双水相萃取技术2015课件.ppt
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1、关于双水相萃取技术2015现在学习的是第1页,共41页第一节第一节 概述概述1896年,荷兰微生物学家年,荷兰微生物学家Beijerinck发现发现聚合物的不相聚合物的不相容性容性:把明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液混合时,把明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶液混合时,得到一种不透明的混合溶液,静置后分为两相,上相得到一种不透明的混合溶液,静置后分为两相,上相含有大部分水,下相含有大部分琼脂(或淀粉),而含有大部分水,下相含有大部分琼脂(或淀粉),而两相的主要成分都是水两相的主要成分都是水.1955年,瑞典伦德大学的年,瑞典伦德大学的Albertsson首次利用双水相首次利用双水相技术从单细胞藻类
2、中分离淀粉核,从此开创了技术从单细胞藻类中分离淀粉核,从此开创了双水相双水相分配技术分配技术。1979年德国年德国GBF的的Kula和和Kroner等等3人将双水相体系人将双水相体系用于提取酶和蛋白质,使胞内酶的提取过程大为改善。用于提取酶和蛋白质,使胞内酶的提取过程大为改善。现在学习的是第2页,共41页一、基本概念及分类一、基本概念及分类 双水相系统双水相系统:某些亲水性高某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可形成两个不相混定浓度后可形成两个不相混溶的水相。溶的水相。聚合物聚合物-聚合物聚合物-水系统水系统:聚合聚合物分子的空间阻碍作用使相物分子的空间阻碍作用
3、使相互间无法渗透互间无法渗透。聚合物聚合物-无机盐无机盐-水系统水系统:盐析盐析作用。作用。现在学习的是第3页,共41页为什么会形成双水相?为什么会形成双水相?聚合物之间的不相容性聚合物之间的不相容性:聚合物分子的空间阻碍作用使聚合物分子的空间阻碍作用使相互间无法渗透,从而在一定条件下分为两相。相互间无法渗透,从而在一定条件下分为两相。只要两种聚合物水溶液的水溶性有所差异,混合时就只要两种聚合物水溶液的水溶性有所差异,混合时就可发生相分离,并且水溶性差别越大,相分离倾向也可发生相分离,并且水溶性差别越大,相分离倾向也就越大。就越大。某些聚合物的溶液在与某些某些聚合物的溶液在与某些无机盐无机盐等
4、低分子质量化合物等低分子质量化合物的溶液相混时,只要浓度达到一定值,也会产生两相。其的溶液相混时,只要浓度达到一定值,也会产生两相。其形成机理是由于形成机理是由于盐析盐析作用。作用。现在学习的是第4页,共41页双水相系统分类双水相系统分类 双聚合物体系双聚合物体系:聚乙二醇:聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)/葡聚糖(葡聚糖(dextran,Dx););聚丙二醇(聚丙二醇(polypropylene glycol)/聚乙聚乙二醇;甲基纤维素(二醇;甲基纤维素(methylcellulose)/葡葡聚糖等。聚糖等。聚合物和无机盐体系聚合物和无机盐体系:PEG/磷酸钾(略作
5、磷酸钾(略作KPi)、)、PEG/磷酸铵、磷酸铵、PEG/硫酸钠等硫酸钠等 现在学习的是第5页,共41页类型类型形成上相的聚合物形成上相的聚合物形成下相的聚合物形成下相的聚合物非离子型聚合物非离子型聚合物/非离子型聚合物非离子型聚合物聚乙二醇聚乙二醇聚乙烯醇、葡聚糖、聚蔗糖、聚聚乙烯醇、葡聚糖、聚蔗糖、聚乙烯吡咯烷酮乙烯吡咯烷酮聚丙二醇聚丙二醇聚乙二醇、聚乙烯醇、葡聚糖、聚乙二醇、聚乙烯醇、葡聚糖、甲基聚丙二醇、羟丙基葡聚糖、甲基聚丙二醇、羟丙基葡聚糖、聚乙烯吡咯烷酮聚乙烯吡咯烷酮羟丙基葡聚糖羟丙基葡聚糖葡聚糖葡聚糖聚蔗糖聚蔗糖葡聚糖葡聚糖乙基羟基纤维素乙基羟基纤维素葡聚糖葡聚糖甲基纤维素甲基
