实验4蛋白透析技术

原 料 液
渗 透 液 无 流 动 操 作
（ 2 ） 超 滤 （ Ultrafiltration, UF ） ： 分 离 介 质 同 微 滤 膜 ， 但 孔 径 更 小 ， 为
0.001~0.02 μm，分离推动力仍为压力差，截断分子量可变化。 特点：一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表面产生两个分力：一个是垂直于
反渗透：在溶质浓度高的一侧施加超过渗透压的压力，使溶剂透过膜的操作。是 一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.1~1 nm之间。
特点：基本原理为溶解扩散，在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水 透过膜，而所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机物全被截留住。主要用于 海水脱盐，纯水制造以及小分子产品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。
2014-2015学年第一学期研究生现代生物学实验技术
实验4 透析技术
（, ） 2014-10-27
4.1 膜分离技术
水 小分子 大分子
4.1.1 膜分离的概念：利用膜的选择性，
料液
以膜的两侧存在一定量的能量差作为驱动 力，由于溶液中各组分透过膜的迁移速率
膜 渗透液
不同而实现分离的一种技术。膜分离属于
膜材质的选择
透析袋预处理：
膜面的法向分力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行的切向力，把膜面截 流物冲掉。适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、浓缩，超滤亲和纯化， 血浆分离，脱盐，去热原，在生物工程中应用很广。
A
B
常规过滤(A)和超滤(B)的示意图
（3）反渗透（Reverse osmosis, RO）：
渗透：膜（不能透过溶质）两侧压力相等时，在浓度差作用下，溶剂从溶质浓度 低的一侧向溶质浓度高的一侧透过的现象。渗透压：渗透现象中，促使水分子透 过的推动力。
度。 如R＝1，则Cp＝0，表示溶质全部被截留； 如R＝0，则Cp＝ Cb，表示溶质能自由透过膜。
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截断曲线
质量好的膜，陡直,可使 不同分子量的溶质分离 完全；反之，会导致分 离不完全。
截断分子量（MWCO）：相当于一定截留率(通常为90％或95％)的分子量。
MWCO（球状蛋白质） 1000 10 000
200～400 100～500 10～100
0.8～1.0 0.4～0.8 0.2～0.4
（1）微滤（Microfiltration, MF）：以多孔
细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，使不 溶性物质得以分离的操作。 微滤膜：孔径分布范围在0.025~14 μm之间， 截留直径为0.02~10 μm大小的粒子。 特点：是一种静态过滤，随过滤时间延长， 膜面上截流沉积不溶物，引起水流阻力增大 ，透水速率下降，直至微孔全被堵塞。可应 用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养基液 菌体分离与浓缩，产品消毒等。
透析膜 小分子
水分子
保留在透析袋内未透析出的样品溶液称为“保留液”，袋 （膜）外的溶液称为“渗出液”或者“透析液”。透析的动 力是扩散压，扩散压是由横跨膜两边的浓度梯度形成的。透 析的速度反比于膜的厚度、正比于欲透析的小分子溶质在膜 内外两边的浓度梯度、正比于膜的面积和温度，通常是4℃透 析，升高温度可加快透析速度。 透析膜孔径5-10 nm，实验室常用透析袋，不适于大规模生物 分离过程，但在生化实验室和医学上应用很广： （1）蛋白质的脱盐、去除变性剂、还原剂之类的小分子杂质； （2）也用于置换样品缓冲液； （3）在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。
性能间接由MWCO表示（截留率90%的溶质分子大小可更精确的表示膜的MWCO）。而溶质的渗 透性亦取决于分子形状、水合度、离子电荷与极性，推荐选择膜的MWCO为欲截留物质分子量的 一半，两倍于透过物质的分子大小。 e) 根据处理量在5种尺寸（一次性透析装置）或16种宽度（管状）中选择； f) 根据目的选择膜预处理方式。
浓缩液
速率控制的传质过程，具设备简单、条件
温和、无相变、处理效率高、节能等优点，
渗 透
液
非常适合热敏性的生物大分子的分离纯化，
同时还兼有浓缩的功能。
进料液
4.1.2 膜分离过程的分类：膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近 似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子 的大小分为以下几类：微滤、超滤、反渗透、透析等。
100 000 1000 000
近似孔径（nm) 2 5 12 29
透析比：外液/内液的比值，即透析液与保留液的体积比。
透析袋透析装置
4.3 透析操作
A:透析夹，B:透析，C:透析示意图
成功进行透析分离的关键是在适当的条件下选用最合适的膜：
a) 根据目的选择等级（生物技术或标准）； b)根据溶液化学特性选择膜材质（再生纤维素RC、纤维素酯CE或聚偏氟乙烯 PVDF，下表）； c) 根据使用方法选择产品类型（管状、一次性或片状）； d)根据溶质分子量选择截留分子量（MWCO）：透析膜由海绵状横向耦合的聚合物材料构成，截留
组分 酵母
液体中可能存在的主要成分
分子量/Da 尺寸/nm 组分
分子量/Da
103～104 酶
104～106
尺寸/nm 2～10
细菌
300～104 抗体
300～103
0.6～1.2
胶体 病毒 蛋白质 104～106 多糖 104～106
100～103 30～300 2～10 2～10
单糖 有机酸 无机离子
表征透析膜性能的几个参数： 孔的性质(包括孔径、孔分布和孔隙度)、水通量、
截留率、截断分子量、透析比、抗压能力、pH 适用范围、对热和溶剂的稳定性。 截 留 率 : 膜 对 溶 质 的 截 留 能 力 , 以 截 留 率 R （rejection）来表示，其定义为：
R＝1－ Cp／Cb Cp和Cb：表示在某一瞬间，透析液和保留液的浓
4.2 透析原理
透析（Dialysis, DS）原理：透析只需要使用专用的半透膜便可完成。通常是将半
透膜制成袋状，将生物大分子样品溶液置入袋内，将此透析袋浸入水或者缓冲液中，
样品溶液中的大分子量的生物大分子被截留在袋内，而盐和小分子物质不停扩散透
析到袋外，直到袋内外两边的浓度到达平衡为止。
大分子