双水相萃取技术详解
第七章 双水相萃取
保持生物活性和强化相际间的质量传递 ② 分相时间短(特别是聚合物/ 盐系统) ,自然分相时间一般 只有5～15min。 ③ 双水相萃取技术易于连续化操作。 ④ 目标产物的分配系数一般大于3 ,大多数情况下,目标产物
有较高的收率。
⑤ 大量杂质能够与所有固体物质一起去掉,与其它常用固液 分离方法相比,双水相萃取技术可省去1～2 个分离步骤,使 整个分离过程更经济。 ⑥ 设备投资费用少,操作简单,不存在有机溶剂残留问题。
3）综合考虑
4）影响分配平衡的参数
(1)聚合物的影响
A
聚和物的分子量的影响
当聚合物的分子量降低时，蛋白质易分配于富含该聚合物的 相。例如在PEG—DeX系统中，PEG的分子量减小，会使分 配系数增大，而葡聚糖的分子量减小，会使分配系数降低。 这是一条普遍的规律，不论何种成相聚合物系统都适用。 (P135)
器。
Enzymetic reaction
enzyme
enzyme
enzyme
enzyme
enzyme
substrate
product
Enzymetic reaction with ATPS
enzyme
enzyme
enzyme
要进行两水相生物转化反应应满足下列条件：
① 催化剂应单侧分配；
② 底物应分配于催化剂所处的相中；产物应分配在另 一相中；要有合适的相比。如产物分配在上相中， 则相比要大，反之则相比要小。
一、 双水相分离理论
1、双水相的形成
熵增——混合——自发 分子间作用力------随着Mr的增加,而增大. 聚合物的不相容性------含有聚合物分子的溶液发 生分相的现象.
常用聚合物： 聚乙二醇－葡聚糖 聚乙二醇－无机盐系统
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）
双水相萃取全解
( aqueous two-phase extraction )
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)。 • 20 世纪 60 年代瑞典 Lund 大学的 Albertsson P A及其同事们最先提出双水相萃取技术并做 了大量的工作。 • 70年代中期西德的Kula M R和Kroner K H等 人首先将双水相系统应用于从细胞匀浆液中 提取酶和蛋白质，大大改善了胞内酶的提取 效果。
R=Vt／Vb，K=Ct／Cb，G=1/RK， Y=（1+1／RK）-1 ×100％ 式中：R－相比；Vb－下相体积，mL； Vt－上相体积，mL； K－分配系数； Cb－下相溶质的质量浓度，g／mL； Ct －上相溶质的质量浓度，g／mL； G－上、下相溶质的质量比； Y－萃取率，％。
(3) 双水相相图制作
① 聚合物∕聚合物ห้องสมุดไป่ตู้水相
当2种聚合物混合时，由于2种聚合物 间存在较强的斥力或空间阻碍，使2者无 法相互渗透，不能形成均一相，故达到平 衡后形成两相，这2种聚合物分别位于互 不相溶的两相中，即形成聚合物/聚合物 双水相体系。
聚合物双水相形成机理
两种聚合物 相互混合 体系熵的增加 两个因素 混合 分离（聚合物的不相容性） 分子间作用力
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。
蛋白分离纯化技术之双水相萃取技术
蛋白分离纯化技术之双水相萃取技术双水相萃取是一项蛋白分离和蛋白纯化技术，是利用物质在两相间的选择分配差异而进行分离提纯的，目前已经被广泛应用与医药化学、细胞生物学、生物化工和食品工业等领域。
双水相萃取技术用于提取蛋白质等生物活性物质时，具有操作简单、体系含水量高，在萃取过程中可以保持物质的构象稳定、蛋白不易失活并获得高的萃取率的特点。
1、双水相萃取技术可分离和纯化蛋白双水相萃取技术可以用于蛋白分离和蛋白纯化，包含在一些蛋白分离公司提供的服务。
早期，如在20世纪60年代，有研究者全面进行了生物大分子在双水相系统中的分配行为的研究，得到了蛋白质、酶、核酸、病毒、抗体抗原复合物以及细胞等的分配数据。
双水相系统具有温和的操作条件，对于在极性条件下易造成变性失活的蛋白质和酶的提取中表现出了很大的优势。
双水相萃取法进行蛋白分离和蛋白纯化的原理是：聚合物与聚合物之间或聚合物与盐之间由于分子空间阻碍作用形成了双水相。
当待分离物质进入体系后，由于各组分表面性质、电荷作用和各种力的作用和溶液环境的影响，使其在上、下相中的分配系数不同，通过调节体系参数使被分离物质在两相间选择性分配，从而实现目标组分的分离纯化。
