Saflaştırma Nedir? Nasıl Yapılır? Tarihten Bugüne Hangi Saflaştırma Teknikleri Kullanılmıştır?

Saflaştırma ve ayrıştırma işlemleri, saf olarak elde edilmek istenen maddenin belirli tekniklerle, saf olmayan karışımdan elde edilmesi için kullanılır. Saflaştırmanın gıda mühendisliğinden farmasötiğe, petrol endüstrisinden suyun saflaştırılmasına kadar birçok alanda uygulaması vardır. Bunun yanında kullanılan teknikler, temelde benzer bir mantığa sahiptir.

Saflaştırma işlemleri, ister mikron düzeyinde boyuttaki bir hücreden nanogramlarla ölçülen DNA'nın saflaştırılması olsun, ister tonlarca litre suyun su arıtma tesislerinde saflaştırılması olsun, bir ürünün elde edilmesinde kullanılan ilk ve en önemli adımdır. Bilim insanları, bir organik ya da inorganik maddenin kantitatif ve kalitatif özelliklerini incelemek için o maddenin tamamen saflaştırılmış olmasını isterler çünkü herhangi bir bulaşkan deneyin doğruluğunu saptırır. Buna ek olarak gıda ve su üretiminde yeterli ve kaliteli düzeyde saflaştırmalar, tüketilen maddenin içerisinde sağlığa zarar verecek herhangi bir mikroorganizma veya inorganik çevre kaynaklı bulaşkanın olmamasını garanti eder. Çoğu durumda, özellikle yakıtlar için, bir madde ne kadar saf ise işlevi doğrultusunda sağladığı yarar o kadar fazla olacaktır. Tüm bu saflaştırma işlemleri genelde uzun zaman alır ve maliyetlidir fakat sonuç olarak her biri gereklidir.

Tarihten Bugüne Saflaştırma

İnsanların saflaştırma yöntemlerini ilkel düzeyde kullanmaları, kayıtlı tarihten daha öncesine dayanır. İnsanlar için temiz gıda ve su bulmak her zaman önemli bir konu olmuştur. İnsanlar eski dönemlerde madenleri ayrıştırıp demir, bakır gibi metalleri kullanmış ve bitkilerden özütler elde ederek ilaçlar geliştirmiştir. Buna ek olarak Orta Çağ'da, simyacılar "ölümsüzlük iksirini" bulma arzusu doğrultusunda altını çözebilecek bir sıvıyı elde etmek için birçok kimyasal bileşen elde etme çabasına girmiştir.

Çok eski tarihlerdeki önemli icatlara Arşimet'in vidası örnek verilebilir. Arşimet vidalı pompalar atık arıtma tesislerinde kullanılmaktadır. Vida bıçakları arasındaki boşluk geniş olduğundan, bıçaklar katı maddeleri tıkanma olmadan kesebilirler. Ayrıca suyun daimi ve yavaş hareketi sağlandığı için su içerisinde bulunan ince kum ve toprak parçaları da vidada çökeltilmiş olur.

Britannica

Daha sonraki dönemde, 1864 yılında Antonin Prandtl, süt üretiminde süt ve kremayı büyük ölçüde ayırmak için kullanılan santrifüj tipi bir makine icat etti. Prandtl'ın ardından İsviçreli doktor ve biyolog olan Friedrich Miescher, laboratuvarda santrifüjlemeyi uygulayan ilk bilim insanı oldu.

Moleküler ayırma ve kimyasal analiz için kullanılan karmaşık tekniklerden biri olan elektorforez, 1931'de Arne Tiselius'un çalışmalarıyla geliştirildi. Günümüzde hala elektroforeze dayalı yeni ayırma işlemleri ve kimyasal analiz teknikleri geliştirilmeye devam etmektedir.

Bir başka saflaştırma tekniği olan diyalizin geçmişi 1940'lı yıllara dayanmaktadır. Yapay böbrek olarak adlandırılan ilk diyaliz makinesi türü, 1943'te Hollandalı doktor Willem Kolff tarafından geliştirildi. Kolff, böbrek yetmezliğinden muzdarip bir hastayı gözlemledikten sonra kanı temizlemek için bir makine geliştirme fikrini ilk kez edinmişti.

Çok uzak olmayan bir tarihte, Sanayi Devrimi ve 2. Dünya Savaşı sırasında ise gelişen endüstrilerin ve artan üretimin yanında en büyük sorunlardan biri ürünleri uygun şekilde saflaştıracak yöntemlerin eksikliği olmuştur. Örneğin 2. Dünya Savaşı sırasında ABD hükümetinin ilk atom bombasını üretme yolunda geliştirdiği araştırma projesi olan Manhattan Projesi'nin ana sorunlarından biri uranyum-235'in uranyum-238'den ayrıştırılmasıydı.

Saflaştırma Teknikleri ve Sınıflandırılması

Saflaştırma yöntemlerinin sınıflandırılmasında birden fazla kriter vardır. İlk olarak, teknikler, saflaştırılan maddenin özelliklerine göre sınıflandırılabilir. Örneğin çoğu kromatografi yöntemi, küçük miktarlarda maddenin çalışılmasına izin verirken damıtma gibi yöntemler büyük miktarlarda maddenin çalışılması için uygundur. Bunun yanında saflaştırma yöntemleri temelde kimyasal ve fiziksel fenomenler temelinde de sınıflandırılabilir. Bu fenomenler denge koşulları ve hızdır. Denge fazı fenomenine dayalı saflaştırma yöntemlerinin temelinde saflaştırılacak olan maddelerin birbiri içinde çözülmemeleri ya da bu maddelerin erime, kaynama ve donma noktalarındaki farklılıklardan dolayı farklı fazlar oluşturmaları kuralı yatar. Hız fenomenine dayalı saflaştırma yöntemlerinin temelinde ise karışımdaki bileşenlerin difüzyon hızı gibi kinetik özelliklerindeki farklılıklar yatar.

