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【生物工程下游技术】双水相萃取

第七章 双水相萃取技术 溶液的分相不一定完全依赖于有机溶剂,在一定条件下,水相也可以形成两相(即双水相系统)甚至多相。于是有可能将水溶性的酶、蛋白质等生物活性物质从一个水相转移到另一水相中,从而完成分离任务。 聚合物的不相溶性: 主要是由于聚合物分子的空间阻碍作用,相互间无法渗 透,当聚合物的浓度达到一定值时,就不能形成单一的 水相,所以具有强烈的相分离倾向。 某些聚合物的溶液与某些无机盐的溶液相混合时,只要浓 度达到一定值,也会形成两相,即聚合物—盐双水相体系 ① 系统含水量多达75 %~90 % ,两相界面张力极低,有助于保持生物活性和强化相际间的质量传递 ② 分相时间短(特别是聚合物/ 盐系统) ,自然分相时间一般只有5~15min。 ③ 双水相萃取技术易于连续化操作。 ④ 目标产物的分配系数一般大于3 ,大多数情况下,目标产物有较高的收率。 ⑤ 大量杂质能够与所有固体物质一起去掉,与其它常用固液分离方法相比,双水相萃取技术可省去1~2 个分离步骤,使整个分离过程更经济。 ⑥ 设备投资费用少,操作简单,不存在有机溶剂残留问题。 一、 双水相分离理论 1、双水相的形成 2、相图 临界点(critical point):当系线长度趋于零时, 两相差别消失,任何溶质在两相中的分配系数均为1。如C点。 3、物质在两相中的分配 和溶剂萃取法一样,物质在两水相中的分配用分配系数 K表示。 CT K= —— CB Ct、CB——分别代表上相、下相中溶质的浓度 K—与温度、压力以及溶质和溶剂的性质有关,与溶质的浓度无关。 1)表面自由能的影响(大分子物质表面性质对K影响很大) 2)表面电荷的影响(盐效应:两相系统中如存在盐,对K影响较大) 3)综合考虑(影响因素很多,单因素定量很困难,最佳操作条件靠实验) 4)影响分配平衡的参数 (1)聚合物的影响; (2)体系中无机盐离子的影响; (3)体系PH的影响; (4)体系温度的影响; (5)体系中微生物的影响。 1)表面自由能的影响 2)表面电荷的影响 道南电位(??, Donnan potential):实际双水相系统中有电解质, 当这些离子在两相中K? 1, 则两相间产生电位差?? 进一步可证明: 4)影响分配平衡的参数 (1)聚合物的影响 A 聚和物的分子量的影响 当聚合物的分子量降低时,蛋白质易分配于富含该聚合物的相。例如在PEG—DeX系统中,PEG的分子量减小,会使分配系数增大,而葡聚糖的分子量减小,会使分配系数降低。这是一条普遍的规律,不论何种成相聚合物系统都适用。(P135) B 成相聚和物浓度的影响 当接近临界点时,蛋白质均匀地分配于两相,分配系数接近于1。 如成相聚合物的总浓度或聚合物/盐混合物的总浓度增加时,系统远离临界点,系线的长度也增加,此时两相性质的差别也增大,蛋白质趋向于向一侧分配,即分配系数或增大超过1,或减小低于1。 (2)体系中无机盐离子的影响 盐离子在两相中有不同的分配,因而在两相间形成电位差,由于各相要保持电中性,因此对于带电荷的蛋白质等物质的萃取来说 ,盐的存在就会使系统的电荷状态改变 ,从而对分配产生显著影响。 (P137) 盐的种类对双水相萃取也有一定的影响 ,因此变换盐的种类和添加其他种类的盐有助于提高选择性。 在不同的双水相体系中盐的作用也不相同。在 PEG/磷酸盐 /水中加入氯化钠可以使万古霉素的分配系数由 4提高到 1 2 0 ,而在 PEG/DeX/水体系中只从 1 . 55提高到 5。 (3)体系PH的影响 pH会影响蛋白质中可以离解基团的离解度,因而改变蛋白质所带电荷和分配系数。 pH也影响磷酸盐的离解程度,若改变H2PO4-和HPO42-之间的比例,也会使相间电位发生变化而影响分配系数。pH的微小变化有时会使蛋白质的分配系数改变2—3个数量级。 (4)体系温度的影响 温度影响小, 一般温度改变不影响产物的萃取。 大规模操作一般在室温下进行,不需冷却。这是基于: (1) 成相聚合物PEG对蛋白质有稳定作用,常温下蛋白质不会 发生变性; (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. 二、 双水相萃取技术的应用 三、

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