第三章萃取分离课件.ppt

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1、第03章 萃取分离技术,3.0 概述3.1 生物分离中的液-液萃取 3.2 液-液萃取过程分析3.3 超临界流体萃取3.4 双水相萃取3.5 反微团萃取,利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使溶质得到纯化或浓缩的方法称为萃取（Extraction）。萃取（Extraction）是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。,3.0 概述,萃取剂,萃取类型,萃取剂可能是液态或超临界流体状态，含目标产物的原料可以是液态或是固态.,反胶团萃取,液膜萃取,双水相萃取,(有机)溶剂萃取,液态,超临界流体固-液萃取,液液萃取,固液萃取或称浸取,超临界流体液-液萃取,萃取相,料液相,

2、相界面,萃取过程中溶质浓度的变化,萃取分离步骤,(1)料液与溶剂的混合接触，目标产物(溶质)从 料液转移到萃取剂中。(2)分离互不相溶的两相(萃取相和萃余相)。(3)从两相(萃取相和萃余相)中回收溶剂得到目 标产物。,混合过程(1),分离过程(2),溶剂回收(3),溶剂回收(3),料液,溶剂,萃取相,萃余相,目标产物,萃余物,溶剂,溶剂,萃取的工艺过程,萃取过程的特点,萃取具有选择分离能力 传质速度快，操作控制方便 能与蒸馏，结晶等分离过程组合 有利于保护目标产物，降低损失 装置规模不受限制，放大较容易,作为一种重要的提浓和初步纯化技术，萃取在生物分离中有广泛应用(氨基酸、有机酸、抗生素、维生

3、素、激素和生物碱等)生物小分子的分离和纯化。随着萃取新技术的研究，应用范围不断拓宽(多肽、胞内酶、蛋白质、核酸等生物大分子的分离纯化)。溶剂萃取法和其他新型分离技术相结合，产生了多种新分离技术，如双水相萃取、反微团萃取和超临界流体萃取技术等。,3.1 生物分离中的液-液萃取,液-液萃取,是利用在两个不相溶混的液相中目的产物和其他各组分溶解度的不同，而达到分离的目的。青霉素的提取，是最早的萃取在大规模生物分离中应用的实例。,待处理溶液中被萃取的物质为溶质(A)，其余为原溶剂(C)，加入的第三组分为萃取剂(S)。萃取剂应对料液中溶质A有尽可能大溶解度，而与原溶剂C互不相溶或微溶。当萃取剂加入到料液

4、中混和静置后分成两液相，其一以萃取剂(含溶质)为主，为萃取相(E)，另一相以原溶剂为主，称为萃余相(R)。生物分离中萃取相通常是有机溶剂，萃余相是水。,(3-1),x 平衡时萃余相中溶质浓度y 平衡时萃取相中溶质浓度,萃取分配系数,对于生物分离体系，溶质浓度通常较低，在给定溶剂中，溶质在两相间分配系数近似常数。,物理萃取 利用溶剂对想分离组分有较高的溶解能力（依据相似者相溶原理）进行选择性分离，萃取剂与溶质之间不发生化学反应。如用乙酸丁酯萃取发酵液中的青霉素。物理萃取广泛应用于石油化工和抗生素及天然植物中有效成分（中药流浸膏）的提取过程。,萃取机理,化学萃取 利用萃取剂与溶质之间有选择性的化学

5、反应，生成复合分子在两相中重新分配而达到分离目的。萃取剂与溶质的化学反应包括离子交换和络合反应等。eg.柠檬酸在酸性条件下，与磷酸三丁酯(TBP)形成中性络合物而进入有机相(C6H8O73TBP2H2O)。化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性质，此时的有机溶剂称为稀释剂(diluents);化学萃取主要用于金属的提取，也可用于氨基酸、抗生素和有机酸等生物产物的分离回收。,例如:利用季铵盐(如氯化三辛基甲铵，记作R+Cl)为萃取剂萃取氨基酸时，阴离子氨基酸(A)通过与萃取剂在水相和萃取相间发生下述离子交换反应而进入萃取相。,如何得到满意的萃取效率？,1

