Основні величини, що характеризують іонообмінний процес. Обмін органічних речовин.

Основною практичною величиною, що характеризує ефективність застосування іонітів для поділу суміші іонів, є концентраційна константа рівноваги відповідної іонообмінної реакції або коефіцієнт вибірковості – К_виб

К_виб

де в квадратних дужках приведена концентрація обмінюючих іонів в іоніті, а в круглих - концентрація відповідних іонів у розчині.

При К_виб = 1 обмін не виборчий. Якщо К_виб < 1, це означає, що Ме⁺ має меншу спорідненість до іоніту, ніж іон Н⁺. Якщо К_виб > 1, то більша вибірковість поглинання іона з розчину.

Для здійснення іонообмінного поглинання іон з розчину повинний продифундувати до частинки іоніту, потім продифундувати усередині її до іоногенної групи і, нарешті, повинна відбутися сама іонообмінна реакція.

У залежності від властивостей і структури матриці іоніту, концентрації іонів у розчині, їхніх розмірів і будівлі, а також заповнення ними іоногенних груп іоніту, стадією, що визначає швидкість іонообмінного процесу, може бути або зовнішня, або внутрішня дифузія. Швидкість сорбції у випадку зовнішньої дифузії при лінійній ізотермі сорбції визначається рівнянням:

де - концентрація іона в іоніті в момент часу t;

β - кінетичний коефіцієнт, ;

- коефіцієнт зовнішньої дифузії;

δ - товщина плівки рідини навколо зерна;

r₀ - радіус зерна іоніту;

C₀ - вихідна концентрація іона в розчині;

С - концентрація іона в розчині в момент часу t, рівноважна з .

Швидкість сорбції при внутрішній дифузії описується рівнянням:

де β₂ - кінетичний коефіцієнт, ;

- коефіцієнт внутрішньої дифузії;

r₀ - радіус зерна;

- концентрація іонів у іоніті, рівноважна з C_0.

З приведених формул випливає, що для визначення швидкості іонообмінного процесу дуже суттєвим є значення величин коефіцієнтів дифузії, які характеризують іонообмінну систему. Для технології важливо установити, який із процесів відповідальний за швидкість сумарного процесу, тому що можливості прискорення поглинання при визначеній ролі зовнішньої чи внутрішньої дифузії різні.

Іонообмінна хроматографія - один із найбільш широко використовуваних методів поділу й очищення білків, завдяки високій здатності сорбентів зв’язувати білок (50,0 г білка на 1 л іонообмінної смоли) і можливості використання різнихх методів елюациї (неперервній і східчастої).

Основний принцип іонного обміну можна проілюструвати рис. 1. На першому етапі водний розчин суміші білків пропускають через стовпчик з нерухомим шаром іонообмінної смоли.

Рис. 1. Іонообмінна хроматографія: операції виділення (принцип методу)

Одним з найбільш широко використовуваних для очищення білків іонообмінником є карбоксиметилцелюлоза - катіонообмінна смола, одержувана за допомогою введення карбоксиметильних груп (які несуть негативний заряд) у целюлозну матрицю. Білки в катіонній формі (які несуть позитивний заряд) зв’язуються з цією смолою електростатичними силами. Потім адсорбуючий білок елюірують буферними розчинами зі зростаючим значенням - рН.

Поступова зміна властивостей елюенту приводить до того, що слабозв’язані з носієм білки десорбуються першими, а потім - усе міцніше зв’язані з іонообмінником. Отже, рухлива фаза, що до введення в стовпчик взагалі не містила білків, на виході зі стовпчика буде збагачена десорбуючими білками. Отриманий при промиванні стовпчика елюат збирають у вигляді фракцій невеликого об’єму. Аналогічно здійснюють і хроматографію на іонообмінних смолах - диетиламіноцелюлозі.