生物分离工程省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物分离工程生物分离工程第四章第四章 萃取（萃取（extraction）第第二二讲讲第1页反胶反胶团萃取萃取Reversed MicellarExtraction第2页基本概念基本概念p反胶反胶团萃取定萃取定义 利用利用表面活性表面活性剂在有机相中形成在有机相中形成反胶反胶团，使生物分子从水相，使生物分子从水相中中进入到有机相中反胶入到有机相中反胶团内微水内微水环境中，境中，进而而实现分离分离过程程 反胶反胶团萃取本萃取本质仍是液液有机溶仍是液液有机溶剂萃取萃取第3页反胶团萃取原理p本本质质仍是液仍是液-液溶液溶剂剂萃取萃取过过程程 反胶团萃取反萃取水相中溶水相中溶质进入反胶入反胶团需需经历三步三步传质过程：程：1、经过表面液膜表面液膜扩散，从散，从水相抵达相界面；水相抵达相界面；2、在界面、在界面处溶溶质与表面活与表面活性性剂作用作用进入到反胶入到反胶团中；中；3、含有溶、含有溶质反胶反胶团扩散散进入有机相入有机相反萃取反萃取过程与萃取程与萃取过程相程相同，但方向相反同，但方向相反1 12 23 3第4页表面活性剂表面活性剂&胶束胶束表面活性剂表面活性剂（SurfactantSurfactant）胶束（胶束（胶束（胶束（micellemicelle）cross sectioncross section胶束胶束胶束胶束(micelles)(micelles):向向向向水水水水中加入表面活性剂，水溶液表面张力随中加入表面活性剂，水溶液表面张力随中加入表面活性剂，水溶液表面张力随中加入表面活性剂，水溶液表面张力随SS增大而增大而增大而增大而下降。当下降。当下降。当下降。当SS到达一定值后，到达一定值后，到达一定值后，到达一定值后，S S将发生缔合或自组装（将发生缔合或自组装（将发生缔合或自组装（将发生缔合或自组装（molecular self-molecular self-assemblyassembly），形成水溶性胶束），形成水溶性胶束），形成水溶性胶束），形成水溶性胶束,溶液表面张力不再随表面活性剂浓度增溶液表面张力不再随表面活性剂浓度增溶液表面张力不再随表面活性剂浓度增溶液表面张力不再随表面活性剂浓度增大而降低大而降低大而降低大而降低临界胶束浓度临界胶束浓度临界胶束浓度临界胶束浓度(critical micelle concentration,CMC)(critical micelle concentration,CMC):表面活性剂在水溶表面活性剂在水溶表面活性剂在水溶表面活性剂在水溶剂中形成胶束最低浓度剂中形成胶束最低浓度剂中形成胶束最低浓度剂中形成胶束最低浓度第5页有机溶剂中反胶团有机溶剂中反胶团胶束和反胶束形成都是表面活性胶束和反胶束形成都是表面活性剂分子自聚集分子自聚集结果，是果，是热力学力学稳定系定系统。反胶反胶团（reversed micelle）Cross section反胶反胶团(reverse micelles):若向若向有机溶有机溶剂（油）（油）中加入油溶性表面活性中加入油溶性表面活性剂，当当S超出一定超出一定值时，S在有机溶在有机溶剂中也会形成胶中也会形成胶团。通常将。通常将S在有机溶在有机溶剂中形中形成胶成胶团称称为反胶反胶团，也称反胶束或反微，也称反胶束或反微团第6页胶团和反胶团形状胶团和反胶团形状Reverse micellesmicelles表面活性剂分子聚集使反胶团内形成表面活性剂分子聚集使反胶团内形成表面活性剂分子聚集使反胶团内形成表面活性剂分子聚集使反胶团内形成极性核极性核极性核极性核(polar core)(polar core)(polar core)(polar core)，所以有机溶剂中反胶，所以有机溶剂中反胶，所以有机溶剂中反胶，所以有机溶剂中反胶团可溶解水。