Очистка полученного раствора при помощи фильтрования: Практическая работа №2 «Очистка загрязненной поваренной соли» (8 класс)

Практическая работа №2 «Очистка загрязненной поваренной соли» (8 класс)

Класс 8

Практическая работа № 2

Тема: Очистка загрязненной поваренной соли.

Цель работы: очистить полученный препарат соли от загрязнения; освоить методы фильтрования и выпаривания, закрепить знания о зависимости способов очистки веществ от свойств вещества, приобрести умения по очистке веществ.

Ход работы

(см. подробное описание практической работы № 2 в учебнике — стр. 98¹)

Опыт 1. Очистка загрязненной поваренной соли от песка

Растворите данную смесь в небольшом количестве воды, помешивая стеклянной палочкой.

Опыт 2. Очистка полученного раствора при помощи фильтрования

Приготовьте бумажный фильтр; сложите два раза круг фильтровальной бумаги и расправьте, чтобы получился конус, вложите его в коническую воронку и смочите водой. Воронку установите в химический стакан. Проведите фильтрование. Прозрачный фильтрат используйте для дальнейшей работы.

Опыт 3. Выпаривание (кристаллизация)

Полученный фильтрат (раствор соли)вылейте в фарфоровую чашку. Нагрейте чашку в пламени спиртовки, после появления в чашке кристаллов соли нагревание прекратите. Полученную после полного испарения воды соль сравните с исходной.

План оформления практической работы:

1. Название работы

2. Начертите в тетради таблицу и заполните её.

№

Название опыта

Что делали?

Наблюдения, рисунок

Выводы²

1

2

3

3. Общий вывод по работе: при формулировке выводов основное внимание обращайте на связь проводимых операций с составом и свойствами веществ, с которыми вы работали.

1 ^{Учебник Химия:8 класс Кузнецовой Н.Е. – см. с. 98, опыт 1-3)}

2 ^{При формулировке выводов основное внимание обращайте на связь проводимых операций с составом и свойствами веществ, с которыми вы работали}

Практическая работа №3 Очистка поваренной соли.

Урок №8

Тема: Практическая работа №3 «Очистка поваренной соли».

Цель: повторить правила техники безопасности при работе с лабораторным оборудованием и нагревательными приборами; повторить методы, применяемые для очистки веществ; очистить поваренную соль от загрязнений; овладеть практическими навыками применения методов очистки веществ; овладевать умениями наблюдать, проводить химический эксперимент; развивать познавательный интерес и интеллектуальные способности в процессе проведения химического эксперимента; воспитывать дисциплинированность и аккуратность; научиться применять полученные знания и умения для безопасного использования различных веществ и нагревательных приборов в быту.

Оборудование: смесь поваренной соли и речного песка, штатив, спиртовка, стакан с водой, фильтровальная бумага, стеклянная палочка, спиртовка, фарфоровая чашка.

Ход урока.

I Организация класса.

II Постановка цели.

— Сегодня у нас практическая работа. Вы научитесь пользоваться практически применять методы для очистки вещества. Сегодня вам предстоит очистить поваренную соль от песка.

Запишите тему и цель практической работы.

Практическая работа №3

Тема: Очистка поваренной соли.

Цель: повторить правила техники безопасности при работе с лабораторным оборудованием и нагревательными приборами; повторить методы очистки веществ; овладеть практическими навыками применения методов очистки веществ; очистить поваренную соль от загрязнений.

Ход работы.

III Основная часть урока (теоретическая).

1. Правила техники безопасности при работе с лабораторным оборудованием и нагревательными приборами.

— Вспомните правила техники безопасности при работе с лабораторным оборудованием и нагревательными приборами.

1. С каким лабораторным оборудованием вы будете сегодня работать?

2. Для чего предназначен лабораторный штатив? Как он устроен?

3. Как нужно закреплять пробирку в штативе? Какие правила безопасности нужно соблюдать в данном случае?

4. Как устанавливается на штативе фарфоровая чашка?

5. Какие правила безопасности необходимо соблюдать при работе со спиртовкой?

Правила техники безопасности при работе с лабораторным оборудованием.

1. При закреплении в штативе пробирка должна быть зажата в лапке так, чтобы она не выпадала и вместе с тем чтобы ее можно было передвигать. Крепко зажатая пробирка может лопнуть. Пробирку зажимают не на середине, а около отверстия. Для того чтобы вынуть пробирку из штатива, нужно ослабить винт.

2. При закреплении на штативе стакана его ставят на специальную сетку, помещенную на кольцо штатива.

3. Фарфоровую чашку помещают на кольцо без сетки.

Правила техники безопасности при работе со спиртовкой.

1. Пользуясь спиртовкой, нельзя ее зажигать то другой спиртовки, ибо может пролиться спирт и возникнет пожар.

2. Чтобы погасить пламя спиртовки, ее следует закрыть колпачком.

2. Повторение теории.

1) Какие методы используют для очистки веществ?

2) Как вы думаете, какие из этих методов мы будем применять для очистки поваренной соли от песка?

2. Инструктаж по проведению работы.

— Перед вами лежит инструкция по проведению практической работы.

1. Что вы будете делать со смесью на первой стадии?

Ответ: Зальем водой. Соль растворится в воде.

2. Какой следующий шаг?

Ответ: Фильтрация. Необходимо приготовить фильтр, установить его в воронку, воронку поместить в химический стакан и содержимое первого и содержимое первого стакана аккуратно вылить в воронку. На фильтре останется песок, а раствор соли (фильтрат) пройдет через фильтр в стакан.

3. Как и раствора выделить соль в чистом виде?

Ответ: Методом выпаривания и кристаллизации. Нужно перелить фильтрат в фарфоровую чашку, установить чашку на кольцо штатива, зажечь спиртовку от спички и нагревать раствор на самой горячей части пламени.

Инструкция по проведению практической работы № 3 «Очистка поваренной соли.»

1. Растворение загрязненной поваренной соли. (Смесь соли с песком)

В стакан с загрязненной солью налейте примерно 20 мл. воды. Чтобы ускорить растворение, размешайте содержимое стеклянной палочкой осторожно, не касаясь стенок стакана.

1. Очистка полученного раствора при помощи фильтрования.

Рис. 1 Рис. 2

Для изготовления фильтра фильтровальный диск дважды сложите пополам (Рис.1).

Раскрытый фильтр поместите в воронку и смочите водой, расправьте его, чтобы он плотно примыкал к воронке. Воронку вставьте в кольцо штатива. Конец ее должен касаться внутренней стенки стакана, в котором собирается отфильтрованный раствор. Мутный раствор налейте в фильтр по стеклянной палочке (Рис 2).

1. Выпаривание раствора.

Полученный фильтрат вылейте в фарфоровую чашку и поставьте ее на кольцо штатива. Нагревайте в пламени, периодически перемешивая фильтрат до полного испарения воды. Полученную соль сравните с исходной. (Рис.3)

Рис. 3

4. Составьте отчет о проделанной работе по плану:

1. Что делал?

2. Что наблюдал?

3. Выводы.

V Основная часть урока (практическая).

Выполнение работы по инструкции.

VI Составление отчета о проведении практической работы.

VII Итог урока. Сегодня вы повторили правила техники безопасности при работе с лабораторным оборудованием и нагревательными приборами, повторили методы очистки веществ, научились применять эти знания на практике. Приятно отметить, что все справились с поставленными задачами. Я предварительно отметила и оценила практическую часть работы. Окончательную оценку вы узнаете после проверки ваших отчетов.

V Сообщение домашнего задания: повторите по опорному конспекту тему «Перегонка нефти. Нефтепродукты и их применение. Фракционная перегонка жидкого воздуха.».

Инструкция по проведению практической работы «Очистка поваренной соли».

Просмотр содержимого документа

«Инструкция по проведению практической работы «Очистка поваренной соли».»

Практическая работа №3

Тема: Очистка поваренной соли.

Цель: повторить правила техники безопасности при работе с лабораторным оборудованием и нагревательными приборами; повторить методы очистки веществ; овладеть практическими навыками применения методов очистки веществ; очистить поваренную соль от загрязнений.

Оборудование: смесь поваренной соли и речного песка, штатив, спиртовка, стакан с водой, фильтровальная бумага, стеклянная палочка, спиртовка, фарфоровая чашка.

Правила техники безопасности при работе с лабораторным оборудованием.

1. При закреплении в штативе пробирка должна быть зажата в лапке так, чтобы она не выпадала и вместе с тем чтобы ее можно было передвигать. Крепко зажатая пробирка может лопнуть. Пробирку зажимают не на середине, а около отверстия. Для того чтобы вынуть пробирку из штатива, нужно ослабить винт.

2. При закреплении на штативе стакана его ставят на специальную сетку, помещенную на кольцо штатива.

3. Фарфоровую чашку помещают на кольцо без сетки.

Правила техники безопасности при работе со спиртовкой.

1. Пользуясь спиртовкой, нельзя ее зажигать то другой спиртовки, ибо может пролиться спирт и возникнет пожар.

2. Чтобы погасить пламя спиртовки, ее следует закрыть колпачком.

Вспомните!

1) Какие методы используют для очистки веществ?

2) Как вы думаете, какие из этих методов мы будем применять для очистки поваренной соли от песка?

Инструкция по проведению практической работы № 3 «Очистка поваренной соли.»

1. Растворение загрязненной поваренной соли. (Смесь соли с песком)

В стакан с загрязненной солью налейте примерно 20 мл. воды. Чтобы ускорить растворение, размешайте содержимое стеклянной палочкой осторожно, не касаясь стенок стакана.

1. Очистка полученного раствора при помощи фильтрования.

Рис. 1 Рис. 2

Для изготовления фильтра фильтровальный диск дважды сложите пополам (Рис.1).

Раскрытый фильтр поместите в воронку и смочите водой, расправьте его, чтобы он плотно примыкал к воронке. Воронку вставьте в кольцо штатива. Конец ее должен касаться внутренней стенки стакана, в котором собирается отфильтрованный раствор. Мутный раствор налейте в фильтр по стеклянной палочке (Рис 2).

1. Выпаривание раствора.

Полученный фильтрат вылейте в фарфоровую чашку и поставьте ее на кольцо штатива. Нагревайте в пламени, периодически перемешивая фильтрат до полного испарения воды. Полученную соль сравните с исходной. (Рис.3)

Рис. 3

4. Составьте отчет о проделанной работе по плану:

1. Что делал?

2. Что наблюдал?

3. Выводы.

Практическая работа «Очистка поваренной соли» | Методическая разработка по химии (8 класс):

 Практическая работа № 3 «Очистка загрязненной поваренной соли»

Цель: Сформировать у учащихся знания о смесях и способах их разделения.

Задачи: 

Образовательные: 

• Обучить учащихся простейшим способам очистки веществ: фильтрование и выпаривание.
• Формировать умение работать с инструкцией, оформлять отчет о химическом эксперименте.

Воспитательные:

• Воспитывать коммуникативные навыки (работа в паре, умение слушать и слышать).

Развивающие:

• Развивать учебно-организационные умения, направленные на выполнение поставленной задачи.
• Развивать практические навыки работы с лабораторным оборудованием.
• Развивать аналитические навыки мышления.

Оборудование: спиртовка, спички, воронка, фильтр, фарфоровая чашка для выпаривания, держатель, стеклянная палочка, стакан химический,  загрязненная соль, вода, колба, мерный цилиндр, компьютер.

Ход урока:

1. Организационный момент.
2. Постановка цели и задач.
3. Актуализация знаний.
4. Мотивация и целеполагание.
5. Инструктаж по технике безопасности.  
6. Ознакомление с ходом работы и выполнение работы (по инструкционным картам).
7. Оформление отчета о проделанной работе.
8. Дополнительные задания.
9. Подведение итогов и домашнее задание.

Актуализация знаний.

    В природе чистые вещества не встречаются, они существуют в виде смесей.

• Приведите примеры смесей.

СЛАЙД 2                                                      Смесь

                   однородная смесь                                                   неоднородная смесь

• С чем связано деление смесей на однородные и неоднородные?
• Всегда ли людям нужны особо чистые вещества?
• Где такие вещества просто необходимы?

