双水相萃取技术在生物制药中的应用

双水相萃取技术在生物制药中的应用

孙丰晓

身份证号：370302198706087718

摘要：本研究探讨了双水相萃取技术在抗生素、天然组分提纯以及生物制药工业中的应用。研究发现疏水作用力是影响抗生素提纯的主要因素，而双水相萃取技术在分离丙酞螺旋霉素和葛根素时表现出高效率。此外，该技术在电泳分离氨基酸小分子方面也显示出潜力。研究还指出，开发新型双水相体系、集成化技术以及循环利用成相聚合物是提高双水相萃取效率和降低成本的关键。

关键词：双水相萃取技术；生物制药；抗生素提纯

引言

分离提纯技术在基因工程、蛋白质工程等高新生物技术领域中得到了广泛应用。然而，这些技术对生化分离技术提出了更为严格的要求，特别是操作步骤的复杂性增加、处理时间的延长，这些因素严重制约了生物技术的工业化进程。通过分析双水相萃取技术的特点——其温和且高效的分离提纯过程，以及在提纯过程中不会导致物质失活或破坏的优势，我们可以预见，随着该技术集成工艺的不断完善，双水相萃取技术在生物领域的应用前景将更加广阔。

1双水相萃取技术作用机理

1.1作用机理

双水相萃取技术，与水的有机萃取技术相似，基于待萃取物质在两种不同性质的相之间选择性适配的原理。由于两相的表面性质和化学键存在差异，导致待萃取物质在两相中的浓度发生变化。通过测定萃取物质在两相中的浓度比，即分配系数K值，可以实现物质的分离和提纯。自1995年起，双水相萃取技术已在生物工程领域得到应用，研究者们利用该技术研究了聚乙二醇和葡聚糖的萃取分离过程，以及聚乙二醇与盐系统的提纯分离过程。经过近二十年的发展，双水相萃取技术已形成两大基本模型：一是基于热力学作用原理的品格模型，通过聚合相作用研究蛋白质等物质的分离提纯；二是渗透维里模型，通过粒子能量功能，研究逆流层析、双水相亲和分离等应用。

1.2双水相萃取分离特点

该技术的主要特点包括温和的适应条件、简便的操作流程和高萃取效率。由于主要成分是水，它不会破坏溶质，且在常温下操作简便，无需额外蒸馏处理。双水相萃取技术的回收率可达到90%，分离速率快，且在适宜条件下分离提纯倍数可达到20倍。其作用机理基于两相溶质亲水程度的差异，导致相分离，亲水性差异越大，分离速率越快。与传统有机萃取方法相比，双水相萃取体系的界面张力较低，通常在10^-1到10^-3 N/m之间，使得两相水溶液的张力较小，从而实现了常温下简便操作和温和条件的特点。

2双水相萃取技术在生物制药中的应用

双水相萃取技术在生物制药领域中，特别是在分离和纯化蛋白质、酶、细胞膜、核酸和天然成分等方面，展现出了广泛的应用前景。

2.1双水相萃取技术在提纯分离蛋自质中的应用

该技术最早应用于蛋白质和酶的纯化，与传统萃取技术相比，它能有效避免蛋白质和酶的变性失活。例如，使用PE 64000/磷酸盐萃取液从细胞破碎液中分离青霉素酞化酶，萃取率可达90%以上，且纯度高。利用PEG/(NH4)2SO4双水相体系从发酵液中萃取α-淀粉酶等，回收率可达60%，活性比原发酵液高出1.5倍。

2.2双水相萃取技术在分离抗生索中的应用

在分离抗生素方面，双水相萃取技术也显示出显著优势。例如，使用PEG3350/KZHPO4溶液萃取青霉素G发酵液，青霉素G的分配系数可达到1314.5，萃取率高达97%。研究发现，疏水作用力是影响抗生素提纯分离的主要因素。同样，双水相萃取技术用于从发酵液中分离丙酞螺旋霉素时，通过选择适当的双水相体系，丙酞螺旋霉素的提纯效率可达69.2%。

