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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,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-responsivepolymers)或环境敏感聚合物(Environmentally-sensitivepolymers)。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。 1.3双水相萃取体系的特点 双水相萃取技术设备简单、在温和条件下进行简单操作就可获得较高的收率和纯度。与一些传统的分离方法相比,双水相萃取技术具有以下特点: (1)整个体系的含水量高(70%~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-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。整个操作过程在室温下进行,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; (5)过程易于放大和进行连续化操作。双水相萃取易于放大,各种参数可以按比例放大而产物收率并不降低,易于与后续提纯工序直接相连接,无需进行特殊处理,这对于工业生产来说尤其有利; (6)不存在有机溶剂残留问题,高聚物一般是不挥发性物质,因而操作环境对人体无害; (7)双水相萃取处理容量大,能耗低。主要成本消耗在聚合物的使用上,而聚合物可以循环使用,因此生产成本较低; 1.4双水相萃取的工艺流程 双水相萃取技术的工艺流程主要由三部分构成:目的产物的萃取;PEG的循环;无机盐的循环。 (1)目的产物的萃取原料匀浆液与PEG和无机盐在萃取器中混合,然后进入分离器分相 。通过选择合适的双水相组成,一般使目标蛋白质分配到上相(PEG相),而细胞碎片、核酸、多糖和杂蛋白等分配到下相(富盐相)。第二步萃取是将目标蛋白质转入富盐 相,方法是在上相中加入盐,形成新的双水相体系,从而将蛋白质与PEG分离,以利于使用超滤或透析将PEG回收利用和目的产物进一步加工处理。 (2)PEG的循环:在大规模ATPE过程中,成相材料的回收和循环使用,不仅可以减少废水处理的费用,还可以节