Диализ (химия)

Низкомолекулярный диализ с использованием диализных трубок — Small-molecule dialysis using dialysis tubing

В химии диализ — это процесс разделения молекул в растворе за счет разницы в скорости их диффузии через полупроницаемую мембрану, например диализную трубку . ^[1]

Диализ – это распространенный лабораторный метод, который действует по тому же принципу, что и медицинский диализ . В контексте исследований в области медико-биологических наук наиболее распространенным применением диализа является удаление нежелательных малых молекул, таких как соли, восстановители или красители, из более крупных макромолекул, таких как белки , ДНК или полисахариды . ^[2] Диализ также широко используется для замены буфера и исследований связывания лекарств.

Понятие диализа было введено в 1861 году шотландским химиком Томасом Грэмом . ^[3] Он использовал этот метод для разделения сахарозы (маленькая молекула) и растворенных веществ гуммиарабика (крупная молекула) в водном растворе. Он назвал диффундирующие растворенные вещества кристаллоидами, а те, которые не проходят через мембрану, коллоидами. ^[4]

Исходя из этой концепции, диализ можно определить как процесс самопроизвольного отделения взвешенных коллоидных частиц от растворенных ионов или молекул небольших размеров через полупроницаемую мембрану. Наиболее распространенные диализные мембраны изготавливаются из целлюлозы, модифицированной целлюлозы или синтетического полимера (ацетата целлюлозы или нитроцеллюлозы). ^[5]

Этимология

Диализ происходит от греческого διά «сквозь» и λύειν «ослаблять». ^[3]

Принципы

Диализ — это процесс, используемый для изменения матрицы молекул в образце путем дифференциации молекул по размеру. ^[6]^[7] Он основан на диффузии , которая представляет собой случайное тепловое движение молекул в растворе ( броуновское движение ), которое приводит к чистому движению молекул из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Из-за размера пор мембраны крупные молекулы в образце не могут пройти через мембрану, что ограничивает их диффузию из камеры для образца. Напротив, небольшие молекулы будут свободно диффундировать через мембрану и достигать равновесия по всему объему раствора, тем самым изменяя общую концентрацию этих молекул в образце и диализате (см. рисунок диализа справа).

Осмос – еще один принцип, благодаря которому диализ работает. Во время осмоса жидкость перемещается из областей с высокой концентрацией воды в области с более низкой концентрацией воды через полупроницаемую мембрану до достижения равновесия. При диализе избыток жидкости перемещается из образца в диализат через мембрану до тех пор, пока уровень жидкости в образце и диализате не станет одинаковым.

Наконец, ультрафильтрация — это конвективный поток воды и растворенных веществ вниз по градиенту давления, вызванный гидростатическими или осмотическими силами. При диализе ультрафильтрация удаляет из образца молекулы отходов и избыточной жидкости. ^[6]^[7]

Например, диализ происходит, когда образец содержится в целлюлозном мешке и погружается в раствор диализата. Во время диализа достигается равновесие между образцом и диализатом, поскольку только небольшие молекулы могут пройти через целлюлозную мембрану, оставляя после себя только более крупные частицы.

Как только равновесие достигнуто, конечная концентрация молекул зависит от объемов задействованных растворов, и если уравновешенный диализат заменяется (или заменяется) свежим диализатом (см. процедуру ниже), диффузия еще больше снизит концентрацию малых молекул. в образце.

Диализ можно использовать для введения или удаления малых молекул из образца, поскольку малые молекулы свободно перемещаются через мембрану в обоих направлениях. Для удаления солей также можно использовать диализ. Это делает диализ полезным методом для различных применений. См. раздел «Диализные трубки» для получения дополнительной информации об истории, свойствах и производстве полупроницаемых мембран, используемых для диализа.

