双水相萃取技术的研究现状

双水相萃取技术研究进展

[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，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，从而使其能广泛应用于生物工程、药物分析和环境科学等方面，本文简单介绍了双水相萃取技术及其原理、特点，影响因素及其应用。

[关键字]：双水相萃取；分离；应用

Aqueous two-phase extraction technology research

status

[Abstract]: aqueous two-phase extraction technology as a new separation

technology is becoming more and more attention, compared with the traditional extraction and separation technology other mild operating condition, the advantages of large capacity, easy to continuous operation, making it can be widely used in biological engineering, pharmaceutical analysis and environmental science, etc., this article simply introduces the aqueous two-phase extraction technology and its principle, characteristics, influence factors and its application.

[key words]: Aqueous two-phase extraction; Separation; application

引言

随着生物化工等新型学科的发展，一些含量较少、具有生理活性又极有机价值的生物物质的分离提纯，成了十分关键的技术课题。生物化工的发展在很大程度上依赖于生物分离技术的进展。生物工程的产品分离问题，即生物工程的下游技术的开发是极为重要的。众所周知，生物物质多是有生理活性的，使用常规的分离技术来处理这类对象往往具有处理量小、流程长、易失活、收率低和成本高等缺点。开发新型的用于生物物质分离的技术，使其适应于一定的生产规模，且经济简便、快速高效，是十分迫切的要求。双水相萃取正是这类新型分离技术之一。[1]

有机溶剂萃取系统用于某些活性物质或强亲水性物质的分离时，易使活性物质失活或溶解性差等不足，其应用面受到一定的限制，双水相萃取就是其中之一。

双水相系统由两种聚合物或一种聚合物与无机盐水溶液组成，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个水相，两相中水分所占比例在85%-95%范围，被萃取物在两个水相之间分配。双水相系统中两相密度和折射率差别较小、相界面张力小，两相易分散，活性生物物质或细胞不易失活；可在常温、常压下进行，易于连续操作，具有处理量大等优点，备受工业界的关注。

从化学工程的角度看，有关溶剂萃取原理、设备和操作都可用于双水相萃取过程中，但由于两者在物化特性、热力学性质以及被分离物质在两相中的分配特性等方面的较大差异，还须对该技术进行深入的工程基础讨论。[2]

1. 双水相萃取

液液萃取技术是化学工业中普遍采用的一种分离提纯方法。随着生物技术(如基因工程、蛋白质工程、代谢工程、细胞培养工程等)的高速发展，常规的萃取技术在这些领域中的应用受到限制，因为大部分的生物制品原液是具有低浓度和生物活性的,对分离条件以及环境有着严格的要求。双水相萃取(Aqueous two-phase extraction, ATPE)技术正是由于适应这种特殊的分离要求而被广泛应用于生物化工行业。双水相萃取技术始于20世纪60年代，1979年德国GDF和Kula[3]等人将双水相萃取应用于生物产品的分离，由于其条件温和，容易放大，可连续性操作，已经成功地应用于氨基酸、蛋白质和核酸的分离和提纯。国内自20世纪80年代开始对双有研究和应用。

目前国内外对双水相萃取技术的研究主要集中在:（1）双水相体系成相机理及热力学模型的探索。由于双水相体系自身的复杂性，目前还没有一套完整的理论来解释双水相体系，近年来对双水相液液相平衡的热力学模型的研究非常活跃;（2）新型、高效、廉价的双水相体系的开发。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草药。这种双水相体系的引入，可以大大节约能耗，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;（3）双水相萃取技术应用领域的拓展，利用其它相关技术对双水相萃取过程优化。如双水相技术与相关技术的集成问题，就充分地利用了双水相体系的技术和条件优势，为分离科学提供了新思维;（4）双水相萃取技术中体系的放大以及新工艺流程的开发等。[4] 1.1双水相体系

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，当两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，取决于混合时的嫡增和分子间的相互作用力两个因素。由于双水相体系本身的复杂性，体系的嫡很难准确计算，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。

两种物质混合时熵的增加与所涉及的分子数目有关，以摩尔计算，小分子间与大分子间的混合，熵增相同，而分子间作用力可看作分子中各基团间相互作用力之和。对两种高分子聚合物的混合，分子间的作用力与分子间的混合熵相比占主要地位，分子越大，作用力也越大。当两种聚合物所带电荷相反时，聚电解质之间混合均匀不分相；若两种聚合物分子间有相互排斥作用，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，达到平衡时，会形成分别富含不同聚合物的两水相。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。除双聚物系统外，基于盐析作用原理，聚合物与无机盐的混合溶液也能形成双水相。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。

可形成双水相的双聚合物体系很多，典型的双水相系统列于表1中，其中A类为两种非离子型聚合物；B类其中一种为带电荷的聚电解质；C类两种都为聚电解质；D类为一种聚合物与一种低分子物质（无机盐、有机物）组成。