2.3双水相萃取技术在提纯天然组分中的应用

双水相萃取技术在提纯天然组分方面也发挥着关键作用。例如，在研究葛根素在PEG/(NHQ)ZSO4双水相体系以及丙酮/KZHPO4溶液中的分离特性时，发现葛根素的分配系数可达到148.2，萃取回收率超过99%。在其他双水相萃取体系的应用中，研究人员利用该技术进行电泳分离氨基酸小分子的研究，发现通过配置自由流动性电泳即可实现核内体的溶解分离，无需两相分离即可提纯小分子氨基酸。

2.4其他双水相萃取体系的应用

通过混合季钱盐型阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂形成新型双水相体系，可以检测低浓度和痕量成分，具有操作简单、检测速度快等优点，且由于低浓度表面活性剂的使用，不会导致生物活性物质变形失活，适用于分离提纯过程。

3双水相萃取技术的研究

分离提纯技术的水平直接关系到生物制药工业化的进展。数据显示，几乎90%的生物制品依赖于萃取分离过程。因此，开发效率更高、技术更为可靠分离提纯技术，是确保生物制药工业化高效、快速发展的关键前提。

3.1新型双水相萃取体系的研发

双水相萃取体系在生物制药中的应用主要涉及聚合物/聚合物/水和聚合物/无机盐/水两种类型。尽管聚合物/聚合物/水体系成本较高，不利于工业化生产，而聚合物/无机盐/水体系则因无机盐废弃液对环境的潜在危害而面临挑战。因此，未来研发方向集中在开发廉价型双水相体系，通过使用成本较低的高聚物如羟基纤维素替代昂贵的聚乙二醇（PEG），或采用乙烯基氧与丙烯基氧的聚合物形成温敏性双水相溶液，以降低工业化应用成本。此外，研发绿色清洁的双水相萃取体系是实现工业化生产的关键。当前研究利用廉价替代品如变性淀粉、糊精、麦芽糖和聚乙烯醇等，展示了工业化应用的潜力。离子液体双水相体系作为一种新兴技术，因其低粘度、快速分离提纯和可回收性，也被认为是双水相萃取技术未来的发展方向。

3.2双水相萃取技术的集成化与糊合

尽管生物分离萃取技术在应用上广泛，但其工业化应用仍受到乳化现象、分离提纯耗时长和成相聚合物成本高昂等问题的限制。通过与其他技术的集成融合，可以克服这些缺陷并发挥集成系统的各项优势。例如，将萃取技术与磁场、超声波和气溶胶技术结合，可以提高萃取速率并避免有机溶质乳化，有助于工业化生产。同时，与亲和沉淀、层析等生化分离技术的集成，以及与生物转化、化学渗透和电泳技术的结合，可以使萃取过程更简洁高效，解决批量生产难题，并为细胞、酶的回收利用提供有效途径。

3.3成相聚合物循环利用

为降低生产成本并促进双水相萃取技术的规模化发展，关键在于确保成相聚合物的循环使用。研究发现，在成相聚合物中加盐可形成新的萃取体系，使酶向富盐相偏移，从而实现聚合物的循环利用。例如，通过调整氯化钠溶液的配比，可以改变牛血清蛋白在双水相体系中的位置，实现相偏移效果。超滤技术配合适当的超滤膜，可以过滤出PEG小分子，阻隔蛋白大分子，进一步实现PEG组分的循环利用。此外，通过吸附、电泳和离子交换等方法，利用蛋白质与PEG电性质的差异，也可实现成相聚合物的循环利用。双水相技术还被用于电泳过程中分离氨基酸的研究，以及通过亲和分配与双水相萃取技术结合使用，有效节省PEG用量。利用表面活性剂组成的双水相萃取体系进行成分分离检测，由于表面活性剂含量少，不会影响生物活性物质活性，因此适用于生物活性物质的分离提纯。

4结语

双水相萃取技术在生物制药领域展现了显著的优势，特别是在蛋白质、酶、抗生素和天然组分的提纯分离中。该技术不仅提高了萃取效率和产品纯度，还避免了传统方法中可能发生的生物活性物质变性失活问题。未来的研究方向将集中在开发成本更低、环境友好的新型双水相体系，以及通过技术集成和循环利用成相聚合物来进一步优化工业化生产过程。随着这些技术的不断进步和应用，生物制药工业化的效率和可持续性将得到显著提升。

参考文献

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