5.7双水相萃取解析
双水相萃取的原理
双水相萃取的原理双水相萃取是一种常用的分离和提纯技术，广泛应用于化工、生物制药、环境保护等领域。
其原理是利用两种不相溶的溶剂相，在其界面上形成的萃取膜来实现目标组分的传质过程。
双水相萃取的原理基于目标物质在两种不同相溶剂中的分配系数不同，通过在两相之间的传质过程实现目标物质的分离和提纯。
在双水相萃取中，通常选择两种不相溶的有机溶剂和水相作为两相。
有机相通常选择具有较好的萃取性能和分配系数的有机溶剂，如乙酸乙酯、正庚烷等；水相则选择水或者含有盐类、酸碱等物质的溶液。
通过合理选择两种相溶剂，可以实现对目标物质的高效分离和提取。
在双水相萃取的过程中，首先将两相混合并充分搅拌，使目标物质在两相之间达到平衡分配。
然后，通过分离器将两相分离，得到含有目标物质的有机相和不含目标物质的水相。
接下来，可以通过再次萃取、结晶、蒸馏等方法对有机相进行进一步的提纯，最终得到纯净的目标物质。
双水相萃取的原理是基于目标物质在两种不同相溶剂中的分配系数不同，利用两相之间的传质过程实现目标物质的分离和提纯。
通过合理选择两种相溶剂，并通过混合、分离和进一步提纯等步骤，可以实现对目标物质的高效分离和提取。
双水相萃取技术具有操作简便、成本较低、分离效果好等优点，因此在工业生产和实验室研究中得到了广泛应用。
总的来说，双水相萃取技术是一种重要的分离和提纯技术，其原理简单而有效。
通过合理选择相溶剂和优化操作条件，可以实现对目标物质的高效分离和提取，为化工、生物制药、环境保护等领域提供了重要的技术支持。
希望通过本文的介绍，读者对双水相萃取的原理有了更深入的了解。
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。
双水相萃取原理
双水相萃取原理双水相萃取是一种常用的分离和提取技术，广泛应用于化工、生物制药、环境保护等领域。
它是利用两种不相溶的溶剂（通常是水和有机溶剂）之间的相互作用，将目标物质从一种相中转移到另一种相中的过程。
在这个过程中，萃取剂的选择、相互作用机理、萃取条件等因素都对萃取效果有着重要的影响。
首先，我们来谈谈双水相萃取的基本原理。
在双水相系统中，两种相的界面上存在着大量的界面活性剂，这些界面活性剂能够形成胶束结构，使得两种相之间形成了一定的亲和力。
当目标物质存在于其中一种相中时，由于界面活性剂的存在，目标物质会在两种相的界面上分配，从而实现了目标物质的转移和分离。
其次，双水相萃取的原理还涉及到了萃取剂的选择。
通常情况下，我们会选择一种水相和一种有机相作为双水相系统的溶剂。
这两种溶剂的选择应该考虑到目标物质的亲和性，以及两种相之间的亲和性。
另外，萃取剂的选择还应该考虑到工艺操作的便捷性、回收利用的可行性等因素。
另外，双水相萃取的原理还受到了萃取条件的影响。
萃取条件包括温度、pH 值、搅拌速度等因素，这些条件会直接影响到目标物质在两种相中的分配情况。
通过合理地控制萃取条件，我们可以实现目标物质的高效分离和提取。
最后，双水相萃取的原理还涉及到了相互作用机理。
在双水相系统中，两种相之间的相互作用是通过界面活性剂来实现的。
界面活性剂的存在使得两种相之间形成了一定的亲和力，从而实现了目标物质的转移和分离。
同时，界面活性剂的种类和用量也会直接影响到双水相萃取的效果。
综上所述，双水相萃取是一种重要的分离和提取技术，其原理涉及到了萃取剂的选择、萃取条件的控制、相互作用机理等多个方面。
通过对这些因素的合理把握，我们可以实现对目标物质的高效分离和提取，为化工、生物制药、环境保护等领域的生产实践提供了重要的技术支持。
