Diálisis (química)

En química, 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.

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 biológicas, 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. La diálisis también se utiliza comúnmente para estudios de intercambio de tampones y de unión de fármacos.

El concepto de diálisis fue introducido en 1861 por el químico escocés Thomas Graham. Usó esta técnica para separar solutos de sacarosa (molécula pequeña) y goma arábiga (molécula grande) en una solución acuosa. Llamó cristaloides a los solutos difusibles y coloides a aquellos que no pasaban la membrana.

Desde este concepto la diálisis se puede definir como un proceso de separación espontánea de partículas coloidales en suspensión de iones o moléculas disueltas de pequeñas dimensiones a través de una membrana semipermeable. Las membranas de diálisis más comunes están hechas de celulosa, celulosa modificada o polímero sintético (acetato de celulosa o nitrocelulosa).

Etimología

Diálisis deriva del griego διά, & #39;a través', y λύειν, 'aflojar&# 39;.

Principios

La diálisis es el proceso utilizado para cambiar la matriz de moléculas de una muestra diferenciando las moléculas por la clasificación de tamaño. Se basa en la difusión, que es el movimiento térmico aleatorio de moléculas en solución (movimiento browniano) que conduce al movimiento neto de moléculas desde un área de mayor concentración a una de menor concentración hasta que se alcanza el equilibrio. Debido al tamaño de los poros de la membrana, las moléculas grandes de la muestra no pueden atravesar la membrana, 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 obtendrán el equilibrio en todo el volumen de la solución, cambiando así la concentración general de estas moléculas en la muestra y el dializado (consulte la figura de diálisis a la derecha).

La ósmosis es otro principio que hace que la diálisis funcione. Durante la ósmosis, el fluido se mueve desde áreas de alta concentración de agua a áreas de menor concentración de agua a través de una membrana semipermeable hasta el equilibrio. En diálisis, el exceso de líquido pasa de la muestra al dializado a través de una membrana hasta que el nivel de líquido es el mismo entre la muestra y el dializado.

Finalmente, la ultrafiltración es el flujo convectivo de agua y soluto disuelto a favor de un gradiente de presión causado por fuerzas hidrostáticas o fuerzas osmóticas. En diálisis, la ultrafiltración elimina moléculas de desechos y exceso de líquido de la muestra.

Por ejemplo, la diálisis se produce cuando una muestra contenida en una bolsa de celulosa se sumerge en una solución de dializado. Durante la diálisis, se logra el equilibrio entre la muestra y el dializado, ya que solo las moléculas pequeñas pueden atravesar la membrana de celulosa, dejando atrás solo las partículas más grandes.

Una vez que se alcanza 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 nuevo (consulte el procedimiento a continuación), la difusión reducirá aún más la concentración de las pequeñas moléculas de la muestra.

La diálisis se puede utilizar para introducir o eliminar moléculas pequeñas de una muestra, porque las moléculas pequeñas se mueven libremente a través de la membrana en ambas direcciones. La diálisis también se puede utilizar para eliminar las sales. Esto hace que la diálisis sea una técnica útil para una variedad de aplicaciones. Consulte los tubos de diálisis para obtener información adicional sobre la historia, las propiedades y la fabricación de las membranas semipermeables utilizadas para la diálisis.

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. Tiene 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) dependiendo de los compuestos a separar. AEM permite el paso de aniones mientras obstruye el paso de cationes debido al rechazo de coiones y la preservación de la neutralidad eléctrica. Con las membranas de intercambio catiónico ocurre lo contrario.

Electrodiálisis

La electrodiálisis es un proceso de separación que utiliza membranas de intercambio iónico y un potencial eléctrico como fuerza motriz. Se utiliza principalmente para eliminar iones de soluciones acuosas. Hay tres procesos de electrodiálisis que se utilizan comúnmente: diálisis de Donnan, electrodiálisis inversa y electroelectrodiálisis. Estos procesos se explican a continuación.

