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Una membrana semipermeable es un tipo de membrana polimérica sintética o biológica que permite que ciertas moléculas o iones pasen a través de ella por ósmosis . La velocidad de paso depende de la presión , la concentración y la temperatura de las moléculas o solutos de cada lado, así como de la permeabilidad de la membrana a cada soluto. Dependiendo de la membrana y del soluto, la permeabilidad puede depender del tamaño del soluto, la solubilidad , las propiedades o la química. La forma en que se construye la membrana para que sea selectiva en su permeabilidad determinará la velocidad y la permeabilidad. Muchos materiales naturales y sintéticos que son bastante gruesos también son semipermeables. Un ejemplo de esto es la película delgada en el interior de un huevo. [1]
Las membranas biológicas son selectivamente permeables , [2] con el paso de moléculas controlado por difusión facilitada , transporte pasivo o transporte activo regulado por proteínas incrustadas en la membrana.
Una bicapa de fosfolípidos es un ejemplo de una membrana biológica semipermeable. Consiste en dos capas paralelas y opuestas de fosfolípidos dispuestos de manera uniforme . Cada fosfolípido está formado por una cabeza de fosfato y dos colas de ácidos grasos . [3] La membrana plasmática que rodea a todas las células biológicas es un ejemplo de una bicapa de fosfolípidos . [2] La membrana plasmática es muy específica en su permeabilidad , lo que significa que controla cuidadosamente qué sustancias entran y salen de la célula. Debido a que son atraídas por el contenido de agua dentro y fuera de la célula (o hidrófilas ), las cabezas de fosfato se ensamblan a lo largo de las superficies externas e internas de la membrana plasmática, y las colas hidrófobas son la capa oculta en el interior de la membrana. Las moléculas de colesterol también se encuentran en toda la membrana plasmática y actúan como un amortiguador de la fluidez de la membrana . [3] La bicapa de fosfolípidos es más permeable a los solutos pequeños y sin carga . Los canales de proteínas están incrustados en o a través de los fosfolípidos, [4] y, colectivamente, este modelo se conoce como el modelo de mosaico fluido . Las acuaporinas son poros de canales de proteínas permeables al agua.
La información también puede atravesar la membrana plasmática cuando las moléculas de señalización se unen a los receptores de la membrana celular. Las moléculas de señalización se unen a los receptores, lo que altera la estructura de estas proteínas. [5] Un cambio en la estructura de la proteína inicia una cascada de señalización. [5] La señalización del receptor acoplado a la proteína G es un subconjunto importante de dichos procesos de señalización. [6]
Debido a que la bicapa lipídica es semipermeable, está sujeta a presión osmótica . [7] Cuando los solutos alrededor de una célula se vuelven más o menos concentrados, la presión osmótica hace que el agua fluya dentro o fuera de la célula para equilibrarse . [8] Este estrés osmótico inhibe las funciones celulares que dependen de la actividad del agua en la célula, como el funcionamiento de sus sistemas de ADN y proteínas y el ensamblaje adecuado de su membrana plasmática. [9] Esto puede conducir al choque osmótico y la muerte celular . La osmorregulación es el método por el cual las células contrarrestan el estrés osmótico e incluye transportadores osmosensoriales en la membrana que permiten que K+ [nota 1] y otras moléculas fluyan a través de la membrana. [8]
Las membranas semipermeables artificiales se utilizan ampliamente en la investigación y en el campo médico. Las membranas lipídicas artificiales se pueden manipular y experimentar fácilmente para estudiar fenómenos biológicos. [10] Otras membranas artificiales incluyen aquellas que se utilizan en la administración de fármacos, la diálisis y las bioseparaciones. [11]
El flujo masivo de agua a través de una membrana selectivamente permeable debido a una diferencia de presión osmótica se llama ósmosis . Esto permite que solo ciertas partículas pasen, incluida el agua, y deje atrás los solutos, incluida la sal y otros contaminantes. En el proceso de ósmosis inversa , el agua se purifica aplicando alta presión a una solución y, de ese modo, empujando el agua a través de una membrana compuesta de película delgada (TFC o TFM). Estas son membranas semipermeables fabricadas principalmente para su uso en sistemas de purificación o desalinización de agua . También se utilizan en aplicaciones químicas como baterías y celdas de combustible. En esencia, un material TFC es un tamiz molecular construido en forma de película a partir de dos o más materiales en capas. Sidney Loeb y Srinivasa Sourirajan inventaron la primera membrana semipermeable sintética práctica. [12] Las membranas utilizadas en la ósmosis inversa están hechas, en general, de poliamida , elegida principalmente por su permeabilidad al agua y su relativa impermeabilidad a diversas impurezas disueltas, incluidos iones de sal y otras moléculas pequeñas que no se pueden filtrar.