    Для лабораторных исследований, промышленных производств, для нужд фармакологии и медицины нужны чистые вещества. Для различных целей необходимы вещества с различной степенью очистки. Воду для приготовления пищи достаточно отстоять для удаления примесей и хлора, используемого для ее обеззараживания. Воду для питья нужно предварительно прокипятить. А в химических лабораториях для приготовления растворов и проведения опытов, в медицине необходима дистиллированная вода, максимально очищенная от растворенных в ней веществ. Особо чистые вещества, содержание примесей в которых не превышает одной миллионной процента, применяются в электронике, в полупроводниковой, ядерной технике и других точных отраслях промышленности.

• Какие способы разделения могут быть использованы для разделения неоднородных смесей? Однородных?

СЛАЙД 3 (на основании ответов учащихся формируем схему на доске)

Смесь

однородная смесь                                                   неоднородная смесь

               — выпаривание                                                             — отстаивание

              —  дистилляция                                                           — фильтрование

                                                                                                    — магнитное разделение

Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.

СЛАЙД 4 Предложите способ разделения смеси, состоящей из железных опилок и порошка серы (показ фрагмента).

• На каких физических свойствах веществ основаны данные способы разделения смесей? 

Мотивация и целеполагание.

СЛАЙД 5  Очистка загрязненной поваренной соли

• Какие способы разделения смесей могут быть использованы сегодня для очистки поваренной соли?

Инструктаж по технике безопасности.

СЛАЙД 6  Правила техники безопасности

Ознакомление с ходом работы и выполнение работы (по инструкционным картам).

Вопросы к слайдам по ходу работы

СЛАЙД 7 Растворение загрязненной поваренной соли

• Что наблюдаете

• Какое свойство соли иллюстрирует данный опыт
• Вывод: Смесь воды и поваренной соли ___________ смесь, потому что _________

СЛАЙД  8  Очистка полученного раствора при помощи фильтрования

• Что наблюдаете
• Каким способом можно отделить раствор соли от речного песка

СЛАЙД 9 Выпаривание

• Что наблюдаете
• Каким способом можно выделить растворённую поваренную соль из раствора

Оформление отчета о проделанной работе. 

СЛАЙД 10

Дополнительные задания. 

СЛАЙД 11

• Составить план разделения смеси:

а) речной песок, бензин, соль

б) железные, медные опилки, сахарный песок

            в) молоко и мел

• Какой способ очистки чайной заварки от чаинок вы используете, когда наливаете ее из чайника через ситичко?
• Как в походных условиях очистить и обеззаразить речную воду и сделать ее пригодной для питья и приготовления пищи.

Подведение итогов и домашнее задание

Помогите сделать лабораторку!!!Пожалуйста!!!!Срочно! ОЧИСТКА ЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОВАРЕННОЙ СОЛИ

ОЧИСТКА ЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОВАРЕННОЙ СОЛИ

«___»__________________20___Г

Цель: изучить на практике основные способы разделения смесей.

Оборудование и реактивы: поваренная соль с примесями песка и железных опилок, стаканы, стеклянная палочка, воронка, фильтровальная бумага, фарфоровая чашка, пипетка, спиртовка или горелка с сухим горючим, лабораторный штатив со штативным кольцом, мерный цилиндр или мерная пробирка, защитные очки.

Техника безопасности: при выполнении практической работы строго выполняйте только те опыты, которые прописаны в инструкции или оговорены учителем. Обратите внимание, что данная работа предусматривает работу с хрупкой стеклянной и фарфоровой посудой, нагревательными приборами. Перед началом работы повторите правила работы со стеклянной, фарфоровой посудой и нагревательными приборами. Работу необходимо выполнять в застегнутом халате или фартуке.

Ход работы:

Опыт 1. Отделение железных опилок от смеси.

Высыпьте выданную вам загрязненную соль на лист бумаги. При помощи стеклянной палочки равномерно распределите ее по поверхности листа. Рассмотрите внешний вид загрязненной поваренной соли.

Опишите вид смеси (наличие крупных и мелких частиц, цвет смеси, окраска

частиц, запах и т.д.) ____________________________________________________________

________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
Проведите над поверхностью смеси магнитом.
Что наблюдаете? _______________________________________________________________

Сделайте вывод, какой компонент смеси отделяется таким способом? ___________

Опыт 2. Растворение загрязненной поваренной соли в воде.
Возьмите мерный цилиндр или мерную пробирку,
внимательно рассмотрите ее шкалу. Налейте в мерный цилиндр или
пробирку столько воды, чтобы нижний край мениска жидкости
достиг нужного деления мерной посуды (показано на рисунке). При
определении уровня мениска глаз наблюдателя должен быть в
одной горизонтальной плоскости с необходимым делением.
Отмерьте, при помощи мерного цилиндра или мерной пробирки
10 мл воды и вылейте ее в стакан. Рис.4.
Высыпьте выданную вам загрязненную соль в стакан с водой,
Определение
аккуратно размешивайте смесь при помощи стеклянной палочки.
мениска
Опишите, что наблюдается при добавлении воды к смеси

(опишите поведение частиц смеси в воде) ________________________________________

________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________

15

Опишите внешний вид полученного раствора (все ли частицы растворились, если не все, то опишите внешний вид осадка) __________________________________ ________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________
Сделайте вывод, какой компонент смеси растворился в воде? ___________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 3. Отделение раствора соли от твердых нерастворимых веществ.

Приготовьте
бумажный фильтр (на
рисунке 5 показано как
правильно сложить
бумажный фильтр) и
уложите его в воронку. Рис.5. Изготовление бумажного фильтра

Воронку вставьте в штативное кольцо. Разместите под воронкой стакан, в который будет собираться профильтрованный раствор (показано на рисунке). Приливайте раствор в воронку небольшими порциями, при помощи стеклянной палочки.

Опишите вид раствора после фильтрования (прозрачность, наличие мути или мелких частиц) ________________________________________________________________

________________________________________________________________________________
Какие функции выполняет бумажный фильтр в процессе фильтрования?

Очистка загрязнённой поваренной соли. Практическая работа 4.

Тема: Практическая работа № 4 «Очистка загрязнённой поваренной соли»

Цели урока:

·        Активизировать интерес учащихся к предмету.

·        Познакомить с новым веществом, значением его в природе и в жизни человека.

Задачи урока:

·        Развивать и укреплять навыки химического эксперимента.

·        Развивать познавательную активность.

·        Научить работать в группах.

·        Ознакомить и освоить простейший способ очистки веществ: растворение, фильтрование, выпаривание.

·        Закрепить знания правил техники безопасности в химической лаборатории.

Тип урока: урок- практикум.

Оборудование:

·        Лабораторный штатив с кольцом.

·        Спиртовка.

·        Воронка.

·        Стеклянная палочка

·        Химический стакан (2шт).

·        Предметное стекло.

·        Держатель.

·        Фильтровальная бумага.

Вещества:

·        Загрязнённая поваренная соль.

·        Дистиллированная вода.

План урока

1.Вступительное слово учителя. (4 мин)
2.Сообщения учащихся. (5 мин)
3.Тест: «Правила техники безопасности». (5 мин)
4. Эксперимент. (15 мин)
5. Оформление отчёта о проделанной работе. (7 мин)

6. Закрепление материала. (3 мин)

7. Рефлексия. (1 мин)

Ход урока:

Организационный момент.

Правила ТБ.

Прочитайте работу.

Приступить к работе по инструкции.

Добрый день, ребята, уважаемые гости. На ваших столах лежат картинки со смайликами. Выберите тот смайлик, который соответствует вашему настрою на урок, сверху над смайликом поставьте галочку. Отложите картинку в сторону.

Тест на знание правил техники безопасности.

1. Как положено вести себя в школьной химической лаборатории?

А) можно перекусить

Б) можно смешивать реактивы, не пользуясь инструкцией

В) можно бегать и шуметь

Г) следует соблюдать на рабочем месте чистоту и порядок

2. Чего нельзя делать при работе со спиртовкой?

А) тушить огонь колпачком

Б) зажигать спичками

В) зажигать от другой спиртовки

Г) заполнять этиловым спиртом

3. Фарфоровую чашечку нагревают в пламени спиртовки, держа:

А) руками

Б) держателем

В) щипцами

4. Полученную очищенную соль:

А) можно попробовать на вкус

Б) нельзя пробовать на вкус

5. Что нужно делать, если разлил раствор вещества:

А) сообщить учителю или лаборанту

Б) самостоятельно убрать разлитое вещество

В) сделать вид, что ничего не случилось.

4.Выполнение практической работы в три этапа: растворение и отстаивание, фильтрование, выпаривание.

Оформить отчет.

Вывод: ___________________________________

Урок №7 — ХИМИЯ!FOREVER!

Перекристаллизация — Chemistry LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Введение
2. Процедура
3. Внешние ссылки
4. Ссылки
5. Авторы и авторства

Перекристаллизация, также известная как фракционная кристаллизация, представляет собой процедуру очистки нечистых соединений в растворителе.Метод очистки основан на том принципе, что растворимость большинства твердых веществ увеличивается с повышением температуры. Это означает, что при повышении температуры количество растворенного вещества, которое может быть растворено в растворителе, увеличивается.

Введение

Примеси растворяются (примеси также должны быть растворимы в растворителе), чтобы приготовить высококонцентрированный раствор при высокой температуре. Раствор остужают. Снижение температуры вызывает уменьшение растворимости примесей в растворе и очищаемом веществе.Затем нечистое вещество кристаллизуется раньше, чем примеси — если предположить, что нечистого вещества было больше, чем было примесей. Примеси будут кристаллизоваться в более чистой форме, потому что примеси еще не кристаллизуются, поэтому примеси останутся в растворе. На этом этапе необходимо использовать процесс фильтрации для отделения более чистых кристаллов. Процедуру можно повторить. Кривые растворимости можно использовать для прогнозирования результатов процедуры перекристаллизации.

Примечание

Рекристаллизация работает лучше всего, когда

1. количество примесей мало
2. кривая растворимости желаемого растворенного вещества быстро растет с температурой

Чем медленнее скорость охлаждения, тем больше образуются кристаллы.Недостаток перекристаллизации в том, что она занимает много времени. Кроме того, очень важно использовать подходящий растворитель. Это можно определить только методом проб и ошибок, основываясь на прогнозах и наблюдениях. Раствор должен быть растворимым при высоких температурах и нерастворимым при низких температурах. Преимущество перекристаллизации состоит в том, что при правильном проведении это очень эффективный способ получения чистого образца какого-либо продукта или осадка.

Процедура

Это важные этапы процесса рекситализации.

1. Растворите растворенное вещество в растворителе: Добавьте кипящий растворитель в химический стакан, содержащий нечистое соединение. Нагрейте стакан и продолжайте добавлять растворитель до полного растворения растворенного вещества. См. Рисунок 1

2. Охлаждение раствора: Раствор сначала охлаждают на открытом воздухе, а затем охлаждают на ледяной бане. Медленное охлаждение часто приводит к получению более чистых кристаллов. На дне стакана должны образоваться кристаллы. Процесс «затравки» может быть использован для содействия образованию кристаллов — это означает добавление чистых кристаллов соединения.Чистый кристалл образует поверхность для кристаллизации растворенного вещества. См. Рисунок 2

3. Получить кристаллы из растворенного вещества. : более чистые кристаллы, выпавшие в осадок из растворенного вещества, являются желательной частью смеси, поэтому их необходимо удалить из растворителя. Процесс, используемый для выделения кристаллов, которые остаются в стакане, называется вакуумной фильтрацией. Всасывание создается с помощью аспиратора, и все, что остается в стакане, выливается через воронку Бюхнера.Если по какой-либо причине кристаллы не видны, можно провести гравитационную фильтрацию. К раствору добавляют активированный уголь, смесь кипятят и используют систему воронок для переноса новой смеси в новый стакан с кипящим растворителем. В воронке используется фильтровальная бумага для удаления излишков углерода. После медленного охлаждения смеси должны появиться крупные кристаллы.

4. Сушите полученные кристаллы: Кристаллы сушат, оставляя их в аспираторе, а затем перенося их в стеклянную посуду, чтобы подождать еще некоторое время.Чистоту кристаллов можно проверить, выполнив «определение точки плавления».

Рисунок 1

Рисунок 2

Список литературы

1. Петруччи, Харвуд, Селедка, Мадура. Общая химия: принципы и современные приложения, Девятое изд. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Education, Inc., 2007.

Авторы и авторство

Как фильтрация очищает воду: Spectrum

Чистая вода необходима для всего живого.Людям, животным и растениям для жизни нужна чистая вода — вот почему фильтрация воды сегодня является огромной отраслью. Поливаете ли вы урожай на большой ферме, перекачиваете балластную воду в иностранном порту или просто берете стакан воды из холодильника, вы, скорее всего, будете использовать воду, прошедшую ту или иную форму фильтрации.