希望通过本文的介绍，读者能够对双水相萃取的原理有一个更加深入的了解。
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）
双水相萃取名词解释
双水相萃取名词解释双水相萃取是一种分离和提取物质的物理化学方法，它基于物质在两种不相溶的水相中的分配差异来实现。
其中，一相为有机溶剂相，另一相为水相。
双水相萃取能够实现目标物质从混合物中的分离纯化，常用于生物化学、制药、环境监测等领域。
与传统的单相溶剂萃取相比，双水相萃取具有高选择度、高灵敏度、快速分离和减少环境污染等优点，在实际应用中具有广泛的应用前景。
双水相萃取的核心原理是不同物质在两相之间的分配差异。
混合物溶解在有机溶剂相中后，目标物质会因其在两相中的溶解度不同而分配到两相中。
根据目标物质在两相中的分配系数，可以通过调整两相的物理化学性质，例如溶剂种类、pH值和离子强度等，来控制目标物质的转移和分离。
在双水相萃取中，通常使用的有机溶剂相为水不溶性有机溶剂，例如丁醚、乙醚、正己烷等。
水相通常为含有盐或酸碱调节剂的水溶液。
混合物溶解在有机溶剂相中后，通过搅拌、超声波处理等方法，使混合物中的目标物质与两相中的溶剂发生混溶，然后静置使两相分层。
最后，可以通过分液、离心等方式分离出两相，从而得到纯净的目标物质。
双水相萃取在实际应用中，常常与其他分离和纯化技术相结合，例如薄层色谱、气相色谱、高效液相色谱等，以实现更精确、高效的分离和纯化。
该技术不仅适用于分离化学品、天然产物、有机合成产物等有机化学领域，也可用于生物分子、生物体内代谢产物等在生物化学、制药等领域中的应用。
总之，双水相萃取是一种基于物质在两种不相溶的溶剂相中分配差异来实现目标物质的分离和纯化的物理化学方法。
它具有许多优点，广泛应用于化学、生物化学、制药和环境监测等领域，并与其他分离和纯化技术相结合，促进了科学研究和工业生产的发展。
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。
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。
双水相的萃取原理及应用
双水相的萃取原理及应用双水相萃取是一种常用的分离纯化技术，其原理是将两种互不相溶的溶剂（一般是水和有机溶剂）在适当的条件下混合形成两个相，通过溶质在两相间的分配系数差异，使溶质转移到另一相中来实现分离纯化。
双水相萃取技术在生物医药、食品工业、环境监测等领域有广泛的应用。
双水相萃取的原理可以通过亲水基团和疏水基团之间的相互作用来解释。
当有机溶剂向水中注入时，溶剂分子中的疏水基团与水中的活泼基团（如羟基和胺基）发生作用，形成一层水合包裹层。
这种水合包裹层使有机溶剂和水发生互溶性差异，从而使两种溶剂形成不相容的两个相。
双水相萃取的应用可以归纳为以下几个方面：1. 生物活性物质分离纯化：双水相萃取广泛应用于生物活性物质分离纯化领域，例如从植物提取出天然产物（如植物提取物中的生物碱、黄酮、甾醇等）；从微生物培养液中提取酶、蛋白质等生物活性物质；海洋生物样品的提取等。
双水相萃取可以有效地分离目标物质并去除一些干扰性物质，提高目标物质的纯度和产率。
2. 蛋白质的分离纯化：双水相萃取可以用于蛋白质的分离纯化。
由于蛋白质在不同的条件下会有不同的溶解度，通过调节溶剂的性质和条件，可以使目标蛋白质在双水相中的分配系数大于1，从而实现蛋白质的富集和分离纯化。
3. DNA/RNA的提取：双水相萃取也可用于DNA/RNA的提取。
