双水相萃取技术解答
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。
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。
第五章 双水相萃取
多项选择题
4.双水相系统的性质主要取决于下列物理化学多 数中的（ ABCDE ） A.密度 B.两相间的密度差 C.黏度 D.两相间的黏 度差 E.表面张力 5.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：（ ABC ） A.成相聚合物PEG对蛋白质有稳定作用，常温下 蛋白质一般不会发生失活或变性 B.常温下溶液黏度较低，容易相分离 C.常温操作节省冷却费用 D.常温下溶液的表面张力比较小，反应易于进行
单项选择题
4.下列盐析效应强弱次序正确的是（ A ） A. Al3+＞Mg2+ B. Mg2+＞Al3+ C. Na+＞Mg2+ D. K+＞Na+ 5.不同有机溶剂分相效果不同，下列正确的是（ B ） A.异丙醇＞乙醇＞丙酮 B. 异丙醇＞丙酮＞乙醇 C. 乙醇＞异丙醇＞丙酮 D. 丙酮＞异丙醇＞乙醇 6.下列双水相体系中那种的分相能力强（ B ） A. 异丙醇/硫酸铵 B. 异丙醇/磷酸氢二钾 C. 乙醇/硫酸铵 D. 乙醇/磷酸氢二钾
论述题
1．PEG双水相萃取的工艺流程。
答： PEG双水相的工艺流程主要有三部分：目 双水相的工艺流程主要有三部分： 双水相的工艺流程主要有三部分 标产物的萃取； 的循环； 标产物的萃取；PEG的循环；无机盐的循环。 的循环 无机盐的循环。 （1）目标产物的萃取 细胞悬浮液经球磨机 ） 破碎细胞后， 破碎细胞后，与PEG和无机盐或葡聚糖在萃取 和无机盐或葡聚糖在萃取 器中混合，然后进入离心机分相。 器中混合，然后进入离心机分相。通过选择合适 的双水相组成， 的双水相组成，一般使目标蛋白质分配到上相 而细胞碎片、 （PEG相），而细胞碎片、核酸、多糖和杂蛋 相），而细胞碎片 核酸、 白质分配到下相（富盐相）。 白质分配到下相（富盐相）。
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。
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。
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
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
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
双水相萃取技术解答
3.2两水相反应器
在两水相系统中进行转化翻译功能，如酶促反应，可 以把产物移入另一相中，消除产物抑制，因而提高了产率。 这实际上是一种反应和分离耦合的过程，有时也成为萃取 生物转化；如果发生的是一种发酵过程，则也称为萃取发 酵，因此此时也可以把两水相系统称为两水相反应器。
主讲人： 2014-12-25
一.概述 二. 基本原理及流程 三. 技术与设备 四. 研究及应用 五述
1.1 基本概念
●萃取（extraction)：
萃取是利用溶质 在互不混溶的两相之 间分配系数的不同而 使溶质得到纯化或浓 缩的技术。
●萃取剂：用以进行萃取的溶剂
3.5.3 筛板萃取塔
塔体内装有若干层筛板，筛孔直 径比气-液传质的孔径有效。工业中 所用孔径一般为3~9mm，孔距为孔径 的3~4倍，板间距为150~600mm。如果 选轻相为分散相，则其通过塔板上的 筛孔而被分散成细滴，与塔板上的连 续相密切接触后便分层凝聚，并聚结 于上层筛板的下面，然后借助压强差 的推动，再经筛孔而分散。重液相经 降液管流向下层塔板，水平横向流到 筛板另一端降液管。两相如是依次反 复进行接触与分层，便构成逐级接触 萃取。如果先重相为分散相，则应使 轻相通过盛液管进入上层塔板。
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 相比要大，反之则相比要小。
由于这些条件很难同时满足，并且分离理论还不完善，因 此常需要根据试验选择最优系统和操作条件。