Как следует из названия, фильтрация «отфильтровывает» вредные вещества из нашей воды, делая ее чистой и пригодной для использования в коммерческих системах. Но как именно работает этот процесс? Ответ зависит от типа используемой вами системы фильтрации.

Почему фильтрация воды имеет значение

Прежде чем мы сможем обсудить, как фильтрация очищает нашу воду, сначала важно понять, почему мы вообще фильтруем воду. По данным Геологической службы США (USGS), вода является «универсальным растворителем», другими словами, она легко растворяет множество других веществ.

Несмотря на то, что водная растворимость делает его эффективным средством для очистки, она также облегчает соединение загрязняющих веществ с самой водой. Мусор, бактерии и микроорганизмы могут поселиться в доме, и это может нанести реальный вред растениям и животным, которые подвергаются воздействию загрязненной воды.

На этой диаграмме спектра мембранной фильтрации показан процесс разделения различных материалов все меньшего размера.

Фильтры необходимы для защиты вашей системы от мусора или других загрязнений в вашей воде. Если частицам удастся попасть в систему, оборудование может пострадать от скоплений, засорения и множества других проблем, которые могут сократить срок службы машин. Фактически, эти риски настолько велики, что многие организации также внедряют этап предварительной фильтрации. Например, в системах, в которых используется ультрафильтрация, часто используется предварительная фильтрация, чтобы не допустить попадания более крупных частиц и защиты первичного фильтра от засорения или других повреждений.

Для людей, работающих в таких отраслях, как сельское хозяйство, водоподготовка, опреснение и многие другие, наличие чистой воды жизненно важно для поддержания здоровья ваших клиентов и процветания вашего бизнеса. Следовательно, эти отрасли промышленности должны полагаться на фильтрацию, чтобы поддерживать воду в безопасных и здоровых условиях.

Как помогает фильтрация

Проще говоря, фильтрация удаляет загрязнения из воды, почти устраняя риск, связанный с любым мусором или частицами, которые могли присутствовать. В результате фильтрованная вода становится чище и чище, чем в исходном состоянии, что делает ее безопасной для использования в балластных цистернах, промышленных системах и многом другом.

Фильтрованная вода помогает предотвратить загрязнение других предметов. Например, фермеры используют фильтрованную воду, чтобы химические вещества или бактерии не влияли на уровень pH в их почве. Баланс pH является ключевым компонентом при выращивании различных культур, поэтому у фермеров не может быть неожиданных загрязнителей, изменяющих состав почвы.

Аналогичным образом фильтрация необходима для грузовых судов, которые планируют сброс балластной воды в следующем порту. Океан — это обширная и разнообразная экосистема, и микроорганизмы из одного района могут радикально изменить экосистему в другом месте.Фильтрация водяного балласта перед сбросом в порт предотвратит попадание животных или бактерий в новую часть океана и радикальное изменение его биоразнообразия.

В конечном счете, любая отрасль, использующая воду для ведения своего бизнеса, может извлечь выгоду из фильтрации воды перед использованием. Инвестиции в фильтрацию позволят сделать воду более чистой и безопасной для всех.

Как работает фильтрация

Фильтрация воды была частью общества с 500 г. до н. Э. когда греческий ученый Гиппократ разработал тканевый фильтр для очистки воды.С того времени люди разработали и протестировали бесчисленное количество методов фильтрации воды, от кипячения ее под жарким солнцем до использования древесного угля и хлора для уничтожения микроорганизмов.

Но как сегодня работает фильтрация? Некоторые из самых ранних методов фильтрации (например, угольные фильтры) все еще используются в той или иной степени. Однако современные технологии открыли двери для широкого спектра различных методов фильтрации. Наиболее распространенными системами фильтрации являются:

• Фильтрация частиц (два типа обсуждаются ниже)
• Мембранная фильтрация
• Обратный осмос

Фильтры частиц

Сетчатые фильтры

Один из наиболее распространенных типов воды Система фильтрации представляет собой сетчатый фильтр.Подавляющее большинство всех коммерческих и промышленных систем фильтрации сначала начинаются с экрана, чтобы отфильтровать как можно больше взвешенного материала, прежде чем направлять их на обработку или использование.

В сетчатых фильтрах используется сетка (обычно из полиэстера или нержавеющей стали) для улавливания грязи, отложений и другого мусора, который может находиться в воде.

Сетчатые фильтры были одними из первых фильтровальных инструментов, разработанных человечеством, и даже сегодня они остаются высокоэффективным методом очистки воды.Однако важно отметить, что у экранных фильтров есть один существенный недостаток: они представляют собой плоскую двумерную систему. Стандартный сетчатый фильтр не имеет глубины, а это означает, что экран может очень легко забиться. Многие решают эту проблему, регулярно очищая фильтр — либо путем его регулярного извлечения и очистки, либо с помощью системы самоочистки, которая автоматически удаляет мусор и поддерживает полную работоспособность экрана на протяжении всего срока службы.

Существуют различные уровни экранных фильтров, в которых используются ячейки разного размера, что позволяет определить, сколько частиц улавливает ваш фильтр.Кроме того, некоторые производители, в том числе Filtersafe, создали многослойные экраны, которые улавливают большее количество загрязняющих веществ по мере прохождения через них воды. Эти инструменты делают удаление отложений, песка и микроорганизмов быстрым и безболезненным процессом, что упрощает получение чистой и чистой воды для вашего бизнеса.

Свечные фильтры

Свечные фильтры — еще один способ удаления мелких частиц.

Свечные фильтры, также известные как трубчатые фильтры с обратной промывкой, не являются автоматическими, как многие сетчатые фильтры, вместо использования силы тяжести для получения чистой воды.Эта система фильтрации, названная в честь свечной формы, использует фильтрующий картридж (который обычно изготавливается из керамики или тонкого сита), чтобы отфильтровывать частицы из воды, когда она проходит через фильтр. Эта система может быть эффективным способом удаления отложений, бактерий и других частиц из вашей воды, хотя большинство промышленных пользователей предпочитают автоматические системы фильтрации.

Мембранная фильтрация: микро-, ультра- и нанофильтрация

Если требуется более тонкая фильтрация, чем это могут сделать фильтры твердых частиц (менее 10 микрон), мембранные фильтры являются решением (хотя сетчатые фильтры являются наиболее подходящим решением). первый шаг для фильтрации воды, прежде чем они пройдут через мембраны).Это означает, что система использует гидростатическое давление для проталкивания воды через мембрану; по мере прохождения воды любые частицы или загрязняющие вещества в воде задерживаются, в результате чего получается чистая фильтрованная вода.

Существует три основных типа мембранной фильтрации: микрофильтрация, ультрафильтрация и нанофильтрация. Хотя эти три типа используют один и тот же процесс для фильтрации воды, они различаются размером частиц, которые они могут улавливать. Ключевым отличием является размер пор в каждой мембране:

• Мембраны для микрофильтрации имеют размер пор около 0.1 микрон, что означает, что он может улавливать частицы, но не растворенные вещества. Мембраны для микрофильтрации (MF) разработаны специально для решения сложных технологических задач, таких как удаление микробов, фракционирование белка и предварительная обработка для других мембранных процессов. Мембраны для микрофильтрации имеют самые открытые поры из всех полимерных мембран. Мембраны для микрофильтрации с размером пор от 0,1 до 10 мкм способны отделять крупные взвешенные твердые частицы, такие как коллоиды, твердые частицы, жир и бактерии, при этом позволяя сахару, белкам, солям и молекулам с низкой молекулярной массой проходить через мембрану.
• Мембраны для ультрафильтрации имеют размер пор около 0,01 микрона, что означает, что они могут улавливать более мелкие частицы и более мелкие загрязнители, такие как вирусы. Однако ультрафильтрация не может улавливать растворенные вещества.
• Мембрана для нанофильтрации s имеет размер пор 0,001 мкм. Поскольку размер пор один из самых маленьких (меньше только мембраны обратного осмоса), этот тип фильтрации может улавливать практически все органические вещества, многовалентные соли и другие частицы в воде.Кроме того, мембраны для нанофильтрации способны отфильтровывать многовалентные соли и более крупные молекулы, при этом избирательно отклоняя различные количества одновалентных солей.

Фильтры обратного осмоса (RO)

Термин «осмос» относится к явлению прохождения растворителя (например, воды) через полупроницаемую мембрану в растворенное или растворимое вещество. Когда это происходит, вода растворяется и «забирает» некоторые молекулы растворенного вещества, в результате чего образуется смесь воды и растворенного вещества, которая одинаково концентрируется с обеих сторон мембраны.

Обратный осмос, как следует из названия, обращает это явление вспять — удаляя частицы из источника воды с помощью мембраны. Фильтр этого типа чаще всего используется для опреснения воды в сочетании с системой фильтрации или ультрафильтрации в качестве предварительного фильтра.

При обратном осмосе полупроницаемая мембрана (которая чаще всего состоит из ацетата целлюлозы) не позволяет воде растворять растворенное вещество; вместо этого он действует как барьер, который не позволяет материалам, таким как минералы или микроорганизмы, проходить через систему фильтрации.С помощью этого метода вы можете получить очищенную воду без мусора.

По сравнению с традиционными технологиями фильтрации, в которых для удаления частиц используются сетка или фильтр, обратный осмос (RO) представляет собой процесс разделения под давлением, в котором используется полупроницаемая мембрана и принципы фильтрации с поперечным потоком.

Обработка воды методом обратного осмоса обеспечивает высочайший уровень фильтрации. Мембрана обратного осмоса действует как барьер для всех солей и неорганических молекул, а также для органических молекул с молекулярной массой более примерно 100 Да (Дальтон).Следовательно, это очень эффективный процесс удаления загрязняющих веществ, таких как:

• Эндотоксины / пирогены.
• Инсектициды / пестициды.
• Гербициды.
• Антибиотики.
• Нитраты.
• Сахар.
• Соли растворимые.
• Ионы металлов.

Получите лучшую систему фильтрации для ваших нужд

Сегодня существует множество систем фильтрации воды, каждая из которых служит уникальной цели. Независимо от того, очищаете ли вы воду для водоочистных сооружений, для питания сельскохозяйственных культур или для любых других промышленных целей, очень важно иметь в своем распоряжении правильные инструменты для эффективного выполнения своей работы, а это означает поиск подходящей системы фильтрации для вашей потребности.

И независимо от того, какую технологию фильтрации вы используете в своей системе, вам понадобится предварительная фильтрация, чтобы защитить и продлить срок службы вашей системы. Простая система предварительной фильтрации предотвратит чрезмерный износ вашего оборудования и сэкономит вам расходы на техническое обслуживание! Filtersafe имеет более чем 30-летний опыт консультирования и поставки лучшей системы для ваших нужд, помогая вам защитить ваши системы и сократить расходы и время простоя. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать, как наша команда может помочь вашему предприятию получить более чистую и качественную воду.

Инженеры Массачусетского технологического института изготавливают фильтры из веток деревьев для очистки питьевой воды | MIT News

Внутренние части нецветущих деревьев, таких как сосна и гинкго, содержат заболонь, выстланную соломенными каналами, известными как ксилема, которые втягивают воду через ствол и ветви дерева. Ксилемные каналы соединены между собой тонкими мембранами, которые действуют как естественные сита, отфильтровывая пузырьки из воды и сока.

Инженеры Массачусетского технологического института исследовали естественную фильтрующую способность заболони и ранее изготовили простые фильтры из очищенных поперечных сечений ветвей заболони, демонстрируя, что низкотехнологичная конструкция эффективно фильтрует бактерии.

Теперь та же команда усовершенствовала технологию и показала, что она работает в реальных ситуациях. Они изготовили новые ксилемные фильтры, которые могут отфильтровывать патогены, такие как E. coli и ротавирус, в лабораторных тестах, и показали, что фильтр может удалять бактерии из загрязненных источников, водопроводных и грунтовых вод. Они также разработали простые методы для продления срока годности фильтров, позволяющие древесным дискам очищать воду после хранения в сухом виде не менее двух лет.

Исследователи перенесли свои методы в Индию, где они сделали фильтры ксилемы из местных деревьев и протестировали фильтры на местных пользователях. Основываясь на их отзывах, команда разработала прототип простой системы фильтрации, оснащенной сменными ксилемными фильтрами, которые очищают воду со скоростью один литр в час.