6、.选择适当的萃取剂 尽量选择对溶质有较大分配系数k的萃取剂。良好的萃取剂一般还应满足：,选择性好，化学稳定性好。易于分层：密度差较大，粘度小，表面张力适中，相 分散和相分离较容易，不产生第三相或产生乳化现象。萃取剂易于回收和再利用。萃取剂价廉易得，经济性好。毒性和环境污染小，使用安全。,溶剂的选择性 所选溶剂应具有一定的选择性，溶剂对料液中各组分的溶解能力具有一定的差异。萃取操作中溶剂对溶质的溶解度要大，对其他组份的溶解度要小。这种选择性的大小或选择性的优劣通常用选择性系数衡量。选择性系数类似于蒸馏过程的相对挥发度，反映了A、B组分溶解于溶剂S的能力差异。对于萃取操作，选择性系数越大，分离效果

7、越好，应选择分配系数远大于1的溶剂。溶剂的回收一般采用蒸馏的方法。若溶质组分不宜挥发或挥发度较低，常采用蒸发等方法。此外还可采用结晶、反萃取等方法脱除溶剂。,溶剂的可回收性萃取过程溶剂的回收费用是整个操作的一项关键经济指标。因此有些 溶剂尽管其他性能良好，但由于较难回收而被弃用。,溶剂的回收一般采用蒸馏的方法。若溶质组分不宜挥发或挥发度较低，常采用蒸发等方法。此外还可采用结晶、反萃取等方法脱除溶剂。,2.改变溶质的形态 生物产品的分离过程，不应使其丧失生物效能，这就限制了萃取剂的选择范围。通过适当改变溶质的形态，使分配系数k 改变，以改进萃取分离。具体方法主要有二，即通过溶质离子对的变化和萃取

8、体系pH值的改变来实现。,x 平衡时萃余相中溶质浓度y 平衡时萃取相中溶质浓度,对于生物分离体系，溶质浓度通常较低，在给定溶剂中，溶质在两相间分配系数近似常数。,（1）待分离溶质(产物,如有机酸、抗生素等)很多是弱酸或弱碱，故可用改变萃取溶液的pH值的方法来提高分配系数。,pH5.5时，青霉素在醋酸丁酯等萃取剂中比在水中更易溶解；用醋酸丁酯加到青霉素发酵液中并使其充分接触，从而使青霉素被萃取浓集到醋酸丁酯中，达到分离提取青霉素的目的。,弱电解质在水相中发生不完全解离，仅是游离酸或游离碱在两相产生分配平衡，而酸根或碱基不能进入有机相。达到萃取平衡态时，一方面弱电解质在水相中达到解离平衡，另一方面

9、未解离的游离电解质在两相中达到分配平衡。对于弱酸性和弱碱性电解质，解离平衡关系分别为,解离平衡常数分别为,(3-6),(3-5),(3-7),(3-8),弱酸性溶质的萃取：弱酸在水相中部分电离，而在有机溶剂中几乎不离解，在有机溶剂-水萃取体系中，表现分配系数为：,式中 弱酸在有机相(E)中的浓度；弱酸在水相(R)中的浓度；酸根离子在水相(R)中浓度。,(3-9),而水相中弱酸的电离平衡常数为：,(3-7a),(3-11),游离酸形态RCOOH在两相间分配系数：,(3-10),即得,(3-12),其中，可以在有关手册查出。,同理，对弱碱，有：,(3-13),水相pH值对弱电解质分配系数有显著影响

10、。物理萃取时，弱酸性电解质分配系数随pH降低而增大，而弱碱性电解质则相反。如，红霉素是碱性电解质，在乙酸戊酯和pH9.8的水相之间分配系数为44.7，而水相pH降至5.5，分配系数降至14.4。,萃取时，选择适当的pH值，不仅可以提高表观分配系数，还可根据共存杂质的性质和分配系数，提高目的产物的萃取分离选择性。如对弱酸性物质A和B的分离选择性与pH值的关系：,(3-14),通过调节水相pH，控制溶质的分配行为，从而提高萃取率的方法，广泛应用于抗生素和有机酸等弱电解质的萃取。,例3-1 在醋酸戊酯-水系统中，青霉素K的ki215，青霉素F的ki=131。根据有关手册的数据，pka值分别为pka(

11、K)=2.77,pka(F)=3.51，现有混合物青霉素F和K，而F是有用的目的产物。若要获得纯度较高的青霉素F，究竟是选用pH=3.0还是在pH4.0时萃取为好?,青霉素F:R为2-戊烯基青霉素K:R为庚基,=1.256同理可算出pH4.0时的2 2.6791。故在pH4.0时进行萃取操作可得纯度较高的青霉素F产品。,青霉素K和F在醋酸戊酯水体系中分电离平衡常数为：ka(K)1.698103和 ka(F)3.09104再用式(3-14),求出pH3.0时F与K在萃取系统中分离选择性为：,解,要通过可溶离子对提高分配系数，关键是确定可溶于萃取剂（通常为有机溶剂）的离子对。,能生成有用离子对，改

