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María José Oliva Rodríguez 201314225 IQ 4 (Transferencia de masa en etapas de equilibrio) Ensayos grupo A: Fundamentos y aplicaciones biológicas.

La concentración La concentración es la magnitud fisico-química que nos permite conocer la proporción entre el soluto y el disolvente en una disolución. Cada sustancia tiene una solubilidad que es la cantidad máxima de soluto que puede mantenerse en disolución, y depende de condiciones como la temperatura , presión, y otras substancias disueltas o en suspensión. En química, para expresar cuantitativamente la proporción cuantitativamente la proporción entre un soluto y el disolvente en una disolución se emplean distintas unidades : 

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Molaridad: Se define la molaridad de una solución como el número de moles del soluto que hay en un litro de disolución. Normalmente es indicado por la letra M.1 Normalidad: Se define como el número de equivalentes gramo de soluto existente en un litro de disolución; generalmente se indica por la letra N 2 Molalidad: Se define como la cantidad de moles del soluto por kg del disolvente; se indica con la letra m Formalidad: Se define como el número de peso-formula gramo por litro de disolución Porcentaje en masa: Se define como la masa de soluto (sustancia que se disuelve) por cada 100 unidades de masa de la disolución Porcentaje en volumen: Se define como la masa de soluto (sustancia que se disuelve) por cada 100 unidades de masa de la disolución Fracción molar: Se define como el número de moles de una especie de una disolución dividió por el numero toral de moles de la disolución 3

Concentraciones pequeñas Para expresar concentraciones muy pequeñas, trazas de una sustancia muy diluida en otra,es común emplear las relaciones partes por millón (ppm), partes por "billón"(ppb) y partes por "trillón" (ppt) .

1 M. J. Sienko “Problemas de química” Cornell University, Editorial Reverte Venezolana S. A 2 Ibidem 3 Ibidem

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Transferencia de masa en aplicaciones biomédicas La separación en los procesos de membrana es el resultado de las diferencias en las velocidades de transporte de las especies químicas a través de la interfase. La velocidad de transporte y por tanto, la magnitud del flujo, viene determinada por la fuerza o fuerzas que actúan sobre los componentes individuales y de su movilidad y concentración en la interfase. La movilidad depende del tamaño molecular del soluto y de la estructura física de la membrana (dureza, cristalinidad, flexibilidad de la cadena del polímero, tamaño del poro, etc.) y la concentración del soluto en la interfase depende fundamentalmente de la compatibilidad química del soluto y del material de la interfase.4 Por este fenómeno de transporte de dan muchas aplicaciones en la biomedicina de las cuales dos fácilmente conocidas son la diálisis y la hemodiálisis. Estas se dan por procesos de osmosis, dados por el fenómeno de transporte de la transferencia de masa en el cuerpo. Diálisis        

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Es la separación de partículas coloidales por medio de una membrana semipermeable. Las partículas en solución pueden pasar a través de membranas semipermeables en tanto que las partículas coloidales no. Suponga que una suspensión de almidón coloidal y una solución de NaCl son colocadas dentro de la membrana que esta dentro de un vaso de precipitados con agua. El almidón es un coloide que no puede pasar a través de la membrana. La sal está en solución y sí puede atravesar la membrana, esto es un ejemplo de difusión. La sal continúa pasando a través de la membrana hasta que su concentración sea igual dentro y fuera de la misma. Cuando se igualan las concentraciones, ya no se puede remover más sal de la mezcla dentro de la membrana. Si la membrana es suspendida en una corriente de agua, toda la sal puede ser removida de la parte interna de la membrana dejando únicamente almidón. Esto se conoce con el nombre de Diálisis, o sea la separación de un coloide por medio de una membrana. Las antitoxinas son preparadas por este método, colocando el material impuro dentro de una membrana suspendida en una corriente de agua. Las impurezas solubles fluyen hacia afuera de la membrana y la antitoxina pura dentro.

4 Aguilar Peris, Jose “Fenómenos de transporte a través de membranas” Universidad Complutense, Madrid.

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El mismo proceso es utilizado para preparar leche de bajo contenido de sodio. La leche es colocada en una membrana suspendida en una corriente de agua. La sal (NaCl) deja la leche de tal manera que el líquido remanente queda prácticamente libre de compuestos de sodio.

