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生物分离工程
石家庄学院
生物分离工程论文
非离子表面活性剂双水相萃取甘草酸
院系:
化工学院
专业、年级:
2012级生物工程
姓名、学号:
郑娜娜20120702042
张艳20120702025
梁亚森20120702013
石惠芳20120702030
指导老师:
俞龙泉
非离子表面活性剂双水相萃取甘草酸
甘草酸是甘草中最为重要的化学成分,具有抗病毒、抗癌和增强免疫力等功能[1]。
甘草酸盐作为一种重要的精细化工产品,已广泛用于食品、化妆品、药品行业等。
石家庄市的石家庄四药有限公司提取甘草酸,用来合成复方甘草酸单铵S氯化钠注射液,但生产工艺复杂。
目前还没有利用双水相萃取技术提取甘草酸。
双水相萃取技术始于20世纪60年代,1979年德国GDF和Kula[7]等人将双水相萃取应用于生物产品的分离,由于其条件温和,容易放大,可连续性操作,已经成功地应用于氨基酸、蛋白质和核酸的分离和提纯。
国内自20世纪80年代开始对双水相萃取技术进行研究,经过20多年的发展,已经在生物制药、分析检测、稀有金属的分析分离等领域有研究和应用。
目前国内外对双水相萃取技术的研究主要集中在:
(1)双水相体系成相机理及热力学模型的探索。
由于双水相体系自身的复杂性,目前还没有一套完整的理论来解释双水相体系,近年来对双水相液2液相平衡的热力学模型的研究非常活跃;
(2)新型、高效、廉价的双水相体系的开发。
如用低分子有机物与无机盐所形成的双水相体系来分离提取中草药。
这种双水相体系的引入,可以大大节约能耗,降低成本,简化操作流程,提高产品收率,为大规模工业化的实现提供了可能;(3)双水相萃取技术应用领域的拓展,利用其它相关技术对双水相萃取过程优化。
如双水相技术与相关技术的集成问题,就充分地利用了双水相体系的技术和条件优势,为分离科学提供了新思维;(4)双水相萃取技术中体系的放大以及新工艺流程的开发等。
(不要把论文上的都抄,要学会提取!
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中草药是我国的国药,目前国内已经有利用双水相体系萃取分离中草药的报道和研究,并取得了一些成绩。
如薛等[8]采用聚乙二醇(PEG800)与吐温80(Tween80)组合表面活性剂、硫酸铵、水形成双水相体系,研究芦丁在该双水相体系中的分配行为,用紫外分光光度法测定银杏叶中芦丁的含量,结果?
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。
董军芳等[9]利用乙醇/硫酸铵双水相体系从甘草浸取液粗品中分离提纯甘草酸铵,与传统工艺相比显著提高了甘草酸的纯度和收率,多少?
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把双水相萃取技术运用于中草药萃取,将大大简化工艺流程,降低成本,节约能耗。
(举例3个,应用1-2个!
500字以上)
本研究的目的是通过查阅资料,论证双水相萃取技术在甘草酸生产装配能够应用的可行性。
采用传统酸沉法分离甘草酸工艺最简单,但产品的纯度低,约为30%。
而溶剂萃取法的收率和纯度都较高,但含磷萃取剂的高成本及其毒性和大量的有机挥发性溶剂的污染也是客观存在的[10]。
而利用双水相萃取技术提取甘草酸具有高萃取率、高选择性、操作简单,低成本,使用无毒溶剂并且容易后处理等优点。
因此可以双水相萃取技术提取甘草酸,该项技术不仅可以增加产率,同时还可减少排放、改善环境。
如果将来能在石家庄的药企得到应用,将会给企业和社会带来不可估量的经济效益和社会效益。
双水相萃取体系自身的一些特殊性质以及优点,使其在生物化工产品的萃取与提纯方面表现出不俗的优势。
但是体系自身也存在的一定的缺陷,如双聚合物体系价格较高,体系的易乳化问题,操作十分不方便,条件难以控制,大大降低了生产效率。
但随着双水相萃取应用技术开发和理论研究的进步,?
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摘要:
分别用氯化钠、硫酸钠、磷酸钠与脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-7构建双水相体系,分析了各体系的分相效果及影响分相的各种因素,包括非离子表面活性剂的浓度、盐的种类和质量、pH值以及萃取时间,发现AEO-7/磷酸钠双水相体系较稳定、萃取率高、分相较快,比较适合用来对甘草酸的萃取。
最后对双水相技术目前所存在的问题以及发展前景做了简要的论述。
关键词:
双水相萃取;非离子表面活性剂;甘草酸;研究应用;前景展望
生物活性成分的分离与纯化
双水相技术作为一种生化分离技术,由于其条
件温和,易操作,可调节因素多,并可借助传统溶剂
萃取的成功经验,而被认为是一种生物下游工程初
步分离的单元操作.以高聚物倩聚物或高聚物/无
机盐为典型的传统型双水相体系已经成功地应用于
许多生物产品的分离和纯化.如Sarote,NiSaWang
等人【'埽q用80%(w/w)PEG及15%(w/w)的硫酸
铵组成的双水相体系从木瓜乳浆中萃取木瓜蛋白
酶,并在较短的时间内成功分离出高纯度的木瓜蛋
白酶.Chia-KaiSu等人J在室温以及pH=10的条
WF,利用16.1%(w/w)PEG和12%(w/w)硫酸
盐,500mmol?
