Введение

В химии диализ – это процесс разделения молекул в растворе, основанный на разнице в скорости их диффузии через полупроницаемую мембрану, например, диализную трубку. Диализ – распространенная лабораторная техника, работающая по тому же принципу, что и медицинский диализ. В контексте исследований в области биологических наук наиболее часто диализ используется для удаления нежелательных малых молекул, таких как соли, восстановители или красители, из более крупных макромолекул, таких как белки, ДНК или полисахариды. Диализ также широко применяется для обмена буферов и изучения связывания лекарственных препаратов. Концепция диализа была предложена в 1861 году шотландским химиком Томасом Грэмом. Он использовал эту технику для разделения сахарозы (малой молекулы) и растворенных веществ из камеди акации (большой молекулы) в водном растворе, называя диффундирующие растворенные вещества кристаллоидами, а те, которые не проходят через мембрану – коллоидами.

Этимология

Диализ происходит от греческих слов διά, означающего «через», и λύειν, означающего «расслаблять» или «разжижать». Он основан на диффузии – случайном, тепловом движении молекул в растворе (броуновское движение), которое приводит к перемещению молекул из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией до достижения равновесия. Благодаря размеру пор мембраны, крупные молекулы в образце не могут проходить сквозь неё, что ограничивает их диффузию из камеры с образцом. В отличие от них, мелкие молекулы свободно диффундируют через мембрану и достигают равновесия во всем объеме раствора, тем самым изменяя общую концентрацию этих молекул в образце и диализате (см. схему диализа справа). Осмос – еще один принцип, лежащий в основе работы диализа. Во время осмоса жидкость перемещается из областей с высокой концентрацией воды в области с низкой концентрацией воды через полупроницаемую мембрану до достижения равновесия. При диализе избыток жидкости перемещается из образца в диализат через мембрану до тех пор, пока уровни жидкости в образце и диализате не станут одинаковыми. Наконец, ультрафильтрация – это конвективный поток воды и растворенных веществ вдоль градиента давления, создаваемого гидростатическими или осмотическими силами. При диализе ультрафильтрация удаляет молекулы отходов и избыток жидкости из образца.

Диализ Доннана

Диализ Доннана — это процесс разделения, используемый для обмена ионами между двумя водными растворами, разделенными CEM- или AEM-мембраной. В случае катионообменной мембраны, разделяющей два раствора с различной кислотностью, протоны (H+) проходят через мембрану к менее кислой стороне. Это индуцирует электрический потенциал, который вызывает поток катионов, присутствующих в менее кислой стороне, к более кислой стороне. Процесс завершается, когда изменение концентрации H+ становится сопоставимым по порядку величины с разницей концентраций разделяемого катиона.

Обратный электродиализ

Обратный электродиализ – это технология, основанная на мембранах, которая вырабатывает электроэнергию при смешивании двух водных потоков с разной соленостью. В ней обычно используются анионообменные мембраны (AEM) и катионообменные мембраны (CEM). Анионообменные мембраны пропускают анионы и препятствуют прохождению катионов, а катионообменные мембраны – наоборот. Катионы и анионы из воды с высокой соленостью перемещаются в воду с низкой соленостью, при этом катионы проходят через катионообменные мембраны, а анионы – через анионообменные мембраны. Это явление можно преобразовать в электрическую энергию.

Электроэлектродиализ

Электроэлектродиализ – это электромембранный процесс, использующий три камеры и сочетающий в себе электродиализ и электролиз. Он обычно применяется для извлечения кислоты из раствора с использованием АЕМ, СЕМ и электролиза. Три камеры разделены двумя барьерами – ионообменными мембранами. В центральной камере находится вода, подлежащая обработке. Боковые камеры содержат чистую воду. Анионы проходят через АЕМ, а катионы – через СЕМ. Электрический ток создает ионы H+ со стороны анионов и ионы OH− со стороны катионов, которые реагируют с соответствующими ионами. Важно отметить, что величина отсечки по молекулярной массе (MWCO) мембраны не является строго определенным значением. Молекулы с массой, близкой к пределу MWCO мембраны, будут диффундировать через мембрану медленнее, чем молекулы, значительно меньшие, чем MWCO. Для быстрого прохождения молекулы через мембрану, её размер обычно должен быть в 20–50 раз меньше номинального значения MWCO мембраны. Следовательно, практически невозможно разделить белок 30 кДа от белка 10 кДа с помощью диализа через диализную мембрану с номиналом 20 кДа. Диализные мембраны для лабораторного использования обычно изготавливаются из пленки регенерированной целлюлозы или целлюлозных эфиров. См. ссылку для обзора целлюлозных мембран и их производства.

