分离工程第三章

1、 第一节 蛋白质表面特性 第二节 盐析沉淀 第三节 其他沉淀法 第四节 沉淀生成动力学定义定义常用加入试剂的方法，改变溶剂和溶质的能量平衡来降低其溶解度，使产物离开溶液生成不溶性颗粒，沉降析出。沉淀具有浓缩与分离的双重作用。与结晶联系与结晶联系 在本质上都是新相析出的过程，主要是物理变化，当然也存在化学反应的沉淀或结晶。区别区别结晶为同类分子或离子以有规则排列形式析出，沉淀为同类分子或离子以无规排列形式析出。优点优点A、设备简单、成本低、放大容易，产物浓度越高沉淀越有利，收率越高； B、原料液体积很快地减小1050倍，从而简化生产工艺、降低生产费用；C、使中间产物保持在一个中性温和的环境；D、

2、及早地将目标pro.从其pro.水解酶分离出来，避免pro降解，提高产物稳定性；E、用沉淀法作为pro色谱分离前处理，可使使用色谱分离的限制因素降低到最少。缺点：缺点：A、沉淀物可聚集有多种物质，如大量盐类和溶剂，所以沉淀法所产品纯度通常都比结晶法低；B、过滤较困难蛋白质溶解：蛋白质溶解：相似者相溶aaaa的亲水性和疏水性：的亲水性和疏水性：有利因素：有利因素：亲水性，包括氢键、极性基团、离子化侧链、亲水aa所占的%等。如白蛋白不利因素：不利因素：疏水性，包括暴露的疏水基团、疏水aa所占的%等。如纤维蛋白原。1)、水化层水化层(hydration shell)2)、静电排斥静电排斥 zeta电

3、势电势Tight hydration shellProtein coreLoose hydration shell1）、盐析法2）、有机溶剂沉淀法3）、 |pH水 pI| Value调节法4）、凝聚5）、絮凝6）、高价金属离子沉淀法7）、亲和沉淀法l沉淀剂是否会引起蛋白的破坏；l沉淀剂本身的性质；l沉淀操作的成本和难易；l残留沉淀剂的去除难度；l最终产品的产率及纯度要求等综合考虑。l加沉淀剂；l沉淀物的陈化，促进粒子生长；l离心或过滤，收集沉淀物。1、机理：、机理：A、zeta potential；B、hydration shell式中, S为蛋白质的溶解度(g/L)；I为离子强度；m为盐的摩

4、尔浓度；值为蛋白质在纯水中(I=0时)的假想溶解度对数值，是pH值和温度的函数，在蛋白质pI时最小；Ks为盐析常数，与温度和pH值无关。A A、 “KsKs”分级盐析法：分级盐析法：在一定pH值及温度下，改变盐浓度（即I）达到沉淀的目的。B B、“”分级盐析法：分级盐析法：在一定I下，改变溶液的pH值及温度达到沉淀的目的。C C、应用：、应用：一般的初步分离用第一种方法，进一步纯化时用第二种方法。A A、无机盐种类、无机盐种类感胶离子序(Hofmeister序列): In 1888，Hofmeister对一系列盐沉淀蛋白质的能力进行了测定研究。阴离子排序为：柠檬酸根3- 酒石酸根3- F- I

5、O-3 H2PO-4 SO-4 CH3COO- Cl- ClO-3 Br- NO-3 ClO-4 I- CNS-; 对阳离子排序为： Th4+ Al3+ H+ Ba2+ Sr2+ Ca2+ Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li+如何设计实验？如何设计实验？ 结论？结论？结论：结论：a 不同种类的盐主要影响Ks；b 离子半径小，带电多，电荷密度高，盐析效果好。无机盐的挑选原则：无机盐的挑选原则： a 较高的盐析效能；b 高溶解度，能配置高离子强度的盐溶液；c 溶解度受温度的影响小；d 盐溶液的密度不高，便于蛋白质沉淀和离心分离；e 不易引起蛋白质的变性；f 价格低廉； 最常用最常用(NH

6、4)2SO4。优点：符合上述要求；缺点：水解后溶液pH降低，在高 pH下产氨，腐蚀性强，有异味，有毒，终产物必须除尽。 次常用次常用Na2SO4。缺点：在400C以下溶解度较低，主要用于热稳定蛋白。B B、无机盐添加方式、无机盐添加方式C C、温度、温度T TT影响Cohn方程中的值。T ， ；T ， 。Why? Why? 一般，现在D D、溶液、溶液pHpHpH影响Cohnx方程中的值。见图图有何用？图有何用？等电点沉淀法等电点沉淀法中的pH值作用于值而隐含在Cohnx公式中，pI值通常在pH46范围内变化，一般用无机酸（如盐酸、磷酸和硫酸）作沉淀剂。在蛋白质疏水性比较大和结合水比较小时这种