双水相萃取技术进行蛋白分离和蛋白纯化具有以下优点：（1）易于放大，各种参数可以按照比例放大而不降低产物收率[1]；（2）双水相系统传质和平衡过程速度快，回收效率高、能耗较小；（3）易于进行连续化操作、设备简单，且可以直接与后续提纯工序相连接，无需进行特殊处理；（4）相分离条件温和，双水相体系的张力很小，有利于保持生物分子的活性，可以直接用在发酵液中；（5）影响双水相体系的因素比较复杂，可调参数多，便于改变操作条件提高纯化效果。
美迪西提供蛋白质分离纯化技术服务，可以根据客户要求，提供从小试到规模生产全程的蛋白分离纯化服务，并根据工艺的要求结合产品特点给客户定制适用的工艺和系统。
2、双水相萃取技术分离和纯化物质的研究α-淀粉酶是一类用途十分广泛的酶，在粮食、食品加工，以及医药行业等都经常使用，由于α-淀粉酶是具有重要应用价值的工业酶，周内外很多课题组对它进行了研究。
双水相萃取全解
聚乙二醇
非离子型聚合物/ 非离子型聚 合物
聚丙二醇
聚乙烯醇 聚乙二醇 聚乙烯吡咯烷酮
高分子电解质/非离子型聚合物
羧甲基纤维素钠
聚乙二醇
高分子电解质/高分子电解质
聚合物/ 低分子量化合物
葡聚糖硫酸钠
葡聚糖
羧甲基纤维素钠
丙醇
磷酸钾
聚合物/ 无机盐 聚乙二醇 硫酸铵
双水相的形成
在聚合物∕盐或聚合物∕聚合物系统混合时， 会出现两个不相混溶的水相
②聚合物∕无机盐双水相
某些聚合物溶液和一些无机盐溶液 相混时，在一定浓度下，由于盐析作 用，也会形成两相，即聚合物/ 无机 盐双水相体系，常用的无机盐有磷酸 盐和硫酸盐。除高聚物、无机盐外， 能形成双水相体系的物质还有高分子 电解质、低分子量化合物。
各种类型的双水相体系
类 型 形成上相的聚合物 形成下相的聚合物 葡聚糖
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。
缺点：
• 成相聚合物的成本较高， 且高聚物回收困难。 • 水溶性高聚物大多数粘度 较大，不易定量控制。 • 易乳化，相分离时间较长。 • 影响因素复杂。
3、双水相萃取原理
(1) 分配系数
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, 由于分子间的范德华力、 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。
第8章 双水相萃取技术
第8章 双水相萃取技术第 1 页 共 1 页 第8章 双水相萃取技术1 双水相萃取现象：最早是1896年由Beijernek 在琼脂和可溶性淀粉或明胶混合时发现的，这种现象称之为聚合物的“不相溶性”。
70年代中期西德的Kula 和Kroner 等人首先将双水相系统应用于从细胞匀浆液中提取酶和蛋白质，大大地改善了胞内酶的提取效果。
双水相萃取技术：某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统。
利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质进行物质分离的方法称双水相萃取技术，又称水溶液两相分配法。
2 双水相萃取技术基本原理：①双水相的形成—聚合物的不相容性：混合是熵增加的过程，可自发进行。
但是，分子间的相互作用力也会随分子量的增大而增大。
当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于分子量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。
这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相容性。
双水相的形成—系统举例：绝大多数天然的或合成的亲水性聚合物水溶液，在与第二种亲水性聚合物混合，并达到一定浓度时，就会产生两相，两种高聚物分别溶于互不相溶的两相中。
如用等量的1.1％右旋糖酐溶液和0.36％甲基纤维素溶液混合，静止后产生两相，上相中含右旋糖酐0.39％，含甲基纤维素0.65％；而下相含右旋糖酐1.58％，含甲基纤维素0.15％。
聚合物与无机盐的混合溶液也可形成双水相，例如，PEG ／磷酸钾、PEG ／磷酸铵、PEG ／硫酸钠等常用于生物产物的双水相萃取。
PEG ／无机盐系统的上相富含PEG ，下相富含无机盐。
Dextran-PEG 体系的相图：（1）TKB 称为双节线，双节线以下的区域为均相区， 以上的区域为两相区。
（2）TMB 称为系线，是连接双节线上两点的直线，在系线上各点处系统的总浓度不同，但均分成组成相同而体积不同的两相。
双水相萃取
操作步骤