Hız fenomenine dayalı saflaştırma yöntemleri

Filtrasyon

Filtrasyon bir akışkandaki katı partiküllerin, akışkanların geçmesine izin veren ancak katıları tutan bir yarı geçirgen zar ile ayrılması işlemidir. Filtrasyon, katı partikülleri içeren akışkan ortamın belirli bir basınç altında yarı geçirgen zardan geçirilmesini sağlayan bir filtre ortamına ihtiyaç duyar.

Wikipedia

Kromatografi

Kromatografi, genelde sıvı veya katı olan sabit fazın üzerinde, genelde sıvı veya gaz fazında olan hareketli bir fazın akması ve moleküllerin akış hızı ve sabit ve hareketli faza karşı gösterdikleri etkileşimsel parametrelere göre ayrışmasıdır. Bir silika jel ve tampon çözeltiyi içeren en basit kolon kromatografilerinden, maddeleri dalton boyutundaki moleküler ağırlık farklarına göre ayırabilen HPLC'ye kadar çeşitlilik gösterir.

Santrifüjleme

Santrifüj, genellikle bir motor yardımıyla sabit eksenli dairesel dönme hareketi gerçekleştiren bir laboratuvar aletidir. Santrifüj aletinin yüksek devir sayısı, içine yerleştirilen karışımların çökelme prensibine göre ayrılmasını sağlar. Ağır parçalar merkezcil kuvvet yardımıyla tüpün alt kısmında toplanır. (Dairesel hareketle dışa doğru itilir.) Aynı mantıkla daha küçük parçalar tüpün üst kısmına doğru hareket eder. (Dairesel hareketin merkezine doğru hareket eder.) Süspansiyonlar ve emülsiyonlar bu şekilde kolaylıkla ayrıştırılabilir.

Britannica

Membran Filtrasyonu

Membran filtrasyonu işlemi, farklı boyut ve özelliklerdeki molekülleri ayırma yeteneğiyle karakterize edilen fiziksel bir ayırma yöntemidir. Ayrıştırma işleminin sağlanmasındaki itici güç, özel bir membranın iki tarafındaki ozmotik basınç farkıdır. Membran filtrasyonu, membranın iki tarafındaki konsantrasyon farkından kaynaklanan basit moleküler göçü yani difüzyonu içerir. Ultrafiltrasyonda, bu difüzyon, bir basınç farkı vasıtasıyla hızlandırılır. Elektrodiyalizde elektriksel alan difüzyonu hızlandırır.

Diyaliz

Diyaliz böbrek fonksiyonu bozuk olan bir hastadan kanın alınması, bu kanın temizlenmesi ve hastanın kan dolaşımına geri gönderilmesi işlemidir. Yapay böbrek veya hemodiyalizatör bazı istenmeyen maddeleri kandan uzaklaştırmayı ve kana gerekli bileşenleri eklemeyi sağlayan bir makinedir. Klasik olarak diyalizde, gözenekli bir zarla ayrılan iki sıvı, gözeneklerden geçecek kadar küçük olan parçacıkları ve bileşenleri değiştirir. Kan, böyle bir zarın bir tarafıyla temas ettirildiğinde, üre ve inorganik tuzlar dahil çözünmüş maddeler zarın diğer tarafına yerleştirilmiş olan steril çözeltiye geçer.

National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases - NIH

Denge Fazı Fenomenine Dayalı Saflaştırma Yöntemleri

Damıtma

Bu yöntemle ayrıştırma işlemi, bir karışım içindeki sıvıların kaynama noktalarındaki farklılığa dayanır. Damıtma aparatında karışımın kaynatıldığı bölüm, buharın geçtiği kolon ve buharın yoğuşturulduğu ayrı bir bölüm vardır. Kaynama noktası küçük olan sıvı, karışımı buharlaşarak terk eder ve saf bir şekilde toplanabilir.

Adsorpsiyon

Adsorpsiyon bir yüzey fenomenidir ve bir maddenin düzlemsel bir fazın üzerine bağlanma isteğini gösterir. Kromatografik yöntemlerde olduğu gibi adsorpsiyon fenomenine bağlı olarak saflaştırmak istenen maddelere özel yüzey özellikleri olan sabit fazlar kullanılabilir.

Çöktürme

Kimyasal çöktürme, bir çözeltiden ayrılabilir bir katı maddenin oluşturulması için ya maddenin çözülmez bir forma dönüştürülmesi ya da içindeki maddenin çözünürlüğünü azaltmak için çözücünün bileşiminin değiştirilmesi işlemidir. Çöktürme ve kristalizasyon arasındaki fark çözünürlüğün azaltılmasına veya katı maddenin yapısının düzenlenmesine bağlıdır.

Kristalizasyon

Kristalizasyon, maddelerin saflaştırılmasında uzun süredir kullanılan bir tekniktir. Genellikle katı bir madde sıvıya konulduğunda çözülür. Bir çözücünün çözebileceği belli bir çözünen konsantrasyonu sınırı vardır. Bu sınıra ulaşan çözelti doymuştur. Doymuş çözeltinin konsantrasyonu ise sıcaklığa bağlıdır. Belirli bir sıcaklıkta doymuş çözelti soğutulursa çözünmüş bileşen çözeltiden ayrılmaya başlar ve çözelti tekrar düşük sıcaklıkta doyana kadar bu ayrılma devam eder. Belirli bir çözücü içindeki iki katı bileşenin çözünürlükleri genel olarak farklı olduğu için çözeltinin karışımı bileşenlerinden sadece biri ile doyurulmasını sağlayan koşullar bulmak çoğu zaman mümkündür. Öyle bir çözelti soğutulduğunda çözünürlüğü düşük olan maddenin bir kısmını tek başına kristalleşirken çözünürlüğü yüksek bileşenler çözünmüş olarak kalır.

