بخشی از مقاله
خلاصه :
سیستم دو فازی آبی با استفاده از ترکیب دو پلیمر ناسازگار و یا یک نمک و یک پلیمر در آب تشکیل می شود که 75 تا 90٪ محلول آب می باشد. این پدیده در بیوتکنولوژی برای جداسازی محصول بسیار مفید است و همچنین دارای مزایایی بیشتر از روش استخراج با استفاده از حلال های آلی معمولی است. کمبود داده های تعادل فازی و خواص فیزیکی سیستم های دوفازی آبی و همچنین 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، ازین رو در این تحقیق داده های تعادلی سیستم دو فازی آبی نمک-پلیمر شامل پلیمر، پلی وینیل پرولیدن K30 با وزن مولکولی 60000 و نمک فسفات پتاسیم و آب را استخراج کرده و به رسم نمودار تعادل فازی سیستم دوفازی آبی پلی وینیل پرولیدن+ نمک فسفات پتاسیم + آب در pH های مختلف 7,54 - ، 8,05و - 9,47 پرداخته و اثر تغییر pH برروی منحنی باینودال و خطوط رابط سیستم فوق الذکر بررسی شده است و همچنین داده های منحنی فازی و خطوط رابط را با معادلات ریاضی مانند مرچاک، اثمار تابیاس و بن کرافت مورد ارزیابی قرار داده شده است.
کلمات کلیدی : سیستم دوفازی آبی، پلی وینیل پیرولیدن، نمودار فازی، خطوط رابط.
.1 مقدمه :
امروزه سیستمهای دو فازی آبی بصورت وسیعی در فرآیندهای جداسازی و خالصسازی مورد استفاده قرار میگیرند. چنین سیستمهایی برای نخستین بار توسط بیجرینیک1 در سال 1896 بررسی گردید. او مشاهده نمود در صورتی که محلولهای آبی ژلاتین و آگار و یا ژلاتین و نشاسته با یکدیگر مخلوط گردند، یک مخلوط کدر ایجاد میگردد که پس از مدت زمانی به دو فاز مایع تقسیم میشود. اکثر آگار - یا نشاسته - در فاز بالا و اکثر ژلاتین در فاز پائین تجمع مینمایند. همچنین آلبرتسون2 در سال 1958 برای نخستین بار بصورت سیستماتیک از سیستمهای دو فازی آبی جهت جداسازی بیومولکولها استفاده نمود.
آلبرتسون نشان داد که میتوان میکروارگانیسمها، دیواره سلولها و سایر بیومولکولها را بصورت انتخابی بین دو فاز توزیع نمود. او همچنین اثر پارامترهای مختلف را بر این توزیع بررسی نمود. این کار پایه لازم جهت بکارگیری سیستم دوفازی آبی در جداسازی و خالصسازی بیومولکولها را ایجاد نمود. آلبرتسون همچنین نشان داد که توزیع پروتئینها بین دو فاز یک فرآیند برگشتپذیر است و میتوان این توزیع را با تغییر ترکیب نمک در سیستم دو فازی تغییر داد. سیستم های دوفازی آبی در استخراج مایع - مایع برای جداسازی محصولات بیولوژیک از مخلوط های پیچیده بسیار مفید می باشد. میتوان سیستمهای دو فازی مایع- مایع را با استفاده از محلول دو پلیمر یا یک پلیمر و نمک نیز تهیه نمود.
هنگامی که پلیمری، مانند پلیاتیلنگلایکول - 1 - PEG ، با یک پلیمر دیگر، مانند دکستران2، و یا یک نمک با غلظت مشخص مخلوط گردند، دو فاز غیر قابل حل در یکدیگر بدست میآید که غلظت اجزا در این فازها متفاوت هستند. این دو فاز در حال تعادل با یکدیگر میباشند. یکی از فازها غنی از یکی از پلیمرها و فاز دیگر غنی از پلیمر دیگر - یا نمک - میباشد. به عبارت دیگر، این سیستم شامل دوسیال امتزاج ناپذیر در تودهُ حلال آب می باشد، درصد آب در هر دو فاز %75- 90 w/w می باشد. میتوان با تغییر در خواص سیستم کاری کرد که نوع بخصوصی از تقابل بین اجزا غالب گردیده و توزیع مورد نظر بدست آید.
از سوی دیگر تعدد پارامترهای موثر در تفکیک اجزا باعث برتری و توانمندی این سیستمها در مقایسه با سایر روشهای شناخته شده جداسازی مانند سانتریفیوژ، الکتروفورز3 و ... میگردد و اجازه تفکیک ساده مولکول ها و اجزا مورد نظر از یکدیگر را میدهد.[1] کمبود داده های تعادل تعادل فازی و اهمیت این داده ها در طراحی های صنعتی باعث افزایش اهمیت این موضوع شده به همین دلیل برخی از محققان در این زمینه تحقیقاتی انجام داده اند، زعفرانی و صلابت داده های تعادلی مایع-مایع را برای سیستم های 425 + 4 + 2 و 425 + - 4 - 2 4 + 2 تعیین کردند. همچنین در سال 2004، دانسیته، ویسکوزیته و ترکیب فاز را برای سیستم مذکور در دمای 298.15 گزارش کردند[2]، کاستا و همکاران - 2015 - ، دادههای تعادلی سیستم دو فازی آبی پلی اتیلن گلایکول 1000 - و - - 4000 سیترات سدیم را در مقادیر 5/5 pH، 6/5 و 7/5 در دمای ثابت 25°C بدست آوردند.