DNA/RNA在某些条件下与有机溶剂形成复合物，可以通过双水相萃取的方法将DNA/RNA 从混合物中分离出来。
这是分子生物学研究中常用的一种DNA/RNA提取方法。
4. 药物研发：双水相萃取在药物研发中有着重要的应用。
药物研发中常常需要提取、分离纯化目标化合物，双水相萃取可以通过调节溶剂体系的性质和条件，实现对复杂混合物中目标化合物的分离纯化，从而提高化合物的纯度和产率，为药物研发提供了有效的手段。
除了上述应用外，双水相萃取还可以用于环境监测、食品工业等领域。
例如，在环境监测中，可以利用双水相萃取将有机污染物和水样分离，进而进行有机污染物的检测与分析。
【生物工程下游技术】第七课_双水相萃取
有机溶剂萃取的不足：
许多蛋白质都有极强的亲水性，不溶于有机溶剂 ； 蛋白质在有机溶剂相中易变性失活。
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(即双水相系统)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。
这些条件不可能同时满足，分配理论也不完善，因此 常需要根据试验选择最优系统和操作条件。
采用两水相系统进行生物转化反应有下列优点：
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，轻微搅拌即能形成高度分散系统，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。
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。
(5)体系中微生物的影响。
1）表面自由能的影响
2）表面电荷的影响
道南电位(, Donnan potential):实际双水相系统中有电解质, 当这些离子在两相中K 1, 则两相间产生电位差
U2，U1——相1和相2的电位 Z+, Z－ ——分别表示一种盐的正负离子的离子价
F——法拉第常数 T——温度
器。
Enzymetic reaction
双水相萃取法的原理与应用
双水相萃取法的原理与应用1. 原理介绍双水相萃取法是一种分离提取化合物的方法，通过利用两种不相溶的溶剂构成两个水相层，达到从一个水相层向另一个水相层进行分配的目的。
双水相萃取法具有选择性强、操作简便、成本低廉等特点，已广泛应用于生物分离纯化、环境污染检测、食品安全等领域。
2. 原理步骤双水相萃取法的基本步骤如下：1.准备两种互不相溶的溶剂，一般常用的是极性和非极性的溶剂，如水和有机溶剂。
确保两种溶剂相分离的界面有尽可能大的接触面积。
2.将待提取物溶解在一个适宜的溶剂中，使其分布均匀。
3.加入两种溶剂，振荡或搅拌使两相充分混合并达到平衡分配。
4.待体系分层后，通过离心或重力沉淀将两相分离。
5.收集有机相或水相中的萃取物，进行进一步的分析或应用。
3. 应用领域双水相萃取法在以下领域有广泛的应用：•生物分离纯化：双水相萃取法可用于分离和纯化生物大分子，如蛋白质、酶等。
通过调节溶剂体系的性质，可以实现对不同生物大分子的选择性分离。
•环境污染检测：双水相萃取法在环境污染物的检测中有重要应用。
通过使用适当的溶剂和调节pH值，可以有效地富集和分离样品中的有机污染物，如农药、重金属等。
•食品安全：双水相萃取法被广泛应用于食品安全领域。
利用双水相萃取法可以快速、高效地提取食品中的有害物质，如农药残留、食品添加剂等，确保食品质量和安全性。
•药物研发：双水相萃取法在药物研发中起着重要作用。
通过双水相萃取法可以从复杂的生物样品中富集和分离药物分子，为药物研发提供重要的前处理步骤。
