双水相萃取的原理及应用课件
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双水相萃取详细资料PPT(44张)
（四）影响物质分配平衡的因素
主要有聚合物的分子量和浓度/pH/演的种类 和浓度/温度等。适当的选择各参数即在最 适条件下，可达到较高的分配系数和选择 性
成相聚合物的相对分子质 量
当聚合物相对分子质量降低时，蛋白质易 分配于富含该聚合物的相中。
例如：PEG/DX系统中当PEG的分子量降低时，会
双水相萃取
方盼 赵梅
目录
（一）两水相的形成 （二）相图 （三）分配理论 （四）影响分配的参数 （五）应用
Question
• 常用的溶液萃取法能用来提 取生物大分子如蛋白质吗？
Reason
大部分萃取采用一个是水相，另一个是有机相 蛋白质遇到有机溶剂，易变形失活 有些蛋白质有极强地亲水性，不能溶于有机溶剂。
作用力没有强烈的引力或斥力：完全互溶，形
成均相的高聚物水溶液
• 聚合物的不相容性：两种聚合物分子间存在斥力，在 达到平衡后，分成两相，两种聚合物分别进入到一相 中。
• 高聚物与高聚物形成两相是由于高聚物的不相容 性
• 高聚物与无机盐溶液也能形成两相，这是由于盐 析作用。
• 生化工程中，多应用聚乙二醇—-葡聚糖和聚乙二 醇-无机盐系统。
盐类的影响
在双水相聚合物系统中，加入电解质，首 先阴阳离子会有不同的分配。
盐的正负离子在两相间的分配系数不同， 由于各相应保持电中性，因而在两相中形 成电位差，这对带电生物大分子的分配， 产生很大的影响。
K-＞1 分配在上相 K+≈1 分配在下相
在pH6.9时溶菌酶带正 电，卵蛋白带负电。当 加入NaCl时，其浓度低 于50mmol/L时可见上 相电位低于下相电位， 使溶菌酶分配在。
只有当P和Q达到一定浓度才能形成两相
《双水相萃取技术》课件
影响因素
03
双水相萃取技术的实验操作
实验准备
01
02
03
实验材料
准备双水相萃取所需的试 剂和材料，如蛋白质溶液 、双水相体系、离心管等 。
实验设备
确保实验所需的设备齐全 ，如离心机、天平、量筒 等。
安全措施
确保实验环境安全，穿戴 适当的实验服和护目镜， 避免试剂溅出。
实验步骤
加入蛋白质溶液
将待分离的蛋白质溶液加入离 心管中。
应用范围广泛
该技术在生物、医药、环保等领域有 广泛应用，可用于蛋白质、酶、细胞 等的分离和纯化。
操作简便高效
双水相萃取技术操作简单，分离速度 快，可实现大规模生产。
环境友好
该技术使用无毒或低毒性的物质，对 环境友好，符合绿色化学的发展趋势 。
技术展望
深入研究机理
进一步深入研究双水相萃取技术的机理，提高分 离效率和选择性。
蛋白质回收率测定
测定蛋白质的回收率，评估双水相萃取技术的效 果。
3
数据分析
对实验数据进行统计分析，了解双水相萃取技术 的分离效果和影响因素。
04
双水相萃取技术的优缺点
技术优势
高分离效率
双水相萃取技术能够实现高效率的分离过程，对于一些难以分离 的物质，如蛋白质、酶等，能够实现快速、准确的分离。
低成本
收集上清液
将上清液收集到适当的容器中 ，以便后续分析。
配制双水相体系
按照所需的浓度配制双水相体 系，确保比例准确。
离心分离
将离心管放入离心机中，设定 适当的转速和时间进行离心分 离。
清洗沉淀
清洗离心管中的沉淀，确保蛋 白质的纯度和回收率。
实验结果分析
1 2
03
双水相萃取技术的实验操作
实验准备
01
02
03
实验材料
准备双水相萃取所需的试 剂和材料，如蛋白质溶液 、双水相体系、离心管等 。
实验设备
确保实验所需的设备齐全 ，如离心机、天平、量筒 等。
安全措施
确保实验环境安全，穿戴 适当的实验服和护目镜， 避免试剂溅出。
实验步骤
加入蛋白质溶液
将待分离的蛋白质溶液加入离 心管中。
应用范围广泛
该技术在生物、医药、环保等领域有 广泛应用，可用于蛋白质、酶、细胞 等的分离和纯化。
操作简便高效
双水相萃取技术操作简单，分离速度 快，可实现大规模生产。
环境友好
该技术使用无毒或低毒性的物质，对 环境友好，符合绿色化学的发展趋势 。
技术展望
深入研究机理
进一步深入研究双水相萃取技术的机理，提高分 离效率和选择性。
蛋白质回收率测定
测定蛋白质的回收率，评估双水相萃取技术的效 果。
3
数据分析
对实验数据进行统计分析，了解双水相萃取技术 的分离效果和影响因素。
04
双水相萃取技术的优缺点
技术优势
高分离效率
双水相萃取技术能够实现高效率的分离过程，对于一些难以分离 的物质，如蛋白质、酶等，能够实现快速、准确的分离。
