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离子液体双水相萃取分离青霉素

编辑:管理员    发布时间:2016/7/11 11:23:10

离子液体双水相萃取分离青霉素

摘要建立了由亲水性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸[[Bmim]BF4NaH2PO4形成的双水相体系萃取青霉素G的新方法.考察了NaH2PO4浓度、青霉素浓度以及离子液体用量对双水相形成和萃取率的影响.结果表明,离子液体双水相体系的pH值在4~5范围内,在该条件下萃取过程不发生乳化现象.关键词离子液体磷酸盐双水相青霉素G萃取

    青霉素G是目前世界上产量最大且应用最为广泛的抗生素.传统的分离青霉素的方法为溶媒萃取法.以分子溶剂为萃取剂从滤液中分离纯化青霉素己得到广泛的研究与应用.工业上一般采用醋酸丁酷为萃取剂,在pH1.8~2.2时进行萃取.此生产工艺存在很多问题:青霉素在酸性水溶液中不稳定,容易发生降解而影响青霉素的收率和质量;滤液中的蛋白质在强酸性条件下变性而导致萃取过程严重乳化,影响两相分离;有机溶剂的挥发造成环境污染,且存在潜在的爆炸危险.

    双水相分配技术是近年来发展起来的提取和纯化生物活性物质的新型分离方法之一.一般而言,双水相系统(ATPS)是指把两种聚合物或一种聚合物与一种盐的水溶液混合在一起,由于聚合物与聚合物之间或聚合物与盐之间的不相溶性而形成互不相溶的两相.由于双水相技术操作条件温和,可连续操作,易于放大,愈来愈受到人们的关注.Guan等用聚乙二醇(PEG)2000/(NH4)2SO4双水相技术提取青霉素发酵液的结果表明,青霉素G的分配系数可达58.39,但如何有效回收双水相中的聚合物的难题没有得到解决.

    近年来,一种新型绿色溶剂—离子液体的出现引起各国学者的广泛关注.离子液体是指在由离子组成的室温时呈液态的液体,一般由有机阳离子和无机阴离子组成.改变阴阳离子组成,可以合成不同性质的离子液体,被称为“设计者溶剂”.离子液体几乎没有蒸气压,不挥发.离子液体分为疏水性和亲水性两种类型,研究表明,疏水性离子液体萃取红霉素得到很好的效果.

    Rogers等采用亲水性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑盐酸盐([B mim]Cl)和水合磷酸钾(K3PO4)可以形成上相富集离子液体和下相富集磷酸钾的双水相体系(ATPS).该双水相体系是由一种有机盐(亲水性离子液体)和一种无机盐(磷酸盐)形成,不同于传统意义的双水相体系.

本文以亲水性离子液体[[Bmim]BF4NaH2PO4·2H2O水溶液形成的双水相体系为研究对象,考察了影响双水相形成的因素以及青霉素G的萃取特性.特别考察了NaH2PO4浓度、青霉素浓度以及[[Bmim]-BF4的浓度对双水相的形成和萃取率的影响,同时考察了萃取体系pH值变化以及乳化现象.

结果与讨论

1磷酸盐浓度的影响

    室温下,青霉素G钾盐水溶液((5 mL, 49869 u/mL)和亲水性离子液体[[Bmim]BF4(2.5 g)形成均相体系,随着体系中NaH2PO4 ·2H2O浓度的增加,体系由均相逐渐变成两相,形成双水相体系.由图1可知,随着体系中NaH2PO4 ·2H2O浓度的增加,轻相体积逐渐减少,而重相体积逐渐增加,当NaH2PO4 ·2H2O的浓度在28%~30~(质量分数)时,两相体积各为50%在[Bmim]BF4 /NaH2PO4 ·2H2O形成的双水相体系中,当NaH2PO4 ·2H2O的浓度在27.1%~44.4%之间,体系的pH值位于4.72~4.05,即随NaH2PO4 ·2H2O的含量增加,体系pH值略有降低.由图2可知,


 

 

NaH2PO4 ·2H2O的含量在27.1%~44.4%时,在不改变体系pH值的情况下,轻相中青霉素的萃取率可以达到90.8~93.3%.随着体系中NaH2PO4 ·2H2O含量的增加,轻相中青霉素的萃取率逐渐上升.NaH2PO4 ·2H2O含量达到36%~38%时,萃取率达到最大值93.3%,随后青霉素的萃取率随NaH2PO4 ·2H2O含量的增加而降低.可能的说明是,在pH4.72~4.05的范围,青霉素以酸根形式存在于水溶液中.双水相的重相富含磷酸根,随着磷酸根含量的增加,磷酸根对青霉素的盐析作用加强「川,使青霉素富集于轻相的量增加.随着青霉素在轻相的量增加,青霉素和[[Bmim]BF4的空间排斥作用以及离子之间的电荷相互吸引产生盐溶作用,使得青霉素的萃取率降低.