12、进萃取操作的盐：醋酸盐、丁酸盐、正丁胺盐、亚油酸盐、胆酸、十二酸盐、十六烷基三丁胺盐等。,（2）如果溶质可以离解，则设法使其离子对发生改变。在水中，溶质离解后成一对离子，其正、负电荷相等而总带电为零。,氨基酸等两性电解质需采用化学萃取。常用萃取剂有：季铵盐类(如三辛基甲基氯化铵)、磷酸酯类如二(2乙基己基)磷酸等。氨基酸解离平衡为,(3-15a),(3-15b),其中K1和K2为解离平衡常数。分别用A、A和A表示偶极离子、阳离子和阴离子型氨基酸，则,(3-16),(3-17),用三辛基甲基氯化铵(TOMAC，记作RCl)作为阴离子交换萃取剂时，仅阴离子型氨基酸与萃取剂发生离子交换反应:,(3-

13、18),反应平衡常数为,(3-19),氨基酸和Cl的表观分配系数分别为,(3-20),(3-21),其中，kA和kCl分别为氨基酸和氯离子的分配系数，c A为水相氨基酸总浓度,(3-22),(3-23),(3-24),事实上，阴离子氨基酸的离子交换反应需在高于其等电点的pH范围内进行，所以式(3-22)中的A可忽略不计，式(3-23)简化成,完整的萃取分离工艺,萃取的目的是实现原料液中目标产物的分离纯化。完成萃取后，为进一步纯化目标产物,往往还要通过反萃取(Back extraction)，将目标产物转入水相。对于一个完整的萃取工艺，常常在萃取和反萃取之间增加洗涤操作，其目的是除去与目标产物同

14、时被萃取到有机相的杂质，提高反萃液中目标产物的纯度。,通过调节水相条件，将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取。,乳化现象与去乳化,发酵废液(萃余液)中夹带有机溶剂(萃取液)微滴，使目标产物受到损失；(2)有机溶剂(萃取相)中夹带发酵液(萃余液)，给后处理操作带来困难。,实际发酵产物的萃取操作中常发生乳化现象：水或有机溶剂以微小液/乳滴形式分散于有机相或水相中的现象。产生乳化后使有机相和水相分层困难，出现两种夹带:,产生原因：发酵液中存在蛋白质和固体颗粒等物质，具有表面活性剂的作用，使有机溶剂(油)和水的表面张力降低，油或水易于以微小液滴的形式分散于水相或油相中。类型：(O/W)水包油

15、和(W/O)油包水,破乳方法：物理法:离心分离过滤,加热,稀释化学法:破坏双电层的吸附剂,加入 表面活性剂,3.2.1 单级萃取,工业生产装置有单级混合澄清槽、单级萃取罐、单级离心萃取机(如碟片式离心机)等。,单级操作的混合澄清槽,单级萃取操作是使含某溶质的料液(F)与萃取剂(S)接触混合，静置后分成两液层。,3.2 液-液萃取过程及设备,混合-澄清槽 混合-澄清槽是最早的萃取设备,具有：（1）处理量大，级效率高。（2）结构简单，容易放大和操作。（3）两相流量比范围大，运转稳定可靠，易于开、停工。对 物系适应性好，对含有少量悬浮固体的物料也能处理。（4）易实现多级连续操作，便于调节级数。装置不

16、需要高大 厂房和复杂的辅助设备。,混合-澄清槽的不足：,（1）一般混合-澄清槽占地大，溶剂储量大（2）由于需要动力搅拌装置和级间的物流输送设备，因此设备费和操作费较高。,混合-澄清槽,3.2.2 多级萃取,多级混合澄清槽、各种萃取塔、多级离心萃取机等,单级萃取操作中，产品回收率较低，萃取溶剂用量较大，工业上较少采用。多级逆流萃取过程具有分离效率高、产品回收率高、溶剂用量少等优点，是工业生产最常用的萃取流程。,(1)流程 原料液F从第一级进入，依次通过各级与加入各级的溶剂Si进行萃取，获得萃余相R1，R2。末级引出的萃余相RN进入脱溶剂塔I脱除溶剂SR，获得萃余液RN。加入各级的溶剂S1，S2分