B. Kaleeswaran, S. Ramadevi, R. Murugesan, S. Srigopalram, T. Suman, T. Balasubramanian, Evaluation of anti-urolithiatic potential of ethyl acetate extract of Pedalium murex L. on struvite crystal (kidney stone), Journal of Traditional and Complementary Medicine

Klatrasyon

Klatrat, kafes bir yapı (latis) oluşturan bir tip molekülden ve onun içine hapsolmuş başka bir molekülden oluşan bir kimyasal maddedir. Üre veya tiyoüre temelli kafes bileşikleri parafinin ayrıştırılmasında kullanılır. Soygazlar su ve hidrokinonla klatratlar oluşturur. Üre veya tiyoüre ile kristal kafes yapıları içinde hidrokarbon moleküllerini ayırabilir.

Afiniteye Dayalı Saflaştırma

Afinite, bir maddenin başka bir maddeye bağlanma isteğinin bir göstergesidir ve genelde anahtar-kilit uyumu olarak anılan, iki bileşenin birbirlerine konformasyonel yapılarının izin verdiği doğrultuda zayıf bağlar ile bağlanmasını içerir. Afiniteye dayalı saflaştırma teknikleri maddelerin afinite özelliklerini temel alır. Sabit bir zemin ya da kolon yüzeyine saflaştırılmak istenen maddeye afinitesi olan başka bir madde sabitlenir. Saf olmayan karışım bu zemine ilave edildiğinde yalnızca istenen madde zemine yapışmış olur ve diğer bulaşkanlar zeminden yıkanır. İkinci bir adım olarak pH ya da tuz konsantrasyonunda bir değişiklik yapılarak zemine bağlanan madde uzaklaştırılır ve istenen saf olarak elde edilmiş olur.

Suyun Saflaştırılması

Su günlük hayatta en çok kullanılan maddedir. Sadece günlük hayatta değil; sanayide, bilimsel deneylerde ve birçok farklı alanda kullanılır. Yaşamın kalitesi kullanılan suyun kalitesine doğrudan bağlıdır, bu nedenle suyun yeterince saf olması çok önemlidir.

Suyun saflaştırılmasında ilk adım taramadır. Bu adımda su gözle görülebilir ve fiziksel yöntemlerle uzaklaştırılabilecek kadar büyük kirleticilerden arındırılır. Ardından çökertme işlemi uygulanır; bu adımda basitçe, sudan daha yoğun olan ve suda çözünmeyen maddeler suyun dibine çöker ve daha sonra atılırlar fakat bazı maddeler suyun dibine çökmeyebilir. Bu durumda koagülasyon denilen bir teknikle suya belirli kimyasallar ilave edilir ve kirleticilerin çökmesi sağlanır.

Çok küçük maddeler çökelme ile sudan uzaklaştıramaz. Bu durumda ise filtreleme ile kirleticiler sudan uzaklaştırılır. Bu yöntem suyun belli bir basınçla çok küçük gözenekli bir zardan geçmesini içerir. Sonuçta kirleticiler bu zarı geçemez ve sudan ayrıştırılmış olurlar. Suyun saflaştırılmasında bir diğer önemli kriter suyun mikroorganizmal atıklardan tamamen arınmış olmasıdır, aksi takdirde bu durum hastalıklara yol açabilir. Klor ile muamele etme veya ultraviyole ışık organik kirleri sudan uzaklaştırarak suyu dezenfekte etmenin en sık kullanılan yöntemleridir. Bir başka yöntem olan ters ozmosda ise yarı geçirgen bir zar kullanılır. Bu zar boyut dışlama adı verilen bir kavram doğrultusunda boyutları membrandaki porlardan büyük olan bulaşkanların zarın diğer tarafında kalmasıyla temiz suya temas etmemesi sağlanır. Bu teknikte su, suyu kirleten bakteriler ve partiküllerden ayrıştırılabilir.

Bazı durumlarda sudaki kirletici maddeler suda çözünebilir ve bu da onların boyut dışlamayla ya da ters ozmosla ayrıştırılmasını imkansız kılar. Bu durumda ise iyon değişimi yöntemi kullanılabilir; İyon değişim yönteminde zararlı ve istenmeyen iyon, kendisiyle aynı elektriksel yükte ve sağlığa zararsız bir iyonla değiştirilir. Sert suyun yumuşatılması buna bir örnektir. Basit ve etkili bir yöntem olmasına rağmen çok seçici değildir ve yararlı iyonların da sudan uzaklaştırılmasına sebep olabilir.

Aktif karbon içeren filtrelerin kullanılması ile sudaki organik kirleticiler azaltılabilir. Bu yöntemle radon çöktürülebilir. Pestisitler, istenmeyen çözücüler ve endüstriyel atıklar uzaklaştırılabilir. Ama bu yöntem metalleri nitratlı kirleticileri ve mikrobiyal atıkları uzaklaştıramaz.

