双水相萃取和超临界萃取的方法与特点
双水相萃取技术
双⽔相萃取技术双⽔相萃取技术（two-aqueous phase extraction）⼀、前⾔近年来，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。
与上游过程相⽐，⽬前作为下游过程的⽣化分离纯化技术往往存在步骤多，收得率低，处理时间长，重复性差等缺点，这样便严重阻碍了⽣物技术的⼯业化发展。
因此，就迫切需要⼀种分离步骤少，收得率⾼，处理时间短，并且易于放⼤的⽣化分离纯化技术，双⽔相萃取技术就满⾜了这⼀需要。
特别是基因⼯程技术的发展，需要从细胞中提取⾼质量的遗传物质，由于细胞破碎后，在溶液中存在⼤量的轻质细胞碎⽚，给遗传物质的提取形成了很⼤的⼲扰，通常通过离⼼分离和溶剂萃取难以得到⾼纯度⾼活性的遗传物质，⽽通过双⽔相初步提取，可以使⽬标物和轻质碎⽚得到很好的分离，且⽬标物的活性⼏乎没有损失。
因此双⽔相萃取技术得到了很⼤的重视，并且在近20年⾥取得了较⼤的发展。
⼆、发展史双⽔相萃取技术⼜称之为⽔溶液两相分配技术（Partition of two aqueous phase system）1、1896年，Beijernek 在琼脂和可溶性淀粉或明胶混合时，发现这种混合溶液能较快地分为两层，他把这种现象称之为聚合物的“不相容性”（incompatibility）――――体系的发现2、1956年瑞典伦得（Luhd）⼤学的Albertson发现双⽔相萃取技术可⽤于蛋⽩质的选择分离，但⽬标蛋⽩同成相⾼聚物的分离是影响了其⼤规模⼯业应⽤。
――――――――――发现可以⽤于分离提纯3、20世纪70年代中期西德的Kula和Kroner等⼈⾸先将双⽔相技术应⽤于从细胞匀浆液中提取酶和蛋⽩质，从⽽⼤⼤改善了胞内酶的提取过程，提⾼了酶的收得率。
―――――――利⽤于活性物质的提取4、1989年，Diamond等⼈以Flory－Huggins理论为基础，推导出⽣物分⼦在双⽔相体系中的分配模型，但有局限性，仍需继续探索，不断完善。
双水相萃取的原理及应用 (2)
双水相萃取的原理及应用1. 引言双水相萃取是一种常用的分离和提取技术，它利用两种不相溶的溶剂，即水相和有机相，在液-液界面上进行分相和萃取。
该技术具有高效、简便、环保等特点，被广泛应用于化学、生物、环境等领域。
本文将介绍双水相萃取的原理和一些常见的应用。
2. 双水相萃取的原理双水相萃取的原理基于不同溶剂之间的亲疏水性差异，以及化合物在两种溶剂中的分配系数。
在水相和有机相的界面上，亲水性较强的化合物会向水相转移，而亲水性较弱的化合物则会向有机相转移。
这样，在两相之间可实现化合物的分离和富集。
3. 双水相萃取的步骤双水相萃取通常包括以下几个步骤：•第一步：选择合适的水相和有机相溶剂。
一般情况下，水相为水，有机相为有机溶剂如乙醚、丙酮等；•第二步：将待提取物溶解在适量的水相溶液中，并加入适量的有机相溶液；•第三步：进行充分摇匀和混合，使两相形成均匀混合体；•第四步：静置一段时间，使两相分离，从而形成上下两层液相；•第五步：将两相分离，分别收集上下相中的物质。
4. 双水相萃取的应用4.1. 生物化学•蛋白质分离纯化：双水相萃取可用于蛋白质的富集和纯化，对于分子量较大的蛋白质特别有效；•酶的富集：通过双水相萃取，可以有效地从复杂的酶混合物中富集目标酶，提高其活性和纯度；•生物活性物质的提取：双水相萃取可用于提取天然产物中的生物活性物质，如草药提取液中的有效成分。
4.2. 环境科学•水样前处理：对于含有大量有机物的水样，双水相萃取能够有效地去除有机物，净化水质；•环境污染物的富集：通过双水相萃取，可以将水中微量的有机污染物富集到有机相中，方便进一步分析和检测。
4.3. 化学合成•有机合成中的分离提取：在化学合成过程中，双水相萃取可用于分离和富集目标化合物，提高产率和纯度。
5. 结论双水相萃取是一种高效、简便、环保的分离和提取技术，适用于多个领域。
它的原理基于不同溶剂之间的亲疏水性差异，通过分配系数的差异实现化合物的分离和富集。
萃取过程原理及其在工业中的应用
萃取过程原理及其在工业中的应用一、萃取过程原理原理：萃取是利用不同的物质在选定溶剂中溶解度的不同以分离混合物中的组分的方法。
注意：分离过程纯属物理过程。
一、萃取过程原理（一）液—液萃取过程原理及应用（二）双水相萃取过程原理及应用（三）超临界流体萃取过程原理及应用1、单级萃取原理：料液与萃取剂在混合过程中密切接触，让被萃取的组分通过相际界面进入萃取剂，直到组分在两相间的分配基本达到平衡。