17、别与来自前一级的萃余相进行萃取，获得的萃取相E1，E2分别从各级排出，汇集一起后进入脱溶剂塔II脱除溶剂SE，获得萃取液RE。回收的溶剂SR和SE一起返回系统循环使用。,多级错流萃取工艺流程,萃取剂,原料,萃取相,(一)多级错流萃取流程,轻相出,轻相入X0,(2)装置特点 萃取相溶质的回收率较高，溶剂耗量较大，溶剂回收负荷和设备投资大。,X1 X2 X3,YF,Y1,Y2,YN,(二)多级逆流萃取,(1)流程原料液F从第一级进入，依次经过各级萃取，成为各级的萃余相，其溶质组成逐级降低，溶剂S从末级第N级进入系统，依次通过各级与萃余相逆相接触，进行萃取，使得萃取相中的溶质组成逐级提高，最终获得的

18、萃取相E1和萃余相RN通过脱溶剂塔I、II脱除溶剂，并返回系统循环使用。,多级逆流萃取流程,多级逆流萃取是主要工业应用方式。萃取相和萃余相分别从两端进入，逆流接触。,(2)装置特点 连续逆流操作，混合物可分离程度较高。,3.2.3 微分萃取（塔式萃取）过程,各种萃取塔、静态混合器、部分离心萃取机等,微分萃取设备中萃取相和萃余相连续接触，溶质浓度连续变化，传质未达平衡状态。由于没有足够的停留时间，微分/塔式萃取操作只适用于两液相有较大的密度差的萃取体系，以便于萃取后分相。,塔式萃取设备,1)喷洒塔(喷淋塔)优点:喷洒塔无任何内件，阻力小，结构简单，投资费用少，易维护。不足:两相很难均匀分布，轴向

19、返混严重。分散相在塔内只有一次分散，无凝聚和再分散作用，提供的理论级数不超过1-2级，分散相液滴在运动中一旦合并很难再分散，导致沉降或浮升速度加大，相际接触面和时间减少，传质效率差。分散相液滴在缓慢的运动中表面更新慢，液滴内部湍动程度低，传质系数小。,喷淋塔,超临界CO2 萃取技术是20 世纪80 年代发展起来的一种物质分离精制的高新技术,国外已普遍将此技术应用于医药、食品、香料、石油化工及环保等领域,成为获得高质量产品的有效方法之一。超临界CO2萃取装备是超临界萃取技术发展的关键之一,由于工艺过程(压力一般在835 MPa 或更高)的特殊性,需要解决其产生的机械、热交换、流体输送和安全保证等

20、问题。,3.3 超临界流体萃取及其应用,3.3.1 超临界流体的含义,任何一种物质都存在三种相态-气相、液相、固相。三相呈平衡态共存的点叫三相点。液、气两相呈平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力。不同的物质其临 界点所要求的压力和温度各不相同。超临界流体(SCF)是指在临界温度和临界压力以上的流体。高于临界温度和临界压力而接近临界点 的状态称为超临界状态。处于超临界状态时，气液两相性质非常接近，以至于无法分辨，故称之为 SCF.,1)超临界流体的传递特性,气体、液体和SCF物理特征比较物质状态 密度(g/cm3)粘度(g/cm/s)扩散系数(cm2/s)气态(0.

21、6-2)x10-3(1-3)x10-4 0.1-0.4 液态 0.6-1.6(0.2-3)x10-2(0.2-2)x10-5 SCF 0.2-0.9(1-9)x10-4(2-7)x10-4SCF不同于一般的气体,也有别于一般液体,它本身具有许多特性:超临界流体兼有液体和气体的双重特性.,各种溶剂的临界特性,2)二氧化碳,来源方便:临界温度(Tc=31.3)接近室温，临界压力(Pc=7.37MPa)也不高，无色、无毒、无味，不易燃，化学惰性，价格便宜，易制成高纯度气体，在实践中应用最多。具有选择能力:由于被萃取物的极性，沸点，分子量等不同，CO2对其的萃取能力具有选择性，只要改变压力和温度条件，

