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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE 1 525 - 1 Dialyse par Jean PASTOR et Anne-Marie PAULI Professeurs à l’Université d'Aix-Marseille II Faculté de Pharmacie : Laboratoire de Chimie Analytique a dialyse est un procédé de séparation par membrane des molécules ou des ions en solution au même titre que l’osmose inverse, l’ultraﬁltration et l’élec- trodialyse. Ces techniques diffèrent par la force utilisée pour que les espèces chi- miques ou les ions puissent traverser la membrane semi-perméable, c’est-à-dire la barrière relativement mince séparant deux milieux liquides. Ces forces sont : — un gradient de pression dans l'osmose inverse, l'ultrafiltration ou encore un gradient de pression partielle lors de la diffusion des gaz à travers une mem- brane poreuse ; — un gradient de potentiel électrique dans l'électrodialyse ; — et enfin un gradient de concentration dans la dialyse. L’avantage de cette dernière réside dans le fait que les séparations se font dans la majeure partie des cas à température ambiante, respectant ainsi les substan- ces thermolabiles, sans changement de phase liquide (avantageux sur le plan énergétique) et, enﬁn, sans accumulation de constituants dans la membrane, ce qui permet d’envisager un fonctionnement en continu donc sans cycle de régé- nération. En revanche, la méthode est lente. 1. Théorie......................................................................................................... PE 1 525 - 2 1.1 Concentration du soluté dans le rétentat ................................................... — 3 1.2 Diffusion du soluté à travers la membrane................................................ — 3 2. Appareillage ............................................................................................... — 4 2.1 Membranes................................................................................................... — 4 2.1.1 Nature................................................................................................... — 4 2.1.2 Présentation et propriétés .................................................................. — 4 2.2 Dialyseurs...................................................................................................... — 5 2.2.1 Appareils .............................................................................................. — 5 2.2.2 Techniques ........................................................................................... — 6 3. Applications de la dialyse ...................................................................... — 6 3.1 Biochimie ...................................................................................................... — 6 3.2 Analyse.......................................................................................................... — 6 3.2.1 Méthodes générales............................................................................ — 6 3.2.2 Analyse alimentaire............................................................................. — 7 3.2.3 Analyse biologique.............................................................................. — 7 3.3 Liaison des médicaments aux protéines.................................................... — 7 3.4 Applications industrielles ............................................................................ — 8 3.5 Hémodialyse ................................................................................................. — 9 3.5.1 Théorie ................................................................................................. — 9 3.5.2 Appareils .............................................................................................. — 9 4. Conclusion.................................................................................................. — 10 Références bibliographiques.......................................................................... Doc. PE 1 525 L DIALYSE ______________________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. PE 1 525 - 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation La distinction entre dialyse, ultraﬁltration et osmose inverse, qui toutes les trois reposent sur l’utilisation d’une membrane et conduisent à la séparation des petites molécules d’avec les grosses molécules, peut être représentée par la ﬁgure A. I Dialyse : sur la figure Aa, la solution concentrée A contient des molécules de masses moléculaires élevées, des ions minéraux et des petites molécules. Les ions et les petites molécules traversent la membrane et passent dans le compar- timent B jusqu’à ce que leur concentration soit égale de part et d’autre de la membrane, si l’on ne change pas l’eau en B (dialyse à l’équilibre), ou jusqu’à éli- mination totale si l’on renouvelle périodiquement ou en continu l’eau distillée du compartiment B. Les grosses molécules restent en A. I Ultrafiltration : bien que le terme ultrafiltration comprenne le mot filtration, cette technique ne s’adresse pas à la séparation d’un mélange hétérogène solide + liquide, mais au même type de mélange que dans le cas de la dialyse. Sur la ﬁgure Ab I, on exerce une dépression au-dessus du compartiment B, la séparation des molécules est du même type que dans la dialyse, mais l’eau tra- verse aussi la membrane dans le sens A vers B, conduisant ainsi à la séparation des grosses molécules des autres espèces chimiques ou ions