آنها نشان دادند که افزایش وزن مولکولی پلیمر باعث گستردهتر شدن ناحیه دو فازی میگردد. چنین اثری با افزایش pH در سیستم مربوطه نیز مشاهده شده است[3] ، صلابت طی تحقیقی اثر نمک را بر نسبت اجزای سازنده در سیستمهای دو فازی آبی بررسی کرد. وی در این کار از پلی اتیلن گلایکول با جرم مولکولی متوسط 6000 استفاده کرد و تأثیر نمکهای منیزیم سولفات، آمونیم سولفات و سدیم سولفات را مطالعه نمود و قدرت رسوب دهی با نمک، مربوط به نمکها را در این سیستم به دست آورد که بر حسب کاتیون به این ترتیب Mg2+ > Na+ > NH4+ ارائه شدند. در این تحقیق مشاهده شد که منیزیم سولفات نسبت به دو نمک دیگر، منحنی باینودال را بیشتر به سمت غلظتهای پایین پلیمر میبرد.[4]
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 وپلیمر- 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[5,6]، به همین دلیل بررسی این موضوع برای دانشمندان و محققان امروزی بسیار حائز اهمیت است و برخی از کارهایی که در این زمینه صورت گرفته، فدیچوا و همکاران - 2007 - دادههای تعادل مایع- مایع برای سیستم دو فازی آبی پلی وینیل پیرولیدون با وزنهای مولکولی مختلف K17 - 3882 - ، K30 - 17750 - و K90 - 138600 - و سولفات سدیم در دماهای 298 و 338 کلوین را اندازه گیری نمودهاند. اثر دما بر ناحیه دو فازی بسیار کم میباشد، اما وزن مولکولی پلیمر روی دامنه غلظتی ناحیه تک فازی تأثیر دارد[7] ، . صلابت و همکاران - 2006 - دادههای تعادل فازی سیستم دو فازی آبی پلی وینیل پیرولیدون - K15 - با وزن مولکولی متوسط 10000 و نمک سولفات منیزیم در دماهای 298/15، 303/15 و 308/15 اندازه گیری نمودهاند.
وقتی دما از 298/15 تا 308/15 افزایش پیدا نموده است، تغییری در مکان منحنی باینودال مشاهده نشده است. به عبارت دیگر وقتی دما از 305/15 بالاتر رود، مکان منحنی باینودال تغییر میکند. [8]، زعفرانی معطر و زعفرانلو - 2009 - دادههای تعادل فازی سیستم دو فازی آبی پلی وینیل پیرولیدون - K12 - با وزن مولکولی متوسط 3500 و نمک دی پتاسیم اگزالات یا نمک دی پتاسیم تارتارات در دماهای 298/15، 308/15 و 318/15 اندازه گیری نمودهاند. معادله مرچاک برای رابطه سازی منحنی باینودال و چند معادله ریاضی تجربی، برای مدل کردن نقاط خطوط رابط به کار برده شده است، که در هر دما، مقادیر تجربی و مدل، توافق خوبی داشته است.
ضمن اینکه آنها نشان دادهاند که دما بر منحنی باینودال اثر بسیار کمی داشته است و شیب و طول خطوط رابط با افزایش دما، افزایش داشته است[9]، معصومه فروتن و مونا ضرابی در سال 2008 تأثیر دما و PH را بر روی فعالیت سیستم تعادلی آب + پلی وینیل پرولیدن + نمک - NH4 - 2HPO4/ - NH4 - H2PO4 مورد بررسی قرار دادند[10]، به دلیل کمبود تحقیقات انجام شده برای پلی وینیل پیرولیدن و مزایای این پلیمر در این تحقیق داده های تعادلی سیستم دو فازی آبی نمک-پلیمر شامل پلیمر، پلی وینیل پرولیدن K30 با وزن مولکولی 60000 و نمک فسفات پتاسیم و آب را استخراج کرده و به رسم نمودار تعادل فازی سیستم دوفازی آبی پلی وینیل پرولیدن+ نمک فسفات پتاسیم + آب در pH های مختلف 7,54 - ، 8,05و - 9,47 پرداخته و اثر تغییر pH برروی منحنی باینودال و خطوط رابط سیستم فوق الذکر بررسی شده است و همچنین داده های منحنی فازی و خطوط رابط را با معادلات ریاضی مانند مرچاک، اثمار تابیاس و بن کرافت مورد ارزیابی قرار داده 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
