بخشی از مقاله
خلاصه :
سیستم دوفازی آبی به عنوان یک روش استخراج مایع-مایع، روشی ارزشمند برای جداسازی و خالص سازی مولکول های زیستی ، فلزات سنگین، یونهای فلزی و غیره مطرح شده است. جداسازی در سیستم های دوفازی آبی یک فرآیند ایده آل است که تغلیظ و خالص سازی نسبی را در یک مرحله انجام می دهد. این روش می تواند بسیار انتخاب پذیر باشد، هم چنین برای فرآیندهای پیوسته و مقیاس صنعتی مناسب است. تأثیر پذیری این سیستم ها از پارامتر های متعدد، عدم پیش بینی رفتار آنها و تداخل این پارامترها، پیچیدگی این سیستم ها را بیشتر و استفاده از آنها را در مقیاس صنعتی محدود کرده است.
همچنین کمبود داده های تعادل فازی و خواص فیزیکی سیستم های دو فازی آبی یکی از بزرگترین مشکلات در طراحی این سیستم ها می باشد، به همین خاطر در این تحقیق خواص فیزیکی شامل: ویسکوزیته، دانسیته، ضریب شکست و ضریب هدایت الکتریکی سیستم دو فازی آبی پلی وینیل پیرولیدن PVP K30 و نمک فسفات پتاسیم اندازه گیری شده است. در خاتمه از روابط ریاضی جهت ارتباط بین خواص فیزیکی اجزاء با درصد وزنی هر جزء، با دقت بالا و خطای بسیار کم استفاده شده است.
کلمات کلیدی : سیستم دوفازی آبی، استخراج مایع-مایع، پلی وینیل پیرولیدن، خواص فیزیکی، ویسکوزیته، دانسیته.
.1 مقدمه :
طراحی ایمن و بی خطر برای محیط در مورد روش های جداسازی، نقش مهمی در توسعه فرآیندهای مهندسی دارد. ازین رو استخراج مایع-مایع اغلب از روش های مورد علاقه مهندسان شیمی و فرآیند برای فرآیندهای جداسازی است.[1-3] در نیم قرن گذشته، محققان توجه ویژهای را به سیستمهای استخراج مایع- مایع جهت بازیابی و خالصسازی بیومولکول ها معطوف نمودهاند. روش های استخراج مایع- مایع متداول ,شامل استفاده از حلالهای آلی است، که برای بازیابی بیومولکولها مناسب نمیباشند، زیرا این مولکولها در مواد آلی حل نمیشوند و نیز اکثرا" این مواد باعث تغییر ماهیت آنها میگردند.[4]در این بین سیستم های دو فازی آبی که با استفاده از ترکیب دو پلیمر ناسازگار یا یک پلیمر و نمک در آب، تشکیل می شوند، اهمیت ویژه ای در سالهای اخیر پیدا کرده اند.[5-9]
در حال حاضر این سیستم ها به دلیل مزایایی که دارند به عنوان یک روش مفید مورد استفاده قرار می گیرند. برخی ازین مزایای متعدد از جمله : سازگاری بیولوژیکی، سهولت در تداوم فرآیند، کشش سطحی کم، کم بودن زمان فرآیند، پائین بودن هزینه مواد، مصرف انژی پائین، دقت خوب، عملکرد بالا، استخراج گزینشی، جداسازی یونهای فلزی و یک روش مناسب برای جداسازی مواد مختلف بیولوژیکی مانند پروتئین های نوترکیب و آنزیم هاست. مثالی از این سیستم مخلوط دکستران و پلی اتیلن گلایکول می باشد که ازنظر گزینش پذیری بهترین سیستم است ولی برای افزایش مقیاس در مقیاس صنعتی خیلی گران قیمت است.