4. 优缺点双水相萃取法具有以下优点：•选择性强：通过调节溶剂体系的性质，可以实现对不同化合物的选择性分离。
•操作简便：双水相萃取法操作简单方便，不需要复杂的仪器设备。
•成本低廉：双水相萃取法所需的溶剂成本较低，适用于大规模应用。
然而，双水相萃取法也存在一些缺点：•萃取效率较低：双水相萃取法对于某些极性化合物的富集效果较差。
•溶剂耗量大：双水相萃取法需要大量的有机溶剂来保证分离效果。
双水相萃取原理
双水相萃取原理
双水相萃取是一种将有机物从水溶液中分离出来的方法。
它基于水和有机溶剂不相溶的性质，通过两相之间的分配系数差异来实现目标物质的选择性提取。
双水相萃取的原理是利用两种互不相溶的溶剂（一般是水和有机溶剂），在某一条件下将目标物质在两相之间分配。
通常情况下，有机物更易溶于有机相，而无机物更易溶于水相。
具体的操作步骤如下：首先将水溶液和有机溶剂混合，形成两相体系。
然后经过搅拌或震荡，让目标物质在两相之间达到平衡分配。
接下来，待两相分离后将有机相和水相分开。
最后，可以通过蒸发或其他方法将目标物质从有机相中提取出来。
双水相萃取的选择性是基于目标物质在两相之间的分配系数差异。
分配系数是指物质在两相之间分配的比例，由物质的溶解度和两相的互溶性决定。
通常情况下，选择合适的有机溶剂和水相条件可以使目标物质在有机相中富集，而其他杂质则大部分留在水相中。
双水相萃取的优点是操作简单、成本低廉，适用于大量样品的初步分离和富集。
但是也存在一些局限性，例如只适用于水溶液中的有机物质，对目标物质的选择性有一定要求。
总之，双水相萃取是一种利用两相体系中的分配差异来实现目标物质提取的方法。
通过选择合适的有机相和水相条件，可以实现对目标物质的选择性富集，从而达到分离和纯化的目的。
双水相萃取的原理
双水相萃取的原理
双水相萃取是一种新型的分离技术，它利用两种不相溶的溶剂相来实现目标物质的分离和提取。
在这种技术中，两种相分别是水相和有机相，它们之间通过特定的萃取剂实现了目标物质的转移和分离。
双水相萃取的原理主要包括相分离、目标物质的分配和平衡等过程。
首先，两种不相容的溶剂相在一定条件下会形成两个分离的相区，即水相和有机相。
这种分离是由于两种相之间的亲疏性差异所导致的。
在双水相萃取中，通常会选择水和醚类、酮类等有机溶剂作为两种相，它们之间的亲疏性差异使得它们能够在一定条件下形成两个分离的相区。
其次，目标物质在两种相中的分配和平衡是实现双水相萃取的关键。
当混合了目标物质的溶液与双水相接触时，目标物质会根据其在两种相中的亲疏性差异而在两种相中分配。
这种分配是达到平衡状态的，即在一定条件下，目标物质在两种相中的浓度达到一定的比例，这种比例是由溶剂相亲疏性和目标物质本身性质所决定的。
最后，通过加入特定的萃取剂，可以实现目标物质在两种相中的转移和分离。
这些萃取剂通常具有对目标物质的亲和性，能够促使目标物质从一种相转移到另一种相中。
在这个过程中，萃取剂在两种相中的分配和平衡也是非常重要的，它们能够调控目标物质在两种相中的分布，最终实现目标物质的分离和提取。
双水相萃取的原理简单而又复杂，它涉及了相分离、分配平衡和萃取剂的作用等多个方面。
通过合理的选择溶剂相和萃取剂，以及优化萃取条件，可以实现对目标物质的高效分离和提取。
因此，双水相萃取技术在化工、生物医药等领域具有广泛的应用前景，对于复杂混合物的分离和提取具有重要的意义。
第七章 双水相萃取
三、 双水相萃取技术的发展
1. PEG衍生物：在PEG上引入亲和基团或离
子基团；
2. 采用多级萃取。
作业： 第七章
1.
