1. Мембранные технологии, их использование в биотехнологии.
Мембранные технологии основаны на разделении смесей жидкостей или газов, а также присутствующих в них частиц на составляющие компоненты с использованием частично проницаемых мембран. Мембрана позволяет определённым молекулам или ионам проходить через неё благодаря диффузии.
Скорость прохождения зависит от давления, концентрации и температуры молекулы или растворённых веществ с обеих сторон, а также проницаемости мембраны для каждого компонента растворов.
Нейтральные мембраны с порами разделяют частицы по размеру
Мембранные технологии
Градиент химических потенциалов => ДИАЛИЗ
Электрическое поле => ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ
Градиент давлений => УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ
Градиент давлений => ОБРАТНЫЙ ОСМОС
Диализ
Диализ применяют для очистки растворов высокомолекулярных веществ от низкомолекулярных (например обессоливание) или для замены одних низкомолекулярных веществ на другие (перебуферивание). Скорость диализа обычно крайне низка (недели). Ускоряют процесс диализа увеличивая площадь мембраны и температуру, непрерывно меняя растворитель. Процесс диализа основан на процессах осмоса и диффузии, что объясняет способы его ускорения.
Концентрация низкомолекулярных веществ – УМЕНЬШАЕТСЯ (может и практически до нуля, если постоянно заменять диализирующий раствор) или УВЕЛИЧИВАЕТСЯ (перебуферивание)
Концентрация высокомолекулярных веществ – НЕМНОГО УМЕНЬШАЕТСЯ (из-за осмоса)
Объем пробы – увеличивается. Плотно заполненный диализный мешок может из-за этого лопнуть
1. Пластинчатый диализатор
Это устройство, в котором диализ осуществляется через плоские мембраны, расположенные в виде пластин. Конструкция включает чередующиеся пластины, между которыми проходят кровь и диализирующий раствор. Основные особенности:
Компактная структура, удобная для стерилизации.
Меньшая вероятность тромбоза благодаря равномерному распределению потоков.
Облегченный доступ для обслуживания и замены мембран.
2. Диализатор типа «фильтр-пресс»
Конструкция данного диализатора напоминает принцип работы фильтр-пресса.
Состоит из множества чередующихся плоских мембран и прокладок, которые образуют каналы для крови и диализирующего раствора.
Такой тип конструкции обеспечивает высокую эффективность очистки благодаря большому взаимодействию мембраны с жидкостями.
Используется реже из-за сложности конструкции и трудностей в очистке.
3. Капиллярный диализатор
Самый распространенный тип диализаторов в современной медицине.
линейный поток крови,
низкое сопротивление крови,
малый объем заполнения (35-75 мл),
малая остаточная кровопотеря при прорыве мембраны,
возможность полного отмывания и повторного использования.
Электродиализ
Электродиализ применяют для обессоливания
Принцип работы
Компоненты электродиализной установки:
Ионно-селективные мембраны:
Катионообменные мембраны пропускают только катионы
Анионообменные мембраны пропускают только анионы.
Электроды: анод и катод создают электрическое поле.
Камеры: чередующиеся секции с мембранами образуют камеры с концентрированным и разреженным раствором.
Процесс:
Раствор подается в камеры.
Под действием электрического поля катионы перемещаются к катоду, проходя через катионообменные мембраны, а анионы — к аноду через анионообменные мембраны.
В результате происходит разделение ионов, концентрация которых в одних камерах увеличивается, а в других уменьшается (обессоливание)
Сравнение ультрафильтраций
Ультрафильтрация
Можно применить ультрафильтрацию для изменения концентрации низкомолекулярных соединений: СНАЧАЛА СКОНЦЕНТРИРОВАЛ, ПОТОМ РАЗБАВИЛ (можно и неоднократно)
Ультрафильтрация — это процесс разделения веществ, основанный на прохождении жидкости через пористую мембрану под действием давления. Мембраны для ультрафильтрации обладают пористостью, которая позволяет пропускать растворитель (например, воду) и низкомолекулярные вещества, задерживая более крупные молекулы, такие как белки, полимеры или микроорганизмы.
Основные мембраны для ультрафильтрации
Полимерные мембраны:
Изготовлены из полимерных материалов, таких как полиамиды, полиэтилсульфон, ацетат целлюлозы.
Обладают хорошей химической и термической устойчивостью.
Применяются в биотехнологии, пищевой промышленности, очистке воды.
Керамические мембраны:
Изготавливаются из неорганических материалов, таких как оксид алюминия или оксид циркония.
Отличаются высокой механической прочностью и устойчивостью к агрессивным средам.
Используются в промышленных процессах, где требуется высокая устойчивость к температурам и химическим веществам.
Трековые мембраны:
Получаются облучением полимерных пленок тяжелыми заряженными частицами с последующим травлением.
Мембраны имеют строго контролируемый диаметр пор и однородность структуры.
Используются в аналитической химии, медицине (например, для фильтрации крови), микробиологии.
Трековые мембраны
Трековые мембраны — это тип мембран, создаваемых путем облучения полимерного материала высокоэнергетическими частицами (например, ионами) и последующего химического травления.
Особенности:
Точные размеры и форма пор.
Высокая специфичность в разделении компонентов.
Применение:
Анализ микроорганизмов и частиц.
Производство медицинских фильтров, анализ частиц в аэрозолях.
Используются в фармацевтике и биологии для разделения клеток и вирусов.
Ультрацентрифугирование
Ультрацентрифугирование — это метод разделения веществ, основанный на действии центробежной силы в роторе ультрацентрифуги. При этом частицы разделяются в зависимости от их размеров, формы и плотности.
Принцип работы:
Образец помещается в ротор, вращающийся с высокой скоростью (до 100 000 об/мин).
Частицы с большей плотностью или размером оседают быстрее, чем более легкие или маленькие.
Виды ультрацентрифугирования:
Аналитическое: используется для изучения свойств молекул, таких как масса и форма.
Препаративное: применяется для разделения и очистки белков, нуклеиновых кислот, вирусов и органелл клеток.