沉淀与结晶

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如:现有20ml料液,饱和度为20%,以加固体硫酸铵的 方式盐析,需要达到的硫酸铵饱和度为40%,问需要 加入多少固体硫酸铵?
盐析饱和度(Saturation)的概念: 以硫酸铵为例:250C时,硫酸铵的饱和溶解度是767g/L
定义为100%饱和度。(50%饱和度?)
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25℃硫酸铵水溶液由原来的饱和度达到所需饱和度 时,每升硫酸铵水溶液应加入固体硫酸铵的克数
PS:不同的pr结构不同,溶解度不同,盐所需要的 浓度也不同-分级沉淀。
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2.3 盐析过程 2.3.1离子强度对盐析过程的影响
(1) Cohnx经验公式
log S Ks I β,Ks—常数
S—蛋白质溶解度,mol/L; I—离子强度 c:离子浓度;Z:离子化合价
I 1
(3)由于在等电点附近,溶质仍然有一定的溶 解度,等电点沉淀法往往不能获得高的回收率, 因此等电点沉淀法通常与盐析、有机溶剂沉淀 法联合使用
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5.其它沉淀法
(1)非离子型聚合物沉淀法(PEG) (2)聚电解质沉淀法:聚丙烯酸 (3)金属离子沉淀法 (4)有机酸沉淀法:鞣酸、TCA等,可与有机分子的碱性
固体有两种状态:结晶和无定形 结晶:析出速度慢,溶质分子有足够时间进行排列,粒子排列
有规则 无定形固体:析出速度快,粒子排列无规则
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典型的晶体结构
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2.结晶操作的特点
(1)只有同类分子或离子才能排列成晶体,因此 结晶过程有良好的选择性。
通过结晶,溶液中大部分的杂质会留在母液 中,再通过过滤、洗涤,可以得到纯度较高 的晶体。
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2.4.3常用的盐析用盐
硫酸铵:溶解度大(767g/L),对T不敏感、分级 效果好,对蛋白有稳定作用,价廉;具腐蚀性且缓 冲能力差,
硫酸钠 磷酸盐 柠檬酸盐
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2.5影响盐析的因素
(1)溶质种类的影响:Ks和β值 (2)溶质浓度的影响:
蛋白质浓度大,盐的用量小,共沉作用明显,分辨 率低;
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4.结晶步骤
4.1一般步骤 过饱和溶液的形成 晶核的形成 晶体生长
其中,溶液达到过饱和状态是结晶的前提;过 饱和度是结晶的推动力。
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4.2温度与溶解度的关系
由于物质在溶解时要吸收热量、结晶时要放 出结晶热。因此,结晶也是一个质量与能量 的传递过程,它与体系温度的关系十分密切。
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3 有机溶剂沉淀
3.1概念:在含有溶质的水溶液中加入一定量亲水的 有机溶剂,降低溶质的溶解度,使其沉淀析出。
3.2原理:
(1)降低了溶质的介电常数,使溶质之间的静电引 力增加,从而出现聚集现象,导致沉淀。
(2)由于有机溶剂的水合作用,降低了自由水的浓 度,降低了亲水溶质表面水化层的厚度,从而降 低了亲水性,导致脱水凝聚-破坏水化膜。
(2)结晶过程具有成本低、设备简单、操作方便, 广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、 核酸等产品的精制。
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3.结晶过程分析
3.1基本概念
饱和溶液:当溶液中溶质浓度等于该溶 质质在同等条件下的饱和溶解度时,该 溶液称为饱和溶液;
过饱和溶液:溶质浓度超过饱和溶解度 时,该溶液称之为过饱和溶液;
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(2)加饱和硫酸铵溶液
V V S2S1 0 S 3S 2
V-加入体积;V0-原液体积 S3-所加硫酸铵的饱和度 S2-需要达到的硫酸铵的饱和度 S1-原液硫酸铵的饱和度
PS:操作时注意事项
a. T b.分级盐析 c. 条 件 严 格 控 制 ( 有 重 复性) d.静止0.5-1h后过滤或 离心(沉淀完全) e.搅拌
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ci Zi2
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(2)β和Ks的物理意义