Типы

Диффузионный диализ

Диффузионный диализ представляет собой процесс спонтанного разделения, в котором движущей силой разделения является градиент концентрации. Он имеет увеличение энтропии и уменьшение свободной энергии Гиббса , что означает, что он термодинамически выгоден. В диффузионном диализе используются анионообменные мембраны (АЕМ) или катионообменные мембраны (КЕМ) в зависимости от разделяемых соединений. АЭМ обеспечивает прохождение анионов и препятствует прохождению катионов из-за отторжения коионов и сохранения электронейтральности. С катионообменными мембранами происходит обратное. ^[8]

Электродиализ

Электродиализ используются ионообменные мембраны и электрический потенциал — это процесс разделения, в котором в качестве движущей силы . В основном его используют для удаления ионов из водных растворов. Обычно используются три процесса электродиализа: диализ Доннана, обратный электродиализ и электроэлектродиализ. Эти процессы объяснены ниже. ^[9]

Коричневый диализ

Диализ Доннана — это процесс разделения, который используется для обмена ионов между двумя водными растворами, разделенными мембраной CEM или AEM. В случае катионообменной мембраны, разделяющей два раствора с разной кислотностью, протоны (H ⁺) проходят через мембрану в менее кислую сторону. Это индуцирует электрический потенциал, который вызовет поток катионов, присутствующих в менее кислой стороне, в более кислую сторону. Процесс завершится, когда изменение концентрации H ⁺ того же порядка, что и разность концентраций выделившегося катиона. ^[10]

Обратный электродиализ

Обратный электродиализ — это технология, основанная на использовании мембран, которая получает электричество за счет смешивания двух потоков воды разной солености . Обычно используются анионообменные мембраны (АЕМ) и катионообменные мембраны (КЕМ). AEM используются для пропуска анионов и препятствия прохождению катионов, а CEM используются для обратного. Катионы и анионы из воды с высокой соленостью перемещаются в воду с низкой соленостью, катионы проходят через CEM, а анионы - через AEM. Это явление можно преобразовать в электричество. ^[11]

Электроэлектродиализ

Электроэлектродиализ — это электромембранный процесс с использованием трех отделений, который сочетает в себе электродиализ и электролиз . Его обычно используют для извлечения кислоты из раствора с использованием AEM, CEM и электролиза. Три отсека разделены двумя барьерами, которые представляют собой ионообменные мембраны. В отсеке посередине находится вода, подлежащая очистке. В отсеках, расположенных по бокам, находится чистая вода. Анионы проходят через АЭМ, а катионы – через КЭМ. Электричество создает H ⁺ в сторону анионов и OH ⁻ в сторону катионов, которые реагируют с соответствующими ионами. ^[9]

Процедура

Оборудование

Разделение молекул в растворе с помощью диализа — относительно простой процесс. Помимо буфера для образца и диализата, обычно требуется только:

Диализная мембрана соответствующего формата (например, трубка, кассета и т. д.) и порогового значения молекулярной массы (MWCO)
Контейнер для хранения буфера диализата
Возможность перемешивать растворы и контролировать температуру.

Общий протокол

Типичная процедура диализа образцов белка выглядит следующим образом:

Подготовьте мембрану согласно инструкции.
Загрузите образец в диализную трубку, кассету или устройство.
Поместите образец во внешнюю камеру с диализным буфером (при осторожном перемешивании буфера).
Диализ в течение 2 часов (при комнатной температуре или 4 °C)
Замените диализный буфер и проводите диализ еще 2 часа.
Замените диализный буфер и проводите диализ в течение 2 часов или на ночь.

Общий объем образца и диализата определяют конечную равновесную концентрацию малых молекул по обе стороны мембраны. Используя соответствующий объем диализата и многократную замену буфера, концентрацию мелких примесей в образце можно снизить до приемлемого или незначительного уровня. Например, при диализе 1 мл образца против 200 мл диализата концентрация нежелательных диализуемых веществ снизится в 200 раз при достижении равновесия. После двух дополнительных замен буфера по 200 мл каждый уровень загрязнения в образце снизится в 8 x 10 раз. ⁶ (200 х 200 х 200).

Переменные и оптимизация протокола

Хотя диализ образца относительно прост, универсальную процедуру диализа для всех применений невозможно обеспечить из-за следующих переменных:

Объем выборки
Размер разделяемых молекул
Используемая мембрана
Геометрия мембраны, влияющая на диффузионное расстояние

Кроме того, конечная точка диализа несколько субъективна и зависит от применения. Поэтому общая процедура может потребовать оптимизации.