Форматы лабораторного диализа

Диализ обычно проводится в отрезанных рукавах диализной мембраны или в различных готовых диализаторах. Выбор используемой системы диализа во многом зависит от размера образца и предпочтений пользователя. Диализная мембрана – это самый старый и, как правило, самый экономичный формат, используемый для диализа в лаборатории. Мембрану отрезают и запечатывают клипсой с одного конца, затем заполняют и запечатывают клипсой с другого конца. Мембрана обеспечивает гибкость, но вызывает больше опасений в отношении обращения, герметичности и извлечения образца. Диализная мембрана обычно поставляется влажной или сухой в рулонах или в виде гофрированных телескопических трубок. Широкий ассортимент диализных устройств (или диализаторов) доступен у нескольких поставщиков. Диализаторы предназначены для определенных диапазонов объемов образцов и обеспечивают большую сохранность образца, а также улучшенную простоту использования и эффективность по сравнению с мембраной при проведении диализа. Наиболее распространенными готовыми диализаторами являются Slide A Lyzer, Float A Lyzer и продуктовые линейки Pur A lyzer/D Tube/GeBAflex Dialyzers.

Приложения

Диализ имеет широкий спектр применения. Их можно разделить на две категории в зависимости от используемого типа диализа.

Диффузионный диализ

Некоторые применения диффузионного диализа описаны ниже. Концентрированные водные растворы каустической соды могут быть очищены от гемицеллюлозы с помощью диффузионного диализа. Это характерно для устаревшего процесса производства вискозы. Первый этап этого процесса заключается в обработке почти чистой целлюлозы (хлопкового линтера или целлюлозы для растворения) сильными (17-20% мас./мас.) растворами гидроксида натрия (каустической соды) в воде. Одним из эффектов этого этапа является растворение гемицеллюлоз (полимеров с низкой молекулярной массой). В некоторых случаях желательно удалить из процесса как можно больше гемицеллюлозы, что можно сделать с помощью диализа. Кислоты могут быть извлечены из водных растворов с использованием анионообменных мембран. Этот процесс является альтернативным методом очистки промышленных сточных вод. Он используется для извлечения смешанных кислот (HF + HNO3), извлечения и концентрирования Zn2+ и Cu2+ в растворах H2SO4 + CuSO4 и H2SO4 + ZnSO4, а также для извлечения H2SO4 из отработанных растворов серной кислоты, содержащих ионы Fe и Ni, образующихся в процессе производства алмазов. Щелочные отходы могут быть извлечены с использованием диффузионного диализа благодаря его низкой энергозатратности. Гидроксид натрия может быть извлечен из травильного раствора для алюминия с использованием технологии, разработанной японской корпорацией Astom. Удаление алкоголя из пива – еще одно применение диффузионного диализа. Учитывая, что в этой технике используется градиент концентрации, алкоголь и другие соединения с низкой молекулярной массой перемещаются через мембрану из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией, то есть в воду. Он используется для этой цели благодаря мягким условиям эксплуатации и возможности снижения содержания алкоголя до 0,5%.

Электродиализ

Некоторые области применения электродиализа описаны ниже. Обезсоливание сыворотки является наиболее широкой областью применения этого типа диализа в пищевой промышленности. Для производства различных продуктов, таких как пирожные, хлеб, мороженое и детское питание, необходимо удалять сырую сыворотку, содержащую кальций, фосфор и другие неорганические соли. Степень деминерализации сыворотки может достигать почти 90%. Электродиализ применяется в процессах обескисления фруктовых соков, таких как виноградный, апельсиновый, яблочный и лимонный. В этой технологии используется анионообменная мембрана, что подразумевает извлечение цитратных ионов из сока и их замену гидроксид-ионами. Основным недостатком электродиализа является ограничение по плотности тока – процесс необходимо проводить при плотности тока ниже максимально допустимой. Это связано с тем, что при определенном приложенном напряжении диффузия ионов через мембрану становится нелинейной, что приводит к диссоциации воды и снижению эффективности процесса. Важно также учитывать, что, хотя для работы требуется относительно небольшое количество энергии, чем выше концентрация соли в исходном растворе, тем больше энергии потребуется. И, наконец, следует помнить, что электродиализ не удаляет микроорганизмы и органические загрязнения, поэтому для некоторых продуктов необходима дополнительная обработка.