CN102500460A - 一种气助超顺磁性萃取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气助超顺磁性萃取方法，其在气助萃取设备上进行，所述设备包括底部带有气体入口的气浮柱和气浮柱上方的磁铁，气浮柱中填充有一相或两相介质，将气体从气体入口通入气浮柱中，产生的气泡携带着所述一相或两相中的下相的选择性吸附有待分离混合物中的一种或多种组分的超顺磁性颗粒向上传递，进入泡沫相或所述上相中，形成富集相。经由所述气浮柱上方磁铁对少量富集相中的磁颗粒进行磁分离完成气助超顺磁性萃取过程。采用本发明的方法能够实现低能耗快速高度富集规模化稀溶液或极稀溶液体系中超顺磁性颗粒和复杂混合物体系中目标物的选择性萃取分离。

Description

一种气助超顺磁性萃取方法

技术领域

本发明涉及一种萃取方法，特别涉及一种气助超顺磁性萃取方法。

背景技术

磁性载体分离技术从20世纪70年代起发展起来，获得了长足发展。磁性载体分离是通过偶联在磁性载体表面的亲和配基、疏水基团、离子交换基团等对目标组分进行吸附，然后利用合适的磁性分离装置分离出来，并经过清洗、洗脱来直接快速的获得目标产物的新型分离技术。由于该技术具有操作简单，步骤少，选择性高，分离迅速，对母液要求不高等优点，因此被提出和广泛研究应用于免疫检测、细胞标记和分离、核酸分离、蛋白质纯化、废水处理、天然产物分离等领域。

目前，在分析检测这一应用领域方面，磁性载体分离已取得较大进展，但将该技术用于分离领域时由于分离对象绝大部分是稀溶液甚至极稀溶液，适度规模化处理时就面临着巨大的挑战。现有的磁分离装置要么处理量太少无法适应要求，要么放大后装置内空间磁场强度及梯度不够，导致空间内流动的弱磁性颗粒和超细磁性颗粒，尤其是纳米磁性颗粒，所受磁力太弱而不能被快速有效捕集。如何有效的处理大量含磁颗粒的稀溶液是磁性载体分离技术应用中的一个突出问题。

近几十年发展起来的气泡浮选技术又被称为气泡吸附分离技术，它是依据表面吸附的原理，以气泡作为载体使溶液中的颗粒、特定目标分子或离子等附着或吸附在“气-液”界面与母液分离的方法，曾于上世纪八十年代被美国列为十大化工新技术之一。该技术在颗粒方面的分离应用主要有：矿物、沉淀、胶体、塑料，并因此而发展出矿物浮选、沉淀浮选、胶体浮选、塑料浮选等新型浮选技术，尤其应用最广、最成功的是矿物浮选，为冶金工业发展做出了巨大的贡献。气浮分离技术用于分离不溶解的物质和疏水性颗粒，它具有装置简单、易于放大，可间歇操作及连续操作，能迅速处理大量试液同时进行分离富集，能耗低，易于实现连续化和自动化操作的优点。

近年来，气泡浮选技术与其他分离技术联用，取得了一定成果。

例如，阎永胜(气浮分离、固相萃取与光谱法联用及应用研究，阎永胜，中国科学院上海冶金研究所材料物理与化学(专业)博士论文，2000年度)对固-液分离富集技术(离子交换树脂为固相分离介质)与光谱法联用(树脂相光谱法)及溶剂浮选分离富集技术(惰性气体为动力)与光谱法联用(溶剂浮选光谱法)的综合研究发现：固相光谱法和溶剂浮选光谱法作为一种分离/富集技术与光谱法联用，具有集分离、富集、增敏、测定于一体的特点，具有高的灵敏度和选择性，特别适用于复杂样品、高纯物质低含量杂质及低组分环境水样的分析。

毕鹏禹等(一种分离富集发酵液中氨基酸的新方法：气浮络合萃取，毕鹏禹等，中国化学会第26届学术年会分析化学分会场论文集，2008年)结合了溶剂浮选和络合萃取技术各自的优点，首次提出了气浮络合萃取技术。运用这一技术对发酵液中的L-苯丙氨酸进行分离富集，取得了良好的效果。最优条件下的分离产物经过反萃取和重结晶得到了最终产物，经FTIR和HPLC的鉴定证明，该产物为高纯度L-苯丙氨酸。

