Los sistemas acuosos bifásicos ( ABS ) o sistemas de dos fases acuosas ( ATPS ) son alternativas limpias para tradicionales orgánico - agua de disolvente de extracción de sistemas.
Los ABS se forman cuando se mezclan dos polímeros , un polímero y una sal kosmotrópica , o dos sales (una sal caotrópica y la otra una sal kosmotrópica) a concentraciones apropiadas oa una temperatura particular. Las dos fases están compuestas principalmente por agua y componentes no volátiles, eliminando así los compuestos orgánicos volátiles . Se han utilizado durante muchos años en aplicaciones biotecnológicas como medios de separación no desnaturalizantes y benignos. Recientemente, se ha descubierto que el ATPS puede usarse para separaciones de iones metálicos como mercurio y cobalto, [1] nanotubos de carbono , [2] [3] [4] remediación ambiental , aplicaciones metalúrgicas y como medio de reacción.
Introducción
En 1896, Beijerinck notó por primera vez una "incompatibilidad" en soluciones de agar , un polímero soluble en agua, con almidón o gelatina soluble . [5] Al mezclar, se separaron en dos fases inmiscibles .
La investigación posterior condujo a la determinación de muchos otros sistemas bifásicos acuosos, de los cuales el sistema de polietilenglicol (PEG) - dextrano es el más estudiado. Otros sistemas que forman bifases acuosas son: PEG - carbonato de sodio o PEG y fosfatos , citratos o sulfatos . Los sistemas bifásicos acuosos se utilizan durante el procesamiento posterior principalmente en las industrias biotecnológica y química.
Las dos fases
Es una observación común que cuando se vierte aceite y agua en el mismo recipiente, se separan en dos fases o capas, porque son inmiscibles . En general, las soluciones acuosas (o basadas en agua), al ser polares, son inmiscibles con disolventes orgánicos apolares ( aceite de cocina , cloroformo , tolueno , hexano , etc.) y forman un sistema de dos fases. Sin embargo, en un ABS, ambos componentes inmiscibles están basados en agua.
La formación de las distintas fases se ve afectada por el pH , la temperatura y la fuerza iónica de los dos componentes, y la separación se produce cuando la cantidad de polímero presente excede una cierta concentración limitante (que está determinada por los factores anteriores).
Sistema PEG-dextrano
La "fase superior" está formada por el polietilenglicol (PEG) más hidrófobo , que es de menor densidad que la "fase inferior", que consiste en la solución de dextrano más hidrófila y más densa .
Aunque el PEG es intrínsecamente más denso que el agua, ocupa la capa superior. Se cree que esto se debe a sus propiedades de "ordenación" de los disolventes, que excluyen el exceso de agua y crean un entorno de agua de baja densidad. [6] El grado de polimerización del PEG también afecta la separación de fases y el reparto de moléculas durante la extracción. [ cita requerida ]
Ventajas
El ABS es un método excelente para la extracción de proteínas / enzimas y otras biomoléculas lábiles de extractos de células crudas u otras mezclas. Muy a menudo, esta técnica se emplea en tecnología enzimática durante la producción industrial o de laboratorio de enzimas.
- Proporcionan condiciones leves que no dañan ni desnaturalizan las biomoléculas inestables / lábiles.
- La tensión interfacial (en la interfaz entre las dos capas) es mucho menor (400 veces menor) que los sistemas de agua y disolventes orgánicos utilizados para la extracción con disolventes , lo que causa menos daño a la molécula que se va a extraer.
- La capa de polímero estabiliza las moléculas de proteína extraídas, favoreciendo una mayor concentración de la proteína deseada en una de las capas, dando como resultado una extracción eficaz.
- Pueden desarrollarse sistemas especializados (variando factores como temperatura, grado de polimerización, presencia de ciertos iones, etc.) para favorecer el enriquecimiento de un compuesto específico, o clase de compuestos, en una de las dos fases. A veces se utilizan simultáneamente con resinas de intercambio iónico para una mejor extracción.
- La separación de las fases y el reparto de los compuestos se produce rápidamente. Esto permite la extracción de la molécula deseada antes de que las proteasas endógenas puedan degradarlas.
- Estos sistemas son aptos para ampliaciones, desde configuraciones del tamaño de un laboratorio hasta aquellas que pueden manejar los requisitos de la producción industrial. Pueden emplearse en procesos continuos de extracción de proteínas.
La especificidad puede aumentarse aún más marcando ligandos específicos de la enzima deseada sobre el polímero. Esto da como resultado una unión preferencial de la enzima al polímero, aumentando la eficacia de la extracción.