分子溶剂醋酸丁酷是工业上广泛使用的萃取剂.醋酸丁酷萃取青霉素的pH值一般在1.82.2,青霉素在酸性环境下容易降解破坏,使萃取率降低.亲水性离子液体[Bmim]BF4NaH2PO4 ·2H2O形成的双水相体系萃取青霉素时的pH值在4.72~4.05之间,因此,萃取pH值的升高,青霉素降解率降低,可以提高萃取收率.

青霉素浓度的影响

    室温下亲水性离子液体[[Bmim]BF4 (2.5 g)和青霉素G钾盐水溶液形成均相体系,当体系中加入NaH2PO4 ·2H2O(5 g)时,体系由均相变成双水相.由图3可知,当青霉素的浓度逐渐增加时,轻相和重相体积几乎不发生变化,因此,双水相形成不受青霉素浓度的影响.因此,青霉素G钾盐作为一种盐类物质对双水相的形成影响不大.

 

 

 

    [Bmim]BF4(2.5 g)/NaH2PO4 ·2H2O (5 g)形成的双水相体系pH值为4.21.由图4可知,青霉素水溶液的浓度在30000~60000u/mL范围时,轻相中青霉素的萃取率可以达到91.3%~93 .5 %.随着体系中青霉素浓度的增大,轻相中青霉素的萃取率逐渐上升,青霉素的浓度为50000 u/mL时,萃取率达到最大值93.5%,随后青霉素的萃取率随青霉素浓度的增加而降低.因此,[Bmim]BF4/NaH2PO4 ·2H2O形成的双水相体系青霉素萃取的最佳浓度为50000 u/mL.

 

 

 

 

 

 

离子液体浓度的影响

    在NaH2PO4 ·2H2O(5 g)和青霉素G钾盐(5 mL,50936 u/mL)的水溶液中加入一定量离子液体[Bmim]BF4后形成双水相体系.从实验结果可知,双水相的轻相和重相体积之和大于试验最初加入的离子液体和青霉素水溶液体积之和.而且轻相和重相体积随体系中初始加入的离子液体的浓度而变化.为表征双水相中轻相和重相体积的变化,以轻相和每次试验初始加入离子液体体积的差值表示轻相体积的增加趋势,以重相和最初加入的青霉素水溶液体积的差值表示重相体积的增加趋势.由图5可知,随体系中[Bmim]BF4添加量的增大,轻相体积和加入的[[Bmim]BF4体积的差逐渐增大,而重相体积和初始青霉素水溶液体积的差逐渐减小.换言之,加入离子液体的量越少,重相体积增加越多.由于盐类物质的水合作用,使溶于水中的离子液体量增加,重相体积增大.[Bmim]BF4浓度越小,水合作用越明显.

 

 

 

 

 

 

    以[Bmim]BF4 /NaH2PO4 ·2H2O(5 g)/青霉素G钾盐水溶液((5 mL, 50936u/mL)形成的双水相体系萃取青霉素,当体系中离子液体的浓度为33%~67%(体积分数)时,体系pH值为4.41~4.09之间,青霉素萃取率达91.7%~93.7%.由图6可知,随体系中[Bmim]BF4的增大,轻相中青霉素的萃取率逐渐上升,当[[Bmim]BF4浓度达到4007045%时,萃取率达到93.7%,随后青霉素的萃取率逐渐降低.因此,由[Bmim]BF4 / NaH2PO4 ·2H2O形成的双水相体系萃取青霉素其离子液体最佳浓度为40%~45% .

 

 

乳化现象

    由亲水性离子液体[Bmim]BF4NaH2PO4 ·2H2O形成的双水相体系可在pH4.0~5.0之间萃取滤液中的青霉素,轻相中青霉素的萃取率可达91% .萃取过程未观察有乳化现象发生,和分子溶剂醋酸丁酷萃取青霉素不同.由于双水相体系萃取青霉素pH值较高,蛋白质不易发生变性,可以消除乳化现象.3结论

    (1)离子液体双水相可以有效萃取青霉素,轻相中青霉素萃取率可达93.7%.萃取率受成相盐浓度、初始青霉素浓度以及离子液体浓度的影响.萃取的最佳参数为NaH2PO4 ·2H2O 36%~38%(质量分数)、青霉素浓度50000 u/mL、离子液体40%~45%(体积分数).离子液体双水相萃取青霉素是一项高效分离青霉素的新技术.

    (2)离子液体双水相体系萃取青霉素的pH值在4~5之间,为弱酸性,青霉素降解率降低,萃取收率提高.萃取过程不发生乳化现象,有利于两相分离.

    (3)成相盐的种类和浓度以及初始离子液体的浓度影响双水相的形成.

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