بنابراین از مواد دیگری بجای دکستران استفاده می شود که از برجسته ترین ماده اقتصادی هیدروکسی پروپیل ازمشتقات نشاسته و دکستران خام می باشد. هر چند این تاثیر این جایگزینی ها کم بوده و اضافه کردنشان دارای معایبی چون تشکیل محلول هایی با ویسکوزیتهُ بالا است. سیستمهای دو فازی آبی مزیتهای زیادی نسبت به سایر روشهای متداول استخراج دارند. سیستمهای دو فازی آبی در محدوده وسیعی از pH پایدار هستند. با توجه به وجود درصد زیاد آب در هر دو فاز % 90 - 70 - وزنی - ، این سیستمها یک محیط ملایم جهت مولکولهای حیاتی به شمار میآیند. تنش سطحی در سطح مشترک دو فاز نسبتا" کم است 0/0001 -0/1 dyne/cm - در مقایسه با 1 -20 dyne/cm در سیستمهای آب-حلالهای آلی - و در نتیجه انتقال جرم بین دو فاز به سادگی و در زمان نسبتا" کوتاه صورت میگیرد. به علاوه پلیاتیلنگلیکول دارای خاصیت تثبیتیکنندگی بر ساختار و فعالیت بیولوژیکی مولکولهای حیاتی میباشد.
به همین دلیل سیستمهای دو فازی آبی ابزار قوی جهت جداسازی طیف وسیعی از بیومولکولها شامل سلولهای حیوانی و نباتی، میکروارگانیسمها، باکتریها، قارچها، ویروسها، پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک و غیره میباشند.[10-15]اندازه گیری خواص فیزیکی سیستم های دوفازی آبی به منظور طراحی های صنعتی بسیار حائز اهمیت است. ازین رو محققان در این زمینه تحقیقاتی انجام داده اند که برخی ازین تحقیقات مطرح شده است، تابودا و همکاران - 2005 - جرم حجمی، هدایت الکتریکی، ضریب شکست و ترکیب پلی اتیلن گلایکول 4000 با نمک کلرید پتاسیم و یا کلرید سدیم در دمای 298/15 کلوین و دادههای تعادلی مایع- مایع سیستم سه جزئی پلی اتیلن گلایکول + 4000 نمک کلرید پتاسیم + آب، و پلی اتیلن گلایکول 4000 با نمک کلرید سدیم را در دماهای 298/15 و 333/15 کلوین و سیستم چهارجزئی پلی اتیلن گلایکول + 4000 نمک کلرید پتاسیم + کلرید سدیم + آب، در دمای 298/15 کلوین اندازه گیری نمودند.[16]
کالیوانی و همکاران - 2012 - جرم حجمی و گرانروی مخلوط دو و سه جزئی سیستم دو فازی آبی پلی اتیلن گلایکول 2000 و سیترات هیدروژن دی آمونیوم در دماهای 298/15، 303/15، 308/15، 313/15 و 318/15 را مورد برر سی قرار داده و نشان دادهاند که در همهی دماها، رابطه خطی بین جرم حجمی با جز وزنی پلیمر و نمک دارد و همچنین گرانروی سیستم پلی اتیلن گلایکول 2000 و نمک سیترات هیدروژن دی آمونیوم در هر دمایی رابطه غیرخطی با جز وزنی دارد. ن سبت حجم فاز، طول خطوط رابط، اختلاف جرم حجمی بین فازها با افزایش غلظت پلی اتیلن گلایکول و افزایش دما برای یک غلظت مشخص از پلیمر و نمک، افزایش مییابد. جرم حجمی با افزایش غلظت پلیمر و نمک، افزایش و با افزایش دما، کاهش مییابد.