Diálisis de Donnan

La diálisis de Donnan es un proceso de separación que se utiliza para intercambiar iones entre dos soluciones acuosas que están separadas por una membrana CEM o 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 provocará un flujo de cationes presentes en el lado menos ácido hacia el lado más ácido. El proceso finalizará cuando la variación de concentración de H⁺ sea del mismo orden de magnitud que la diferencia de concentración del catión separado.

Electrodiálisis inversa

La electrodiálisis inversa es una tecnología basada en membranas que obtiene electricidad a partir de la mezcla de dos corrientes de agua con diferentes salinidades. Comúnmente utiliza membranas de intercambio aniónico (AEM) y membranas de intercambio catiónico (CEM). Los AEM se utilizan para permitir el paso de aniones y obstruir el paso de cationes y los CEM se utilizan para hacer lo contrario. Los cationes y aniones en el agua de alta salinidad se mueven al agua de baja salinidad, los cationes pasan a través de los CEM y los aniones a través de los AEM. Este fenómeno se puede convertir en electricidad.

Electroelectrodiálisis

La electroelectrodiálisis es un proceso de electromembrana que utiliza tres compartimentos, que combina electrodiálisis y electrólisis. Se usa comúnmente para recuperar ácido de una solución mediante AEM, CEM y electrólisis. Los tres compartimentos están separados por dos barreras, que son las membranas de intercambio iónico. El compartimento del medio contiene el agua a tratar. Los compartimentos situados a los lados contienen agua limpia. Los aniones pasan por el AEM, mientras que los cationes pasan por el CEM. La electricidad crea H⁺ en los aniones' lado y OH⁻ en los cationes' lado, que reaccionan con los respectivos iones.

Procedimiento

Equipo

Separar moléculas en una solución mediante diálisis es un proceso relativamente sencillo. Además de la muestra y el tampón de dializado, normalmente todo lo que se necesita es:

• Membrana de diálisis en un formato adecuado (por ejemplo, tubo, casete, etc.) y corte de peso molecular (MWCO)
• Un contenedor para mantener el amortiguador de diálisis
• La capacidad de agitar las soluciones y controlar la temperatura

Protocolo general

Un procedimiento típico de diálisis para muestras de proteínas es el siguiente:

1. Preparar la membrana según instrucciones
2. Cargar la muestra en tubo de diálisis, cassette o dispositivo
3. Colocar la muestra en una cámara externa de amortiguación de diálisis (con agitación suave del búfer)
4. Diálisis durante 2 horas (a temperatura ambiente o 4 °C)
5. Cambia el amortiguador de diálisis y diálisis durante otras 2 horas
6. Cambia el amortiguador de diálisis y diálisis durante 2 horas o durante la noche

El volumen total de muestra y dializado determina la concentración de equilibrio final de las moléculas pequeñas en ambos lados de la membrana. Al utilizar el volumen adecuado de dializado y múltiples intercambios del tampón, la concentración de pequeños contaminantes dentro de la muestra se puede reducir a niveles aceptables o insignificantes. Por ejemplo, al dializar 1 ml de muestra frente a 200 ml de dializado, la concentración de sustancias dializables no deseadas disminuirá 200 veces cuando se alcance el equilibrio. Después de dos cambios adicionales de tampón de 200 ml cada uno, el nivel de contaminante en la muestra se reducirá en un factor de 8 x 10⁶ (200 x 200 x 200).

Optimización de variables y protocolos

Aunque dializar una muestra es relativamente simple, 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 de la diálisis es algo subjetivo y específico de la aplicación. Por lo tanto, es posible que sea necesario optimizar el procedimiento general.