6、纤维素羟丙基葡聚糖、葡聚糖羟丙基葡聚糖、葡聚糖高分子电解质高分子电解质/非离子型聚合物非离子型聚合物羧甲基葡聚糖钠盐羧甲基葡聚糖钠盐聚乙二醇聚乙二醇高分子电解质高分子电解质/高分子电解质高分子电解质葡聚糖硫酸钠葡聚糖硫酸钠羧甲基纤维素钠羧甲基纤维素钠羧甲基葡聚糖钠盐羧甲基葡聚糖钠盐羧甲基纤维素钠羧甲基纤维素钠非离子型聚合物非离子型聚合物/低分子量化合物低分子量化合物葡聚糖葡聚糖丙醇丙醇非离子型聚合物非离子型聚合物/无机盐无机盐聚乙二醇聚乙二醇磷酸钾、硫酸铵、硫酸镁、硫酸磷酸钾、硫酸铵、硫酸镁、硫酸钠、酒石酸钾钠、甲酸钠钠、酒石酸钾钠、甲酸钠现在学习的是第6页,共41页与一般的水与一般的水-有机
7、溶剂体系相比较有什么不同?有机溶剂体系相比较有什么不同?双水相体系中两相的双水相体系中两相的性质差别(如密度和性质差别(如密度和折射率等)较小折射率等)较小。由于折射率的差别甚小,。由于折射率的差别甚小,有时甚至都难于发现它们的相界面。两相有时甚至都难于发现它们的相界面。两相间的间的界面张力也很小界面张力也很小,仅为,仅为10-510-4 N/m(一般体系为(一般体系为10-3210-2 N/m)。)。现在学习的是第7页,共41页三、双水相萃取技术的基本特点三、双水相萃取技术的基本特点 两相的性质差别(如密度和折射率等)较小两相的性质差别(如密度和折射率等)较小 两相间的界面张力也很小两相间的
8、界面张力也很小(一)条件温和,体系具有生物亲和性(一)条件温和,体系具有生物亲和性(二)所需溶液少,操作方便(二)所需溶液少,操作方便(三)分离迅速,步骤简便(三)分离迅速,步骤简便(四)操作易于控制(四)操作易于控制(五)可简化分离步骤(五)可简化分离步骤(六)能进行萃取性的生物转化(六)能进行萃取性的生物转化(七)亲和萃取(亲和分配)可大大提高分配系数和萃(七)亲和萃取(亲和分配)可大大提高分配系数和萃取专一性取专一性(八)易于工艺的连续化生产(八)易于工艺的连续化生产 现在学习的是第8页,共41页第二节第二节 双水相分配原理及其理论基础双水相分配原理及其理论基础 一、双水相系统分配原理一
9、、双水相系统分配原理 是否会形成双水相,取决于混合是否会形成双水相,取决于混合熵增熵增和和分子间作用力分子间作用力两两个因素。个因素。混合混合是自发的熵增过程,而分子间相互作用力则随分子是自发的熵增过程,而分子间相互作用力则随分子量的变大而增强。量的变大而增强。当两种高分子聚合物之间当两种高分子聚合物之间互不相溶互不相溶时,由于相对分子时,由于相对分子质量较大,分子间的质量较大,分子间的相互排斥作用相互排斥作用与混合过程的熵增加与混合过程的熵增加相比占主导地位,一种聚合物分子的周围将聚集同种分子相比占主导地位,一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子,当达到平衡时,即形成富含两种不同聚
10、而排斥异种分子,当达到平衡时,即形成富含两种不同聚合物的两相。合物的两相。现在学习的是第9页,共41页 上、下相的组成取决于两种聚合物(如上、下相的组成取决于两种聚合物(如PEG/Dx)的)的加入量加入量以及其以及其分子质量分子质量的大小。的大小。当物质进入双水相体系后,由于表面性质、当物质进入双水相体系后,由于表面性质、电荷作用和各种作用力(如憎水键、氢键电荷作用和各种作用力(如憎水键、氢键和离子键等)的存在和环境的影响,使和离子键等)的存在和环境的影响,使其其在上、下相中的浓度不同在上、下相中的浓度不同。分配系数分配系数 K不同而分离不同而分离现在学习的是第10页,共41页相图相图 双水相
11、形成条件和定量关系双水相形成条件和定量关系可用相图表示可用相图表示。双结点线双结点线:把均相区和两:把均相区和两相区域分隔开相区域分隔开。系线系线:连接双结点线上两:连接双结点线上两点的直线。点的直线。临界点临界点:当系线长度趋向:当系线长度趋向于零时,即在图中的于零时,即在图中的K点,点,两相差别消失,任何溶两相差别消失,任何溶质在两相中的分配系数质在两相中的分配系数均为均为1,成为单相体系。,成为单相体系。KPi质量分数质量分数/%PEG质质量量分分数数/%MTBMVVBT均相区均相区两相区两相区系线系线现在学习的是第11页,共41页 在同一条系线上的各在同一条系线上的各点分成的两相具有点