低成本
收集上清液
将上清液收集到适当的容器中 ，以便后续分析。
配制双水相体系
按照所需的浓度配制双水相体 系，确保比例准确。
离心分离
将离心管放入离心机中，设定 适当的转速和时间进行离心分 离。
清洗沉淀
清洗离心管中的沉淀，确保蛋 白质的纯度和回收率。
实验结果分析
1 2
萃取技术—双水相萃取技术(药物分离纯化课件)
内侧流 外侧 分配 萃取物
体 流体 系数
细胞色素 C 磷酸盐 PEG 0.18 肌红蛋白 磷酸盐 PEG 0.009 过氧化氢酶 磷酸盐 PEG 0.12 尿激酶 磷酸盐 PEG 0.65
内侧流 速,cm/s
16.3 4.0 16.3 16.3
外侧流 传质系 速,cm/s 数,cm/s
6.6 5.5?0 -6 5.0 7.5?0 -7 5.0 2.8?0 -5 5.0 2.0?0 -4
双水相萃取的应用--双水相萃取技术（萃取技术）
1.双水相萃取的应用
双水相分离条件 （1） 目的分子与细胞应分配在不同的相 （2） 分配系数应足够大 （3） 离心机容易分离
双水相萃取的应用
分离物质
举例
体系
NaDS-硫酸葡聚糖
酶 核酸 生长素 病毒 干扰素
细胞组织
过氧化氢酶的分离 分离有活性核酸DNA 人生长激素的纯化 脊髓病毒和线病毒纯化 分离β－干扰素
双水相萃取的应用--双水相萃取技术（萃取技术）
2.双水相萃取分离技术的发展方向 （1）廉价双水相体系的开发
优点： (1)蛋白质溶解度大。蛋白质在PPT浓度到15％以前没有沉淀，但在PEG浓度大于
5％时，溶解度显著地减小，在盐溶液中的溶解度更小。 (2)粘度小。PPT的粘度是粗dextran的1/2,传质好。 ⑶价格便宜。PPT几十$/kg,粗dex几百$/kg
系线
TMB：系线连接双节线上两点的 直线。
在临界点处，分配系数为1
临界点
药物分离与纯化技术课程
3．双水相相图
系线反映的信息:
(1)系线长度：衡量两相间相对差别的尺度。越长则两相间性质差 别越大，反之则越小；趋向于零时，（双节线上的点，临界点）， 两相差别消失，成为均一相。
生物分工程双水相萃取 66页PPT文档
(3) 回收率高 提纯倍数可达2-20倍, 如体系选择适当,回 收率可达80%-90%以上,且分离速度快。
三、双水相体系的应用
应用：在生物化学、细胞生 物学、生物化工等有机物分 离提纯方面得到了较为广泛 的应用，如：分离提纯蛋白 质、生物酶、菌体、细胞、 氨基酸、抗生素以及亲水性 生物大分子等。
KS
Y2,3-BD(% ) Yacetoin(% ) Rglucose(% ) Rcells(% ) R protein(% )
1 9.88 10.19 0.031 318.7 93.0
93.5
94.9
99.6
85.5
2 9.65 10.06 0.030 321.7 93.0
93.5
94.8
99.5
28.3和98.1% 乙醇/碳酸钠体系 发酵液中2,3-丁二醇的分配系数和回收率分别可达
15.1和94.3% 异丙醇/硫酸铵体系 发酵液中2,3-丁二醇的分配系数和回收率分别可达
8.3和91.4%
乙醇/硫酸铵APTE放大实验
表2.3 体系放大过程中2,3-丁二醇分配的变化
分配系数(K)
4）外加电场的影响
当在两相分界的垂直方面上加上电场时由于 电位差增加而使分配系数发生改变 如用PEG8000 /DextranＴ 500体系分离肌红蛋白,在外加48.1 Ｖ/cm的电场强度40 min后,分配系数Ｋ从0.81变 为38.7,上相回收率从44.7%增高到98.0% 。
5) 温度的影响
ln m H(H F F H S )F F S Z
RT
影响分配平衡的因素
1）成相聚合物
成相聚合物的相对分子量降低、浓度升高 有利于增大溶质的分配系数。
三、双水相体系的应用
应用：在生物化学、细胞生 物学、生物化工等有机物分 离提纯方面得到了较为广泛 的应用，如：分离提纯蛋白 质、生物酶、菌体、细胞、 氨基酸、抗生素以及亲水性 生物大分子等。
KS
Y2,3-BD(% ) Yacetoin(% ) Rglucose(% ) Rcells(% ) R protein(% )
1 9.88 10.19 0.031 318.7 93.0
93.5
94.9
99.6
85.5
2 9.65 10.06 0.030 321.7 93.0
93.5
94.8
99.5
28.3和98.1% 乙醇/碳酸钠体系 发酵液中2,3-丁二醇的分配系数和回收率分别可达
