生物大分子的分離純化之超濾
? 超過(guò)濾即超濾,自20年代問(wèn)世后,直至60年代以來(lái)發(fā)展迅速,很快由實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的分離手段發(fā)展成重要的工業(yè)單元操作技術(shù)。超濾現(xiàn)已成為一種重要的生化實(shí)驗(yàn)技術(shù),廣泛用于含有各種小分子溶質(zhì)的各種生物大分子(如蛋白質(zhì)、酶、核酸等)的濃縮、分離和純化。
? 超濾是一種加壓膜分離技術(shù),即在一定的壓力下,使小分子溶質(zhì)和溶劑穿過(guò)一定孔徑的特制的薄膜,而使大分子溶質(zhì)不能透過(guò),留在膜的一邊,從而使大分子物質(zhì)得到了部分的純化。
? 超濾根據(jù)所加的操作壓力和所用膜的平均孔徑的不同,可分為微孔過(guò)濾、超濾和反滲透三種。微孔過(guò)濾所用的操作壓通常小于4×104 Pa,膜的平均孔徑為500?!?4微米(1微米=104埃),用于分離較大的微粒、細(xì)菌和污染物等。超濾所用操作壓為4×104 Pa~7×105 Pa,膜的平均孔徑為10—100埃,用于分離大分子溶質(zhì)。反滲透所用的操作壓比超濾更大,常達(dá)到35×105 Pa~140×105 Pa,膜的平均孔徑最小,一般為10埃以下,用于分離小分子溶質(zhì),如海水脫鹽,制高純水等。
? 超濾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便,成本低廉,不需增加任何化學(xué)試劑,尤其是超濾技術(shù)的實(shí)驗(yàn)條件溫和,與蒸發(fā)、冰凍干燥相比沒(méi)有相的變化,而且不引起溫度、pH的變化,因而可以防止生物大分子的變性、失活和自溶。
? 在生物大分子的制備技術(shù)中,超濾主要用于生物大分子的脫鹽、脫水和濃縮等。
? 超濾法也有一定的局限性,它不能直接得到干粉制劑。對(duì)于蛋白質(zhì)溶液,一般只能得到10~50%的濃度。
m? 超濾技術(shù)的關(guān)鍵是膜。膜有各種不同的類型和規(guī)格,可根據(jù)工作的需要來(lái)選用。早期的膜是各向同性的均勻膜,即現(xiàn)在常用的微孔薄膜,其孔徑通常是0.05 mm ~1.0m。近幾年來(lái)生產(chǎn)了一些各向異性的不對(duì)稱超濾膜,其中一種各向異性擴(kuò)散膜是由一層非常薄的、具有一定孔徑的多孔“皮膚層”(厚約0.1和0.025 m),和一層相對(duì)厚得多的(約1 )更易通滲的、作為支撐用的“海綿層”組成。皮膚層決定了膜的選擇性,而海綿層增加了機(jī)械強(qiáng)度。由于皮膚層非常薄,因此高效、通透性好、流量大,且不易被溶質(zhì)阻塞而導(dǎo)致流速下降。常用的膜一般是由乙酸纖維或硝酸纖維或此二者的混合物制成。近年來(lái)為適應(yīng)制藥和食品工業(yè)上滅菌的需要,發(fā)展了非纖維型的各向異性膜,例如聚砜膜、聚砜酰胺膜和聚丙烯腈膜等。這種膜在pH 1~14都是穩(wěn)定的,且能在90℃下正常工作。超濾膜通常是比較穩(wěn)定的,若使用恰當(dāng),能連續(xù)用1~2年。暫時(shí)不用,可浸在1%甲醛溶液或0.2% 疊氮化鈉NaN3中保存。
? 超濾膜的基本性能指標(biāo)主要有:水通量(cm3/(cm2?h));截留率(以百分率%表示);化學(xué)物理穩(wěn)定性(包括機(jī)械強(qiáng)度)等。
? 超濾裝置一般由若干超濾組件構(gòu)成。通??煞譃榘蹇蚴?、管式、螺旋卷式和中空纖維式四種主要類型。由于超濾法處理的液體多數(shù)是含有水溶性生物大分子、有機(jī)膠體、多糖及微生物等。這些物質(zhì)極易粘附和沉積于膜表面上,造成嚴(yán)重的濃差極化和堵塞,這是超濾法最關(guān)鍵的問(wèn)題,要克服濃差極化,通??杉哟笠后w流量,加強(qiáng)湍流和加強(qiáng)攪拌。
? 國(guó)外生產(chǎn)超濾膜和超濾裝置最有名的廠家是美國(guó)的Milipore公司和德國(guó)的Sartorius公司。國(guó)內(nèi)主要的研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家是:中科院生態(tài)環(huán)境研究中心、杭州淡化和水處理開發(fā)中心、蘭州膜科學(xué)技術(shù)研究所、無(wú)錫化工研究所、上海醫(yī)藥工業(yè)研究所、天津膜分離工程研究所、北京化工廠、常熟膜分離實(shí)驗(yàn)廠、無(wú)錫市超濾設(shè)備廠、無(wú)錫純水設(shè)備廠、天津超濾設(shè)備廠、湖北沙市水處理設(shè)備廠等。從膜的品種,以及從某些研究工作的深度方面看,我國(guó)與世畀先進(jìn)國(guó)家的差距不很大,但在膜的質(zhì)量性能及商品化方面尚有較大差距。
? 在生物制品中應(yīng)用超濾法有很高的經(jīng)濟(jì)效益,例如供靜脈注射的25%人胎盤血白蛋白(即胎白)通常是用硫酸銨鹽析法、透析脫鹽、真空濃縮等工藝制備的,該工藝流程硫酸銨耗量大,能源消耗多,操詐時(shí)間長(zhǎng),透析過(guò)程易產(chǎn)生污染。改用超濾工藝后,平均回收率可達(dá)97.18%;吸附損失為1.69%;透過(guò)損失為1.23%;截留率為98.77%。大幅度提高了白蛋白的產(chǎn)量和質(zhì)量,每年可節(jié)省硫酸銨6.2噸,自來(lái)水16000噸。
? 超濾技術(shù)的應(yīng)用有很好的前景,應(yīng)引起足夠的重視。