基于类似原理，将气浮分离技术与磁性载体分离技术相耦合，发展“气助超顺磁性萃取”新模式，即首先用超顺磁性颗粒分散在溶液中选择性吸附目标物，然后采用气浮的方法将吸附了目标产物的磁性载体富集到气浮塔顶部(高浓度颗粒区或泡沫富集区)，再通过外加磁场从少部分液体里捕集回收磁性载体用于目标产物的洗脱。这样可以发挥磁性载体高选择性、易分离、操作简单以及气浮分离技术能耗低、装置简单、易放大和连续化操作的双重优势，实现稀溶液体系尤其是极稀溶液体系高效节能的规模化选择性分离。气助超顺磁性萃取技术及其设备的研究将是一个崭新的研究方向，对于促进磁性分离技术的发展和拓宽气泡吸附分离技术的应用领域均有着良好的理论意义和广阔的应用背景。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种气助超顺磁性萃取方法，采用本发明的方法能够实现规模化稀溶液和极稀溶液中超顺磁性颗粒的高度浓缩富集，实现复杂体系中目标成分的快速高选择性萃取分离。

本发明的气助超顺磁性萃取方法是在使用一种气助超顺磁性萃取设备上进行的，其中，所述设备包括底部带有气体入口的气浮柱和气浮柱上方的磁铁，气浮柱中填充有一相或两相介质，所述一相为含有吸附剂超顺磁性颗粒和待分离的生物制品或离子型物质的水相，所述两相：下相为含有吸附剂超顺磁性颗粒和待分离的生物制品或离子型物质的盐水相或水相，上相为含聚合物的水相或有机溶剂相，所述一相或两相中的下相可以加入表面活性剂。

将气体从气体入口通入气浮柱中，通入的气体通过气体分布器后进入所述的下层水相中进行鼓泡，在表面活性剂的辅助下(对无法随气泡上浮的磁颗粒而言)，产生微小的气泡携带着所述下相中的已平衡吸附有待分离的生物制品或离子型物质中的一种或多种目标组分的超顺磁性颗粒向上传递，通过水相界面富集于由气泡所形成的泡沫相或所述少量上相中，用所述气浮柱上方磁铁对少量富集相中的磁颗粒进行磁分离完成气助超顺磁性萃取过程。

所述下水相的体积占气浮柱的总体积的50～90％；上相的体积占气浮柱总体积的0.2～10％。

在本发明中，需要控制通入的气体的流量为大于0ml/min小于等于120ml/min；优选通入的气体的流量为0～20ml/min。如果通入的气体的速度过快，则很容易导致柱中液体溢出或富集相体积增大，如果通入的气体的速度过慢，又不利于磁颗粒的富集，因此，需要控制通入的气体的流量为大于0ml/min小于等于120ml/min；优选通入的气体的流量为0～20ml/min。

所述的气体可以选自任何不与水相、聚合物相和有机溶剂相中物质反应的任何气体，优选情况下，所述的气体选自空气或者惰性气体(如氮气、氩气)中的一种或多种。

按照本发明，所述下水相中的盐水相是由水和无机盐组成，其中盐水相中的无机盐的质量百分浓度范围为20～40％，盐的种类可以选用硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐中的一种或多种。

按照本发明，所述生物制品可以选自生物发酵液、生物提取液以及其他生化分离制品，一般情况下，所述生物发酵液可以选自含蛋白质、酶、核酸等有效成分的发酵液，生物提取液可以选自从天然产物或动物组织中提取出的蛋白质、酶、核酸、药效成分、医药中间体等有效成分的水提液；所述离子型物质可以选自磁性分离技术可适用的无机金属离子或非金属离子。

按照本发明，所述超顺磁性颗粒选自包埋有超顺磁性载体并偶联有能选择性吸附上述分离体系中目标组分亲和基团的纳米级或微米级颗粒，粒径优选10nm-500μm，所述亲和基团指偶联在载体表面的能选择性吸附目标组分的亲和配基、疏水基团、离子交换基团或者生物质本身的配基，也可以是包埋磁性载体后颗粒本身所具有的亲和基团。对于目标物质为蛋白质、酶体系，考虑到Cu²⁺、Zn²⁺、三嗪染料CB等是成本较低、较易获得且亲和效果好的亲和配体，优选此三种亲和配体。

按照本发明，所述表面活性剂可以选自阳离子型、阴离子型和非离子型表面活性剂中的一种或多种，所述阳离子表面活性剂为季胺盐类，优选为十八烷基三甲基溴化铵、十六烷基二甲基氯化铵等；所述阴离子型表面活性剂为硫酸盐类、磺酸盐类，优选为十二烷基硫酸钠、直链烷基苯磺酸钠等；所述非离子表面活性剂优选脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙二醇400等。

