Водная двухфазная система - Aqueous two-phase system - Wikipedia

Водные двухфазные системы (АБС) или же водные двухфазные системы (ATPS) - чистая альтернатива традиционным органический -воды растворитель добыча системы.

АБС образуются при двух полимеры, один полимер и один космотропный соль, или две соли (одна хаотропный соль а другой - космотропная соль) смешивают в соответствующих концентрациях или при определенной температуре. Две фазы в основном состоят из воды и нелетучих компонентов, что исключает летучие органические соединения. Они уже много лет используются в биотехнологический приложения как неденатурирующий и доброкачественные разделительные среды. 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, металлургические приложения и в качестве реакционной среды.

Вступление

В 1896 г. Бейеринк впервые отметил «несовместимость» в решениях агар, водорастворимый полимер с растворимым крахмал или же желатин.[5] При смешивании они разделились на две части. несмешиваемый фазы.

Последующие исследования привели к определению многих других водных двухфазных систем, из которых полиэтиленгликоль (ПЭГ) - декстран система является наиболее изученной. Другими системами, которые образуют водные бифазы, являются: ПЭГ - карбонат натрия или ПЭГ и фосфаты, цитраты или же сульфаты. Водные двухфазные системы используются во время последующая обработка в основном в биотехнологической и химической промышленности.

Две фазы

Обычное наблюдение, что когда масло и воды переливаются в одну емкость, они разделяются на две фазы или слоя, потому что они несмешиваемый. Как правило, водные (или водные) растворы, будучи полярными, не смешиваются с неполярными органическими растворителями (хлороформ, толуол, гексан и т. д.) и образуют двухфазную систему. Однако в АБС оба несмешиваемых компонента имеют водную основу.

На формирование отдельных фаз влияет pH, температура и ионная сила двух компонентов, и разделение происходит, когда количество присутствующего полимера превышает определенную предельную концентрацию (которая определяется указанными выше факторами).

Система ПЭГ – декстран

«Верхняя фаза» формируется более гидрофобный полиэтиленгликоль (ПЭГ), который имеет низкую плотность чем «нижняя фаза», состоящая из более гидрофильный и более плотный раствор декстрана.

Хотя ПЭГ по своей природе плотнее воды, он занимает верхний слой. Считается, что это связано с его «упорядочивающими» свойствами 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.

Преимущества

ABS - отличный метод для извлечения белки /ферменты и другие лабильный биомолекулы из сырых клеточных экстрактов или других смесей. Чаще всего этот прием применяется в ферментная технология при промышленном или лабораторном производстве ферментов.

  • Они обеспечивают мягкие условия, которые не причиняют вреда или денатурировать нестабильные / лабильные биомолекулы
  • Межфазный стресс (на интерфейс между двумя слоями) намного ниже (в 400 раз меньше), чем в системах вода-органический растворитель, используемых для экстракция растворителем, вызывая меньшее повреждение извлекаемой молекулы
  • Слой полимера стабилизирует экстрагированные белковые молекулы, способствуя более высокой концентрации желаемого белка в одном из слоев, что приводит к эффективной экстракции.
  • Могут быть разработаны специализированные системы (с помощью различных факторов, таких как температура, степень полимеризации, присутствие определенных ионов и т. Д.), Чтобы способствовать обогащению конкретного соединения или класса соединений до одной из двух фаз. Иногда их используют одновременно с ионообменные смолы для лучшего извлечения
  • Разделение фаз и разделение соединения происходит быстро. Это позволяет извлечь желаемую молекулу до эндогенный протеазы может ухудшить их.
  • Эти системы можно масштабировать, от установок лабораторных размеров до установок, способных удовлетворить потребности промышленного производства. Их можно использовать в процессах непрерывной экстракции белка.

Специфичность может быть дополнительно увеличена путем добавления тегов лиганды специфический для желаемого фермента, на полимер. Это приводит к предпочтительному 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. Однако другие недорогие альтернативы, такие как менее изысканные декстраны, гидроксипропил производные крахмала также доступны растворы с высоким содержанием соли.

Термодинамическое моделирование

Помимо экспериментального исследования, важно иметь хорошую термодинамическую модель для описания и прогнозирования условий равновесия жидкость-жидкость при проектировании и проектировании. Для получения глобальных и надежных параметров термодинамических моделей обычно подходят данные о фазовом равновесии. Поскольку в системах полимер / соль есть полимер, электролит и вода, следует учитывать все различные типы взаимодействий. До сих пор использовалось 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 связях для водных двухфазных систем полимер / соль. В большинстве предыдущих работ для моделирования использовались лишние функции Гиббса. [7]

Рекомендации

  1. ^ Хамта, Афшин; Реза Дехгани, Мохаммад (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.
  2. ^ Хрипин, Константин Ю .; Fagan, Jeffrey A .; Чжэн, Мин (2013-05-08). «Самопроизвольное разделение углеродных нанотрубок в полимерно-модифицированных водных фазах». Журнал Американского химического общества. 135 (18): 6822–6825. Дои:10.1021 / ja402762e. ISSN  0002-7863. PMID  23611526.
  3. ^ Ли, Хан; Гордеев, Георгий; Гаррити, Ойсин; Райх, Стефани; Флавел, Бенджамин С. (28 января 2019 г.). «Разделение однослойных углеродных нанотрубок малого диаметра в одну-три стадии с помощью двухфазной водной экстракции». САУ Нано. 13 (2): 2567–2578. Дои:10.1021 / acsnano.8b09579. ISSN  1936-0851. PMID  30673278.
  4. ^ Турек, Эдита; Шираки, Томохиро; Сираиси, Томонари; Сига, Тамехито; Фудзигая, Цуёхико; Джанас, Давид (2019). «Одноступенчатая изоляция углеродных нанотрубок с узкополосными характеристиками излучения света». Научные отчеты. 9 (1): 535. Bibcode:2019НатСР ... 9..535Т. Дои:10.1038 / s41598-018-37675-4. ISSN  2045-2322. ЧВК  6345979. PMID  30679809.
  5. ^ Бейеринк, М.В. (1896). Zentralblatt für Bakteriologie, Parasiten und Infektionskrankenheiten. 2: 697–699.CS1 maint: журнал без названия (связь)
  6. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал в 2006-09-24. Получено 2006-09-06.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  7. ^ Хамта, Афшин; Мохаммади, Асма; Дехгани, Мохаммад Реза; Фейзи, Фарзане (2018). «Равновесие жидкость – жидкость и термодинамическое моделирование водной двухфазной системы, содержащей полипропиленгликоль и NaClO4, при T = (288,15 и 298,15) K». Журнал химии растворов. 47: 1–25. Дои:10.1007 / s10953-017-0704-x. S2CID  103996286.

Библиография

  • Альбертссон, П.А. (1986). Разделение клеточных частиц и макромолекул. Джон Вили и сыновья.
  • Заславский, Борис (1995). Водное двухфазное разделение: физическая химия и биоаналитические приложения. Marcel Dekker Inc. ISBN  978-0-8247-9461-3.
  • Бахши, Хамид; Mobalegholeslam, Poorya (2017). «Расчеты фазовых равновесий растворов электролитов, содержащих воду-полимер-соль, с использованием новой термодинамической модели, применимой в водных двухфазных системах». Равновесия жидкой фазы. 434: 222–32. Дои: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. Дои:10.1016 / j.molliq.2017.05.149.

внешняя ссылка