Диализные мембраны и MWCO

Диализные мембраны производятся и характеризуются в соответствии с пределами отсечки молекулярной массы (MWCO). Хотя мембраны с MWCO в диапазоне от 1 до 1 000 000 кДа коммерчески доступны, чаще всего используются мембраны с MWCO около 10 кДа. MWCO мембраны является результатом количества и среднего размера пор, созданных во время производства диализной мембраны. MWCO обычно относится к наименьшей средней молекулярной массе стандартной молекулы, которая не будет эффективно диффундировать через мембрану во время длительного диализа. Таким образом, диализная мембрана с MWCO 10К обычно удерживает более 90% белка, имеющего молекулярную массу по меньшей мере 10 кДа. ^[12]^[13]

Важно отметить, что MWCO мембраны не является четко определенной величиной. Молекулы с массой, близкой к границе MWCO мембраны, будут диффундировать через мембрану медленнее, чем молекулы, значительно меньшие, чем MWCO. Чтобы молекула могла быстро диффундировать через мембрану, она обычно должна быть как минимум в 20–50 раз меньше, чем рейтинг MWCO мембраны. Следовательно, нецелесообразно отделять белок массой 30 кДа от белка массой 10 кДа с помощью диализа через диализную мембрану с номинальной прочностью 20 К.

Диализные мембраны для лабораторного использования обычно изготавливаются из пленки регенерированной целлюлозы или эфиров целлюлозы. См. ссылку для обзора целлюлозных мембран и производства. ^[14]

Форматы лабораторного диализа

Диализ обычно проводится в обрезанных мешках с диализными трубками или в диализаторах различных форматов. Выбор используемой диализной установки во многом зависит от размера образца и предпочтений пользователя. Трубки для диализа — самый старый и, как правило, самый дешевый формат, используемый для диализа в лаборатории. Трубку разрезают и герметизируют зажимом на одном конце, затем наполняют и герметизируют зажимом на другом конце. Трубки обеспечивают гибкость, но вызывают повышенные требования к обращению, герметизации и извлечению проб. Трубки для диализа обычно поставляются влажными или сухими в рулонах или гофрированных телескопических трубках.

Широкий выбор устройств для диализа (или диализаторов) доступен от нескольких поставщиков. Диализаторы предназначены для определенных диапазонов объемов проб и обеспечивают большую безопасность проб, а также повышенную простоту использования и производительность при проведении экспериментов по диализу через трубки. Наиболее распространенными предварительно отформатированными диализаторами являются Slide-A-Lyzer, Float-A-Lyzer и линейки продуктов Pur-A-lyzer/D-Tube/GeBAflex Dialyzers.

Приложения

Диализ имеет широкий спектр применения. Их можно разделить на две категории в зависимости от типа используемого диализа.

Диффузионный диализ

Некоторые применения диффузионного диализа объяснены ниже.

Крепкие водные растворы каустической соды можно очистить от гемицеллюлозы диффузионным диализом. Это характерно для практически устаревшего процесса изготовления вискозы . Первым шагом в этом процессе является обработка почти чистой целлюлозы ( хлопкового линта или растворимой целлюлозы ) крепкими (17-20% по весу) растворами гидроксида натрия (каустической соды) в воде. Одним из эффектов этого этапа является растворение гемицеллюлоз (полимеров с низкой молекулярной массой ). В некоторых случаях желательно удалить из процесса как можно больше гемицеллюлозы, и это можно сделать с помощью диализа. ^[15]^[16]^[17]
Кислоты можно извлекать из водных растворов с помощью анионообменных мембран. Этот процесс представляет собой альтернативную очистку промышленных сточных вод . Используется для восстановления смешанной кислоты (HF+ HNO ₃ ), восстановления и концентрирования Zn. ²⁺ и Cu ²⁺, в H ₂ SO ₄ + CuSO ₄ и H ₂ SO ₄ + ZnSO ₄ и восстановление H ₂ SO ₄ из отработанных сернокислых растворов, содержащих ионы Fe и Ni, которые образуются в процессе производства алмазов. ^[4]
Щелочные отходы можно утилизировать с помощью диффузионного диализа из-за низких затрат энергии. Основу NaOH можно извлечь из раствора для травления алюминия с использованием технологии, разработанной японской корпорацией Astom. ^[8]
Деалкоголизация пива — еще одно применение диффузионного диализа. Принимая во внимание, что для этого метода применяется градиент концентрации, спирт и другие низкомолекулярные соединения передаются через мембрану от более высоких концентраций к более низким, то есть к воде. Он используется для этого применения из-за низких условий эксплуатации и возможности удаления спирта до 0,5%. ^[18]