15.1和94.3% 异丙醇/硫酸铵体系 发酵液中2,3-丁二醇的分配系数和回收率分别可达
8.3和91.4%
乙醇/硫酸铵APTE放大实验
表2.3 体系放大过程中2,3-丁二醇分配的变化
分配系数(K)
4）外加电场的影响
当在两相分界的垂直方面上加上电场时由于 电位差增加而使分配系数发生改变 如用PEG8000 /DextranＴ 500体系分离肌红蛋白,在外加48.1 Ｖ/cm的电场强度40 min后,分配系数Ｋ从0.81变 为38.7,上相回收率从44.7%增高到98.0% 。
5) 温度的影响
ln m H(H F F H S )F F S Z
RT
影响分配平衡的因素
1）成相聚合物
成相聚合物的相对分子量降低、浓度升高 有利于增大溶质的分配系数。
酶双水相萃取.pptx
形
互不相容的两相，两种聚合物分别溶于两
成
相中，即构成双水相系统。这主要是由于 聚合物分子的空间位阻作用，相互间无法
过
渗透，而且有强烈的相分离倾向，在一定
程
条件下即可分为两相。一般认为，聚合物
水溶液的疏水性差异是产生相分离的主要
推动力，且蔬水性差异越大，相分离倾向
也越大。
第3页/共21页
1.2、双水相系统中作用力的表现
substrate第15页/共21页
product
Enzymetic reaction with ATPS
enzyme enzyme
第16页/共21页
enzyme
5.1、蛋白质双水相萃取的优点
两相含水量均很
高，与蛋白质有
可用于蛋白质的
很好的相容性， 且不易使蛋白质
1
精制，经过几次
4 连续的双水相萃
作用力 为斥力
形成双水相系统
双水相
作用力 形成两相，一相为两 为引力 高聚物，一相为水相 均一相
作用力无 强烈引力
完全互溶，形成均一相
和斥力
两相
第4页/共21页
1.3、几种常见的双水相体系
类型
非离子型聚合物/ 非离子 型聚合物
高分子电解质/非离子型聚 合物 高分子电解质/高分子电解 质 聚合物/ 低分子量化合物
失活。
取，得到更高纯
度的蛋白质。
所需设备简 单，且处理 容量大，利 于大规模生 产。
2
3
分离纯化后
的蛋白质产
物纯度很高，
有很大使用
价值。
第17页/共21页
5.2、蛋白质双水相萃取的缺点
系统中水的含量 高，分离后的蛋 白质液浓度低， 需要浓缩以提高 产物的浓度。
双水相萃取的应用课件
22
利用PEG600（/NH4）2SO4双水相系统萃取 木瓜蛋白酶。结果发现在PEG600百分含量 为27%、（NH4）2SO4百分含量为21%、pH 7.0和温度60℃时，木瓜蛋白酶分配系数达 到最大，为9.28。
23
用双水相萃取法从工业粗酶粉中分离纯化 α–淀粉酶。实验表明，由21%~22%PEG400 和14%~17%(NH4）2SO4所组成双水相体系， 在室温下对α–淀粉酶的酶活回收率可达 94.84%，分配系数可达17.1。另外，还有 双水相萃取果胶酶、无花果蛋白酶、粗状 假丝酵母脂肪酶等研究，也都取得满意结 果
21
对三种双水相体系进行研究，通过制作相 图，分析得出PEG（/NH4）2SO4双水相体系 是萃取糖化酶最合适体系。研究PEG分子量、 PEG溶液浓度、（NH4）2SO4溶液浓度对糖 化酶分配系数、回收率影响，确定萃取糖 化酶最佳条件，即PEG分子量为20 000、 PEG溶液浓度为28%、（NH4）2SO4溶液浓度 为20%时，分配系数为0.15，糖化酶回收率 最高为96.1%。
27
用聚乙二醇―硫酸铵双水相体系分离常见 食用色素叶绿素铜钠盐（SCC），总量为50 ml、10%SCC溶液体积为1.0 ml、聚乙二醇 浓度为30%、硫酸铵10.0 g、表面活性剂 Triton X–100 1.0 ml，在中性或微碱性条 件下，常见离子不干扰SCC萃取，萃取率达 97.98%。
5
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。其分配情况服从分配定律，即，“在一定温 度一定压强下，如果一个物质溶解在两个同时存在 的互不相溶的液体里，达到平衡后，该物质在两相 中浓度比等于常数”，分离效果由分配系数来表征。 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，其中主要有静电作用、疏水作用和 生物亲和作用等。因此，分配系数是各种相互作用的 和:
利用PEG600（/NH4）2SO4双水相系统萃取 木瓜蛋白酶。结果发现在PEG600百分含量 为27%、（NH4）2SO4百分含量为21%、pH 7.0和温度60℃时，木瓜蛋白酶分配系数达 到最大，为9.28。