Их результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature Communications , показывают, что ксилемные фильтры могут использоваться в общественных местах для удаления бактерий и вирусов из загрязненной питьевой воды.

Исследователи изучают возможности сделать ксилемные фильтры доступными в больших количествах, особенно в районах, где загрязненная питьевая вода является основной причиной болезней и смерти. Команда запустила веб-сайт с открытым исходным кодом с инструкциями по проектированию и изготовлению ксилемных фильтров из различных типов деревьев. Веб-сайт предназначен для поддержки предпринимателей, организаций и лидеров, которые знакомят с этой технологией более широкие сообщества, и вдохновляют студентов на проведение собственных научных экспериментов с ксилемными фильтрами.

«Поскольку сырье широко доступно, а производственные процессы просты, можно представить себе привлечение сообществ к закупке, изготовлению и распространению ксилемных фильтров», — говорит Рохит Карник, профессор машиностроения и младший руководитель отдела образования в Массачусетском технологическом институте. «В местах, где единственным вариантом было пить нефильтрованную воду, мы ожидаем, что ксилемные фильтры улучшат здоровье и сделают воду пригодной для питья».

Соавторы исследования

Карник — ведущий автор Критика Рамчандер и Люда Ван из отдела машиностроения Массачусетского технологического института, а также Мегха Хегде, Аниш Энтони, Кендра Лейт и Эми Смит из D-Lab Массачусетского технологического института.

Проиграть видео

Расчистка пути

В своих предыдущих исследованиях ксилемы Карник и его коллеги обнаружили, что естественная фильтрующая способность древесного материала также имеет некоторые естественные ограничения. По мере высыхания древесины сетчатые мембраны ветвей начали прилипать к стенкам, снижая проницаемость фильтра или способность пропускать воду.Фильтры также со временем «самоблокировались», накапливая древесную материю, которая забивала каналы.

Удивительно, но два простых метода лечения преодолели оба ограничения. Замачивая небольшие срезы заболони в горячей воде в течение часа, затем погружая их в этанол и давая им высохнуть, Рамчандер обнаружил, что материал сохраняет свою проницаемость, эффективно фильтруя воду, не забиваясь. Его фильтрацию также можно улучшить, задав толщину фильтра в соответствии с его типом дерева.

Исследователи нарезали и обработали небольшие поперечные срезы белой сосны из веток вокруг кампуса Массачусетского технологического института и показали, что полученные фильтры сохраняют проницаемость, сравнимую с коммерческими фильтрами, даже после хранения до двух лет, что значительно продлевает срок годности фильтров. .

Проиграть видео

Исследователи также проверили способность фильтров удалять загрязнения, такие как E.coli и ротавирус — наиболее частая причина диарейных заболеваний. Очищенные фильтры удалили более 99 процентов обоих загрязняющих веществ, уровень очистки воды соответствует категории «двухзвездочной комплексной защиты», установленной Всемирной организацией здравоохранения.

«Мы думаем, что эти фильтры могут эффективно бороться с бактериальными загрязнениями», — говорит Рамчандер. «Но есть химические загрязнители, такие как мышьяк и фторид, эффект которых мы еще не знаем», — отмечает она.

Фундамент

Ободренные результатами, полученными в лаборатории, исследователи отправились на полевые испытания своих разработок в Индию, страну, которая испытала самый высокий в мире уровень смертности от болезней, передающихся через воду, и где безопасная и надежная питьевая вода недоступна. более 160 миллионов человек.

Более двух лет инженеры, в том числе исследователи из D-Lab Массачусетского технологического института, работали в горных и городских районах при содействии местных НПО Himmotthan Society, Shramyog, Peoples Science Institute и Essmart. Они изготовили фильтры из местных сосен и протестировали их, а также фильтры, сделанные из деревьев гинкго в США, с местными источниками питьевой воды. Эти испытания подтвердили, что фильтры эффективно удаляют бактерии, обнаруженные в местной воде. Исследователи также провели интервью, фокус-группы и семинары по дизайну, чтобы понять текущую практику использования воды в местных сообществах, а также проблемы и предпочтения в отношении решений по очистке воды.Они также собрали отзывы о дизайне.

«Одна из вещей, которые очень понравились людям, — это тот факт, что этот фильтр является натуральным материалом, который все признают», — говорит Хегде. «Мы также обнаружили, что люди из семей с низкими доходами предпочитают платить меньшую сумму ежедневно, а не большую сумму реже. Это было препятствием для использования существующих фильтров, потому что стоимость замены была слишком высокой ».

На основе информации, полученной от более чем 1000 потенциальных пользователей по всей Индии, они разработали прототип простой системы фильтрации, снабженной резервуаром наверху, который пользователи могут заполнять водой.Вода стекает по трубке длиной 1 метр через ксилемный фильтр и выходит через носик с клапаном. Ксилемный фильтр можно менять ежедневно или еженедельно, в зависимости от потребностей семьи.

Команда изучает способы производства ксилемных фильтров в более крупных масштабах, с использованием местных ресурсов и таким образом, чтобы побудить людей практиковать очистку воды как часть своей повседневной жизни — например, путем предоставления сменных фильтров по доступной цене с оплатой по мере необходимости. -выпускаются пакеты.

«Фильтры Xylem изготавливаются из недорогих и широко доступных материалов, которые могут быть доступны в местных магазинах, где люди могут купить то, что им нужно, без предварительных вложений, как это типично для других картриджей для фильтров для воды», — говорит Карник. «На данный момент мы показали, что ксилемные фильтры обеспечивают реалистичную производительность».

Это исследование было частично поддержано лабораторией Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) в Массачусетском технологическом институте и Центром технологий и дизайна Тата Массачусетского технологического института.

Рекристаллизация

Принцип перекристаллизации заключается в том, что количество растворенного вещества, которое может быть растворено растворителем, увеличивается с температурой. При перекристаллизации раствор создается путем растворения растворенного вещества в растворителе при температуре кипения или около нее. При такой высокой температуре растворенное вещество имеет значительно повышенную растворимость в растворителе, поэтому требуется гораздо меньшее количество горячего растворителя, чем при комнатной температуре растворителя.Когда раствор позже охлаждается, после фильтрации нерастворимых примесей количество растворенного вещества, которое остается растворенным, резко падает. При более низкой температуре раствор насыщается при гораздо более низкой концентрации растворенного вещества. Растворенное вещество, которое больше не может удерживаться в растворе, образует очищенные кристаллы растворенного вещества, которые впоследствии можно собрать.

Перекристаллизация работает только при использовании подходящего растворителя. Растворенное вещество должно быть относительно нерастворимым в растворителе при комнатной температуре, но гораздо более растворимым в растворителе при более высокой температуре.В то же время присутствующие примеси должны быть либо растворимы в растворителе при комнатной температуре, либо нерастворимы в растворителе при высокой температуре. Например, если вы хотите очистить образец соединения X, который загрязнен небольшим количеством соединения Y, подходящим растворителем будет тот, в котором все соединение Y растворено при комнатной температуре, потому что примеси останутся в растворе и пройдут через него. фильтровальная бумага, оставляя только чистые кристаллы. Также подходящим может быть растворитель, в котором примеси нерастворимы при высокой температуре, поскольку они останутся твердыми в кипящем растворителе и затем могут быть отфильтрованы.Имея дело с неизвестными веществами, вам нужно будет проверить, какой растворитель подойдет вам лучше всего. Согласно пословице «подобное растворяется в подобном», растворитель, имеющий полярность, аналогичную полярности растворенного вещества, обычно растворяет вещество очень хорошо. Как правило, очень полярное растворенное вещество легко растворяется в полярном растворителе и практически не растворяется в неполярном растворителе. Часто лучше всего иметь растворитель с немного отличающимися характеристиками полярности от растворенного вещества, потому что, если полярность двух слишком близко совпадает, растворенное вещество, вероятно, будет, по крайней мере, частично растворено при комнатной температуре.

Процесс перекристаллизации состоит из пяти основных этапов: растворение растворенного вещества в растворителе, выполнение гравитационной фильтрации, если необходимо, получение кристаллов растворенного вещества, сбор кристаллов растворенного вещества с помощью вакуумной фильтрации и, наконец, сушка полученных кристаллов.

1. Растворение растворенного вещества в растворителе
   1. Добавьте небольшую порцию кипящего растворителя в химический стакан, содержащий загрязненный образец и кипящую стружку.
   2. Нагрейте химический стакан, содержащий растворенное вещество, и продолжайте постепенно добавлять кипящий растворитель, пока все растворенное вещество не растворится.Если можно добавить дополнительный растворитель без заметного изменения количества присутствующего растворенного вещества, твердые частицы, вероятно, являются нерастворимыми примесями.
2. Горячая гравитационная фильтрация
   1. Этот этап не является обязательным, если нет видимых твердых частиц и раствор имеет ожидаемый цвет (большинство органических соединений белого или светло-желтого цвета)
   2. Если цвет раствора не соответствует ожидаемому, снимите кипящий раствор с огня и дайте ему остыть ниже точки кипения растворителя.Добавьте небольшое количество активированного угля (размером с горошину) и перемешайте раствор. Использование слишком большого количества активированного угля приведет к чрезмерной потере желаемого продукта. Кипятите раствор, содержащий активированный уголь, в течение 5-10 минут. В фильтровальную бумагу необходимо поместить вспомогательный фильтрующий элемент, чтобы удалить уголь на следующих этапах.
   3. Проткните кусок фильтровальной бумаги и поместите его в воронку без стержня. Воронка со стержнем склонна к преждевременной перекристаллизации внутри стержня, поскольку фильтрат может охлаждаться при прохождении через стержень.При этих более низких температурах вероятно образование кристаллов.
   4. Нагрейте химический стакан с растворителем для перекристаллизации. Поместите воронку и фильтровальную бумагу в стакан так, чтобы поднимающиеся пары кипящего растворителя могли нагреть воронку и фильтровальную бумагу. Нагревание установки перед фильтрацией предотвратит образование кристаллов на бумаге и в воронке (см. Рисунок 1 ниже).

      Рисунок 1. Горячая гравитационная фильтрация. Поддержание установки в горячем состоянии предотвращает преждевременное образование кристаллов.

   5. Поддерживая раствор очень горячим, чтобы растворенное вещество оставалось растворенным, вылейте раствор через воронку и фильтровальную бумагу. По мере того как фильтрат начинает накапливаться, нагрейте емкость для стакана; образующиеся пары помогут предотвратить кристаллизацию в воронке или на фильтровальной бумаге.
   6. Если воронка была должным образом нагрета перед фильтрацией, весь раствор пройдет через нее, и кристаллы не будут образовываться на бумаге или в воронке.Если кристаллы образовались, их можно растворить, пропустив через воронку небольшое количество кипящего растворителя. Если раствор все еще обесцвечивается после использования активированного угля и фильтрации, это означает, что либо цвет связан с составом, и он не исчезнет, ​​либо вам необходимо повторить шаг с добавлением активированного угля.
   7. Раствору следует дать медленно остыть до комнатной температуры. Постепенное охлаждение способствует образованию крупных четко очерченных кристаллов.
3. Вакуумная фильтрация

   (см. Методы фильтрации, запомнив эти дополнительные моменты)

   1. Перемешайте кристаллы полированной стеклянной палочкой для перемешивания перед тем, как вылить маточный раствор вместе с кристаллами через воронку Бюхнера.Примените максимально возможное количество всасывания с помощью аспиратора.
   2. Некоторые кристаллы могли остаться в стакане; Есть два способа осуществить количественный перенос всего этого материала. Либо используйте часть фильтрата, чтобы промыть стакан, либо используйте резиновый полицейский на конце стержня для перемешивания, чтобы соскрести оставшиеся кристаллы в воронку Бюхнера.
   3. Когда кристаллы будут собраны и промыты, дайте аспиратору поработать несколько минут, чтобы кристаллы имели возможность высохнуть.
4. Сушка кристаллов
   1. Когда кристаллы максимально высушены в воронке Бюхнера, используйте лопатку, чтобы переместить их в химический стакан или кристаллизатор. Это гарантирует, что кристаллы не будут загрязнены волокнами фильтровальной бумаги при их высыхании.
   2. После удаления всех кристаллов с фильтровальной бумаги снимите фильтровальную бумагу и соскребите оставшиеся кристаллы с воронки.
   3. Распределение кристаллов в химическом стакане или чаше для кристаллизации обеспечит наиболее эффективную сушку, поскольку кристаллы будут иметь максимальную открытую площадь поверхности.
   4. После высыхания кристаллов чистоту образца можно измерить путем определения точки плавления.
5. Что делать, если кристаллы не образуются

   Если кристаллы не образуются при медленном охлаждении раствора до комнатной температуры, вы можете выполнить ряд процедур, чтобы стимулировать их рост. Сначала раствор следует охладить на ледяной бане. Медленное охлаждение раствора приводит к медленному образованию кристаллов, и чем медленнее образуются кристаллы, тем они более чистые.Скорость кристаллизации замедляется по мере снижения температуры, поэтому охлаждение на ледяной бане следует использовать только до тех пор, пока кристаллы не начнут формироваться; после этого раствору нужно дать нагреться до комнатной температуры, чтобы образование кристаллов происходило медленнее. Если кристаллы не образуются даже после охлаждения раствора на ледяной бане, возьмите отполированную огнем палочку для перемешивания и протравите (поцарапайте) стекло стакана. Маленькие кусочки стекла, вытравленные из стакана, служат зародышами для образования кристаллов.Если кристаллы по-прежнему не образуются, возьмите небольшое количество раствора и нанесите его на часовое стекло. После испарения растворителя оставшиеся кристаллы могут служить затравками для дальнейшей кристаллизации. Оба эти метода зародышеобразования (т.е. травление и затравочные кристаллы) вызывают очень быструю кристаллизацию, которая может привести к образованию нечистых кристаллов.