然后静置沉降，分离成为两层液体。
单级萃取萃取率较低。
2.多级错流萃取原理：原料液F从第一级进入，依次通过各级与加入各级的溶剂Si进行萃取，获得萃余相R1，R2……。
末级引出的萃余相RN进入脱溶剂塔I脱除溶剂SR，获得萃余液RN′。
加入各级的溶剂S1，S2……分别与来自前一级的萃余相进行萃取，获得的萃取相E1，E2……分别从各级排出，通常汇集一起后进入脱溶剂塔II脱除溶剂SE，获得萃取液RE′。
回收的溶剂SR和SE一起返回系统循环使用。
系统还应适量加入新溶剂以补充系统溶剂的损失。
3.多级逆流萃取原理：原料液F从第一级进入，依次经过各级萃取，成为各级的萃余相，其溶质组成逐级降低，溶剂S从末级第N级进入系统，依次通过各级与萃余相逆相接触，进行萃取，使得萃取相中的溶质组成逐级提高，最终获得的萃取相E1和萃余相RN通过脱溶剂塔I、II脱除溶剂，并返回系统循环使用。
液液萃取在工业中的应用1、液液萃取在石油化工中的应用分离轻油裂解和铂重整产生的芳烃和非芳烃混合物用酯类溶剂萃取乙酸，用丙烷萃取润滑油中的石蜡以HF-BF3作萃取剂，从C8馏分中分离二甲苯及其同分异构体2、在生物化工和精细化工中的应用以醋酸丁酯为溶剂萃取含青霉素的发酵液香料工业中用正丙醇从亚硫酸纸浆废水中提取香兰素食品工业中TBP从发酵液中萃取柠檬酸3、湿法冶金中的应用用溶剂LIX63-65等螯合萃取剂从铜的浸取液中提取铜原理：当两种高聚物的水溶液相互混合时，两种被混合分子间存在空间排斥作用，使它们之间无法相互渗透，则在达到平衡时就有可能分成两相，形成双水相。
双水相萃取技术详解
① 与固定床反应器相比，不需载体，不存在多孔载体中的
扩散阻力，故反应速度较快，生产能力较高；
② 生物催化剂在两水相系统中较稳定；两相间表面张力低， 轻微搅拌即能姓曾高度分散系统，分散相液滴在10μ m 以下，有很大的表面积，有利于底物和产物的传递。
3.5 工业设备
在萃取过程中，要求在萃取设备内两相能密切接触并伴 有较高的湍动，以实现两相之间的质量传递；尔后，又能使
二.双水相萃取的原理及流程 2.1 原理
一定条件下，水相也可以形成两相甚至多相。所以有 可能将生物活性物质（水溶性的酶、蛋白质等）从一个水 相转移到另一个水相中，从而完成分类任务。
因此双水相萃取与溶媒萃取的原理相似。
当两种高聚物水溶液相互混合时，他们之间的相互作 用可分为三类：
互不相容（imcompatibility）
3.1.1特点
1)体系易于放大,各种参数可以按比例放大而产物的回收率并 不降低, 这点对于工业应用尤为有利;
2)体系内传质和平衡速度快,回收率高,可达到90%以上, 比起 其他的一些分离过程,其能耗小;
3)体系的相间张力大大低于有机溶剂与水的相间张力,分离条 件温和,因而能保持绝大部分生物分子的活性; 4)操作条件温和,整个过程可在常温常压下进行; 5)离子液体的蒸汽压几乎为零,不会出现像有机溶剂那样因挥 发而引起环境问题;
迄今为止, 双水相萃取技术已被成功应用于生物工
程、药物提取、金属离子分离等方面。在生物工程、药
物分析、环境科学等方面有着广阔的应用前景。尽管其 已发展成为一种相对比较成熟的技术, 然而, 相关研究
和应用还不够深入, 一些技术难题还有待解决，但仍然
有值得深入研究与完善的方面。
1.3 双水相概念
双水相萃取解析
➢ 一般采用室温操作： 成相系统聚合物PEG对蛋白质有稳定作用，常温下蛋 白质不会发生变性； 常温下溶液粘度较低， 容易相分离； 常温操作节省冷却费用。
4.双水相萃取技术的发展
（1）历史：
➢ 早在1896年，Beijerinck发现，当明胶与琼脂或明胶与 可溶性淀粉溶液相混时，得到一个混浊不透明的溶液，随 之分为两相，上相富含明胶，下相富含琼脂（或淀粉）， 这种现象被称为聚合物的不相溶性（incompatibility）； ➢ 20世纪60年代，瑞典Lund大学的Albertsson P A及同事 最先提出了双水相萃取技术； ➢ 1979年，西德的Kula M R等人首次将ATPE应用于生物产 品分离；
➢大量研究表明：生物分子的分配系数取决于溶质与双水相系统 间的各种相互作用，主要有静电作用、疏水作用和亲和作用等， 其分配系数可为各种相互作用之和。
ln m ln me ln mh ln ml