23
用双水相萃取法从工业粗酶粉中分离纯化 α–淀粉酶。实验表明，由21%~22%PEG400 和14%~17%(NH4）2SO4所组成双水相体系， 在室温下对α–淀粉酶的酶活回收率可达 94.84%，分配系数可达17.1。另外，还有 双水相萃取果胶酶、无花果蛋白酶、粗状 假丝酵母脂肪酶等研究，也都取得满意结 果
21
对三种双水相体系进行研究，通过制作相 图，分析得出PEG（/NH4）2SO4双水相体系 是萃取糖化酶最合适体系。研究PEG分子量、 PEG溶液浓度、（NH4）2SO4溶液浓度对糖 化酶分配系数、回收率影响，确定萃取糖 化酶最佳条件，即PEG分子量为20 000、 PEG溶液浓度为28%、（NH4）2SO4溶液浓度 为20%时，分配系数为0.15，糖化酶回收率 最高为96.1%。
27
用聚乙二醇―硫酸铵双水相体系分离常见 食用色素叶绿素铜钠盐（SCC），总量为50 ml、10%SCC溶液体积为1.0 ml、聚乙二醇 浓度为30%、硫酸铵10.0 g、表面活性剂 Triton X–100 1.0 ml，在中性或微碱性条 件下，常见离子不干扰SCC萃取，萃取率达 97.98%。
5
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。其分配情况服从分配定律，即，“在一定温 度一定压强下，如果一个物质溶解在两个同时存在 的互不相溶的液体里，达到平衡后，该物质在两相 中浓度比等于常数”，分离效果由分配系数来表征。 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，其中主要有静电作用、疏水作用和 生物亲和作用等。因此，分配系数是各种相互作用的 和:
双水相萃取ppt
天然植物药用有效成分的分离与提取
中草药是我国医药宝库中的瑰宝 ,已有数千 年的历史 ,但由于天然植物中所含的化合物 众多 ,特别是中草药有效成分的确定和提取 技术发展缓慢 ,使我国传统中药难以进军国 际市场。因此 ,采用具有较高选择性和专一 性的双水相萃取技术对中草药有效成分的 提取是一项很有意义的工作。利用双水相 萃取中草药有效成分具有代表性的工作是 对黄岑甙和黄岑素的分离。
抗生素的分离与提取
数抗生素都存在于发酵液中 ,提取工艺路线复杂 ,能耗 高 ,提取过程易变性失活。而双水相萃取在抗生素中具 有较大的应用价值 ,萃取提取涉及到各类抗生素。β 内酰胺类抗生素是抗生素家族中应用最多的一类 ,主要 由青霉素类和头孢菌素类构成。对青霉素进行工业化意 义的双水相萃取是结合传统工艺溶媒萃取法进行的。先 以 PEG2000/ (NH4) 2SO4系统将青霉素从发酵液中提取 到 PEG相 ,后用醋酸丁酯(BA)进行反萃 ,再结晶 ,处理 1000ml 青霉素发酵液 ,得青霉素晶体 7. 228g ,纯度 84. 15 % ,三步操作总收率 76. 56 %。
酶工程药物的分离与提取
酶在医药方面的应用一是作为药用酶 ,二是用作化学合 成药物中的酶催化剂。迄今 ,双水相萃取技术已广泛应 用于生物大分子、细胞、细胞器、蛋白质、核酸、病毒、 细菌、蓝藻、叶绿素、线粒体、 菌体等的分离与提取 , 几乎所有的酶均可用此技术仅通过调节 pH、合物和盐的 种类或浓度 ,选择合适的分离条件就可进行理想的分离 纯化。目前双水相萃取技术已成功应用于已较大规模提 取纯化的酶有几十种 。其中成功地实现从微生物细胞碎 片中提取纯化甲酸脱氢酶 ,其分离经 4 次连续萃取 ,已 达处理 50kg 湿细胞规模 ,处理的酶蛋白含量已高达 150g ,收率为 90 %～100 % ,由于工艺简单 ,原材料成 本较低 ,产品的价格也有大幅度降低。
生化工程下游技术知识课件第七章双水相萃取技术知识
属资源的有效利用。
化学反应的分离与纯化
03
双水相萃取技术可用于化学反应的分离与纯化过程，提高产物
的收率和纯度。
在其他领域的应用
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，降低污 染物浓度，实现环境治理和生态 修复。
食品工业
双水相萃取技术可用于食品中有 效成分的提取和分离，提高食品 质量和安全性。
生化工程下游技术知识课件第 七章双水相萃取技术知识
目录
CONTENTS
• 双水相萃取技术概述 • 双水相萃取技术的基本原理 • 双水相萃取技术的应用 • 双水相萃取技术的实验操作 • 双水相萃取技术的未来发展
