Водная двухфазная система
двухфазные системы ( ABS ) или двухфазные системы ( ATPS ) являются чистой альтернативой традиционным органическими растворителями водные системам экстракции Водные .
АБС образуются, когда два полимера , один полимер и одна косотропная соль , или две соли (одна хаотропная соль , а другая космотропная соль) смешиваются в соответствующих концентрациях или при определенной температуре. Эти две фазы в основном состоят из воды и нелетучих компонентов, что позволяет исключить летучие органические соединения . Они уже много лет используются в биотехнологических приложениях в качестве неденатурирующих и безопасных разделительных сред. Недавно было обнаружено, что ATPS можно использовать для разделения ионов металлов, таких как ртуть и кобальт. [ 1 ] углеродные нанотрубки , [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] восстановление окружающей среды , металлургическое применение и в качестве реакционной среды.
Введение
[ редактировать ]В 1896 году Бейеринк впервые отметил «несовместимость» растворов агара , водорастворимого полимера, с растворимым крахмалом или желатином . [ 5 ] При смешивании они разделились на две несмешивающиеся фазы .
Последующие исследования привели к определению многих других водных двухфазных систем, из которых полиэтиленгликоль (ПЭГ) - декстран наиболее изучена система . Другими системами, образующими водные бифазы, являются: ПЭГ — карбонат натрия или ПЭГ и фосфаты , цитраты или сульфаты . Водные двухфазные системы используются при последующей переработке, главным образом, в биотехнологической и химической промышленности.
Две фазы
[ редактировать ]Общеизвестно, что когда масло и воду наливают в один и тот же контейнер, они разделяются на две фазы или слоя, поскольку они несмешивающиеся . Как правило, водные (или водные) растворы, будучи полярными, не смешиваются с неполярными органическими растворителями ( пищевым маслом , хлороформом , толуолом , гексаном и т. д.) и образуют двухфазную систему. Однако в АБС оба несмешивающихся компонента имеют водную основу.
На образование отдельных фаз влияют pH , температура и ионная сила двух компонентов, а разделение происходит, когда количество присутствующего полимера превышает определенную предельную концентрацию (которая определяется вышеуказанными факторами).
Система ПЭГ-декстран
[ редактировать ]«Верхняя фаза» образована более гидрофобным полиэтиленгликолем (ПЭГ), который имеет более низкую плотность , чем «нижняя фаза», состоящая из более гидрофильного и более плотного раствора декстрана .
Хотя ПЭГ по своей природе плотнее воды, он занимает верхний слой. Считается, что это связано с его свойствами «упорядочения» растворителя, которые исключают избыток воды, создавая водную среду с низкой плотностью. [ 6 ] Степень полимеризации ПЭГ также влияет на разделение фаз и разделение молекул во время экстракции. [ нужна ссылка ]
Преимущества
[ редактировать ]ABS – отличный метод для экстракции белков / ферментов и других лабильных биомолекул из неочищенных клеточных экстрактов или других смесей. Чаще всего этот метод применяется в ферментной технологии при промышленном или лабораторном производстве ферментов.
- Они обеспечивают мягкие условия, которые не повреждают и не денатурируют нестабильные/лабильные биомолекулы.
- Межфазное напряжение (на границе между двумя слоями) намного ниже (в 400 раз меньше), чем в системах водно-органический растворитель, используемых для экстракции растворителем , что приводит к меньшему повреждению экстрагируемой молекулы.
- Полимерный слой стабилизирует экстрагированные молекулы белка, способствуя более высокой концентрации желаемого белка в одном из слоев, что приводит к эффективной экстракции.
- Могут быть разработаны специализированные системы (путем изменения таких факторов, как температура, степень полимеризации, присутствие определенных ионов и т. д.), способствующие обогащению конкретного соединения или класса соединений в одну из двух фаз. Иногда их используют одновременно с ионообменными смолами для лучшей экстракции.
- Разделение фаз и разделение соединений происходит быстро. Это позволяет извлечь нужную молекулу до того, как эндогенные протеазы смогут ее разрушить.
- Эти системы допускают масштабирование: от установок лабораторного размера до систем, способных удовлетворить требования промышленного производства. Их можно использовать в непрерывных процессах экстракции белка.
Специфичность можно дополнительно повысить путем мечения на полимере лигандов , специфичных для желаемого фермента. Это приводит к преимущественному связыванию фермента с полимером, повышая эффективность экстракции.
