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Die seltsame Geschichte von Polyethylenglykol und Dextran: Warum trennen sich diese wasserlöslichen Verbindungen?
Das wässrige Zweiphasensystem (ABS), das aus der Kombination zweier wasserlöslicher Verbindungen, Polyethylenglykol (PEG) und Dextran (Dextran), besteht, ist zweifellos ein unverzichtbares Werkzeug in der Biotechnologie- und Chemieindustrie. Dieses System kann nicht nur verschiedene Biomoleküle effektiv trennen, sondern auch ohne diese zu beschädigen, was gute Voraussetzungen für Forschung und industrielle Anwendungen bietet.
Grundprinzipien wässriger Zweiphasensysteme
Wässrige Zweiphasensysteme bestehen aus zwei inkompatiblen wasserlöslichen Komponenten. Wenn diese Komponenten bei der entsprechenden Konzentration oder Temperatur gemischt werden, bilden sich zwei unterschiedliche Phasen. Diese Eigenschaft macht diese Systeme für Anwendungen in der Biochemie und im Ingenieurwesen äußerst wertvoll. Im 20. Jahrhundert entdeckten einige Wissenschaftler experimentell, dass bestimmte Polymere in Wasser eine Phasentrennung eingehen, wenn sie mit Salzen kombiniert werden, was den Weg für spätere wissenschaftliche Forschung ebnete.
Eigenschaften des PEG-DEX-Systems
PEG befindet sich in der oberen Schicht, obwohl es normalerweise dichter als Wasser ist. Dies liegt an den „lösungsmittelsortierenden“ Eigenschaften von PEG, die überschüssiges Wasser ausschließen und eine Wasserumgebung mit geringer Dichte schaffen können.
Im PEG-DEX-System ist die obere Schicht aus Polyethylenglykol weniger dicht als die untere Schicht aus Dextran. Dieses Phänomen hat viel mit seiner molekularen Struktur und seinen Wechselwirkungen zu tun. Die Verteilung zweier Moleküle im Wasser, bei denen es weniger wahrscheinlich ist, dass sie sich treffen, beeinflusst auch ihr Phasentrennungsverhalten, was wiederum die Komplexität dieser Systeme zeigt.
Vorteile wässriger Zweiphasensysteme
Wässrige Zweiphasensysteme haben viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Extraktionstechnologien mit organischen Lösungsmitteln:
- Vermeiden Sie die Verwendung flüchtiger organischer Verbindungen und reduzieren Sie die Umweltverschmutzung.
- Die Verwendung sanfter Extraktionsbedingungen verringert das Risiko einer Schädigung empfindlicher Biomoleküle.
- Der Phasengrenzflächendruck ist während des Extraktionsprozesses niedrig, wodurch Schäden an Zielmolekülen erheblich reduziert werden.
- Durch die Anpassung von Faktoren wie Temperatur und Polymerkonzentration kann die Trenneffizienz für bestimmte Verbindungen gezielt gesteigert werden.
Dadurch eignet sich die Technologie besonders für die Weiterverarbeitung in der Biotechnologie und spielt eine Schlüsselrolle bei der industriellen Produktion von Enzymen.
Thermodynamische Modellierung und ihre Bedeutung
Um Flüssigkeit-Flüssigkeit-Gleichgewichtsbedingungen in Technik und Design genau zu beschreiben und vorherzusagen, sind gute thermodynamische Modelle von entscheidender Bedeutung. Da diese Modelle die Komplexität der Wechselwirkung von Polymeren, Elektrolyten und Wasser in Polymer-/Salzsystemen widerspiegeln, müssen sie für praktische Anwendungen äußerst zuverlässig sein.
Verschiedene Modelle wie NRTL, Chen-NRTL usw. reproduzieren nachweislich erfolgreich die Schleppliniendaten von wässrigen Polymer/Salz-Zweiphasensystemen.
Genaue thermodynamische Parameter helfen Wissenschaftlern bei der Durchführung notwendiger Experimente und Designs, um die Wirksamkeit in industriellen Anwendungen sicherzustellen.
Anwendungsausblick
Mit der rasanten Entwicklung der Biotechnologie und verwandter Industrien wird das wässrige Zweiphasensystem aus Polyethylenglykol und Dextran zunehmend in Bereichen wie der Metallionentrennung und der Umweltsanierung eingesetzt. Daher erforschen Wissenschaftler weiterhin mögliche Anwendungen neuer Materialien und optimieren die Leistung ursprünglicher Systeme, was die Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit dieser Technologien weiter verbessern wird.
Wie wird sich unser Verständnis von Wasserphasen-Zweiphasensystemen wie auf dem Weg der wissenschaftlichen Forschung auf unsere zukünftige Technologie auswirken?