   Кристаллы не образуются при большом избытке растворителя. Если при использовании уже описанных методов кристаллы не образуются, возможно, необходимо удалить часть растворителя.Это может быть достигнуто путем нагревания раствора в течение определенного периода времени для испарения некоторого количества растворителя. Новый концентрированный раствор следует охладить и снова попытаться использовать ранее упомянутые методы стимулирования кристаллизации.

   Другая потенциальная проблема перекристаллизации заключается в том, что растворенное вещество иногда выходит из раствора в виде нечистого масла вместо образования очищенных кристаллов. Обычно это происходит, когда точка кипения растворителя выше, чем точка плавления соединения, но это не единственный сценарий, в котором возникает эта проблема.Если это начнет происходить, охлаждение раствора не будет стимулировать кристаллизацию, а только усугубит проблему. Если масло начинает образовываться, нагрейте раствор, пока масляная часть не растворится, и дайте всему раствору остыть. Когда масло снова начнет образовываться, энергично перемешайте раствор, чтобы масло растворилось. Крошечные шарики масла, возникающие в результате этого встряхивания, могут действовать как ядра для образования новых кристаллов.

Очистка наночастиц по размеру и форме

Зачем использовать полимерсомы в качестве модели для очистки наночастиц?

В этом исследовании мы выбрали полимерные везикулы, полимерсомы, в качестве модели наночастиц для демонстрации эффективности различных методов очистки.Ранее мы показали, что средний размер полимерсом зависит от используемой техники получения, но каждый метод дает широкое распределение размеров вокруг их среднего диаметра ²⁰ . Наиболее энергетически выгодная геометрия для полимерсомы (и любой другой везикулы) — это сфера. Однако процесс обертывания мембраны может происходить только выше критического радиуса, обычно контролируемого размером одного строительного блока ²¹ . Выше этого критического радиуса энергетический штраф, необходимый для амфифильной мембраны, чтобы обернуться в везикулу, не зависит от конечного диаметра ¹⁹ .Это означает, что самосборка сферических полимерсом не связана с сильным избирательным смещением по размеру. Метод формирования агрегатов также может влиять на форму и структуру собранных наночастиц ²² . Окончательная морфология наночастиц зависит от распределения молекул по двум монослоям. Обертывание мембраны может привести к получению различных несферических форм, которые стабилизируются высокой молекулярной массой блок-сополимеров ²³ . Один из способов улучшить однородность размера и формы везикул — обеспечить дополнительную энергию для разрушения и повторного формирования везикул несколько раз.Например, везикулы на основе фосфолипидов, липосомы, обычно гомогенизируют путем сочетания обработки ультразвуком и экструзии, чтобы разрушить более крупные структуры и уменьшить разнообразие размеров. Однако эти методы часто неосуществимы для более механически устойчивых наночастиц, таких как полимерсомы. Высокая молекулярная масса полимеров, используемых в препаратах полимерсом, обеспечивает механическую стойкость, и поэтому для разрушения полимерсомных мембран потребуется участие значительных сил ²⁴ .Здесь мы используем pH-чувствительные блок-сополимеры PMPC-PDPA для образования полимерсом с использованием двух методов: ( i ) переключение растворителя, использование чувствительности PDPA к pH и ( ii ) регидратация пленки.

Прежний метод самосборки, называемый переключением pH, является версией метода переключения растворителя, при котором изменяется pH растворителя. Это простая и быстрая процедура, которая способствует образованию полимерсом менее чем за час. Полимерсомы получают растворением полимерных унимеров и последующим изменением условий растворимости для самосборки.В водных условиях при pH выше pKa полимера унимеры объединяются, образуя структуры, которые защищают их гидрофобные блоки от воды. Как мы наблюдали ранее, эта начальная стадия является относительно быстрой и первоначально приводит к образованию сферических мицелл (монослойных полимерных агрегатов без водной внутренней части) независимо от соотношения гидрофобных / гидрофильных сополимеров ¹² . Для мембранообразующих сополимеров переход от мицелл к везикулам (двухслойные мембраны, окружающие водную внутреннюю часть) происходит за счет образования различных промежуточных фаз, в основном через механизм роста ²⁵ .Однако критическим условием такого роста является наличие равновесия между юнимерами и сборками. Когда пул унимеров в растворе исчерпывается, процесс самосборки часто останавливается, что приводит к образованию метастабильных структур, таких как мицеллы. Напротив, если везикула формируется и в растворе все еще остается пул унимеров, везикула начинает расти с дисбалансом между внутренним и внешним слоями, что приводит к образованию везикул высокого рода ²² .

Для методов регидратации пленки образование полимерсом происходит посредством гидратации предварительно сформированной сополимерной пленки. В процессе гидратации сополимер образует различные структуры в зависимости от соотношения сополимер / вода ¹⁰ . Этот процесс кинетически сложен и часто приводит к образованию различных метастабильных фаз, таких как многослойные агрегаты ²⁶ , а также трубчатые полимерсомы ²⁷ .

Такое разнообразие структур делает полимерсомы идеальной платформой для разработки новых методов разделения, поскольку их свойства сильно зависят от их размера и формы.

Фильтрация с перекрестным потоком

Одним из методов очистки полимерсом в зависимости от их размера является фильтрация. Тупиковая фильтрация обычно безуспешна, поскольку наночастицы концентрируются в порах, что приводит к образованию «осадка на фильтре», который блокирует фильтр. Фильтрация с поперечным потоком (CFF) решает эту проблему, обеспечивая поток частиц по касательной к порам под высоким давлением. Давление позволяет частицам, размер которых меньше размера поры, проникать через мембрану, в то время как тангенциальный поток предотвращает образование фильтрационной корки (см. Типичную схему на рис.1А) ²⁸ . После получения полимерсом методом переключения pH мы использовали CFF, оборудованный мембранами с размером пор 50 нм в диаметре, для эффективной очистки сферических и родовых полимерсом от мицелл, как показано DLS и TEM на рис. 1B. Однако тот же подход, оцененный с помощью DLS и TEM, не был применим для разделения полимерсом (везикул) на различные размеры и формы. Это может быть связано с внутренней мягкой природой полимерсом, которые могут деформироваться вблизи пор при приложении определенного порогового давления.Хотя DLS обеспечивает быстрое измерение распределения образца по размеру, важно отметить, что результаты DLS могут быть менее точными в образцах с полидисперсными или агломерированными наночастицами. Точно так же одно изображение ПЭМ не может быть полностью репрезентативным для всей выборки. Поэтому рекомендуется включать оба измерения при оценке размера частиц. В целом представленные здесь данные DLS согласуются с изображениями ПЭМ. Полимерсомы, очищенные от мицелл с помощью фильтрации с использованием системы KrosFlo Research IIi, наблюдались как полидисперсная смесь размеров на ПЭМ-изображении, и аналогично DLS сообщил об относительно высоком индексе полидисперсности (PDI) 0.283.

Рисунок 1: Очистка полимерсом от мицелл с использованием системы KrosFlo Research Ili.

( A ) Диаграмма, отображающая метод удаления мицелл фильтрацией через поры 50 нм. (B) Распределения частот DLS и ПЭМ-микрофотографии раствора полимерсом до разделения (изображения слева), после разделения (изображения в центре) и раствора разделенных мицелл (изображения справа). Масштабная шкала = 200 нм.

Дифференциальное центрифугирование

Центрифугирование — один из наиболее часто используемых методов в биологических исследованиях, в основном для разделения смесей по размеру и плотности.Дифференциальное центрифугирование (DC) используется для разделения нескольких фракций в образце. В этом методе смесь центрифугируется несколько раз, и после каждого прогона осадок удаляется, а супернатант центрифугируется при более высокой центробежной силе (схема на фиг. 2A).

Рисунок 2: Очистка полимерсом с помощью DC.

( A ) Мультфильм, объясняющий протокол разделения. Сначала мицеллы удаляются с помощью системы полых волокон KrosFlo. Затем образец центрифугируют при 500 RCF и осадок ресуспендируют в PBS.Затем супернатанты центрифугировали последовательно при 2000 RCF, 5000 RCF, 10000 RCF, 15000 RCF и 20000 RCF. После каждого центрифугирования осадок отделяли и ресуспендировали. (B) Распределение размеров DLS и соответствующие микрофотографии ПЭМ, отображающие разделенные фракции в порядке возрастания размера. Масштабная шкала = 200 нм.

В нашем экспериментальном подходе полимерсомы были сформированы методом переключения pH. На рис. S2 в вспомогательной информации показано изображение этих полимерсом, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии, до проведения каких-либо дальнейших стадий очистки.Очевидно, что полученный образец был высокополидисперсным как по размеру, так и по форме, и содержал большую популяцию мицеллярных структур. Таким образом, мицеллы были предварительно удалены с использованием ранее описанной системы CFF. Затем оставшиеся полимерсомы разделяли на фракции разного размера с помощью DC. Микрофотографии ПЭМ для каждой фракции после DC и их соответствующие анализы DLS можно увидеть на фиг. 2B. Этот метод был быстрым, простым и привел к успешному разделению полидисперсного образца на отдельные фракции более однородного размера без потери материала.Однако дальнейшие эксперименты показали, что метод DC не может использоваться для разделения различных форм полимерсом, поскольку структуры высокого рода наблюдались во многих фракциях. Недавно мы наблюдали, что низкие фракции RCF полимерсом, образованных регидратацией пленки и очищенных с помощью DC, обогащены трубчатыми полимерсомами ²⁹ . Однако разделение не было полным и, следовательно, уровень очистки неудовлетворительный. По этой причине мы сосредоточились на эксклюзионной хроматографии.

Эксклюзивная хроматография

Следующим исследованным методом разделения была эксклюзионная хроматография (SEC), которая разделяет частицы на основе их гидродинамического объема. По мере того, как смесь движется через неподвижную фазу колонки SEC, обычно состоящей из уплотненных гидрофильных полимерных шариков, более мелкие молекулы извиваются в порах геля и выходят из них, тогда как более крупные молекулы не могут проникать в поры, позволяя им проходить через неподвижную фазу. быстрее и вымывается из колонки раньше.SEC обычно используется для отделения свободных небольших молекул от молекул, заключенных в наночастицы, однако использование метода разделения наночастиц разных размеров и форм может быть более сложной задачей ³⁰ . Для улучшения разрешения SEC раствор полимерсомы концентрировали до небольшого объема с использованием системы KrosFlo Research II i с мембраной с размером пор 10 кДа. Это сократило время, необходимое для поглощения жидкости неподвижной фазой.Элюированную жидкость дважды пропускали в одну и ту же колонку, удваивая эффективную длину колонки. Затем элюированный образец собирали в 96-луночный планшет, и средний диаметр разделенных фракций рассчитывали на основе измерений DLS. Данные представлены с использованием интенсивности рассеяния каждого образца (указывающей на размер и концентрацию полимерсом) и среднего размера (диаметра) как функции объема элюирования. Относительное частотное распределение каждой фракции полимерсом по размерам показано на рис.3А. Полученная хроматограмма показана на рис. 3В, что свидетельствует об эффективном разделении полимерсом на несколько размеров. Этот метод оказался эффективным при разделении образца на множество дискретных фракций монодисперсного размера. Примеры трех фракций, разделенных этим методом и проанализированных с помощью ПЭМ, показаны на фиг. 3С. Монодисперсность фракций, разделенных с помощью SEC, была улучшена по сравнению с образцами, очищенными методом DC. Однако этот метод требует больше времени и может привести к материальным потерям в столбце SEC.