①静电作用：两相系统中若有带电溶质存在，会ห้องสมุดไป่ตู้大分子在两 相间的分配系数产生影响。（图5-15） Donnan Potential:当大分子或粒子带有静电荷时，在带有电荷 分配不相等时，就会在两相间产生电位差，称为道南电位。 ②疏水作用：某些大分子物质表面具有疏水区，溶质的表面疏 水性会对其在两相间的分配系数产生影响。
3.影响双水相分配的主要因素
高聚物的相对分子质量 高聚物的浓度 盐的种类和浓度 PH值 温度
（1）高聚物的相对分子质量：
➢在高聚物浓度保持不变的前提下，降低该高聚物的相对分子质 量，被分配的可溶性生物大分子如蛋白质或核酸，或颗粒如细 胞或细胞碎片和细胞器，将更多地分配于该相。
以PEG-Dextran体系为例，↓Dextran→K↓ ↓PEG→K↑（表5-4）
双水相萃取
孙万儒
中国科学院微生物研究所
前言
• 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。 反胶团萃取： 超临界萃取：
选择双水相的原则
• 能够获得高的产物回收和生物活性回收， 高的分离纯化倍数； • 系统的物理化学性质有利于大规模的应 用，有良好的工艺性能，系统黏度低， 相分离快，达到相平衡时间短，工艺参 数容易控制，工艺条件可调性范围大； • 系统经济，成本低，无毒，适合大规模 应用。
双水相系统相图
PEG (%)
金属螯合亲和萃取
因此，酶被萃取在PEG相中。萃取的选择性主要取 决于螯合基团、金属离子和蛋白质表面的氨基酸残 基。 这种结合作用不受高盐浓度的影响，可构成 PEG ／ 盐 系 统 。 金 属 离 子 － 蛋 白 质 复 合 物 可 在 pH4～５范围解离，将酶释放；也可以加入具有金 属螯合作用的物质如EDTA等将酶替换出来。 该方法对于那些金属离子容易引起变性的酶和 以金属离子为辅酶，或以金属离子为维持高级结构 所必须的酶的实用性有一定问题，可能引起酶变性 或失活。
普通双水相系统
普通双水相萃取是指主要依靠空间位阻分配和 界面电位分配的双水相萃取，如利用聚合物/聚合 物系统和聚合物/盐系统的萃取，它们发展最早， 也是研究最多和应用最多的双水相系统，也是其 它分配萃取系统的基础。为了改进萃取效率和分 离效果，利用控制相系统的pH或在相系统中加入 盐或有机溶剂的方法提高目的物的分配系数。 普通的双水相萃取系统的选择性比较低，只适 用于产物回收和初步分离。
第6章、溶剂萃取、双水相萃取和超临界萃取法
式中[A有]——物质A在有机相中的平衡浓度 [A水]——物质A在水相中的平衡浓度。
严格地说，只有当溶剂A在水溶液中的浓度极 低，并在两相中的分子型体相同时，KD在一 定温度下才是常数。而与溶质在整个体系中 的总浓度无关。但在分析实践中，溶质在溶 液中的浓度往往相当大，因此(1)式常发生偏 高，在此情况下，分配系数应以溶质A在两相 中的活度之比PA表示：
第六章 溶剂萃取、双水相萃取和超临界萃取法
基本原理； 溶剂；无机萃取体系的分类； 萃取条件的选择； 萃取分离操作； 逆流萃取；双水相萃取；超临界萃取；固相微萃 取(SPME)技术；反胶束萃取；凝胶萃取。 重点：溶剂、萃取条件的选择和超临界萃取、固 相微萃取技术。
§1. 基本原理
萃取过程的本质
无机盐类溶于水中并发生离解时。便形成水合离子。 如Al(H2O) 63+、Zn(H2O) 42+ 、 Fe(H2O)4Cl4-等，它们易溶于水而难溶于有机溶剂。 这种性质称为亲水性。许多有机化合物(油脂、萘、 蒽等)难溶于水而易溶于有机溶剂，这种性质称为疏 水性。如果要从水溶液中将某些无机离子萃取至有 机溶剂中，必须设法将其亲水性转化为疏水性。因 此萃取过程的本质，是将物质由亲水性转化为疏水 性的过程，其起作用的是萃取剂反应基团的活性。
式中[A]有和[A]水分别代表溶质A在有机相 和水相中的不同化学型体的总浓度。
三、分离系数(分离因数)
在同一体系中有两种溶质A和B，它们的萃取常数分别的为DA 和DB，这两个数的比值称为分离系数(β)
β=l，即DA = DB ，表明A和B不能分离。
β>l，即DA > DB ，表明A和B可分离，而β值越大，分离效 果越好。
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。
萃取技术
β越大，A、B的分离效果越好，即产物与 杂质越容易分离。
四、萃取剂的选择
