Кіріспе

химияда диализ – ерітіндідегі молекулаларды олардың диффузия жылдамдықтарының айырмашылығы арқылы, диализ түтігі сияқты жартылай өткізгіш мембранадан өте отырып бөлу процесі. Диализ – медициналық диализдың негіздерімен жұмыс істейтін, кең таралған зертханалық техника. Өмір ғылымдары саласындағы зерттеулерде диализдің ең көп қолданылатын мақсаты – ақуыздар, ДНК немесе полисахаридтер сияқты ірі молекулалардан тұздар, тотығуға қарсы заттар немесе бояулар сияқты қажетсіз шағын молекулаларды жою. Диализ буферді алмастыру және дәрілік заттардың байланысын зерттеу үшін де жиі қолданылады. Диализ тұжырымдамасын 1861 жылы шотланд химигі Томас Грэм енгізген. Ол осы техниканы сулы ерітіндідегі сахарозаны (шағын молекула) және араб талшығының ерітіндісін (ірі молекула) бөлу үшін пайдаланған. Ол диффузияға ұшырайтын еріген заттарды кристаллоидтар деп, ал мембранадан өтпейтіндерін – колоидтар деп атаған.

Этимология

Диализ грекше διά, "арқылы" және λύειν, "босату" деген сөздерден туындайды. Ол диффузияға негізделген, яғни ерітіндідегі молекулалардың кездейсоқ, жылулық қозғалысы (Броун қозғалысы), бұл тепе-теңдікке қол жеткенше молекулалардың жоғары концентрациялы аймақтан төмен концентрациялы аймаққа таза қозғалысына әкеледі. Мембрананың тесік өлшеміне байланысты, үлгідегі ірі молекулалар мембранадан өте алмайды, соның салдарынан олардың диффузиясы үлгілік камерадан шектеледі. Керісінше, кішкентай молекулалар мембрана арқылы еркін диффузияланып, бүкіл ерітінді көлемінде тепе-теңдікке жетеді, осылайша осы молекулалардың үлгідегі және диализаттың жалпы концентрациясы өзгереді (оң жақтағы диализ суретін қараңыз). Осмоз – диализ жұмыс ілуіне себеп болатын тағы бір принцип. Осмоз кезінде сұйықтық жартылай өткізгіш мембрана арқылы жоғары су концентрациясы бар аймақтан төмен су концентрациясы бар аймаққа тепе-теңдікке дейін қозғалады. Диализде, артық сұйықтық үлгіден диализатқа мембрана арқылы қозғалады, үлгі мен диализаттағы сұйықтық деңгейі бірдей болғанша. Соңында, ультрафильтрация – гидростатикалық немесе осмостық күштердің тудырған қысым градиенті бойынша су мен еріген заттардың конвекциялық ағыны. Диализде ультрафильтрация үлгіден қалдықтар мен артық сұйықтықтардың молекулаларын жояды.

Доннан диализі

Доннан диализі – екі сулы ерітінді арасында иондарды алмастыруға қолданылатын, олар CEM немесе AEM мембранасымен бөлінетін айыру процесі. Егер екі түрлі қышқылдығы бар ерітіндіні катион алмастыру мембранасы бөліп тұрса, протондар (H+) мембрана арқылы аз қышқылды жаққа өтеді. Бұл электр потенциалын тудырады, ол аз қышқылды жақтағы катиондардың көп қышқылды жаққа ағынын қозғайды. Процесс H+ концентрациясының өзгеруі, бөлінген катионның концентрациясы айырмашылығымен шамалас болғанда тоқтатылады.

Кері электродиализ

Кері электродиализ – тұздылығы әртүрлі екі су ағынының араласуынан электр энергиясын алуға мүмкіндік беретін, мембраналарға негізделген технология. Ол көбінесе анион алмасу мембраналарын (AEM) және катион алмасу мембраналарын (CEM) пайдаланады. АЭМ аниондардың өтуіне жол береді және катиондардың өтуіне кедергі келтірсе, CEM керісінше жұмыс істейді. Жоғары тұздылықтағы судан катиондар мен аниондар төмен тұздылықтағы суға қозғалады, катиондар CEM арқылы, ал аниондар AEM арқылы өтеді. Бұл құбылысты электр энергиясына түрлендіруге болады.

Электроэлектродиализ

Электроэлектродиализ – электродиализ бен электролизді біріктіретін үш бөлімді пайдаланатын электромембраналық процесс. Ол көбінесе АЭМ, СЭМ және электролиз арқылы ерітіндіден қышқылды алу үшін қолданылады. Үш бөлімді екі тосқауыл бөліп тұрады, олар ион алмастыру мембраналары. Ортадағы бөлімде тазартылатын су орналасқан. Бүйірлік бөлімдерде таза су болады. Аниондар АЭМ арқылы, ал катиондар СЭМ арқылы өтеді. Электр тогы аниондар жағында H+ иондарын, ал катиондар жағында OH− иондарын түзетіп, олар тиісті иондармен әрекеттеседі. Мембрананың MWCO (молекулалық салмақ шегі) нақты анықталған мән емес екенін ескеру қажет. Мембрананың MWCO шегіне жақын массасы бар молекулалар, MWCO-дан әлдеқайда кіші молекулаларға қарағанда мембрана арқылы баяу диффузиялайды. Молекуланың мембрана арқылы жылдам диффузиялауы үшін, оның мембрананың MWCO көрсеткішінен кем дегенде 20-дан 50 есеге дейін кіші болуы керек. Сондықтан, 20K көрсеткіші бар диализдік мембрана арқылы 30 кДа протеинді 10 кДа протеиннен диализ арқылы бөлудің мағынасы жоқ. Зертханалық қолданысқа арналған диализ мембраналары әдетте регенерацияланған целлюлоза немесе целлюлоза эфирлерінен жасалған пленкадан тұрады. Целлюлоза мембраналары және олардың өндірісі туралы толық мәліметтер үшін сілтемеге қараңыз.