Однако одним из основных недостатков является стоимость используемых материалов, а именно декстранов высокой чистоты, используемых для этой цели. другие недорогие альтернативы, такие как менее очищенные декстраны гидроксипропилового , производные Однако доступны и крахмала и растворы с высоким содержанием солей.
Термодинамическое моделирование
[ редактировать ]Помимо экспериментальных исследований, важно иметь хорошую термодинамическую модель для описания и прогнозирования условий равновесия жидкость-жидкость в технике и дизайне. Для получения глобальных и надежных параметров термодинамических моделей обычно для этой цели подходят данные фазового равновесия. Поскольку в системах полимер/соль присутствуют полимер, электролит и вода, необходимо учитывать все различные типы взаимодействий. До сих пор использовалось несколько моделей, таких как NRTL, Chen-NRTL, Wilson, UNIQUAC, NRTL-NRF и UNIFAC-NRF. Показано, что во всех случаях упомянутые модели успешно воспроизводят данные двухфазных водных двухфазных систем полимер/соль. В большинстве предыдущих работ для моделирования использовались избыточные функции Гиббса. [ 7 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хамта, Афшин; Реза Дегани, Мохаммед (2017). «Применение водных двухфазных систем на основе полиэтиленгликоля для извлечения тяжелых металлов». Журнал молекулярных жидкостей . 231 : 20–24. дои : 10.1016/j.molliq.2017.01.084 .
- ^ Хрипин Константин Юрьевич; Фэган, Джеффри А.; Чжэн, Мин (08 мая 2013 г.). «Спонтанное разделение углеродных нанотрубок в водных фазах, модифицированных полимерами». Журнал Американского химического общества . 135 (18): 6822–6825. дои : 10.1021/ja402762e . ISSN 0002-7863 . ПМИД 23611526 .
- ^ Ли, Хан; Гордеев, Георгий; Гаррити, Ойсин; Райх, Стефани; Флавел, Бенджамин С. (28 января 2019 г.). «Разделение одностенных углеродных нанотрубок малого диаметра в одну-три стадии с помощью водной двухфазной экстракции». АСУ Нано . 13 (2): 2567–2578. дои : 10.1021/acsnano.8b09579 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 30673278 .
- ^ Турек, Эдита; Шираки, Томохиро; Сираиси, Томонари; Сига, Тамехито; Фудзигая, Цуёхико; Янас, Дэвид (2019). «Одностадийное выделение углеродных нанотрубок с узкополосными характеристиками светоизлучения» . Научные отчеты 9 (1): 535. Бибкод : 2019НатСР... 9..535Т дои : 10.1038/ s41598-018-37675-4 ISSN 2045-2322 . ПМК 6345979 . ПМИД 30679809 .
- ^ Бейеринк, MW (1896). Центральный журнал бактериологии, паразитов и инфекционных заболеваний . 2 :697-699.
{{cite journal}}: CS1 maint: периодическое издание без названия ( ссылка ) - ^ Чаплин, Мартин. «Водные двухфазные системы» . Архивировано из оригинала 24 сентября 2006 г. Проверено 6 сентября 2006 г.
- ^ Хамта, Афшин; Мохаммади, Асма; Дегани, Мохаммад Реза; Фейзи, Фарзане (2018). «Равновесие жидкость–жидкость и термодинамическое моделирование водной двухфазной системы, содержащей полипропиленгликоль и NaClO4, при Т = (288,15 и 298,15) К». Журнал химии растворов . 47 : 1–25. дои : 10.1007/s10953-017-0704-x . S2CID 103996286 .
Библиография
[ редактировать ]- Альбертссон, Пенсильвания (1986). Разделение клеточных частиц и макромолекул . Джон Уайли и сыновья.
- Заславский, Борис (1995). Двухфазное разделение воды: физическая химия и биоаналитические приложения . Марселя Деккера Inc. ISBN 978-0-8247-9461-3 .
- Бахши, Хамид; Мобалеголеслам, Пурия (2017). «Расчеты фазовых равновесий растворов электролитов, содержащих воду-полимер-соль, с использованием новой термодинамической модели, применимой в водных двухфазных системах». Жидкостно-фазовые равновесия . 434 : 222–32. дои : 10.1016/j.fluid.2016.11.033 .
- Хамта, афшин; Дегани, Мохаммад Реза; Голами, Махса (2017). «Экспериментальные данные по водной двухфазной системе, содержащей ПЭГ–6000 и Na2CO3 при Т = (293,15, 303,15 и 313,15) К» . « Журнал молекулярных жидкостей . 241 : 144–149. doi : 10.1016/j.molliq.2017. 149 .
