第十章双水相萃取

• 是否分层或混合成一相，取决于： ▪ 熵增——与分子数目有关 ▪ 分子间作用力——与分子大小有关
▪ 可以构成双水相的体系有：
• 离子型高聚物－非离子型高聚物（分子间斥力） ▪ PEG－DEXTRAN
• 高聚物－相对低分子量化合物（盐析作用） ▪ PEG－硫酸铵
双水相萃取的原理
▪ 依据悬浮粒子与其周围物质具有的复杂的相 互作用：
双水相系统的应用
双水相萃取自发现以来，无论在理论上还是实践上 都有很大的发展。在最近几年中更为突出,在若干生物 工艺过程中得到了应用，其中最重要的领域是蛋白质 的分离和纯化。
▪ (1) 产品的浓缩 ▪ （2）蛋白质的提取和纯化 ▪ （3）生物小分子的分离和纯化 ▪ （4） 中草药有效成分的提取 ▪ （5）生物活性物质的分析检测
10.3双水相中的分配系数及影响分配的因素
与溶剂萃取相同，溶质在双水相中的分配系数也用
k=c1/c2表示。为简便起见，用c1 和c2分别表示平衡状态下上
相和下相中溶质的总浓度。
溶质在双水相中的分配受表面自由能、表面电荷、疏水作用 及生物亲和作用等因素的影响，其中表面自由能、表面电荷 对分配行为的影响最为重要，因而对这两方面的理论研究也 比较深入。 溶质分配的理论研究对双水相萃取起到指导作用，使萃取过 程可通过控制相关的影响因素而得到优化。
上，称为系线。
a 系线 两相区
双节线 均相区
b
两相区 系线
双节线 均相区
临界点
图a和b分别为PEG/Dx和PEG/KPi系统的典型相图
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。两相的体积近似服从杠杆规则，即
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。当系线长度趋向于零时， 即在图b的双节线上K点，两相差别消失，任何溶质在两相中 的分配系数均为1，因此K点称为临界点(critical point)。
11.3.4 温度的影响
温度影响双水相系统的相图， 因而影响蛋白质的分配系数。 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：(1)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；(2)常温下溶液粘度较 低，容易相分离；(3)常温操作 节省冷却费用。
▪ 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。
双水相萃取法的特点是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去除细胞碎片相比，无论在收率上还是 成本上都要优越得多。
▪ 大作业(8选5,有关膜分离的最少必选一题)
▪ 1，微滤(MF)、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、都是以压力差为推 动力的膜分离过程，它们之间有何区别和联系？
▪ 2，就电渗析的应用举一个具体的例子来说明它的原理和工艺流程。 ▪ 3，名词解释：双水相萃取；超临界萃取；分配系数。 ▪ 4，反渗透和膜蒸馏过程都能制备超纯水，请举例说明两过程的异同。 ▪ 5，请阐述无载体液膜的分离机理并举例说明。 ▪ 6，阐述泡沫分离的原理及影响泡沫分离的因素，并说明它适用哪类体系的分离。 ▪ 7，超临界流体的主要特性是什么？请简要说明超临界萃取的工艺流程。 ▪ 8，请你列举出你所知道的其它新型分离技术，并简要举例说明。
双水相萃取的优点
▪ 操作条件温和，在常温常压下进行； ▪ 两相的界面张力小，一般在10-4N／cm量级，两相
易分散， ▪ 两相的相比随操作条件而变化； ▪ 上下两相密度差小，一般在10 g/L。因此两相分离
较困难，目前这方面研究较多 ▪ 易于连续操作，处理量大，适合工业应用。
▪ 双水相萃取是利用物质在不相溶的，两水相间分 配系数的差异进行萃取的方法
• 氢键 • 电荷力 • 疏水作用 • 范德华力 • 构象效应
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10.2双水相的形成及制备
聚合物的不相溶性(incompatibility)： 当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，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化学参数：