Зертханалық диализ форматтары

Диализ көбінесе диализ түтіктерінің бөліктерінде немесе әртүрлі форматталған диализаторларда жүргізіледі. Диализ жүйесін таңдау үлгінің мөлшеріне және пайдаланушының қалауына байланысты. Диализ түтігі – зертханада диализ үшін қолданылатын ең ескі және әдетте ең арзан формат. Түтік бір жағынан қысқышпен кесіліп, бітеді, содан соң екінші жағынан қысқышпен толтырылып, бітеді. Түтік икемділікті қамтамасыз етеді, бірақ оны қолдану, бітеу және үлгіні алу кезінде қиындықтар туындауы мүмкін. Диализ түтіктері көбінесе ылғалды немесе құрғақ күйінде, немесе жиырылған телескоптық түтіктер түрінде жеткізіледі. Диализ құрылғыларының (немесе диализаторлардың) кең ассортименті бірнеше жеткізушіден қолжетімді. Диализаторлар нақты үлгі көлемдері үшін жасалған және түтіктерге қарағанда үлгінің қауіпсіздігін арттырады, сондай-ақ диализ эксперименттерін жүргізуді жеңілдетеді және олардың тиімділігін жақсартады. Ең көп қолданылатын алдын ала пішімделген диализаторлар – Slide A Lyzer, Float A Lyzer және Pur A lyzer/D Tube/GeBAflex Dialyzers өнімдерінің қатары.

Қолданбалар

Диализдің қолданылу саласы кең. Оларды қолданылатын диализ түріне қарай екі категорияға бөлуге болады.

Диффузиялық диализ

Диффузиялық диализдің кейбір қолданыстары төменде түсіндірілген. Қатты сулы каустикалық сода ерітінділерін гемицеллюлозадан тазарту диффузиялық диализ арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Бұл, негізінен, қазірде қолданылмайтын вискоза процесіне тән. Аталған процестің бірінші қадамы – таза целлюлозаны (пахта линтері немесе ерітілетін целлюлоза) судағы натрий гидроксидінің (каустикалық сода) күшті (17-20% w/w) ерітінділерімен өңдеу. Бұл қадамның салдары – гемицеллюлозалардың (төмен молекулалық салмақты полимерлер) еруі. Кейбір жағдайларда процестен мүмкіндігінше көп гемицеллюлозаны жою қажет, және бұл диализ арқылы іске асырылуы мүмкін. Анион алмасу мембраналарын қолдану арқылы қышқылдарды сулы ерітінділерден қайта алуға болады. Бұл процесс – өнеркәсіптік сарғыш суларды өңдеудің баламалы әдісі. Ол аралас қышқылды (HF+HNO3) қайта алу, Zn2+ және Cu2+ иондарын H2SO4+CuSO4 және H2SO4+ZnSO4 ерітінділерінен қайта алу және концентрациялау, сондай-ақ, алмаз өндірісі кезінде түзілетін Fe және Ni иондары бар күкірт қышқылының қалдық ерітінділерінен H2SO4-ты қайта алу үшін қолданылады. Төмен энергия шығынына байланысты, диффузиялық диализ арқылы сілтілік қалдықтарды қайта өңдеуге болады. NaOH негізін алюминийдік тегістеу ерітіндісінен Жапонияның Astom Corporation әзірлеген технологияны қолдану арқылы қайта алуға болады. Сырадан спиртті алу – диффузиялық диализдің тағы бір қолданысы. Бұл техникада концентрация градиенті қолданылатындықтан, спирт және басқа да кішкентай молекулалы қосылыстар мембрана арқылы жоғары концентрациядан төмен концентрацияға, яғни суға өтеді. Бұл қолданыс үшін операциялық жағдайлардың төмендігі және спиртті 0,5%-ға дейін алу мүмкіндігі маңызды.

Электродиализ

Электрдиализдің кейбір қолданыстары төменде түсіндіріледі. Сарысуды тұзсыздандыру – бұл тамақ өнеркәсібінде осы типтегі диализді пайдаланудың ең кең таралған саласы. Торт, нан, мұзқұймақ және балалар тағамы сияқты әртүрлі тағамдар өндіру үшін кальций, фосфор және басқа да минералды тұздарды қамтитын шикі ірімшік сарысуын жою қажет. Сарысуды минералдық заттардан тазарту шегі шамамен 90% құрайды. Жүзім, апельсин, алма және лимон сияқты жеміс шырындарын қышқылдан тазарту – электродиализ қолданылатын процестердің қатарына жатады. Бұл техникада анион алмастыру мембранасы қолданылады, яғни шырыннан цитрат иондары алынып, гидроксид иондарымен алмастырылады. Электрдиализдің басты кемшілігі – ток тығыздығының шектелуі, сондықтан процесс рұқсат етілген максималды деңгейден төмен ток тығыздығымен жұмыс істеуі тиіс. Іс жүзінде, белгілі бір кернеуде иондардың мембрана арқылы таралуы сызықтық болмайды, бұл судың диссоциациясына алып келіп, процестің тиімділігін төмендетеді. Ескеретін тағы бір мәселе – жұмыс істеу үшін аз энергия қажет болғанымен, қоректік ерітіндідегі тұз концентрациясы жоғарылаған сайын, қажетті энергия да артады. Соңында, кейбір өнімдер үшін электродиализ микроорганизмдер мен органикалық ластаушы заттарды жоймайтынын ескеру қажет, сондықтан қосымша өңдеу қажет болады.