Wikipedia

Hava tahliyesi suda bulunan ve uzun süre bekletildiğinde metal depoda korozyona sebep olabilecek oksijen gazının sudan arıtılması işlemidir. Bu işlemi gerçekleştirmek için degazör veya hava giderici denen bir cihaz kullanılır. Bu cihazın termal ve vakum hava giderici olmak üzere iki tipi vardır. Termal hava gidericiler genellikle buhar üreten kazanlarda besleme suyundaki çözülmüş gazları gidermek amacıyla kullanılır. Termal hava giderme su sıcaklığı arttıkça ve sıcaklık kaynama noktasına yaklaştıkça bir gazın sudaki çözünürlüğünün azalması ilkesine dayanır. Hava gidericide su minimum basınç düşürücü ve minimum havalandırma ile kaynama noktasına yakın bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Hava tahliyesi yüzey alanını arttırmak için besleme suyunun bir hazneye püskürtülmesi ile yapılır ve birden fazla tepsi katmanından suyun akışını içerebilir. Bu gazlar arındırılmış buhar hava gidericinin hava alma bölümünün altına doğru toplanır. Buhar, besleme suyuyla temas ettiğinde onu kaynama noktasına kadar ısıtır ve çözülmüş gazlar besleme suyundan salınır. Havalandırma yoluyla hava gidericiden dışarı atılır. Arıtılmış su, hava gidericinin altındaki bir depolama tankına akar. Vakum kullanan hava gidericiler ürün raf stabilitesini arttırmak renk bozulması, koku ve tat bozulması, ekşime gibi oksidatif etkileri engellemek, pH'ı değiştirmek ve paketleme hacmini azaltmak için de kullanılabilir.

İlaçların ve Antibiyotiklerin Saflaştırılması

İlaç üretimi teknoloji ile beraber gelişmiş ve ticarileşmiştir. Bugün temelde biyokimyasal ve rekombinant biyoteknolojik yollarla üretilen ilaçlar vardır. Bunların önemli örnekleri antibiyotikler ve aşılardır. İlaçlar rekombinant teknoloji yöntemleriyle mikroorganizmal vektörler kullanılarak üretilebileceği gibi, doğrudan inorganik kimyasal yollarla da üretilebilir.

İlaçların Saflaştırılmasında Geleneksel Yöntemler

Geleneksel yöntemlerle ilaç üretiminde kullanılan saflaştırma teknikleri tarih boyunca tıp doktorlarının dayanağı olmuştur. Saflaştırma tekniklerinden biri özütlemedir. Bu yöntemde özütü çıkarılacak bitki ya da başka bir madde genelde havanlarda dövülür ve istenilen ekstraktı çözecek bunun yanında geri kalan posayı çökelmiş olarak bırakacak çözücüler kullanılır. Genelde çeşitli alkoller olan bu çözücüler saflaştırmada hala kullanılmaktadır. Bunun yanında kaynatma ve süzdürme en sık kullanılan geleneksel ayrıştırma yöntemlerindendir.

Geleneksel olarak kullanılan başka bir yöntem ayırma hunisidir. Ayırma hunisi yönteminde iki sıvının birbiri içerisinde heterojen olarak karışması ve iki farklı faz oluşturmasına dayanır. Heterojen bitki özütü bir huniye koyulur, daha yoğun ve dolayısıyla altta kalan faz huniyi yavaşça terk eder. Sonuçta hunide sadece az yoğun faz kalır, yoğun faz farklı bir kapta toplanmıştır. Bu şekilde alkol gibi az yoğun bir çözücü içerisinde çözünmüş ekstrakt, diğer bitki bileşenlerinden ayrılır.

Bir başka geleneksel yöntem fraksiyonel kristalizasyondur. Bitki özlerinde doğal olarak bulunan çok sayıda bileşik doğada kristal halinde bulunur. Fraksiyonel kristalizasyon yoluyla ayrıştırma işlemi ısı veya soğutma kullanılarak bir ekstraktın yoğunlaştırılması sırasında kristal oluşumu ilkesine dayanır.

İlaçların Saflaştırılmasında Modern Yöntemler

İlaçların etki yeteneği diğer endüstriyel ürünlerde olduğu gibi ne kadar saf olduklarından etkilenir. Farmasötik kimyada, artan talep ve rekabetin sonucunda birçok yeni ilaca ve ilaç üretim yöntemine olan ihtiyaç artmıştır. Bu rekabet sonucu bir ilacın üretildiği kimyasal reaksiyonlar kadar ilaçların etkili ve hızlı bir şekilde saflaştırılması için de yöntemlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Normal fazlı kromatografiler birçok bileşenin saflaştırılmasında kullanılabilme, kolay uygulanabilme, çözücülerin kaliteli ve çeşitli olması gibi özelliklerinden dolayı sıkça başvurulan bir saflaştırma yöntemidir.

Farmasötik endüstrinin günümüzdeki en büyük hedefi çok çeşitli ürünleri çok kısa zamanlarda üretmek ve piyasaya sunabilmektir. Bu nedenle daha çok bileşenin sentetik ve analitik özelliklerinin bilinmesine ihtiyaç duyulur. İleri düzey saflaştırma tekniklerinin sunduğu bir avantaj, bu bileşenleri analizler için uygun koşullar içine sokabilmesidir. İlaçların saflaştırılması yöntemlerinden biri antibiyotiklerin üretim sürecinde kullanılan downstream prosestir. Antibiyotikler genelde rekombinant biyoteknoloji yöntemleriyle vektör mikroorganizmalar kullanılarak üretilir. Bu süreçte çok miktarda ve çeşitli sayıda antibiyotik üretilebilir. Bunun yanında üretilen antibiyotiğin deney süreçlerindeki kirleticilerden ve mikroorganizma kaynaklı kalıntılardan arındırılması gerekir.