22、就可以溶解不同的物质成份，工艺实现容易:携带着溶质的CO2通过改变压力温度条件将溶质析出在分离器中，然后又重新进入萃取器进行萃取。符合生物分离要求:整个过程(包括萃取和分离)在一个高压密闭容器中进行，不可能有任何一种细菌存活，也不可能有任何一种外来杂质污染物料，同时系统中各段温度一般在萃取生物活性物质时都不超过65，从而可以保证其中的热敏性物质不被破坏.二氧化碳为惰性气体，可防止被萃取物氧化,CO2 相图,3)超临界CO2的溶解能力,超临界状态下，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性、沸点和分子量密切相关，一般说来有一下规律：(1)亲脂性、低沸点成分可在低压萃取（104kPa）,

23、如挥发油、烃、酯等.(2)化合物的极性集团愈多,就愈难萃取。(3)化合物的分子量愈高，愈难萃取。,3.3.2 工艺流程,超临界流体萃取过程由萃取阶段和分离阶段组成,按照所采用的操作方法不同,有变压萃取分离(等温法)、变温萃取分离(等压法)和吸附萃取分离(吸附法)三 种基本的工艺流程。将被萃取物粉碎后放入萃取釜中密封,设定好萃取釜的温度和压力。CO2 经高压计量泵增压进入萃取器,与其中的原料接触、传质,节流膨胀后进入分离器。由于溶质在CO2 中的溶解度降低而凝聚析出,汇集在分离器底部,而CO2 溶剂则从分离器顶端引出,循环使用。,等温法通过改变 p 实现溶质的萃取和回收，T保持不变。溶质在萃取槽

24、中被高压(高密度)流体萃取后，流体经过膨胀阀而p下降，溶解度降低，在分离槽中析出溶质，萃取剂则经压缩机压缩后返回萃取槽循环使用。等压法通过改变T 实现溶质的萃取和回收。如果在操作压力下溶质的溶解度随温度升高而下降，则萃取流体加热后进入分离槽，析出目标溶质，萃取剂则冷却后返回萃取槽循环使用。,SFE操作,SFE过程，可通过调节优化操作的T 和p，提高萃取速率和选择性。SFE设备通常由溶质萃取槽和分离回收槽组成，相当于萃取和反萃取单元。,常见超临界流体萃取操作方式,吸附(吸收)法利用选择性吸附(或吸收)目标产物的吸附(吸收)剂回收目标产物，有利于提高萃取选择性。,1 冷凝器2 CO2 储罐3 萃取

25、器4 分离器 5 转子流量计6 湿式气体流量计7 换热器8 柱塞泵超临界CO2 萃取工艺流程简图,萃取器,柱塞泵,分离器,超临界流体萃取的工艺流程,3.3.3 超临界流体萃取的特点,超临界流体萃取与化学法萃取相比有以下突出的优点：(1)可以在接近室温(35-40)及CO2气体笼罩下进行提取，有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散。因此，在萃取物中保持着药用植物的全部成分，而且能把高沸点，低挥发度、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来。(2)使用SFE是最干净的提取方法,由于全过程不用有机溶剂,因此萃取物绝无残留溶媒,同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染,是100%的纯天然的.,(3)萃取

26、和分离合二为一，当饱含溶解物的CO2-SF留经分离器时，由于压力下降使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开，不仅萃取效率高而且能耗较少，节约成本。(4)CO2是一种不活泼的气体,萃取过程不发生化学反应,且属于不燃性气体,无味、无臭、无毒，故安全性好。(5)CO2价格便宜，纯度高，容易取得，且在生产过程中循环使用，从而降低成本。(6)压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数。通过改变温度或压力达到萃取目的。压力固定，改变温度可将物质分离；反之温度固定，降低压力使萃取物分离，因此工艺简单易掌握，而且萃取速度快。,3.3.4 SFE应用,SFE用于天然产物提取,1960年代以来，SFE技

27、术取得了长足的进步，工业上已有数十种应用实例，如咖啡豆脱咖啡因、烟草脱尼古丁、咖啡香料的提取、啤酒花中有用成分的提取、从大豆中提取豆油和蛋黄脱胆固醇等。除已工业化的应用实例外，超临界流体技术在其他植物碱、香料、油脂、维生素、甾类、抗生素等食品、医药和化妆品原料生产领域的应用研究开发正在全面展开，其中部分已达到中试规模。,SC-CO2萃取的部分产品,3.4 双水相萃取,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,上相含有大部分水,下相含有大部分琼脂(或淀粉),两相的主要成分都是水这种现象被称为聚合物的不相溶性,由此而