L'1高氯酸钠组成的双水相体系成功
地从鸡蛋蛋清中分离出高纯度的溶解酵素.该文章
也提到了添加盐对双水相体系中蛋白质分离的影
响.事实上,这是利用相界面电位(Donnan电位)影
响荷电大分子蛋白质和核酸等的分配的原理.高氯
酸钠的加入增加上相对带正点物质的亲和效应,并
迫使带负电的物质进入下相,而磷酸锂则刚好相反.
利用这一原理可以使蛋白质选择性地分配在上下
相,从而提高分离效率.
2.2稀有金属以及贵金属的分离与检测
与传统的分离工艺相比,双水相体系对贵金属
以及稀有金属的分离与检测具有环境友好,废弃物
少,对人体无害,运行成本低以及工艺简单等优点.
高云涛等[9】运用丙醇一硫酸铵双水相体系萃取铂
(Ⅲ)一三氯亚锡酸络合物,研究表明影响分配比的条
第11期辜鹏等:
双水相萃取技术的研究现状与应用31●
件有酸度,氯化亚锡的浓度及硫酸氨的用量.铂的
分配比随盐酸氯化亚锡的浓度增加而增大,萃取的
最佳条件为:
氯化亚锡的浓度0.02mol?
L_.,盐酸
的浓度0.36mol?
L_.,硫酸铵的用量为30%.四川
大学王碧等[10]利用聚乙二醇一硫酸铵体系双水相萃
取光度法测定稀有金属钯,在pH=7.40的EDTA-
NaOH介质中,Pd(1I)-PAR被萃取到聚乙二醇相,
最大吸收波长为525nrn,摩尔吸光系数为3.71×
104L?
mol_1?
era~,钯含量在0~26.4?
(10.0
mL)-1范围内符合比耳定律,检出限为0.029?
(10.0nlL)一1,研究了在聚乙二醇一PAR-硫酸铵体系
中萃取光度法测定钯的最佳条件.这种方法用于碳
钯催化剂和矿样中钯的分离测定,结果满意.
2.3中草药有效成分的萃取
中草药是我国的国药,目前国内已经有利用双
水相体系萃取分离中草药的报道和研究,并取得了
一
些成绩.薛瑁等【11J采用聚乙二醇(PEG800)与
吐温80(Tween80)组合表面活性剂,硫酸铵,水形
成双水相体系,研究芦丁在该双水相体系中的分配
行为,用紫外分光光度法测定银杏叶中芦丁的含量.
该体系对芦丁的平均萃取率为95.0%,测定芦丁的
浓度线性范围为0~50?
mL_.,相关系数r=
0.9995.用该法对银杏叶中的芦丁进行测定,测定
结果的相对标准偏差为3.1%,回收率为96.5%~
105.2%,萃取效果非常好.华侨大学董军芳等u2J
black;background-color: #ffff66'>利用乙醇硫酸铵双水相体系从甘草浸取液粗品中 分离提纯甘草酸铵,当乙醇的质量浓度为35.10%, 硫酸铵的质量浓度为17.10%时原甘草粉的收率为 2.33%,与传统工艺相比显着提高了甘草酸的纯度 和收率.把双水相萃取技术运用于中草药萃取,将 大大简化工艺流程,降低成本,节约能耗. 3双水相体系与其它技术的集成 集成化[13]概念最初是在20世纪70年代随着 控制和优化技术的发展而提出来的,随后被引入化 工领域形成过程集成,其核心在于从整体上实现过 程的优化.20世纪9o年代以来,国际上有些学者 把这一概念引入生化分离领域.双水相技术作为一 种很有发展前景的生化分离单元操作,其自身也存 在一些不足之处,如易乳化,相分离时间较长,分离 效率不高等,一定程度制约了双水相技术的工业化 推广与应用.表2是国内外的一些集成技术实例. 从表2我们可以看出,其它技术的引入大大拓展了 双水相萃取技术的应用范围,同时也弥补了双水相 自身的一些不足.双水相萃取技术与电泳,层析,温 度诱导相分离,渗透释放和亲和技术实现集成,在技 术上相互渗透,优势互补,将有更大的发展空间. 表2双水相与其它相关技术的集成化 4双水相体系相平衡的热力学模型以 及关联方法 研究溶液理论的目的在于用分子间力以及由之 决定的溶液结构来表达溶液的性质,从而加深对双 水相体系的认识. 4.1双水相体系液.液相平衡的热力学模型 双水相体系的热力学模型很多,最常见的是渗 透维里扩展模型,似晶格理论和胞腔理论【20J.渗透 维里方程是对液体混合物渗透压的一种描述.吴有 庭【21]等曾对电解质溶液的Pitzer模型和不含电解 质的一般渗透维里方程模型在统计热力学的基础上 32化工技术与开发第36卷 进行过理论分析.Cabezas模型则是聚合物/聚合物 的渗透维里模型.似晶格模型理论突出强调液体的 近程有序的特点,将液体的结构看作与晶格的格子 类似.Guggenheim及其学派发展成为S正规溶液 理论.