双水相萃取研究(论文)

双水相萃取技术

姓名：小行星学号： 20128888专业：化工工艺

摘要：双水相萃取是一种新型的萃取分离技术，本文介绍了双水相体系的形成

及特点，重点介绍了双水相萃取技术的应用和双水相萃取的主要设备，

对双水相萃取技术应用前景及展望

关键字：双水相萃取分离技术应用展望

1、引言

溶剂萃取法是分离技术中最重要的方法之一。传统的溶剂萃取分离是依据被分离物质在两个互不相溶液相中的溶解性不同而达到分离目的。一般的萃取体系包括有机相和水相两部分,迄今为止,已有若干种分类方法。随着近年来分离技术在生命科学、天然药物提纯及各类抗生素药物等方面应用的迅速发展,新型的萃取技术应运而生。例如对于生物物质来说,分离的对象复杂,既包括可溶物,如蛋白质和核酸,也包括悬浮的小颗粒,如细胞器和整个细胞;由于生物物质极易变性和失活,传统的有机相和水相的两相萃取不能解决生物物质失活等问题，给分离带来很大的难度，而双水相萃取技术能够很好的解决这一难题。

双水相萃取(Aqueoustwo-phase extraction, ATPE)[1]是两种水溶性不同的聚合物或者一种聚合物和无机盐的混合溶液,在一定的浓度下,体系就会自然分成互不相容的两相，被分离物质进入双水相体系后由于表面性质、电荷间作用和各种作用力(如憎水键、氢键和离子键)等因素的影响,在两相间的分配系数K不同,导致其在上下相的浓度不同,达到分离目的，这种现象在1896年被 B eijerinck首次发现,随后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,随着生物、医药等行业的蓬勃发展，从而使双水相萃取技术能越来越广泛应用于生物工程、药物分析和金属分离等方面。

2、双水相体系

简而言之，双水相萃取是利用溶质在两个互不相溶的水相中的溶解度不同而达到分离的萃取技术。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,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。随着双水相体系的种类不同，其形成原理也不同，表1例举了几种双水相体系的形成及其形成原理[2]。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[3]。

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等，表2例举了几种常见的双水相体系[4]。

表2 常见的双水相系统

近年来,出现了一些新型、高效、廉价的双水相体系,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药材中的有效成分"这种双水相体系的引入,可以节约能耗、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。

在实际应用中,双水相体系中的水溶性高聚物具有难挥发性,反萃取是必不可少的,同时由于盐会进入反萃取剂也会给分离工作带来一定的难度。

3、双水相萃取的应用

3.1 双水相萃取与生命科学

通常,溶剂萃取分离时,由于使用了有机溶剂会使生物大分子(如蛋白质和酶)失活。从20世纪90年代初期,人们致力于应用ATPE技术分离提取蛋白质,避免蛋白质的变性。目前,已成功应用于蛋白质、生物酶、菌体、细胞、细胞器、亲水性生物大分子、氨基酸、抗生素以及生物小分子等的分离、纯化。特别是近年来,国内外在此方面的研究有很大的进展。例如Menica等[5]利用聚乙二醇(PEG) /磷酸盐双水相体系提取天然发酵物中的碱性木聚糖酶,确定最佳体系是

22%PEG6000, 10%K2HPO4和12%NaCl活性酶的产率可达98%。除此以外,在近几年的报道中双水相萃取已用于多种蛋白质和生物酶的分离,如牛血清蛋白(BSA)、牛酪蛋白、B-乳球蛋白、血清蛋白;A-淀粉酶和蛋白酶、胆固醇氧化酶、脂肪酶、磷酸甘油酸激酶(PGK)和磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)、葡糖淀粉酶、L-天门冬酰胺酶等都在双水相体系中得到较好的分离。B-内酰胺类包括青霉素和头孢菌素,是应用广泛的抗生素药物;大环内酯类抗生素如:红霉素和乙酰螺旋霉素都利用

