双水相萃取全解

双水相萃取技术应用

摘要：双水相萃取技术作为一种新型的分离技术日益受到重视，它与传统的

萃取方法相比有独特的优点。本文总结了双水相萃取形成的原理，萃取过程的基

本理论、萃取体系的特点，综述了双水相萃取技术在生化工业、分析检测、稀有

金属分离等方面的应用，介绍了该技术的最新进展，指出了该技术工业化存在的

问题，并对今后的发展作了展望。

关键词：双水相 萃取 分离 应用

引言

双水相萃取技术（Aqueous two—phase extraction，简称ATPE）与传统的萃

取分离技术不同，有其独特的优点，是一种新型的分离技术。双水相萃取在诸多

方面有着广泛的应用，具有良好的应用前景。

1、双水相萃取技术的基本原理

1．1双水相体系的形成

当一定浓度的某种有机物水溶液与其它有机物水溶液，或者有机物水溶液与

无机盐水溶液以一定体积比混合时，能够自然分相并形成互不相溶的双水相或者

多水相体系，这就是双水相体系。

从溶液理论来说，当2种有机物或者有机物与无机盐混合时，是分相还是混

合成一相，取决于混合时的熵变和分子间的相互作用力。由于双水相体系本身的

复杂性，体系的熵很难准确计算，分子间的相互作用力也不清楚，所以双水相的

形成机理很复杂。对于高聚物／高聚物双水相体系，用传统的理论来解释，是由

于界面张力等因素形成两相之间的不对称，使得在空间上产生阻隔效应，使两相

之间无法相互渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，一般这种分离倾向的

大小和形成双水相的2种物质的疏水性成线性关系。对于有无机盐存在的双水相

体系，以及新开发的表面活性剂双水相体系，这种解释就无能为力了。

表1是各种双水相体系的成相原理。由表1可知，不同的成相原理可以解释

不同组成的双水相体系．但各种原理并不能普遍适用。而且各种原理问的相互关

系也十分复杂。因此双水相体系的成相原理以及溶液理论有待进一步据人研究。

1．2双水相萃取的基本原理

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

双水相萃取法的应用及研究进展

摘要:双水相萃取技术作为一项新的分离技术日益受到重视，它与传统的萃取及其它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，从而使其能广泛应用于生物分离工程中。本文介绍了双水相的形成、双水相萃取技术的基本原理以及影响物质分配系数的因素。同时对双水相萃取技术的研究进展及其应用进行了综述。

关键词：双水相萃取 分离纯化 进展

一：方法

随着基因工程、蛋白质工程、细胞培养工程、代谢工程等高新技术研究工作的广泛开展，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。包括精馏、吸收、萃取、蒸发、结晶在内传统的分离技术有三大特点:分离过程伴随有相的变化;筛分过程不能实现分子级别的分离;精制过程成本极高，这些特征对于节约能源、生物分离、环境保护、资源开发、替代能源、高纯材料等当代化学工程与科学技术发展不相适应。围绕以上几个问题的讨论就构成了分离技术研究与发展的主流，即新型分离技术产生的背景。双水相萃取技术始于20世纪60年代，从1956年瑞典伦德大学Albertsson发现双水相体系[2]到1979年德国GBF的Kula等人将双水相萃取分离技术应用于生物产品分离，虽然只有20多年的历史，但由于其条件温和，容易放大，可连续操作，目前，已成功的应用于蛋白质、核酸和病毒等生物产品的分离和纯化，双水相体系也已被成功的应用到生物转化及生物分析中。

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溶性，使得聚合物或无机盐浓度达到一定值时，就会分成不相溶的两相，因使用的溶剂是水，因此称为双水相原则上，无论是天然的还是合成的亲水聚合物，绝大多数在与另一种聚合物水溶液混合时都可分成两相，构成双水相体系。

双水相萃取与水一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。对于某一

双水相萃取技术

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,从而产生了双水相体系(Aqueous two

phase system,ATPS。

传统的双水相体系是指双高聚物双水相体系,其成相机理是由于高聚物分子的空间阻碍作用,相互无法渗透,不能形成均一相,从而具有分离倾向,在一定条件下即可分为二相。一般认为只要两聚合物水溶液的憎水程度有所差异,混合时就可发生相分离,且憎水程度相差越大,相分离的倾向也就越大。可形成双水相体系的聚合物有很多,典型的聚合物双水相体系有聚乙二醇(polyethylene glycol,略作PEG/葡聚糖(dextran,聚丙二醇(polypropylene glycol/聚乙二醇和甲基纤维素(methylcellulose/葡聚糖等。另一类双水相体系是由聚合物/盐构成的。此类双水相体系一般采用聚乙二醇(polyethylene glycol作为其中一相成相物质,而盐相则多采用硫酸盐或者磷酸盐。

萃取原理

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。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。物质在双水相体系中分配系数K可用下式表示:

K= C上/ C下

其中K为分配系数,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。 由于溶质在双水相系统两相间的分配时至少有四类物质在两个不同相系统共存,要分配的物质和各相组分之间的相互作用是个复杂的现象,它涉及到氢键、电荷相互作用、范德华力、疏水性相互作用以及空间效应等,因此,可以预料到溶质在双水相系统中两相间的分配取决于许多因素,它既与构成双水相系统组成化合物的分子量和化学特性有关,也与要分配物质的大小、化学特性和生物特性相关。

1

高等分离工程课程论文

双水相萃取技术的发展与应用 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。但由于大部分的生物产品原液是具有低浓度和生物活性的，对分离条件以及环境要求及其苛刻，使得传统的液液萃取已不能适应分离要求，因此一种新型的液液分离技术-双水相萃取技术应运而生，双水相萃取技术是利用组分在两水相间分配的差异而进行组分的分离提纯的技术。由于双水相萃取分离过程条件温和、可调节因素多、易于放大和操作，并可借助传统溶剂萃取的相关理论和经验，不存在有机溶剂残留问题，特别适用于生物物质的分离和提纯。目前，双水相萃取技术已被广泛地应用于医药化学、细胞生物学、生物化工和食品工业等领域，被认为是生物工程中一种具有广阔应用前景的分离技术，在电化学生物传感器中生物活性分子的制备中至关重要。

1 双水相萃取的基本要点

1.1 双水相萃取的原理

双水相萃取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。 对于某一物质， 2 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。

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，体系会自然的分成互不相溶的两相，这就是双水相体系。双水相体系的形成主要是由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不

能形成均一相，从而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。一般认为只要两聚合物水溶液的憎水程度有所差异，混合时就可发生相分离，且憎水程度相差越大，相分离的倾向也就越大。

1.2 双水相的种类

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,智能聚合物又称刺激-响应型聚合物(Stimulus-responsive polymers)或环境敏感聚合物(Environmentally-sensitive polymers)。智能聚合物是一种功能高分子材料,当外界环境(如温度、pH值、离子强度、外加试剂、光、电场或磁场等)发生微小变化时,聚合物分子的微观结构会发生快速、可逆的转变,使其从亲水性变为疏水性。智能聚合物的双水相体系有:温度敏感型双水相体系、酸度敏感型双水相体系、光响应型双水相体系、亲和功能双水相体系。