8.6: Ósmosis Inversa

Objetivos de aprendizaje

• ¿Qué es la ósmosis inversa y cuál es su principal aplicación?
• Explicar el papel de la presión osmótica en la conservación de alimentos, y dar un ejemplo.
• Describir el papel que juega la ósmosis en el aumento del agua en las plantas (¿dónde está la membrana semipermeable?) , y por qué no puede ser la única causa en árboles muy altos.

Si se necesita una presión de\(Π\) atm para lograr el equilibrio osmótico, entonces se deduce que aplicar una presión hidrostática mayor que esta al lado de alto soluto de una celda osmótica obligará al agua a fluir de nuevo al lado del agua dulce. Este proceso, conocido como ósmosis inversa, es ahora la principal tecnología empleada para desalar el agua del océano y recuperar agua “usada” de plantas de energía, escorrentía e incluso de aguas residuales. También es ampliamente utilizado para desionizar el agua ordinaria y purificarla para usos industriales (especialmente la fabricación de bebidas y alimentos) y para beber.

El pretratamiento comúnmente emplea filtración de carbón activado para eliminar los orgánicos y el cloro (que tiende a dañar las membranas de RO). Aunque las bacterias no pueden pasar a través de membranas semipermeables, estas últimas pueden desarrollar fugas estenopeicas, por lo que a menudo se recomienda alguna forma de desinfección. La eficiencia y el costo o RO dependen críticamente de las propiedades de la membrana semipermeable.

(izquierda) Las plantas de RO a gran escala utilizan múltiples cartuchos de membrana. Este, en Tampa Bay FL, suministra agua potable desalada a 2.4 millones de residentes. (derecha) Muchas unidades de RO más pequeñas, adecuadas para uso doméstico, pueden caber debajo del fregadero de la cocina.

Generación osmótica de energía eléctrica

La presión osmótica del agua de mar es de casi 26 atm. Dado que una presión de 1 atm soportará una columna de agua de 10.6 m de altura, esto significa que el flujo osmótico de agua dulce a través de una membrana semipermeable hacia el agua de mar podría en principio soportar una columna de esta última en 26 x 10.3 = ¡276 m (904 pies)!

Así que imagina una célula osmótica en la que a un lado se le suministra agua dulce de un río, y al otro lado con agua de mar. El flujo osmótico de agua dulce hacia el lado del agua de mar obliga a esta última a través de un elevador que contiene una turbina conectada a un generador, proporcionando así una fuente de electricidad constante y sin combustible. El componente clave de dicho esquema, propuesto por primera vez por un científico israelí en 1973 y conocido como ósmosis retardada por presión (PRO) es, por supuesto, una membrana semipermeable capaz de pasar agua a una velocidad suficientemente alta.

La primera planta experimental PRO del mundo se inauguró en 2009 en Noruega. Su capacidad es de solo 4 kW, pero sirve como prueba en principio de un esquema que se estima capaz de suministrar hasta 2000 teravatios-hora de energía en todo el mundo. La membrana semipermeable opera a una presión de aproximadamente 10 atm y pasa 10 L de agua por segundo, generando aproximadamente 1 vatio por m ² de membrana. PRO es solo una forma de poder de gradiente de salinidad que depende de la diferencia entre las concentraciones de sal en diferentes cuerpos de agua.

1 atm equivale a 1034 g cm ^—2, así que de la densidad del agua obtenemos (1034 g cm ^—2) ÷ (1 g cm ^—3) = 1034 cm = 10.3 m.

Osmosis en Biología y Fisiología

Debido a que muchas membranas y tejidos celulares vegetales y animales tienden a ser permeables al agua y otras moléculas pequeñas, el flujo osmótico juega un papel esencial en muchos procesos fisiológicos.

Solución salina normal

Los interiores de las células contienen sales y otros solutos que diluyen el agua intracelular. Si la membrana celular es permeable al agua, la colocación de la célula en contacto con agua pura atraerá agua hacia la celda, tendiendo a romperla. Esto se ve fácil y dramáticamente si los glóbulos rojos se colocan en una gota de agua y se observan a través de un microscopio a medida que estallan. Esta es la razón por la que se administra “solución salina normal”, en lugar de agua pura, para mantener el volumen sanguíneo o infundir agentes terapéuticos durante los procedimientos médicos.