ATPE技术得到了较好的收率;在多肽类抗生素中,用双水相体系对万古霉素的提取也得到了满意的结果。

3.2 双水相萃取与天然药物

中药中含有大量的有机化合物且成分十分复杂,提高中草药中有效成分提取及分离技术对我国中医中药进入国际市场有很大的促进作用。天然活性成分的分离提取和质量控制将是今后重点研究课题,这类具有独特功能和生物活性的化合物,是疾病预防与治疗的基础物质。主要包括:黄酮、多酚、萜类等。目前,活性成分的提取分离技术还有待发展,双水相萃取技术作为一种新型的萃取技术已经成功的应用于天然产物的分离纯化。近几年有关双水相提取天然药物中有效成分的报道也逐年增多。甘草的主要成分甘草皂甙,又称甘草酸,采用乙醇/磷酸氢二钾双水相体系萃取,分配系数达到12.8,回收率可达98. 3%。选用PEG/磷酸盐体系在一定温度、pH条件下萃取银杏浸取液,主要药用成分黄酮类化合物进入上相,达到分离的目的,最佳条件在25e,PEG的分子量在1500左右,一般采用较高的相比可以提高萃取率,但是过高会引起上相的体积增多,最佳萃取率可达98. 2%。黄芩甙和谷胱甘肽也分别在环氧乙烷和环氧丙烷的无规则共聚物(EOPO) /混合磷酸钾(KHP)体系,以及环氧乙烷和环氧丙烷的无规则共聚物(EOPO)/羟丙基淀粉(PES)所组成的双水相体系中得到较好的分离,萃取率分别是75.8%和80%以上。

天然产物有效成分含量低,难于富集,体系复杂,大分子与小分子、生命与非生命物质共存,特别是存在结构异构体等都使分离提纯工作的难度加大。ATPE技术在天然产物的分离和纯化等方面还有待进一步研究。

3.3双水相萃取与重金属

传统的溶剂萃取分离重金属常常存在溶剂污染环境、对人体有害、工艺复杂等缺点。双水相以其高效、快速、无毒、简单以及无需反萃取等优点,而被用于分离富集重金属元素。例如[6-8]Ti(Ⅳ)与Zr(Ⅳ)可以在聚乙二醇PEG2000-硫酸铵-偶氮胂(Ⅲ)中分离;另外,乙醇-氯化钠-水双水相体系在氢溴酸介质中,可从碱金属中定量萃取金(Ⅲ),萃取率达99.1%;Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Mo(Ⅳ)等金属离子也在聚乙二醇PEG2000-硫酸钠-硫氰酸钾的双水相体系中得到分离。

4、双水相萃取的主要设备

双水相萃取的基本过程包括双水相的形成、溶质在双水相中的分配（混合）和双水相的分离，主要设备包括相混合设备和相分离设备。

4.1 相混合设备

在将双水相萃取进行工业应用时，需要考虑达到平衡所需的时间、相分离的速度及设备和萃取流程的设计等。如前所述，双水相体系的表面张力很低。例如，对聚乙二醇／盐体系，表面张力为0．1～1mN／cm，而对聚乙二醇／葡聚糖体系，则小到0．0001～0．01mN/cm。因此，搅拌时很容易分散成微滴，几秒钟即可达到萃取平衡，且能耗也很少。张力小还能使蛋白质一类的生物活性物质的失活减少，提高收率。

静态混合器是常用的混合器之一，静态混合器与传统混合设备如搅拌器、均质管、和文氏管等相比具有结构简单，成本低、体积小，利于连续操作等优点广泛应用于化学反应、传热、乳化及萃取等方面[9,10]。

静态混合器的工作原理，就是让流体在管线中流动冲击各种类型板元件，增加流体截面的速度梯度或形成湍流。层流时流体产生“切割- 扭曲- 分离- 混合”运动。湍流时，流体除上述情况运动外，还会在断面方向产生剧烈的涡流，产生强烈的剪切力作用于流体，使流体进一步分割混合，最终达到混合的目的[11]。图1 给出了静态混合器的混合过程。

图1 静态混合器混合过程

国外现有静态混合器主要有美国的Kenics，瑞士苏尔士(Sulzer) 的SMX、SMV、SMXL( 与SMX 型的主要区别是内部十字交叉元件的间隙加深) 和SML 等，日本东丽的Hi。

国内将静态混合器主要分为 5 种类型[12]，即SV 型、SL 型、SK 型、SX 型和SH 型，主要区别在于V、X、L、H、K表示的单元结构不同，近年来出现SD、SY型静态混合器。