一个良好的溶剂要满足以下要求： a. 有很大的萃取容量； b. 良好的选择性； c. 与被萃取的液相（通常是水相）互溶度要小， 且粘度低、界面张力小或适中，有利于相的分 散和两相分离； d. 溶剂的回收和再生容易； e. 化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小； f. 价廉易得； g. 安全性好，对人体无毒性或毒性低。
双水相萃取
过滤和离心依赖于被分离颗粒的尺寸或密度的差异， 当希望收集微生物的细胞器、分离去除细胞碎片、提 取和浓缩胞内物质时，普通的过滤和离心技术就显得 力不从心了。
溶剂萃取法难于应用于蛋白质分离。
值得注意的是溶液的分相不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甚至多相。于是 有可能将水溶性的酶、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。
二、液-液萃取过程机理(×)
萃取过程机理主要有以下四种类型：
(1) 简单分子萃取(物理萃取)
(2) 中性溶剂络合萃取
(3) 酸性阳离心交换萃取 (4) 离子络合萃取
三、分配系数和分配因素
分配定律(表征萃取剂对溶质的萃取能力)
是指在一定温度、压力下，溶质分子分布在 两个互不相溶的溶剂里，达到平衡后，它在 两相的浓度之比为一常数K，这个常数称为 分配系数，即：
，
工业萃取方式
工业萃取的流程 混合 分离
分离器（如碟片式离心机）
溶剂回收
混合器 （如搅拌混合器）
溶剂回收装置 （如蒸馏塔）
双水相萃取技术
三、双水相体系的组成
• 当两种高聚物的水溶液相互混合时，若两种 被混合分子间存在空间排斥作用，使它们之间无 法相互渗透，则在达到平衡时就有可能分成两相， 形成双水相。两相的组成和密度均不相同，通常 密度较小的一相浮于上方，称为上相（轻相）； 密度较大的一相沉于下方，称为下相（重相）。 一般认为，只要两种聚合物水溶液的水溶性有所 差异，混合时就可以发生相分离，并且差别越大， 相分离倾向就越大。 • 聚乙二醇/葡聚糖和聚乙二醇/无机盐是常用 的双水相体系，由于葡聚糖价格昂贵，因此聚乙 二醇/无机盐体系应用更为广泛。聚乙二醇/无机 盐中所用无机盐主要是磷酸盐和硫酸盐。
参考文献
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3、无机盐的循环
将盐相冷却，结晶，然后用离心机离心 分离回收。其它方法有电渗析法、膜分离 法回收盐类或除去PEG 相的盐。
五、影响双水相萃取技术的因素
• • • • • •
组成双水相系统的高聚物类型 高聚物的平均分子量及浓度 组成双水相系统的盐的种类 离子强度和浓度 被分离的各种物质的种类、性质、分配特性等 操作条件如pH值、温度等
四、双水相萃取技术的工艺流程
双水相萃取技术的工艺过程主要由3 部分构成：目的产物的萃取、PEG 的循 环、无机盐的循环。
双水相萃取的特点
双水相萃取的特点双水相萃取是一种可以利用较为简单的设备, 并在温和条件下进行简单操作就可获得较高收率和纯度的新型分离技术。
与一些传统的分离方法相比, 双水相萃取技术具有以下独有的特点。
( 1) 两相间的界面张力小, 一般为10- 7—10- 4mN·m- 1 ( 一般体系10- 3—2×10- 2mN·m- 1 ) ,因此两相易分散, 而且它比一般的有机萃取两相体系界面张力低的多, 这样有利于强化相际间的物质传递。
( 2) 操作条件温和, 由于双水相的界面张力大大低于有机溶剂与水相之间的界面张力, 整个操作过程可以在常温常压下进行, 对于生物活性物质的提取来说有助于保持生物活性和强化相际传质。
( 3) 双水相体系中的传质和平衡速度快, 回收率高, 分相时间短, 传质过程和平衡过程速度均很快, 自然分相时间一般为5—15min, 因此相对于某些分离过程来说, 能耗较低, 而且可以实现快速的分离。
( 4) 大量杂质能够与所有固体物质一起去掉, 与其他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济。
( 5) 含水量高, 一般为75%—90% , 在接近生理环境的体系中进行萃取, 不会引起生物活性物质失活或变性。
( 6) 一般不存在有机溶剂的残留问题, 现已证明形成双水相的聚合物( 如PEG) 对人体无害, 可用于食品添加剂、注射剂和制药, 因此对环境污染小。
( 7) 聚合物的浓度、无机盐的种类和浓度, 以及体系的pH 值等因素都对被萃取物质在两相间的分配产生影响, 因此可以采用多种手段来提高选择性和回收率。