表1 典型的双水相系统 类 型 相（Ⅰ） 相（Ⅱ） A 聚丙烯醇（PPG） 聚乙二醇，聚乙烯醇， 聚乙二醇（PEG） 葡萄糖 B 葡聚糖（Dextran） NaCl,Li2SO4 C 羧甲基葡聚糖钠盐 羧甲基纤维素钠盐 D 聚乙二醇（PEG）， 磷酸钾，硫酸铵，硫酸钠，聚丙烯醇（PPG） 葡萄糖，甘油 在双水相萃取中，常采用的双聚合物系统为（PEG）/葡聚糖（Dx），该系统的上相富含PEG，下相富含Dx；常用的聚合物/无机盐双水相系统有PEG/磷酸钾、PEG/磷酸铵、PEG/磷酸钠等，其上相富含PEG，下相富含无机盐。

A、D两类聚合物为多元醇、多元糖结构，能使生物分子稳定，且无毒性，已被许多国家的药典所收录，因此，这两类在生物制品分离中应用较多。对高聚物-高聚物体系操作比较容易，且变性作用少，界面吸附少；而聚合物-无机盐体系，由于高浓度的盐废水不能直接排入生物氧化池，使其可行性受到环保限制，且某些生物物质会在这类体系中失活。 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选择性分配。当萃取体系的性质不同，物质进入双水相体系后，由于分子间的范德华力、疏水作用、分子间的氢键、分子与分子之间电荷的作用，目标物质在上、下相中的浓度不同，从而达到分离的目的。溶质(包括蛋白质等大分子物质、稀有金属以及贵金属的络合物、中草药成分等)在双水相体系中服从Nernst[5]分配定律:

K=Ct /Cb

其中Ct、Cb分别代表溶质在上相、下相中的浓度。

系统固定时，分配系数为一常数，与溶质的浓度无关。当目标物质进入双水相体系后，在上相和下相间进行选择性分配，这种分配关系与常规的萃取分配关系相比，表现出更大或更小的分配系数。如各种类型的细胞粒子、噬菌体的分配系数都大于100或者小于0. 01，蛋白质（如各类酶）的分配系数在0.1-10之间，无机盐的分配系数一般在1.0左右。不同物质的分配系数的差异构成了双水相萃取分离的基础。因此为物质分离提供了可能。 1.3双水相萃取相关理论的发展[6]

虽然双水相萃取技术在应用方而取得了很大进展，但目前这些工作几乎都只是建立在实验数据的基础上，至今还没有一套比较完善的理论来解释物质在体系中的分配机理。

1955年由Albertson首先利用两水相技术分离生物分子，他主要研究了PEG/Dex系统和PEG/(NH4)2SO4、系统在分离提纯中的应用。在随后的几十年中，这项技术有了长足的发展。在双水相的分离模型研究中，主要提出了两类模型， Edmond等人提出的渗透维里模型，即Edmond-bgston方程;Flory和Huggins根据热力学的基本原理提出Flory-Huggins晶格模型。前者在预测聚合物的成相行为和蛋白质的分配上有较高的准确度，后者在粒子的能量概念上可以很好地拟合实验数据。自20世纪80年代中期以来，各国学者开展了进一步的研究工作，各类用于计算生物物质在双水相系统分配系数的模型也时有报道，诸如Baskir晶体吸附模型[4]、Hay，模型、Pitzer模型, Gross-man自由体积模型等，但结果均难以令人满意。1989年，Diamond等以Flory-Huggins理论为基础，用把相间电势表达为上下相浓度差的二次函数来关联分配系数的方法，提出了能对肤和蛋白质在聚合物/聚合物/水体系的分配系数很好关联的Diamond-Hsu模型。此后，针对用该模型计算蛋白质在聚合物/盐两水相系统中的分配系数时精确度不高的缺点，Diamond等提出了改进的Dia-mond-Hsu模型，进一步提高了Diamond-Hsu模型的精确度和普适性。Pessoa等通过引入对聚合物水溶性和预分离物质(氨基酸、肤、蛋白质)的水化壳进行描述的因子得到了Flory-Huggin、改进模型，此模型很好地模拟了73种由PEG/Dex组成的双水相体系的相平衡和分配系数。 1.4双水相萃取的特点[7]

双水相萃取是一种可以利用较为简单的设备，并在温和条件下进行简单的操作就可获得较高收率和纯度的新型分离技术。与一些传统的分离技术相比，双水相萃取技术具有以下明显的优点：

（1）整个体系的含水量高(70%一90%)，萃取是在接近生物物质生理环境的条件下进行，故而不会引起生物活性物质失活或变性；

（2）单级分离提纯效率高。通过选择适当的双水相体系，一般可获得较大的分配系数，也可调节被分离组分在两相中的分配系数，使目标产物有较高的收率；

（3）传质速率快，分相时间短。双水相体系中两相的含水量一般都在80%左右，界面张力远低于水一有机溶剂两相体系，故传质过程和平衡过程快速;

（4）操作条件温和，所需设备简单。由于双水相的界面张力大大低于有机溶剂与水相之间的界面张力，整个操作过程在室温下进行，因而有助于保持生物活性和强化相际传质，既可以直接在双水相系统中进行生物转化以消除产物抑制，又有利于实现反应与分离技术的偶合，相分离过程非常温和，分相时间短。大量杂质能与所有固体物质一起去掉，大大简化分离操作过程；