Электродиализ

Некоторые применения электродиализа объяснены ниже.

Опреснение сыворотки — самая большая область применения этого типа диализа в пищевой промышленности. Для производства различных пищевых продуктов, таких как торты, хлеб, мороженое и детское питание, необходимо удалять сырую сырную сыворотку, содержащую кальций, фосфор и другие неорганические соли. Предел деминерализации сыворотки составляет почти 90%. ^[19]
Обескисление фруктовых соков, таких как виноградный, апельсиновый, яблочный и лимонный, — это процессы, в которых применяется электродиализ. В этом методе используется анионообменная мембрана, что означает, что ионы цитрата из сока извлекаются и заменяются ионами гидроксида. ^[19]
Обессоливание соевого соуса можно осуществить с помощью электродиализа. Условное содержание соли в заваренном соевом соусе составляет около 16-18 %, что является достаточно высоким содержанием. Электродиализ используется для уменьшения количества соли, присутствующей в соевом соусе. В настоящее время в обществе широко распространены диеты с низким содержанием соли. ^[19]
Электродиализ позволяет разделить аминокислоты на кислотные, основные и нейтральные группы. В частности, цитоплазматические белки листьев экстрагируют из листьев люцерны с помощью электродиализа. При денатурации белков растворы можно обессолить (от K ⁺ ионы) и подкисляют H ⁺ ионы. ^[19]

Преимущества и недостатки

Диализ имеет как преимущества, так и недостатки. Следуя структуре предыдущего раздела, обсуждаются плюсы и минусы в зависимости от типа используемого диализа. Преимущества и недостатки диффузионного диализа и электродиализа изложены ниже.

Диффузионный диализ

Основным преимуществом диффузионного диализа является низкое энергопотребление аппарата. Эта мембранная техника работает при нормальном давлении и не имеет изменения состояния. Следовательно, требуемая энергия значительно снижается, что снижает эксплуатационные расходы. Также следует отметить низкую стоимость установки, простоту эксплуатации, стабильность и надежность процесса. Еще одним преимуществом является то, что диффузионный диализ не загрязняет окружающую среду. ^[8]

Недостатком является то, что диффузионный диализатор имеет низкую производительность обработки и низкую эффективность обработки. Существуют и другие методы, такие как электродиализ и обратный осмос, которые могут обеспечить большую эффективность, чем диффузионный диализ. ^[8]

Электродиализ

Основным преимуществом электродиализа является высокая степень извлечения, особенно при извлечении воды. Еще одним преимуществом является то, что применяется небольшое давление, что означает, что эффект загрязнения незначителен и, следовательно, для борьбы с ним не требуется никаких химических средств. Кроме того, слой загрязнения не является плотным, что приводит к более высокой степени восстановления и увеличению срока службы мембраны. Также важно, чтобы обработка проводилась при концентрациях выше 70 000 частей на миллион, что исключает предел концентрации. Наконец, энергия, необходимая для работы, невелика из-за отсутствия фазового перехода. Фактически, она ниже по сравнению с необходимой в процессах многокорпусной дистилляции (MED) и механического сжатия пара (MVC). ^[20]

