双水相萃取研究(论文)

双水相萃取技术

姓名：小行星学号： 20128888 专业：化工工艺

摘要：双水相萃取是一种新型的萃取分离技术，本文介绍了双水相体系的形

成及特点，重点介绍了双水相萃取技术的应用和双水相萃取的主要设备，

对双水相萃取技术应用前景及展望

关键字：双水相萃取分离技术应用展望

1、引言

溶剂萃取法是分离技术中最重要的方法之一。传统的溶剂萃取分离是依据被分离物质在两个互不相溶液相中的溶解性不同而达到分离目的。一般的萃取体系包括有机相和水相两部分,迄今为止,已有若干种分类方法。随着近年来分离技术在生命科学、天然药物提纯及各类抗生素药物等方面应用的迅速发展,新型的萃取技术应运而生。例如对于生物物质来说,分离的对象复杂,既包括可溶物,如蛋白质和核酸,也包括悬浮的小颗粒,如细胞器和整个细胞;由于生物物质极易变性和失活,传统的有机相和水相的两相萃取不能解决生物物质失活等问题，给分离带来很大的难度，而双水相萃取技术能够很好的解决这一难题。

双水相萃取(Aqueoustwo-phase extraction, ATPE)[1]是两种水溶性不同的聚合物或者一种聚合物和无机盐的混合溶液,在一定的浓度下,体系就会自然分成互不相容的两相，被分离物质进入双水相体系后由于表面性质、电荷间作用和各种作用力(如憎水键、氢键和离子键)等因素的影响,在两相间的分配系数K不同,导致其在上下相的浓度不同,达到分离目的，这种现象在1896年被 B eijerinck首次发现,随后双水相萃取技术作为一种新型的分离技术日益受到重视,与传统的萃取及其他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,随着生物、医药等行业的蓬勃发展，从而使双水相萃取技术能越来越广泛应用于生物工程、药物分析和金属分离等方面。

2、双水相体系

简而言之，双水相萃取是利用溶质在两个互不相溶的水相中的溶解度不同而达到分离的萃取技术。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。随着双水相体系的种类不同，其形成原理也不同，表1例举了几种双水相体系的形成及其形成原理[2]。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[3]。

双水相萃取中使用的双水相是由两种互不相溶的高分子溶液或者互不相溶的盐溶液和高分子溶液组成。最常见的就是聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dextran)和PEG/无机盐(硫酸盐、磷酸盐等)体系,其次是聚合物/低分子量组分、离子液体体系和高分子电解质/高分子表面活性剂体系。此外,还有被称为智能聚合物的双水相体系等，表2例举了几种常见的双水相体系[4]。

表2 常见的双水相系统

近年来,出现了一些新型、高效、廉价的双水相体系,如用低分子有机物与无机盐所形成的双水相体系来分离提取中药材中的有效成分"这种双水相体系的引入,可以节约能耗、降低成本、简化操作流程!提高产品收率,为大规模工业化的实现提供了可能。

在实际应用中,双水相体系中的水溶性高聚物具有难挥发性,反萃取是必不可少的,同时由于盐会进入反萃取剂也会给分离工作带来一定的难度。

3、双水相萃取的应用

3.1 双水相萃取与生命科学

通常,溶剂萃取分离时,由于使用了有机溶剂会使生物大分子(如蛋白质和酶)失活。从20世纪90年代初期,人们致力于应用ATPE技术分离提取蛋白质,避免蛋白质的变性。目前,已成功应用于蛋白质、生物酶、菌体、细胞、细胞器、亲水性生物大分子、氨基酸、抗生素以及生物小分子等的分离、纯化。特别是近年来,国内外在此方面的研究有很大的进展。例如Menica等[5]利用聚乙二醇(PEG) /磷酸盐双水相体系提取天然发酵物中的碱性木聚糖酶,确定最佳体系是

22%PEG6000, 10%K2HPO4和12%NaCl活性酶的产率可达98%。除此以外,在近几年的报道中双水相萃取已用于多种蛋白质和生物酶的分离,如牛血清蛋白(BSA)、牛酪蛋白、B-乳球蛋白、血清蛋白;A-淀粉酶和蛋白酶、胆固醇氧化酶、脂肪酶、磷酸甘油酸激酶(PGK)和磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)、葡糖淀粉酶、L-天门冬酰胺酶等都在双水相体系中得到较好的分离。B-内酰胺类包括青霉素和头孢菌素,是应用广泛的抗生素药物;大环内酯类抗生素如:红霉素和乙酰螺旋霉素都利用

ATPE技术得到了较好的收率;在多肽类抗生素中,用双水相体系对万古霉素的提取也得到了满意的结果。

3.2 双水相萃取与天然药物

中药中含有大量的有机化合物且成分十分复杂,提高中草药中有效成分提取及分离技术对我国中医中药进入国际市场有很大的促进作用。天然活性成分的分离提取和质量控制将是今后重点研究课题,这类具有独特功能和生物活性的化合物,是疾病预防与治疗的基础物质。主要包括:黄酮、多酚、萜类等。目前,活性成分的提取分离技术还有待发展,双水相萃取技术作为一种新型的萃取技术已经成功的应用于天然产物的分离纯化。近几年有关双水相提取天然药物中有效成分的报道也逐年增多。甘草的主要成分甘草皂甙,又称甘草酸,采用乙醇/磷酸氢二钾双水相体系萃取,分配系数达到12.8,回收率可达98. 3%。选用PEG/磷酸盐体系在一定温度、pH条件下萃取银杏浸取液,主要药用成分黄酮类化合物进入上相,达到分离的目的,最佳条件在25e,PEG的分子量在1500左右,一般采用较高的相比可以提高萃取率,但是过高会引起上相的体积增多,最佳萃取率可达98. 2%。黄芩甙和谷胱甘肽也分别在环氧乙烷和环氧丙烷的无规则共聚物(EOPO) /混合磷酸钾(KHP)体系,以及环氧乙烷和环氧丙烷的无规则共聚物(EOPO)/羟丙基淀粉(PES)所组成的双水相体系中得到较好的分离,萃取率分别是75.8%和80%以上。

天然产物有效成分含量低,难于富集,体系复杂,大分子与小分子、生命与非生命物质共存,特别是存在结构异构体等都使分离提纯工作的难度加大。ATPE技术在天然产物的分离和纯化等方面还有待进一步研究。

3.3双水相萃取与重金属

传统的溶剂萃取分离重金属常常存在溶剂污染环境、对人体有害、工艺复杂等缺点。双水相以其高效、快速、无毒、简单以及无需反萃取等优点,而被用于分离富集重金属元素。例如[6-8]Ti(Ⅳ)与Zr(Ⅳ)可以在聚乙二醇PEG2000-硫酸铵-偶氮胂(Ⅲ)中分离;另外,乙醇-氯化钠-水双水相体系在氢溴酸介质中,可从碱金属中定量萃取金(Ⅲ),萃取率达99.1%;Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Mo(Ⅳ)等金属离子也在聚乙二醇PEG2000-硫酸钠-硫氰酸钾的双水相体系中得到分离。

4、双水相萃取的主要设备