( 8) 易于连续化操作, 设备简单, 并且可直接与后续提纯工序相连接, 无需进行特殊处理。
例如可以采用高分配系数和高选择性的多级逆流分配操作。
( 9) 分配过程因素较多, 可以采取多种手段来提高分配选择性或过程收率。
萃取技术在生物分离中的应用
萃取技术在生物分离中的应用引言利用物质在互不相溶的两种溶剂中溶解度的不同而进行分离的方法称之为萃取。
尤其是近些年，随着萃取技术的发展，在生分离中的应用也越来越广泛，但是，目前常用的传统萃取方法有很多不足，如需大量试剂，试验成本过高，样品处理步骤复杂，浪费时间、人力，样品回收率、精密度不理想，且样品易损失等问题。
随着问题的出现也相应出现解决问题的方法：固相萃取、固相微萃取、超临界萃取、微波萃取等新技术应运而生，本文简要介绍上述几种新型萃取技术在生物分离中的发展与应用。
1、双水相萃取双水相萃取技术是近年来出现的一种前景广阔的分离技术，用此法提取的酶已达数十种，其分离也有相当规模，它被广泛应用于生物化学、细胞生物学和生物化下等领域。
双水相体系是由两种互不相溶聚合物或一种聚合物和无机盐的溶液组成，两相中水都占有很大的比例。
由于与传统的有机溶剂萃取相比，双水相体系能够为生物话性物质提供一种温和的环境，而不易使其失话。
因此双水相萃取技术用于生物话性物质的分离和纯化。
如大多数酶和蛋自质等都能用双水相进行分离纯化。
离子液体，又称室温熔盐。
是由特定的有机阳离子或有机阴离子构成的在室温或接近室温卜旱液态的熔盐体系[1]。
作为一种新型的绿色溶剂，离子液体具有其它常规溶剂无可比拟的优点，如蒸汽压极低，热稳定性和化学稳定性高，液程宽，溶解性强和可设计性等。
离子液体的这此独特性质，使其在多种萃取分离过程中得到应用，被誉为“液体分子筛”，尤其在萃取分离生物物质(如抗生索、氨基酸、蛋自质等)方而表现出了优异性能, 而且取得了很好的分离效果。
研究表明，作为新型绿色溶剂的离子液体也可以形成双水相体系，该双水相体系综合了离子液体和双水相体系的优点，开辟了新的萃取分离体系，此离子液体双水相体系在生物分离下程中具有广阔的应用前景。
离子液体双水相体系综合了离子液体和双水相体系的优点，开辟了新的绿色萃取分离体系。
与传统的双水相体系相比，离子液体双水相体系分相时间短、粘度低、萃取过程不易乳化且离子体系可以回收利用等优点，这此优点称补了传统双水相体系的缺点，因此离子液体双水相体系在生物分离下程中具有]’阔的应用BU景。
双水相萃取技术
三、双水相萃取3.1双水相萃取的原理及特点3.1.1双水相萃取的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）的存在和环境因素的影响，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，由于各种物质的K值不同，可利用双水相萃取体系对物质进行分离。
3.1.2双水相萃取的特点双水相体系萃取具有如下特点：（1）含水量高（70%〜90%），是在接近生理环境的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；（2）分相时间短，自然分相时间一般为5~15min ；⑶界面张力小（10-7〜10-4mN/m），有助于强化相际间的质量传递；⑷不存在有机溶剂残留问题；（5）大量杂质能与所有固体物质一同除去，使分离过程更经济；（6）易于工程放大和连续操作。
由于双水相萃取具有上述优点，因此，被广泛用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域的产品分离和提取。
3.2双水相萃取在分离和提取各种蛋白质（酶）上的应用用聚乙二醇（PEG）/羟丙基淀粉酶（Reppal PEG）体系经两步法可从黄豆中分离磷酸甘油酸激酶（PGK）和磷酸甘油醛脱氢酶（GAPDH）。
在黄豆匀浆中加入PEG4000，可絮凝细胞碎片及大部分杂蛋白。
在上清液中加入PEG4000（12%）-ReppalPES（40%），PGK在上相、GAPGH 在下相的收率均在80%以上。
萃取过程的放大采用离心倾析机连续处理匀浆液，用离心萃取器完成双水相体系的两相分离，整个工艺具有处理量大、接触时间短、酶收率高的特点。
用PEG/（NH4）2SO4 双水相体系，经一次萃取从A-淀粉酶发酵液中分离提取a淀粉酶和蛋白酶，萃取最适宜条件为PEG1000（15%）-（NH4）2S04（20%），pH=8，a淀粉酶收率为90%，分配系数为19.6，蛋白酶的分离系数高达15.1。