胞腔理论又称自由体积理论,最早由兰纳一琼 斯和Devonshire提出,将液体间的热力学性质和分 子间的力联系起来,此后得到一定的发展. 4.2关联方法 双水相液一液萃取热力学模型的关联方法就是 用热力学模型来关联双水相体系的液一液相平衡数 据,从热力学的角度来研究双水相体系的溶液理论. 双水相体系液一液相平衡的热力学研究国内外已经 有许多报道,这里我们将国内的一些研究情况做一 个大致的描述. Cabezas模型具有热力学基础,较为简单,物理 意义明确,对于双聚合物双水相系统的热力学模型 关联,结果尚可,但存在一定的误差.李勉2J等在 Cabezas模型的基础上引入了聚合物单体的相互作 用参数对该模型进行改进,结果表明,利用修正后的 Cabezas模型来关联双聚合物双水相体系的相平衡, 精度显着提高,在所计算的14个系统280个数据点 中,14个系统中有13个系统误差减少,与修正前相 比,修正后模型计算结果的最大误差和平均误差分 别减少2.27%和0.67%,修正后计算值更加接近试 验值,结线也较吻合. Diamond和Hus【23J从扩展的Flory-Huggins理 论出发,截止到浓度的二次项,并把相间电势表达为 上下相浓度的二次函数,得到了一个对双聚合物双 水相体系相平衡关联结果较好的Diamond-Hus模 型.朱自强等[24]在关联尿激酶在PE(/混合磷酸钾 系统中的分配系数时,对Diamond-Hus模型进行了 适当的改进,把相间电势表达为上下相浓度差的三 次关系,截止到浓度的三次项,使该模型也能较好地 关联聚合物/无机盐双水相体系的分配系数.梅乐 和[25]利用改进的Diamond-Hus模型关联了牛血清 蛋白(BSA)在聚乙二醇('G)硫酸铵和聚乙二醇/ 磷酸钾双水相系统中的分配系数,分配系数的关联 线的偏差对不同的系统都在8%以内,关联结果比 较令人满意. Pitzer模型是一个能适用于高达6mol? L_1的 纯电解质溶液的理论.将它进行扩展,可以用于多 元含电解质或不含电解质的双水相系统的相平衡计 算.吴有庭等提出了基于三元系修正Pitzer模型的 多元渗透维里方程通式并用于双水相系统液液平衡 的关联和预测,用尽可能少的液液平衡数据关联了 模型参数,同时还预测了含或不含电解质的PEG/ 葡聚糖双水相系统的液液平衡和KCl电解质在 PEG/~聚糖系统中的分配系数,计算结果表明模型 有较好的预测功能. 此外彭钦华等[26]用扩展的UNIFAC[27]方程与 Flory-Guggenheim方程相结合,关联了不同PEG分 子量和不同pH值条件下的液液平衡,获得了比较 合理的UNIFAC参数.烟台大学许文友等[28]测定 了丁酮一水一碳酸钾体系在30℃下的液一液相平衡数 据,用Pitzer理论和wilsDn方程对相平衡数据进行 了关联计算,结果表明,计算值和试验值符合较好. 5展望 双水相萃取体系自身的一些特殊性质以及优 点,使其在生物化工产品的萃取与提纯方面表现出 不俗的优势.但是体系自身也存在的一定的缺陷, 如双聚合物体系价格较高,限制了其在工业中大规 模的应用;体系的易乳化问题,导致萃取过程极不稳 定,操作十分不方便,条件难以控制;某些高聚合物 双水相体系分相时间较长,大大降低了生产效率;此 外双水相萃取缺乏理论基础,目前的研究还停留在 热力学模型的探索阶段.因此笔者认为未来双水相 萃取技术的发展方向应该集中在: (1)对液一液相平 衡热力学模型的探索,应该加快基础数据的收集,寻 求一套完整的理论依据; (2)新型双水相体系的开 发,寻找更加廉价高效的双水相体系;(3)新工艺的 开发,为实现大规模工业化寻找新思路;(4)双水相 萃取技术与相关技术的耦合,扩展双水相萃取的应 用领域,减少双水相体系自身的一些缺点带来的影 响;(5)废液的回收以及再利用问题.在当今越来越 重视人类生存环境的前提下,开发出环境友好,可循 环利用的双水相体系是非常有意义的. 参考文献: [1】杨善升,陆文聪,包伯荣.双水相萃取技术及其应用 [J].化学工程师,2004,103(4): 36.40. [2]谭平华,林金清,肖春妹,等.双水相萃取技术研究进展 及应用[J].化工生产与技术,2003,10 (1): 19.25. 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