Рис. 3. Разделение по размерам с использованием двух столбцов.

(A) Типичное частотное распределение DLS различных фракций, разделенных двумя последовательными столбцами SEC. (B) Хроматограмма, показывающая элюирование полимерсом из колонки SEC как функцию интенсивности рассеяния (черная кривая) и относительного среднего размера (красная кривая). (C) Распределение частот DLS и микрофотографии ПЭМ для трех репрезентативных фракций. Масштабные полосы = 200 нм.

Таким образом, мы пришли к предварительному выводу, что CFF может быть идеальным инструментом для отделения мицеллярных структур от везикул.В то же время, как DC, так и SEC оказались оптимальными для очистки полимерсом в соответствии с их размером, со своими преимуществами и недостатками. Однако ни один из этих методов не позволил провести полное разделение по форме наночастиц. Каждый образец по-прежнему содержал высокий уровень высокородных структур (в случае получения полимерсом методом переключения pH) или трубчатых везикул (в случае получения метода регидратации пленки). Таким образом, мы исследовали другой метод, а именно центрифугирование в градиенте плотности (DGC), метод, широко используемый в биохимии и молекулярной биологии для успешного разделения субклеточных фракций и органелл в соответствии с их плотностью.

Центрифугирование в градиенте плотности

Наконец, мы протестировали DGC как метод очистки полимерсом в соответствии с их формой. Сахароза DGC позволяет разделить смесь на различные фракции в зависимости от плотности частиц. Несферические полимерсомы имеют тенденцию иметь большую плотность, чем сферические, поскольку относительный внутренний водный объем меньше и, следовательно, они обладают более высоким соотношением полимер / вода. Чтобы проверить это, образец полимерсом, образованных регидратацией пленки, помещали в предварительно сформированный прерывистый градиент плотности сахарозы путем наслоения последовательно более низких плотностей сахарозы в 1.Микроцентрифужная пробирка 5 мл. Слои содержали 0% (, т.е. , раствор полимерсом в PBS), 5%, 10%, 15%, 20% и 25% мас. / Об. Сахарозы в PBS. Затем образец центрифугировали в течение 2 часов при 20000 RCF, получая наночастицы различной плотности, взвешенные в каждом слое. Полимерсомы, образованные переключением pH, извлекали из слоев сахарозы 5% мас. / Об. И 20% мас. / Об. (Все другие фракции не содержали наночастиц). Фракции 5% мас. / Об. Сахарозы, показанные на фиг. 4A (вверху), содержали смесь сферических полимерсом различных размеров.Частицы, извлеченные из слоя сахарозы с концентрацией 20% мас. / Об., Содержали преимущественно крупные структуры высокого рода (фиг. 4A, внизу). Дополнительная электронная микрофотография фракции сахарозы 20% мас. / Об. Приведена в разделе «Дополнительная информация» (рис. S3). Форма и складка рода (1-кратная, двойная, тройная и т. Д.) Наночастиц в слое 20% мас. / Об. Сахарозы варьировались. Различная плотность между двумя популяциями может быть легко объяснена путем сравнения способности инкапсулировать воду со сферами, имеющими больший объем, чем структура высокого рода.Это означает, что сфера 100 нм имеет вдвое меньшее количество цепочек сополимера по сравнению с тором 100 нм (, т.е. 1-кратный род) с отверстием 10 нм. Таким образом, плотность частиц сферических полимерсом всегда ниже, чем у трубчатых и родовых полимерсом.

Рисунок 4: Разделение полимерсом с использованием центрифугирования в градиенте плотности с прерывистым градиентом сахарозы.

(Центр изображения) Фотография, показывающая результат центрифугирования в градиенте плотности. Полимерсомы, меченные родамином, сначала загружают на верхний слой.Центрифугирование приведет к образованию двух основных фракций с содержанием сахарозы 5% мас. / Об. И 20% мас. / Об. ( A ) ТЕМ-анализ полимерсом, образованных переключением pH, которые были извлечены из слоя 5% мас. / Об. (Вверху) и слоя 20% мас. / Об. (Внизу). ( B ) ТЕМ-исследования полимерсом, образованных регидратацией пленки и извлеченных из 4 слоев сахарозы: 5% мас. / Об. (Вверху), 10% мас. / Об. И 15% мас. / Об. (Посередине) и 20% мас. / Об. v (внизу). Масштабные полосы = 200 нм.

Подобно переключению pH, метод регидратации пленки может привести к образованию смешанной популяции везикул различной формы.Однако регидратация полимерной пленки приводит к образованию трубчатых пузырьков вместо родовых структур в дополнение к сферическим пузырькам. Трубчатые везикулы представляют собой переходные структуры, которые образуются во время регидратации полимерной пленки и, в конечном итоге, превращаются в «жемчужины» в более мелкие трубочки, а затем в сферические полимерсомы ¹¹ . Более высокая плотность частиц трубчатых полимерсомных мембран должна позволить очистить эти структуры от сферических полимерсом с помощью DGC.Таким образом, эта возможность была исследована с использованием методологии DGC, описанной ранее для разделения родовых и сферических частиц, однако на этот раз наночастицы были приготовлены с использованием метода регидратации пленки. Градиент плотности после центрифугирования для полимерсом PMPC-PDPA, конъюгированных с родамином, полученных регидратацией пленки, показан на фиг. 4B. Метод дал четыре отдельных фракции. Фракция с концентрацией сахарозы от 0% до 5% (рис. 4В, вверху) содержала наименьшую сферическую полимерсомную дисперсию, фракцию сахарозы 10% (рис.4B, в середине) содержала монодисперсные сферические полимерсомы, фракция 15% мас. / Об. Сахарозы (рис. 4B, посередине) содержала смесь сферических и коротких удлиненных полимерсом, и, наконец, фракция 20% мас. / Об. Сахарозы содержала длинные разветвленные и неразветвленные. разветвленные трубчатые полимерсомы. Чтобы количественно оценить распределение размеров отдельных фракций, выделенных с помощью DGC, изображения ПЭМ анализировали с помощью программного обеспечения ImageJ. В частности, собранная 0% фракция содержала полимерсомы со средним диапазоном диаметров 10–20 нм.Везикулы, присутствующие во фракции 5% мас. / Об., Имели диаметр 20-40 нм, во фракции 10% мас. / Об. — 40–60 нм, в то время как в полосе 15% мас. / Об. Размер полимерсом составлял 60–80 нм. нм, хотя было также значительное количество везикул диаметром от 90 до 150 нм (см. рис. S4 в дополнительной информации). Широкое распределение по размерам фракции 20% мас. / Об. Связано с наличием канальцевых везикул (рис. S4). Последний график на рис. S4 отображает обзор всех проанализированных образцов. DGC оказался очень эффективным методом, который позволил очистить пленочные регидратированные наночастицы до фракций определенной формы.Как показано в дополнительной информации (рис. S4), эти наночастицы изначально представляли собой высокополидисперсную смесь трубчатых и сферических полимерсом различного диаметра. DGC предоставил простой и эффективный способ разделения этих структур с минимальной потерей образца во время процесса и позволил сконцентрировать образец на границе раздела между двумя разными полосами сахарозы. Это происходит потому, что частицы захватываются при равновесии плотности.

Одно решение для проблем с водой в Калифорнии: инновационная очистка и повторное использование

3.3 минуты чтения

8 июня 2015 г.

Мать-природа перерабатывает воду — и мы тоже можем.

Это то, что я понял, управляя строительством инновационного объекта в Калифорнии, который возвещает будущее воды.

Демонстрационная установка усовершенствованной очистки воды была построена в муниципальном водном районе Падре-Дам в качестве пилотной полномасштабной программы. Установка забирает уже очищенную воду и фильтрует ее с помощью усовершенствованного процесса очистки.Результат: более чистая вода, чем та, что льется сейчас из крана.

Ни одна вода еще не используется населением, так как это демонстрационная установка с периодом испытаний в течение года. Это называется «контрольным испытанием», потому что регулирующие органы требуют, чтобы водный район Падре-Дам доказывал чистоту воды в течение 365 дней подряд. Все идет нормально.

В районе, обслуживаемом плотиной Падре, безусловно, необходимо больше питьевой воды. Этот регион является частью округа Сан-Диего, который импортирует большую часть воды из реки Колорадо и дельты залива Северной Калифорнии.С ноября 2014 года плотина Падре находится в зоне предупреждения о засухе 2 уровня, что требует обязательных мер по сохранению водных ресурсов.

Количество местных притоков резко упало, и, поскольку это пустыня, единственный надежный способ пополнить запасы воды в регионе — это переработать ее.

Новый демонстрационный завод, открывшийся 15 марта 2015 года, направлен на ускорение и ускорение процесса переработки природных ресурсов за счет использования проверенных передовых технологий, сочетающихся по-новому. Ключевым моментом является интерфейс, который позволяет воде легко проходить через несколько этапов:

• Шаг 1: Дезинфекция свободным хлором
  Вода обрабатывается и дезинфицируется.Этот специальный шаг выходит за рамки других систем и добавляет экспериментальный характер процессу на Падре Дам.

• Шаг 2: Мембранная ультрафильтрация
  Вода проходит через связку фильтров, которые удаляют более крупные частицы.

• Шаг 3: Обратный осмос
  Это та же технология, которая используется в опреснительных установках, в системах вторичной или поточной фильтрации воды, а также в фильтрах типа Brita. Этот барьер задерживает частицы, в 100 раз меньшие, чем вирус, и химические вещества, в результате чего получается вода, близкая к дистиллированной по качеству.

• Шаг 4: Дополнительное окисление

УФ-трубки и перекись водорода расщепляют органические молекулы с помощью света. Этот процесс также используется для стерилизации хирургических инструментов и банок с детским питанием, а также для очистки воды в аквариуме Монтерей-Бей. Когда вода покидает этот последний этап, в ней нет фармацевтических препаратов, химикатов, бактерий и вирусов.

Установка фильтрует воду 12 раз, очищая 100 000 галлонов в день. На предприятии и во внешней лаборатории используется современный мониторинг, чтобы постоянно проверять качество воды и обеспечивать ее чистоту.Их испытания показывают, что наивысший уровень чистоты достигается после трехкратной фильтрации воды. На самом деле, в этот момент она чище, чем бутилированная вода. Но десятилетия назад, до того, как появилась эта технология, были написаны законы, в которых предполагалось, что необходима дополнительная фильтрация. В результате вода проходит несколько избыточных стадий очистки.

Посмотрите на процесс фильтрации в действии!

Если проект окажется успешным после года испытаний, как показывают все признаки, Padre Dam обратится к регулирующим органам за разрешением на строительство полномасштабного завода.Компактность системы облегчит поиск участка земли. После завершения здание будет намного меньше стандартного очистного сооружения. Общие выгоды были бы огромными.

Полномасштабное очистное сооружение могло бы дать сообществу засухоустойчивый источник безопасной питьевой воды, которая контролируется на местном уровне, экологически безопасна и всегда готова. А два миллиона галлонов питьевой воды в день могут помочь поддержать — и даже увеличить — экономический рост региона.

Сообщите мне, что вы думаете об этом альтернативном источнике воды. Как вы думаете, это жизнеспособное решение проблемы ограниченных водных ресурсов Калифорнии? Или, если вы хотите узнать больше об этом конкретном проекте в муниципальном водном округе Падре-Дам, давайте подключимся — я буду рад рассказать вам об этом больше.

Обзор Affinity Purification | Thermo Fisher Scientific

Для обогащения или очистки интересующего белка от других белков и компонентов в неочищенном клеточном лизате или другом образце используются различные методы. Самым мощным из этих методов является аффинная хроматография, также называемая аффинной очисткой, при которой интересующий белок очищается благодаря его специфическим свойствам связывания с иммобилизованным лигандом.