一、重点 双水相萃取放大容易：一般10ml离心管的实验结果可直接放大到工业规模。具体实验步骤： 1、配制一系列不同浓度、pH及离子强度的双水相，每个双水相改变一个参数。 2、加入料液，再加水使整个系统质量达到5~10g。离心管封口后充分混合。 3、1800－2000g下离心3－5min，使两相完全分离。 4、用吸管或移液管将上相和下相分别吸出，测定上、下相中目标产物的浓度或生物活性，计算分配系数。 5、上、下两相中目标产物的总量应与加入量对比，以检验是否存在沉淀或界面吸附现象，并可确认浓度或活 性测定中产生的系统误差。 6、分析目标产物的收率和纯化倍数，确定最佳双水相系统。 二、特点： 1、含水量高（70%～90%），适宜提取水溶性的蛋白质、酶等生物活性物质，且不易引起蛋白质的变性失活。 2、不存在有机溶剂残留问题。3、易于放大，各种参数可按比例放大而产物收率并不降低。
可形成双水相的双聚合物体系很多，如聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dx）,聚丙二醇/聚乙二醇，甲基纤维素/ 葡聚糖。双水相萃取中采用的双聚合物系统是PEG/Dx，该双水相的上相富含PEG，下相富含Dx。另外，聚合物与 无机盐的混合溶液也可以形成双水相，例如，PEG/磷酸钾（KPi）、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于双水相萃 取。PEG/无机盐系统的上相富含PEG,下相富含无机盐。
原理
某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可以形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即形成 双水相系统（aqueous two-phase system,ATPS）。利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质， Albertsson于20世纪50年代后期开发了双水相萃取法（aqueous two-phase extraction），又称双水相分配法。 20世纪70年代,科学家又发展了双水相萃取在生物分离过程中的应用，为蛋白质特别是胞内蛋白质的分离和纯化 开辟了新的途径。
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
• [1]郭会灿.双水相萃取技术及其在药物分离中的应 用[J].河北化工.Vol.34,No.8.Aug.201 1. • [2]王志华,马会民,马泉莉. 双水相萃取体系的研究 [J].应用化学.Vol.18,No.3.Mar.2001. • [3]胡松青,李琳,郭祀远.双水相萃取技术研究新进 展[J].现代化工.22.Jun. 2004. • [4]马春宏,朱红,王良.双水相萃取技术的应用研究 进展[J].光谱实验室.Vol.27,No.5September,2010.
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；(3)界面张力小(10-7~10-4mN/m)，有助于强化相际间的质量传递；(4)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α-淀粉酶和蛋白酶，萃取最适宜条件为PEG1000(15%)-(NH4)2SO4(20%)，pH=8，α-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。
第八章 双水相萃取技术
（一）双水相中聚合物组成
1\当两种不同浓度的聚合物与聚合物或者聚合物与 无机盐以不同的浓度混合时，可能存在三种情况：
• a、完全混溶性(匀相溶液)； • b、物理的不相溶性(相分离)； • c、复杂的凝聚(相分离，聚合物聚集在同一相中，
纯溶剂-水聚集在另一相中) • 2\当这两种聚合物是离子化合物并带有相反电荷
数和萃取专一性 • （八）易于工艺的连续化生产
8
第二节 双水相分配原理及其理论基础
• 一、双水相系统分配原理 • 是否会形成双水相，取决于混合熵增和分子间作
用力两个因素。 • 混合是自发的熵增过程，而分子间相互作用力则
随分子量的变大而增强。 • 当两种高分子聚合物之间互不相溶时，由于相对
分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过 程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的 周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平 衡时，即形成富含两种不同聚合物的两相。
• 成相物质的总浓度越高，系线越长，生物 分子越容易分配于其中的某一相.