反胶束内溶解水通常称为团可溶解水。反胶束内溶解水通常称为团可溶解水。反胶束内溶解水通常称为团可溶解水。反胶束内溶解水通常称为微水相或微水相或微水相或微水相或“水池水池水池水池”(water pool)(water pool)(water pool)(water pool)第7页M，-水分子水分子质量和密度；量和密度；asurf-界面界面处一个表面活性一个表面活性剂分子面分子面积。离子。离子型表面活性型表面活性剂在室温下在室温下asurf=0.5-0.7nm2；N-阿弗加德阿弗加德罗常数；常数；W0-有机相中水与有机相中水与S摩摩尔比，又称比，又称为含水率含水率(water content)Diameter of“Water Pool”反胶束大小与溶反胶束大小与溶剂和和S种种类与与浓度、温度、离子度、温度、离子强度等原因相关，普通度等原因相关，普通为5-20nm假定表面活性假定表面活性剂全部用于形成反全部用于形成反胶束，并忽略有机溶胶束，并忽略有机溶剂中游离水，中游离水，则W0等于反胶束溶液中水与表面等于反胶束溶液中水与表面活性活性剂摩摩尔浓度比度比值反胶束不是反胶束不是刚性球体，而是性球体，而是热力学力学稳定聚集体；定聚集体；在有机相中反胶束以非常高速度生成和破在有机相中反胶束以非常高速度生成和破灭，不停，不停地交地交换其其组成份子（表面活性成份子（表面活性剂和水），速率常数和水），速率常数约106107m3/kmols 第8页惯用表面活性剂及有机溶剂p AOT，丁二酸，丁二酸-2-乙基己基琥珀酸乙基己基琥珀酸酯磺酸磺酸钠，商品名，商品名为Aerosol OT，简称称AOT；p CTAB（溴化十六（溴化十六烷基三甲胺）；基三甲胺）；p TOMAC（氯化三辛基甲化三辛基甲铵）第9页p AOT在异辛在异辛烷中形成反胶中形成反胶团直径直径:p 第第1项为水核直径，第二水核直径，第二项(2*1.2 nm)为二倍二倍AOT分子分子长度度.普通普通反胶反胶团W0不超出不超出40.所以所以,依据上式依据上式,利用利用AOT形成水核直径普通不形成水核直径普通不超出超出12nm,大致可容大致可容纳一个直径一个直径为5-10nm蛋白分子蛋白分子.AOT琥珀酸酯磺酸钠琥珀酸酯磺酸钠l l 阴离子型表面活性剂；阴离子型表面活性剂；l l 含有双链，极性基团较小，含有双链，极性基团较小，形成反胶束时不需添加助表形成反胶束时不需添加助表面活性剂面活性剂第10页反胶束溶解作用反胶束溶解作用l微水池溶解和分离作用微水池溶解和分离作用反反胶胶团微微水水池池水水可可溶溶解解氨氨基基酸酸、肽和和蛋蛋白白质等等生生物物分分子子,为生生物物分分子子提提供供易易于于生生存存亲水水微微环境境.所所以以,反反胶胶团萃萃取取可可用用于于氨氨基基酸酸、肽和和蛋蛋白白质等等生物分子分离生物分子分离纯化化，尤其是蛋白，尤其是蛋白质类生物大分子。生物大分子。