Membranas de diálisis y MWCO

Las membranas de diálisis se producen y caracterizan según los límites de peso molecular (MWCO). Si bien están disponibles comercialmente membranas con MWCO que oscilan entre 1 y 1.000.000 kDa, las más comúnmente utilizadas son las membranas con MWCO cercanos a 10 kDa. El MWCO de una membrana es el resultado del número y tamaño medio de los poros creados durante la producción de la membrana de diálisis. El MWCO generalmente se refiere a la masa molecular promedio más pequeña de una molécula estándar que no se difundirá efectivamente a través de la membrana durante una diálisis prolongada. Por tanto, una membrana de diálisis con un MWCO de 10 K retendrá generalmente más del 90 % de una proteína que tenga una masa molecular de al menos 10 kDa.

Es importante tener en cuenta que el MWCO de una membrana no es un valor claramente definido. Las moléculas con masa cerca del límite MWCO de la membrana se difundirán a través de la membrana más lentamente que las moléculas significativamente más pequeñas que el MWCO. Para que una molécula se difunda rápidamente a través de una membrana, normalmente debe ser al menos de 20 a 50 veces más pequeña que la clasificación MWCO de una membrana. Por lo tanto, no es práctico separar una proteína de 30 kDa de una proteína de 10 kDa usando diálisis a través de una membrana de diálisis nominal de 20 K.

Las membranas de diálisis para uso en laboratorio generalmente están hechas de una película de celulosa regenerada o ésteres de celulosa. Consulte la referencia para una revisión de las membranas de celulosa y su fabricación.

Formatos de diálisis de laboratorio

La diálisis generalmente se realiza en bolsas de tubos de diálisis con clips o en una variedad de dializadores formateados. La elección del sistema de diálisis utilizado 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 generalmente el menos costoso que se utiliza para la diálisis en el laboratorio. El tubo se corta y se sella con un clip en un extremo, luego se llena y se sella con un clip en el otro extremo. Los tubos proporcionan flexibilidad, pero plantean mayores preocupaciones con respecto a la manipulación, el sellado y la recuperación de muestras. Los tubos de diálisis normalmente se suministran húmedos o secos en rollos o tubos telescópicos plisados.

Varios proveedores ofrecen una amplia variedad de dispositivos de diálisis (o dializadores). Los dializadores están diseñados para rangos de volumen de muestra específicos y brindan mayor seguridad de la muestra y mayor facilidad de uso y rendimiento para experimentos de diálisis con tubos. Los dializadores preformateados más comunes son las líneas de productos Slide-A-Lyzer, Float-A-Lyzer y Pur-A-lyzer/D-Tube/GeBAflex.

Aplicaciones

La diálisis tiene una amplia gama de aplicaciones. Estos 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 fuertes de soda caustica pueden ser purificadas de hemicelulosa por diálisis de difusión. Esto es específico para el proceso de viscosidad obsoleto. El primer paso en ese proceso es tratar la celulosa casi pura (capas de algodón o pulpa disuelve) con soluciones fuertes (17-20% w/w) de hidróxido de sodio (sodio caótico) en agua. Un efecto de ese paso es disolver los hemicelluloses (polímeros de baja MW). En algunas circunstancias, es conveniente eliminar tanto hemicelulosa como sea posible fuera del proceso, y eso se puede hacer utilizando diálisis.
• Los ácidos se pueden recuperar de soluciones acuosas utilizando membranas de cambio de anión. Ese proceso es un tratamiento alternativo de las aguas residuales industriales. Se utiliza para la recuperación de ácido mixto (HF+ HNO)₃), la recuperación y concentración de Zn²⁺ y Cu²⁺, en H₂SO₄+ CuSO₄ y H₂SO₄+ ZnSO₄ y la recuperación de H₂SO₄ de residuos soluciones de ácido sulfúrico que contienen iones Fe y Ni, que se producen en el proceso de fabricación de diamantes.
• Los desechos de Alkali se pueden recuperar utilizando diálisis de difusión debido a su bajo costo energético. La base NaOH se puede recuperar de la solución de grabado de aluminio aplicando una técnica desarrollada por Astom Corporation of Japan.
• La desalcoholización de la cerveza es otra aplicación de la diálisis de difusión. Teniendo en cuenta que se aplica un gradiente de concentración para esta técnica, el alcohol y otros compuestos de moléculas pequeñas transfieren a través de la membrana de concentraciones superiores a bajas, que es agua. Se utiliza para esta aplicación para las condiciones de bajo funcionamiento y la posibilidad de retirar el alcohol al 0,5%.