Downstream Proses Yöntemi ile İlaçların Saflaştırılması

Downstream proses, saflaştırma sonucu atık kısımda kalan ve kurtarılabilir bileşenlerin geri dönüşümü ve atıkların uygun şekilde işlenmesi ve bertarafı dahil olmak üzere, hayvan ve bitki dokusu veya fermentasyon ürünleri gibi doğal kaynaklardan biyosentetik ürünlerin, özellikle farmasötiklerin geri kazanılması ve saflaştırılması anlamına gelir. Antibiyotikler, insülin ve insan büyüme hormonu gibi hormonlar, antikorlar ve aşılar gibi farmasötiklerin üretiminde önemli bir adımdır; teşhis yöntemlerinde kullanılan antikorlar, endüstriyel enzimler ve sentetik koku ve tat bileşikleri de bu yolla üretilir.

Downstream proses sırasında, çözünmeyen maddelerin uzaklaştırılması ilk adımdır. Ürünün, örneğin antibiyotik içeren fermentasyon besiyerinden hücrelerin, hücre kalıntılarının veya diğer partiküllerin ayrılmasını içerir. Bunu gerçekleştirmek için uygulanan işlemler; filtreleme, santrifüjleme, çöktürme, çökeltme, elektro-çökeltme ve santrifüjlemedir. Katı kaynaklardan ürünlerin geri kazanılması için gerekli olan öğütme, homojenleştirme veya süzdürme gibi ek işlemler bu gruba dahil edilir.

Downstream prosesin bir diğer adımı, özellikleri istenilen ürünün özelliklerinden oldukça farklı olan bileşenlerin karışımdan çıkarılması anlamına gelen ürün izolasyonudur. Bu durumda istenilen ürün, gerektiğinden fazla su içerebilir. İzolasyon adımları bu suyun çoğunu gidermek, işlenecek madde hacmini azaltmak ve ürünü konsantre etmek için tasarlanmıştır. Çözücü ekstraksiyonu, adsorbsiyon ve ultrafiltrasyon ilgili işlemlerden bazılarıdır.

Fiziksel ve kimyasal özellikler bakımından ürüne çok benzeyen kirletici maddeleri ayırmak için ürün saflaştırma yapılır. Bu aşamada gerçekleştirilen tekniklerin çoğu pahalıdır ayrıca hassas ve sofistike ekipman gerektirir. Bu teknikler arasında afinite kromatografisi, boyut dışlama kromatografisi, ters faz kromatografisi, iyon değişim kromatografisi, kristalizasyon ve fraksiyonel çökeltme yer alır.

HPLC Yöntemi ile İlaçların Saflaştırılması

Yüksek performanslı sıvı kromatografisi (HPLC), bir karışımdaki maddeleri ayıran ve bu maddelerin nitelik ve niceliklerinin belirlenmesinde sıklıkla kullanılan bir yöntemdir. HPLC cihazları temelde enjektör, pompa, kolon ve detektör olmak üzere 4 parçadan oluşur: Enjektörün örnek karışımını mobil faza enjekte etmesiyle, bileşenler kolona taşınır. Kolon da içindeki sabit faz yardımıyla bu bileşenleri ayrıştırarak dedektöre gönderir. Dedektöre gelen bileşkenler kimyasal özelliklerine göre farklı sinyaller üretir. Bu sinyaller de mikroişlemciler ve veri analizi programlarıyla analiz edilir. Bu veri analizi sayesinde kalitatif ve kantitatif analiz tamamlanmış olur. Modern HPLC makineleri aynı zamanda kütle spektrometresi veya ultraviyole dedektörü de kullanır, bu sayede numunedeki diğer maddeler de tespit edilmiş olur.

Ayrışacak veya analiz edilecek numune, genellikle mikrolitre ile ifade edilen çok küçük hacimlerde kromatograftaki mobil faza ilave edilir. Akan mobil faz, bu maddeleri kolona taşır. Numunenin içindeki bileşenler türlerine göre farklı hızlarda hareket ederler ve bu hız farkının belirlenmesinde sabit faz-bileşken etkileşimi (fiziksel etkileşimler) önemli bir rol oynar. Bileşkenlerin hareket hızı, bileşkenlerin kimyasal doğasına, kolonu oluşturan sabit fazın kimyasal yapısına ve aynı zamanda mobil fazın bileşimine bağlıdır. Bileşkenin kolondan çıkma süresine tutulma süresi denir. Tutulma süresi genelde analizdeki bileşkenin karakterini belirlemede kullanılan önemli bir bilgidir.

Bir HPLC kolonun niteliğini belirleyen özelliklerden en önemlisi sabit fazın kimyasal yapısı, bir başka deyişle bu sabit fazı oluşturan partiküllerin türü ve büyüklüğüdür. HPLC kolonlarında partiküllerin boyutunun küçük olması kolondan gelen geri basıncı doğru orantılı olarak artırır. Tipik olarak, kolondaki küçük boyutlu partiküller, yüzey alanını artırdığından beraberinde bileşenlerin daha etkili bir biçimde ayrılmasını sağlar.

Kimyasal metodlarla üretilen ilaçların saflaştırılmasında HPLC etkili bir yöntemdir. Sentezi tam verimlilikle gerçekleşmemiş veya yan ürünler oluşmuş bir reaksiyonda, ilaç gibi bir istenilen üründen farklı bulaşkanlar da vardır. HPLC, bu numunedeki maddelerin kolonu farklı zamanlarda terk etmesini sağlayarak ilacı saflaştırmış olur. Aynı anda UV veya kütle spektrometresi ile de ölçüm yapıldığında hangi maddenin ilaç olduğu görülebilir.

Aşıların Saflaştırılması

Aşı üretimi diğer ilaçların üretimi kadar karmaşık bir süreçtir ve üretiminde yanlış politikaların izlenmesi durumunda toplumun sağlığını tehlikeye sokan durumlar ortaya çıkabilir. Bu nedenle aşılar kullanıma sunulmadan önce birçok işlemden ve testten geçerler. Bunların en önemlilerinden bazıları saflaştırma ve saflık kontrolüdür.