双水相萃取
普通的溶剂萃取法不适宜分离提纯蛋白质，其原因是： (1) ;(2) 2. 生物工程中常用的双水相体系主要 有： ， 等体系。 3. 在恒温恒压条件下，影响物质在聚乙二醇（PEG）/葡聚糖 （Dex）双水相体系中分配的因素有哪些?分配系数K分别怎 样变化? 4. 请自行设计双水相提取胞内酶的操作流程及操作要点。
(5)体系中微生物的影响
结合P139图7-10和P140图7-11
二、 双水相萃取技术的应用
1. 双水相萃取法常用于胞内酶提取和精制。
目前已知的胞内酶约2600种，但投入生产的很少。 原因之一是提取困难。胞内酶提取的第一步是将细胞 破碎得到匀浆液，但匀浆液黏度很大，有微小的细胞 碎片存在，欲将细胞碎片除去，过去是依靠离心分离 的方法，但非常困难。双水相系统可用于细胞碎片以 及酶的进一步精制。
(3)体系pH的影响
pH会影响蛋白质中可以离解基团的离解度，因而改变蛋白 质所带电荷和分配系数。
pH也影响磷酸盐的离解程度，若改变H2PO4-和HPO42-之间 的比例，也会使相间电位发生变化而影响分配系数。pH的 微小变化有时会使蛋白质的分配系数改变2—3个数量级。
交 错 分 配 法 (cross partitioning): 当 加 入 不
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。( P141 )
双水相萃取的原理
双水相萃取的原理
双水相萃取是一种常用的分离和富集技术，广泛应用于化学、生物、环境等领域。
它利用两种不相溶的溶剂相，通过分配系数差异，实现对目标物质的有效提取和富集。
其原理基于两种相互不溶的溶剂相，在搅拌混合后形成两个分离的相，从而实现目标物质的迁移和富集。
首先，双水相萃取的原理基于两种溶剂相的选择。
通常情况下，一种是水相，
另一种是有机相。
两种相的选择要根据目标物质的亲和性来确定，以实现对目标物质的高效萃取和分离。
水相通常是极性溶剂，而有机相则是非极性溶剂，这样可以实现对不同类型物质的有效提取。
其次，双水相萃取的原理基于分配系数的差异。
分配系数是指在两种不相容的
溶剂相中，目标物质在两相之间的分配比例。
不同物质在不同溶剂相中的分配系数是不同的，利用这一特性可以实现对目标物质的选择性提取。
通过调整两相中目标物质的分配系数差异，可以实现对目标物质的高效富集。
另外，双水相萃取的原理还基于两种相的分离和回收。
在萃取过程中，两种相
会形成分层，通过分离设备可以将两相有效地分离开来。
这样一来，可以方便地回收目标物质，并对两种相进行再利用，从而实现对目标物质的高效富集和分离。
总的来说，双水相萃取的原理是基于两种不相容的溶剂相之间的分配系数差异，实现对目标物质的选择性提取和富集。
通过合理选择溶剂相、调整分配系数差异、实现两相的分离和回收，可以实现对目标物质的高效分离和富集。
这种方法简单易行，成本低廉，因此在化学、生物、环境等领域得到了广泛的应用。
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
5.7双水相萃取
酵母菌存在下
肺炎克雷氏菌存在下
图5 细胞物质浓度对酶分配的影响
3、盐和缓冲液的影响
水溶液中存在的离子会影响溶质在两 相间的分配。因为阴阳离子的不均匀分配 会产生相界面电位，影响蛋白质、核酸等 荷电大分子的分配。通常增加盐浓度可提 高酶的分配系数。
图6 聚乙二醇4000/硫酸铵系统中，支链淀 粉酶的分配系数与硫酸铵总浓度的关系
葡聚糖本质上是一种几乎不能形成偶 极现象的球形分子，而PEG是一种具有共 享电子对的高密度直链聚合物。各个聚合 物分子都倾向于在其周围有相同形状、大 小和极性的分子，同时，由于不同类型分 子间的斥力大于同它们的亲水性有关的相 互吸引力，因此聚合物发生分离，形成二 个不同的相，这就是所谓的“聚合物不相 溶性”。
层析技术可分离蛋白质、核酸以及细胞混
合物。
食品工业中用来从酸水解产物中提取风味
物质：
二肽、氨基酸、核苷酸等
八、双水相萃取的工艺流程
目的产物的萃取
PEG的循环
无机盐的循环
连续错流萃取回收酶的流程图
九、成相聚合物的回收
膜处理
沉淀
离子交换和吸附
电泳或亲和分配和双水相萃取相结合
蛋白质分配在盐相：盐可用错流操作方式
系统聚合物组成
系统物化性质
盐及缓冲液 温度
1、双水相中聚合物组成的影响 当两种不同聚合物的溶液混合时，可能存 在三种情况：
完全混溶性（匀相溶液）； 物理的不相溶性（相分离）； 复杂的凝聚（相分离）。
eg. 离子和非离子型聚合物都可使用在双水 相系统的构成上，但当这两种聚合物是离 子化合物并带有相反电荷时，它们相互吸 引并发生复杂的凝聚。
细胞色素 牛血清蛋白
乳酸脱氢酶 过氧化氢酶
双水相萃取的原理及应用课件
双水相萃取的原理及应用
ATPE 的基本原理
34
双水相的特点
不足之处: 如易乳化、成相聚合物的成本较高、分离效率不高 等,
双水相萃取的原理及应用
ATPE 的基本原理
35
双水相萃取的应用
双水相系统平衡时间短，含水量高，界面张力低， 为生物活性物质提供了温和的分离环境。它还具备 操作简便、经济省时、易于放大。据报道，系统可 从10ml直接放大到1m3规模（105倍）,而各种试验 参数均可按比例放大，产物收率并不降低。
21
相图:相平衡时物系的组成, 温度与压力的关系
系线反映的信息 杠杆规则：系线上各点均为分成组成相同，而体积不同 的两相。两相体积近似服从杠杆规则
性质差异：系线的长度是衡量两相间相对差别的尺度, 系线越长,两相间的性质差别越大；反之则越小.