23
其它因素
• 1.分配物质的分子量 • 2.盐的种类和浓度 • 3.pH值影响 • 4.温度的影响 • 5.通气和搅拌的影响
M×10-4
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第三节 双水相萃取操作及设备
• 一、 双水相系统的选择:易于两相的分离. • • 根据待分离蛋白质和共存杂质的表面疏水
• 曲线把均相区和两相区域 分隔开，称为双结点线。 下区为均相区，上区为两相 区。
• 连接双结点线上两点的直 线叫系线。
• 临界点：当系线长度趋向 于零时，即在图中的K点， 两相差别消失，任何溶质 在两相中的分配系数均为1， 成为单相体系。
PEG
VT BM
VB MT
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。
双水相萃取技术及应用
《生物资源开发与利用专题》双水相萃取技术及应用152310018 杨云梅双水相萃取（Aqueous two phase extraction，英文缩写ATPE）是利用物质在互不相容的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法。
如：葡聚糖（dextran）与聚乙二醇（PEG)按一定比例与水混合，溶液混浊，静置平衡后,分成互不相溶的两相，上相富含PEG,下相富含葡聚糖。
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不相容性，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。
因使用的溶剂是水，因此称为双水相，在这两相中水分都占很大比例(85％一95％),活性蛋白或细胞在这种环境中不会失活，但可以不同比例分配于两相,这就克服了有机溶剂萃取中蛋白容易失活和强亲水性蛋白难溶于有机溶剂的缺点。
双水相萃取的优点：1、操作条件温和，在常温常压下进行；不会引起生物活性物质的失活或变性。
2、两相的界面张力小，萃取时两相能高度分散,传质速度快。
3、排除了使用有毒、易燃的有机溶剂，能够提供温和的水环境，避免被萃取成分的脱水变性。
4、溶质对目标组分选择性强，大量杂质能与所有固形物一同除去，使分离操作5、过程简化，易于连续操作，处理量大，适合工业应用。
缺点：系统易乳化，成相聚合物的成本较高，水溶性高聚物大多数粘度较大，不易定量控制，高聚物回收困难。
一：双水相萃取技术的发展趋势目前，分离生物物质经常采用的双水相系统主要有2类：非离子型聚合物/ 水系统（最常用的为聚乙二醇/葡聚糖）和非离子型聚合物/无机盐/水系统（常用的如聚乙二醇/盐体系）原因在于此2类双水相系统采用的是无毒性的聚合物，且其多元醇、多元糖结构能够保证生物大分子的稳定性但在实际应用中，2类双水相系统各有弊端，非离子型聚合物/水系统能够保证生物活性物质的活性,且界面吸附少，但所用聚合物材料如葡聚糖成本较大，且体系黏度大，制约大规模的工业生产过程；相对于前者，非离子型聚合物/无机盐/水系统成本低，体系黏度小，但该系统会导致某些敏感生物活性物质失活，此外还会产生大量的高浓度盐废水。
双水相萃取
当萃取体系的性质不同，物质进入双水相体
系后，目标物质在上、下相中的浓度不同， 从而在上相和下相间进行选择性分配，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 双水相萃取技术的基本原理
1.3.2 双水相萃取的原理
• 分配规律服从Nernst分配定律，即K=ct/cb。
• 在相体系固定时，预分离物质在相当大的浓度
• 蛋白质、生物酶、菌体、细胞、细胞器
• 亲水性生物大分子
• 氨基酸、抗生素等生物小分子物质的
Hale Waihona Puke 3双水相萃取技术的应用
蛋白质（酶）的分离和提取 抗生素的提取和纯化 天然食用色素的萃取 中草药的有效成分的提取
贵金属的分离与检测
3.1 蛋白质（酶）的分离和提取
• 对发酵液、细胞培养液、植物、动物组
织中细胞内、外的酶和蛋白质均可提取 • 绝大多数是用 PEG 作上相成相聚合物， 葡聚糖、盐溶液和羟甲基淀粉的其中一 种作下相成相物质
工艺复杂等 • 双水相体系优点:对贵金属以及稀有金属
的分离与检测环境友好、废弃物少、对
人体无害、运行成本低、工艺简单
3.5 贵金属的分离与检测
实例： • 利用聚乙二醇-硫酸铵双水相体系萃取分
离 废 弃 印 刷 线 路 板 处 理 液 中 的 金。
• 最佳条件：实验在温度为25℃，pH为 1.0，PEG2000的质量分数为15%， ( N H 4) 2S O 4的 质 量 分 数 为 2 0 % 。
