第四章 生物产品萃取技术
萃取技术是化学工业中普遍采用的分离技术之一，具有传质速度快、生产周期短，便于连续操作、容易实现自动控制；分离效率高、生产能力大等一系列优点。在生物化工中萃取也是一个重要的提取方法和分离混合物的单元操作，有着广泛的应用。对抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物常采用有机溶剂萃取法进行提取。有机溶剂萃取是目前使用频率最高的一种，在许多书籍中有专门论述，本书主要介绍一些新的生物化工用萃取技术。
目前新型萃取技术的开发展有二大方向：一开发新型萃取工艺，如双水相萃取、反胶团萃取等，以扩大萃取技术的适用范围；二开发与其他工艺或技术耦合的新型萃取技术，如亲和萃取、萃取结晶等，使部分过程得到集成。 4．1 双水相萃取
液－液萃取技术是化学工业中普遍采用的分离技术之一，在生物化工、基因工程中也有其广泛的应用。然而，大部分生物制品的原液是低浓度和有生物活性的，需要在低温或室温条件下进行富集、分离，因而常规的萃取技术在这些领域中的应用受到限制。双水相体系就是考虑到这种现状，基于液－液萃取理论，同时考虑保持生物活性所开发的一种新型的液－液萃取分离技术。
两个高聚物水溶液混合时会分成两相的现象最早在1896年由荷兰微生物学家
Beijerinck发现。60年后（1956年）瑞典论德（lund）大学的Albertsson再次发现了这一现象，并且发现用盐取代高聚物葡聚糖时，也能同聚乙二醇形成两相，其后，
Albertsson还系统地研究了生物细胞与蛋白质在两相中的分配，形成了双水相萃取技术[1]。
六十年代及七十年代，双水相研究主要集中在细胞生物学邻域。由于双水相体系中有大量的水（>80%），渗透压低，因而给细胞生存提供了温和的环境。Kula等人（1979年）开创了双水相体系分离蛋白质的先河。
与传统的液－液萃取相比，双水相萃取具有以下的特点：
（1）双水相系统与常规的液－液萃取相比有着特殊的物理性质；系统的含水量多达75～90%，两相界面张力极低（10-7～10-4mN/m），相粘度通常是1~103mPa?s，相间 1
密度差很低，范围从 20～100kg/m3，这有助于保持生物活性和强化相际间的质量传递，但也存在系统易乳化的问题，值得注意。
（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5～15分钟。 （3）双水相分配技术易于连续操作。由于双水相萃取是一个热力学平衡过程，所以与色
谱分离相比，若系统物性研究透彻，就可运用化学工程中的萃取原理精确地按比例规模放大，但要加强萃取设备方面的研究。
（4）大量杂质能够与固体物质一起去除，与其它常用固液分离方法相比，可直接从含有菌体的发酵液和培养液中提取所需的生物物质，还能不经破碎直接提取细胞内的有效成分，因此双水相萃取技术可省去破碎或过滤等1～2个分离步骤，降低投资成本，使整个分离过程更经济。
（5）有生物适应性，组成双水相的高聚物及某些无机盐对生物活性物质无伤害，因此不会引起生物物质失活或变性，有时还有保护作用。 4.1.1 双水相理论 4.1.1.1 双水相的形成
当两种聚合物溶液混合时，是否分相取决于熵的增加和分子间作用力两种因素。熵的增加与分子数目有关，而与分子的大小无关，所以小分子间与大分子间混合熵的增加是相同的；而分子间的作用力可看作分子间各基团相互作用力之和，因此分子越大，作用力越强。对于大分子间的混合而言，两种因素相比，分子间作用力占主导地位，决定了混合的效果。如果两种被混合分子间存在空间排斥力，它们的线团结构无法互相渗透，具有强烈的相分离倾向，达到平衡后就有可能分成两相，两种聚合物分别进入其中一相，形成双水相。
典型的双水相系统列于表3－1 表3－1 典型的双水相系统 类 型
非离子型聚合物/非离子型聚合物 高分子电解质/非离子型聚合物 高分子电解质/高分子电解质 聚合物/低分子量化合物 聚合物/无机盐 有机溶剂/无机盐
形成上相的聚合物 聚乙二醇（PEG） 聚丙二醇 羧甲基纤维素钠 葡聚糖硫酸钠 葡聚糖 聚乙二醇 乙醇,丙醇等 2
形成下相的聚合物 葡聚糖（Dex） 聚乙烯醇 聚乙二醇 聚乙烯吡咯烷酮 聚乙二醇 羧甲基纤维素钠 丙醇
磷酸钾, 硫酸铵 磷酸盐,硫酸盐
在生化中，常用的双水相系统有聚乙二醇／葡聚糖，聚乙二醇／盐体系。所选择的双水相系统，除必须有利于目的物的分离之外，还要兼顾聚合物的物理性质。例如PEG和Dex，无毒且可调性好，所以在双水相萃取中得到了广泛的应用。
近几年乙醇/盐双水相体系在天然产物的提取上得到应用，如霍清采用乙醇/磷酸盐体系从甘草提取液中提取甘草酸取得了成功，一步收率可达90％以上[2]。 4.1.1.2 相图
水溶性两相的形成条件和定量关系常用三角形相图或直角坐标相图表示。图 3－1 是典型的高聚物－高聚物双水相体系的直角坐标相图。两种聚合物A、B以适当的比例溶于水就会形成有不同组成、密度的两相。上相组成用T点表示，下相组成用B点表示。由图3－1可知，上下相所含高聚物有所偏重，上相主要含T，下相主要含B。C点为临界点。曲线TCB称为双节线，直线TMB称为系线。双节线上方为两相区，下方为单相区。系线上的点M，对应上下相的组成分别为T和B。T、B代表的量服从杠杆规则，即T和B质量之比等于系线上MB与MT的线段长度之比。又由于两相密度相差很小（双水相体系上下相密度常在1.0～1.1kg/dm3之间），故上下相体积之比也近似等于系线上线段MB与MT长度之比。当点M向下移动时，系线长度缩短，两相的差别减小，当达到系统的临界点C时，两相差别消失，成为一相。
图3－1 A－B双水相系统
双节线的位置与形状同聚合物的相对分子质量有关。聚合物的相对分子质量越大， 3
相分离所需的浓度就越低；两种聚合物的相对分子量相差越大，双节线的形状就越不对称。
4.1.1.3 双水相萃取理论
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而达到萃取分离的目的。当萃取体系的性质不同时，物质进入双水相系统后，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，所以可利用双水相萃取体系对物质进行分离。
物质在两相中的分配系数主要有两个影响因素：表面自由能和表面电荷。 溶质在溶液中分配时，总是选择进入两相中互相作用最充分或系统能量达到最低的那一相。其分配规律服从Nerst分配定律，即分配系数K的表达式为：
K=ct/cb （3－1）
在（3－1）式中，ct、cb分别代表上相、下相中溶质 （分子或粒子）的浓度。研究表明，在相体系固定时，预分离物质在相当大的浓度范围内，分配系数 K为常数，与溶质
第四章 生物产品萃取技术