Вступление

Белки и другие представляющие интерес макромолекулы могут быть очищены из сырых экстрактов или других сложных смесей различными методами. Селективное осаждение, пожалуй, самый простой метод отделения макромолекул одного типа от другого.

Большинство методов очистки, однако, включают ту или иную форму хроматографии, при которой молекулы в растворе (подвижная фаза) разделяются на основе различий в химическом или физическом взаимодействии с неподвижным материалом (твердая фаза).Гель-фильтрация (также называемая эксклюзионной хроматографией или SEC) использует пористый полимерный материал для разделения молекул в зависимости от размера (то есть физического исключения). В ионообменной хроматографии молекулы разделяются в соответствии с силой их общего ионного взаимодействия с твердофазным материалом (т. Е. Неспецифических взаимодействий).

Напротив, аффинная хроматография (также называемая аффинной очисткой) использует специфические связывающие взаимодействия между молекулами. Конкретный лиганд химически иммобилизован или «связан» с твердой подложкой, так что, когда сложная смесь проходит через колонку, молекулы, обладающие специфической аффинностью связывания с лигандом, становятся связанными.После смывания других компонентов образца связанная молекула отделяется от носителя, что приводит к ее очистке от исходного образца.

Каждая конкретная система сродства требует своего собственного набора условий и представляет свои специфические проблемы для данной исследовательской цели. В статьях о других методах протеина описаны факторы и условия, связанные с конкретными системами очистки (см. Ссылки на боковой панели в конце этой страницы). Тем не менее, используемые общие принципы одинаковы для всех систем связывания лиганд-мишень, и эти концепции находятся в центре внимания данного обзора.

Справочник по приготовлению белков

Это 32-страничное руководство содержит полезную информацию о нашем широком ассортименте реагентов и инструментов для экстракции, очистки, иммунопреципитации и очистки белков. Практическая информация, руководства по выбору и соответствующие данные включены, чтобы помочь вам улучшить выход белка и последующий анализ.

Конкретные затронутые темы включали следующее:

• Лизис и фракционирование клеток
• Диализ белка и другие методы очистки
• Иммунопреципитация и анализы методом pull-down
• Другие методы подготовки белка

Загрузить руководство по приготовлению белков

Как работает аффинная очистка

Аффинная очистка обычно включает следующие этапы:

1. Инкубируйте неочищенный образец (например,g., клеточный лизат, супернатант клеточной культуры или сыворотка) с аффинной подложкой, чтобы позволить целевой молекуле в образце связываться с иммобилизованным лигандом.
2. Смыть несвязанные компоненты образца с подложки, используя соответствующие буферы, которые поддерживают связывающее взаимодействие между мишенью и лигандом.
3. Элюировать (диссоциировать и восстанавливать) целевую молекулу из иммобилизованного лиганда путем изменения условий буфера, чтобы больше не происходило связывающее взаимодействие.

Маломасштабная аффинная очистка с использованием антитела, иммобилизованного на твердой подложке. Хроматография состоит из трех основных компонентов: подвижная фаза или растворитель, содержащий белки, неподвижная или твердая фаза, также называемая средой или смолой (которая может быть агарозой или другой пористой смолой) и хроматографическая колонка. Аффинная хроматография очень селективна и обеспечивает высокое разрешение при средней и высокой нагрузочной способности образца. Интересующий белок прочно связывается со смолой в условиях, благоприятствующих специфическому связыванию с лигандом, а несвязанные загрязнения смываются.Связанный белок затем выделяют в высокоочищенной форме путем изменения условий, способствующих элюированию. Условия элюирования могут быть специфическими, такими как конкурентный лиганд, или неспецифическими, такими как изменение pH, ионной силы или полярности. Целевой белок элюируется в очищенной и концентрированной форме.

За один проход образца (клеточного лизата, супернатанта клеточной культуры или сыворотки) через аффинную колонку можно достичь более чем 1000-кратной очистки определенного белка, так что после гель-электрофореза будет обнаружена только одна полоса (e .g., SDS-PAGE) анализ.

Чаще всего лиганды иммобилизованы или «связаны» непосредственно с твердым материалом носителя путем образования ковалентных химических связей между конкретными функциональными группами лиганда (например, первичными аминами, сульфгидрилами, карбоновыми кислотами, альдегидами) и реактивными группами на носителе ( см. соответствующую статью о ковалентной иммобилизации). Однако также возможны подходы с косвенной связью. Например, слитый белок, помеченный глутатион-S-трансферазой (GST), может сначала быть захвачен глутатионовой подложкой посредством аффинного взаимодействия глутатион-GST, а затем вторично химически сшит для его иммобилизации.Затем иммобилизованный слитый белок с GST-меткой можно использовать для аффинной очистки связывающего партнера (ов) слитого белка.

Лиганды, которые связываются с общими классами белков (например, антителами) или обычно используемыми тегами слитых белков (например, гистидиновой меткой или His-меткой), коммерчески доступны в предварительно иммобилизованных формах, готовых к использованию для аффинной очистки. Альтернативно, более специализированные лиганды, такие как специфические антитела или представляющие интерес антигены, могут быть иммобилизованы с использованием одного из нескольких коммерчески доступных активированных носителей сродства; например, пептидный антиген можно иммобилизовать на носителе и использовать для очистки антител, распознающих пептид.

Буферы для связывания и элюирования для аффинной очистки

В большинстве процедур аффинной очистки, включающих взаимодействия белок: лиганд, используются связывающие буферы с физиологическим pH и ионной силой, такие как фосфатно-солевой буферный раствор (PBS). Это особенно верно, когда взаимодействия антитело: антиген или нативный белок: белок являются основой для аффинной очистки. Как только происходит связывание, носитель промывают дополнительным буфером для удаления несвязавшихся компонентов образца.Неспецифические (например, простые ионные) взаимодействия связывания можно минимизировать, добавляя низкие уровни детергента или умеренно регулируя концентрацию соли в связывающем и / или промывочном буфере. Наконец, добавляется буфер для элюции, чтобы разорвать взаимодействие связывания и высвободить целевую молекулу, которая затем собирается в очищенной форме.

Буферы для элюирования диссоциируют партнеров по связыванию за счет крайних значений pH (низкий или высокий), высокой соли (ионной силы), использования детергентов или хаотропных агентов, денатурирующих одну или обе молекулы, удаления фактора связывания или конкуренции со счетчиком лиганд.В большинстве случаев для замены очищенного белка из буфера для элюции на более подходящий буфер для хранения или последующего анализа требуется последующий диализ или обессоливание.

Наиболее широко используемым буфером для аффинной очистки, основанным на взаимодействии белков, является 0,1 М глицин • HCl, pH 2,5–3,0. Этот буфер эффективно диссоциирует большую часть взаимодействий связывания белок: белок и антитело: антиген без постоянного воздействия на структуру белка. Однако некоторые антитела и белки повреждаются из-за низкого pH, поэтому элюированные белковые фракции лучше всего немедленно нейтрализовать добавлением 1/10 объема щелочного буфера, такого как 1 M Tris • HCl, pH 8.5. Другие буферы для элюирования для аффинной очистки белков перечислены в таблице ниже.

Подробнее

• Технический совет № 27: Оптимизация условий элюирования для аффинной очистки

Стандартные буферные системы для элюирования для аффинной очистки белков

Эти условия применяются в первую очередь к взаимодействиям связывания белок-белок, например, между антителом и его пептидным антигеном. Буферы элюирования для связывающих взаимодействий между другими типами молекул могут быть совершенно разными.

906 Органический

Узнать больше

• Технический совет № 29: Дегазированные растворы для использования в колонках для аффинной и гель-фильтрации

Твердые опоры для аффинной очистки

Аффинная очистка включает разделение молекул в растворе (подвижная фаза) на основе различий во взаимодействии связывания с лигандом, иммобилизованным на неподвижном материале (твердая фаза).Носитель или матрица при аффинной очистке представляет собой любой материал, к которому ковалентно присоединен биоспецифический лиганд. Обычно материал, который будет использоваться в качестве аффинной матрицы, нерастворим в системе, в которой находится целевая молекула. Обычно, но не всегда, нерастворимая матрица является твердой. Сотни веществ были описаны и использованы в качестве аффинных матриц, включая агарозу, целлюлозу, декстран, полиакриламид, латекс и стекло с контролируемыми порами. Подходящими аффинными носителями являются носители с высоким отношением площади поверхности к объему, химическими группами, которые легко модифицируются для ковалентного присоединения лигандов, минимальными неспецифическими связывающими свойствами, хорошими характеристиками текучести и механической и химической стабильностью.

Пористые гелевые опоры

Пористые подложки (также называемые смолами или гелями) обычно обеспечивают наиболее полезные свойства для аффинной очистки белков. Эти типы носителей обычно представляют собой полимерные смолы на основе сахара или акриламида, которые производятся в растворе (т.е. гидратированы) в виде шариков диаметром 50-150 мкм. Формат в виде шариков позволяет поставлять эти смолы в виде влажных суспензий, которые можно легко дозировать для заполнения и «упаковки» колонн со слоями смолы любого размера. Гранулы чрезвычайно пористые и достаточно большие, чтобы биомолекулы (белки и т. Д.) могут течь так же свободно в шарики и сквозь них, как и между и вокруг поверхности шариков. Лиганды ковалентно прикрепляются к полимеру гранул (внешняя и внутренняя поверхности) различными способами. В результате получается рыхлая матрица, в которой молекулы образца могут свободно проходить через иммобилизованный лиганд с большой площадью поверхности.

Безусловно, наиболее широко используемой матрицей для методов очистки сродства к белку является сшитая агароза в виде гранул, которая обычно доступна с плотностями 4% и 6%.(Это означает, что слой смолы на 1 мл содержит более 90% воды по объему.) Агароза в гранулах хороша для повседневных применений, поскольку она легко измельчается, что делает ее пригодной для гравитационного потока, центрифугирования с низкой скоростью и низкого давления. процедуры. Дополнительное сшивание и / или химическое отверждение гранулированной агарозной смолы может повысить ее способность выдерживать более высокие давления, но также может привести к снижению связывающей способности.

Смолы на основе полиакриламида также используются в качестве носителей для колоночной аффинной хроматографии.Одним из примеров является Thermo Scientific UltraLink Biosupport, который не сжимается так же легко, как обычная агароза в гранулах. UltraLink Biosupport может использоваться в системах среднего давления с перистальтическим насосом или другими системами жидкостной хроматографии. И агароза, и носители UltraLink обладают низкими характеристиками неспецифического связывания; тем не менее, в отдельных приложениях они ведут себя несколько иначе.

Физические свойства смол для аффинной хроматографии

Сшитая 4% агароза в виде гранул и 6% агароза в виде гранул обычно обозначаются сокращенно как агароза CL-4B и агароза CL-6B соответственно.Также см. Таблицу ниже о выборе опор в зависимости от масштаба использования.

904

Магнитные частицы

Магнитные частицы — это совершенно другой тип аффинной подложки, нежели гранулированная агароза и другие пористые смолы.Они намного меньше (обычно в диаметре 1–4 мкм) и твердые (непористые). Их небольшой размер обеспечивает достаточное соотношение площади поверхности к объему, необходимое для эффективной иммобилизации лиганда и аффинной очистки. Магнитные шарики производятся в виде частиц суперпарамагнитного оксида железа, ковалентно покрытых производными силана. Покрытие делает шарики инертными (для минимизации неспецифического связывания) и обеспечивает определенные химические группы, необходимые для присоединения представляющих интерес лигандов.

Аффинная очистка магнитными частицами в колонке не проводится.Вместо этого несколько микролитров шариков смешивают с несколькими сотнями микролитров образца в виде рыхлой суспензии. Во время смешивания шарики остаются суспендированными в растворе образца, позволяя происходить аффинным взаимодействиям с иммобилизованным лигандом. По прошествии достаточного времени для связывания шарики собирают и отделяют от образца с помощью мощного магнита. Обычно простые лабораторные процедуры выполняются в микроцентрифужных пробирках, а для удаления образца (или промывочных растворов и т. Д. Используется пипетирование или декантирование).), в то время как магнитные шарики удерживаются на месте на дне или сбоку трубки с помощью подходящего магнита.

Преимущества магнитных частиц над пористыми смолами:

• Магнитные шарики обладают меньшим неспецифическим связыванием, чем пористые носители.
• Магнитные шарики можно использовать для процедур разделения клеток.
• Магнитные шарики подходят для высокопроизводительной автоматизации.

