
En química , la diálisis es el proceso de separar moléculas en solución por la diferencia en sus velocidades de difusión a través de una membrana semipermeable, como un tubo de diálisis . [ 1 ]
La diálisis es una técnica de laboratorio común que funciona según el mismo principio que la diálisis médica . En el contexto de la investigación en ciencias de la vida, la aplicación más común de la diálisis es la eliminación de moléculas pequeñas no deseadas, como sales, agentes reductores o colorantes, de macromoléculas más grandes, como proteínas , ADN o polisacáridos . [ 2 ] La diálisis también se utiliza comúnmente para el intercambio de tampones y estudios de unión de fármacos.
El concepto de diálisis fue introducido en 1861 por el químico escocés Thomas Graham . [ 3 ] Utilizó esta técnica para separar solutos de sacarosa (molécula pequeña) y goma arábiga (molécula grande) en solución acuosa . Llamó cristaloides a los solutos difusibles y coloides a aquellos que no atravesaban la membrana. [ 4 ]
A partir de este concepto, la diálisis puede definirse como un proceso de separación espontánea de partículas coloidales en suspensión de iones disueltos o moléculas de pequeñas dimensiones a través de una membrana semipermeable. Las membranas de diálisis más comunes están hechas de celulosa, celulosa modificada o polímeros sintéticos (acetato de celulosa o nitrocelulosa ). [ 5 ]
Etimología
La diálisis deriva del griego διά , 'a través', y λύειν , 'aflojar'. [ 3 ]
Principios
La diálisis es el proceso utilizado para cambiar la matriz de moléculas en una muestra mediante la diferenciación de moléculas según su tamaño. [ 6 ] [ 7 ] Se basa en la difusión , que es el movimiento térmico aleatorio de las moléculas en solución ( movimiento browniano ) que conduce al movimiento neto de moléculas desde un área de mayor concentración a una de menor concentración hasta alcanzar el equilibrio. Debido al tamaño de los poros de la membrana, las moléculas grandes de la muestra no pueden atravesarla, lo que restringe su difusión desde la cámara de la muestra. Por el contrario, las moléculas pequeñas se difundirán libremente a través de la membrana y alcanzarán el equilibrio en todo el volumen de la solución, cambiando así la concentración total de estas moléculas en la muestra y el dializado (véase la figura de diálisis a la derecha).
La ósmosis es otro principio fundamental para el funcionamiento de la diálisis. Durante la ósmosis, el líquido se desplaza desde zonas de alta concentración de agua hacia zonas de menor concentración a través de una membrana semipermeable hasta alcanzar el equilibrio. En la diálisis, el exceso de líquido se mueve desde la muestra al dializado a través de una membrana hasta que el nivel de líquido se iguala entre la muestra y el dializado.
Finalmente, la ultrafiltración es el flujo convectivo de agua y soluto disuelto a través de un gradiente de presión causado por fuerzas hidrostáticas u osmóticas. En la diálisis, la ultrafiltración elimina moléculas de desechos y exceso de fluidos de la muestra. [ 6 ] [ 7 ]
Por ejemplo, la diálisis se produce cuando una muestra contenida en una bolsa de celulosa se sumerge en una solución de diálisis. Durante la diálisis, se alcanza un equilibrio entre la muestra y el dializado, ya que solo las moléculas pequeñas pueden atravesar la membrana de celulosa, quedando retenidas únicamente las partículas de mayor tamaño.
Una vez alcanzado el equilibrio, la concentración final de moléculas depende de los volúmenes de las soluciones involucradas, y si el dializado equilibrado se reemplaza (o intercambia) con dializado fresco (véase el procedimiento a continuación), la difusión reducirá aún más la concentración de las moléculas pequeñas en la muestra.
La diálisis se puede utilizar para introducir o eliminar moléculas pequeñas de una muestra, ya que estas se mueven libremente a través de la membrana en ambas direcciones. También se puede utilizar para eliminar sales. Esto convierte a la diálisis en una técnica útil para diversas aplicaciones. Consulte la sección sobre tubos de diálisis para obtener más información sobre la historia, las propiedades y la fabricación de las membranas semipermeables utilizadas en este proceso.
