La concentracin

La concentracin se define como la cantidad de un producto por unidad de

volumen. Puede decirse que el flujo de un producto siempre se presenta en la

direccin de la concentracin decreciente, es decir, desde una regin de alta

concentracin hacia una regin de baja concentracin. Una diferencia de

concentraciones en un sistema, forzara el flujo del producto desde la regin de alta

concentracin hacia la de baja; de forma que se logre equilibrar el sistema.

En trminos qumicos, puede definirse a la concentracin de una solucin

como la proporcin que hay entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente.

Existen varias formas de expresar la concentracin, sin embargo, una de las ms

comunes es la concentracin de masa en una mezcla; en donde la sumatoria de

todas las concentraciones en masa es igual a la densidad total.

Entre otras formas de presentar la concentracin esta la relacin masa-

masa que hace referencia a la relacin masa de soluto/masa de una solucin, de

una sustancia en una mezcla o de un elemento en un compuesto qumico. Otra

variacin de esta representacin es el porcentaje v/v que hace referencia a la

cantidad de volumen de una especie que hay en la disolucin respecto a la

cantidad de volumen total de la muestra, en trminos porcentuales.

Sin embargo, entre las expresiones ms comunes y utilizadas actualmente

para la concentracin se encuentra la molaridad y la fraccin molar. La

concentracin molar de tiene unidades de mol/unidad de volumen, y caracteriza a

cada especie en la solucin.

Por su parte la fraccin molar es una unidad qumica usada para expresar la

concentracin de soluto en solvente. Nos expresa la proporcin en que se

encuentran los moles de soluto con respecto a los moles totales de solucin y la

suma de todas las fracciones molares siempre es igual a la unidad.

En sistemas biolgicos la concentracin se expresa, generalmente, en partes

por milln, billn o trilln. Esto debido a que se trata de concentraciones muy

pequeas, en general, se refiere a la cantidad de unidades de una determinada

sustancia que hay por cada milln, billn o trilln de unidades del conjunto. Estas

expresiones son una analoga del porcentaje segn sea el caso.

Transferencia de masa en aplicaciones

para el medio ambiente

Los conocimientos respecto a los procesos de transferencia de masa han

sido extendidos y aplicados a diversos campos de ciencia e ingeniera en los

ltimos aos. Debido a que la transferencia de masa es un fenmeno muy

importante juega un papel significativo en la investigacin y aplicacin de nuevas

tcnicas de impacto ambiental.

La tendencias emergentes en ingeniera ambiental y anlisis de biosistemas

indican que un medio ambiente seguro, limpio y sano es posible

independientemente de la creciente bsqueda de tecnologas e industrializacin de

la dinmica sociedad actual. Es por eso que se ha innovado en algunos campos de

la ciencia que hagan posible un medio ambiente ms sano.

1. Transferencia de masa en el tratamiento de aguas

La demanda de agua potable para las actividades de pesca, recreacin, etc.

y su posible falta de disponibilidad, ha causado que la atencin de muchos se

enfoque hacia la recuperacin y reutilizacin de aguas residuales.

La adsorcin, es uno de los procedimientos que se ha llevado acabo de

forma efectiva en el tratamiento de agua el uso de materiales adsorbentes ha

servido como la superficie slida sobre la que las molculas de la adsorbatos

tales como compuestos orgnicos, metales pesados, se adhieren.

La eliminacin de solutos contaminantes del ambiente no se ha logrado

efectivamente por mtodos tradicionales. Por lo tanto, la tecnologa de

adsorcin se ha convertido en un mtodo factible y eficaz para la eliminacin

de contaminantes presentes en el agua. Los carbones activados son el

adsorbente ms comnmente utilizado en el proceso de adsorcin debido a su

alta capacidad de adsorcin, gran rea superficial y un alto grado de

reactividad de la superficie.

La influencia de la variacin en las condiciones del proceso tales como la

concentracin, la dosis de adsorbente, el tiempo de agitacin y el tamao de

partcula, pH, y la concentracin inicial de soluto se analizaron para resaltar las

contribuciones de transferencia de masa en el tratamiento de agua

contaminada. En las condiciones de funcionamiento especificadas

anteriormente los resultados experimentales y de laboratorio han demostrado

que la eficiencia de eliminacin por adsorcin incrementa al aumentar la dosis

de adsorbente, el tiempo de contacto y la concentracin inicial del soluto, sin

embargo, disminuye al incrementar el tamao de la partcula.

En general, la discusin sobre el tema en cuestin indica que la

transferencia de masa se evala por la tasa de adsorcin / desorcin y hay que

destacar que se trata tanto de la medida concentracin del soluto con el tiempo

y el mecanismo de distribucin de los solutos en superficies y poros del medio

adsorbente individual.

Difusio n molecular en sistemas

biolo gicos

La difusin molecular es el movimiento de las molculas de los componentes

de una mezcla producida por la diferencia de concentracin existente en el

sistema. La difusin de las molculas se produce en la direccin necesaria para

eliminar el gradiente de concentracin. Si se mantiene el gradiente aadiendo

continuamente material nuevo a la regin de la alta concentracin y eliminndolo

de la regin de baja concentracin, la difusin ser continua. Ello se presenta a

menudo en las operaciones de transferencia de materia y en sistemas de reaccin.

