双水相萃取技术的研究现状及应用

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随着基因工程、蛋白质工程、细胞培养工程、代谢工程等高新生物技术研究工作的广泛展开,各种生化新产品不断涌现,但由于大部分的生物产品原液是具有低浓度和生物活性的,对分离条件以及环境要求极其苛刻,使得传统的液液萃取已不能适应分离要求,因此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条件温和,可调节因素多,易于放大和操作,并可借助传统溶剂萃取的相关理论和经验,不存在有机溶剂残留问题,特别适用于生物物质的分离和提纯。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,被认为是生物下游工程中一种具有广阔应用前景的分离技术。

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。对于某一物质,只要选择合适的双水相体系,控制一定的条件,就可以得到合适的分配系数,从而达到分离纯化之目的。

双水相萃取体系的特点有(1)整个体系的含水量高(70 %～90 %) ,萃取是在接近生物物质生理环境的条件下进行,故而不会引起生物活性物质失活或变性;(2)单级分离提纯效率高。通过选择适当的双水相体系,一般可获得较大的分配系数,也可调节被分离组分在两相中的分配系数,使目标产物有较高的收率;(3)传质速率快,分相时间短。双水相体系中两相的含水量一般都在80 %左右,界面张力远低于水-有机溶剂两相体系,故传质过程和平衡过程快速;(4)操作条件温和,所需设备简单。整个操作过程在室温下进行,相分离过程非常温和,分相时间短。大量杂质能与所有固体物质一起去掉,大大简化分离操作过程;(5)过程易于放大和进行连续化操作。双水相萃取易于放大,各种参数可以按比例放大而产物收率并不降低,易于与后续提纯工序直接相连接,无需进行特殊处理,这对于工业生产来说尤其有利;(6)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;(7)双水相萃取处理容量大,能耗低。主要成本消耗在聚合物的使用上,而聚合物可以循环使用,因此生产成本较低。

双水相技术的现状及应用

(1)亲和双水相萃取技术

亲和吸附具有专一性强,分离效率高等特点。利用其特点,将亲和吸附与双水相萃取技术相结合,即对成相聚合物进行化学修饰。该体系不仅具有萃取系统处理量大、放大简单等优点,而且具有亲和吸附专一性强、分离效率高的特点。(2)双水相萃取与膜分离相结合

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化问题及加快萃取速率的有利手段。

(3)生物转化与双水相萃取技术相结合

在生物转化过程中,随着转化的产物量的增加,常会抑制生化过程的进行。因此,及时移走产物是生化反应中的主要问题之一。将双水相系统与生物转化相结合,形成双水相生物转化,解决了生物转化过程中存在的产物抑制以及生物催化剂回收利用两方面的问题,为生物转化赋予了新的内涵。

(4)廉价新型双水相系统的开发

目前双水相萃取技术走向工业化所需解决的最大问题是构成双水相成相系统组分的价格十分昂贵。为了解决这个问题,国内外进行了大量的研究,一方面用廉价的无机盐代替以往常用的昂贵的葡聚糖,硫钠、硫酸镁、碳酸钾等盐与PEG 形成的双水相系统现已经大量用于萃取操作;另一方面开发可替代聚乙二醇和葡聚糖的高聚物。变性淀粉PPT、阿拉伯树胶、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取代葡聚糖,乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羟基纤维素等替代PEG,均取得阶段性的成果。

此外,有利用临界胶束浓度下表面活性剂的特异自组织行为及良好的稳定性形成的ATPS ,此类ATPS 分相依据的是胶束的形成,包括由非离子型表面活性剂组成的ATPS 和由离子型表面活性剂组成的ATPS。这些由表面活性剂组成的ATPS 与传统ATPS 相比有含水量更高,两相更容易分离,表面活性剂用量很少且可循环利用等独特的优点。

(5)双水相电泳

双水相电泳技术就是电泳技术与萃取技术交叉藕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。此外,国内外又相继开展了微重力双水相萃取、高速逆流双水相分配、双水相电萃取、温度诱导相分离双水相萃取等新技术的研究。

(6)双水相萃取与细胞破碎过程相结合

利用高速珠磨机,将细胞破碎和双水相萃取同时在珠磨机内进行。由于珠磨机内有良好的混合条件,PEG、无机盐和水得到充分混合,形成均匀的双水相分散体系。经过珠磨机加工的匀浆直接用离心机分相,细胞碎片分配在下相,胞内产物分配在上相。这种方法不仅节省了萃取设备和时间,而且由于双水相对很多蛋白质具有保持活性的特点,可以避免胞内产物的损失。