Hemodiálisis    

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Se refiere a la remoción de productos solubles de desecho del flujo sanguíneo, por medio de una membrana. La purificación de la sangre puede realizarse por éste medio porque las partículas solubles se pueden difundir a través de membranas dializadoras mientras que las células de la sangre y las proteínas del plasma no. Cuando un paciente tiene problemas de excreción renal se puede utilizar una máquina que es un riñón artificial. Esta máquina aplica los principios de la hemodiálisis. Para llevar a cabo la hemodiálisis se utiliza una máquina de diálisis y un filtro especial, denominado riñón artificial o dializador, con el objetivo de limpiar la sangre. Para poder llevar la sangre al dializador, el médico tiene que establecer un acceso o entrada a los vasos sanguíneos, lo que requiere una intervención de cirugía menor, que generalmente se lleva a cabo en el brazo, pero en casos de extrema urgencia se coloca un catéter en una vena grande del cuello o debajo de la clavícula y llega al corazón con el fin de obtener un flujo sanguíneo adecuado para realizar una hemodiálisis eficaz. Un acceso denominado fístula, que se realiza uniendo una arteria con una vena cercana, debajo de la piel para formar un vaso sanguíneo más grande, presenta menos complicaciones y dura más tiempo. El segundo tipo de acceso disponible, denominado injerto, se utiliza en caso de que los vasos sanguíneos no sean adecuados para hacer una fístula. Otro tipo de acceso se denomina catéter, el cual puede ser introducido en una vena grande del cuello o del tórax. En general, este tipo de acceso se utiliza durante un corto tiempo, pero en algunos casos puede ser utilizado como acceso permanente. Los catéteres se pueden conectar directamente a los tubos que van a la máquina de diálisis, por lo tanto no se usan agujas. El dializador o filtro se compone de dos partes: una para la sangre y la otra para un líquido de lavado que se denomina dializado. Una membrana de poco espesor separa las dos partes. Los glóbulos rojos y blancos de la sangre, las proteínas y otros elementos importantes permanecen en la sangre porque son demasiado grandes para pasar a través de la membrana. Los productos de desecho más pequeños que se encuentran en la sangre, tales como la urea, la creatinina, el potasio y el líquido en exceso, pasan a través de la membrana y son eliminados por el lavado. El tamaño de ciertas sustancias contenidas en la sangre determina si se pueden eliminar. El agua, la urea y la creatinina son suficientemente pequeñas como para que se puedan filtrar. La proteína y los glóbulos de la

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sangre no lo son. Se pueden efectuar cambios en el líquido del dializado para adaptarlo a las necesidades especiales.

Difusión molecular en sistemas biológicos (Bioprocesos) Los fenómenos de transporte tienen lugar en los procesos, conocidos como de transferencia, en los cuales se establece el movimiento de una propiedad (masa, momento o energía) en una o varias direcciones bajo la acción de una fuerza impulsora. Al movimiento de una propiedad se le llama flujo La transferencia de masa por difusión molecular es el tránsito de la misma como resultado de una diferencia de concentración en una mezcla Difusión Molecular: Proceso físico irreversible, en el que las moléculas se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente bajo la influencia de una diferencia de concentración en el sistema. La concentración de la especie A disminuye con X. La concentración de la especie B aumenta con X. La difusión molecular es el movimiento de las moléculas de los componentes de una mezcla producida por la diferencia de concentración existente en el sistema. La difusión de las moléculas se produce en la dirección necesaria para eliminar el gradiente de concentración. Si se mantiene el gradiente añadiendo continuamente material nuevo a la región de la alta concentración y eliminándolo de la región de baja concentración, la difusión será continua. Importancia de la difusión en el bioproceso 

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Escala de mezclado: La turbulencia en los fluidos produce una mezcla en el seno del fluido a una escala igual a la de los remolinos más pequeños. Dentro de estos pequeños remolinos el flujo es fundamentalmente laminar por lo que la mezcla se produce por difusión de los componentes del fluido. La mezcla a escala molecular se debe, por tanto, a la difusión como etapa final en el proceso de mezcla. Reacción en fase sólida: En los sistemas biológicos, las reacciones se ven algunas veces agilizadas por catalizadores sólidos, como por ejemplo agregados, flóculos y películas de células así como partículas de células o enzimas inmovilizadas. Cuando se juntan las moléculas de las células o de las enzimas en una partícula sólida, los sutratos deben ser transportados dentro del sólido para que se produzca la reacción. En estos casos, la trasferencia de materia en el interior de las partículas sólidas no se produce por convección del fluido sino por difusión molecular. A medida que

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transcurre la reacción, la difusión es también la responsable de la salida de las moléculas de producto hacia el exterior del lugar de reacción. Cuando reacción y difusión van unidas, la velocidad glbal de reacción puede reducirse considerablemente si la difusión es lenta. Transferencia de materia a través de una interfase: En el bioprocesado es habitual la transferencia de materia entre diferentes fases. Ejemplos típicos son la transferencia de oxígeno desde las burbujas de gas hacia el caldo de fermentación, la recuperación de la penicilina de un líquido orgánico o acuoso, y la transferencia de glucosa desde el medio líquido hacia los pellets. Cuando entran en contacto diferentes fases, la velocidad del fluido cerca de la interfase disminuye considerablemente y la difusión llega a ser un proceso crucial para la transferencia de materia.

