Modeling of Hindered Diffusion in Gels

Abstract

Hindered diffusion occurs in the most different processes, as has been described in this thesis. It is very important to have an understanding of the influence of hindered diffusion on the mass transfer rate, especially when competing rate processes are acting simultaneously. Using mathematical modeling and simulation makes it possible to predict the effects of hindered diffusion. The systems that have been studied are immobilized yeast cells producing ethanol, and protein adsorption in chromatography gels. The aim of the present work was to evaluate different effects of hindered diffusion on the mass transfer rate in different kinds of gels, by mathematical modeling and simulation.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ordet diffusion kommer från det latinska ordet diffu´sio som betyder spridning. Diffusion förekommer nästan överallt, även om man inte alltid kan se det. Exempelvis består all den luft som vi andas in av en mängd molekyler som diffunderar fram och tillbaka. Eller så kan det vara vattenmolekyler som diffunderar in till plåten på bilen och gör så att den rostar, eller varför inte syremolekyler som diffunderar in i juiceförpackningar och förstör både smaken och hållbarheten på juicen. I de två senare fallen gäller det att skydda sig mot sådana angrepp. Hur ska detta gå till? Det gäller att på något sätt hindra molekylerna att tränga igenom. Hindrad diffusion kan även utnyttjas positivt. I läkemedelsindustrin används numera ofta läkemedel med kontrollerad frisättning, d.v.s. man ser till att läkemedlet endast lämnar tabletten när den är på rätt plats i kroppen och med en konstant hastighet. På så sätt kan man minska den nödvändiga dosen och ändå få ett bättre resultat. För att lyckas med såväl rostskyddet som den effektivare läkemedelsdoseringen är det viktigt att förstå hur diffusionen fungerar. Min forskning har jag därför ägnat åt att försöka beskriva diffusionsfenomenet och hur det påverkas av olika sorters hinder.



I min avhandling har jag använt modeller för att beskriva den hindrade diffusionen. Jag har använt mig av följande två system, alkoholproduktion från socker med hjälp av jäst immobiliserad (fångad) i alginatgel och adsorption (bindning) av proteiner i agarosgelskulor. För att kunna få hjälp med vissa parametrar har jag även mätt diffusionen med hjälp av en utrustning som har tillverkats på institutionen för kemiteknik. Båda de studerade systemen består av en gel. En gel har en struktur som liknar en tvättsvamps, d.v.s. stora håligheter som kan samla upp vatten. Trots att en gel oftast består av mer än 90% vatten hindras molekylerna avsevärt. En jämförelse kan göras med när man springer på ett öppet fält eller när man springer i en snårig skog.



Immobiliseringstekniken ansågs vara en stor nyhet när den först upptäcktes. Man trodde att den skulle användas flitigt i många processer. Tyvärr fick inte tekniken det förväntade genomslaget på grund av problemen med diffusionen in och ut ur kulorna. I det första systemet hindras sockret från att diffundera in i kulorna av både gelen och jästen. Sockret omvandlas, när det väl kommit in, till etanol och diffunderar sedan ut igen. Jag har byggt upp ett simuleringsprogram som kan användas för att öka förståelsen för hur samverkan mellan diffusionen och reaktionen fungerar. Resultaten visar att hur jästen är placerad i kulan inte har någon avgörande betydelse så länge kulan är relativt liten. Dock kommer det alltid att finnas mest jäst vid ytan beroende på tillgång till socker och kulans volymförhållande (största delen av volymen ligger väldigt nära ytan).



Proteiner används flitigt inom både bioteknik och läkemedelsindustrin. Här ställs stora krav på renhet. För att kunna framställa en tillräckligt ren produkt krävs det att man kan separera olika proteiner från varandra. En teknik som är vanlig vid proteinseparation är kromatografi. Då låter man proteinerna röra sig i en kolonn och beroende på deras egenskaper, passerar de igenom kolonnen olika fort. Själva innanmätet i kromatografikolonnen består ofta av små kulor av agarosgel. I affinitetskromatografi, som jag använt som system, diffunderar proteinerna in i gelkulorna och fastnar. Även här har jag skapat ett simuleringsprogram som ska hjälpa till att förstå hur och varför olika fenomen uppträder när proteinmolekylerna diffunderar och binder till andra molekyler. Modellen klarar av flera olika sorters inbindning och flera olika proteiner. Resultaten från simuleringsprogrammet stämmer väl överens med experimentella data.



I arbetet har jag visat att det är möjligt att beskriva hindrad diffusion genom matematisk modellering och simulering. Dock bör man notera att en modell inte blir bättre än indata man har. Därför måste man alltid verifiera sina resultat med experiment. Simuleringen gör att man sparar tid och kanske slipper göra alltför många experiment.

• author: Gutenwik, Jan
• supervisor: Anders Axelsson
• opponent: Professor Cussler, Edward L, USA
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: effective diffusion coefficient, pore size distribution, obstruction, immobilization, modeling, adsorption kinetics, hindered diffusion, simulation program, proteins, Chemical technology and engineering, Kemiteknik och kemisk teknologi
• pages: 180 pages
• defense location: Lecture hall C, Chemical Center, Lund Institute of Technology
• defense date: 2003-12-17 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTKDH/(TKKA-1005)/1-92/(2003)
• ISBN: 91-628-5889-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Gutenwik J, Nilsson B, Axelsson A .2002. Mass transfer effects on the reaction rate for heterogeneously distributed immobilized yeast cells. Biotechnol Bioeng. 79. 664-673. Article: Gutenwik J, Nilsson B, Axelsson A .2003. Effect of hindered diffusion on the adsorption of proteins in agarose gel pore networks using a pore model. J Chromatogr A. Submitted. Article: Gutenwik J, Nilsson B, Axelsson A .2003. Determination of protein diffusion coefficients in agarose gel with a diffusion cell. Biochem Eng J. In press. Article: Gutenwik J, Nilsson B, Axelsson A .2003. Coupled diffusion and adsorption effects for multiple proteins in agarose gel using a pore size distribution model. Submitted.
• id: 75c881ad-2613-409c-aa0b-8d066a1fd968 (old id 466472)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:47:57
• date last changed: 2018-11-21 20:36:27