按照本发明所述聚合物相是聚合物的水溶液，其中聚合物的质量百分浓度为40～60％，所述聚合物可以选自聚乙二醇(PEG)、聚氧乙烯-聚氧丙烯无规共聚物或者聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物中的一种或多种。

所述有机溶剂相是有机溶剂，所述的有机溶剂选自C₆～C₁₂的烷烃、芳烃、取代烷烃、醇类、酮类、醚类、酯类、膦类、胺类中的一种或多种。

所述磁铁为永磁铁或可在有磁无磁状态切换的电磁铁，优选使用能耗低的永磁铁。磁铁可以上下自由移动，也可以从柱中取出来。

所述的气体分布器是常用的砂芯漏斗等，优选孔径为4～70微米的砂芯漏斗。如本领域常用的型号为G1系列的孔径为50～70微米的砂芯漏斗，型号为G2系列的孔径为30～50微米的砂芯漏斗，型号为G3系列的孔径为16～30微米的砂芯漏斗，型号为G4系列的孔径为4～7微米的砂芯漏斗。

为了便于鼓气操作，实现所述气助超顺磁性萃取方法的萃取设备还可以包括辅助设备，例如转子流量计、缓冲罐和气瓶；其中，所述的气瓶通过管路与所述的缓冲罐的进气口相连通，缓冲罐的气体出口通过管路与所述的气浮柱底部的所述气体入口相连通，向气浮柱中提供气体；在所述的缓冲罐的气体出口与所述的气浮柱底部的所述气体入口相连通的管路上安装有所述的转子流量计，同时可进一步在该管路上安装装调节阀门，并可以通过转子流量计控制气体流量。此外，气泡的大小可以通过调节气体分布器的孔径大小以及气体流量来实现控制，制造方便。

为了便于取样和富集相的收集，在下水相和上相分别设置有第一、二、三取样孔和料液出口。

本发明的萃取方法优选为以间歇进料的方式，首先将适量超顺磁性颗粒和表面活性剂加入待分离混合物体系，吸附足够时间达到平衡吸附，然后依次将该水相、聚合物相或有机溶剂相缓慢注入气浮柱中，接着从气浮柱的底部通入气体进行鼓泡，在表面活性剂的辅助作用下，产生的气泡使得所述水相中的超顺磁性颗粒附着于上升的微小气泡向上传递，并从水相富集于上方的聚合物相或有机溶剂相或直接以泡沫相富集，最后将富集相取出，再用磁铁对少量富集相进行磁分离，为便于操作，可以将磁铁下放与富集相有少许接触从而达到边富集边磁分离，效果更好。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

气瓶中的气体通过减压阀经转子流量计控制气速，气体在经过气浮柱底部的气体分布器时，被分散为许多微小气泡，被表面活性剂疏水化改性的饱和吸附有待分离目标组分的超顺磁性颗粒通过气泡表面的吸附、气泡液膜夹带等作用，不断向上运动，如果气浮柱中只添加水相，则在表面活性剂的稳定作用下夹带着磁颗粒的微小气泡自身不断聚集形成泡沫相，由于泡沫上磁颗粒的浓度很高，而形成泡沫的液体量很少，从而实现了磁颗粒从稀溶液体系的高度富集；如果上层有聚合物相或有机溶剂相，则夹带着磁颗粒的微小气泡在此相破裂，液膜聚集形成水滴返回下水相，而超顺磁性颗粒由于疏水或跟聚合物相中聚合物发生相互作用而赋存于有机溶剂相或聚合物相中，由于气泡不断把超顺磁性颗粒从下水相通过相界面运载到少量的上相并赋存于上相，从而实现超顺磁性颗粒的高度富集，且富集比只取决于上下两相的体积比。

对于不同的待分离混合物体系和不同种类的超顺磁性颗粒，通过调节外部工艺参数如：表面活性剂的种类和用量、PH值、离子强度、气体流速、气泡大小等使超顺磁性颗粒具更大疏水性或表面活性和气泡具更大的夹带能力，从而达到更高的富集比，大大降低了磁分离时的实际处理量，而且由于磁性颗粒浓度更高，磁分离更容易更彻底。

本发明提供的气助超顺磁性萃取方法耦合了气浮萃取技术和磁性载体分离技术，集成了二者的分离优势，很好地克服了现有磁性分离设备对弱磁性物质的捕获不完全和处理量太少的局限，既能够适应于稀溶液甚至极稀溶液分离体系的规模化处理，又能够实现分离过程的高选择性、快速、操作简单，由于采用较小规模的磁分离装置即可实现大量原料的磁分离，所以大大降低了在昂贵的磁分离设备上所投入的生产成本。