گرانروی سیستم دو جزئی و سه جزئی با افزایش دما کاهش و با افزایش غلظت پلیمر و نمک، افزایش مییابد.[17] پرومالسامی و ماروگسان - 2009 - جرم حجمی و گرانروی محلول آبی پلی اتیلن گلایکول 4000 - درصد وزنی - %50-5 را در د ما های 298/15، 303/15، 308/15، 313/15 و 318/15 کلوین ا ندازه گیری نمود ند. راب طه خطی بین دانسیته و جزء وزنی پلیمر و رابطهایی غیر خطی بین گرانروی و جزء وزنی پلیمر برای همه دماها مشاهده شده است. جرم حجمی، گرانروی و تعادل مایع- مایع سیستم دوفازی آبی پلی اتیلن گلایکول 4000 و نمک سیترات سدیم در دماهای 298/15، 308/15 و 318/15 اندازه گیری و رابطه سازی شده است.
ناحیه دو فازی با افزایش دما گسترش یافت. طول خطوط رابط با افزایش دما و غلظت پلی اتیلن گلایکول، افزایش یافت و شیب خطوط رابط با افزایش دما، افزایش یافت. اختلاف جرم حجمی بین دو فاز و گرانروی فاز بالا با افزایش دما، کاهش و با افزایش طول خطوط رابط، افزایش مییافت و رابطهایی خطی مابین اختلاف جرم حجمی بین دو فاز و گرانروی فاز بالا، با طول خط رابط مشاهده شد.[18]پلی وینیل پرولیدون اخیرا ، به عنوان یک پلیمر محلول در آب، با نمک مناسب میتواند سیستمهای دوفازی آبی تشکیل دهد که در تولید صنعتی، پزشکی و داروسازی استفاده شود. پلی وینیل پیرولیدون ممکن است به طور گستردهای برای استخراج دو فازی آبی به دلیل سازگاری زیستی، پایداری و ارزانی آن، مورد استفاده قرار گیرد.
اگرچه پلی وینیل پیرولیدون به جهت اهمیت محلولهای پلیمری و توانایی تشکیل دو فاز باعث ایجاد اشتیاق در بین محققین گردیده است، اما تحقیقات آزمایشگاهی بسیار کمی در مورد نمودار فازی، دادههای تعادل مایع- مایع و خواص فیزیکی محلولهای پلیمر- پلیمر و پلیمر- نمک آن، وجود دارد. درمورد سیستم پلی وینیل پیرولیدون - نمک، همه گزارشها درمورد اثر دما روی منحنی باینودال بوده و مطالعات در زمینه اثر pH به ندرت دیده میشود[19,20]، به همین دلیل بررسی این موضوع برای دانشمندان و محققان امروزی بسیار حائز اهمیت است. ولی متاسفانه داده های خواص فیزیکی برای سیستم مذکور بسیار کم است، ازین رو در تحقیق حاضر خواص فیزیکی سیستم دو فازی آبی پلی وینیل پیرولیدن و نمک فسفات پتاسیم به صورت سیستم های دو جزئی - آب- پلیمر - ، - آب- نمک - سه جزئی - پلیمر- آب- نمک - اندازه گیری شده است.
.2 ارزیابی تجربی :
.2-1 مواد مورد استفاده :
پلی وینیل پیرولیدن K30 با جرم مولکولی متوسط 40000 −1 به عنوان پلیمر، پتاسیم فسفات - anhydrous GR > 99% for analysis - به عنوان نمک، سدیم هیدروکسید - NaOH; mass purity > 0.99% - و سولفوریک اسید - 95-97% H2SO4, GR > 95.0% for analysis - برای تنظیم pH، این مواد از شرکت Merck - Darmstadt, Germany - بدون خالص سازی مجدد مورد استفاده قرار گرفته شده است. برای محلول سازی از آب مقطر دوبار تقطیر استفاده شده است و همچنین تمام مواد دیگر مورد استفاده دارای خلوص بالا می باشند.
.2-2 روش ها و دستگاهها :
مواد را با استفاده از ترازوی دیجیتالی مدل - A&D., Japan, model GF300 - با دقت ±10−4 وزن کرده و از آب مقطر دوبار تقطیر برای ساخت محلول های دوتایی - پتاسیم فسفات + آب - و - پلی وینیل پیرولیدن + آب - و محلول سه تایی