En los sistemas biolgicos, las reacciones se ven algunas veces agilizadas

por catalizadores slidos, como por ejemplo agregados, fculos y pelculas de

clulas as como partculas de clulas o enzimas inmovilizadas. Cuando se juntan

las molculas de las clulas o de las enzimas en una partcula slida, los sustratos

deben ser transportados dentro del slido para que se produzca la reaccin. En

estos casos, la trasferencia de materia en el interior de las partculas slidas no se

produce por conveccin del fluido sino por difusin molecular.

A medida que transcurre la reaccin, la difusin es tambin la responsable

de la salida de las molculas de producto hacia el exterior del lugar de reaccin.

Cuando reaccin y difusin van unidas, la velocidad global de reaccin puede

reducirse considerablemente si la difusin es lenta.

En los bioprocesos es habitual la transferencia de materia entre diferentes

fases. Ejemplos tpicos son la transferencia de oxgeno desde las burbujas de gas

hacia el caldo de fermentacin, la recuperacin de la penicilina de un lquido

orgnico o acuoso, y la transferencia de glucosa desde el medio lquido hacia los

pellets. Cuando entran en contacto diferentes fases, la velocidad del fluido cerca

de la interface disminuye considerablemente y la difusin llega a ser un proceso

crucial para la transferencia de materia.

Entre los principales ejemplos de la difusin molecular en bioprocesos se

encuentra:

Suministro de oxgeno en reactores aerobios: En el reactor se

produce la transformacin de los nutrientes en tejido celular y

diversos gases. La demanda de oxigeno se atiende mediante

difusores o aireadores mecnicos.

Extraccin de penicilina del licor de fermentacin utilizando solventes

orgnicos como el acetato de butilo.

1. Difusin simple: Es el paso de pequeas molculas a favor del gradiente; puede

realizarse a travs de la bicapa lipdica o a travs de canales proteicos.

1.1. Difusin simple a travs de la bicapa: As entran molculas lipdicas como

las hormonas esteroideas, anestsicos como el ter y frmacos

liposolubles. Y sustancias apolares como el oxgeno y el nitrgeno

atmosfrico. Algunas molculas polares de muy pequeo tamao, como el

agua, el CO2, el etanol y la glicerina, tambin atraviesan la membrana por

difusin simple. La difusin del agua recibe el nombre de smosis.

1.2. Difusin simple a travs de canales: Se realiza mediante las denominadas

protenas de canal. As entran iones como el Na+, K+, Ca2+, Cl-. Las

protenas de canal son protenas con un orificio o canal interno, cuya

apertura est regulada, por ejemplo por ligando, como ocurre con

neurotransmisores u hormonas, que se unen a una determinada regin, el

receptor de la protena de canal, que sufre una transformacin estructural

que induce la apertura del canal.

Transferencia de masa en aplicaciones biome dicas

Junto a las aplicaciones en las que los hidrogeles se usan para mantener la

humedad de la tierra cultivada, como materiales absorbentes (paales),

membranas, recubrimientos, micro cpsulas, productos auxiliares para la industria

del papel, soportes para catalizadores, ligantes de productos farmacuticos,

aislamiento y fragmentacin de biopolmeros y anlisis, destacan aquellas que

podemos enmarcar dentro del campo de la biomedicina. Este uso implica el

cumplimiento de una serie de requisitos como son biocompatibilidad con los

tejidos, inalterabilidad frente a procesos degradativos.

1. Sistemas controlados por difusin. El control de la cantidad de producto

bioactivo que llega a una zona determinada de aplicacin, se realiza mediante

un fenmeno de difusin del compuesto directamente a travs de la estructura

molecular de un polmero, o bien a travs de macro o microporos que existen

en la estructura del polmero. El caso ms frecuente es aquel en el que el

control por difusin es una combinacin de esos dos mecanismos. Los sistemas

que controlan la dosificacin de frmacos por un mecanismo de difusin

pueden presentarse en dos formas bien diferenciadas:

1.1. Sistemas con un ncleo interno que contiene al frmaco. Estos sistemas

estn constituidos por un ncleo central que contiene el frmaco que se

quiere liberar rodeado por una membrana polmera delgada, homognea y

no porosa, la cual puede hincharse o no en el medio biolgico donde se

aplica.

El principio activo est contenido en el interior de una capa de polmero

que controla la velocidad de salida. El transporte del frmaco desde el

depsito interno hasta el medio exterior tiene lugar mediante un

mecanismo de disolucin del soluto en la interface soluto/polmero y una

posterior difusin molecular del soluto hacia el exterior, a travs de los

segmentos macromoleculares, bajo la influencia de un gradiente de

concentracin que sigue la primera ley de Fick.

La liberacin o salida del frmaco es proporcional al tiempo y puede

controlarse ajustando la geometra del artificio empleado (cpsulas, micro

cpsulas, fibras huecas, liposomas, membranas, etc.), el espesor de la

membrana, la diferencia de concentracin a travs de la membrana, las

caractersticas termodinmicas del sistema (coeficiente de particin) y la

estructura del polmero (coeficiente de difusin del soluto).

Aunque estos sistemas pueden ser, al menos tericamente, capaces de

liberar el agente bioactivo a velocidad constante, en la prctica existen

diversos factores que pueden dar lugar a desviaciones importantes de este

comportamiento.

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