附图说明

图1为包括辅助设备的本发明的三相溶剂气助萃取设备结构示意图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

附图1中，附图标记表示如下：

1.水相          2.有机溶剂相或聚合物相  3.永磁铁

4.气浮柱        5.气体分布器            6.第一取样孔

7.第二取样孔    8.第三取样孔            9.料液出口

10.气瓶         11.缓冲罐               12.转子流量计

实施例1

参见图1，本发明所述的气助超顺磁性萃取设备，包括底部带有气体入口的气浮柱4(气浮柱内径为14mm，总长为450mm)，在所述的气浮柱4的顶部设置有强磁性的永磁铁3；所述气浮柱填充有一相介质，所述一相为含待分离混合物和超顺磁性颗粒和表面活性剂的水溶液，所述底部的气体分布器5采用本领域常用的型号为G4规格的孔径为4～7微米的砂芯漏斗。

所述水相的体积占气浮柱4的总体积的60％。

气瓶10通过管路与缓冲罐11的进气口相连通，缓冲罐11的气体出口通过管路与所述的气浮柱4底部的所述气体入口相连通，向气浮柱4中提供气体；在所述的缓冲罐11的气体出口与所述的气浮柱4底部的所述气体入口相连通的管路上安装有转子流量计12，在该管路上安装调节阀门，并可以通过转子流量计控制气体流量。

在所述的下水相设置有第一取样孔6、第二取样孔7、第三取样孔8；在其上部设置有料液出口供富集相流出。

利用上述萃取设备进行气助超顺磁性萃取：

对作为待分离的蛋白质牛血清白蛋白的模拟体系进行了气助超顺磁性萃取，所述超顺磁性颗粒选取用表面螯合有铜离子作为亲和基团的超顺磁性SiO₂颗粒，平均粒径为120nm；所述表面活性剂为阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠。

具体操作方式为：在间歇操作的情况下，将1g超顺磁性SiO₂颗粒加入到含100mg/L牛血清白蛋白的稀的缓冲溶液(PH4.7，采用醋酸钠-醋酸缓冲体系)中，在不断搅拌下吸附4小时，接着加入少量表面活性剂十二烷基硫酸钠，搅拌片刻，然后将溶液通过气浮柱顶部缓缓注入气浮柱4内；打开气瓶，调节转子流量计的流速，在1ml/min的气速下，将氮气从所述的气浮柱底部的所述气体入口连续向气浮柱中鼓气15分钟，通入的氮气通过所述的砂芯漏斗后进入所述的含平衡吸附有牛血清白蛋白的超顺磁性SiO₂颗粒的水溶液中进行鼓泡，在表面活性剂的辅助作用下，产生的气泡携带着磁性颗粒向上传递，通过相界面以泡沫的形式富集；在气助萃取过程中，每隔2分钟，从各个取样口取样分析水相中的超顺磁性SiO₂颗粒浓度变化，直至浓度降至最低，或较长时间不变为止。为便于计算泡沫相的量，可以将气浮柱上方的磁铁去除并封堵住，以便于泡沫从料液出口9中流出，待泡沫全部消除后量取其体积以测定富集比，然后用磁铁对上述消泡后的溶液进行磁分离，计算磁性颗粒的回收率。

结果表明：气助萃取15分钟后，水相中超顺磁性SiO₂颗粒的浓度保持不变，其回收率为：88％，富集比(水相与消泡后泡沫相的体积比)为：102∶1。

实施例2

采用实施例1的气助超顺磁性萃取设备及工艺进行气助超顺磁性萃取，其中的不同之处是：待分离对象由生物质换为离子型物质铜离子的模拟水溶液体系(PH7.6)，超顺磁性颗粒为：柠檬酸钠修饰的Fe₃O₄颗粒，表面活性剂为：阳离子表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵。

