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蛋白质超滤分离的机理及其应用研究

王晶冰  
【摘要】:超滤是一种新型生物分离技术,具有操作简单、易于放大等优点,在生物大分子的规模化制备方面具有广阔的潜在应用。因此,开展有关超滤分离机理的研究对指导超滤分离策略设计和实际应用具有重要意义。 本论文中,首次将蛋白质接近、通过膜的过程分为三个阶段(Ⅰ,弹性碰撞阶段;Ⅱ,浓差极化阶段;Ⅲ,孔内形变阶段),并为每个阶段分别构建了物理模型和相应的数学表达式。根据物理模型的分析结果,在阶段Ⅱ中,蛋白质接近膜表面时的阻力来自边界层浓差极化效应;在阶段Ⅲ中,通过膜孔的阻力来自蛋白质形变产生的弹性力和蛋白质及膜孔表面双电层形变带来的静电相互作用力。当膜孔阻力小于边界层阻力时,控制步骤是阶段Ⅱ;当膜孔阻力大于边界层阻力时,控制步骤将由阶段Ⅱ转变为阶段Ⅲ。 在单组份蛋白质模拟体系中,考察了溶液pH值、离子强度、搅拌速率和通量对蛋白质超滤的影响。实验结果表明:在溶液pH值等于蛋白质等电点时,蛋白质的筛分系数最大;在低离子强度下(100mM),蛋白质的自我静电排斥作用使得其筛分系数降低,在高离子强度时(100mM),屏蔽作用使得蛋白质的筛分系数稳定在某一定值附近;搅拌速率或通量的增加均可降低蛋白质的筛分系数。此外,应用响应面法数值模拟对各因素之间的交互作用进行了分析。结果表明,在单组份蛋白质模拟体系中,搅拌速率对筛分系数具有重要影响,且相对独立;pH值分别与离子强度和通量存在交互作用;离子强度与通量之间的交互作用相对较弱。实验规律同物理模型和数值模拟的推论一致。 在双组份蛋白质模拟体系中,同样考察了溶液pH值、离子强度、搅拌速率和通量对超滤分离选择性的影响。结果表明,搅拌速率、pH值和离子强度都是是影响蛋白质超滤分离选择性的重要因素。当蛋白质分子量接近时,蛋白质之间、蛋白质与膜之间的静电相互作用对分离结果影响显著:携带与膜表面相反电荷的蛋白质在膜表面具有吸附优势,获得更多接近膜孔的机会,从而得以进入并通过膜孔。未占吸附优势的蛋白质在自身排斥和优势蛋白位阻的影响下被截留。 以蛋白质超滤分离机理的研究结果为指导,利用截留分子量为100 kDa的再生纤维素膜和50 kDa的聚醚砜膜,采用两段超滤法成功从大蒜中分离获得纯度为98%的超氧化物岐化酶,其比活性为396.59 U mg~(-1),蛋白质回收率为90%。


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