Основным недостатком электродиализа является ограничение плотности тока, процесс необходимо вести при плотности тока ниже максимально допустимой. Дело в том, что при определенном приложенном напряжении диффузия ионов через мембрану не является линейной, что приводит к диссоциации воды, что снижает эффективность работы. Еще один аспект, который следует принять во внимание, заключается в том, что, хотя для работы требуется мало энергии, чем выше концентрация соли в питании, тем выше будет необходимая энергия. Наконец, в случае с некоторыми продуктами необходимо учитывать, что электродиализ не удаляет микроорганизмы и органические загрязнения, поэтому необходима дообработка. ^[20]

См. также

Ссылки

^ Рид, Р. (2007). Практические навыки в области биомолекулярных наук (3-е изд.). Эссекс: Pearson Education Limited. п. 379. ИСБН 978-0-13-239115-3 .
^ Берг, Дж. М. (2007). Биохимия (6-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. п. 69 . ISBN 978-0-7167-8724-2 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Чисхолм, Хью , изд. (1911). «Диализ» . Британская энциклопедия . Том. 8 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 157.
^ Перейти обратно: ^а ^б Станчева, К.А. (2008). «Применение диализа». Окислительные связи 31 . 4 : 758–775.
^ Нинфа, Эй Джей; Баллоу, ДП; Бенор, М. (2009). Фундаментальные лабораторные подходы к биохимии и биотехнологии . Джон Уайли и сыновья. п. 45. ИСБН 978-0-470-08766-4 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Что такое диализ?» .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Что такое диализ и как работает диализ?» .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Луо, Дж.; Ву, К.; Сюй, Т.; Ву, Ю. (2011). «Диффузионный диализ – концепция, принцип и применение». Журнал мембранной науки . 366 (1–2): 1–16. дои : 10.1016/j.memsci.2010.10.028 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Луис, П. (2018). Фундаментальное моделирование мембранных систем: характеристики мембран и процессов . Эльзевир. стр. 275–292. ISBN 978-0-12-813483-2 .
^ Скотт, К. (1995). Справочник по промышленным мембранам . Кидлингтон: Передовые технологии Elsevier. стр. 704-706 . ISBN 978-1-85617-233-2 .
^ Мэй, Ю.; Тан, CY (2018). «Последние разработки и будущие перспективы технологии обратного электродиализа: обзор». Опреснение . 425 : 156–174. Бибкод : 2018Дезал.425..156М . дои : 10.1016/j.desal.2017.10.021 .
^ «Разделительные характеристики диализных мембран» . Проверено 13 ноября 2013 г.
^ «Основы мембранного диализа» . Проверено 13 ноября 2013 г.
^ Клемм, Дитер; Хойблен, Бриджит; Финк, Ханс-Петер; Бон, Андреас (2005). «Целлюлоза: увлекательный биополимер и устойчивое сырье». Angewandte Chemie, международное издание . 44 (22): 3358–3393. дои : 10.1002/anie.200460587 . ПМИД 15861454 .
^ Ловетт, Луи Э. (1938). «Применение осмоса для регенерации растворов каустической соды, содержащих гемицеллюлозу, в вискозной промышленности» . Пер. Электрохим. Соц. 73 (1): 163–172. дои : 10.1149/1.3493960 .
^ Маршалл, РД; Сторроу, Дж. Андерсон (1 декабря 1951 г.). «Диализ растворов каустической соды» . Индийский англ. хим. 43 (12): 2934–2942. дои : 10.1021/ie50504a074 .
^ Ли, Эрик К.; Корос, WJ (2003). «Мембраны синтетические, применение: промышленный диализ» . НаукаДирект . Из Энциклопедии физических наук и технологий (3-е издание) . Проверено 29 сентября 2020 г.
^ Джековский, М.; Трусек, А. (2018). «Производство безалкогольного пива – обзор» . Польский журнал химической технологии . 20 (4): 32–38. doi : 10.2478/pjct-2018-0051 . S2CID 104447271 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Скотт, К.; Хьюз, Р. (1996). Технология промышленной мембранной сепарации . Springer-Science+Business Media, BV, стр. 222–225. ISBN 978-94-010-4274-1 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Харисиадис, К. «Реверсирование электродиализа/ЭД» (PDF) .