28、产生了双水相萃取。解决有机溶剂萃取目标产物溶解度偏低,可能造成产物失活,需要相分离等的不足。,3.4.1 双水相系统,当两种聚合物水溶液互相混合时，两种被混合分子间如存在空间排斥力，表现出不相溶性(incompatibillty)；当聚合物浓度达到一定值时，在达到平衡后就不能形成单一水相，而形成分别富含不同聚合物的两相。,可形成双水相的双聚合物体系很多，如聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（略作Dx）,聚丙二醇/聚乙二醇和甲基纤维素/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，例如，PEG/

29、磷酸钾、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。,几类双水相体系,3.4.2 双水相萃取的原理及特点,1)双水相萃取的原理 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；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(如疏水键、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。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。,2)双水相萃取的特点(1)含水量高(70%90%),是在接近生理环境的温度和

30、体系中 进行萃取，不会引起生物活性物质失活或变性;(2)分相时间短，自然分相时间一般为515min;(3)界面张力小(10-710-4mN/m)，有助于强化相际间的质量 传递;(4)不存在有机溶剂残留问题;(5)大量杂质能与所有固体物质一同除去，使分离过程更经济;(6)易于工程放大和连续操作 由于双水相萃取具有上述优点,因此被广泛用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域的产品分离和提取.,3.4.4 双水相萃取操作,1)双水相系统的选择,以胞内蛋白质为萃取对象时，要成功地运用双水相萃取方法，应满足下列条件：(1)欲提取的酶和细胞碎片应分配在不同的相中，破碎 的细胞碎片分配于下相中，从而增大两相

31、密度差；(2)酶的分配系数应足够大，使在一定的相体积比时，经过一次萃取，就能得到较高的收率；(3)易于静置沉降或离心沉降法进行相分离。,3.4.3 双水相萃取操作,2).胞内蛋白质的萃取,双水相萃取法可选择性地使细胞碎片分配于双水相系统的下相，而目标产物分配于上相，同时实现目标产物的部分纯化和细胞碎片的除去，从而节省利用离心法或膜分离法除碎片的操作过程。双水相萃取技术目前主要用于大分子物质的分离，如蛋白质、核酸等，尤其是从发酵液中提取酶。,从细胞匀浆液中双水相萃取胞内酶,萃取在混合澄清槽或萃取塔中进行：将固状(或浓缩的)聚合物和盐直接加入到细胞匀浆液中，同时进行机械搅拌使成相物质溶解，形成双水

32、相。由于常用的双水相系统的表面张力很小(如PEG盐系统为0.1 1mNcm；PEGDex系统为110-40.1mNcm)，相间混合所需能量很低，通过机械搅拌容易分散成微小液滴，相间比表面积极大。达到相平衡需时间很短，一般只需几秒钟。搅拌时只需较小的剪切力就能得到分散度很高的悬浮液，能耗小。,3)相平衡与相分离 双水相萃取过程包括：双水相的形成、溶质在双水相中的分配和双水相的分离。,萃取达到平衡后，须使上下相分离。分离基本上依靠两种力，重力和离心力（重力沉降和离心分离）。,4)双水相萃取实例,三步萃取流程示意图,细胞匀浆液中目标产物经过多步萃取，可获得较高纯化倍数。第1步萃取使细胞碎片、大部分杂

33、蛋白和核酸、多糖等副产物分配于下相，目标产物分配于上相。如目标产物尚未达到所需纯度，向上相中加入盐重新形成双水相，进行第2步萃取，可除去大部分多糖和核酸。第3步萃取则使目标产物分配于盐相，以使目标产物与PEG分离，便于PEG的重复利用和目标产物的进一步加工处理。,如果第1步的选择性足够大，可省略中间步骤,连续双水相萃取流程,1977 年，Luisi 等人首先提出用反胶束萃取蛋白质的概念。20 世纪80 年代，对反胶束萃取蛋白质的原理及工艺条件研究。20 世纪90 年代，成为生物工程的热门技术。酶蛋白等的提取与分离,既要有高选择性,又要不影响酶蛋白的活性,传统的液-液萃取分离技术难以应用于酶蛋白

34、的提取与分离,因为难以找到满足要求的合适的萃取剂。反胶束萃取技术由于具有成本低，溶剂可重复利用，萃取率高，条件温和，不会引起蛋白质和酶变性，操作简便等优点，反胶束萃取酶蛋白成为一种新的分离技术。,3.5 反微/胶团/束萃取,反胶团萃取(Reversed micellar extraction)：利用表面活性剂在有机相中形成的反胶/微团(reversed micelles)，从而在有机相内形成分散的亲水微环境，使生物分子在有机相(萃取相)内存在于反胶团的亲水微环境中，消除了生物分子，特别是蛋白质类生物活性物质难于溶解在有机相中或在有机相中发生不可逆变性的现象。,向有机溶剂中加入表面活性剂，当表面