01
CHAPTER
双水相萃取技术概述
定义与原理
定义
双水相萃取技术是一种利用两种或多 种聚合物在水中形成双水相体系，通 过分相实现目标物分离纯化的技术。
在双水相体系中，物质会根据 其在两相中的溶解度大小进行 分配，最终达到动态平衡。
物质在双水相中的分配系数取 决于物质的性质和双水相体系 的组成。
影响物质分配的因素
物质在双水相中的分配受到多种因素 的影响，包括物质的性质、双水相体 系的组成、温度、pH值等。
双水相体系的组成如聚合物种类和浓 度、盐种类和浓度等也会影响物质的 分配。
利用双水相萃取技术提取生物大 分子，如蛋白质、酶等，拓展其 在生物医药、生物工程等领域的
应用。
天然产物提取
将双水相萃取技术应用于天然产物 的提取，如中草药有效成分的提取， 提高提取效率和纯度。
环境污染物治理
利用双水相萃取技术处理环境中的 有机污染物、重金属等，实现环境 友好型的污染物治理。
展望未来发展前景
双水相萃取的原理及应用 ppt课件
ppt课件
ATPE 的基本原理
40
以蛋白质的分离为例说 明双水相分离过程的原 则流程: 包括三步双水相分离, 第一步：所选择的条件 应使蛋白质产物分配在 富PEG的上相中, 而细胞 碎片及杂质蛋白质等进 入下相。
ppt课件
ATPE 的基本原理
41
以蛋白质的分离为例说 明双水相分离过程的原 则流程: 包括三步双水相分离, 第二步：分相后上相中 再加入盐使再次形成双 水相体系,核酸和多糖则 分配入富盐的下相,杂质、 蛋白质也进入下相,而所 需的蛋白质再次进入富 含PEG的上相。
ppt课件
ATPE 的基本原理
32
双水相的特点
(6)大量杂质可与固体物质一同除去。 (7)易于工艺放大和连续操作，与后续提纯工序可直接相连 接，无需进行特殊处理。 (8)操作条件温和，在常温常压下进行。 (9)亲和双水相萃取技术可以提高分配系数和萃取的选择性。
ppt课件
ATPE 的基本原理
33
双水相的特点
ppt课件
ATPE 的基本原理
10
ATPE 的基本原理:
以上方法对蛋白质的分离纯化有不同的缺陷。
ppt课件
ATPE 的基本原理
11
ATPE 的基本原理:
到目前为止，双水相技术几乎在所有的生物物质 如: 氨基酸、多肽、核酸、细胞器、细胞膜、各类细胞、 病毒等的分离纯化中得到应用,
特别是成功地应用在蛋白质的大规模分离中。
离子环境对蛋白质在两相体系分配的影响: 在双水相聚合物系统中，加入电解质时，其阴
阳离子在两相间会有不同的分配。 同时，由于电中性的约束, 存在一穿过相界面的
电势差(Donnan电势) ,它是影响荷电大分子，如蛋 白质和核酸等分配的主要因素。
(生化工程课件)两水相萃取
双水相萃取应用得最多的是胞内酶的提取。 这种温和的萃取不仅有利于保护目的物的生物活 性，而且目的蛋白得率高，纯度高，但目的物还含 有少量的核酸和多糖，进一步提高目的蛋白的纯度， 可从双水相体系和萃取操作方式两方面进行改进。 PEG衍生物：在PEG上引入亲和基团或离子基团； 采用多级萃取。
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 时也称为萃取生物转化；如果发生的是 一种发酵过程，则也称为萃取发酵，因 而此时也可以把两水相系统称为两水相 反应器。
相 图
相图
双结线， 上相（T，轻相） 下相（B，重相） 结点 临界点 系线
杠杆定律
19.3 双水相萃取过程的理论基础
表面自由能的影响 表面电荷的影响
表面积
电荷
3、物质在两相中的分配
和溶剂萃取法一样，物质在两水相中的分配用分配系数 K表示。
CT K= ——
CB Ct、CB——分别代表上相、下相中溶质的浓度 K—与温度、压力以及溶质和溶剂的性质有关，与溶质的浓度无关。 1）表面自由能的影响(大分子物质表面性质对K影响很大) 2）表面电荷的影响(盐效应：两相系统中如存在盐,对K影响较大) 3）综合考虑（影响因素很多，单因素定量很困难，最佳操作条件靠实验） 4）影响分配平衡的参数 (1)聚合物的影响； (2)体系中无机盐离子的影响； (3)体系PH的影响； (4)体系温度的影响； (5)体系中微生物的影响。
四、双水相萃取的应用
1. 双水相萃取法常用于胞内酶提取。 目前已知的胞内酶约2500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系将细胞 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。