Para evitar la irritación de las membranas sensibles, siempre se debe agregar algo de sal al agua utilizada para irrigar los ojos, la nariz, la garganta o los intestinos. La solución salina normal contiene 0.91% p/v de cloruro de sodio, correspondiente a 0.154 M, haciendo que su presión osmótica sea cercana a la de la sangre.

Conservación de alimentos

El secado de la fruta, el uso del azúcar para conservar mermeladas y jaleas, y el uso de sal para conservar ciertas carnes, son métodos milenarios para conservar los alimentos. La idea es reducir la concentración de agua a un nivel inferior al de los organismos vivos. Cualquier célula bacteriana que deambula en dicho medio tendrá agua sacada osmóticamente de él, y morirá de deshidratación. Un efecto similar es notado por cualquiera que sostenga un caramelo de azúcar duro contra la pared interna de la boca durante un tiempo prolongado; la superficie afectada se deshidrata y notablemente áspera al tocarla la lengua.

En la industria alimentaria, lo que se conoce como actividad del agua se mide en una escala de 0 a 1, donde 0 indica que no hay agua y 1 indica toda el agua. Los microorganismos de deterioro de los alimentos, en general, se inhiben en los alimentos donde la actividad del agua está por debajo de 0.6. Sin embargo, si el pH del alimento es inferior a 4.6, los microorganismos se inhiben (pero no se matan inmediatamente) cuando la actividad del agua está por debajo de 0.85.

Diarrea

La presencia de solutos excesivos en el intestino extrae agua de las paredes intestinales, dando lugar a diarrea. Esto puede ocurrir cuando se come un alimento que no se puede digerir adecuadamente (como, por ejemplo, la leche en personas intolerantes a la lactosa). El material no digerido contribuye a la concentración de soluto, elevando su presión osmótica. La situación se agrava aún más si el material se somete a fermentación bacteriana que resulta en la formación de metano y dióxido de carbono, produciendo una descarga espumosa.

Transporte de Agua en Plantas

El flujo osmótico juega un papel importante en el transporte de agua desde su fuente en el suelo hasta su liberación por transpiración de las hojas, es ayudado por las fuerzas de enlace de hidrógeno entre las moléculas de agua. No se cree que el aumento capilar sea un factor significativo.

El agua ingresa a las raíces por ósmosis, impulsada por la baja concentración de agua dentro de las raíces que se mantiene tanto por el transporte activo [no osmótico] de nutrientes iónicos desde el suelo como por el suministro de azúcares que se fotosintetizan en las hojas. Esto genera una cierta cantidad de presión radicular que envía las moléculas de agua en su camino hacia arriba a través de los canales vasculares del tallo o tronco. Pero las presiones máximas de las raíces que se han medido pueden empujar el agua hacia arriba sólo unos 20 metros, mientras que los árboles más altos superan los 100 metros. La presión radicular puede ser el único impulsor del transporte de agua en plantas cortas, o incluso en plantas altas como árboles que no están en hoja. ¡Cualquiera que haya visto plantas aparentemente tiernas y frágiles empujándose hacia arriba a través del pavimento asfáltico no puede dejar de impresionarse!

Pero cuando las plantas más altas están transpirando activamente (perdiendo agua a la atmósfera), la ósmosis recibe un impulso de lo que los fisiólogos de las plantas llaman tensión de cohesión o atracción transpiracional. A medida que cada molécula H ₂ O emerge de la abertura en la hoja, tira a lo largo de la cadena de moléculas debajo de ella. Por lo tanto, los enlaces de hidrógeno no son menos importantes que la ósmosis en el proceso general de transporte de agua. Si el suelo se vuelve seco o salino, la presión osmótica fuera de la raíz se vuelve mayor que la del interior de la planta, y la planta sufre de “tensión hídrica”, es decir, marchitamiento.

¿Los peces beben agua? ¿Orinan?

