第十章双水相萃取

▪ 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。
▪ 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
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
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。
• 氢键 • 电荷力 • 疏水作用 • 范德华力 • 构象效应
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
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。
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。
• 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：
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)。
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
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，
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。
▪ 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。
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。
▪ 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。
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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。
▪ 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。