En química , la 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 . [1]
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 de la vida, la aplicación más común de la diálisis es la eliminación de pequeñas moléculas no deseadas, como sales, agentes reductores o colorantes, de macromoléculas más grandes, como proteínas , ADN o polisacáridos . [2] La diálisis también se utiliza comúnmente para estudios de intercambio de tampones y unión de fármacos.
El concepto de diálisis fue introducido en 1861 por el químico escocés Thomas Graham . [3] Utilizó esta técnica para separar los solutos de sacarosa (molécula pequeña) y goma arábiga (molécula grande) en solución acuosa. A los solutos difusibles los llamó cristaloides y a los que no pasaban la membrana, coloides. [4]
A partir de este concepto, la diálisis puede definirse como un proceso espontáneo de separación 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). [5]
Diálisis deriva del griego διά , 'a través de', y λύειν , 'aflojar'. [3]
La diálisis es el proceso utilizado para cambiar la matriz de moléculas en una muestra diferenciando moléculas por la clasificación de tamaño. [6] [7] 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 concentración menor hasta que se alcanza el equilibrio. Debido al tamaño de poro de la membrana, las moléculas grandes en la muestra no pueden pasar a través de la membrana, lo que restringe su difusión desde la cámara de 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 (ver la figura de diálisis a la derecha).
La ósmosis es otro principio que hace que la diálisis funcione. Durante la ósmosis, el líquido se mueve desde áreas de alta concentración de agua a otras de menor concentración a través de una membrana semipermeable hasta alcanzar el equilibrio. En la diálisis, el exceso de líquido se mueve desde la muestra al dializado a través de una membrana hasta que el nivel de líquido es el mismo entre la muestra y el dializado.
Por último, la ultrafiltración es el flujo convectivo de agua y soluto disuelto a lo largo de un gradiente de presión causado por fuerzas hidrostáticas u osmóticas. En diálisis, la ultrafiltración elimina las moléculas de desechos y el exceso de líquidos de la muestra. [6] [7]
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 fresco (ver procedimiento a continuación), la difusión reducirá aún más la concentración de las moléculas pequeñas en la muestra.
La diálisis se puede utilizar para introducir o eliminar moléculas pequeñas de una muestra, ya que las moléculas pequeñas se mueven libremente a través de la membrana en ambas direcciones. La diálisis también se puede utilizar para eliminar 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.
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 la 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. La AEM permite el paso de aniones mientras que obstruye el paso de cationes debido al rechazo de co-iones y la preservación de la neutralidad eléctrica. Lo contrario ocurre con las membranas de intercambio catiónico. [8]
La electrodiálisis es un proceso de separación que utiliza membranas de intercambio iónico y un potencial eléctrico como fuerza impulsora. 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. [9]
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 + ) pasan a través de la membrana hacia el lado menos ácido. Esto induce un potencial eléctrico que provocará un flujo de los 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. [10]
La electrodiálisis inversa es una tecnología basada en membranas que obtiene electricidad de la mezcla de dos corrientes de agua con diferentes salinidades . Comúnmente se utilizan membranas de intercambio aniónico (AEM) y membranas de intercambio catiónico (CEM). Las AEM se utilizan para permitir el paso de aniones y obstruir el paso de cationes y las 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 las CEM y los aniones a través de las AEM. Este fenómeno se puede convertir en electricidad. [11]
La electrodiálisis es un proceso de electromembrana que utiliza tres compartimentos, que combina la electrodiálisis y la electrólisis . Se utiliza comúnmente para recuperar ácido de una solución utilizando AEM, CEM y electrólisis. Los tres compartimentos están separados por dos barreras, que son las membranas de intercambio iónico. El compartimento del medio tiene el agua a tratar. Los compartimentos ubicados a los lados contienen agua limpia. Los aniones pasan a través de la AEM, mientras que los cationes pasan a través de la CEM. La electricidad crea H + en el lado de los aniones y OH − en el lado de los cationes, que reaccionan con los iones respectivos. [9]
La separación de moléculas en una solución mediante diálisis es un proceso relativamente sencillo. Aparte de la muestra y el tampón de dializado, normalmente lo único que se necesita es:
Un procedimiento típico de diálisis para muestras de proteínas es el siguiente:
El volumen total de la muestra y del 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 realizar múltiples cambios del tampón, la concentración de contaminantes pequeños 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 se reducirá 200 veces cuando se alcance el equilibrio. Después de dos cambios adicionales del tampón de 200 ml cada uno, el nivel de contaminantes en la muestra se reducirá en un factor de 8 x 10 6 (200 x 200 x 200).
