Грубодисперсні системи

розмір частинок дисперсної фази: 10^-2 – 10^–5см;

розмір частинок дисперсійного середовища: 10^–8 см.

Загальна характеристика

• гетерогенні (мікрогетерогенні);

• термодинамічно нестійкі (розшарування, седиментація);

• частинки дисперсної фази спостерігають в мікроскоп або неозброєним оком;

• відокремлення дисперсної фази від дисперсійного середовища – фільтруванням через паперовий (скляний) фільтри, центрифугуванням.

Наявність стабілізатора –обов’язкова.

Належать: емульсії, суспензії, піни, пасти, порошки, аерозолі

Методи диспергування (диспергаційні) – подрібнення великих частинок грубої зависі та суспензії до колоїдної дисперсності.

• механічне диспергування ‑ шарові та планетарні млини (грубе диспергування до частинок розміром 10^-4-10^-5м), вібромлини і колоїдні млини (тонкий помел). Одержання: крохмаль, прянощі, кава, фармацевтичні препарати, фарби, змащувальні матеріали;

• електричне диспергування – електроди, виготовлені з диспергованого металу, занурюють у воду, випаровують у вольтовій дузі, при конденсації парів утворюється колоїдна система. Умови процесу: І=5-10А, U=100В (висока температура –окислення металів, спалахування органічних рідин). Одержання: гідрозолі благородних металів Ag, Au, Pt.

• диспергування ультразвуком (акустичні методи) – використання напрямленого ультразвукового поля. Диспергування відбувається внаслідок кавітаційного руйнування (чергування стиснень і розріджень, утворення та зникнення пустот), ν=20000 за 1с (частота коливань).

Одержання: високодисперсних емульсій і суспензій для внутрішньовенного введення, стерилізація колоїдних розчинів, сірка, графіт, фарби, ртуть, свинець, каучук, крохмаль, желатин.

Пептизація – дезагрегація частинок осаду розпушеної структури, між якими є прошарок дисперсійного середовища. Відбувається під впливом дисперсійного середовища. Підлягають тільки свіжі та пухкі осади.

• адсорбційна пептизація – при додаванні електроліту до осаду, що містить іони, здатні вибірково адсорбуватися на осаді.

Приклад: золь Fe(OH)₃, пeптизатор – Fe³⁺.

• хімічна пептизація – при додаванні до осадів речовин, здатних вступати в хімічну взаємодію з поверхнею осадів, що супроводжується утворенням електроліту – пептизатора, який пептизує ту частину осаду, що залишилася.

Приклад: осад Fe(OH)₃, додавання розчину НСl викликає утворення пептизатора FeOCl за реакцією: Fe(OH)₃ + HCl  FeOCl + 2Н₂О;

• пептизація промиванням розчинником (дисперсійним середовищем) – вимивання іонів електролітів і утворення стійкого золю за рахунок розширення ПЕШ і зростання сил відштовхування між частинками осаду. Підлягають осади, що були одержані при значному надлишку одного з реагентів.

Очищення колоїдних розчинів

Колоїдні розчини часто містять домішки часточок, наявність яких може знижувати стійкість золів. Для очищення колоїдних розчинів від домішок використовують такі методи: фільтрація, діаліз, електродіаліз, ультрафільтрація.

		Фільтрація (фільтрування) ‑ метод, що базується на здатності колоїдних частинок проходити через пори звичайних фільтрів. При цьому більш крупні часточки затримуються на фільтрі. Фільтрування використовують для очищення колоїдних розчинів від грубодисперсних домішок. Ультрафільтрація – відокремлення дисперсної фази від дисперсійного середовища фільтруванням колоїдних розчинів крізь напівпроникні мембрани (пропускають тільки молекули або іони низькомолекулярних речовин). Використовують ультрафільтри. Для прискорення процесу: ультрафільтрація під вакуумом (під розрідженням); ультрафільтрація під тиском (під підвищеним тиском).
Установка для ультрафільтрації	На цю решітку кладуть мембранний фільтр

Застосування ультрафільтрації:

• для концентрування сильно розведених золів, з частковим видаленням дисперсійного середовища;

• для очищення систем, що містять частинки колоїдного ступеня дисперсності (золі, розчини ВМС, зависі бактерій, вірусів);

• для очищення води, нуклеїнових кислот і вітамінів;

• для очищення білків і визначення їх молекулярних мас.

В методі ультрафільтрації білки в градієнті густини розподіляються на різних рівнях центрифужної пробірки в процесі седиментації (осадження) у вигляді окремих зон. Для створення градієнта використовують солі важких металів і розчини сахарози.

Також очищення білків від низькомолекулярних сполук (солей, сахаридів, амінокислот) здійснюється методами діалізу, гель-фільтрації на сефадексі, кристалізації, ультрафільтрації за допомогою волокон.

2. Діаліз – видалення за допомогою мембран низькомолекулярних сполук з колоїдних розчинів і розчинів ВМС. Ґрунтується на властивості напівпроникної мембрани пропускати домішки – іони та молекули малих розмірів і затримувати колоїдні частинки.

Як мембрани при діалізі найчастіше використовують різні плівки: природні (бичачий, свинячий міхур) та штучні, виготовлені з нітроцелюлози, ацетилцелюлози, целофану, желатину та інших матеріалів.

За видами мембрани поділяють на:

• поруваті. При виробництві харчової продукції використовують поруваті мембрани. Розмір пор в межах 10^-7 – 10^-10м.

• непоруваті;

• рідкі.

