配系 数,如图:
疏水作用 PEG/Dx和PEG/无机盐等双水相系统的上相 (PEG 相 ) 疏 水 性 较 大 , 相 间 的 疏 水 性 差 用 疏 水 性 因 子 HF (hydrophoblc factor)表示。HF(相间疏水性差)可通过测定疏 水性已知的氨基酸在其等电点处的分配系数Ks测算
ln K S HF ( RH B)
3.2双水相萃取的特点
(1) 条件温和 双水相萃取体系中两相中的大部分(质量 分数>0.7)是水,所形成的两相不涉及有机溶剂, 对被 分离的物质不会起破坏作用, 所使用的聚合物有时还 对被分离物质起保护作用, 无三废处理之需,所以特别 适合生物活性物质的分离提纯; (2) 操作方便 所使用的设备简单, 操作方便, 即使在常 温下操作亦不易导致失活; 由于是双水相,两相间的表 面张力小,有利于萃取, 且可直接与后续提纯工序相连 接, 无需进行特殊的处理; (3) 回收率高 提纯倍数可达2-20倍, 如体系选择适当, 回收率可达80%-90%以上,且分离速度快。
2.2
双水相萃取的原理
双水相萃取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。 通 过控制一定的条件,可以得到合适的分配系数,从而达到 分离纯化之目的。
PEG = 聚乙二醇(polyethylene glycol) Kpi = 磷酸钾 DX= 葡聚糖(dextran)
图2.4
(3) pH的影响
pH值影响蛋白质的解离度,调节pH值可改变蛋白质 的表面电荷数,从而改变分配系数。
(4) 温度的影响
温度影响双水相系统的相图,因而影响蛋白质的分配 系数。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。
3
双水相萃取的工艺流程
3.1.2 PEG的回收
在大规模双水相萃取过程中,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加入盐使目标产物转入富盐相来回收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。
3.1.3 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。
(2)高聚物-低分子物质体系,以高聚物/无机盐
体系为常见,如PEG/硫酸盐、PEG/磷酸盐
等(盐析作用)。
表2.1常见的各种双水相系统
类 型 形成上相的聚合 物
聚乙二醇 非离子型聚合物/ 非离子型聚合 物 聚丙二醇 聚乙烯吡咯烷酮 高分子电解质/非离子型聚合物 高分子电解质/高分子电解质 聚合物/ 低分子量化合物 聚合物/ 无机盐 羧甲基纤维素钠 葡聚糖硫酸钠 葡聚糖 聚乙二醇 硫酸铵 聚乙二醇 羧甲基纤维素钠 丙醇 磷酸钾 聚乙烯醇 聚乙二醇
上相产品
+

第三步双水相萃取
静置分层
下 相(盐相)
上相
超滤法
(PEG可循环使用)
提纯产品 图3.2 三步两水相萃取酶的流程
多步萃取的目的是为了获得较高的纯化倍数。
• 双水相体系在工业上主要用于从发酵液、细胞培养液中分离 细胞碎片,提取酶或蛋白质。图是用PEG/无机盐体系通过2步 萃取从产氨短杆菌中回收延胡索酸酶的流程,主要由3部分组 成( 1)目的产物的萃取;(2) PEG 的循环;( 3)无机盐的 循环。
双水相萃取分离影响因素
外加电场的影响 当在两相分界的垂直方面上加上电场时由于电位差增加而使 分配系数发生改变 如用PEG8000 /DextranT 500体系分离
肌红蛋白,在外加48.1V/cm的电场强度40 min后,分配系数
K从0.81变为38.7,上相回收率从44.7%增高到98.0% 。
图1.2 双水相体系的形成
二、双水相萃取分离原理
------即为什么会有双水相现象以及如 何利用其进行萃取分离
2.1双水相系统形成原理 2.2、双水相系统相图 2.3 双水相萃取分离计算 2.4双水相系统类型 2.5.双水相萃取分离影响因素
2.1双水相系统形成原理 两种水溶性聚合物溶液混合,形成单一相还是两相, 主要取决于两种因素:系统熵的增加;分子间的作用 力(氢键、电荷力、疏水作用、范德华力、构象效应)。 熵的增加与分子数目有关,而与分子大小无关;分子 之间的相互作用力可看作分子中各基团相互作用力之 和,随分子量的增加而增加。分子量大的聚合物以摩 尔计的相互作用能超过混合熵的增加而起主导作用, 进而决定聚合物溶液混合发生的现象。当两种聚合物 之间互不相溶,而排斥,它们的线团结构无法互相渗 透,导致一种分子为同种分子所包围,在达到平衡后, 形成了互不相溶的各自富含单一种聚合物的两相。
FZ ln K P ln K 0 RT
K0 为溶质净电荷为零时的分配系数;F为法拉利常数;Z为溶质的净电荷; 为相间电位差
因此,荷电溶质的分配系数的对数与溶质的净电荷数成正比, 由于同一双水相系统中添加不同的盐产生的相间电位不同,故 分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异.
19
(2)
系数的贡献。
2.6.1 双水相系统中的作用力
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(1)静电作用 非电解质型溶质的分配系数不受静电作用 的影响,利用相平衡热力学理论可推导下述分配系数表达式:
ln Kp = -Mλ/RT
Kp-分配系数;M-溶质的相对分子质量;λ-与溶质表面性质和成相系 统有关的常数; R-气体常数,J/(mo1.K);T-绝对温度,K。
2.2、双水相系统相图
系线
PEG (%)
两相区
双节线
均相区
葡聚糖(%) 临界点
PEG/葡聚糖系统相图