Внешние ссылки

Поставщики

[1] Рид, Р. (2007). Практические навыки в области биомолекулярных наук (3-е изд.). Эссекс: Pearson Education Limited. п. 379. ИСБН 978-0-13-239115-3 .

[2] Берг, Дж. М. (2007). Биохимия (6-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. п. 69 . ISBN 978-0-7167-8724-2 .

[EB1911-3] Перейти обратно: ^а ^б Чисхолм, Хью , изд. (1911). «Диализ» . Британская энциклопедия . Том. 8 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 157.

[:4-4] Перейти обратно: ^а ^б Станчева, К.А. (2008). «Применение диализа». Окислительные связи 31 . 4 : 758–775.

[5] Нинфа, Эй Джей; Баллоу, ДП; Бенор, М. (2009). Фундаментальные лабораторные подходы к биохимии и биотехнологии . Джон Уайли и сыновья. п. 45. ИСБН 978-0-470-08766-4 .

[:6-6] Перейти обратно: ^а ^б «Что такое диализ?» .

[:5-7] Перейти обратно: ^а ^б «Что такое диализ и как работает диализ?» .

[:0-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Луо, Дж.; Ву, К.; Сюй, Т.; Ву, Ю. (2011). «Диффузионный диализ – концепция, принцип и применение». Журнал мембранной науки . 366 (1–2): 1–16. дои : 10.1016/j.memsci.2010.10.028 .

[:3-9] Перейти обратно: ^а ^б Луис, П. (2018). Фундаментальное моделирование мембранных систем: характеристики мембран и процессов . Эльзевир. стр. 275–292. ISBN 978-0-12-813483-2 .

[10] Скотт, К. (1995). Справочник по промышленным мембранам . Кидлингтон: Передовые технологии Elsevier. стр. 704-706 . ISBN 978-1-85617-233-2 .

[11] Мэй, Ю.; Тан, CY (2018). «Последние разработки и будущие перспективы технологии обратного электродиализа: обзор». Опреснение . 425 : 156–174. Бибкод : 2018Дезал.425..156М . дои : 10.1016/j.desal.2017.10.021 .

[12] «Разделительные характеристики диализных мембран» . Проверено 13 ноября 2013 г.

[13] «Основы мембранного диализа» . Проверено 13 ноября 2013 г.

[14] Клемм, Дитер; Хойблен, Бриджит; Финк, Ханс-Петер; Бон, Андреас (2005). «Целлюлоза: увлекательный биополимер и устойчивое сырье». Angewandte Chemie, международное издание . 44 (22): 3358–3393. дои : 10.1002/anie.200460587 . ПМИД 15861454 .

[15] Ловетт, Луи Э. (1938). «Применение осмоса для регенерации растворов каустической соды, содержащих гемицеллюлозу, в вискозной промышленности» . Пер. Электрохим. Соц. 73 (1): 163–172. дои : 10.1149/1.3493960 .

[16] Маршалл, РД; Сторроу, Дж. Андерсон (1 декабря 1951 г.). «Диализ растворов каустической соды» . Индийский англ. хим. 43 (12): 2934–2942. дои : 10.1021/ie50504a074 .

[17] Ли, Эрик К.; Корос, WJ (2003). «Мембраны синтетические, применение: промышленный диализ» . НаукаДирект . Из Энциклопедии физических наук и технологий (3-е издание) . Проверено 29 сентября 2020 г.

[18] Джековский, М.; Трусек, А. (2018). «Производство безалкогольного пива – обзор» . Польский журнал химической технологии . 20 (4): 32–38. doi : 10.2478/pjct-2018-0051 . S2CID 104447271 .

[:1-19] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Скотт, К.; Хьюз, Р. (1996). Технология промышленной мембранной сепарации . Springer-Science+Business Media, BV, стр. 222–225. ISBN 978-94-010-4274-1 .

[:2-20] Перейти обратно: ^а ^б Харисиадис, К. «Реверсирование электродиализа/ЭД» (PDF) .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]