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 时也称为萃取生物转化；如果发生的是 一种发酵过程，则也称为萃取发酵，因 而此时也可以把两水相系统称为两水相 反应器。
相 图
相图
双结线， 上相（T，轻相） 下相（B，重相） 结点 临界点 系线
杠杆定律
19.3 双水相萃取过程的理论基础
表面自由能的影响 表面电荷的影响
表面积
电荷
3、物质在两相中的分配
和溶剂萃取法一样，物质在两水相中的分配用分配系数 K表示。
CT K= ——
CB Ct、CB——分别代表上相、下相中溶质的浓度 K—与温度、压力以及溶质和溶剂的性质有关，与溶质的浓度无关。 1）表面自由能的影响(大分子物质表面性质对K影响很大) 2）表面电荷的影响(盐效应：两相系统中如存在盐,对K影响较大) 3）综合考虑（影响因素很多，单因素定量很困难，最佳操作条件靠实验） 4）影响分配平衡的参数 (1)聚合物的影响； (2)体系中无机盐离子的影响； (3)体系PH的影响； (4)体系温度的影响； (5)体系中微生物的影响。
四、双水相萃取的应用
1. 双水相萃取法常用于胞内酶提取。 目前已知的胞内酶约2500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系将细胞 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。
双水相萃取法PPT课件( 57页)
该式较全面地描述了双水相系统的疏水性和相间电
位、蛋白质的疏水性和净电荷数对分配系数的影响， 同时也间接地通过盐对蛋白质表面疏水性和相间电位 的影响表现了盐对蛋白质分配系数的作用。
3. 影响物质分配平衡的因素
影响物质在双水相系统中分配的因素主要有双水相 系统的聚合物组成(包括聚合物类型、平均分子量)，盐 类(包括离子的类型和浓度、离子强度、pH值)，溶质的 物理化学性质(包括分子量、等电点)以及体系的温度等。 然而，这些参数并不是独立地起作用。所以要预测溶质 在双水相系统间的分配系数是困难的。这些系统复杂性 表现在如下的一些例子中：在一相中引入疏水性基团会 影响离子的分配和电位，在大分子(亲水聚合物或蛋白 质溶质)结构中构象的变化，能使另一些原子暴露在微 环境中。这些事实导致只能用实验的方法来确定满足分 配要求的操作条件。
2．疏水作用
一般蛋白质表面均存在疏水区，疏水区占总表 面积的比例越大，疏水性越强。所以，不同蛋白质 具有不同的相对疏水性。在pH为等电点的双水相中， 蛋白质主要根据表面疏水性的差异产生各自的分配 平衡。同时，疏水性一定的蛋白质的分配系数受双 水相系统疏水性的影响。因此，有必要确定双水相 系统的疏水性尺度，以便在萃取操作时调整和设计 蛋白质的分配系数。PEG/Dx和PEG/无机盐等双水相 系统的上相(PEG相)疏水性较大，相间的疏水性差用 疏水性因子HF (hydrophobic factor)表示。HF可通 过测定疏水性已知的氨基酸在其等电点处的分配系 数maa测算
已有的大量研究表明，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，其中主要有静电 作用、疏水作用和生物亲和作用等。因此，分配系数 是各种相互作用的和:
lnm=lnme+lnmh+lnml
双水相萃取与应用课件
• 溶剂对目标组分选择性强，大量杂质能与所有固体物质一同除去，使分离过程简化，易于工业放大和连续操作。
• 分相时间短，常温常压下自然分相时间一般为5-10min。
• 目标产物的分配系数一般大于3，大部分情况下目标产物的收率较高。
• 聚合物的浓度、无机盐的种类和浓度，以及体系的pH值等多种因素都可以对被萃取物质在两相的分配产生影响，因此 可以利用多种手段来使反应达到最佳条件。
双节线
葡聚糖（%） PEG/葡聚糖系统相图
相图中TCB连线为一双节线，双节线下方为单相区； 双节线上方为两相区。如果系统组成处于该区，如M点时， 系统分为两相，而上相和下相的组成分别为通过M点与双 节线相交的T和B点相对应的组成。上相主要含有PEG，下 相主要含有葡聚糖或盐。两相平衡时，符合杠杆规则。 当用υ T代表上相体积，υ B代表下相体积时，则
A
聚乙二醇(PEG)
几种典型双水相系统
B C
硫酸葡聚糖酸钠 羧甲基葡聚糖酸钠 羧甲基葡聚糖酸钠
D
聚乙二醇
A, B, C, D, E,