minéraux, mais aussi à la concentration des grosses molécules au sein de la phase aqueuse. Cette technique est principalement utilisée pour la concentration des solutions protéiques. Sur la ﬁgure Ab II, on exerce une pression au-dessus du compartiment A ; les petites molécules et les ions traversent la membrane ainsi que l’eau. Le phéno- mène est identique au précédent, mais il est possible d’exercer une pression supérieure à la dépression qui s’exerce en I (dans ce dernier cas, elle pourrait au maximum être égale à la pression atmosphérique). I Osmose inverse : (figure Ac) : on exerce, au-dessus du compartiment renfer- mant la solution concentrée, une pression supérieure à la pression osmotique de celle-ci. L’eau traverse la membrane semi-perméable asymétrique. Dans le cas de l’ultraﬁltration et de l’osmose inverse, il est indispensable que la membrane repose sur un support mécanique poreux pour résister à l’effet de la pression qui risquerait de provoquer déformation ou rupture de la membrane. Dès 1853, Dubrunfaut propose d’utiliser la dialyse (sans la nommer) pour séparer industriellement les sels de potassium (chlorure et nitrate) du saccha- rose des mélasses dont ils gênent la cristallisation ; la membrane utilisée était en parchemin et cet auteur montre que le saccharose traverse cinq fois moins vite que le chlorure de potassium. C’est en 1861 que Graham utilise plus largement ce procédé et lui donne le nom de dialyse en réservant le terme de cristalloïde aux substances qui traversent la membrane et celui de colloïde pour celles qui ne la traversent pas. Figure A – Dialyse, ultraﬁltration et osmose inverse a dialyse : migration des petites molécules et des ions b ultrafiltration : migration des petites molécules et des ions ainsi que de l'eau c osmose inverse : migration de l'eau Eau distillée B Solution concentrée A Membrane Surpression Dépression Surpression _____________________________________________________________________________________________________________________________ DIALYSE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE 1 525 - 3 Dans l’appareil utilisé à l’origine, la solution à dialyser est séparée du liquide « accepteur » appelé dialysat par une membrane qui, à l’époque, était en parche- min (papier traité à l’acide sulfurique puis lavé). Les petites molécules et les ions traversent la membrane en fonction de leur taille. Par la suite, des noms diffé- rents furent proposés pour la solution à dialyser et le dialysat : c’est ainsi que l’on appelle la solution à dialyser rétentat pour bien indiquer qu’il y a des molé- cules qui ne traversent pas la membrane et sont retenues. Le côté opposé, clas- siquement dénommé dialysat, porte aussi le nom de diffusat, plus rarement celui de perfusat ou de perméat et, parfois, liquide de contre-dialyse dans le cas de certains automates d’analyse. Si la dialyse fut utilisée à l’origine par les biochimistes pour puriﬁer les solu- tions protéiques et les débarrasser des ions minéraux du tampon ou des réactifs de relargage, elle doit incontestablement son essor aux travaux de Kolff qui, en 1943, rédige un article paru l’année suivante sur l’épuration extrarénale et le pre- mier rein artiﬁciel faisant appel à une membrane de cellulose. 1. Théorie On peut considérer que la dialyse d’un soluté à travers une mem- brane se déroule en trois étapes : le soluté pénètre dans les pores, les traverse par diffusion et, enﬁn, les quitte et passe dans le dialy- sat. Le soluté doit être au contact de la membrane ou y venir par convection et y pénétrer. Lorsque la membrane est imprégnée d’eau, on peut la considérer comme une éponge avec des pores, des anastomoses tortueuses et des microcavités de formes et de tailles différentes [26]. À ce stade peut intervenir l’effet tamis comme dans le cas de la chromatographie d’exclusion/diffusion, avec exclusion des molécules de taille supérieure à la taille des pores. Ces molécu- les restent du côté rétentat. Lorsque la taille des molécules est infé- rieure à celle des pores, il y a pénétration par diffusion et traversée de la membrane ; si les tailles respectives sont assez proches, on peut espérer arriver à séparer des solutés en fonction de leurs tailles à condition que celles-ci soient inférieures à la taille des pores. Enﬁn, le soluté quitte le pore et passe dans le dialysat, toujours par diffusion ; l’agitation de celui-ci ou mieux son renouvellement accé- lère l’opération. On peut en outre assister à un ﬂux osmotique du solvant (eau) vers la solution de plus forte concentration (rétentat) [49]. Cette présentation schématique de la dialyse met en évidence l’importance du phénomène de diffusion que l’on peut dans un pre- mier temps assimiler à la diffusion d’un soluté dans un liquide selon la théorie de Fick, mais qu’il conviendra de modiﬁer en tenant compte du fait qu’il y a diffusion à travers une membrane et que celle-ci présente des facteurs limitants : ses caractéristiques doivent être prises en compte au même titre que celles du soluté. Un article de R. Marignan et coll. [34] porte sur cette extension de la loi de Fick. 1.1 Concentration du soluté dans le rétentat Si l’on considère la concentration C du soluté dans le rétentat au temps t par rapport à sa concentration initiale C0 au temps initial t0, on a : C = C0 exp (– Kt) (1) équation dans laquelle K représente ce qu’il convient d’appeler le coefﬁcient de dialyse qui, uploads/Litterature/ pe-1525.pdf