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脱盐 & 换液:透析 or 洗滤?

2013-11-04 16:54阅读:
透析

透析是最早用于降低样品中盐离子浓度的技术,操作非常简单,只需将样品装入特定孔径的透析袋,将透析袋密封,再将放入纯水或缓冲液中即可。通过扩散作用,透析袋中盐离子的浓度会与外部透析液中的浓度达到平衡,而大分子因为不能扩散通过而被截留在透析袋内部。如果使用纯水作为透析液,透析袋内小分子的浓度会缓慢降低,直到内部浓度与外部浓度一致。透析液体积对袋内样品体积的相对值越大,所能达到的平衡浓度越低。通常,需要更换几次透析用纯水,以完全清除盐离子。尽管由于渗透作用,透析袋内的终体积可能会稍有变化,但基本与起始体积保持一致。一旦达到平衡,即可打开透析袋,倒出溶液,回收样品。

透析一般时间较长,完全清除盐离子可能需要几天。透析袋加样和回收需要手动操作,对于大体积样品的操作可能存在不便,且可能导致样品损失。透析处理量范围从几微升到几升不等,但不适用于更大规模样品的处理。

洗滤

洗滤是另一种进行脱盐及换液操作的技术,它其实是过滤(通常为超滤)的一种操作模式。

超滤也是一种完善的下游工艺技术,它使用渗透性膜过滤器,按分子大小,对溶液或悬液中的不同成分进行分离。超滤广泛用于浓缩、洗滤以及生物分子混合液的分馏。

在超滤过程中,待处理溶液在气体或容积式泵的压力作用下,与分离膜界面直接接触,溶液中比膜孔径小的溶剂和溶质通过膜结构,成为滤液(或透过液),而比膜孔径大的分子则被膜排阻截留,成为回流液(或浓缩液)。

如果实验目的是从样品中清除所有的小分子量物质(如脱盐),或以新的缓冲液置换起始样品缓冲液,那么只进行简单的浓缩操作是不够的。假设缓冲液盐离子100%
可渗透,随着浓缩过程的进行,缓冲液盐离子随溶剂一起被清除,但是滤液和回流液中仍有一致的盐离子浓度。为有效减少盐离子、溶剂或其它小分子量物质,必须进行洗滤。

连续型洗滤通过向样品中补加纯水或新的缓冲液而漂洗掉样品中原有的缓冲液盐离子或小分子量物质,补加的速度与滤液清除的速度相同。如果使用纯水进行洗滤,盐离子会被漂洗掉,而电导率降低。如果使用特定的缓冲液进行洗滤,样品中新缓冲液盐离子的浓度会增加,电导率的变化需依情况而定。

一般情况下,使用6倍样品体积的纯水或特定缓冲液进行连续型洗滤,原样品中100%可渗透性物质的清除率可达99.5%以上。

洗滤也可以不连续的方式进行,即间断型洗滤,即先用等体积的纯水或新缓冲液稀释样品,然后再将样品浓缩至起始体积,如图所示:

随着洗滤体积的增加,残留的盐离子的浓度逐渐降低。

1洗滤体积(DV)等于洗滤开始时产物(浓缩液)的体积。

值得注意的是,相比间断型洗滤,清除相同的盐离子量,连续型洗滤所需的洗滤体积较低。

如果浓缩和洗滤过程以同一个系统及相同的膜进行,则可以方便地对处理时间和处理体积进行优化。洗滤前对样品进行浓缩,可显著降低洗滤所需的体积,如通过间断型洗滤处理1L的样品,需要1L1DV)的洗滤缓冲液才能去除50%的盐离子。而如果先将样品浓缩10倍至100mL,则只需要100mL的洗滤缓冲液即可去除50%的盐离子。但是,浓缩后的溶液会更加粘稠,虽然实际的粘度变化会因特定分子的差异而有所不同,但是粘度的增加一般都会显著影响滤液通量,也就是说,虽然处理体积降低了10倍,但是处理时间可能并不会缩短。可根据实际情况进行简单的测试,以优化工艺条件,并使产物收率最大化。

在洗滤过程中,滤液流速一般保持恒定,但如果浓缩过程改变了样品粘度或离子环境的变化改变了截留分子的形状及渗透性能,滤液流速可能发生变化。

透析?洗滤?

透析是一种基础的传统膜分离技术,相对其他技术而言,其操作简单,成本较低,特别适合小规模样品的处理,如几百微升到几毫升珍贵样品的脱盐和换液,也由于其处理条件较为温和,特别适用于敏感生物活性分子的处理。但由于处理规模的限制,并不适用于工业生产规模应用。

洗滤适用于脱盐、换液及浓缩等不同应用需求,通过工艺优化,如选择合适的膜和系统,洗滤可实现快速、高效的工艺处理。此外,简单的增加膜表面积即可实现工艺规模的放大,且膜清洗、再生简单,可进行长时间的多步工艺循环。

此外,连续型洗滤还有其自身的独特优势,即在整个工艺处理过程中,样品的体积保持恒定。且在洗滤完成后,可在同一个系统内进行浓缩,消除了传统多步操作的繁琐和样品损耗的可能性。

总结
透析是一种基础实验方法,适合研发阶段小体积样品的处理,较为经济,也较为简单。洗滤是一种较为高效、快速的实验方法,且可以将换液、浓缩等多步操作结合到一个系统当中,提高了系统的适用性,也可以更方便地进行规模放大。

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