具体操作方式为：在间歇操作的情况下，将2g柠檬酸钠修饰的Fe₃O₄颗粒加入到含50mg/L铜离子的稀溶液(PH7.6)中，在不断搅拌下吸附3小时，接着加入极少量表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵，搅拌片刻，然后将溶液通过气浮柱顶部缓缓注入气浮柱4内；打开气瓶，调节转子流量计的流速，在1ml/min的气速下，将氮气从所述的气浮柱底部的所述气体入口连续向气浮柱中鼓气3分钟，通入的氮气通过所述的砂芯漏斗后进入所述的含平衡吸附有铜离子的柠檬酸钠修饰的Fe₃O₄颗粒的水溶液中进行鼓泡，在表面活性剂的辅助作用下，产生的气泡携带着磁性颗粒向上传递，通过相界面以泡沫的形式富集；在气助萃取过程中，每隔30秒，从各个取样口取样分析水相中的柠檬酸钠修饰的Fe₃O₄颗粒浓度变化，直至浓度降至最低，或较长时间不变为止，也可以通过肉眼观看溶液颜色的变化来推断。为便于计算泡沫相的量，可以将气浮柱上方的磁铁去除并封堵住，以便于泡沫从料液出口9中流出，待泡沫全部消除后量取其体积以测定富集比，然后用磁铁对上述消泡后的溶液进行磁分离，计算磁性颗粒的回收率。

结果表明：在气助萃取2分钟后，溶液中柠檬酸钠修饰的Fe₃O₄颗粒几乎完全被富集到泡沫相，水相很澄清，其回收率为：99％，富集比为：180∶1。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种气助超顺磁性萃取方法，所述方法使用气助超顺磁性萃取设备，其特征在于，所述设备包括底部带有气体入口的气浮柱和气浮柱上方的磁铁，气浮柱中填充有一相或两相介质，所述一相为含有吸附基团的超顺磁性颗粒和待分离的水相料液(料液中含有待分离的生物产品或离子等靶向物质)，所述两相：下相为含有吸附基团的超顺磁性颗粒和待分离的生物产品或离子等靶物质的水相或盐水相，上相为含聚合物的水相或有机溶剂相，所述一相或两相中的下相任选地加入表面活性剂；

将气体从气体入口通入所述气浮柱中，通入的气体通过气体分布器后进入所述的下层水相中进行鼓泡，在任选地表面活性剂的辅助下，产生的气泡携带着所述下相中的已平衡吸附有待分离的生物制品或离子型物质中的一种或多种目标组分的超顺磁性颗粒向上传递，通过水相界面富集于由气泡所形成的泡沫相或所述少量上相中，由所述气浮柱上方磁铁对少量富集相中的磁颗粒进行磁分离完成气助超顺磁性萃取过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，下相的体积占气浮柱的总体积的50～90％；上相的体积占气浮柱总体积的0.2～10％。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，需要控制通入的气体的流量为大于0ml/min小于120ml/min，优选通入的气体的速度为0～20ml/min；所述的气体选自空气或者惰性气体(如氮气、氩气)中的一种或多种。

4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述生物产品选自生物发酵液、生物提取液以及其他生化分离制品；所述离子型物质选自无机金属离子或非金属离子；

所述生物发酵液选自含蛋白质、酶、核酸的发酵液；

所述生物提取液从天然产物或动物组织中提取出的蛋白质、酶、核酸、药效成分、医药中间体的水溶液。

5.根据权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述超顺磁性颗粒选自包埋有超顺磁性载体并偶联有能选择性吸附上述分离体系中目标组分亲和基团的颗粒，粒径为10nm-500μm；

优选地，当目标物质为蛋白质或酶体系时，优选Cu²⁺、Zn²⁺、三嗪染料CB为亲和配体。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述亲和基团指亲和配基、疏水基团、离子交换基团或者生物质本身的配基，或包埋磁性载体后颗粒本身所具有的亲和基团。

7.根据权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，所述表面活性剂选自阳离子型、阴离子型和非离子型表面活性剂中的一种或多种；

所述阳离子表面活性剂为季胺盐类，优选十八烷基三甲基溴化铵、十六烷基二甲基氯化铵；

所述阴离子型表面活性剂为硫酸盐类、磺酸盐，优选十二烷基硫酸钠、直链烷基苯磺酸钠；

所述非离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙二醇400。

8.根据权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述聚合物相是聚合物的水溶液，其中聚合物的质量百分浓度为40～60％，所述聚合物可以选自聚乙二醇(PEG)、聚氧乙烯-聚氧丙烯无规共聚物或者聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物中的一种或多种。

9.根据权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂相是有机溶剂，所述的有机溶剂选自C₆～C₁₂的烷烃、芳烃、取代烷烃、醇类、酮类、醚类、酯类、膦类、胺类中的一种或多种。

10.根据权利要求1-9之一所述的方法，其特征在于，所述的气体分布器是砂芯漏斗；优选孔径为4～70微米的砂芯漏斗。

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