再生型两水相体系成相与分配的分子调控机制及其应用研究

Aqueous Two-Phase Systems have advantagements of low interfacial tension, high water content, mild operation and easy scaling-up and show industrial application prospect in separation of bioproducts and bioconversion reaction. However, there are two difficult bottlenecks in application. One is recycle of phase-forming polymer,and the other is difficult control of uneven partition of middle and small molecules of bioproducts.Based on construction of recycling Aqueous Two-Phase Systems,this project focuses on exploring molecular mechanism of phase-forming and partition by using advanced analytical instruments,molecular simulation and mathmatical simulation methods, and then elucidates the relationship between microscopic, mesoscopic and macroscopic phenomena. Further,controlling uneen partititon of bioproducts in aqueous two-phase systems in the processes of carring out separation and bioconversion of bioproducts to improve separation and reaction efficiency. After the project success, this technology can be applied to industrial separation and bioconversion reaction of proteins, amino acids, organic acids, antibiotics, vitamins, natural active components, and can be used for replacing organic solvent extraction and ion exchange process in a part of bioproducts. It is important demonstration for downstream processing technology novelty and saving energy,reducing waste and reducing material consumption.

两水相体系由于低的界面张力，高水含量，温和的操作条件和易于放大等优点，用于萃取生物工程产品或执行生物催化反应显示出广阔的应用前景。然而，在发展中存在二个关键瓶颈问题：一是相体系回收困难，二是调控中小分子在两水相中的非均匀分配困难。本课题在已建立的再生型两水相体系基础上，以分子水平研究为着眼点，通过先进仪器测试和观测手段与分子模拟及数学模拟手段相结合，深入研究再生型两水相体系的成相及生物分子的分配规律，并用于解读宏观现象，形成微观-介观-宏观相统一的理论体系。将之用于生物工程产品两水相萃取与生物反应，提高萃取效率，或改善生物转化反应产率。这一课题获得成功后，可广泛应用于蛋白质、氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、天然植物有效成分的大规模提取以及生物酶相转移催化反应等，并在一定程度上替代有机溶剂萃取和部分产品的离子交换工艺。对于生物工程下游加工技术创新，节能减排降耗具有重要示范意义

再生型两水相萃取技术是利用特异性响应的聚合物构建两水相体系用于萃取分离的一种技术，它具有条件温和，环境友好，操作简单，易于放大等优势，对于生物产品萃取和生物催化反应有广阔的应用前景。本课题成功合成并优化了pH响应型和热型聚合物，并对其中两种pH响应型聚合物进行了大规模合成（500 L）。经测定聚合物性质稳定，回收率均能达到95%以上，且可通过一个条件进行回收，解决了长期困扰两水相体系工业化应用的相体系回收难问题。.将已构建的再生型两水相体系应用于抗生素及一些天然活性成分的萃取，通过改变聚合物浓度、pH、温度、盐离子浓度及添加顺序等条件改善其在两水相间的分配，分配系数有了明显提高，如林可霉素5.80、螺旋霉素4.75、灰树花β-葡聚糖7.49、聚赖氨酸4.21，柠檬酸的回收率达到了96.8%。.利用再生型两水相体系进行生物酶催化反应，相较于单水相中进行反应，合成得率均有所改善。纤维素酶降解纤维素的催化反应，糖化率达到70.57%，比单水相体系中提高了9.3%；利用固定化青霉素酰化酶催化合成头孢氨苄，最佳反应条件下产率为98.2%，而相同条件下的单水相体系产物最大得率仅为73.6%；头孢丙烯的酶催化反应，最佳产率达到了99.39%，水洗两水相结晶产物两次后得到产物纯度为88.02%，而相同条件下水相酶反应产物产率为77.61%。.利用先进的仪器探测技术和观测手段，从微观角度探究再生型两水相成相与分配机制。对两水相中水分子的流动性进行测定从而进一步考察了两水相的成相机理；对被分配的物质和盐或组成两水相体系的聚合物之间的相互作用，不同条件下成相后上下相水分的形态和含量，上下相表面张力和两水相体系的微观结构进一步阐述了物质在两水相体系中的分配机制。这一课题的成功，为有机酸、抗生素、天然植物有效成分的提取以及生物酶相转移催化反应的工业化应用奠定了基础，可在一定程度上替代有机溶剂萃取和部分产品的离子交换工艺。对于生物工程下游加工技术创新，节能减排降耗具有重要的示范意义。