Магнитные шарики обычно заменили смолу агарозы в качестве предпочтительной основы для методов очистки в масштабе анализа, таких как иммунопреципитация (IP) и вытеснение.Кроме того, для проведения анализов и процедур очистки с использованием магнитной сепарации доступны все более сложные и мощные инструменты для работы с пробами.

Приложения и масштабы использования

Предполагаемый масштаб очистки и последующее применение, возможно, являются наиболее важными факторами при рассмотрении того, какой тип аффинной поддержки использовать. Разница в пределах давления (см. Таблицу выше), максимальных расходах и таких факторах, как стоимость (например,g., магнитные частицы были бы слишком дорогими для использования в больших масштабах) определить, какой носитель подходит для использования в данной хроматографической системе.

Соответствующие приложения и масштабы использования для поддержки аффинной хроматографии.

906 мг грамм

Типы аффинной очистки

Различные классы аффинных мишеней, а также разные цели очистки требуют рассмотрения разных приоритетов (например,g., высокая чистота против высокого выхода), технические ограничения и буферные условия для разработки успешной процедуры. В следующих разделах описаны некоторые из наиболее распространенных систем аффинной очистки. Ссылки на более подробные статьи о конкретных методах очистки приведены в серых прямоугольниках.

Очистка антител

Некоторые методы очистки антител включают методы аффинной очистки. Типичное производство антител в лабораторных условиях включает относительно небольшие объемы сыворотки, асцитной жидкости или супернатанта культуры.В зависимости от того, как антитело будет использоваться для различных методов анализа и обнаружения, оно должно быть частично или полностью очищено. Три уровня специфичности очистки включают следующие подходы:

• Осаждение сульфатом аммония. Этот простой метод обеспечивает грубую очистку общего иммуноглобулина от других белков сыворотки.
• Аффинная очистка с иммобилизованным белком A, G, A / G или L. Эти белки связываются с большинством видов и подклассов IgG, наиболее распространенного типа иммуноглобулина, продуцируемого млекопитающими в ответ на иммуногены.Готовые к использованию смолы и наборы для очистки с этими белками доступны во многих размерах и форматах упаковки.
• Аффинная очистка с иммобилизованным антигеном. Ковалентная иммобилизация очищенного антигена (т.е. пептида или гаптена, используемых в качестве иммуногена для индукции продукции антитела животным-хозяином) на аффинной подложке позволяет очистить специфическое антитело из сырых образцов. Доступны активированные смолы и полные наборы для приготовления иммобилизованных антигенов с помощью различных химических процессов.

Очистка антигена с помощью антител

Специфические антитела наиболее часто используются для обнаружения представляющих интерес антигенов в анализах, но их также можно использовать для очистки антигенов. Поскольку производство или коммерческое получение специфических антител является дорогостоящим, этот подход редко используется для крупномасштабной очистки антигена. Вместо этого его использование почти полностью ограничено очень мелкими масштабами, что наиболее важно для анализов иммунопреципитации (см. Следующий раздел).

Тем не менее, когда очищенное антитело доступно, его можно ковалентно иммобилизовать на гранулированной агарозе или другой аффинной подложке с помощью любого из нескольких эффективных способов конъюгации. Ковалентная иммобилизация с помощью первичных аминов, как и в наборах для связывания Thermo Scientific AminoLink Plus, является особенно простым и эффективным методом приготовления аффинной колонки с антителами.

Иммунопреципитация и коиммунопреципитация

Иммунопреципитация (IP) относится к мелкомасштабной аффинной очистке антигена с использованием специфического антитела.Традиционная иммунопреципитация включает захват комплекса антитело-антиген с иммобилизованной белковой A или G агарозной смолой (белок A или G связывает антитело, которое связано с его антигеном), а затем выделение очищенного антигена в буфере для загрузки образца для гель-электрофореза.

Коиммунопреципитация (Co-IP) включает попытку захвата и обнаружения не только прямого антигена, но и любых белков в клеточном лизате, которые взаимодействуют (т.е. связываются с) антигеном.В традиционном формате с белком A или G эта схема очистки включает не менее трех уровней аффинного взаимодействия.

Путем адаптации и оптимизации других методов иммобилизации антител для небольших масштабов, необходимых для IP и Co-IP, было разработано несколько инноваций, которые преодолевают многие ограничения и сложности, связанные с традиционными методами IP.

Анализы с вытягиванием вниз

Подобно коиммунопреципитации, анализ методом «pull-down» представляет собой метод сродства, часто используемый для изучения белок-белковых взаимодействий.Однако, в отличие от IP или Co-IP, pull-down не предполагает использования антител, специфичных к изучаемому белку-мишени. Минимальным требованием для анализа методом pull-down является наличие очищенного и помеченного белка (приманки), который используется для «вытягивания» партнера по связыванию белка (жертвы). Белок-приманка создается путем клонирования и экспрессии гибридного белка или в виде ковалентной модификации, такой как добавление биотиновой метки (см. Следующие две темы). Меченый (например, биотинилированный) белок-приманка может быть иммобилизован на метке-специфической аффинной подложке (например,g., стрептавидин). Затем иммобилизованный белок приманки инкубируют с раствором белка, экспрессирующим белок (-ы) (жертва), который может связываться с приманкой. Затем эти белковые комплексы приманка-жертва могут быть идентифицированы. В качестве альтернативы, активированные подложки можно использовать для прямой иммобилизации практически любой молекулы приманки.

Очистка белка Fusion tag

Когда белки экспрессируются рекомбинантно, часто добавляются дополнительные аминокислоты, функциональный домен или целый белок, чтобы помочь в очистке и манипуляциях.Эти добавления к рекомбинантному белку известны как теги слияния и добавляются к ДНК, кодирующей последовательность природного белка. Один из наиболее распространенных тегов слияния — это короткая цепочка из шести-девяти остатков гистидина (известная как тег 6xHis или polyHis), которые будут связываться с ионами металлов, таких как никель или кобальт. Другой тег слияния — это глутатион-S-трансфераза (GST), которая прочно связывается с восстановленным глутатионом.

Другие теги слияния включают HA, Myc, FLAG (Sigma-Aldrich Co.), MBP, SUMO и Protein A.В отличие от меток His и GST, большинство этих других меток называют метками эпитопа, потому что для очистки они требуют специфических антител (например, иммобилизованных антител против НА). Метки эпитопа редко используются для крупномасштабной очистки, поскольку аффинные смолы на основе антител относительно дороги по сравнению с простыми лигандными средами, такими как никель или глутатион-агароза. Вместо этого метки эпитопа чаще используются для маломасштабной иммунопреципитации (IP) или Co-IP.

Свойства слитых тегов позволяют легко манипулировать мечеными белками в лаборатории.Наиболее важно то, что хорошо охарактеризованная химия меток-лигандов позволяет проводить одностадийную аффинную очистку меченых молекул с использованием иммобилизованных версий их соответствующих лигандов. Антитела к тегам слияния также широко доступны для использования в последующих методах обнаружения и анализа, что устраняет необходимость в получении или разработке зонда для каждого конкретного рекомбинантного белка.

Авидин-биотиновые системы

Биотин, также известный как витамин H, представляет собой небольшую молекулу (MW 244.3), который присутствует в крошечных количествах во всех живых клетках. Боковая цепь валериановой кислоты молекулы биотина может быть модифицирована для включения различных реакционноспособных групп, которые используются для присоединения биотина к другим молекулам. Как только биотин присоединяется к молекуле, молекула может быть захвачена для обнаружения, иммобилизации или аффинной очистки с использованием конъюгатов или носителей на основе белков авидина или стрептавидина, которые прочно и специфично связываются с группой биотина.

Нативные и рекомбинантные производные белков авидина и стрептавидина легко доступны в широком разнообразии модифицированных, меченых и иммобилизованных форм.«Система авидин-биотин» (общее название для всех методов сродства к биотину) была адаптирована для использования во многих видах исследовательских приложений для обнаружения или очистки.

Поскольку аффинное взаимодействие авидин-биотин настолько велико, обычно нецелесообразно элюировать биотинилированные мишени, захваченные иммобилизованным авидином или стрептавидином. Однако были разработаны модифицированные версии реагентов для мечения биотина, такие как расщепляемый биотин, иминобиотин и дестиобиотин; они обеспечивают легко обратимое взаимодействие со стрептавидином, что делает их полезными инструментами для приложений с мягким высвобождением.

Обогащение и изоляция класса

В дополнение к аффинным носителям и лигандам, которые позволяют очищать очень специфические мишени (например, определенные антигены или сконструированные метки), определенные виды лигандов обеспечивают общее обогащение или выделение определенных классов биологических молекул. Белок A и белок G, обсужденные выше, можно рассматривать как примеры этого типа аффинной системы, поскольку они связываются с общими классами иммуноглобулинов. Как правило, любое уникальное химическое свойство или функциональная группа, разделяемая всеми членами целевого набора молекул, может стать основой для схемы обогащения или выделения, если можно идентифицировать подходящий аффинный лиганд.

Посттрансляционные модификации (PTM) являются хорошими примерами таких функциональных групп, которые определяют в противном случае неродственный набор молекул. Будь то фосфорилирование, гликозилирование или убиквитинирование, PTM обладает химическими свойствами, которые лишь тонко отличаются от других химических групп наиболее известными химическими лигандами. Таким образом, любая аффинная система может, в лучшем случае, обогащать только целевой класс соединений.

Удаление загрязнений

В некоторых случаях целью аффинной очистки является удаление определенного класса нежелательных компонентов образца, а не очистка одной целевой молекулы.В этом смысле единственное различие между удалением примесей и традиционной аффинной очисткой состоит в том, что нужно сохранить проточный образец и выбросить связанную молекулу. В таком сценарии важно, чтобы буфер привязки подходил для восстановления образца.

Общее удаление соединений с малой молекулярной массой из белка или другого макромолекулярного образца обычно выполняется гель-фильтрацией (см. Следующий раздел), а не аффинной хроматографией. Однако там, где нежелательные примеси нельзя дифференцировать по размеру и известны аффинные лиганды, которые могут специфически связываться с ними в образце, полезна аффинная очистка.

Удаление загрязняющих веществ методом сродства обычно выполняется в конце процедуры. Например, детергенты, необходимые для лизиса клеток и солюбилизации белков, могут мешать последующим применениям и анализам. Для обработки образцов в этих ситуациях доступны несколько связывающих моющее средство смол.

Другой сценарий, в котором желательно удалить определенные компоненты, — это протеомный анализ образцов сыворотки. Часто в центре внимания анализа находятся белки, которых в сыворотке или плазме гораздо меньше, чем альбумина и IgG.В этих случаях особенно полезны аффинные смолы на основе специфических антител против альбумина и анти-IgG или на основе других лигандов (краситель Cibacron для связывания альбумина и белок A / G для связывания IgG).

Родственные типы хроматографии для очистки

Гель-фильтрация (также называемая эксклюзионной хроматографией или SEC) использует пористую смолу для разделения молекул в зависимости от размера. Небольшие молекулы проникают в поры смолы, обходя колонку; напротив, большие молекулы исключаются из пор, минуя внутренние пространства шариков и мигрируя через колонку быстрее, чем маленькие молекулы.

Ионообменная хроматография (IEX или IEC) разделяет белки в соответствии с силой их общего ионного взаимодействия с либо отрицательно, либо положительно заряженными группами на смоле. Путем манипулирования буферными условиями (например, ионной силой и pH) молекулы с большей или меньшей ионной характеристикой могут быть связаны с твердофазным материалом или диссоциировать от него. Носители IEX могут быть либо положительно заряженными (для связывания анионов), либо отрицательно заряженными (для связывания катионов). Кроме того, носители для анионных и катионных IEX могут характеризоваться как сильными, так и слабыми взаимодействиями; это не отражает силу связывания, а скорее изменение ионизации в зависимости от pH.Связывание с сильными обменниками минимально изменяется при изменении pH, в то время как связывание со слабыми обменниками сильно зависит от изменений pH.

Хроматография гидрофобного взаимодействия (HIC) разделяет белки на основе взаимодействий внешних гидрофобных аминокислотных остатков белка с гидрофобными группами на смоле.

Мультимодальная хроматография (MMC) разделяет белки аналогично хроматографии IEX. MMC использует заряженные группы на смоле, но группы модифицированы второй группой, которая дает второе взаимодействие, с помощью которого можно очистить белок.

Наиболее распространенные методы очистки белков основаны на хроматографии.