Водная двухфазная система

Водные двухфазные системы ( ABS ) или водные двухфазные системы ( ATPS ) являются чистой альтернативой традиционным системам экстракции органическими растворителями в воде .

ABS образуются, когда два полимера , один полимер и одна космотропная соль , или две соли (одна хаотропная соль и другая космотропная соль) смешиваются в соответствующих концентрациях или при определенной температуре. Две фазы в основном состоят из воды и нелетучих компонентов, таким образом устраняя летучие органические соединения . Они использовались в течение многих лет 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] углеродных нанотрубок , [2] [3] [4] восстановления окружающей среды , металлургических приложений и в качестве реакционной среды.

Введение

В 1896 году Бейеринк впервые отметил «несовместимость» растворов агара , водорастворимого полимера, с растворимым крахмалом или желатином . [5] При смешивании они разделялись на две несмешивающиеся фазы .

Последующие исследования привели к определению многих других водных двухфазных систем, из которых наиболее изученной является система полиэтиленгликоль (ПЭГ) - декстран . Другие системы, которые образуют водные двухфазные системы: ПЭГ - карбонат натрия или ПЭГ и фосфаты , цитраты или сульфаты . Водные двухфазные системы используются в процессе последующей обработки в основном в биотехнологической и химической промышленности.

Две фазы

Распространено наблюдение, что когда масло и вода наливаются в одну емкость, они разделяются на две фазы или слоя, поскольку они несмешивающиеся . В общем, водные (или водные) растворы, будучи полярными, не смешиваются с неполярными органическими растворителями ( кулинарным 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

«Верхняя фаза» образована более гидрофобным полиэтиленгликолем (ПЭГ), который имеет меньшую плотность , чем «нижняя фаза», состоящая из более гидрофильного и плотного раствора декстрана .

Хотя ПЭГ по своей природе плотнее воды, он занимает верхний слой. Считается, что это связано с его свойствами «упорядочивания» 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. [ необходима цитата ]

Преимущества

ABS является прекрасным методом для извлечения белков / ферментов и других лабильных биомолекул из сырых клеточных экстрактов или других смесей. Чаще всего этот метод используется в ферментной технологии во время промышленного или лабораторного производства ферментов.

  • Они обеспечивают мягкие условия, которые не повреждают и не денатурируют нестабильные/лабильные биомолекулы.
  • Межфазное напряжение (на границе раздела двух слоев) намного ниже (в 400 раз), чем в системах водно-органических растворителей, используемых для экстракции растворителем , что приводит к меньшему повреждению извлекаемой молекулы.
  • Полимерный слой стабилизирует извлеченные молекулы белка, способствуя более высокой концентрации желаемого белка в одном из слоев, что приводит к эффективной экстракции.
  • Специализированные системы могут быть разработаны (путем изменения таких факторов, как температура, степень полимеризации, присутствие определенных ионов и т. д.) для содействия обогащению определенного соединения или класса соединений в одной из двух фаз. Иногда они используются одновременно с ионообменными смолами для лучшего извлечения
  • Разделение фаз и разделение соединений происходит быстро. Это позволяет извлечь нужную молекулу до того, как ее распадут эндогенные протеазы .
  • Эти системы поддаются масштабированию от лабораторных установок до установок, которые могут справиться с требованиями промышленного производства. Они могут использоваться в непрерывных процессах экстракции белка.

Специфичность может быть дополнительно увеличена путем маркировки лигандов, специфичных для желаемого фермента, на полимере. Это приводит к предпочтительному связыванию фермента с полимером, что повышает эффективность экстракции.

Однако одним из основных недостатков является стоимость используемых материалов, а именно высокоочищенных декстранов, используемых для этой цели. Однако также доступны и другие недорогие альтернативы, такие как менее очищенные декстраны , производные гидроксипропилкрахмала и высокосолевые растворы.

Термодинамическое моделирование

Помимо экспериментального исследования, важно иметь хорошую термодинамическую модель для описания и прогнозирования условий равновесия жидкость-жидкость в проектировании и дизайне. Для получения глобальных и надежных параметров термодинамических моделей обычно подходят данные о фазовом равновесии. Поскольку в системах полимер/соль присутствуют полимер, электролит и вода, следует учитывать все различные типы взаимодействий. До сих пор использовались несколько моделей, таких как NRTL, Chen-NRTL, Wilson, UNIQUAC, NRTL-NRF и UNIFAC-NRF. Было показано, что во всех случаях упомянутые модели успешно воспроизводили данные о конечных линиях двухфазных водных систем полимер/соль. В большинстве предыдущих работ для моделирования использовались избыточные функции Гиббса. [7]

Ссылки

  1. ^ Хамта, Афшин; Реза Дехгани, Мохаммад (2017). «Применение водных двухфазных систем на основе полиэтиленгликоля для извлечения тяжелых металлов». Журнал молекулярных жидкостей . 231 : 20–24 . doi :10.1016/j.molliq.2017.01.084.
  2. ^ Хрипин, Константин Ю.; Фаган, Джеффри А.; Чжэн, Мин (2013-05-08). «Спонтанное разделение углеродных нанотрубок в модифицированных полимерами водных фазах». Журнал Американского химического общества . 135 (18): 6822– 6825. doi :10.1021/ja402762e. ISSN  0002-7863. PMID  23611526.
  3. ^ Ли, Хан; Гордеев, Георгий; Гаррити, Ойсин; Райх, Стефани; Флавел, Бенджамин С. (2019-01-28). «Разделение однослойных углеродных нанотрубок малого диаметра в один-три этапа с двухфазной водной экстракцией». ACS Nano . 13 (2): 2567– 2578. doi :10.1021/acsnano.8b09579. ISSN  1936-0851. PMID  30673278.
  4. ^ Турек, Эдита; Шираки, Томохиро; Сираиси, Томонари; Сига, Тамехито; Фудзигая, Цуёхико; Янас, Давид (2019). «Одноэтапное 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. 
  5. ^ Бейеринк, MW (1896). Централблатт по бактериологии, паразитам и инфекциям . 2 : 697–699 .{{cite journal}}: CS1 maint: безымянное периодическое издание ( ссылка )
  6. ^ Чаплин, Мартин. "Водные двухфазные системы". Архивировано из оригинала 2006-09-24 . Получено 2006-09-06 .
  7. ^ Хамта, Афшин; Мохаммади, Асма; Дехгани, Мохаммад Реза; Фейзи, Фарзанех (2018). «Жидкостно-жидкостное равновесие и термодинамическое моделирование двухфазной водной системы, содержащей полипропиленгликоль и NaClO4 при T = (288,15 и 298,15) K». Журнал химии растворов . 47 : 1– 25. doi :10.1007/s10953-017-0704-x. S2CID  103996286.

Библиография

  • Альбертссон, П.А. (1986). Разделение клеточных частиц и макромолекул . John Wiley & Sons.
  • Заславский, Борис (1995). Разделение двухфазной воды: физическая химия и биоаналитические приложения . Marcel Dekker 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». Fluid Phase Equilibria . 434 : 222– 32. doi :10.1016/j.fluid.2016.11.033.
  • Хамта, Афшин; Дехгани, Мохаммад Реза; Голами, Махса (2017). «Экспериментальные данные по водной двухфазной системе, содержащей ПЭГ–6000 и Na2CO3 при T = (293,15, 303,15 и 313,15) K»". Журнал молекулярных жидкостей . 241 : 144–149 . doi :10.1016/j.molliq.2017.05.149.
  • Лондонский университет South Bank на ABS
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Водная_двухфазная_система&oldid=1175861693"