Membrana semipermeable

Una bicapa de fosfolípidos es un ejemplo de membrana semipermeable biológica. Consiste en dos capas paralelas y opuestas de fosfolípidos dispuestos uniformemente . 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 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 hidrofílicas ), las cabezas de fosfato se ensamblan a lo largo de las superficies externa e interna de la membrana plasmática, y las colas hidrofóbicas son la capa oculta en el interior de la membrana. Las moléculas de colesterol también se encuentran a lo largo de la membrana plasmática y actúan como un amortiguador de la fluidez de la membrana . ^{[ 3 ]} La bicapa de fosfolípidos es más permeable a solutos pequeños y sin carga . Los canales proteicos están incrustados en los fosfolípidos o los atraviesan, ^{[ 4 ]} y, en conjunto, este modelo se conoce como el modelo de mosaico fluido . Las acuaporinas son poros de canales proteicos permeables al agua.

La información también puede atravesar la membrana plasmática cuando las moléculas de señalización se unen a los receptores en la membrana celular. Estas moléculas se unen a los receptores, lo que altera la estructura de dichas proteínas. ^{[ 5 ]} Un cambio en la estructura proteica inicia una cascada de señalización. ^{[ 5 ]} La señalización de receptores acoplados a proteínas G es un subconjunto importante de estos 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 concentran más o menos, la presión osmótica provoca que el agua entre o salga 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 su ADN y sistemas proteicos y el correcto ensamblaje de su membrana plasmática. ^{[ 9 ]} Esto puede conducir a un choque osmótico y a la muerte celular . La osmorregulación es el método mediante el cual las células contrarrestan el estrés osmótico e incluye transportadores osmosensoriales en la membrana que permiten que el K+ ^{[ nota 1 ]} y otras moléculas fluyan a través de la membrana. ^{[ 8 ]}

El flujo masivo de agua a través de una membrana semipermeable debido a una diferencia de presión osmótica se denomina ósmosis . Este proceso permite el paso únicamente de ciertas partículas, incluido el agua, dejando atrás los solutos, como la sal y otros contaminantes. En el proceso de ósmosis inversa , el agua se purifica aplicando alta presión a una solución, lo que impulsa 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 pilas de combustible. En esencia, un material TFC es un tamiz molecular construido en forma de película a partir de dos o más capas de materiales. Sidney Loeb y Srinivasa Sourirajan inventaron la primera membrana semipermeable sintética práctica. ^{[ 12 ]} Las membranas utilizadas en la ósmosis inversa están, en general, hechas de poliamida , elegida principalmente por su permeabilidad al agua y su relativa impermeabilidad a varias impurezas disueltas, incluidos iones de sal y otras moléculas pequeñas que no se pueden filtrar.

Regeneración de membranas de ósmosis inversa

Los módulos de membrana de ósmosis inversa tienen una vida útil limitada. Diversos estudios se han centrado en mejorar el rendimiento del proceso y prolongar 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 suele limitarse a entre cinco y siete años.

Los módulos de membrana de ósmosis inversa (OI) desechados se clasifican actualmente en todo el mundo como residuos sólidos inertes y suelen acabar en vertederos, con una reutilización limitada. Se estima que la masa de membranas desechadas anualmente en todo el mundo alcanza las 12 000 toneladas. Al ritmo actual, la eliminación de módulos de OI representa un impacto ambiental negativo significativo y creciente, lo que hace necesario limitar su desecho directo.

Las membranas de ósmosis inversa (OI) desechadas de las operaciones de desalinización podrían reciclarse para otros procesos que no requieren los criterios de filtración intensivos de la desalinización; podrían utilizarse en aplicaciones que requieren membranas de nanofiltración (NF). ^{[ 13 ]}

Pasos del proceso de regeneración

1. Tratamiento químico

Procedimientos químicos destinados a eliminar la suciedad de la membrana usada; 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 agentes químicos: inmersión simple, recirculación del agente de limpieza o inmersión en un baño de ultrasonidos.

2. Tratamiento oxidativo

Este paso consiste en exponer la membrana a soluciones oxidantes para eliminar su densa capa activa de poliamida aromática y convertirla posteriormente en 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 la incrustación orgánica y biológica de las membranas de ósmosis inversa y, además, desinfectan la superficie de la membrana, previniendo el crecimiento de bacterias y otros microorganismos.

El hipoclorito de sodio es el agente oxidante más eficiente en función de la permeabilidad y la capacidad de rechazo de sales de la solución.

Los tubos de diálisis se utilizan en la hemodiálisis para purificar la sangre en casos de insuficiencia renal . Estos tubos emplean 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, modifican la velocidad y la naturaleza de las moléculas eliminadas. Tradicionalmente, se utilizaban membranas de celulosa , pero estas podían provocar respuestas inflamatorias en los pacientes. Se han desarrollado membranas sintéticas que son más biocompatibles y generan menos respuestas inflamatorias. ^{[ 16 ]} Sin embargo, a pesar de la mayor biocompatibilidad, las membranas sintéticas no se han asociado con una menor mortalidad. ^{[ 15 ]}