При виборі матеріалу для мембрани необхідно враховувати заряд мембрани в розчиннику, який виникає в результаті дисоціації самої речовини мембрани, або внаслідок вибіркової адсорбції іонів на мембрані. Наприклад, поверхня целофанових і колодієвих мембран у воді і водних розчинах має негативний заряд. Білкові мембрани в середовищі з рН нижчим за рН ізоелектричної точки білка, заряджені позитивно, а в середовищі з вищим значення рН ‑ негативно. Наявність заряду на мембрані може спричинити коагуляцію холодного колоїдного розчину (нейтралізація протилежних зарядів міцели і мембрани).

Сутність методу: золь заливають у посудину, затягнуту знизу напівпроникною мембраною. Низькомолекулярні домішки, концентрація яких у золі вища, переходять крізь мембрану у розчинник – діалізат. Очищення відбувається до вирівнювання концентрацій домішок у золі та діалізаті.

Прилад: діалізатор. Недолік діалізу: тривалий процес очищення.

Швидкість діалізу зростає при:

• збільшенні площі поверхні мембрани, її поруватості і розміру пор;

• з підвищенням температури,

• із збільшенням інтенсивності перемішування рідини, яку діалізують та швидкості зміни зовнішньої рідини;

• із зменшенням товщини мембрани.

Електродіаліз – процес діалізу, прискорений завдяки проведенню його в електричному полі, що прискорює рух іонів. Електродіаліз дозволяє у декілька тисяч разів збільшити швидкість діалізу низькомолекулярних електролітів. У діалізаторі створюють постійне електричне поле (падіння потеціалу 20 – 250 В/СМ і вище.

Компенсаційний діаліз використовують, якщо необхідно звільнити колоїдний розчин лише від частини низькомолекулярних домішок. В цьому випадку в діалізаторі розчинник замінюють на розчин низькомолекулярних речовин, які необхідно залишити в колоїдному розчині.

Застосовування діалізу (електродіалізу) для: очищення розчинів білків, сироватки крові від розчинених солей, очищення харчового желатину, барвників, целюлози, для видалення солей з молочної сироватки з метою збереження в ній лактози та протеїнів; Для очищення білків методом діалізу використовують напівпроникні мембрани через які білки не дифундують і залишаються всередині діалізного мішечка. Молекули з меншим розміром проходять через пори діалізної мембрани і переходять у діалізат. В методі ультрафільтрації (діаліз під тиском), що застосовується у виробництві сироваточних білків молока, соєвих білкових ізолятів, по обидві сторони мембрани створюється різниця тисків за рахунок продавлювання білкового розчину, що фільтрують. Як мембрани використовують целюлозні плівки і нецелюлозні поліелектролітні комплекси. Аналогічно мембранам за принципом молекулярного сита діють поліволокна. Білковий розчин вміщують із зовнішньої сторони волокон, і створюється різниця тиску за рахунок збільшення його в розчині або зниження в середині їх.

Схема діалізу білка

Також діаліз (електродіаліз) використовують для знесолення води, вимочування м'яса, соленої риби, знесолення різного виду, відварів із соленої риби. Велике значення електродіаліз має при виробництві кулінарної продукції лікувального, дитячого та дієтичного харчування, де необхідно регулювати сольовий склад виготовляємих страв. При проведенні електродіалізу крові як зовнішнє середовище застосовують розчин речовин, які необхідно зберегти в системі (вилучення всіх низькомолекулярних компонентів обумовлює руйнування клітин і загибель організму).

	Центрифугування (ультрацентрифугування) ‑ відокремлення дисперсної фази від дисперсійного середовища під дією відцентрової сили. За незначної різниці в густинах часточки можна розділити тільки в центрифузі, яка створює відцентрову силу, що у багато разів перевищує силу земного тяжіння. Величини до 10000g одержують за допомогою простої настільної центрифуги, высокошвидкісні рефрижераторні центрифуги дозволяють досягнути 50000g, а ультрацентрифуги — 500000g. Використовують метод зонального центрифугування: білки тонким шаром наносять поверх буферного розчину. В процесі центрифугування часточки проходять через розчин. Швидкість руху залежить від маси, форми часточок. Центрифугування припиняють перш ніж часточки досягнуть дна пробірки. Дно проколюють, фракції збирають для дослідження.
Гель-фільтрація – фізико-хімічний процес молекулярно-ситового хроматографічного розділення речовин, які знаходяться у розчинному стані. Метод гель-фільтрації, або метод молекулярних сит полягає у пропусканні колоїдних розчинів (білків) через колонку з гелем сефадексу. Використовують пористі скляні шарики та пористий кварц (порасил). Найбільш поширені декстранові гелі (сефадекс), які є продуктом поперечного зшивання полісахаридних ланцюгів декстрану. Зерна сефадексів різних номерів містять пори різних розмірів, до яких можуть проникати білки з певною молекулярною масою. Гранули сефадексу вміщують в колонку і заливають водою, внаслідок чого відбувається набухання гранул і утворюється гель із сітчастою структурою. Потім в колонку під тиском подають порцію рідини, що розділяють (продукт). Контакт рідиниз гелем за рахунок дії осмотичних сил спричиняє проникнення розчинних речовин у середин його гранул. Після проходження продукту в колонку подають розчинник (елюат), який вимиває з гелю речовини, що осіли в ньому при проходження продукту. Низькомолекулярні білки розподіляються у розчинному вигляді як всередині часточок полімеру, так і між ними, а високомолекулярні – тільки між часточками, тому другі швидше проходять через колонку і першими виходять з неї. В результаті білки розподіляються за молекулярною масою і можуть бути зібрані у вигляді окремих хроматографічних фракцій. Гель-фільтрацію використовують для одержання високоякісних білків із рідких білкововмісних систем (сироватка, молоко, соки із риб).
		Схема методу гель-фільтрації