聚乙二醇 葡聚糖 两者均为非离子性聚合物, 一种非离子性聚合物，另一种为带电荷的聚电解质 两者均为聚电解质, 一种聚合物，另一种为盐。 一种聚合物，另一种为有机小分子
E
某些水溶性聚合物溶液与某些盐溶液混合，两者浓度达到一定值时， 也会分为两相，形成聚合物-盐双水相系统。机理不清楚。一种解释为“ 盐析”作用。 无机盐和简单的有机盐均可，其成相相对能力与其盐析能力次序基 本一致。阴离子作用比阳离子重要，多原子离子比单原子离子更有效， 成相浓度低。大而电荷密度低的单原子阴离子容易与PEG分子中 的氧 偶极子发生作用，成相浓度高，无法使用。但它们可以作为中性盐添加 组分加入聚合物/聚合物和聚合物/盐系统中，用于改变分配系数。 对于聚合物/盐系统，因盐比葡聚糖便宜得多，使得聚乙二醇(PEG)/ 盐系统具有工业上应用优势。
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双水相萃取的原理及应用
ATPE 的历史：
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ATPE 的历史：
1956年瑞典lund大学的 Albertsson教授及其同事开始 对双水相系统进行比较系统研 究。测定了许多双水相系统的 相图，为双水相萃取系统的发 展奠定了基础。只局限于实验 室内的测定和理论研究。
双水相萃取的原理及应用
ATPE 的历史：
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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
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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。
特别是成功地应用在蛋白质的大规模分离中。
双水相萃取的原理及应用
ATPE 的基本原理
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ATPE 的基本原理:
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。
双水相萃取的原理及应用
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ATPE 的基本原理:
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、电荷作用和各种作用力(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。
双水相萃取的原理及应用
Aqueous two-phase extraction
2014210918 康文渊
双水相萃取的原理及应用
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组员:
刘文荣 王嘉犀 范倩 何亚玲双水相萃取Βιβλιοθήκη 原理及应用NF-κB信号通路
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内容 Content
1、双水相萃取的历史 2.双水相萃取的基本原理 3.双水相萃取的特点 4.双水相萃取的应用
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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
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影响双水相萃取的因素
双水相萃取的原理及应用
ATPE 的基本原理
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ATPE 的基本原理:
以上方法对蛋白质的分离纯化有不同的缺陷。
双水相萃取的原理及应用
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ATPE 的基本原理:
到目前为止，双水相技术几乎在所有的生物物质 如: 氨基酸、多肽、核酸、细胞器、细胞膜、各类细胞、 病毒等的分离纯化中得到应用,
ATPE 的基本原理
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相图:相平衡时物系的组成, 温度与压力的关系