相图中TCB连线为一双节点线,双节点线下方为单相区;双 节点线上方为两相区。如果系统组成处于该区,如M点时, 系统分为两相,而上相和下相的组成分别为通过M点与双节 点线相交的T和B点相对应的组成。上相主要含有PEG,下相 主要含有葡聚糖或盐。两相平衡时,符合杠杆规则。当用υT 代表上相体积,υB代表下相体积时,则
形成下相的聚合物
葡聚糖
2.5.双水相萃取分离影响因素
2.5.1聚合物及其分子量的影响 聚合物的相对分子量降低、浓度升 高有利于增大溶质的分配系数。不 同聚合物的水相系统显示出不同的 疏水性,
2.5.双水相萃取分离影响因素
2.2.2pH值的影响 pH值的变化会导致组成体系的物 质电性发生变化,也会使被分离物 质的电荷发生改变,从而影响分配 的进行。例如在PEG/盐组成的体 系中,通常可在相当小的pH变化范 围内,使蛋白质在其中的分配系数 有很大的改变。
c1
c1 :下相中溶质的总浓度;c2:上相中溶质的总浓度。

生物分子的总分配系数Kp取决于溶质与双水相系统间 的各种相互作用,其中主要有静电作用、疏水作用和生物 亲和作用等。

ln K p ln KE ln KS ln K A
KE,KS,KA分别为静电作用、疏水作用、亲和作用对溶质分配
υT BM υB MT

式中 BM为B点到M点的距离,MT为M点到T点的距离。M点 向下移动时,系线长度缩短,两相差别减少,到达C点时, 系线长度为0,两相间的差别消失而成为一相。因此,C点成 为系统的临界点。
2.4双水相系统类型
(1)高聚物-高聚物体系,以聚乙二醇PEG/ Dextran(葡聚糖)和PEG/Dextran硫酸 盐体系为常见;(分子间的斥力)
图3.3 双相萃取的 工艺流程
双水相连续萃取工艺流程图
3.1.1目的产物的萃取
目标产物的萃取一般分为两步: 第一步 :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: 在上相中加入盐,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回收利用和目的产物 进一步加工处理。
a、成相聚合物分子量
分子量越小,蛋白质容易分配于富含该聚合物的相中。 例: PEG/Dextran形成的双水相体系中,降低PEG聚合物 的分子量,则蛋白质易分配于富含PEG聚合物的相中,使 分配系数(KP)增大;而将Dextran分子量减小,则会导 致分配系数的降低。
b、成相聚合物浓度 当接近分配的临界点蛋白质均匀分配于两相中,分配 Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eius 系数接近1; mod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua. Ut enim ad
图1.1 葡聚糖与甲基纤维素钠的双水相体系
1.2 双水相现象以及双水相萃取分离
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。 双水相萃取分离:双水相萃取是利用物质在不相 溶的两水相间分配系数的差异进行萃取的方法
因此,溶质的分配系数的对数与相对分子质量之间呈线性 关系,在同一个双水相系统中,若λ >0,不同溶质的分配系数 随相对分子质量的增大而减小。同一溶质的分配系数8
实际的双水相系统中通常含有缓冲液和无机盐等电解质, 当这些离子在两相中分配浓度不同时(即分配系数≠1),将在 两相间产生电位差,此时,荷电溶质的分配平衡将受相间电位 的影响,从相平衡热力学理论推导溶质的分配系数表达式为
minim veniam, quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliqui 成相聚合物的总浓度或聚合物/盐浓度的比例增加时 p ex ea commodo consequat.
,系统远离平衡点,此时两相性质的差别增加,蛋白 质容易趋向于某一极。
其中,RH为氨基酸的相对疏水(relativehydrophobicity), 是通过测定氨基酸在水和乙醇中溶解度的差别确定的,并设 疏水性最小的甘氨酸的RH=0。所以上式中 B为
KGly 为 甘氨酸分配系数。
B ln KGly / HF
2.6.2 影响分配平衡的因素
(1)成相聚合物的分子量和浓度
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