萃取技术
分配比ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
如果溶质在两相中不是以同一种分子形态存 在，那么分配常数不再是常数，而是随着萃 取体系中组分的浓度、混合液的pH、温度等 因素的变化而变化。此时溶质在两相中的浓 度比值则称为分配系数或分配比。 m=c2,t/c1,t或 m=yt/xt
萃取率与萃取比
η=(萃取相中溶质总量/原始料液中溶质总量) ×100% E=（萃取相中溶质的量/萃余相中溶质的量） ×100%
2．破乳化
由蛋白质引起的乳化多为O/ W型，其粒径在2．5—30微 米之间。亲水基团强度大于亲油基团。 破乳方法： 1.过滤或离心沉降破乳法； 2.化学法：加电解质中和乳浊液分散相的电荷； 3.物理法：加热、稀释、吸附等； 4.顶替法：加入表面活性更大，但因其碳链较短难以形成坚 固的保护膜的物质，取代界面上的乳化剂； 5.转型法：如在o／w中加入亲油性乳化刑，使乳化液有生成 w／o的倾向，但又不稳定，从而达到破乳目的。 最好的方法是防止乳化，如蛋白质是乳化起因，就应设 法去除蛋白质。
五、萃取设备简介
1．单级萃取设备 在单级萃取基本完全的情况下，用一 套混合器和分离机即可。混合、萃取和分 离也可在同一台设备(如Alfa—Laval萃取 机)内完成。 2．多级萃取设备 (1)脉动筛板塔 (2)转盘塔
二、超临界流体萃取
（一）、超临界流体萃取概述 （二）、超临界流体萃取的原理和特点 （三）、超临界流体萃取的流程 （四）、超临界流体萃取的应用
SCF 0.2-0.9 （1-9）*10-4 （0.2-0.7)*10-3 液体 0.6-1.6 （0.2-3）*10-2 （0.2-2)*10-5
气体
（0.6-2）*10-3
（1-4）*10-4
萃取技术
2. pH的影响
pH会影响蛋白质中可离解基团的离解度， 因而改变蛋白质所带电荷和分配系数；另外，
pH还影响系统缓冲物质磷酸盐的离解程度，
从而影响分配系数。
pH微小的变化有时会使蛋白质的K改变2～ 3个数量级。 体系pH与蛋白质等电点相差越大，蛋白质 在两相中分配越不均匀。
3.离子环境对蛋白质在两相体系分配的影响
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。
采用两水相系统进行生物转化反应有下列优点：
（×）
二、液-液萃取过程机理(×)
萃取过程机理主要有以下四种类型：
(1) 简单分子萃取(物理萃取)
(2) 中性溶剂络合萃取
(3) 酸性阳离心交换萃取 (4) 离子络合萃取
三、分配系数和分配因素
分配定律(表征萃取剂对溶质的萃取能力)
是指在一定温度、压力下，溶质分子分布在 两个互不相溶的溶剂里，达到平衡后，它在 两相的浓度之比为一常数K，这个常数称为 分配系数，即：
分称为原溶剂(或稀释剂)，以B表示。
0.2 溶剂萃取
把目标物质从第一个液相中依 靠更强大的溶解力抽提到第二个 液相中。 物质的溶解和相似相溶原理。 萃取是通过溶质在两个液相之 间的竟争性溶解（分配）而实现 的。
一、液-液萃取过程
E－萃取相 E －脱去溶剂后的萃取相 ， R—萃余相 R —脱去溶剂后的萃余相
超临界液体萃取和双水相萃取
等温法 等温法是超临界流体萃取常用的一种流程，它通过 改变压力使萃取组分从超临界流体中分离出来。 含有萃取质的超临界流体经过膨胀阀后压力下降,其 萃取质的溶解度下降。溶质析出由分离槽底部取出, 充当萃取剂的气体则经压缩机送回萃取糟循环使用。
等压法
等压法是利用温度的变化来实现溶质与萃取剂的分 离。 含萃取质的超临界流体经加热升温后，超临界流体
双水相系统的类型
双水相系统分为两大类： 1）高聚物／高聚物
如：PEG/Dx,聚丙二醇/PEG,甲基纤维素/DX
2）高聚物／低分子
如：PEG/磷酸钾, PEG /磷酸铵, PEG/硫酸钠
PEG/磷酸钾系统的典型相图
图中的曲线称为双结线 该双结点线把整个图面
Байду номын сангаас
分成两个区域:双节线以
下的区域为均相区,以上 的区域为两相区。 结线：连接平衡两相组 成的直线。
超临界萃取剂