Aunque dializar una muestra es relativamente sencillo, no se puede proporcionar un procedimiento de diálisis universal para todas las aplicaciones debido a las siguientes variables:
Además, el resultado final de la diálisis es algo subjetivo y específico de la aplicación. Por lo tanto, el procedimiento general podría requerir una optimización.
Las membranas de diálisis se producen y caracterizan de acuerdo con los límites de corte de peso molecular (MWCO). Si bien las membranas con MWCO que van desde 1 a 1 000 000 kDa están disponibles comercialmente, las membranas con MWCO cerca de 10 kDa son las más utilizadas. El MWCO de una membrana es el resultado de la cantidad y el tamaño promedio 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 de manera efectiva a través de la membrana durante una diálisis prolongada. Por lo tanto, una membrana de diálisis con un MWCO de 10 K generalmente retendrá más del 90 % de una proteína que tenga una masa molecular de al menos 10 kDa. [12] [13]
Es importante tener en cuenta que el MWCO de una membrana no es un valor definido con precisión. Las moléculas con masa cercana al límite del 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 el valor del MWCO de una membrana. Por lo tanto, no es práctico separar una proteína de 30 kDa de una proteína de 10 kDa mediante diálisis a través de una membrana de diálisis con valor nominal de 20 K.
Las membranas de diálisis para uso en laboratorio suelen estar hechas de una película de celulosa regenerada o ésteres de celulosa. Véase la referencia para una revisión de las membranas de celulosa y su fabricación. [14]
La diálisis se realiza generalmente en bolsas de tubos de diálisis sujetadas con pinzas o en dializadores de distintos formatos. La elección del equipo 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, por lo general, el menos costoso que se utiliza para la diálisis en el laboratorio. Los tubos se cortan y se sellan con una pinza en un extremo y luego se llenan y se sellan con una pinza en el otro extremo. Los tubos brindan flexibilidad, pero plantean mayores preocupaciones en cuanto a su manipulación, sellado y recuperación de la muestra. Los tubos de diálisis generalmente se suministran húmedos o secos en rollos o tubos telescópicos plisados.
Hay una amplia variedad de dispositivos de diálisis (o dializadores) disponibles de varios proveedores. 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 Slide-A-Lyzer, Float-A-Lyzer y las líneas de productos Pur-A-lyzer/D-Tube/GeBAflex Dialyzers.
La diálisis tiene una amplia gama de aplicaciones. Estas pueden dividirse en dos categorías según el tipo de diálisis utilizado.
A continuación se explican algunas aplicaciones de la diálisis por difusión.
A continuación se explican algunas aplicaciones de la electrodiálisis.
La diálisis tiene ventajas y desventajas. Siguiendo la estructura del apartado anterior, se comentan las ventajas y desventajas en función del tipo de diálisis utilizado. A continuación se describen las ventajas y desventajas tanto de la diálisis por difusión como de la electrodiálisis.
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 requerida se reduce significativamente, lo que reduce el costo 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. [8]
Una desventaja de un dializador de difusión es que tiene una capacidad de procesamiento baja y una eficiencia de procesamiento baja. Existen otros métodos, como la electrodiálisis y la ósmosis inversa, que pueden lograr mejores eficiencias que la diálisis de difusión. [8]
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 ensuciamiento no es significativo y, en consecuencia, no se requieren productos químicos para combatirlo. Además, la capa de ensuciamiento 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 a la falta de cambio de fase. De hecho, es menor en comparación con la necesaria en los procesos de destilación de efecto múltiple (MED) y compresión mecánica de vapor (MVC). [20]
El principal inconveniente de la electrodiálisis es el límite de densidad de corriente, el proceso debe operarse a una densidad de corriente menor que la máxima permitida. El hecho es que a cierto voltaje aplicado la difusión de iones a través de la membrana no es lineal dando lugar 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 operar, cuanto mayor sea la concentración de sal en la alimentación, mayor será la energía necesaria. Finalmente, en el caso de algunos productos, hay que considerar que la electrodiálisis no elimina microorganismos y contaminantes orgánicos, por lo que es necesario un post-tratamiento. [20]