Bir aşı için istenilen aşı içeriğini barındıran karışım elde edildikten sonra, saflaştırma çok adımlı ve kademeli olarak gerçekleştirilir. İlk adımda aşının etken maddesini kısa zamanda inhibe edecek olan kalıntılar hızlı bir şekilde uzaklaştırılır. Ardından kendi içinde de birçok adımı olan asıl saflaştırma yapılır. Bu adım aşının etken maddesine ve bu maddenin içinde bulunduğu karışımın kompleksliğine göre değişir. Ardından saflık ölçümü ve ileri teknoloji son saflaştırma yöntemleri uygulanır.

Aşıların kirleticilerden ve etkin maddenin inhibitörlerinden ayrıştırılmasında en sık kullanılan ve en etkili yöntem kromatografidir. Çok çeşitli kromatografi yöntemleri vardır ve bu yöntemler hızla geliştirilmektedir. Aşı üretimi sırasında kullanılan kromatografi tekniklerinin işlevselliğine bağlı olarak gereken adım sayısı azaltılabilir ve daha fazla ürün yüksek verim ile elde edilebilir. Aşı üretiminde kullanılan bazı kromatografik yöntemler iyon değişim kromatografisi, boyut dışlama kromatografisi ve hidrofobik yük kromatografisidir.

Aşılar yapay olarak bağışıklık kazanmayı sağlar ve aşı içeriği, kendisine karşı bağışıklık geliştirilmesi istenen mikroorganizmanın bir parçasını ya da onun susturulmuş bir kopyasını içerirler. Bazı aşılar viral aşılardır. Bunlar savaşılan virüsün bir parçasını içerirler ve rekombinant biyoteknoloji yöntemleri ile üretilirler. Bu aşılar üretim sürecinde sadece istenen aşı bileşenini değil, birçok organik kirleticiyi içerebilirler. Aşı bileşenini bu kirleticilerden ayrıştırmanın birçok yolu vardır.

Presipitasyon

Presipitasyon belirli kimyasallar kullanılarak karışım içindeki maddelerin çökelmesi ve ardından bu çökeltinin karışımdan uzaklaştırılması anlamına gelir. Aşı presipitasyonunda kullanılan çökeltici maddeler genelde katyonik deterjanlar, kısa zincirli yağ asitleri, polietilen glikol ya da amonyum sülfattır. Bu maddeler sayesinde aşı bileşenindeki vektör hücre kalıntıları ya da istenmeyen büyük vektör DNA’sı parçaları çöktürülebilir.

Filtrasyon

Aşı saflaştırma sürecinde kullanılan filtrasyon yöntemlerinin mantığı, klasik filtrasyonla aynıdır. Fakat burada %100 saflık amaçlandığından ve ilgilenilen moleküller küçük ve kompleks olduğundan filtreleme teknikleri de karmaşıktır. Bunlar normal akış filtrasyonu, çapraz akış filtrasyonu ve ultrafiltrasyondur.

Sindirim Enzimleri

Son olarak aşıların üretim ve saflaştırma süreçlerinde, enzimlerden yardım alınabilir. Bilindiği üzere enzimlerin sentezden sindirime kadar birçok görevi vardır. Saflaştırmada da enzimler, karışımda istenmeyen fakat fiziksel yollarla tamamen uzaklaştırılamayan maddelerin sindirilerek elimine edilmesinde kullanılabilir.

Saflık Tayini

Kimyasal yöntemlerle üretilen ilaçların saflaştırılmasında, saflaştırmanın kendisi kadar kritik olan saflık derecesinin ölçülmesi de önemli bir işlemdir. Kimyasal yöntemlerle sentezlenen ilaçların reaktantları ve yan ürünleri ile kontamine olması oldukça muhtemel olduğu için saflığın yüksek doğrulukta ölçülmesi büyük öneme sahiptir.

Ultraviyole spektrofotometresi atom ve bağ içeriği birbirinden farklı molekülleri birbirinden ayırmanın yöntemlerinden biridir. UV spektrofotometresinin temel prensibi farklı atom ve bağ yapısına sahip moleküllerin farklı dalga boyundaki ışınları soğurmasına dayanır. Ultraviyole spektrofotometresi özellikle DNA ve proteinlerin ayırt edilmesinde kullanılır; DNA en çok 260 nanometre dalga boyundaki ışınları soğururken proteinlerin büyük çoğunluğu en çok 280 nanometre dalga boyundaki ışınları soğurur. Bu tarz absorpsiyon farklılıkları diğer moleküllerin de ayırt edilmesini sağlar. Numunede elde edilmek istenen molekülden farklı bulaşkanlar varsa spektrumda istenenden farklı absorpsiyon pikleri gözlemlenir.

ResearchGate

İnfrared Spektrometresi moleküllerin ışık ile olan etkileşimi esasına dayanan tespit metotlarından biridir. infrared (Kızılötesi ışık, IR) 780 nanometre ve 1 mikrometre arasında yer alan dalga boyundaki ışınları ifade eder. Yakın infrared alanındaki ışınların kullanılması organik moleküllerin titreşimsel ve rotasyonal özellikleri hakkında bilgi verir. Bu titreşimsel ve rotasyonal özellikler atomların arasındaki bağları ve atomların türlerini verir.

Bir numunenin veya maddenin saflığı, IR spektrometresi ile kontrol edilebilir. Maddenin saf olmaması durumunda normalde spektrofotometrede oluşturulan absorpsiyon dalgası grafiğinde bir genişleme meydana gelir ya da asıl bileşene ait olmayan bir bulaşkanı işaret eden farklı dalgalar görülür. Spektrumdaki değişikliklerden maddenin saflık derecesi ölçülebilir. Bu ve buna benzer yöntemlerle yapılan kontroller endüstriyel miktarlardaki üretimlerde yapılan saflık kontrolünün temelidir. Endüstride yapılan üretimlerde meydana gelen safsızlık, genellikle ürüne hammaddelerin karışması, reaksiyona girmemiş olan reaktanlar veya ortaya çıkan yan ürünler nedeniyle meydana gelir.