Electrodiálisis

A continuación se explican algunas aplicaciones de la electrodiálisis.

• La desalación del suero es la mayor área de uso para 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 producir diferentes alimentos como torta, pan, helado y alimentos para bebés. El límite de desmineralización de suero es casi el 90%.
• De-acidificación del jugo de frutas como uva, naranja, manzana y limón son procesos en los que se aplica la electrodialisis. Una membrana de cambio de anión se emplea en esta técnica que implica que los iones de citrato del jugo se extraen y reemplazan por iones de hidroxido.
• Desaltar la salsa de soja se puede hacer por electrodialisis. Los valores convencionales de la sal en salsa de soja elaborada son alrededor del 16-18 %, que es un contenido bastante alto. La electrodialisis se utiliza para reducir la cantidad de sal presente en la salsa de soja. Actualmente, las dietas de bajo contenido de sal están muy presentes en la sociedad.
• La electrodialisis permite la separación de aminoácidos en grupos ácidos, básicos y neutros. Específicamente, las proteínas de hoja citoplasmática se extraen de hojas de alfalfa aplicando electrodialisis. Cuando las proteínas son denaturizadas, las soluciones pueden ser desaladas (de K⁺ iones) y acidificado con H⁺ iones.

Ventajas y desventajas

La diálisis tiene ventajas y desventajas. Siguiendo la estructura del apartado anterior, se comentan los pros y los contras en función del tipo de diálisis utilizado. Las ventajas y desventajas de ambas, la diálisis por difusión y la electrodiálisis, se describen a continuación.

Diálisis por difusión

La principal ventaja de la diálisis por difusión es el bajo consumo de energía de la unidad. Esta técnica de membrana opera bajo presión normal y no tiene cambio de estado. En consecuencia, la energía necesaria se reduce significativamente, lo que reduce el coste operativo. También está el bajo costo de instalación, la fácil operación y la estabilidad y confiabilidad del proceso. Otra ventaja es que la diálisis por difusión no contamina el medio ambiente.

Una desventaja es que un dializador de difusión tiene una baja capacidad de procesamiento y una baja eficiencia de procesamiento. Existen otros métodos, como la electrodiálisis y la ósmosis inversa, que pueden lograr mejores eficiencias que la diálisis por difusión.

Electrodiálisis

El principal beneficio de la electrodiálisis es la alta recuperación, especialmente en la recuperación de agua. Otra ventaja es el hecho de que no se aplica alta presión, lo que implica que el efecto de incrustación no es significativo y, en consecuencia, no se requieren productos químicos para combatirlo. Además, la capa de incrustación no es compacta, lo que conduce a una mayor recuperación y a una larga 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 al no cambio de fase. De hecho, es menor en comparación con el necesario en los procesos de destilación multiefecto (MED) y compresión mecánica de vapor (MVC).

El principal inconveniente de la electrodiálisis es el límite de densidad de corriente, el proceso debe operarse a una densidad de corriente inferior a la máxima permitida. El hecho es que a un cierto voltaje aplicado la difusión de iones a través de la membrana no es lineal, lo que conduce a la disociación del agua, lo que reduciría la eficiencia de la operación. Otro aspecto a tener en cuenta es que aunque se requiere poca energía para funcionar, cuanto mayor sea la concentración de sal en la alimentación, mayor será la energía necesaria. Finalmente, en el caso de algunos productos, se debe considerar que la electrodiálisis no elimina microorganismos y contaminantes orgánicos, por lo que es necesario un postratamiento.