35、活性剂的浓度超过一定值时，在有机溶剂中也会形成微团。其疏水性的非极性尾部向外，指向非极性溶剂，而极性头向内，与在水相中形成的微胶团方向相反，称为反微团。微团或反微团的形成均是表面活性剂分子自聚集的结果。,3.5.1 反微团及其基本性质,3.5 反微团萃取,反微团示意图,反微团,表面活性剂分子的聚集使反微团内形成极性核心(polar core)，又称为“水池”(water pool)。“水池”具有极性，能溶解有极性的分子和亲水性的生物大分子。蛋白质能被溶解于“水池”中而被分离萃取.酶也可以被固定在反胶/微束的“水池”中进行催化作用.,表面活性剂是构成反微团的必要条件：阴离子型、阳离子型和非离子型

36、表面活性剂。例如：AOT(Aerosol OT 丁二酸-2-乙基己基脂磺酸钠),CTAB(溴化十六烃基三甲胺),DDAB(溴化十二烷基二甲胺),TOMAC(氯化三辛基甲铵),AOT的分子结构,含水率(water content)一般用有机相中水与表面活性剂的摩尔比来定义：,(3-89),W0是个非常重要的参数，W0越大，反微团的半径越大。,反微团的理化特性,反微团含水率W0较低时，反微团水池内水的理化性质与正常水相差悬殊。以AOT为表面活性剂，W068时，反微团内微水相的水分子被表面活性剂亲水基团强烈束缚，表观粘度上升50倍，疏水性很强。在AOT反胶团中，水合化分子AOT需要68个水分子。W0

37、 16时，“水池”中的水逐渐接近主体水相粘度，胶团内也形成二重电荷层。,3.5.2 反微团的溶解作用,反微团内存在微水池，可溶解氨基酸、肽和蛋白质等生物分子，为生物分子提供易于生存的亲水微环境。因此，反微团萃取可用于氨基酸、多肽和蛋白质等生物分子的分离纯化，特别是蛋白质类生物大分子。,蛋白质,反微团,有机相内反胶团中水池体积最多占有机相的几个百分点，它是一个浓缩操作。添加适合的盐类，可从有机相中分离出含有目的物的浓稠水溶液。,反微团萃取中分配系数K的影响因素,pH、离子强度、表面活性剂浓度等会对反微团萃取产生影响。通过对它们的调整，对反微团-待分离生物大分子的相互作用加以控制，能实现对目的物质

38、高选择性的萃取和反萃取。,反微团溶解蛋白质模型,水壳模型,蛋白质疏水部分直接与非极性溶剂相接触,蛋白质吸附于反微团内壁,蛋白质被几个微胶团所溶解，微胶团非极性尾端与蛋白质的亲脂部分直接作用,生物分子溶解于反微团相的主要推动力是表面活性剂与蛋白质的静电相互作用。反微团与生物分子间空间相互作用和疏水性相互作用对生物分子的萃取率也有影响。,反微团萃取一般采用离子型表面活性剂制备反微团相,所形成的反微团内表面带有负电荷(AOT)或正电荷(三辛基甲基氯化铵TOMAC 和十六烷基三甲基溴化铵CTAB)。当水相pH值偏离蛋白质等两性电解质等电点时，由于溶质带正电荷(pHpI)或负电荷(pHpI)，与表面活性

39、剂产生强烈的静电相互作用，影响溶质在反微团相的溶解率。,1静电相互作用,pH对蛋白质溶解率的影响AOT50mmolL,等电点附近，蛋白质溶解率急剧变化，当pHp I，即在带正电荷的pH范围内蛋白质的溶解率接近100，静电相互作用对蛋白质的反微团萃取起决定做作用。pH值很低时，细胞色素C和溶菌酶的溶解率急剧下降，可能是水相中微量的AOT与蛋白质发生静电和疏水相互作用形成缔合体，引起蛋白质变性，不能正常地溶解于反微团相。,2空间相互作用,随着分子量增大，空间排阻作用增大，蛋白质分配系数。当相对分子质量超过2万时，分配系数很小。根据蛋白质间相对分子质量的差别可以选择性地进行蛋白质的反微团萃取分离。由