Madenlerin Saflaştırılması

Değerli cevher ve mineraller, maden yataklarında çok nadiren saf ve külçe halindedir. Madenlerin çok büyük bir çoğunluğu toprakta tortular halinde, kaya tabakalarının arasında damarlar halinde veya başka elementlerle bileşik halinde bulunabilir. Madenlerin kullanılabilmesi için önce bileşik halinde olduğu elementlerden ayrılması ve toprak, kaya tortularının içinden saflaştırılması gerekir.

Madenlerin saflaştırılması için şu yöntemler kullanılabilir:

Erime Noktalarının Farkından Yararlanma

Bir alaşımda veya karma cevherde bulunan madenler, erime noktalarındaki farklar kullanılarak saflaştırılabilir. Cevher veya alaşım kademeli olarak ısıtılır, karışımdan öncelikle erime noktası daha düşük olan metaller ayrılır. Daha sonrasında, erime noktası en yüksek olan madene doğru ayrılma devam eder. Tüm metaller, farklı erime noktası sıcaklıkları sayesinde saflaştırılmış olur.

Kavurma (Roasting)

Kavurma işlemi, oksijen gazı ve katıların yüksek sıcaklıkta tepkimeye girmesine dayanır. Cevheri oksitlemek için uygulanan bir yöntemdir. Genelde ön işlem olarak uygulanan kavurmanın temel amacı; gaz ile tepkimeye sokulan katının, saflaştırma ve ileri rafinasyon işlemlerinde daha kolay ve hızlı tepkimeye girmesini sağlamaktır. Kavurma işlemi genellikle, ergitme öncesi sülfürlü cevherlere uygulanır. Kavurma işlemi sonrası cevher oksitlenmiş olur.

Alkalin Çözeltisinde Hava Oksidasyonuna Maruz Bırakma

Bu yöntem, Molibden ekstraksiyonu ve molibdenin Nikel-Molibden cevherinden geri kazanımı için doğrudan hidrometalurjik bir süreçtir. Bu yöntem; molibden iyon değişimini zenginleştiren ve amonyum molibdat tetrahidrat kristalleştiren, yeni çökertilmiş Fe(OH)₃ ve “tampon ajan” olan NaHCO₃ ile cevher çözeltisini temizleyen alkali çözücüde hava oksidasyonu ile molibden saflaştırmasını içerir. Geleneksel kavurma yöntemleriyle karşılaştırıldığında, bu metod SO₂ ve As2O₃ nedeniyle meydana gelen kirlilik problemlerini önler.

Elektroliz

Elektroliz, kimyasal bir değişikliği gerçekleştirmek için elektrik akımının maddeden geçirildiği süreçtir. Kimyasal değişim, maddenin bir elektron kaybetmesi anlamına gelen oksidasyon ve bir elektron kazandığı anlamına gelen redüksiyondur. İşlem; pozitif ve negatif yüklü iyonlar içeren bir çözeltiye daldırılan ve ayrı tutulan pozitif / negatif elektrotlardan oluşan bir aparat olan elektrolitik hücrede gerçekleştirilir. Dönüştürülecek madde elektrodu oluşturabilir, çözeltiyi oluşturabilir veya çözelti içinde çözülebilir.

Elektroliz, maden cevherlerinden veya bileşiklerden metallerin ekstraksiyonu (elektro-arıtma) veya saflaştırılması (elektro rafinasyonu) ve çözeltideki metallerin biriktirilmesi (elektrokaplama) gibi metalurjik işlemlerde yaygın olarak kullanılır. Metallerin tuzları elektrolize uğratılarak, cam ve seramik gibi malzemelere metal kaplama yapılabilir.

Hidrolik Yıkama

Bu yöntem özellikle hematit, kalay taşı vb. gibi ağır "oksit" cevherleri için uygundur. Bu yöntemde toz halindeki cevher eğimli bir zemine yerleştirilir ve üzerine güçlü bir su akımı verilerek yıkanır. Daha hafif olan kumlu ve toprak bulaşkanları yıkanıp giderken; daha ağır cevher parçacıkları geride kalır.

Elektromanyetik Ayrıştırma

Maddelerin mıknatıs tarafından çekilip çekilmemesine dayanır. Bu yöntem, manyetik bileşenlerin manyetik olmayan cevher partiküllerinden, örneğin manyetik olmayan bir kalay cevherini; demir, manganez ve tungstatlar gibi manyetik cevherlerden ayırmaya yarar. İlgili manyetik bulaşkanları içeren toz halindeki cevher elektromanyetik silindir üzerinde hareket eden bir bant üzerine, bir huniden düşecek şekilde ayarlanır. Manyetik cevherler, elektromanyetik çekim kuvveti nedeniyle banttan mıknatısın yakınındaki bir yığına düşer; manyetik olmayan konsantre cevher ise merkezcil kuvvetin etkisiyle mıknatıstan uzağa ayrı bir yığın halinde düşer.

Köpük Yüzdürme İşlemi

Bu yöntem özellikle çinkoblend (ZnS) ve bakır piritler (CuFeS₂) gibi sülfit cevherleri için uygundur. Bu işlem, sülfit cevheri parçacıklarının yağ ile nemlendirilmesine; oksit ve toprak tortularının ise su ile nemlendirilmesine dayanır. Bu işlemde, toz cevher su ve bir köpürme ajanı olan biraz çam yağı ile karıştırılır ve daha sonra tüm karışım basınçlı hava üflenerek kuvvetli bir şekilde köpürtülür. Yağ, hava ile bir köpük oluşturur. Cevher parçacıkları yüzeye yükselen köpüğe yapışır; kumlar ve toprak tortuları suda kalmış olur.