范围内，分配系数K为常数，与溶质的浓度无关， 只取决于被分离物质本身的性质和特定的双水 相体系的性质。
1.3 双水相萃取技术的基本原理
1.3.2 双水相萃取的原理
A-B-水双水相体系 图
生化工程下游技术知识课件第七章双水相萃取技术知识
其他领域的应用
01
02
03
环境治理
双水相萃取技术可用于处 理废水、废气等环境污染 问题，实现环境治理和资 源化利用。
食品加工
双水相萃取技术可用于提 取和纯化食品中的营养成 分，提高食品的营养价值 和品质。
化学工业
双水相萃取技术可用于分 离和纯化有机化合物、金 属离子等，促进化学工业 的发展。
04 双水相萃取技术的挑战与 解决方案
相分离困难
总结词
双水相萃取技术中，相分离困难是一个常见问题，主要表现在两相间界面不清、相分离速度慢、分离 不完全等方面。
详细描述
由于双水相萃取技术涉及的物质较为复杂，相间界面张力较小，导致两相间界面不清，容易产生乳化 现象。此外，由于物质在两相中的分配系数差异较小，相分离速度慢，有时甚至出现分离不完全的情 况。
产物稳定性问题
总结词
双水相萃取技术中，产物稳定性问题主要表现在产物在双水相中的稳定性差，容易发生 降解或聚合等现象。
详细描述
由于双水相萃取过程中涉及的物质种类较多，有些产物在双水相中的稳定性较差，容易 受到温度、pH值、金属离子等因素的影响而发生降解或聚合等现象，从而影响产物的
质量和产量。
技术成本问题
总结词
双水相萃取技术的成本较高，主要表现 在设备投资大、操作复杂、能耗高等方 面。
VS
详细描述
双水相萃取技术需要特殊的设备，如分相 器、混合器等，这些设备的投资较大。此 外，双水相萃取技术的操作过程较为复杂 ，需要严格控制温度、pH值等参数，因 此操作成本较高。同时，该技术还需要大 量的水和能源，导致能耗较高，进一步增 加了生产成本。
原理
利用生物分子在双水相体系中不同的分配系数实现分离。分配系数是指生物分 子在两相间的分配平衡时，分子在某一相中的浓度与分子在另一相中的浓度的 比值。
双水相萃取
双水相萃取
双水相萃取技术是一种新型的有机合成技术，它可以将一种有机物质从另一种有机物质中分离出来，这可以大大地提高有机化学反应的效率。
双水相萃取是以水为介质的组合相萃取，其特点是有机溶剂和水在反应容器中共存，利用不同的pH值将两种有机物质分别提取到两个水相中去。
双水相萃取这种技术可以用于有机合成中，当反应容器中有多种不同有机物质时，利用双水相萃取可以将其中一种有机物质从另一种有机物质中提取出来，从而可以有效地减少对反应物的有害影响，提高反应的效率。
同时，双水相萃取还可以用于多相反应的分离，如有机-水-有机-水多相反应、有机-水-水有机反应等，这种技术可以将有机物和水的相，利用不同的pH值将其分离出来，提取各自的产物。
双水相萃取技术也可以用于重金属元素的提取和富集，将有机物中含有重金属元素的物质提取出来，提高重金属元素的度。
双水相萃取技术可以用来将有机物中含有大量盐和其他有机物的物质，利用pH值分别提取出来，从而大大改善污染现象。
双水相萃取技术还可以将有机物质中含有有害物质的有机物从另一种有机物中提取出来，减少有害物质对人体的危害。
双水相萃取技术的优点不仅体现在反应效率的提高，而且还体现在它的环境友好性。
因为双水相萃取技术整个反应过程中所使用的有机溶剂是水，那么在完成反应后，所产生的废物也是水，这就避免了对环境的污染，更有利于保护自然环境。
总之，双水相萃取技术可以有效地实现有机物质从另一种物质中的分离和提取，节省了大量的时间和费用，可以有效地提高反应的效率，也符合生态环境的发展趋势。
因此，双水相萃取技术在有机化学领域有着重要的应用价值，并将在未来发挥更大作用。
双水相萃取技术详解
4.3 在医药行业的应用
双水相体系不仅可以用于分离医药行业需要的细胞，还 可以用来高效的提取抗生素。抗生素不仅能杀灭细菌，而且 对支原体、衣原体等致病微生物也具有良好的抑制及杀灭效 果。所以双水相萃取技术在医药行业得到广泛认可。 如： ①利用免疫亲和性PEG/Dextran 双水相体系从脐带血中分离 造血干细胞/源细胞。 ②亲水性离子液体 1-丁基-3- 甲基咪唑四氟硼 BF₄和 NaH₂PO₄形成的双水相体系能够快速从青霉素水溶液中萃取 青霉素G。 ③用亲水性离子液体四氟硼酸 1-丁基-3- 甲基咪唑四氟硼 BF4 和 NaH2PO₄组成的双水相体系萃取分离四环素。
2.1.4 相图
图1是典型的高聚物-高聚 物-水双水相体系的直角坐标 相图。两种聚合物A、B以适 当比例溶于水就会分别形成 有不同组成密度的两相。轻 相组成用T点表示，重相组成 用B点表示。曲线ＴＣＢ称为 结线，直线ＴＭＢ称为系线 。结线上方是两相区，下方 为单相区。