3.4采用双水相系统进行生物转化反应的优点：
Kula教授研究小组对双水相的应用、工艺流程、操作参数、 设备、成本分析等进行了大量研究，在应用工程上获得成功。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.1在生物大分子分离纯化方面的应用
蛋白质、酶、多糖、核酸等大分子物质可以利用双 水相进行分离、纯化，双水相体系由于其温和的特性， 能够保持酶本身应有的活性，所以利用双水相萃取技术 分离纯化酶得到广泛的应用。 如： ①利用表面活性剂/盐双水相体系纯化鹊肾树叶中的丝 氨酸蛋白酶。 ②用 PEG6000/Na2HPO4双水相提取脂肪酶。 ③利用PEG /K3PO4双水相室温下纯化α -淀粉酶。
筛板萃取塔内由于塔板的限制，减小了轴向返混，同时由 分散相的多次分散和聚结，液滴表面不断更新，使筛板萃 取塔的效率比填料塔有所提高，再加上筛板塔结构简单， 价格低廉，可处理腐蚀性料液，因而在许多萃取过程中得 到广泛应用。
3.5.4 转盘萃取塔
在塔体内壁上按一定距离装 置若干个环形挡板，固定环使塔 内形成许多分开的空间。在中心 轴上按同样间距安装若干个转盘， 每个转盘处于分割空间的中间。 转盘的直径小于固定环的内径， 以便于装卸。固定环和转盘均有 薄平板制成。转盘随中心轴做高 速旋转时，对液体产生强烈的搅 拌作用，增加了相际接触面积和 液体的湍动。固定环在一定程度 上抑制了轴向返混，因而转盘塔 的效率较高。
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 相比要大，反之则相比要小。
由于这些条件很难同时满足，并且分离理论还不完善，因 此常需要根据试验选择最优系统和操作条件。
3.4采用双水相系统进行生物转化反应的优点：
将两种不同的水溶性聚合物的水溶液混合时，当 聚合物浓度达到一定值时，体系自然地分成互不相溶 的两相.
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。
2.2双水相萃取工艺流程 双水相萃取技术的工艺流程主要有三部分构成： （1）目的产物的萃取 （2）PEG循环 （3）无机盐的循环
三、双水相萃取技术及设备
3.1 离子液体双水相萃取
Gutowski等于 2003年首次提出了离子液体双水相的概念, 研究发现了亲水性离子液体[ Bm im] Cl和水合磷酸钾可以形成 上相富集离子液体和下相富集磷酸钾的双水相体系,并且证明这 一双水相体系可能在分离萃取上有极好地应用前景。
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 两相较快的分离。但是，由于两相间的密度差较小，实现两 相的密切接触和快速分离有一定的困难。
PEG/磷酸钾、PEG/磷酸胺、 PEG/硫酸钠、PEG/葡糖糖等
2.1.3 分配系数 ● 当萃取体系的性质不同时，物质进入双水相体系后， 由于各种阻碍作用的存在，物质分配不同，使其在上、 下相中的浓度不同。
K=C上/C下
C上和C下分别为被分离物质在上、下相的浓度。
• 分配系数K等于物质在两相的浓度比，由于各物质的K不同 ，可用双水相萃取体系对物质进行分离，其分配情况服从 分配定律。
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。
4.2 在天然产物中提取小分子物质方面的应用
天然产物中存在许多对人体有益的活性小分子物质 ，但是提取一直以来都是高投入低回收，目前许多活性 物质大多数是利用化学合成来满足人们的需求，但是化 学合成物质的效果和天然活性成分比，仍有一定的差距 ，人们一直在寻找能够同时达到高提取率和高纯度的方 法，以降低成本“目前有很多关于双水相分离纯化活性小 分子的研究。 如： ①用 C2H5OH/磷酸盐形成的双水相体系从乌拉尔甘草提 取液中分离甘草酸。 ②用(NH4)2SO4/C2H5OH双水相体系结合超声提取丹参中 的紫草酸 B。
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;
Kula教授研究小组对双水相的应用、工艺流程、操作参数、 设备、成本分析等进行了大量研究，在应用工程上获得成功。