Biyoliç

Biyoliç veya biyomineralizasyon, bakteri veya arkeler gibi mikroorganizmalar yardımıyla bir cevherden değerli metallerin çıkarılmasını sağlayan madencilik ve biyohidrometalurjide kullanılan bir saflaştırma tekniğidir. Bakırın biyoliçi en yaygın kullanılan tekniktir. Biyoliçte kullanılan bakteriler genelde sülfür gibi karbon dışı elementleri içeren moleküllerden enerji üretimi yapabilen bakterilerdir. Bu bakteriler cevherin içerdiği element dengelerini değiştirir. Biyoliç, geleneksel madencilik yöntemlerinden daha avantajlıdır ve saflaştırma için de kullanılır. Mikroorganizmanın ilgilenilen metalle doğrudan etkileşime geçip geçmemesine göre dolaylı biyoliç ve doğrudan biyoliç olarak ikiye ayrılır. Biyoliç yöntemi avantajlıdır çünkü çevreye ve başta madenciler olmak üzere insan sağlığına çok fazla zararı olan kükürtlü bileşenler kolayca elimine edilebilir, Klasik ergitme işleminden daha ucuzdur ve şu ana kadar saflaştırılmasında zorluklar yaşanmış olan değerli madenler için alternatif bir gelecek sunmaktadır.

Biyoyakıtların Saflaştırılması

Fosil yakıtların kullanımıyla enerji tüketimindeki artış, sera gazı emisyonları ve iklim değişikliği üzerinde tehlikeli sonuçlar doğurmaktadır. Bu nedenle, yenilenebilir hammaddelerden temiz yakıt türevlerinin ve enerji kaynaklarının geliştirilmesi konusunda çalışmalar da artmaktadır.

Özellikle son yıllarda, atmosfere çok büyük miktarlarda sera gazı salınımına yol açması nedeniyle, dizel üzerindeki tartışmalar artmıştır. Hatta ülkelerin birçoğu 21.yüzyılın ortasına gelmeden dizel araçların kullanımını ve üretimini yasaklamayı planlamaktadır. Dizelin kirlilik açısından bu kadar kritik olması, biyodizel üretiminin de gelişmesini sağlamıştır.

• Biyodizelin saflaştırılmasındaki ilk adım, yıkamadır. Biyodizelin de içinde bulunduğu üretim tankını ve ürünleri yıkamadaki temel amaç; serbest halde bulunan gliserol, sabun, fazla alkol ve reaktant kalıntılarını temizlemektir. Su, reaksiyona girmemiş alkalin homojen katalizörü nötralize etmek için asit ilavesinin yapılmasını sağlar. Bu işlem, tuzlu ürünlerin derhal uzaklaştırılmasını sağlar. Transesterifikasyon reaksiyonundan sonra reaksiyona girmemiş metanol, çıkış suyunda alkol varlığını en aza indirmek için yıkama aşamasından önce uzaklaştırılmalıdır. Metanol yoğunluğu düşük olduğu için numunenin en üstünde birikecektir, bu durumda basit bir süzdürme işlemi yeterli olacaktır.
• Katalizörü nötralize etmek ve oluşan sabunu ayrıştırmak için transesterifiye ürüne asitler eklenir. Bu işlemi; biyodizeli katalizör, sabun, metanol ve serbest gliserol gibi kirleticilerden arındırmak için tekrar su yıkama evresi takip eder.
• Emiciler, transesterifiye edilmiş ürünleri işlemenin başka bir yoludur. Magnesol gibi emiciler, gliserol ile mono- ve digliseridler gibi hidrofilik malzemeleri seçici olarak emme potansiyeline sahiptir. Bu işlemin ardından uygun bir filtre, gliseridleri ve toplam gliserol seviyelerini düşürmede etkili olduğu gösterilmiştir. Bazı bitkisel yağlar biyodizelde yakıtın rengini bulandıran ve diğer kirleticilerin görülmesini engelleyen tehlikeli bir renk bırakır. Aktif karbon yatağı, bu uygun olmayan biyodizel rengini gidermenin etkili bir yoludur.

Tüm bu adımlar her ne kadar kolay ve verimli olsa da, açığa çıkan atık su miktarı, doğa dostu olması gereken bir yakıt için kabul edilebilir düzeylerde değildir. Bu nedenle son yıllarda biyodizellerin saflaştırılmasında, membranların kullanımı artmıştır.

• Membran performansı genellikle seçicilik veya ayırma faktörü ve geçirgenlik ile alakalıdır. Membranda sızıntı olmadığı durumlarda seçicilik, belirli çalışma koşullarında malzeme özelliklerinin bir fonksiyonudur. Verimlilik, malzeme özelliklerinin yanı sıra membran filmin kalınlığının bir fonksiyonudur ve kalınlık ne kadar düşükse, verimlilik o kadar yüksek olur.
• Son yıllarda transesterifikasyondan sonra yağ asidi metil esterleri (FAME'ler) ürününden reaksiyona girmemiş bitkisel yağı uzaklaştıran, yüksek saflıkta biyodizel veren ve reaksiyon dengesini ürün tarafına kaydıran membran reaktörler geliştirilmiştir. Yeni membran işlemlerinin, yüksek saflıkta biyodizel veren FAME ürününden, reaksiyona girmemiş kanola yağının çıkarılmasında özellikle yararlı olduğu bilinmektedir.