β-盐浓度为0时,蛋白质溶解度的对数值。 与蛋白质种类、温度、pH值有关,与盐无关;
Ks—盐析常数,与蛋白质和无机盐的种类有 关,与温度、pH值无关。
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2.3.2盐析的方法
Ks盐析法(分级沉淀):在一定pH和温度下, 改变体系离子强度进行盐析的方法;
(1)分辨率高; (2)溶剂容易分离,并可回收使用;产品洁净; (3)容易使蛋白质等生物大分子失活;
(4)应注意在低温下操作;
(5)成本高
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3.5常用的有机溶剂沉淀剂
(1)乙醇:
沉淀作用强,挥发性适中,无毒常用于蛋白质、核酸、 多糖等生物大分子的沉淀;
(2)丙酮:沉淀作用更强,用量省,但毒性大,应用范围
加沉淀剂→陈化→分离(过滤或离心)
2.盐析法
2. 1基本概念: 盐析:在高浓度的中性盐存在下,蛋白质(酶)等生 物大分子物质在水溶液中的溶解度随盐浓度的升高会 急剧下降,并产生沉淀,这种现象称为盐析。
盐溶:在低盐浓度下,蛋白质的溶解度随盐浓度的 升高,溶解度略有上升,这种现象称为盐溶。
2.2 盐析原理
功能团形成复合物而沉淀 (5)选择性变性沉淀 a.选择性酸碱变性(TCA) b.热稳定性不同-热变性 c.表面活性剂或有机溶剂选择性变性(SDS、氯仿)
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结晶技术
1.结晶的概念 溶液中的溶质在一定条件下,因分子有规则的排列而结合成 晶体。
特征:晶体的化学成分均一,具有各种对称的晶体,离子和 分子在空间晶格的结点上呈规则的排列.
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沉淀法
1. 概述
(1)定义:利用沉淀剂使所需提取的生化物质或杂质 在溶液中的溶解度降低而形成无定形固体沉淀的过 程。
(2)特点:操作简单、经济、浓缩倍数高 (3)缺点:针对复杂体系而言,分离度不高、选择性
不强;杂质含量高 (4)种类:盐析、有机溶剂沉淀、等电点沉淀、非离
子型聚合物沉淀、金属离子沉淀法等 (5)一般操作过程
目标蛋白与杂质带有相同的电荷,pI附近;稳定性好 (4)离子强度:
离子强度低有利于沉淀,0.01-0.05mol/L (5)样品浓度: 0.5-2%
稀:溶剂用量大,回收率低,但共沉淀作用小 浓:节省溶剂用量,共沉作用强,分辨率低
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4.等电点沉淀
4.1概念:
调节体系pH值,使两性电解质的溶解度下降, 析出的操作称为等电点沉淀。
(1)首先需要了解生物大分子在水溶液中的存 在状态-蛋白质溶于水的原因
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a.两性电解质,由于静电力的作用,分子间相互排 斥,形成稳定的分散系。
b.蛋白质周围形成水化膜,保护了蛋白质粒子,避 免了相互碰撞。
(2)原理
a.盐离子中和pr分子表面电荷,静电斥力减弱。
b.盐亲水性大于pr亲水性-破坏Baidu Nhomakorabea化模
盐析作用要强 盐析用盐需有较大的溶解度 盐析用盐溶解度受T影响小 盐析用盐必须是惰性的 来源丰富、经济
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2.4.2一般的规律为 在相同离子强度下,盐的种类对蛋白质溶解度 的影响有一定差异: 半径小的高价离子的盐析作用较强,半径大 的低价离子作用较弱 (Ks)磷酸钾>硫酸钠>硫酸铵>柠檬酸钠 >硫酸镁
沉淀与结晶
Precipitation and Crystallization
沉淀法与结晶法都是将溶质以固体形式从溶液中 析出的方法,若析出的是晶体,则称为结晶;析出 的是无定形物质,则称为沉淀。
沉淀和结晶本质上同属一个过程,都是新相析出 的过程,两者的区别在于构成单位的排列方式不同 ,晶体的原子、离子或分子排列是规则的,而沉淀 是不规则的。沉淀和结晶通常被统称为固相析出技 术。
c.加入晶核后,溶质在晶核周围聚集、排列,溶质浓 度降低,并降至SS线;
d.介于饱和溶解度曲线和过饱和溶解度曲线之间的区 域,可以进一步划分刺激结晶区和养晶区
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(2)不稳定区
在TT曲线的上半部的区域称为不稳定区,在该区域任意一 点溶液均能自发形成结晶,溶液中溶质浓度迅速降低至SS 线(饱和); 晶体生长速度快,晶体尚未长大,溶质浓度便降至饱 和溶解度,此时已形成大量的细小结晶,晶体质量差;
因此,工业生产中通常采用加入晶种,并将溶质浓度控制 在养晶区(亚稳定区),以利于大而整齐的晶体形成。
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(3)影响溶液过饱和度的因素
a.饱和曲线是固定的
b.不饱和曲线受搅拌、搅拌强度、晶种、晶种大小和多少、 冷却速度的快慢等因素的影响
(4)结晶与溶解度之间的关系