1978年首先将双水相萃取技术用于酶的大规模分离钝化， 建成了一套工业装置，达到20Kg/h的处理能力，分离钝化了 几十种酶，也应用与基因工程的分离。
国内自20世纪80年代起也开展了ATPE技术研究。
双水相萃取技术
主讲人： 2014-12-25
一.概述 二. 基本原理及流程 三. 技术与设备 四. 研究及应用 五、不足之处
六. 发展方向
一、概述
1.1 基本概念
●萃取（extraction)：
萃取是利用溶质 在互不混溶的两相之 间分配系数的不同而 使溶质得到纯化或浓 缩的技术。
●萃取剂：用以进行萃取的溶剂
● 萃取法的分类：
参与溶 质分配 的两相 不同
液-固萃取 液-液萃取
萃取原理
物理萃取 化学萃取 双水相萃取 超临界萃取
1.2 发展历程
1896年荷兰微生物学家Berjerinck发现琼脂水溶液与 可溶性淀粉或明胶水溶液混合时形成双水相现象。
1956年瑞典Land大学的Albertsson教授及其同事开始 对水相系统研究。测定了许多双水相系统的相图，考察 了蛋白质、核酸、病毒、细胞及细胞颗粒在双水相中的 分配行为，为双水相萃取系统的发展奠定了基础。 只局限于实验内的测定和理论研究。
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
机械拌
转盘萃取塔、搅拌 萃取塔、振动筛板
塔
混合澄清器
脉冲 离心力作用
脉冲填料塔、脉冲 筛板塔
脉冲混合澄清器
连续式离心萃取器 逐级式离心萃取器
3.5.2 脉动填料塔
为防止分散相液滴过多聚结，可增加塔内流体的湍动， 即向填料提供外加脉动能量，造成液体脉动，这种填料塔成 为脉动填料塔。但须注意，向填料塔加入脉动会使乱堆填料 趋向定向排列，导致沟流，从而使脉动填料塔的应用受到限 制。
● 两种聚合物水溶液的水溶性有差异，混合后发生 相分离，并且水溶性差别越大，相分离的倾向越大。
● 加入盐分，由于盐析作用，聚合物与盐类溶液也 能形成两相。
2.1.2 双水相体系的分类
双聚物：
PEG/DEX、聚乙二醇/聚乙烯醇、 聚乙烯醇/甲基纤维素、聚丙二醇 /葡聚糖、聚丙二醇/甲氧基乙二 醇等
聚合物-低 分子物质 的化合物：
3.5.3 筛板萃取塔
塔体内装有若干层筛板，筛孔直 径比气-液传质的孔径有效。工业中 所用孔径一般为3~9mm，孔距为孔径 的3~4倍，板间距为150~600mm。如果 选轻相为分散相，则其通过塔板上的 筛孔而被分散成细滴，与塔板上的连 续相密切接触后便分层凝聚，并聚结 于上层筛板的下面，然后借助压强差 的推动，再经筛孔而分散。重液相经 降液管流向下层塔板，水平横向流到 筛板另一端降液管。两相如是依次反 复进行接触与分层，便构成逐级接触 萃取。如果先重相为分散相，则应使 轻相通过盛液管进入上层塔板。
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。
根据两相接触方式，萃取设备分为逐级接触和微分接触 式两种；根据有无外功输入分为外加能量和无外加能量两种。
3.5.1 原则 ①当两相流量相差很大时，将流量大的选做分散相可增加相际
传质面积。但是，若所用的设备可能产生严重轴向返混时， 应选择流量小的作分散相，以减小返混的影响。 ②在填料塔、筛板塔等萃取设备中，应将润湿性差的液体作为 分散相。 ③当两相粘度相差较大时，应将粘度大的液体作为分散相，这 样液滴在连续相内沉降（或升浮）速度较大，可提高设备生 产能力。 ④为减小液滴尺寸并增加液滴表面的湍动，对于界面张力梯度 大于零的物系，溶质应从液滴向连续相传递。 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。
4.4 在废水处理方面的应用
工厂排放的废水中往往既含有大量的对环境污染性极大 的物质，如酚类物质及一些镉等金属污染物，也含有一些可以 回收循环利用的物质，所以对废水的处理意义重大，亟需一种 快速高效的方法来解决这些问题。 如： ①用正交实验优化1-propanol/ (NH4)2SO4双水相体系去除医药 、橡胶等行业生产过程中排放的废水中的对氨基酚。 ②利用1-propanol/ (NH4)2SO4双水相体系除去电镀废水中镉缔合 物。