表 4-3 常见超临界流体的物理性质 化合物 CO2 氨 甲醇 乙醇 异丙醇 丙烷 正丁烷 正戊烷 苯 乙醚 蒸发潜热 (25℃) KJ/mol 25.25 23.27 35.32 38.95 40.06 15.1 22.5 27.98 33.9 26.02 沸点 (℃ ) -78.5 -33.4 64.7 78.4 82.5 -44.5 0.05 36.3 80.1 34.6 Tc,℃ 31.3 132.3 240.5 243.4 235.5 96.8 152.0 196.6 288.9 193.6 临界参数 pc, MPa 7.15 11.27 8.1 6.2 4.6 4.12 3.68 3.27 4.89 3.56 dc g/cm 0.448 0.24 0.272 0.276 0.273 0.22 0.228 0.232 0.302 0.267
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双水相萃取和超临界萃取的方法与特点专业生物工程092课程酶工程老师王明力学生吴志洪学号 09081103422012年12月25日双水相萃取和超临界萃取的方法与特点摘要：双水相萃取技术是一种高效温和的新分离技术，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。
同时文章简要介绍了超临界流体萃取的基本原理和特点及其应用，其中超临界CO2萃取是最常用的.随着研究的深入和认识的加强，超临界流体技术作为一项可持续的绿色工艺，将具有广泛的应用前景。
关键词：双水相萃取超临界流体萃取Abstract: Phasepartitioning technology is a kind of high efficient mild new separation technique ，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.And his article introduces the basic principle of supercritical fluid extraction and it,s application ,The supercritical CO2extraction is the most commonly used.With the deepening of research and understanding of the strengthen, supercritical fluid technology as a sustainable green technology, has a broad prospect of application.Keywords:aqueous two-phase extraction supercritical fluid extraction1 双水相萃取的原理及特点1.1双水相萃取技术的原理图1 PEG/ Dextran体系的相图1.2双水相萃取技术的特点双水相萃取与水—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。
C为临界点，曲线TCB称为结线，直线TMB 称为系线。
结线上方是两相区，下方是单相区。
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点时两相T和B的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的线段长度之比。
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。
双水相体系萃取技术具有如下特点：(1)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，能耗小，速度快。
如选择适当体系，回收率可达80%，倍数可达2~20倍；(2)含水量高(70 %～90 %)，是在接近生理环境的温度和体系中进行萃取，会引起生物活性物质失活或变性；(3)分相时间短，自然分相时间一般为5～15min；(4)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。
如潘杰等人用双水相技术直接从发酵液中将丙酰螺旋酶素与菌体分离、纯化[3]；(5)大量杂质能与所有固体物质一同除去，使分离过程更经济；(6)易于放大，各种参数可以按比例放大而产物收率并不降低。
