Données de physique utilisées en biologie/Méthodes séparatives

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Pour différentes raisons, il peut être nécessaire de séparer certaines particules d’un mélange : les techniques utilisées pour séparer certaines particules d’un mélange sont des méthodes séparatives.

Tamisage, filtration et ultrafiltration

Un tamis est un grillage composé de mailles calibrées : la dimension est la même pour toutes les mailles et elle est connue. Les particules retenues, de taille supérieure aux mailles du tamis, constituent le refus du tamis alors que celles qui traversent le tamis, de taille inférieure aux mailles du tamis, forment le tamisat (terme peu usité). Les plus grosses particules au contact du tamis peuvent empêcher le passage de particules du tamisat, en laissant entre elles des espaces plus fins que celui du maillage du tamis, d’où l’obligation de mettre en mouvement le tamis pour brasser les particules à séparer. Les tamisages peuvent être faits sur des colonnes de tamisage dans lesquelles sont associés des tamis de mailles différentes, du haut vers le bas, par ordre de taille des mailles décroissant. Ainsi, le refus d’un tamis de la colonne est constitué de particules dont la taille est entre celle des mailles du tamis du dessus et celle du tamis de refus non comprises. Pour le premier tamis de la colonne il n’y a pas de limite supérieure des particules du refus et pour le tamisat de la colonne il n’y a pas de limite inférieure à la taille des particules qui ont franchi le dernier tamis. Les passoires, les chinois ou la grille des presses purées sont dans nos cuisines des tamis utilisés couramment.

Il est difficile de réaliser des maillages métalliques de taille de mailles très petite. Par contre, des fibres enchevêtrées de cellulose (papier ou tissus) vont permettre la réalisation de maillage fin.

Quand le tamisage utilise un papier, il s’appelle une filtration dont le papier utilisé est le filtre qui montrera un refus (comme pour le tamis) et un filtrat pour l’ensemble des éléments qui ont pu le traverser.

Le papier s’utilise pour filtrer des mélanges en phase liquide et, comme il se révèle insuffisamment résistant pour supporter le poids de liquide versé, il faut alors lui adjoindre un support solide (entonnoir) pour qu’il ne se déchire pas en veillant à ne pas mettre une hauteur de liquide trop importante et en ne versant pas trop vivement le liquide notamment sur la partie de papier située au dessus de l’orifice de sortie du filtrat du support solide (au besoin on utilisera un agitateur pour verser doucement le liquide sur le coté du filtre).

Il existe des papiers filtres calibrés de taille différente.

Eu utilisant des systèmes de filtration plus fins que ceux en papier (résines spéciales, vases poreux calibrés par des précipités ou membranes naturelles ou non), la méthode séparataive devient de l'ultrafiltration qui donne un refus contenant tous les éléments n'ayant pu traverser l'ultrafiltre et un ultrafiltrat contenant les éléments qui ont pu le traverser.

À partir d'une suspension, la filtration permet de retenir les particules en suspension (non dissoutes) qui formeront le refus, et de laisser passer les particules en solution et leur solvant. En ayant sursaturé une solution d’un soluté, on obtient en fait une suspension dont la filtration donnera un filtrat qui sera la solution du soluté saturée. Si des solutés en solution se retrouvent dans le refus, alors la filtration est une ultrafiltration.

Précipitation

Dans une solution, il est possible de séparer tout ou partie d’un soluté par précipitation. La précipitation consiste à ajouter à la solution un corps (le réactif) en solution qui par réaction chimique se combine à l’un des solutés pour donner un corps insoluble et ensuite de filtrer le mélange obtenu : si on a ajouté suffisamment de réactif alors on a rendu insoluble l’intégralité du soluté concerné, sinon on aura séparé qu’une partie du soluté concerné. Il faut que le réactif soit au départ en solution car autrement comme discerner la suspension du réactif de celle du précipité.

Si un corps insoluble apparaît après réaction chimique, il se dépose par décantation et l’opération s’appelle une précipitation et la partie insoluble apparue est appelée un précipité. Si le corps ajouté ne forme un précipité qu’avec un élément chimique donné, l’obtention d’un précipité avec le réactif est alors une mise en évidence de la présence du corps chimique considéré dans la solution. Si plusieurs réactifs permettent de mettre en évidence un même corps, on choisira celui qui donne le précipité le plus clair si possible blanc et, s’il y en a plusieurs encore, celui qui donne les particules insolubles les plus grosses : ainsi, le précipité sera plus perceptible à l’œil et/ou donnera un effet Tyndall plus puissant.

Si une mise en évidence donne le précipité caractéristique, la mise en évidence est dite positive ce qui revient à dire que le corps mis en évidence par le réactif est bien présent à l’origine dans la solution.

Chaque mise en évidence doit être effectuée sur une fraction nouvelle de la solution à analyser car l’ajout d’un réactif introduit dans la solution au moins un élément lequel empêchera d’effectuer sa mise en évidence dans la solution initiale si c’est elle qui a été traitée.

