intercambio a contracorriente

En el mecanismo de intercambio de flujo en contracorriente, los dos fluidos fluyen en la misma dirección.

Como muestra el diagrama de los mecanismos de intercambio en paralelo y en contracorriente, un sistema de intercambio en paralelo presenta un gradiente variable a lo largo del intercambiador. Con flujos iguales en ambos tubos, este método de intercambio solo permite transferir la mitad de la sustancia de un flujo al otro, independientemente de la longitud del intercambiador.

Si cada corriente modifica sus propiedades para aproximarse en un 50 % a las condiciones de entrada de la corriente opuesta, el intercambio cesará cuando se alcance el punto de equilibrio y el gradiente haya disminuido a cero. En el caso de caudales desiguales, la condición de equilibrio se producirá algo más cerca de las condiciones de la corriente con mayor caudal.

Ejemplos de flujo concurrente

Un intercambiador de calor de flujo paralelo es un ejemplo de mecanismo de intercambio de flujo paralelo. Dos tubos contienen un líquido que fluye en la misma dirección. Uno comienza caliente a 60 °C (140 °F) , el segundo frío a 20 °C (68 °F) . Una membrana termoconductora o una sección abierta permite la transferencia de calor entre los dos flujos.    

El fluido caliente calienta al frío, y el fluido frío enfría al caliente. El resultado es el equilibrio térmico: ambos fluidos terminan a una temperatura similar: 40 °C (104 °F) , casi exactamente entre las dos temperaturas iniciales ( 20 °C (68 °F) y 60 °C (140 °F) ). En el extremo de entrada, hay una gran diferencia de temperatura de 40 °C (104 °F) y mucha transferencia de calor; en el extremo de salida, hay una diferencia de temperatura muy pequeña (ambos están a la misma temperatura de 40 °C (104 °F) o cerca de ella), y muy poca transferencia de calor, si es que la hay. Si el equilibrio —donde ambos tubos están a la misma temperatura— se alcanza antes de la salida del líquido de los tubos, no se producirá más transferencia de calor a lo largo del resto de los tubos.          

Un ejemplo similar es el intercambio de concentración en contracorriente. El sistema consta de dos tubos, uno con salmuera (agua salada concentrada) y el otro con agua dulce (con baja concentración de sal), y una membrana semipermeable que permite el paso únicamente de agua entre ambos, en un proceso osmótico . Muchas moléculas de agua pasan del flujo de agua dulce para diluir la salmuera, mientras que la concentración de sal en el agua dulce aumenta constantemente (ya que la sal no sale de este flujo, a diferencia del agua). Esto continuará hasta que ambos flujos alcancen una dilución similar, con una concentración cercana al punto medio entre las dos diluciones originales. Una vez que esto ocurre, no habrá más flujo entre los dos tubos, puesto que ambos se encuentran en una dilución similar y ya no existe presión osmótica .

En el flujo a contracorriente, los dos flujos se mueven en direcciones opuestas.

Dos tubos contienen un líquido que fluye en direcciones opuestas, transfiriendo una propiedad de un tubo al otro. Por ejemplo, esto podría ser la transferencia de calor de un flujo de líquido caliente a uno frío, o la transferencia de la concentración de un soluto disuelto de un flujo de líquido de alta concentración a uno de baja concentración.

El sistema de intercambio a contracorriente puede mantener un gradiente casi constante entre los dos flujos a lo largo de toda su longitud de contacto. Con una longitud suficientemente larga y un caudal suficientemente bajo, esto puede resultar en la transferencia de casi todas las propiedades. Así, por ejemplo, en el caso del intercambio de calor, el líquido de salida tendrá una temperatura casi tan alta como la del líquido de entrada original.

Un circuito de multiplicación a contracorriente es un sistema donde el fluido fluye en un circuito cerrado, de manera que la entrada y la salida presentan concentraciones bajas y similares de una sustancia disuelta, mientras que en el extremo opuesto del circuito se encuentra una alta concentración de dicha sustancia. Un líquido amortiguador entre los tubos de entrada y salida recibe la sustancia concentrada. Los tubos de entrada y salida no se tocan entre sí.