La transferencia entre un líquido en movimiento y un sólido es importante en una variedad de aplicaciones en bioprocesos.  

Adsorción de moléculas en superficies, como en la cromatografía. En la cristalización donde las moléculas se mueven desde el líquido a la parte sólida del cristal en crecimiento.

La transferencia de masa líquido-líquido entre solventes inmiscibles es común en las etapas de los bioprocesos de recuperación:   

Aislar antibióticos, esteroides y alcaloides de los caldos de fermentación. Sistemas de dos fases son utilizados en la purificación de proteínas. Donde se utilizan hidrocarburos como sustratos en fermentación, p.e, en la producción de proteína unicelular o biomasa a partir de algas.

La transferencia de masa gas-líquido es importante en los bioprocesos en el caso de requerimiento de oxígeno (fermentaciones aerobias).

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Transferencia de masa en aplicaciones para el medio ambiente Es importante establecer que la existencia de transferencia de masa en el medio ambiente es innumerable y que las aplicaciones que se pueden generar para apoyar este ámbito solo son limitadas por la propia perspicacia del científico. En el medioambiente la transferencia de masa se presenta en la evaporación de agua de las lagunas para incrementar la humedad de la corriente de aire que pasa sobre ellas, en la transpiración de las plantas, en la difusión de impurezas tanto en ríos, lagos, océanos, etc. En general cada fluido que contenga una diferencia de concentración experimenta la transferencia de masa formando ésta parte general del medio ambiente. El desarrollo de operaciones y procesos que apliquen la transferencia de masa para purificar o ayudar al medio ambiente es un proceso interesante que se lleva a cabo de distintas maneras. La purificación del aire. Este proceso se lleva a cabo mediante una membrana microscópica que permite el paso molecular concerniente al aire pero que restringe el paso de impurezas que se pudiesen tener disueltas en la masa del aire, de esta forma se utiliza la transferencia de masa para purificar el aire. Otra operación que se utiliza para el beneficio del medio ambiente es la que concierne a la osmosis inversa en al cual se pretende la desalinización del agua de mar. El proceso es de gran apoyo a la humanidad y a la naturaleza ya que se obtiene agua con un nivel de potabilidad. Junto con esto se puede dar la potabilización del agua. Existen distintos métodos que se emplean habitualmente en la purificación de agua. Su efectividad depende del tipo de contaminante tratado y del tipo de aplicación en la que se va a utilizar el agua:  Filtrado grueso: también llamado filtrado de partículas, puede utilizar desde un filtro de arena de 1 mm hasta un filtro de cartucho de 1 micra.  Microfiltrado: utiliza dispositivos de 1 a 0,1 micras para filtrar las bacterias. Una implementación habitual de esta técnica se encuentra en el proceso de elaboración de cerveza.  Ultrafiltrado: elimina pirógenos, endotoxinas y fragmentos de ADN y ADR.

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Ósmosis inversa (OI): la ósmosis inversa es el grado más refinado de filtrado de líquidos. En lugar de un filtro, se utiliza un material poroso que actúa como tamiz unidireccional para separar partículas de tamaño molecular. Destilación: el método de purificación más antiguo. Es un método asequible, pero no puede utilizarse para un proceso bajo demanda. El agua debe destilarse y, a continuación, almacenarse para usarse después, con lo que puede volver a contaminarse si no se almacena correctamente. Adsorción de carbono activado: funciona como un imán para el cloro y los compuestos orgánicos. Radiación ultravioleta: con una longitud de onda determinada, permite esterilizar las bacterias y descomponer otros microorganismos. Desionización: también llamada intercambio de iones, se utiliza para producir agua purificada bajo demanda haciéndola pasar a través de capas de resina. La resina con carga negativa (catiónica) elimina los iones positivos, mientras que la resina con carga positiva (aniónica) elimina los iones negativos. La supervisión y el mantenimiento continuo de los cartuchos producen el agua más pura.

 Tambien de manera muy importante se da el lixiviado, esto ayuda al medio ambiente dado a que es un proceso de transformación de los restos en compost, la materia orgánica se degrada formando un fertilizante líquido orgánico5

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Roger Ivan Méndez Novelo, “TRATAMIENTO FISICOQUÍMICO DE LIXIVIADOS DEL RELLENO SANITARIO DE LA CIUDAD DE MÉRIDA, YUCATÁN, MÉXICO”

Disponible en: http://www.bvsde.paho.org/bvsAIDIS/PuertoRico29/novelo.pdf