Albertson证明了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有位有利；(7)易于进行连续化操作[4]，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；(8)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伤害很小以至基本无害；(9)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；(10)操作条件温和，整个操作过程在常温常压下进行；(11)亲和双水相萃取技术可以提高分配系数和萃取的专一性。
由于双水相萃取具有上述优点，因此，被广泛用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域的产品分离和提取。
2 超临界流体萃取原理和特点2.1 超临界萃取的原理当液体的温度和压力处于它的临界状态。
如图1是纯流体的典型压力—温度图。
图中，AT表示气—固平衡的升华曲线，BT表示液—固平衡的熔融曲线，CT表示气－液平衡的饱和液体的蒸汽压曲线，点T是气－液－固三相共存的三相点。
按照相率，当纯物的气－液－固三相共存时，确定系统状态的自由度为零，即每个纯物质都有自己确定的三相点。
将纯物质沿气－液饱和线升温，当达到图中的C时，气－液的分界面消失，体系的性质变得均一，不再分为气体和液体，称点C为临界点。
与该点相对应的临界温度和压力分别称为临界温度T0和临界压力P0。
图中高于临界温度和临界压力的有影阴的区域属于超临界流体状态。
在这种状态下，它既不完全与一般气相相同，又不是液相，故称为超临界流体。
超临界流体有气、液相的特点，它既有与气体相当的高渗透力和低粘度，又兼有液体相近的密度和对物质优良的溶解能力。
这种溶解能力能随体系参数的变化而连续的改变，因而可以通过改变体系的温度和压力，方便的调节组分的溶解度和萃取的选择性。
利用上述特点，超临界二氧化碳萃取技术主要分为两大类原理流程即恒温降压流程和恒压升温流程。
前者萃取相经减压，后者萃取相经升温。
都使超临界流体丧失对溶质的溶解能力，达到分离溶质回收溶剂的目的。
溶剂经增压或降温后循环使用。
适用于超临界流体萃取的溶剂有乙烯、二氧化碳、乙烷、丙烷、氨、正庚烷、甲苯等，工业上二氧化碳是常用的溶剂。
其临界温度为31.5℃，临界压力7.38MPa。
作为超临界萃取流体，它具有许多独到之处，例如临界点容易达到，一般情况下不与被萃取物发生反应，无色、无味、无毒、无臭，使用安全，不易燃，易去除，易回收，价廉，对环境不产生污染，有抑菌效果，因此，它在轻工、食品、医药等领域得到广泛应用。
2.2 超临界萃取的特点超临界萃取在溶解能力、传递性能及溶剂回收等方面具有突出的优点，主要表现在一下几个方面。
（1）由于超临界流体的密度接近于液体，因此超临界流体具有与液体溶剂相同的溶解能力，同时它又保持了气体所具有的传递特性，从而比液体溶剂萃取具有更高的传质速率，能更快地达到萃取平衡。
（2）由于在接近临界点处，压力和温度的微小变化都将引起超临界流体密度的改变，从而引起其溶解能力的变化，因此萃取后溶质和溶剂易于分离且能节约能源。
（3）超临界萃取过程具有萃取和精馏的双重特性，有可能分离一些难分离的物质。
（4）由于超临界萃取一般选用化学性质稳定、无毒无腐蚀性、临界温度不过高或过低的物质作萃取剂，不会引起被萃取物的污染，可以用于医药、食品等工业，特别适合于热敏性、易氧化物质的分离或提纯。
超临界萃取的缺点主要是设备和操作都在高压下进行，设备的一次性投资比较高。
另外，超临界流体萃取的研究起步较晚，目前对超临界萃取热力学及传质过程的研究还远远不如传统的分离技术成熟，有待于进一步研究。
3 小结本篇文章主要介绍了双水相萃取和超临界的萃取原理来好让大家对其有所了解，从两者的特点中让我们对两者有所比较对比。
双水相萃取技术是一种高效温和的新分离技术，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.其中超临界二氧化碳的萃取技术在生产中的应用知道超临界CO2萃取（SCE）技术是食品工业新兴的一项萃取和分离技术。
它是利用超临界CO2做萃取剂，从液体或固体物料中萃取、分离有效成份。
与传统的溶剂萃取法相比，SCE无化学溶剂残留，无污染，避免了萃取物在高温下热劣化，保护活性物质的生理活性，工艺简单，萃取剂无毒、易回收它具有良好的溶剂性质，因而被广泛地应用于有机的萃取。
目前，超临界CO2已成为一种最常用的有机物萃取剂。
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