Sistema acuoso bifásico

sistemas bifásicos acuosos (ABS) o los sistemas bifásicos acuosos (ATPS) son alternativas limpias para sistemas tradicionales de extracción con disolventes de agua orgánica.

El ABS se forma cuando se mezclan dos polímeros, un polímero y una sal cosmotrópica, o dos sales (una sal caotrópica y la otra una sal kosmotrópica) en concentraciones apropiadas o a una temperatura particular. Las dos fases están compuestas mayoritariamente por agua y componentes no volátiles, eliminando así los compuestos orgánicos volátiles. Se han utilizado durante muchos años en aplicaciones biotecnológicas como medios de separación benignos y no desnaturalizantes. Recientemente, se ha descubierto que el ATPS se puede utilizar para separaciones de iones metálicos como mercurio y cobalto, nanotubos de carbono, remediación ambiental, aplicaciones metalúrgicas y como medio de reacción.

Introducción

En 1896, Beijerinck notó por primera vez una 'incompatibilidad' en soluciones de agar, un polímero soluble en agua, con almidón o gelatina soluble. Al mezclarse, se separaron en dos fases inmiscibles.

La investigación posterior condujo a la determinación de muchos otros sistemas bifásicos acuosos, de los cuales el sistema polietilenglicol (PEG) - dextrano es el más estudiado. Otros sistemas que forman bifases acuosas son: PEG - carbonato de sodio o PEG y fosfatos, citratos o sulfatos. Los sistemas bifásicos acuosos se utilizan durante el procesamiento posterior principalmente en las industrias biotecnológica y química.

Las dos fases

Es una observación común que cuando se vierte aceite y agua en el mismo recipiente, se separan en dos fases o capas, porque son inmiscibles. En general, las soluciones acuosas (o a base de agua), al ser polares, son inmiscibles con disolventes orgánicos no polares (aceite de cocina, cloroformo, tolueno, hexano, etc.) y forman un sistema de dos fases. Sin embargo, en un ABS, ambos componentes inmiscibles son a base de agua.

La formación de las distintas fases se ve afectada por el pH, la temperatura y la fuerza iónica de los dos componentes, y la separación se produce cuando la cantidad de polímero presente excede una cierta concentración límite (que está determinada por los factores anteriores).

Sistema PEG-dextrano

La "fase superior" está formado por polietilenglicol (PEG), más hidrofóbico, que tiene menor densidad que la "fase inferior". que consiste en una solución de dextrano más hidrófila y más densa.

Aunque el PEG es inherentemente más denso que el agua, ocupa la capa superior. Se cree que esto se debe a su 'ordenación' propiedades, que excluye el exceso de agua, creando un ambiente de agua de baja densidad. El grado de polimerización del PEG también afecta la separación de fases y el reparto de moléculas durante la extracción.

Ventajas

El ABS es un método excelente para la extracción de proteínas/enzimas y otras biomoléculas lábiles a partir de extractos celulares crudos u otras mezclas. Muy a menudo, esta técnica se emplea en la tecnología de enzimas durante la producción industrial o de laboratorio de enzimas.

• Proporcionan condiciones leves que no dañan o desnaturalizan biomoléculas inestables/labiles
• El estrés interfacial (en la interfaz entre las dos capas) es mucho menor (400 veces menos) que los sistemas de disolventes orgánicos de agua utilizados para la extracción de solventes, causando menos daño a la molécula para ser extraída
• La capa de polímero estabiliza las moléculas de proteínas extraídas, favoreciendo una mayor concentración de la proteína deseada en una de las capas, dando lugar a una extracción efectiva
• Los sistemas especializados pueden desarrollarse (por diferentes factores como la temperatura, el grado de polimerización, la presencia de ciertos iones, etc.) para favorecer el enriquecimiento de un compuesto específico, o la clase de compuestos, en una de las dos fases. A veces se utilizan simultáneamente con resinas ion-exchange para una mejor extracción
• La separación de las fases y la partición de los compuestos ocurre rápidamente. Esto permite la extracción de la molécula deseada antes de que las proteas endógenas puedan degradarlas.
• Estos sistemas son amenibles a las escalas, desde las configuraciones de tamaño de laboratorio hasta aquellas que puedan manejar los requisitos de producción industrial. Pueden ser empleados en procesos continuos de extracción de proteínas.

La especificidad se puede aumentar aún más etiquetando ligandos específicos de la enzima deseada en el polímero. Esto da como resultado una unión preferencial de la enzima al polímero, aumentando la eficacia de la extracción.

Sin embargo, una desventaja importante es el costo de los materiales involucrados, es decir, los dextranos de alta pureza empleados para este propósito. Sin embargo, también están disponibles otras alternativas de bajo costo, como dextranos menos refinados, derivados de hidroxipropil almidón y soluciones con alto contenido de sal.

Modelado termodinámico

Además del estudio experimental, es importante tener un buen modelo termodinámico para describir y predecir las condiciones de equilibrio líquido-líquido en ingeniería y diseño. Para obtener parámetros globales y confiables para modelos termodinámicos, generalmente, los datos de equilibrio de fases son adecuados para este propósito. Como hay polímeros, electrolitos y agua en los sistemas polímero/sal, se deben tener en cuenta todos los diferentes tipos de interacciones. Hasta el momento se han utilizado varios modelos como NRTL, Chen-NRTL, Wilson, UNIQUAC, NRTL-NRF y UNIFAC-NRF. Se ha demostrado que, en todos los casos, los modelos mencionados tuvieron éxito en reproducir datos de líneas de unión de sistemas bifásicos acuosos de polímero/sal. En la mayoría de los trabajos anteriores se han utilizado funciones de Gibbs en exceso para el modelado.