Adsorption of proteins on zeolite FAU

Abstract

A highly dealuminated form of zeolite FAU, ultra-stable zeolite Y (USY), was used as an adsorbent matrix in the purification of proteins. Undesired proteins were removed from a crude preparation by adsorption on USY, increasing the purity of an unadsorbed protein (horse radish peroxidase), or the protein of interest was adsorbed on the zeolite and subsequently eluted through changes in the solution conditions (hen egg lysozyme, mouse-immunoglobulin G).



The adsorption of proteins on USY in single protein solutions was found to be dependent on both the pH and the ionic strength of the solution. The most pronounced adsorption was obtained at or close to the isoelectric point (IEP) of the protein. The adsorption is believed to be predominantly mediated through the interaction of protein in an aggregated form and the zeolite surface. This conclusion was supported by cryo-transmission electron microscopy (cryo-TEM) studies of vitrified specimens containing both USY crystallites and proteins.



Sintered USY pellets were fractionated and sieved and then employed in either batch or column flow systems. The addition of kaolinite as a binder resulted in a change in the mesopore size distribution and possibly also in the macropore range. The addition of blowing agents to the zeolite powder prior to sintering caused a reduction in the bulk density of the material but did not affect the porosity at pore diameters of less than 100 nm. Both treatments resulted in an increase in the availability of absorption sites, as shown by the increase in the rate of adsorption of Triton X-100 micelles on size fractionated particles.



The difference in surface properties between the so-called hydrophobic USY and its hydrophilic counterpart, NaY, was indicated by cryo-TEM studies of the adsorption of ferritin under otherwise identical conditions. Structural information, e.g. unit cell parameters, concerning the solid material present in vitrified solutions was also obtained.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Zeoliter är en grupp av kisel-aluminium-föreningar, med karaktäristiska kanalsystem inuti strukturen, som har fått stor användning inom många områden inom teknik och vetenskap. Zeoliternas viktigaste användningsområden är som torkmedel, som molekylsiktar, som jonbytare och som katalysatorer. Användningen av naturligt förekommande zeoliter är relativt liten jämfört med användingen av industriellt tillverkade zeoliter. Det är zeolitens struktur och sammansättning som bestämmer dess egenskaper. Egenskaperna hos en given zeolit kan ändras efter det att den har blivit tillverkad med s.k. post-syntetiska metoder, där dealuminering är en av dem. Vid dealumineringen reduceras aluminiuminnehållet i zeolitstrukturen och detta leder bl.a. till förändringar av adsorptionsegenskaperna. Adsorption hos zeoliter d.v.s. förmåga att fästa molekyler till dess yta, kan ske dels inuti zeolitstrukturen dels på ytterytan av en zeolitkristall. I föreliggande fall med adsorption av proteiner är det endast ytterytan som kommer ifråga.



Att rena fram proteiner är av stort intresse inom biokemin. Vanligen sker uppreningen i flera steg där proteiners olika egenskaper såsom löslighet och elektrisk laddning utnyttjas för att skilja dem från varandra. Uppreningen kan utföras satsvis eller i ett flödessystem. Satsvis adsorption eller upprening innebär att zeolit och proteinlösning blandas i ett kärl varefter zeoliten separeras från lösningen genom filtrering eller centrifugering. I ett flödessystem placeras zeolitmaterialet i ett rör genom vilket en vattenlösning innehållande proteiner sedan långsamt pumpas. I båda typerna av process fastnar en del proteiner på zeoliten, en del inte. Vilken typ av protein som fastnar kan påverkas av egenskaperna hos lösningen.



Avhandlingen behandlar adsorption och upprening av proteiner med användande av en kraftigt dealuminerad form av zeolit Y. Zeolit Y har samma struktur som mineralet Faujasit med beteckningen FAU. Avsikten med arbetet var att undersöka vad som påverkar adsorptionen av proteiner till zeolitytan. Zeolitmateialet användes som ett alternativ till vanliga biokemiska uppreningsmetoder. Som exempel på uppreningsprocesser beskrivs upprening av peroxidas från ett råextrakt av pepparrot och upprening av lysozym från äggvita. Adsorptionsstudier av lösningar innehållande endast ett slags protein visade att adsorptionen var som störst vid eller nära det pH i lösningen vid vilket proteinets nettoladdning är lika med noll (proteinets s.k. isoelektriska punkt). Under dessa betingelser slår sig proteinmolekyler samman och bildar större enheter, s.k. proteinaggregat. Adsorptionen antas därför i stor utsträckning bero på växelverkan mellan dessa stora proteinaggregat och zeolitytan. Antagandet stöds av kryo-elektron-mikroskopistudier utförda på frusna vattenlösningar innehållande både zeolit och proteiner där aggregat av proteiner delvis täcker zeolitytorna.



Vid tillverkning av zeoliter erhålls vanligen kristallkorn som är någon till några tusendels millimeter stora. Vid satsvis upprening av proteiner bereder den ringa kornstorleken inte några egentliga problem. I flödessystem däremot, bildas höga tryck i röret till följd av att de små zeolitkristallerna packas så tätt. Genom att använda större zeolitkorn kan trycket minskas. Den ökade partikelstorleken leder dock till en minskning av ytterytan på kornen, räknat per viktsenhet av adsorptionsmaterialet. Större partiklar åstadkoms genom att pressa samman zeolitpulvret till tabletter och värmebehandla dem i en s.k. sintringsprocess. Partiklar med önskad storlek erhölls genom att mortla och sikta zeolittabletterna. Zeolitpulvret blandades med olika tillsatser före sintringen för att öka den tillgängliga ytan i de sintrade kornen för adsorption av proteiner. Experiment visade att dessa tillsatser hade en markant effekt på hur snabbt molekyler adsorberades.

• author: Klint, Daniel
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Regev, Oren, Israel
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Sciences
• keywords: matrix preparation, cryo-electron microscopy, protein purification, zeolites, Inorganic chemistry, Oorganisk kemi
• pages: 122 pages
• defense location: room F, Kemicentrum, Sölvegatan 39, Lund Institute of Technology
• defense date: 1999-02-26 10:15:00
• external identifiers: other:LUTKDH/(TKOO-1020)/1-122/1999
• ISBN: 91-628-3355-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Polymer and Materials Chemistry (LTH) (011001041)
• id: 8cb2a03c-5cd6-4d22-becc-a5e4c96b1abf (old id 39364)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:01:27
• date last changed: 2018-11-21 21:08:34