El sistema permite acumular gradualmente una alta concentración, permitiendo una acumulación natural de la concentración hacia la punta dentro del tubo de entrada (por ejemplo, mediante la ósmosis del agua que sale del tubo de entrada y entra en el fluido amortiguador), y el uso de muchas bombas de transporte activo , cada una de las cuales bombea solo contra un gradiente muy pequeño, durante la salida del circuito, devolviendo la concentración dentro del tubo de salida a su concentración original.

El flujo entrante, que comienza con una baja concentración, atraviesa una membrana semipermeable , permitiendo el paso del agua al líquido tampón por ósmosis con un gradiente pequeño. La concentración aumenta gradualmente dentro del circuito hasta alcanzar su valor máximo en el extremo del mismo.

En teoría, podría existir o construirse un sistema similar para el intercambio de calor.

En el ejemplo mostrado en la imagen, el agua entra a 299  mg/L (NaCl/H₂O ₎ . Debido a una pequeña presión osmótica, el agua pasa al líquido tampón, que en este ejemplo tiene una concentración de 300  mg/L (NaCl/H₂O ₎ . Más arriba en el circuito, el agua fluye continuamente desde el tubo hacia el tampón, aumentando gradualmente la concentración de NaCl en el tubo hasta alcanzar los 1199  mg/L en el extremo. La concentración del líquido tampón entre los dos tubos aumenta gradualmente, siempre ligeramente por encima de la del fluido entrante, llegando en este ejemplo a 1200  mg/L. Esto se regula mediante la acción de bombeo en el tubo de retorno, como se explicará a continuación.

La punta del circuito tiene la mayor concentración de sal (NaCl) en el tubo de entrada: en el ejemplo, 1199  mg/L, y en el tampón, 1200  mg/L. El tubo de retorno cuenta con bombas de transporte activo que bombean la sal hacia el tampón cuando la diferencia de concentración es mínima, hasta 200  mg/L mayor que en el tubo. Por lo tanto, frente a los 1000  mg/L del tampón, la concentración en el tubo es de 800 mg/L y solo  se necesitan bombear 200 mg/L. Lo mismo ocurre en cualquier punto del circuito, de modo que a la salida del circuito también solo  se necesitan bombear 200 mg/L.

En efecto, esto puede considerarse un efecto multiplicador gradual; de ahí el nombre del fenómeno: un «multiplicador a contracorriente» o el mecanismo: multiplicación a contracorriente. En términos de ingeniería actual, la multiplicación a contracorriente es cualquier proceso en el que solo se necesita un bombeo ligero, debido a la pequeña diferencia constante de concentración o calor a lo largo del proceso, que aumenta gradualmente hasta su máximo. No es necesario un líquido amortiguador si el efecto deseado es obtener una alta concentración en la tubería de salida. ^{[ 3 ]}

En el riñón

Un circuito de líquido en el asa de Henle —una parte importante de los riñones— permite la acumulación gradual de la concentración de orina en los riñones, mediante el transporte activo en las nefronas salientes (túbulos que transportan líquido en el proceso de concentración gradual de la urea). Las bombas de transporte activo solo necesitan superar un gradiente de concentración constante y bajo, debido al mecanismo multiplicador de contracorriente. ^{[ 4 ]}

Diversas sustancias pasan del líquido que ingresa a las nefronas hasta que sale del bucle (véase el diagrama de flujo de la nefrona). La secuencia de flujo es la siguiente:

• Corpúsculo renal : El líquido ingresa al sistema de nefronas en la cápsula de Bowman . ^{[ 5 ]}
• Túbulo contorneado proximal : Luego puede reabsorber urea en la rama descendente gruesa . ^{[ 6 ]} El agua se elimina de las nefronas por ósmosis (y la glucosa y otros iones se bombean hacia afuera mediante transporte activo ), aumentando gradualmente la concentración en las nefronas. ^{[ 7 ]}
• Asa de Henle descendente: El líquido pasa de la rama descendente delgada a la rama ascendente gruesa. El agua se libera constantemente por ósmosis. ^{[ 8 ]} Gradualmente se produce una acumulación de concentración osmótica, hasta alcanzar los 1200 mOsm en la punta del asa, pero la diferencia a través de la membrana se mantiene pequeña y constante. 