双水相萃取的原理及应用
ATPE 的基本原理
22
影响双水相萃取的因素
ATPE 的基本原理
30
双水相的特点
对生物物质、天然产物、抗生素等的提取、纯化方面的优 势： (1)含水量高(70％~90％)，在接近生理环境的体系中进行 萃取，避免生物活性物质失活或变性。
(2)可以直接从含有菌体的发酵液和培养液中提取所需的蛋 白质（或酶），可直接提取细胞内酶，避免破碎或过滤等 步骤。
5
ATPE 的历史：
Kula教授研究小组对双水相 的应用、工艺流程、操作参数、 工程设备、成本分析等进行了 大量研究，在应用上获得成功。 1978年首先将双水相萃取技术 用于酶的大规模分离纯化。
双水相萃取的原理及应用
ATPE 的历史：
6
ATPE 的历史：
双水相萃取可分离多肽、蛋 白质、酶、核酸、病毒、细胞、 细胞器、细胞组织，以及重金 属离子等，近年来，还应用于 一些小分子，如抗生素、氨基 酸和植物的有效成分等的分离 纯化。作为反应系统用于酶反 应，生物转化，发酵的产物生 产与分离的集成。
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0.12*1 0-2 2.0*10
-2
4.1*10
-2
eg. PEG-(NH4)2SO4双水相系统萃取糖化酶 (NH4)2SO4 浓 度 固 定 不 变 时 ， 增 加 PEG400 的浓度有利于酶在上相的分配， 当 PEG400 浓度在 25~27% 时，分配系数高 达47.3，浓度过高则不利于酶的分配。 PEG400 浓 度 固 定 为 26% 时 ， 增 加 (NH4)2SO4浓度，糖化酶的分配系数也增大。 (NH4)2SO4的最适浓度为16%。
葡聚糖也可 由其他多糖代替， 可得到类似的结 果，如右图所示。
图4 200C聚乙二醇/羟丙基淀粉 和聚乙二醇/葡聚糖系统的相图
2、双水相系统物理化学性质的影响
双水相系统的性质主要取决于下列物理 参数：密度（ ρ ）和两相间密度差、黏度 （μ）和两相间黏度差、表面张力（σ）。
表4 聚乙二醇4000/葡聚糖PL500系统的物理化学常数
硫酸葡聚糖钠盐 聚丙烯乙二醇 羧基甲基葡聚糖钠盐 甲基纤维素
羧甲基葡聚糖钠盐
聚乙二醇
羧甲基纤维素钠盐
磷酸钾、硫酸铵、硫酸钠、硫酸镁、酒石酸钾钠
五、双水相萃取的理论基础
相平衡关系
图1 PEG/DEX体系相图
物质在两相中的分配
生物大分子在两相中的分配仍服从分配定
律。
ct k cb
六、双水相系统中物质分配的影响因素
葡聚糖本质上是一种几乎不能形成偶 极现象的球形分子，而PEG是一种具有共 享电子对的高密度直链聚合物。各个聚合 物分子都倾向于在其周围有相同形状、大 小和极性的分子，同时，由于不同类型分 子间的斥力大于同它们的亲水性有关的相 互吸引力，因此聚合物发生分离，形成二 个不同的相，这就是所谓的“聚合物不相 溶性”。
虽然葡聚糖T500 和水解过的葡聚糖 相对分子量在同一 数量级，但二者的 双节线离得远，这 种差别是由于聚合 度分布性效应造成 图2 的。
200C聚乙二醇4000/葡聚糖系统双节点曲线， 比较三种不同类型的葡聚糖
表2 葡聚糖分子对不同相对分子量蛋白质分配系数的影响 蛋白质 相对分子 量 葡聚糖 40 12384 69000 0.18 0.18 葡聚糖组成 葡聚糖 70 0.14 0.23 葡聚糖 葡聚糖 220 500 0.15 0.31 0.17 0.34 葡聚糖 2000 0.21 0.41
三、双水相系统的重要特征
两相的黏度：萃取相在2~10mPa.s范围
内，而发酵液匀浆相在 100~10000mPa.s 范围内。