晶体产量取决于溶液与固体之间的溶解—析出平衡; 固体溶质加入未饱和溶液——溶解; 固体溶质加入饱和溶液——平衡(Vs=Vd) 固体溶质加入过饱和溶液——晶体析出
3.4 晶体的形成
形成新相(固体)需要一定的表面自由能。因此, 溶液浓度达到饱和溶解度时,晶体尚不能析出, 只有当溶质浓度超过饱和溶解度后,才可能有晶 体析出。
首先形成晶核,由Kelvin公式,微小的晶核具有 较大的溶解度。实质上,在饱和溶液中,晶核是 处于一种形成—溶解—再形成的动态平衡之中, 因此,只有达到一定的过饱和度以后,晶核才能 够稳定存在。
蛋白质浓度小,盐的用量大,共沉作用小、分辨率 高
(3)pH值:影响蛋白质表面净电荷的数量 通常调整体系pH值使其在pI附近;且pr稳定性好
(4)盐析温度-常温 一般在高盐浓度下,温度升高,其溶解度反而下降
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2.6硫酸铵盐析操作
(1)固体加入法: 以少量多次方式缓慢加入硫酸铵,其用量由表可得。
不广;
V V S2S1 0 S 3S 2
(3)甲醇 介电常数小,60%乙醇的介电常数是48; 丙酮的介电常数是22;容易获取
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3.6影响有机溶剂沉淀的主要因素
(1)温度-预冷 低温有利于防止溶质变性;有利于提高收率(溶解度下降); (有机溶剂溶于水放热)
(2)搅拌速度-散热 (3)溶液pH值:
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4.4过饱和溶液的形成
(1)冷却
a.适用于溶解度随温度升高而增加的体系;同 时,溶解度随温度变化的幅度要适中。如: L-脯氨酸浓缩液至4℃,放置4h,大量晶体 析出。
β盐析法(分级沉淀) :在一定离子强度下, 改变pH和温度进行盐析; 化其非中常,敏K感s盐,析易法产由生于共蛋沉白淀质现对象离,子因强此度常的用变于 提取液的前处理。 而β盐析法由于溶质溶解度变化缓慢,且变化 幅度小,因此分辨率更高,常用于初步的纯化。
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2.4.盐析用盐的选择 2.4.1选用盐析用盐的几点考虑
4.2原理:
蛋白质是两性电解质,当溶液pH值处于等电点 时,分子表面净电荷为0,双电层和水化膜结构 被破坏,由于分子间引力,形成蛋白质聚集体, 进而产生沉淀。
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操作时的注意事项:
(1)由于无机离子的影响,蛋白质的等电点通 常会发生“漂移”,阳-高,阴-低
(2)溶质的稳定性
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(3)加有机溶剂后,pr等分子的空间结构可能发 生变化,使内部疏水基团部分外露,并与有机溶剂 的疏水基团结合成疏水层,从而使蛋白沉淀。
3.3溶剂选择
介电常数要小 致变性作用要小 毒性要小、挥发性适中 水溶性要好(与水无限混溶)
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3.4有机溶剂沉淀的特点
γ1---普通晶体半径 T---绝对温度
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3.3结晶过程的实质
结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出,形成新相的 过程
这一过程包括: 溶质分子凝聚成固体 分子有规律地排列在一定晶格中
这一过程与表面分子化学键力变化有关; 因此,结晶过程是一个表面化学反应过程。
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溶解度与温度的关系可以用饱和曲线和过饱 和曲线表示
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4.3饱和曲线和过饱和曲线
SS-饱和曲线 TT-过饱和曲线 T’T’-超溶解曲线
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(1)稳定区和亚稳定区
a.在温度-溶解度关系图中,SS曲线下方为稳定区, 在该区域任意一点溶液均是稳定的;
b.而在SS曲线和TT曲线之间的区域为亚稳定区,此 刻如不采取一定的手段(如加入晶核),溶液可长时 间保持稳定;
溶质只有在过饱和溶液中才能析出;
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3.2凯尔文(Kelvin)公式
溶质溶解度与温度、溶质分散度(晶体大小)有关。
ln c2 2M ( 1 1 ) c1 RT r2 r1
C2---小晶体的溶解度;
C1---普通晶体的溶解度
σ---晶体与溶液间的表面张力;ρ---晶体密度
γ2---小晶体的半径; R---气体常数;
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