Tipos
diálisis por difusión
La diálisis por difusión es un proceso de separación espontánea donde la fuerza impulsora que produce la separación es el gradiente de concentración. Presenta un aumento de entropía y una disminución de la energía libre de Gibbs, lo que significa que es termodinámicamente favorable. La diálisis por difusión utiliza membranas de intercambio aniónico (AEM) o membranas de intercambio catiónico (CEM) según los compuestos que se van a separar. Las AEM permiten el paso de aniones, mientras que obstruyen el paso de cationes debido al rechazo de coiones y la preservación de la neutralidad eléctrica. Lo contrario ocurre con las membranas de intercambio catiónico. [ 8 ]
Electrodiálisis
La electrodiálisis es un proceso de separación que utiliza membranas de intercambio iónico y un potencial eléctrico como fuerza impulsora. Se utiliza principalmente para eliminar iones de soluciones acuosas. Existen tres procesos de electrodiálisis comúnmente utilizados: diálisis de Donnan, electrodiálisis inversa y electro-electrodiálisis. Estos procesos se explican a continuación. [ 9 ]
Diálisis de Donnan
La diálisis de Donnan es un proceso de separación que se utiliza para intercambiar iones entre dos soluciones acuosas separadas por una membrana de intercambio catiónico (CEM) o de intercambio aniónico (AEM). En el caso de una membrana de intercambio catiónico que separa dos soluciones con diferente acidez, los protones (H + ) atraviesan la membrana hacia el lado menos ácido. Esto induce un potencial eléctrico que provoca un flujo de los cationes presentes en el lado menos ácido hacia el lado más ácido. El proceso finaliza cuando la variación de la concentración de H + es del mismo orden de magnitud que la diferencia de concentración del catión separado. [ 10 ]
electrodiálisis inversa
La electrodiálisis inversa es una tecnología basada en membranas que obtiene electricidad de la mezcla de dos corrientes de agua con diferentes salinidades . Generalmente utiliza membranas de intercambio aniónico (AEM) y membranas de intercambio catiónico (CEM). Las AEM permiten el paso de aniones y retienen el de cationes, mientras que las CEM hacen lo contrario. Los cationes y aniones del agua de alta salinidad se desplazan hacia el agua de baja salinidad: los cationes atraviesan las CEM y los aniones las AEM. Este fenómeno puede convertirse en electricidad. [ 11 ]
Electrodiálisis
La electrodiálisis es un proceso de electromembrana que utiliza tres compartimentos y combina la electrodiálisis y la electrólisis . Se emplea comúnmente para recuperar ácido de una solución mediante membranas de intercambio aniónico (AEM), membranas de intercambio catiónico (CEM) y electrólisis. Los tres compartimentos están separados por dos barreras, que son las membranas de intercambio iónico. El compartimento central contiene el agua a tratar. Los compartimentos laterales contienen agua limpia. Los aniones atraviesan la AEM, mientras que los cationes la atraviesan. La electricidad genera H + en el lado de los aniones y OH− en el lado de los cationes, que reaccionan con los iones correspondientes. [ 9 ]
Procedimiento
Equipo
La separación de moléculas en una solución mediante diálisis es un proceso relativamente sencillo. Además de la muestra y el tampón de diálisis, normalmente solo se necesita:
- Membrana de diálisis en un formato apropiado (por ejemplo, tubo, casete, etc.) y límite de exclusión de peso molecular (MWCO).
- Un recipiente para contener el tampón de diálisis.
- La capacidad de agitar las soluciones y controlar la temperatura.
Protocolo general
El procedimiento típico de diálisis para muestras de proteínas es el siguiente:
- Prepare la membrana según las instrucciones.
- Introduzca la muestra en el tubo, casete o dispositivo de diálisis.
- Coloque la muestra en una cámara externa de tampón de diálisis (agitando suavemente el tampón).
- Dializar durante 2 horas (a temperatura ambiente o a 4 °C).
- Cambie el tampón de diálisis y realice la diálisis durante otras 2 horas.
- Cambie el tampón de diálisis y realice la diálisis durante 2 horas o toda la noche.
El volumen total de la muestra y del dializado determina la concentración final de equilibrio de las moléculas pequeñas a ambos lados de la membrana. Al utilizar el volumen adecuado de dializado y realizar múltiples cambios de tampón, la concentración de contaminantes pequeños en la muestra puede reducirse a niveles aceptables o insignificantes. Por ejemplo, al dializar 1 ml de muestra con 200 ml de dializado, la concentración de sustancias dializables no deseadas se reducirá 200 veces al alcanzar el equilibrio. Tras dos cambios adicionales de tampón de 200 ml cada uno, el nivel de contaminantes en la muestra se reducirá en un factor de 8 millones (200 x 200 x 200).
Optimización de variables y protocolos
Aunque la diálisis de una muestra es relativamente sencilla, no se puede proporcionar un procedimiento de diálisis universal para todas las aplicaciones debido a las siguientes variables:
- El volumen de la muestra
- El tamaño de las moléculas que se separan
- La membrana utilizada
- La geometría de la membrana, que afecta la distancia de difusión.
Además, el criterio de valoración para la diálisis es algo subjetivo y depende de la aplicación específica. Por lo tanto, el procedimiento general podría requerir optimización.