双节线(bi-nodal)： 图中的曲线。双节线 以下的区域为均相区, 以上的区域为两相区， 即ATPS 。 系线(tie line)： 双节线上连两点的直线 。 K点： K点为临界点，表示两 相差别消失。
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ATPE 的基本原理
聚合物分子量的影响：
如以Dextran 500(MW 500 000) 代替Dextran 40（MW 40 000）, 即增大下相高聚物的分子量，被 萃取的低分子量物质如细胞色素C 分配系数增加并不显著。然而， 被萃取的大分子量物质，如过氧 化氢酶的分配系数可增大到原来 的6~7倍。
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ATPE 的基本原理:
反胶团萃取：利用表面 活性剂在有机相中形成的 反胶团（reversed micelles），从而在有机 相内形成分散的亲水微环 境。
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ATPE 的基本原理:
反胶团萃取：使生物分子在有机相（萃取相） 内存在于反胶团的亲水微环境中，消除了生物 分子，特别是蛋白质类生物活性物质难于溶解 在有机相中或在有机相中发生不可逆变性的现 象。 超临界萃取：
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ATPE 的基本原理:
双水相萃取的原理及应用
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常用的双水相体系:
高聚物/高聚物体系：聚乙二醇 (简称PEG) / 葡聚糖(简称 Dextran) 高聚物/无机盐体系：硫酸盐体 系。常见的高聚物/ 无机盐体 系为: PEG/ 硫酸盐或磷酸盐体 系。
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影响双水相萃取的因素
聚合物分子量的影响： 对于给定的相系统，如果一种高聚物被低分子量 的同种高聚物所代替，被萃取的大分子物质,如蛋 白质、核酸、细胞粒子等，将有利于在低分子量高 聚物一侧分配。
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影响双水相萃取的因素
双水相萃取的原理及应用
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常用的双水相体系:
PEG = 聚已二醇(polyethylene glycol) Kpi = 磷酸钾 DX = 葡聚糖(dextran)
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常用的双水相体系:
PEG/Dx体系一般用于小规模地 分离生物大分子、膜、细胞等，
双水相萃取的原理及应用
英英释义
3
ATPE 的历史：
Beijerinck （？？-）
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，从而产生了双水 相体系(Aqueous two phase system,ATPS)。
PEG/无机盐体系主要用来大规模地提纯酶，这 是因为PEG/无机盐体系的萃取专一性更高，葡 聚糖价格昂贵的缘故。
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ATPE 的基本原理
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各 种 类 型 的 双 水 相 体 系
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ATPE 的基本原理
19
相图:相平衡时物系的组成, 温度与压力的关系
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双水相萃取的原理及应用
ATPE 的历史：
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ATPE 的基本原理:
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。