●
其中上下相组成分别为T和B， T和B量的遵循杠杆定律: 即T和B相质量之比等于系线 上MB与MT的线段长度之比。
⑤为降低成本和保证安全操作，应将成本高的和易燃易爆的液
体作为分散相。
产生分散相的动 力 重力差
微分接触式 喷啉塔、填料塔
逐级接触式 筛板塔、流动混合 器
机械搅拌
转盘萃取塔、搅拌 萃取塔、振动筛板 塔 脉冲填料塔、脉冲 筛板塔 连续式离心萃取器
混合澄清器
脉冲
离心力作用
脉冲混合澄清器
逐级式离心萃取器
3.5.2 脉动填料塔
3.3进行两水相生物转化反应需满足以下条件
● 催化剂应单侧分配； ● 底物应分配于催化剂所处的相中；产物应分配 在另
一相中；要有合适的相比。如产物分配在上相中，则
双水相萃取
成本较高。即使水溶性聚合物和盐可
以回收再用； 选择性较低，分离纯化倍数低，一般 只适用于粗分离；
业应用；
第 4 章
目前的一些应用
1. 提取酶和蛋白质； 2. 进行萃取性生物转化 ； 3. 食品工业中用来从酸水解产物中提取二肽、 氨基酸、核苷酸等物质 ； 4. 萃取细胞、细胞器、膜等粒子；
第 3 章
优点与缺点
双水相萃取法的特点：能够保留产物的活性；整个操作可以连续化；
在除去细胞或细胞碎片时，还可以纯化蛋白质2～5倍，与传统的过滤法和
离心法相比，收率更高；
优点
操作条件温和，在常温常压下进行；
缺点
含较高浓度的水溶性聚合物和盐，会
带到产物中，需要辅助处理方法；
两相的界面张力小，易分散两相的
盐的种类和浓度 2
各相要保持电中性，使得带电物质 在两相移动分配；盐的种类和添加 其他种类的盐有助于提高选择性；
3 体系pH值
pH会影响蛋白质中可以离解基团 的离解度，改变所带电荷和分配系 数；pH也影响磷酸盐的离解程度；
温度 4
温度影响物质的分配系数。但一般 来说，影响很小，1～2度的温度 变化不影响目标产物的萃取分离；
双水相萃取
(Aqueous Two Phase Extraction)
汇报人： 日 期： xxx 2016-4-20
目录
Contents
01 - 双水相萃取技术 02 - 分离原理 03 - 优点与缺点 04 - 目前应用
第 1 章
什么是双水相萃取技术？
双水相体系
两种水溶性聚合物的水溶液；
相图
杠杆规则：系线上各点均为组
3.3 双水相萃取技术
双水相萃取技术((Two-aqueous phase extraction,简称ATPS)是指亲水性聚合物 水溶液在一定条件下可以形成双水相,由 于被分离物在两相中分配不同,便可实现 分离。
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。
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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。
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例如，生物界已发现的酶有2500种之多， 但仅有100多种酶的工业性分离提取有过 文献报道。
生物工程的产品分离问题，即生物工程 的下游技术的开发是极为重要的。
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生物物质多是有生理活性的， 常规的分离技术缺点:处理量小、流程长、
易失活、收率低和成本高等。
开发新型的生物物质分离技术，使其适应于 一定的生产规模，且经济简便、快速高效， 是十分迫切的要求。
当体系的组成在图中的曲线上 方时(如M点)，体系就将分为 两相，两相的组成和密度均不 同。
上相(或称轻相)组成用T表示， 主要组成是PEG；下相(或称重 相)组成用B表示，主要组成为 Dextran。
相图中曲线TCB称作结线，直 线TMB称做系线。
十分明显，体系总组成处于系 线TMB上时，分相后的上相和 下相的组成均为T和B。如果体 系的总组成处于结线TCB的下 方，则不满足成相条件，体系 为均一的单相。
两相间所具有的分配系数，来实现分离提纯 的目的。
20世纪70年代，进行了双水相萃取的应用性 研究。
从发酵液中提取各种酶的实验开始的。
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现在，双水相萃取技术得到了较大的发 展，研究及应用领域:各种酶、核酸细胞、 蛋白质、细胞器和菌体等的分离。
双水相萃取技术是一种具有独特性能、 针对性很强的有前途的分离技术。