La siguiente sección es un poco larga, pero para quienes están interesados en la biología ofrece un hermoso ejemplo de cómo las limitaciones impuestas por la ósmosis han guiado la evolución de los seres vivos oceánicos hacia especies de agua dulce. Se refiere al amoníaco NH ₃, producto del metabolismo proteico que se genera dentro de todos los animales, pero es altamente tóxico y debe ser eliminado.

Los invertebrados marinos (los que viven en el agua de mar) están cubiertos de membranas que son bastante permeables al agua y a pequeñas moléculas como el amoníaco. Por lo tanto, el agua puede difundirse en cualquier dirección según sea necesario, y el amoníaco puede difundirse tan rápido como se forme. Aquí no hay nada especial.

Los invertebrados que viven en agua dulce sí tienen problemas: las concentraciones de sal dentro de sus cuerpos rondan el 1%, mucho mayores que en el agua dulce. Por esta razón han evolucionado membranas circundantes que son en gran parte impermeables a las sales (para evitar su difusión fuera del cuerpo) y al agua (para evitar el flujo osmótico en la entrada). Pero estos organismos también deben poder intercambiar oxígeno y dióxido de carbono con su entorno. Los órganos respiratorios especiales (branquias) que median este proceso, como consecuencia de ser permeables a estos dos gases, también permitirán el paso de moléculas de agua (cuyos tamaños son comparables a los de los gases respiratorios). Con el fin de proteger a los invertebrados de agua dulce de los efectos desastrosos de la entrada ilimitada de agua a través de las membranas branquiales, estos animales poseen órganos excretores especiales que expulsan el exceso de agua de regreso al ambiente. Así, en tales animales, hay un flujo constante de agua que pasa a través del cuerpo. El amoníaco y otras sustancias que necesitan ser excretadas son absorbidas por esta corriente que constituye un flujo continuo de orina diluida.

Los peces se clasifican en dos clases generales: la mayoría de los peces tienen esqueletos óseos y se conocen como teleóstos. Los tiburones y las rayas tienen cartílago en lugar de huesos, y se llaman elasmobranquios. Para los teleóstos que viven en agua dulce, la situación es muy similar a la de los invertebrados de agua dulce; absorben y excretan agua continuamente. El hecho de que un animal viva en el agua no significa que disfrute de un suministro ilimitado de agua. Los teleóstos marinos tienen un problema más difícil. Sus branquias son permeables al agua, al igual que las de los invertebrados marinos. Pero el contenido de sal del agua de mar (alrededor del 3%), al ser superior al aproximadamente 1% en la sangre del pez, sacaría agua de los peces. Así estos animales están constantemente perdiendo agua, y serían susceptibles de desecación si el agua pudiera salir libremente de sus branquias. Algunos sí, claro, y con él va la mayor parte de su nitrógeno en forma de NH ₃.

La fisiología del salmón responde al agua dulce y al agua de mar para mantener el equilibrio osmótico. Los peces son osmorreguladores, pero deben utilizar diferentes mecanismos para sobrevivir en (a) ambientes de agua dulce o (b) agua salada. Imagen utilizada conpermiso (CC BY 3.0; OpenStax).

Así, la mayor parte del nitrógeno residual sale no a través de los órganos excretores habituales como ocurre con la mayoría de los vertebrados, sino a través de las branquias. Pero para evitar una pérdida excesiva de agua, las branquias han reducido la permeabilidad a esta agua, y con ella, a NH ₃ de tamaño comparable. Por lo que para evitar la toxicidad del amoníaco, el resto del mismo se convierte en una sustancia no tóxica (óxido de trimetilamina (CH ₃) ₃ NO) que se excreta a través de los riñones.

Los elasmobranquios marinos resuelven el problema de la pérdida de agua de otra manera: convierten el amoníaco residual en urea (NH ₃) ₂ CO que es altamente soluble y no tóxica. Sus riñones son capaces de controlar la cantidad de urea excretada para que su sangre retenga alrededor del 2-2.5 por ciento de esta sustancia. Combinado con el 1 por ciento de sales y otras sustancias en su sangre, esto eleva la presión osmótica dentro del animal a ligeramente por encima de la del agua de mar, así el mismo mecanismo que los protege del envenenamiento por amoníaco también les asegura un adecuado suministro de agua.