双水相系统呈现出低的界面张力。
四、双水相体系的类型
表1 几种典型双水相体系 聚丙二醇 聚乙二醇 聚乙二醇、聚乙烯醇、葡聚糖、羟丙基葡聚糖 聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、葡聚糖、聚蔗糖
PEG/质 量分数% 6.0 6.5 8.0 9.0 Dextran/ 质量分数 % 5.8 6.1 7.6 8.5 Δρ/ μ/ μ g/ 界面宽度/ VT/VB 质量分数 (Kg/m (mPa.s) (mPa.s) 3) % 6.2 10.5 19.8 24.8 1.5 1.4 1.7 1.9 18 32 64 79 4.1 3.6 4.3 4.4 43 100 3.3 364 σ/ (mN/ m) 0.3*10
0.58
0.13
0.14 0.05
0.12
0.11 0.03
牛血清蛋白 69000 乳酸脱氢酶 14000 0
过氧化氢酶 25000 0
0.82
0.38
0.16
0.10
由表2、表3可见，蛋白质的分配系数随着 葡聚糖相对分子量的增加而增加，随着 PEG相对分子量的增加而降低。
系统聚合物组成
系统物化性质
盐及缓冲液 温度
1、双水相中聚合物组成的影响 当两种不同聚合物的溶液混合时，可能存 在三种情况：
完全混溶性（匀相溶液）； 物理的不相溶性（相分离）； 复杂的凝聚（相分离）。
eg. 离子和非离子型聚合物都可使用在双水 相系统的构成上，但当这两种聚合物是离 子化合物并带有相反电荷时，它们相互吸 引并发生复杂的凝聚。
细胞色素 牛血清蛋白
乳酸脱氢酶 过氧化氢酶
磷酸果糖 激酶
140000 250000
800000
0.06 0.11
<0.01
0.05 0.23
0.01
0.09 0.40
0.01
0.16 0.79
0.02
0.10 1.15
0.03
表3 PEG分子对不同相对分子量蛋白质分配系数的影响
蛋白质 体系的组成 相对分 子量 D-500（9%） D-500 D-500（8%） D-500（8%） /P/P/P（8%）/P4000(7.1%) 6000 (6%) 20000(6%) 40000(6%) 12384 0.17
萃取新技术之
第七节 双水相萃取
一、概述
双水相萃取（ Two-aqueous phase extraction ） 又 称 水 溶 液 两 相 分 配 技 术 （ Partion of two aqueous phase system）是近年来出现的引人注目、极有 前途的新型分离技术。 其特点是能够保留产物的活性，操作 可连续化，能耗低，处理容量大。
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。
1989年Diamond等推导出生物分子在双
水相体系中的分配模型，但尚有局限。
由于成本方面的原因，双水相萃取技术
上的优势被削弱，真正工业化的例子很 少。
二、双水相体系的形成
典型的例子如在水溶液中的聚乙二醇 （ PEG ）和葡聚糖（ DEX ），各溶质均为 低浓度时，可得到单相匀质液体；当溶质 浓度增加时，溶液变得浑浊，静止形成双 液层：上层富集PEG，下层富集葡聚糖。
双 水 相 萃 取 现 象 最 早 是 1896 年 由
Beijerinck 在琼脂与可溶性淀粉或明胶 混合时发现的，被称为“聚合物的不相 溶性”。
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工作。
70 年代中期西德的 Kula M R 和 Kroner