双水相萃取分离

双水相萃取技术应用

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，它与传统的萃取方法相比有独特的优点。本文总结了双水相萃取形成的原理，萃取过程的基本理论、萃取体系的特点，综述了双水相萃取技术在生化工业、分析检测、稀有金属分离等方面的应用，介绍了该技术的最新进展，指出了该技术工业化存在的问题，并对今后的发展作了展望。

关键词：双水相萃取分离应用

引言

双水相萃取技术（Aqueous two—phase extraction，简称ATPE）与传统的萃取分离技术不同，有其独特的优点，是一种新型的分离技术。双水相萃取在诸多方面有着广泛的应用，具有良好的应用前景。

1、双水相萃取技术的基本原理

1．1双水相体系的形成

当一定浓度的某种有机物水溶液与其它有机物水溶液，或者有机物水溶液与无机盐水溶液以一定体积比混合时，能够自然分相并形成互不相溶的双水相或者多水相体系，这就是双水相体系。

从溶液理论来说，当2种有机物或者有机物与无机盐混合时，是分相还是混合成一相，取决于混合时的熵变和分子间的相互作用力。由于双水相体系本身的复杂性，体系的熵很难准确计算，分子间的相互作用力也不清楚，所以双水相的形成机理很复杂。对于高聚物／高聚物双水相体系，用传统的理论来解释，是由于界面张力等因素形成两相之间的不对称，使得在空间上产生阻隔效应，使两相之间无法相互渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，一般这种分离倾向的大小和形成双水相的2种物质的疏水性成线性关系。对于有无机盐存在的双水相体系，以及新开发的表面活性剂双水相体系，这种解释就无能为力了。

表1是各种双水相体系的成相原理。由表1可知，不同的成相原理可以解释不同组成的双水相体系．但各种原理并不能普遍适用。而且各种原理问的相互关

系也十分复杂。因此双水相体系的成相原理以及溶液理论有待进一步据人研究。

1．2双水相萃取的基本原理

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，由于分子问的范德华力、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。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 分配定律：K=b t C C ，其中吼t C 、b C 分别代表溶质在上相、下相中的浓度。

系统固定时，分配系数为一常数，与溶质的浓度无关。当目标物质进人双水相体系后，在上相和下相同进行选择性分配，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。

1．3影响物质分配平衡的因素

影响物质在双水相体系中分配的因素有很多，其中主要包括体系有机相组成(如有机物的类型、平均分子量等)、盐类(包括离子类型和浓度、电荷数、电解质强度、酸碱性等)、相比R(上下相的体积比)、溶质即目标物质的物理化学性质(包括分子量，等电点)，以及体系的温度、压力等。

2、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：

（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。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。

（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。

（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。

3、双水相萃取的应用

（1）、生物工程技术中物质的提取与纯化

双水相萃取分离技术已应用于蛋白质、生物酶、菌体、细胞、细胞器和亲水性生物大分子以及氨基酸、抗生素等生物小分子物质的分离、纯化。生物酶类在双水相的分离和纯化中，部分已经实现了工业化。

（2）、中草药有效成分的提取

中草药有效成分的确定和提取技术在国内发展一直比较缓慢，这限制了中药药理学的发展、深化以及中药现代化。近几年来，有关双水相萃取技术提取中草药有效成分的开始发展，并且有良好的应用前景。

（3）、双水相萃取分析

常规的检测生物物质的技术既繁琐又费时，很难及时满足现代生化生产分析的要求，因而开发一种快速、方便、准确的生物活性物质的检测技术是必要的。基于液—液体系或界面性质而开发的分析检测技术是一项潜在的有应用价值的生化检测分析技术。这一技术已成功地应用于免疫分析、生物分子间相互作用力的测定和细胞数的测定。

（4）、稀有金属贵金属分离

传统的稀有金属贵金属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。双水相技术萃取技术引入到该领域，无疑是金属分离的一种新技术。

4、双水相萃取技术的最新进展

（1）、廉价双水相体系的开发

多年来的双水相技术研究绝大多数集中在高聚物-高聚物双水相体系系列上。然而该体系的成相聚合物价格昂贵，在工业化大规模生产时，从经济上丧失了该体系技术上的优势，因而寻找廉价的有机物双水相体系是双水相体系的一个重要的发展方向。

（2）、新的双水相体系探索

随着双水相技术研究的不断深入，新的双水相体系表面活性剂表面活性剂水体系、普通有机物无机盐水体系、双水相胶束体系等体系相继被发现。这些双水相体系各有优势，表面活性剂双水相体系与高聚物双水相体系相比，有更高的含水量，因而条件更为温和，表面活性剂的增溶作用，不仅可以用于可溶性蛋白质分离，而且可用于水不溶性蛋白质的分离；普通有机物型双水相体系最大的优点是价格便宜，分离后续工作处理简单。另外，一种新的体系是只有一种成相聚合物的双水相体系，上相几乎是水，聚合物绝大部分集中在下相，该体系不仅操作成本低，萃取效果好，还为生物物质提供了更温和的环境。

（3）、双水相萃取技术同其他技术集成化

过程集成化是指不同的分离技术上互相渗透，实现优势互补，从而达到整体优化的目的，具体表现在三个方面：1、与常规技术结合来解决双水相萃取本身的难点问题，如双水相电泳技术就是电泳技术与萃取技术交叉耦合形成的一种新型分离技术，该技术是在多液相状态，既可以克服对流（返混）的不利影响，又有利于被分离组分的移出；2、引进其他分离技术进行融合以提高分离效率，简化分离过程，使其工艺步骤少，提取效率高，能耗及生产费用低；3、为已有的技术提供新的思路，如根据非离子表面活性剂胶束系统温度在浊点以上自动分相的现象提出了双水相非离子表面活性剂胶束萃取的新概念；根据双水相的液液界面阻止热对流的假设，为开发双水相电泳分离技术开辟了一条新途径。根据双