Membranas de diálisis y MWCO
Las membranas de diálisis se producen y caracterizan según límites de peso molecular de corte (MWCO). Si bien existen membranas con MWCO que oscilan entre 1 y 1.000.000 kDa disponibles comercialmente, las membranas con MWCO cercanas a 10 kDa son las más utilizadas. El MWCO de una membrana es el resultado del número y el tamaño promedio de los poros creados durante su producción. El MWCO generalmente se refiere a la masa molecular promedio más pequeña de una molécula estándar que no se difundirá eficazmente a través de la membrana durante una diálisis prolongada. Por lo tanto, una membrana de diálisis con un MWCO de 10 kDa generalmente retendrá más del 90 % de una proteína con una masa molecular de al menos 10 kDa. [ 12 ] [ 13 ]
El límite de exclusión molecular (MWCO) de una membrana no es un valor fijo. Las moléculas con una masa cercana al límite del MWCO de la membrana se difunden a través de ella más lentamente que las moléculas significativamente más pequeñas. Para que una molécula se difunda rápidamente a través de una membrana, generalmente debe ser entre 20 y 50 veces más pequeña que el MWCO de la membrana. Por lo tanto, no es práctico separar una proteína de 30 kDa de una de 10 kDa mediante diálisis a través de una membrana de diálisis con un MWCO de 20 kDa.
Las membranas de diálisis para uso en laboratorio suelen estar hechas de una película de celulosa regenerada o ésteres de celulosa. Consulte la referencia para obtener una revisión de las membranas de celulosa y su fabricación. [ 14 ]
Formatos de diálisis de laboratorio
La diálisis se realiza generalmente en bolsas de tubos de diálisis precintados o en diversos dializadores. La elección del sistema de diálisis depende en gran medida del tamaño de la muestra y de las preferencias del usuario. Los tubos de diálisis son el formato más antiguo y, por lo general, el menos costoso que se utiliza en el laboratorio. Los tubos se cortan y se sellan con una pinza en un extremo, luego se llenan y se sellan con otra pinza en el otro. Si bien ofrecen flexibilidad, presentan mayores inconvenientes en cuanto a su manipulación, sellado y recuperación de la muestra. Los tubos de diálisis se suministran normalmente húmedos o secos en rollos o tubos telescópicos plisados.
Existe una amplia variedad de dispositivos de diálisis (o dializadores) disponibles de diversos proveedores. Los dializadores están diseñados para rangos específicos de volumen de muestra y ofrecen mayor seguridad, facilidad de uso y rendimiento en experimentos de diálisis en comparación con los tubos. Los dializadores preformateados más comunes son Slide-A-Lyzer, Float-A-Lyzer y las líneas de productos Pur-A-lyzer/D-Tube/GeBAflex.
Aplicaciones
La diálisis tiene una amplia gama de aplicaciones. Estas se pueden dividir en dos categorías según el tipo de diálisis utilizado.
diálisis por difusión
A continuación se explican algunas aplicaciones de la diálisis por difusión.
- Las soluciones acuosas concentradas de sosa cáustica pueden purificarse de hemicelulosa mediante diálisis por difusión. Esto es específico del proceso de viscosa, en gran parte obsoleto . El primer paso de dicho proceso consiste en tratar celulosa casi pura ( linters de algodón o pulpa disuelta ) con soluciones concentradas (17-20% p/p) de hidróxido de sodio (sosa cáustica) en agua. Uno de los efectos de este paso es la disolución de las hemicelulosas (polímeros de bajo peso molecular ). En algunos casos, es deseable eliminar la mayor cantidad posible de hemicelulosa del proceso, lo cual puede lograrse mediante diálisis. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
- Los ácidos pueden recuperarse de soluciones acuosas mediante membranas de intercambio aniónico. Este proceso constituye un tratamiento alternativo para aguas residuales industriales . Se utiliza para la recuperación de ácido mixto (HF + HNO₃ ) , la recuperación y concentración de Zn²⁺ y Cu²⁺ en H₂SO₄ + CuSO₄ y H₂SO₄ + ZnSO₄ , y la recuperación de H₂SO₄ a partir de soluciones residuales de ácido sulfúrico que contienen iones Fe y Ni, producidas en el proceso de fabricación de diamantes . [ 4 ]
- Los residuos alcalinos pueden recuperarse mediante diálisis por difusión debido a su bajo costo energético. La base de NaOH puede recuperarse de la solución de grabado de aluminio aplicando una técnica desarrollada por Astom Corporation de Japón. [ 8 ]
- La desalcoholización de la cerveza es otra aplicación de la diálisis por difusión. Dado que en esta técnica se aplica un gradiente de concentración, el alcohol y otros compuestos de bajo peso molecular se transfieren a través de la membrana desde concentraciones más altas a concentraciones más bajas, que corresponden al agua. Se utiliza en esta aplicación debido a las bajas condiciones de operación y la posibilidad de eliminar el alcohol hasta un 0,5 %. [ 18 ]
Electrodiálisis
A continuación se explican algunas aplicaciones de la electrodiálisis.
