4.1在生物大分子分离纯化方面的应用
蛋白质、酶、多糖、核酸等大分子物质可以利用双 水相进行分离、纯化，双水相体系由于其温和的特性， 能够保持酶本身应有的活性，所以利用双水相萃取技术 分离纯化酶得到广泛的应用。 如： ①利用表面活性剂/盐双水相体系纯化鹊肾树叶中的丝 氨酸蛋白酶。 ②用 PEG6000/Na2HPO4双水相提取脂肪酶。 ③利用PEG /K3PO4双水相室温下纯化α -淀粉酶。
筛板萃取塔内由于塔板的限制，减小了轴向返混，同时由 分散相的多次分散和聚结，液滴表面不断更新，使筛板萃 取塔的效率比填料塔有所提高，再加上筛板塔结构简单， 价格低廉，可处理腐蚀性料液，因而在许多萃取过程中得 到广泛应用。
3.5.4 转盘萃取塔
在塔体内壁上按一定距离装 置若干个环形挡板，固定环使塔 内形成许多分开的空间。在中心 轴上按同样间距安装若干个转盘， 每个转盘处于分割空间的中间。 转盘的直径小于固定环的内径， 以便于装卸。固定环和转盘均有 薄平板制成。转盘随中心轴做高 速旋转时，对液体产生强烈的搅 拌作用，增加了相际接触面积和 液体的湍动。固定环在一定程度 上抑制了轴向返混，因而转盘塔 的效率较高。
3.3进行两水相生物转化反应需满足以下条件
● 催化剂应单侧分配； ● 底物应分配于催化剂所处的相中；产物应分配 在另
一相中；要有合适的相比。如产物分配在上相中，则 相比要大，反之则相比要小。
由于这些条件很难同时满足，并且分离理论还不完善，因 此常需要根据试验选择最优系统和操作条件。
3.4采用双水相系统进行生物转化反应的优点：
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时，体系自然地分成互不相溶 的两相.
二.双水相萃取的原理及流程
2.1 原理
一定条件下，水相也可以形成两相甚至多相。所以有 可能将生物活性物质（水溶性的酶、蛋白质等）从一个水 相转移到另一个水相中，从而完成分类任务。
因此双水相萃取与溶媒萃取的原理相似。
2.2双水相萃取工艺流程 双水相萃取技术的工艺流程主要有三部分构成： （1）目的产物的萃取 （2）PEG循环 （3）无机盐的循环
三、双水相萃取技术及设备
3.1 离子液体双水相萃取
Gutowski等于 2003年首次提出了离子液体双水相的概念, 研究发现了亲水性离子液体[ Bm im] Cl和水合磷酸钾可以形成 上相富集离子液体和下相富集磷酸钾的双水相体系,并且证明这 一双水相体系可能在分离萃取上有极好地应用前景。
① 与固定床反应器相比，不需载体，不存在多孔载体中的 扩散阻力，故反应速度较快，生产能力较高；
② 生物催化剂在两水相系统中较稳定；两相间表面张力低， 轻微搅拌即能姓曾高度分散系统，分散相液滴在10μ m 以下，有很大的表面积，有利于底物和产物的传递。
3.5 工业设备
在萃取过程中，要求在萃取设备内两相能密切接触并伴 有较高的湍动，以实现两相之间的质量传递；尔后，又能使 两相较快的分离。但是，由于两相间的密度差较小，实现两 相的密切接触和快速分离有一定的困难。
PEG/磷酸钾、PEG/磷酸胺、 PEG/硫酸钠、PEG/葡糖糖等
2.1.3 分配系数 ● 当萃取体系的性质不同时，物质进入双水相体系后， 由于各种阻碍作用的存在，物质分配不同，使其在上、 下相中的浓度不同。
K=C上/C下
C上和C下分别为被分离物质在上、下相的浓度。
• 分配系数K等于物质在两相的浓度比，由于各物质的K不同 ，可用双水相萃取体系对物质进行分离，其分配情况服从 分配定律。
2.1.4 相图
● 图1是典型的高聚物-高聚 物-水双水相体系的直角坐标 相图。两种聚合物A、B以适 当比例溶于水就会分别形成 有不同组成密度的两相。轻 相组成用T点表示，重相组成 用B点表示。曲线ＴＣＢ称为 结线，直线ＴＭＢ称为系线 。结线上方是两相区，下方 为单相区。
其中上下相组成分别为T和B， T和B量的遵循杠杆定律: 即T和B相质量之比等于系线 上MB与MT的线段长度之比。
4.2 在天然产物中提取小分子物质方面的应用
天然产物中存在许多对人体有益的活性小分子物质 ，但是提取一直以来都是高投入低回收，目前许多活性 物质大多数是利用化学合成来满足人们的需求，但是化 学合成物质的效果和天然活性成分比，仍有一定的差距 ，人们一直在寻找能够同时达到高提取率和高纯度的方 法，以降低成本“目前有很多关于双水相分离纯化活性小 分子的研究。 如： ①用 C2H5OH/磷酸盐形成的双水相体系从乌拉尔甘草提 取液中分离甘草酸。 ②用(NH4)2SO4/C2H5OH双水相体系结合超声提取丹参中 的紫草酸 B。
2)体系内传质和平衡速度快,回收率高,可达到90%以上, 比起 其他的一些分离过程,其能耗小;
3)体系的相间张力大大低于有机溶剂与水的相间张力,分离条 件温和,因而能保持绝大部分生物分子的活性;
4)操作条件温和,整个过程可在常温常压下进行;