Los módulos de membrana de ósmosis inversa tienen un ciclo de vida limitado. Varios estudios han intentado mejorar el rendimiento del proceso y extender la vida útil de las membranas de ósmosis inversa. Sin embargo, incluso con el pretratamiento adecuado del agua de alimentación, la vida útil de las membranas generalmente se limita a cinco a siete años.
En la actualidad, los módulos de membrana de ósmosis inversa desechados se clasifican en todo el mundo como residuos sólidos inertes y, a menudo, se eliminan en vertederos, con una reutilización limitada. Las estimaciones indican que la masa de membranas desechadas anualmente en todo el mundo alcanza las 12.000 toneladas. Al ritmo actual, la eliminación de módulos de ósmosis inversa representa impactos adversos significativos y crecientes sobre el medio ambiente, lo que da lugar a la necesidad de limitar el descarte directo de estos módulos.
Las membranas de ósmosis inversa desechadas de las operaciones de desalinización podrían reciclarse para otros procesos que no requieren los criterios de filtración intensiva de la desalinización y podrían usarse en aplicaciones que requieran membranas de nanofiltración (NF). [13]
Pasos del proceso de regeneración:
1- Tratamiento químico
Procedimientos químicos destinados a eliminar las incrustaciones de la membrana gastada; se utilizan varios agentes químicos; tales como:
- Hidróxido de sodio (alcalino)
- Ácido clorhídrico (ácido)
- Agentes quelantes como los ácidos cítrico y oxálico.
Existen tres formas de exposición de las membranas a los agentes químicos: inmersión simple, recirculación del agente limpiador o inmersión en un baño de ultrasonidos.
2 - Tratamiento oxidativo
Incluye la exposición de la membrana a soluciones oxidantes para eliminar su densa capa activa de poliamida aromática y la posterior conversión a una membrana porosa. Se utilizan agentes oxidantes como el hipoclorito de sodio NaClO (10-12%) y el permanganato de potasio KMnO₄. [14] Estos agentes eliminan las incrustaciones orgánicas y biológicas de las membranas de ósmosis inversa, también desinfectan la superficie de la membrana, evitando el crecimiento de bacterias y otros microorganismos.
El hipoclorito de sodio es el agente oxidante más eficiente en vista de la permeabilidad y la solución de rechazo de sal.
Los tubos de diálisis se utilizan en hemodiálisis para purificar la sangre en caso de insuficiencia renal . Los tubos utilizan una membrana semipermeable para eliminar los desechos antes de devolver la sangre purificada al paciente. [15] Las diferencias en la membrana semipermeable, como el tamaño de los poros, cambian la velocidad y la identidad de las moléculas eliminadas. Tradicionalmente, se utilizaban membranas de celulosa , pero podían provocar respuestas inflamatorias en los pacientes. Se han desarrollado membranas sintéticas que son más biocompatibles y dan lugar a menos respuestas inflamatorias. [16] Sin embargo, a pesar de la mayor biocompatibilidad, las membranas sintéticas no se han relacionado con una disminución de la mortalidad. [15]
Otros tipos de membranas semipermeables son las membranas de intercambio catiónico (CEM), las membranas de intercambio aniónico (AEM), las membranas de intercambio aniónico alcalino (AAEM) y las membranas de intercambio de protones (PEM).