密度(ρ)和两相间的密度差， 黏度(μ)和两相间的黏度差以及表面张力(σ)。
盐和缓冲液的影响
盐的种类和浓度对分配系数的影响主要反映在对 相间电位和蛋白质疏水性的影响。
在双聚合物系统中，无机离子具有各自的分配系数， 不同电解质的正负离子的分配系数个同，当双水相系 统中含有这些电解质时，由于两相均应各自保持电中 性，从而产生不同的相间电位，因此，盐的种类(离 子组成)影响蛋白质、核酸等生物大分子的分配系数。 盐浓度不仅影响蛋白质的表面疏水性，而且扰乱双水 相系统，改变各相中成相物质的组成和相体积比。
物质Q的名称
聚乙二醇 聚乙烯醇
葡萄糖（Dex） 羟丙基葡萄糖
聚乙烯醇 葡萄糖 (Dex) 聚乙烯吡咯烷酮
聚丙二醇、聚乙二醇 甲基纤维素
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
图中把均相区与两相区分开的曲线，称为双节点曲线。如果体系总组成 位于双节点曲线下方的区域，两高聚物均匀溶于水中而不分相。如果体 系总组成位于双节点曲线上方的区域，体系就会形成两相。上相富集了 高聚物Q，下相富集了高聚物P。用A点代表体系总组成，B点和C点分别 代表互相平衡的上相和下相组成，称为节点。A、B、C三点在一条直线
用此方法提纯的酶已达数十种，其分离也达到 了相当规模。
近年来又进行了双水相萃取氨基酸类和病毒小 分子物质的研究，大大扩展了应用范畴并提 高了选择性，使双水相萃取技术具有更大的 潜力和美好的发展前景。
▪ 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。
▪ 可形成双水相的双聚合物体系很多，如聚乙二醇 (polyethylene glycol, PEG)/葡聚糖(dextran，Dx)，聚丙二 醇(polypropylene glycol) / 聚乙二醇和甲基纤维素 (methylcellulose)/葡聚糖等。
▪ 双水相萃取中常采用的双聚合物系统为PEG/Dx，该双水相 的上相富含PEG，下相富含Dx。除双聚合物系统外，聚合 物与无机盐的混合溶液也可形成双水相。
▪ PEG/磷酸钾(KPi)、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。
典型的双水相体系
物质类型
物质P的名称
两种非离子型聚合物
聚丙二醇
P为带电荷聚电解质
P Q都为聚电解质 P为聚合物 Q为盐类
聚乙二醇（PEG）
硫酸葡聚糖钠盐 羧甲基葡聚糖钠盐 羧甲基葡聚糖钠盐 聚乙二醇
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); 体系的温度等;
▪ 这些参数并不是独立地起作用。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。
第十章 双水相萃取
双水相萃取（aqueous two-phase extraction）是利用物质 在互不相溶的两水相间分配系数的差异来实现分离的一 新型分离技术。
它具有收率高、成本低、可连续化操作等技术优势，已被 广泛应用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域， 进行生物转化，蛋白质、核酸等产品的分离纯化。
双水相中聚合物组成的影响
双水相系统作为一种成功的萃取方法，很大程度上取决于 使用的聚合物类型。
当两种不同聚合物的溶液混合时，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)。
离子和非离子聚合物都可以使用在双水相系统的构成上，但是， 当这两种聚合物是离子化合物并带有相反电荷时，它们互相吸 引并发生复杂的凝聚。
双水相萃取法和传统的分离方法(如盐析或有机溶剂沉淀等)相比 也有很大的优势，处理量相同时，双水相萃取法比传统的分离方 法,设备需用量要少3～10倍，因此已被广泛地应用在生物化学、 细胞生物学和生物化工领域，进行生物转化、蛋白质、核酸和病 毒等产品的分离纯化和分析等。
用此法来提纯的酶已达数十种，其分离过程也达到相当规模，
▪ 如，PEG/KPi系统中上、下相(或称轻重相) 的PEG和磷酸钾浓度以及Cl离子在上、下相 中的分配平衡随添加NaCl浓度的增大而改变。
▪ 这种相组成即相性质的改变直接影响蛋白质 的分配系数。
▪ 离子强度对不同蛋白质的影响程度不同，利 用这一特点，通过调节双水相系统中的盐浓 度，可有效地萃取分离不同的蛋白质。