Les chimistes ont mis au point toute une série de réactifs permettant de mettre en évidence dans les solutions soit des molécules particulières soit des groupes de molécules par cette méthode de précipitation dont le résultat est souvent apparition d’un précipité blanc. Des méthodes plus complexes de mise en évidence nécessitent d’effectuer plusieurs réactions dont les résultats seront différents selon qu’il y a présence ou non d’un soluté particulier : une première mise en évidence est positive avec plusieurs solutés, la seconde est positive avec plusieurs solutés mais les deux ne peuvent être positives qu’avec un soluté ou un groupe de solutés particulier.

Ces méthodes d’analyse sont qualitatives mais permettent aussi des analyses quantitatives. Pour une analyse qualitative, la quantité de réactif ajoutée ne nécessite pas la précipitation de tout le soluté concerné, par contre pour une analyse quantitative, il faudra provoquer la précipitation de tout le soluté et par mesure de la quantité de précipité obtenue, puis déterminer la quantité du soluté considéré qui a été nécessaire pour obtenir la quantité de précipité obtenue. Si le volume de l’échantillon de la solution testée est connu, la quantité de soluté déterminée pourra être rapportée par unité de volume (en fait de capacité - unité → litre -) et donc en concentration. La méthode d’analyse par précipitation n’est pas la seule analyse quantitative et se révèle souvent plus longue que d’autres et donc moins utilisée que d’autres. Il faut notamment pour mesurer la masse de précipité le débarrasser de toute trace du solvant.

Floculation et coagulation

Les colloïdes, avec leur solvant, ne donnent des solutions que dans des conditions physico-chimiques particulières qui font qu’il est possible d’obtenir une précipitation des colloïdes par modifications des conditions physico-chimiques de la solution. Si les précipités :

• peuvent être redissous en reconstituant les conditions physico-chimiques initiales, l’opération de précipitation est appelée une floculation (car elle se fait sous la forme de particules diffuses voire floconneuses),
• ne peuvent être redissous quelles que soient les conditions physico-chimiques nouvelles, l’opération de précipitation est appelée une coagulation.

La floculation est une précipitation réversible d’un colloïde et la coagulation est une précipitation irréversible d’un colloïde.

L’amidon n’est soluble qu’à partir d’une certaine température (supérieure à la température normale), notamment dans de l’eau à ébullition il est soluble. En faisant refroidir la solution, une partie de l’amidon précipite sous la forme de particules diffuses. Dans l’eau salée, même à ébullition, l’amidon est insoluble. C’est pourquoi, il faut saler l’eau des pâtes, si l’on veut qu’après cuisson et égouttage, elles ne soient pas collées entre elles. Si on ne sale pas ou pas suffisamment, une partie de l’amidon des pâtes passe en solution au cours de la cuisson puis au moment de l’égouttage, la baisse de température permettant la floculation d’une partie de l’amidon qui était en solution, collera les pâtes les unes aux autres.

Les gros protides ont une structure tertiaire qui est une petite pelote particulière de la chaîne protidique maintenue par des liaisons hydrogènes et de covalence (ponts bisulfures par exemple) qui sous l’effet de la chaleur peuvent se défaire et redonner de nouvelles liaisons rassemblant toutes les molécules protidiques en une seule masse qui ne pourra être dissociées ou tout au moins pour redonner les molécules initiales avec leur structure tertiaire caractéristique : la masse protidique obtenue ainsi ne pourra pas se redissoudre et, donc, cette précipitation est irréversible.

L’amidon par diminution de la température de la solution flocule et les gros protides par augmentation de leur température de la solution coagulent.

La floculation est une méthode séparative d'un colloïde puisqu’il n’est pas modifié. La coagulation n’est pas une méthode séparative du colloïde puisqu’il est modifié, mais peut être utilisée pour enlever le colloïde d'une solution s'il gène à l'analyse du reste de la solution.

Chromatographie

Ce sont deux techniques de déplacement différencié de particules en solution. Le principe est de déplacer sur ou dans un support les particules à séparer en utilisant un procédé qui les fait se déplacer à des vitesses différentes et donc au bout d’un temps donné à les séparer.

La chromatographie utilise le phénomène de la capillarité dans le support. Que ce soit du papier (chromatographie sur papier) ou des résines (chromatographie sur résine), les supports doivent être calibrés c’est-à-dire que la section des capillaires constitués doit être homogène dans tout le support et connue.

La chromatographie utilise d'une part, l'affinité aux solvants des particules et les caractéristiques, notamment leur vitesse, de migration par capillarité des solvants. Une molécule soluble dans deux solvants S1 et S2, sera dissoute dans un mélange des 2 solvants dans la part du solvant, soit par exemple S1, pour lequel elle présente le plus d'affinité (dans lequel elle se dissout le plus facilement). Si les deux solvants ne sont pas miscibles, il faudra agiter le mélange des 2 solvants et de la molécule pour qu'elle se dissolve entièrement dans S1 et, au repos, lors la séparation des solvants par décantation, la molécule sera entraînée par le solvant S1. Cela peut permettre de séparer deux molécules dont l'une, M1, serait affine de S1 et l'autre, M2, serait affine de S2 et qui seraient au départ dissoutes ensemble dans l'un des solvants.