Sin embargo, una desventaja importante es el costo de los materiales involucrados, a saber, dextranos de alta pureza empleados para este propósito. Sin embargo, también están disponibles otras alternativas de bajo costo, como dextranos menos refinados , derivados de hidroxipropil almidón y soluciones con alto contenido de sal.
Modelado termodinámico
Además del estudio experimental, es importante tener un buen modelo termodinámico para describir y predecir las condiciones de equilibrio líquido-líquido en ingeniería y diseño. Para obtener parámetros globales y confiables para modelos termodinámicos, generalmente, los datos de equilibrio de fase son adecuados para este propósito. Como hay polímero, electrolito y agua en los sistemas de polímero / sal, se deben tener en cuenta todos los diferentes tipos de interacciones. Hasta ahora se han utilizado varios modelos como NRTL, Chen-NRTL, Wilson, UNIQUAC, NRTL-NRF y UNIFAC-NRF. Se ha demostrado que, en todos los casos, los modelos mencionados tuvieron éxito en la reproducción de datos de línea de unión de sistemas bifásicos acuosos polímero / sal. En la mayoría de los trabajos anteriores, el exceso de funciones de Gibbs se ha utilizado para modelar. [7]
Referencias
- ^ Hamta, Afshin; Reza Dehghani, Mohammad (2017). "Aplicación de sistemas bifásicos acuosos a base de polietilenglicol para la extracción de metales pesados". Revista de líquidos moleculares . 231 : 20-24. doi : 10.1016 / j.molliq.2017.01.084 .
- ^ Khripin, Constantine Y .; Fagan, Jeffrey A .; Zheng, Ming (8 de mayo de 2013). "Partición espontánea de nanotubos de carbono en fases acuosas modificadas con polímeros". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 135 (18): 6822–6825. doi : 10.1021 / ja402762e . ISSN 0002-7863 . PMID 23611526 .
- ^ Li, Han; Gordeev, Georgy; Garrity, Oisin; Reich, Stephanie; Flavel, Benjamin S. (28 de enero de 2019). "Separación de nanotubos de carbono de pared simple de diámetro pequeño en uno a tres pasos con extracción acuosa de dos fases". ACS Nano . 13 (2): 2567-2578. doi : 10.1021 / acsnano.8b09579 . ISSN 1936-0851 . PMID 30673278 .
- ^ Turek, Edyta; Shiraki, Tomohiro; Shiraishi, Tomonari; Shiga, Tamehito; Fujigaya, Tsuyohiko; Janas, Dawid (2019). "Aislamiento de un solo paso de nanotubos de carbono con características de emisión de luz de banda estrecha" . Informes científicos . 9 (1): 535. Bibcode : 2019NatSR ... 9..535T . doi : 10.1038 / s41598-018-37675-4 . ISSN 2045-2322 . PMC 6345979 . PMID 30679809 .
- ^ Beijerinck, MW (1896). Zentralblatt für Bakteriologie, Parasiten und Infektionskrankenheiten . 2 : 697–699.CS1 maint: publicación periódica sin título ( enlace )
- ^ Chaplin, Martin. "Sistemas bifásicos acuosos" . Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2006 . Consultado el 6 de septiembre de 2006 .
- ^ Hamta, Afshin; Mohammadi, Asma; Dehghani, Mohammad Reza; Feyzi, Farzaneh (2018). "Equilibrio líquido-líquido y modelado termodinámico de un sistema acuoso de dos fases que contiene polipropilenglicol y NaClO4 en T = (288.15 y 298.15) K". Revista de química de soluciones . 47 : 1–25. doi : 10.1007 / s10953-017-0704-x . S2CID 103996286 .
Bibliografía
- Albertsson, PA (1986). Partición de partículas celulares y macromoléculas . John Wiley e hijos.
- Zaslavsky, Boris (1995). Partición acuosa de dos fases: aplicaciones de química física y bioanalíticas . Marcel Dekker Inc. ISBN 978-0-8247-9461-3.
- Bakhshi, Hamid; Mobalegholeslam, Poorya (2017). "Cálculos de equilibrios de fase de soluciones electrolíticas que contienen agua-polímero-sal mediante un nuevo modelo termodinámico, aplicable en sistemas acuosos bifásicos". Equilibrios de fase fluida . 434 : 222–32. doi : 10.1016 / j.fluid.2016.11.033 .
- Hamta, afshin; Dehghani, Mohammad Reza; Gholami, Mahsa (2017). "datos experimentales sobre un sistema acuoso de dos fases que contiene PEG-6000 y Na2CO3 en T = (293.15, 303.15 y 313.15) K " ". Journal of Molecular Liquids . 241 : 144-149. doi : 10.1016 / j.molliq.2017.05. 149 .
enlaces externos
- Universidad London South Bank sobre ABS