4.2 相分离设备

达到分配平衡的两相进行分离时，可采用重力沉降法(静置分层)或离心沉降法。混合-澄清器也可以用于双水相萃取，但由于它是借助重力实现相分离的，分离能力低，只能用于高聚物一盐体系。但对有的双水相体系的两相密度差小，黏度较大，所以实现其相分离是比较困难的。如例如对聚乙二醇／盐体系，密度差通常为0.04～0.10kg/m3，而对聚乙二醇／葡聚糖体系，则为0.02～0.07kg/m3。上相乙二醇相一般为连续相，黏度为3～15mPa·S，而带细胞碎片的下相，葡聚糖的黏度可达几千毫帕秒(mPa·s)。由于两相密度差太小，仅依靠重力进行相分离将非常慢。这时可利用离心力，采用离心机相分离的效果非常好，处理能力可以很大，且适合于任何双水相体系[13]。

离心萃取器则不同，它是借助离心沉降，因此可以用于任何双水相体系，并易于实现连续化操作。常用的离心沉降设备有管式离心机和碟片式离心机，其中碟片式离心机使用最多。图5-18表示的是流体在碟片式离心机中的流动方向。

离心机按操作性质分为三足式、碟片式与管式离心机常用的离心沉降设备有管式离心机和碟片式离心机。下面介绍管式和碟片式两种离心机的工作原理。

图4 管式离心机结构

1.进料管

2.下轴承装置

3.转鼓

4.机壳

5.重相液出口

6.轻相液出口

7.转鼓轴颈

8.上轴

承装置9.上轴承装置10.电动机11.分离头

分离原理：转鼓正常运转后，被分离物料自进料管进入转鼓下部，在强大离心力的作用下将两种液体分离。重相液经分离头孔道喷出，进入重相液收集器，从排液管排出；轻相液经分离头中心部位轻相液口喷出，进入轻相液收集器从排出管排出。轻、重液相在转鼓内的分界面位置，可通过改变孔径大小进行调整[14]。

管式离心机的转鼓直径最小，用增大转鼓长度增大容积，以提高生产能力。因此，分离因数可达15000～65000，是所有沉降离心机中分离因数最高的，分离效果最好。适用于固体颗粒直径0.01～100ppm，固相浓度在1％以下，固液相密度差大于10kg/m3的乳浊液和悬浮液的分离，每小时的处理能力为0.1～4m3。多用于油料、油漆、制药、化工等工业生产中，如油水、蛋白质、青霉素、香精油的分离等[15]。

图7 碟片式离心机分离示意图

1.进料管

2.分离室

3.溢流口

4.底流口

5.回流管

6.洗水进口

分离原理：混合料液由离心机上部进料口进入分离室，均匀分布在碟片间，利用碟片间的薄壁空间在转鼓的高速旋转下（3000-10000r/min）,带动物料产生很大的离心力,轻物料沿碟片上行，由溢流口排出，相对密度较大的物料集于转鼓内壁经喷嘴从底流口连续排出[29]。

离心萃取器的优点是：生产能力大，分离效率高，接触时间短，设备中物

料滞留量小，是所有萃取设备中效率因数最大的萃取设备。由于它是以大于重力百倍以上的离心力来驱动两相分离，所以它可以处理比重差极小，以至于比重差接近于0.01g/cm3的系统；可以处理粘度大或是易乳化的系统．对于处理化学性质不稳定或是利用化学反应动力学差异的分离系统，则以离心萃取器最为合适。

离心萃取器的缺点是：制造费用和维修费用较高，制造要求严格。另外，由于设备小，流量大，因而在萃取过程中流比的变化对萃取器的影响较大．所以离心萃取器的流量要求严格控制。

由于上述缺点，国内过去用在医药工业较多，其它部门用得较少．但是，随着我国工业的发展，自前对于离心萃取设备，无论是单级的还是多级的，无论是核用的还是民用的，都在积极研制,有的已用于生产[16]。

5、结束语

由于双水相体系的萃取条件温和,萃取后处理简便,因此已在生物化学、细胞生物学和生物化工等领域得以应用.许多工作者在这方面已做了大量工作并取得了一些成果。由于该技术尚处于起步阶段,今后应加强理论研究,解决大规模萃取生物活性物质的工艺条件和设备方面的问题,使双水相萃取能成为一种优良的分离技术。

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