Por ejemplo, el líquido en una sección dentro de la delgada rama descendente tiene una osmolaridad de 400  mOsm, mientras que fuera tiene 401 mOsm. Más abajo en la rama descendente, la concentración interna es de 500 mOsm, mientras que fuera tiene 501 mOsm, por lo que se mantiene una diferencia constante de 1 mOsm a lo largo de toda la membrana, aunque la concentración dentro y fuera aumenta gradualmente.

• Asa ascendente de Henle: después de la punta (o "curvatura") del asa, el líquido fluye por la delgada rama ascendente . ^{[ 9 ]} Los iones de sal ( sodio Na ⁺ y cloruro Cl ⁻⁾ se bombean fuera del líquido ^{[ 10 ]} disminuyendo gradualmente la concentración en el líquido de salida, pero, utilizando el mecanismo multiplicador de contracorriente , siempre bombeando contra una diferencia osmótica constante y pequeña.

Por ejemplo, las bombas en una sección cercana a la curva bombean desde 1000  mOsm dentro de la rama ascendente hasta 1200  mOsm fuera de ella, con una  diferencia de 200 mOsm. Las bombas más arriba en la delgada rama ascendente bombean desde 400  mOsm hacia un líquido a 600  mOsm, por lo que nuevamente la diferencia se mantiene en 200  mOsm desde el interior hacia el exterior, mientras que la concentración tanto dentro como fuera disminuye gradualmente a medida que avanza el flujo de líquido.

El líquido finalmente alcanza una baja concentración de 100 mOsm al salir de la rama ascendente delgada y pasar a través de la rama gruesa ^{[ 11 ].}

• Túbulo contorneado distal : Una vez que abandona el asa de Henle, la rama ascendente gruesa puede reabsorber y volver a aumentar la concentración en las nefronas. ^{[ 12 ]}
• Conducto colector : El conducto colector recibe líquido con una osmolaridad comprendida entre 100  mOsm si no hay reabsorción y 300 mOsm o superior si se utiliza la reabsorción. El conducto colector puede seguir aumentando la concentración si es necesario, bombeando gradualmente los mismos iones que el túbulo contorneado distal, utilizando el mismo gradiente que las ramas ascendentes del asa de Henle y alcanzando la misma concentración. ^{[ 13 ]}
• Uréter: La orina líquida sale por el uréter .
• El mismo principio se utiliza en la hemodiálisis dentro de las máquinas de riñón artificial.

En clima frío, el flujo sanguíneo hacia las extremidades de aves y mamíferos se reduce al exponerse a condiciones ambientales frías, y regresa al tronco a través de las venas profundas que se encuentran junto a las arterias (formando venae comitantes ). ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} Esto actúa como un sistema de intercambio contracorriente que cortocircuita el calor de la sangre arterial directamente a la sangre venosa que regresa al tronco, causando una pérdida mínima de calor de las extremidades en clima frío. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Las venas subcutáneas de las extremidades están fuertemente constreñidas, reduciendo así la pérdida de calor a través de esta ruta y forzando la sangre que regresa de las extremidades a los sistemas de flujo sanguíneo contracorriente en el centro de las extremidades. Las aves y los mamíferos que sumergen regularmente sus extremidades en agua fría o helada poseen sistemas de circulación sanguínea contracorriente particularmente desarrollados en sus extremidades, lo que permite una exposición prolongada de las mismas al frío sin una pérdida significativa de calor corporal, incluso cuando las extremidades son tan delgadas como las patas inferiores, o tarsos , de un ave, por ejemplo. ^{[ 20 ]}