40、于氨基酸的相对分子质量很小，其在反微团中的溶解主要是基于静电相互作用和下述的疏水性相互作用。,分配系数与蛋白质相对分子质量的关系,KPI,1.蛋白质溶解方式,3.5.3 反微团萃取操作,a液液接触法 b注入法 c溶解法 蛋白质的溶解方式,a.反胶束体系的形成方法相转移法将含有蛋白质的水溶液与含表面活性剂的有机相接触，在缓慢搅拌下，部分蛋白质移入有机相中，直到萃取平衡状态。,相转移法,b.溶解法 对于水不溶性蛋白质,将含水的反相微胶束有机溶剂与蛋白质固体粉未一齐搅拌,形成含蛋白质的反胶束;,溶解法,c.注入法 向含有表面活性剂的有机相中注入含蛋白质的水溶液,注入法,反胶束萃取蛋白质示意图Proc

41、essing of extracting protein by reversedmicelles system,蛋白质的萃取是一个协同过程.在宏观两相(水相和有机相)界面的表面活性剂层,同邻近的蛋白质发生静电作用,蛋白质进入反胶束的内部,然后含蛋白质的反胶束再扩散进入有机相,从而实现对蛋白质的萃取.形成含蛋白质的反胶束后,用离心或膜分离方法实现反胶束与混合液的分离.改变此体系水相的条件(例如pH 值、离子强度等)又可使蛋白质由有机相重新返回水相,实现反萃取过程.,(1)有机相助溶剂(2)表面活性剂和助表面活性剂(3)盐的种类,2.影响分配平衡的因素,蛋白质在反微团相的分配平衡主要取决于蛋白质分

42、子与表面活性剂亲水基团的静电相互作用和反微团的空间排阻作用，后者取决于反微团与蛋白质的相对尺寸；能引起静电引力和反微团尺寸增大的因素，均可能提高蛋白质的萃取分配系数。,3.反微团萃取过程示例,(1)多步间歇混合澄清萃取过程,pH9时，核糖核酸酶溶解率小，保留在水相而与其他两种蛋白质分离,含细胞色素C和溶菌酶的反微团相与0.5mol/LKCl水溶液接触，细胞色素C被反萃到水相，而溶菌酶留在反微团相,含有溶菌酶反微团相与2.0 mol/L KCl，pH 11.5水相接触，溶菌酶反萃回到水相。,()连续循环萃取反萃取过程,()中空纤维膜萃取,突出优点,有很高的萃取率和反萃取率并具有选择性;分离、浓缩

43、可以同时进行,过程简单;条件温和不会引起酶蛋白的变性,并能解决酶蛋白(如细胞内酶)在非细胞环境中迅速失活的问题;由于构成反胶束的表面活性剂往往具有细胞破壁功效,因而可直接从完整细胞中提取有活性的酶蛋白;反胶束萃取技术的成本低,溶剂和表面活性剂可反复使用。,3.5.4 反胶束技术的应用,蛋白质的萃取分离,(1)纯化和分离蛋白质(2)从植物中同时提取油和蛋白质(3)从发酵液提取胞外酶(4)直接提取胞内酶(5)反胶束萃取用于蛋白质的复性,酶的固定化,反胶束酶系统的特点(1)固定化:酶通过一定方法固定在反胶束中，酶系统可以反复使用，而且反胶束对酶形成保护作用，使其与有机溶剂分隔而保持活性;(2)原位分

44、离:反胶束酶系统对催化反应的抑制物或中间产物进行原位分离，减少或克服产物抑制;(3)区域化:反胶束酶系统中，借助分子集约化手段，提供促进酶功能发挥的微环境，使酶获得最适作用条件和稳定性。,反胶束固液萃取技术恢复酶蛋白的活性,反胶束固液萃取技术用来恢复酶蛋白核糖核酸酶的活性 在溶液中加入有机化合物如丙酮，使失活的酶蛋白沉淀下来，与溶液中的变性剂相分离，再干燥沉淀，使失活酶蛋白以固态增溶于反胶团中，提高了失活酶蛋白的溶解性，从而大大提高了复活酶蛋白的萃取率。,变性剂,1双水相萃取体系是如何形成的？其特点如何？2.比较溶剂萃取法和双水相萃取法的异同点。4双水相萃取在生物工程领域的应用前景，举例说明。5反胶团有哪些有用的特性可用于生物物质的分离?6请比较超滤技术和反胶团萃取技术在蛋白质分离上各自的优势和缺点。,思 考 题,