12、分成的两相具有相相同的组成同的组成,但,但体积比体积比不同。不同。当上下两相间密度差当上下两相间密度差小时,两相的体积近小时,两相的体积近似服从杠杆规则似服从杠杆规则。MTBMVVBT现在学习的是第12页,共41页按表格重复操作PEG400 0.700g H2O 0.5ml(NH4)2SO4混和 H2O 0.3/0.5ml浑浊记录(NH4)2SO4 ml数混均绘制相图实验操作澄清旋涡器绘制相图PEG400%(NH4)2SO4%现在学习的是第13页,共41页二、双水相中的分配平衡二、双水相中的分配平衡溶质在双水相中的分配系数也用溶质在双水相中的分配系数也用K=cT/cB表示。表示。分配系数是各种
13、相互作用的和分配系数是各种相互作用的和.lnKP=lnKE+lnKS+lnKA 总分配系数总分配系数KP:lnKE、lnKS、lnKA分别为静电作用、疏水分别为静电作用、疏水作用、亲和作用对溶质分配系数的贡献。作用、亲和作用对溶质分配系数的贡献。在系线上各点处系统的在系线上各点处系统的总浓度不同总浓度不同,但均分成,但均分成组成相同组成相同而而体积不同体积不同的两相,在同一条系线上的不同点,物质的两相,在同一条系线上的不同点,物质的分配系数相同。的分配系数相同。现在学习的是第14页,共41页(一)静电作用(一)静电作用lnK=lnKo+FZ/RTKo为溶质静电荷为零时的分配系数;为溶质静电荷为
14、零时的分配系数;F为法拉第常数;为法拉第常数;Z为溶质的静电荷数;为溶质的静电荷数;为相间电位差。为相间电位差。荷电解质的分配系数的对数与溶质的净电荷数成正比荷电解质的分配系数的对数与溶质的净电荷数成正比.分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异,同一双水相系同一双水相系统中添加不同的盐产生的统中添加不同的盐产生的相间电位相间电位不同不同 带带负电荷负电荷的蛋白质在双水相种的分配系数的蛋白质在双水相种的分配系数K:K+Na+NH4+Li+(C4H9)4N+ClO4-SCN-I-Br-Cl-CH3CO2-F-H2PO4-HPO42-现在学习的是第15页,共41页(
15、二)疏水作用(二)疏水作用 一般情况下,蛋白质的表面均存在疏水区,疏水区所一般情况下,蛋白质的表面均存在疏水区,疏水区所占比表面越大,其疏水性越强。不同组分由于其表面占比表面越大,其疏水性越强。不同组分由于其表面疏水性的差异使得其各自在上下相中产生相应的分配疏水性的差异使得其各自在上下相中产生相应的分配平衡。平衡。lnKsHF(RH+B)HF为相间的疏水性差,也称为相间的疏水性差,也称疏水性因子疏水性因子;RH为氨基酸为氨基酸的相对疏水性;的相对疏水性;B为比例常数。为比例常数。lnKo=HFHFS HFS蛋白质的表面疏水性蛋白质的表面疏水性.(pH=pI时时)lnK0HF(HFS+HFS)H
16、FS为盐浓度增加引起的为盐浓度增加引起的HFS值增量。值增量。lnKHF(HFS+HFS)+FZ/RT 现在学习的是第16页,共41页(三)界面张力作用(三)界面张力作用 非电解质型溶质在液体中的界面张力的存在使它呈不非电解质型溶质在液体中的界面张力的存在使它呈不均匀分布,并聚集在双水相体系中具有较低能量的一均匀分布,并聚集在双水相体系中具有较低能量的一相中。相中。非电解质型溶质的分配系数与非电解质型溶质的分配系数与相间表面自由能差相间表面自由能差及及溶质的溶质的分子量分子量有关有关 lnKP=-E/kT-M/RT 溶质的分配系数的对数与其分子量呈线性关系溶质的分配系数的对数与其分子量呈线性关
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