Cuando animales como la tortuga laúd y los delfines se encuentran en aguas más frías a las que no están aclimatados, utilizan este mecanismo CCHE para evitar la pérdida de calor a través de sus aletas , cola y aleta dorsal . Estos sistemas CCHE están formados por una compleja red de plexos venosos periarteriales , o venas comitantes, que recorren la grasa subcutánea desde sus extremidades mínimamente aisladas y sus delgadas protuberancias aerodinámicas. ^{[ 20 ]} Cada plexo consta de una arteria central que contiene sangre caliente del corazón, rodeada por un haz de venas que contienen sangre fría de la superficie corporal. A medida que estos fluidos fluyen uno junto al otro, crean un gradiente térmico en el que el calor se transfiere y se retiene dentro del cuerpo. La sangre arterial caliente transfiere la mayor parte de su calor a la sangre venosa fría que ahora entra desde el exterior. Esto conserva el calor al recircularlo de vuelta al núcleo corporal. Dado que las arterias ceden una buena parte de su calor en este intercambio, se pierde menos calor por convección en la superficie periférica. ^{[ 18 ]}

Otro ejemplo se encuentra en las patas de un zorro ártico que camina sobre la nieve. Las patas están necesariamente frías, pero la sangre puede circular para llevar nutrientes a ellas sin perder mucho calor corporal. La proximidad de las arterias y venas en la pata produce un intercambio de calor, de modo que a medida que la sangre fluye hacia abajo se enfría y no pierde mucho calor en la nieve. A medida que la sangre (fría) regresa desde las patas a través de las venas, absorbe el calor de la sangre que fluye en dirección opuesta, de modo que vuelve al torso en un estado cálido, lo que permite al zorro mantener una temperatura confortable sin perderla en la nieve. Este sistema es tan eficiente que el zorro ártico no comienza a temblar hasta que la temperatura desciende a -70 °C (-94 °F) .  

Se ha descubierto que las aves marinas y del desierto poseen una glándula salina cerca de las fosas nasales que concentra la salmuera, la cual posteriormente expulsan al mar mediante un "estornudo". Esto les permite beber agua de mar sin necesidad de buscar agua dulce. También les permite eliminar el exceso de sal que ingresa al cuerpo al comer, nadar o bucear en busca de alimento. Los riñones no pueden eliminar estas cantidades y concentraciones de sal. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Se ha encontrado la glándula secretora de sal en aves marinas como pelícanos , petreles , albatros , gaviotas y charranes . También se ha hallado en avestruces de Namibia y otras aves del desierto, donde la acumulación de sal se debe a la deshidratación y la escasez de agua potable.

En las aves marinas, la glándula salina se encuentra sobre el pico y conduce a un canal principal situado encima del mismo. El agua se expulsa a través de dos pequeñas fosas nasales en el pico para vaciarlo. La glándula salina cuenta con dos mecanismos de contracorriente:

a. Un sistema de extracción de sal con un mecanismo de multiplicación a contracorriente, donde la sal se bombea activamente desde las vénulas sanguíneas (pequeñas venas) hacia los túbulos glandulares. Aunque el líquido en los túbulos tiene una mayor concentración de sal que la sangre, el flujo se organiza en un intercambio a contracorriente, de modo que la sangre con alta concentración de sal ingresa al sistema cerca de donde los túbulos glandulares salen y se conectan al canal principal. Así, a lo largo de toda la glándula, solo hay un pequeño gradiente que superar para impulsar la sal desde la sangre hacia el líquido salino mediante transporte activo impulsado por ATP .

b. El sistema de suministro de sangre a la glándula está configurado con un mecanismo de circuito de intercambio a contracorriente para mantener la alta concentración de sal en la sangre de la glándula, de modo que no regrese al sistema sanguíneo.

Las glándulas eliminan la sal de manera eficiente y, por lo tanto, permiten que las aves beban el agua salada de su entorno cuando se encuentran a cientos de kilómetros de la costa. ^{[ 24 ] [ 25 ]}