- La desalinización del suero es la principal aplicación de este tipo de diálisis en la industria alimentaria. Es necesario eliminar el suero de queso crudo, que contiene calcio, fósforo y otras sales inorgánicas, para elaborar diversos alimentos como pasteles, pan, helados y alimentos infantiles. El límite de desmineralización del suero es de casi el 90 %. [ 19 ]
- La desacidificación de zumos de frutas como uva, naranja, manzana y limón son procesos en los que se aplica la electrodiálisis. En esta técnica se emplea una membrana de intercambio aniónico, lo que implica que los iones citrato del zumo se extraen y se sustituyen por iones hidróxido. [ 19 ]
- La desalinización de la salsa de soja se puede realizar mediante electrodiálisis. Los valores convencionales de sal en la salsa de soja fermentada son de aproximadamente 16-18 %, lo que representa un contenido bastante alto. La electrodiálisis se utiliza para reducir la cantidad de sal presente en la salsa de soja. Actualmente, las dietas bajas en sal son muy comunes en la sociedad. [ 19 ]
- La electrodiálisis permite la separación de aminoácidos en grupos ácidos, básicos y neutros. Específicamente, las proteínas citoplasmáticas de las hojas se extraen de las hojas de alfalfa mediante electrodiálisis. Cuando las proteínas se desnaturalizan , las soluciones se pueden desalinizar (eliminando los iones K + ) y acidificar con iones H + . [ 19 ]
Ventajas y desventajas
La diálisis presenta ventajas y desventajas. Siguiendo la estructura de la sección anterior, se analizan los pros y los contras según el tipo de diálisis utilizado. A continuación, se describen las ventajas y desventajas tanto de la diálisis por difusión como de la electrodiálisis.
diálisis por difusión
La principal ventaja de la diálisis por difusión es el bajo consumo energético de la unidad. Esta técnica de membrana opera a presión normal y no presenta cambios de estado. En consecuencia, la energía requerida se reduce significativamente, lo que disminuye el costo operativo . Además, presenta un bajo costo de instalación, fácil operación y la estabilidad y confiabilidad del proceso. Otra ventaja es que la diálisis por difusión no contamina el medio ambiente. [ 8 ]
Una desventaja es que un dializador de difusión tiene una baja capacidad y eficiencia de procesamiento. Existen otros métodos, como la electrodiálisis y la ósmosis inversa, que pueden lograr una mayor eficiencia que la diálisis de difusión. [ 8 ]
Electrodiálisis
La principal ventaja de la electrodiálisis es la alta recuperación, especialmente en la recuperación de agua. Otra ventaja es que no se aplica alta presión, lo que implica que el efecto de ensuciamiento no es significativo y, por consiguiente, no se requieren productos químicos para combatirlo. Además, la capa de ensuciamiento no es compacta, lo que conduce a una mayor recuperación y a una mayor vida útil de la membrana. También es importante que los tratamientos sean para concentraciones superiores a 70 000 ppm, eliminando el límite de concentración. Finalmente, la energía requerida para operar es baja debido a la ausencia de cambio de fase. De hecho, es menor en comparación con la necesaria en los procesos de destilación multiefecto (MED) y compresión mecánica de vapor (MVC). [ 20 ]
El principal inconveniente de la electrodiálisis es la limitación de la densidad de corriente; el proceso debe operarse a una densidad de corriente inferior a la máxima permitida. Esto se debe a que, a cierto voltaje aplicado, la difusión de iones a través de la membrana no es lineal, lo que provoca la disociación del agua y reduce la eficiencia de la operación. Otro aspecto a considerar es que, si bien se requiere poca energía para operar, cuanto mayor sea la concentración de sal en la alimentación, mayor será la energía necesaria. Finalmente, en el caso de algunos productos, debe tenerse en cuenta que la electrodiálisis no elimina microorganismos ni contaminantes orgánicos, por lo que es necesario un postratamiento. [ 20 ]
Véase también
Referencias
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Enlaces externos
Proveedores
- Thermo Scientific
- Laboratorios Spectrum
- Fisher Scientific
- EMD Millipore
- Sigma-Aldrich
- Aparatos de Harvard
- Productos de Filtración por Membrana, Inc.
- Métodos bioquímicos
- Tecnología de membranas