7、类型的沉淀更有效。为了提高等电点法的沉淀能力，常将其与盐析法、有机溶剂法或其他沉淀法一起使用。最大缺点：无机酸会引起较大的蛋白质不可逆变性的危险。 同盐析一样，随着沉淀剂有机溶机浓度的上升，蛋白质溶解度也呈指数规律下降。 式中, So为当（K/e2） 0时S的外推值；e为水-有机溶剂混合物的介电常数；K为常数(水的介电常数的吸收系数)。有机溶剂的种类：有机溶剂的种类：丙酮(首选)、乙醇、甲醇和乙腈，常用于低盐浓度下沉淀pro。机理：机理：A、有机溶剂沉淀法的机理是加入溶剂后，会使水溶液的介电常数降低，而使pro分子间的静电引力（库仑力）增大，导致凝集和沉淀。B、有机溶剂使pro溶剂化，使原来与

8、pro结合的水被溶剂所取代，从而降低了pro溶解度。这种理论不能说明为什么乙醇比丙酮的亲水性强，丙酮却比乙醇沉淀pro的能力强，也解释不了丙酮、乙醇之类溶剂在所谓脱去pro水膜的过程中容易造成pro变性，而盐析脱水时不造成pro变性。C、丙酮、乙醇等不仅是pro的沉淀淀剂，而且还是一种变性剂，可见作用有机溶剂使pro在沉淀和变性之间既有区别又相关联。影响因素及控制影响因素及控制A、T：当乙醇与水混合时，会放出大量的稀释热，使溶液T显著升高，对不耐热的pro影响较大。解决办法：搅拌、少量多次加入，以避免温度骤然升高损失pro活力。另一方面温度还会影响有机溶剂对pro的沉淀能力，一般温度越低，沉淀

9、越完全，所以在乙醇沉淀人血浆蛋白时，温度控制在-10C下进行。B、乙醇：通常随乙醇上升，pro溶解度下降。如血纤维蛋白原的最大溶解度在乙醇浓度为8%时达到最大，而当乙醇浓度为40%时达到最小。C、pH值：在确定了乙醇以后，pro最低溶解度出现在蛋白.的pI处，因此可以通过调节pH值来选择性分离蛋白质。D、pro：避免使用很稀的浓度，因pro在高浓度下才较稳定。优点：优点：A、某些蛋白质沉淀的浓度范围相当宽，所得产品的纯度较高，B、从沉淀的蛋白质中除去有机溶剂很方便，而且有机溶剂本身可部分地作为蛋白质的杀菌剂；缺点：缺点：A、耗用大量溶剂，而溶剂来源、贮存都比较困难麻烦；B、且沉淀操作需在低温下

10、进行，使用上有一定的局限性；C、收率也比盐析法低；D、试剂易燃，有毒。 溶解度是一个平衡特性，但是溶解度值的降低是一个动力学过程。当体系变得不稳定以后，分子互相碰撞并产生聚集作用。通常认为相互碰撞由下面几种运动引起：A、热运动（Brownian运动）；B、对流运动，由机械搅拌产生；C、差示沉降，由颗粒自由沉降速度不同造成的。第A、B两种机理在蛋白质沉淀中起主导作用，第种机理在沉降过程中起主导作用(如在废水处理中)。异向聚集：异向聚集：由Brownian运动所造成的碰撞导致。同向聚集：同向聚集：而由对流运动所造成的碰撞导致。沉淀过程步骤：沉淀过程步骤：A、初始混合，蛋白质溶液与沉淀剂在强烈搅拌下混合；B、晶核生成，新相形成，产生极小的初始固体微粒；C、扩散限制生长，晶核在Brownian扩散作用下生长，生成亚微米大小的核，这一步速度很快；D、流动引起的生长，这些核通过对流传递（搅拌）引起的碰撞进一步生长，产生絮体或较大的聚集体，这一步是在较低的速度下进行的。E、絮体的破碎，破碎取决于它们的大小、密度和机械阻力。F、聚集体的陈化，在陈化过程中，絮体聚得大小和阻力平衡。 早在50年前