5)离子液体的蒸汽压几乎为零,不会出现像有机溶剂那样因挥 发而引起环境问题;
Kula教授研究小组对双水相的应用、工艺流程、操作参数、 设备、成本分析等进行了大量研究，在应用工程上获得成功。
1978年首先将双水相萃取技术用于酶的大规模分离钝化， 建成了一套工业装置，达到20Kg/h的处理能力，分离钝化了 几十种酶，也应用与基因工程的分离。
国内自20世纪80年代起也开展了ATPE技术研究。
双水相萃取技术
主讲人： 2014-12-25
一.概述 二. 基本原理及流程 三. 技术与设备 四. 研究及应用 五、不足之处
六. 发展方向
一、概述
1.1 基本概念
●萃取（extraction)：
萃取是利用溶质 在互不混溶的两相之 间分配系数的不同而 使溶质得到纯化或浓 缩的技术。
●萃取剂：用以进行萃取的溶剂
● 萃取法的分类：
参与溶 质分配 的两相 不同
液-固萃取 液-液萃取
萃取原理
物理萃取 化学萃取 双水相萃取 超临界萃取
1.2 发展历程
1896年荷兰微生物学家Berjerinck发现琼脂水溶液与 可溶性淀粉或明胶水溶液混合时形成双水相现象。
1956年瑞典Land大学的Albertsson教授及其同事开始 对水相系统研究。测定了许多双水相系统的相图，考察 了蛋白质、核酸、病毒、细胞及细胞颗粒在双水相中的 分配行为，为双水相萃取系统的发展奠定了基础。 只局限于实验内的测定和理论研究。
产生分散相的动 力
重力差
微分接触式 喷啉塔、填料塔
逐级接触式
筛板塔、流动混合 器
机械拌
转盘萃取塔、搅拌 萃取塔、振动筛板
塔
混合澄清器
脉冲 离心力作用
脉冲填料塔、脉冲 筛板塔
脉冲混合澄清器
连续式离心萃取器 逐级式离心萃取器
3.5.2 脉动填料塔
为防止分散相液滴过多聚结，可增加塔内流体的湍动， 即向填料提供外加脉动能量，造成液体脉动，这种填料塔成 为脉动填料塔。但须注意，向填料塔加入脉动会使乱堆填料 趋向定向排列，导致沟流，从而使脉动填料塔的应用受到限 制。
● 两种聚合物水溶液的水溶性有差异，混合后发生 相分离，并且水溶性差别越大，相分离的倾向越大。
● 加入盐分，由于盐析作用，聚合物与盐类溶液也 能形成两相。
2.1.2 双水相体系的分类
双聚物：
PEG/DEX、聚乙二醇/聚乙烯醇、 聚乙烯醇/甲基纤维素、聚丙二醇 /葡聚糖、聚丙二醇/甲氧基乙二 醇等
聚合物-低 分子物质 的化合物：
3.5.3 筛板萃取塔
塔体内装有若干层筛板，筛孔直 径比气-液传质的孔径有效。工业中 所用孔径一般为3~9mm，孔距为孔径 的3~4倍，板间距为150~600mm。如果 选轻相为分散相，则其通过塔板上的 筛孔而被分散成细滴，与塔板上的连 续相密切接触后便分层凝聚，并聚结 于上层筛板的下面，然后借助压强差 的推动，再经筛孔而分散。重液相经 降液管流向下层塔板，水平横向流到 筛板另一端降液管。两相如是依次反 复进行接触与分层，便构成逐级接触 萃取。如果先重相为分散相，则应使 轻相通过盛液管进入上层塔板。
4.3 在医药行业的应用
双水相体系不仅可以用于分离医药行业需要的细胞，还 可以用来高效的提取抗生素。抗生素不仅能杀灭细菌，而且 对支原体、衣原体等致病微生物也具有良好的抑制及杀灭效 果。所以双水相萃取技术在医药行业得到广泛认可。 如： ①利用免疫亲和性PEG/Dextran 双水相体系从脐带血中分离 造血干细胞/源细胞。 ②亲水性离子液体 1-丁基-3- 甲基咪唑四氟硼 BF₄和 NaH₂PO₄形成的双水相体系能够快速从青霉素水溶液中萃取 青霉素G。 ③用亲水性离子液体四氟硼酸 1-丁基-3- 甲基咪唑四氟硼 BF4 和 NaH2PO₄组成的双水相体系萃取分离四环素。
根据两相接触方式，萃取设备分为逐级接触和微分接触 式两种；根据有无外功输入分为外加能量和无外加能量两种。
3.5.1 原则 ①当两相流量相差很大时，将流量大的选做分散相可增加相际
传质面积。但是，若所用的设备可能产生严重轴向返混时， 应选择流量小的作分散相，以减小返混的影响。 ②在填料塔、筛板塔等萃取设备中，应将润湿性差的液体作为 分散相。 ③当两相粘度相差较大时，应将粘度大的液体作为分散相，这 样液滴在连续相内沉降（或升浮）速度较大，可提高设备生 产能力。 ④为减小液滴尺寸并增加液滴表面的湍动，对于界面张力梯度 大于零的物系，溶质应从液滴向连续相传递。 ⑤为降低成本和保证安全操作，应将成本高的和易燃易爆的液 体作为分散相。
4.4 在废水处理方面的应用
工厂排放的废水中往往既含有大量的对环境污染性极大 的物质，如酚类物质及一些镉等金属污染物，也含有一些可以 回收循环利用的物质，所以对废水的处理意义重大，亟需一种 快速高效的方法来解决这些问题。 如： ①用正交实验优化1-propanol/ (NH4)2SO4双水相体系去除医药 、橡胶等行业生产过程中排放的废水中的对氨基酚。 ②利用1-propanol/ (NH4)2SO4双水相体系除去电镀废水中镉缔合 物。