p蛋白蛋白质溶解模型：溶解模型：a、水水壳壳模模型型：蛋蛋白白质位位于于水水池池中中心心，周周围存在水存在水层将其与反胶将其与反胶团壁隔开；壁隔开；b、半半岛模模型型：蛋蛋白白分分子子表表面面存存在在强烈烈疏疏水区，水区，该区直接与有机相接触；区直接与有机相接触；c、蛋白吸附于反胶、蛋白吸附于反胶团内壁；内壁；d、蛋蛋白白疏疏水水区区与与几几个个反反胶胶团S疏疏水水尾尾发生生相互作用，被几个小反胶相互作用，被几个小反胶团所所“溶解溶解”表面性质不一样蛋白质可能以不一样形式溶解于反胶团表面性质不一样蛋白质可能以不一样形式溶解于反胶团相，但对于亲水性蛋白质，当前普遍接收水壳模型相，但对于亲水性蛋白质，当前普遍接收水壳模型第11页反胶团萃取溶解推进力反胶团萃取溶解推进力A 静静电作用：作用：反反胶胶团萃萃取取通通常常采采取取离离子子型型表表面面活活性性剂，如如AOT（阴阴离离子子型型S）、CTAB&TOMAC（阳离子型（阳离子型S）当当水水相相pH值偏偏离离蛋蛋白白质pI时，理理论上上,当当溶溶质所所带电荷荷与与表表面面活活性性剂相相反反时,因因为静静电引引力力作作用用,溶溶质易易溶溶于于反反胶胶团,溶溶解解率率或或分分配配系系数数较大大,反反之之,则不不能能溶溶解解到到反反胶胶团相中相中,左左图图为为pHpH值值对对不不一一样样蛋蛋白白质质在在AOTAOT反反胶胶团团中溶解率影响中溶解率影响 当当pHpIpH 20KDM 20KD时时,溶解率很小溶解率很小.表明随表明随M M增大增大,空间排空间排阻作用增大阻作用增大,蛋白溶解率降低；蛋白溶解率降低；p所以，所以，可依据蛋白分子之间相对分可依据蛋白分子之间相对分子质量差异进行反胶团萃取分离子质量差异进行反胶团萃取分离第13页C C 疏水性相互作用疏水性相互作用 氨氨基基酸酸或或多多肽肽分分配配系系数数随随其其疏疏水水性性增增大大而而增增大大。蛋蛋白白质质疏疏水水性性影影响响其其在在反反胶胶团团中中溶溶解解形形式式,因因而而影影响响其其分分配配系系数数。疏疏水水性性较较大大蛋蛋白白可可能能以以“半岛式半岛式”形式溶解。形式溶解。水壳型水壳型水壳型水壳型半岛型半岛型半岛型半岛型第14页反胶团萃取影响原因反胶团萃取影响原因p蛋白蛋白质在反胶在反胶团相分配平衡主要取决于蛋白相分配平衡主要取决于蛋白质分子与表面分子与表面活性活性剂静静电相互作用相互作用、疏水相互作用疏水相互作用和反胶和反胶团空空间排阻作排阻作用用。反胶束相反胶束相水相水相目标物目标物环境环境第15页盐种类盐种类&浓度浓度p盐浓度增加或不一样盐种类对反胶团盐浓度增加或不一样盐种类对反胶团相产生相产生脱水效应脱水效应，反胶团含水率，反胶团含水率W0W0随随盐浓度增大而降低，盐浓度增大而降低，反胶团直径反胶团直径减小，减小，空间排阻作用空间排阻作用增大，蛋白质溶解率下增大，蛋白质溶解率下降降盐脱水效应盐脱水效应第16页p有机溶剂有机溶剂&助溶剂助溶剂l有机溶有机溶剂及助溶及助溶剂可影响可影响反胶反胶团尺寸尺寸l添加助溶添加助溶剂作用：作用：1.降低表面活性降低表面活性剂亲水水头部离子部离子间相互排斥作用，相互排斥作用，促促进反胶反胶团形成；形成；2.促使促使亲水性水性较强表面活性表面活性剂溶于有机相。常溶于有机相。常见助助溶溶剂有己醇和辛醇等有己醇和辛醇等。p表面活性剂种类和浓度表面活性剂种类和浓度l种种类：S种种类决定是否能在有机相中形成反胶决定是否能在有机相中形成反胶团，或反胶，或反胶团是否足是否足够大大l浓度：伴随度：伴随S浓度增加，形成反胶度增加，形成反胶团数量增加，所以，反胶数量增加，所以，反胶团相萃取相萃取容量或相容量或相间分配系数增加分配系数增加第17页反胶团萃取存在问题p反胶束萃取中反胶束萃取中蛋白蛋白质变性性问题（很多蛋白（很多蛋白质与表面活性与表面活性剂接触后，接触后，轻易易变性失活）：开性失活）：开发新型表面活性新型表面活性剂（如弱离子或非离子型表面活性（如弱离子或非离子型表面活性剂）p反萃取主要反萃取主要调整整pH值、盐种种类和和浓度，普通度，普通反萃取速率比萃取速率要反萃取速率比萃取速率要慢慢。第18页