0000021 (17)

5.4. Transport przez błonę

5.4.1. Filtracja. Ultrafiltracja

Omówione wyżej (4.6) zjawisko osmozy dotyczyło błony półprzepuszczalnej. Otrzymane prawo Van’t HofTa (4.36) dotyczyło stanu równowagi. Nie odpowiada on warunkom zachodzącym w komórce żywej, dla której stan równowagi oznacza śmierć. Błony biologiczne nie są doskonale półprzepuszczalne, wykazują różną dla różnych substancji przepuszczalność, stosowanie do nich zwykłych praw dyfuzji i osmozy jest dużym uproszczeniem. Problem należy rozpatrzeć z punktu widzenia termodynamiki nierównowagowej.

Roztwór jest przedzielony błoną, bodźcem transportu jest ciśnienie hydrostatyczne Ap — filtracja (ryc. 5.3). Jeżeli błona przepuszcza jednakowo rozpuszczalnik i substancję rozpuszczoną, przepływ J roztworu można przedstawić wzorem

J = Lkp    5.14

gdzie współczynnik L, zwany współczynnikiem filtracji, wyraża właściwość błony i roztworu.

Proces komplikuje się, jeżeli błona z łatwością przepuszcza rozpuszczalnik, a hamuje przepływ substancji rozpuszczonej. Bodziec Ap powoduje przepływ J_r rozpuszczalnika, a ten pociąga za sobą substancję rozpuszczoną dając przepływ sprzężony J_s substancji.

Ryc. 5.3. Ultrafiltracja. Z przepływem J_r rozpuszczalnika sprzęga się przepływ J_s substancji, tworząc nowy bodziec — różnicę stężeń, a więc i ciśnień osmotycznych, co z kolei daje przepływ J_r.

Opóźnianie się substancji prowadzi do powstania różnicy stężeń > c₂ (ryc. 5.3).

Zjawisko to, zwane ultrafiltracją, jest między innymi wykorzystywane do oczyszczania roztworów koloidalnych. Różnica stężeń daje nowe bodźce w postaci różnicy potencjałów chemicznych rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej.

Podczas gdy przepływ J_r rozpuszczalnika zmniejsza bodziec w postaci różnicy ciśnień Ap (z czym wiąże się wzrost entropii), przepływ sprzężony J_a substancji prowokuje powstawanie nowych bodźców (zmniejszenie entropii). Bodźce te można sprowadzić do różnicy ciśnień osmotycznych At: = 7i₁ — 7t₂, która daje przepływ rozpuszczalnika J'_r w kierunku odwrotnym do a więc podtrzymującym bodziec ciśnieniowy Ap. Układ pozostawiony samemu sobie znajdzie się w końcu w stanie równowagi po zlikwidowaniu bodźców. Niemniej procesy sprzężone przedłużają niejako „życie” układu. Gdyby się udało za pośrednictwem jakiegoś mechanizmu utrzymać bodziec pierwotny Ap na stałym poziomie, układ znalazłby się w stanie stacjonarnym (rozdz. 5.1). Jego entropia byłaby stała i mniejsza niż w stanie wyjściowym, powstały przecież nowe bodźce. Układ jednak „żyje”; istnieją przepływy tworzące entropię, jednak ciągła wymiana z otoczeniem energii i substancji zapewnia kompensację tworzącej się entropii. Przepływy, które nie są podporządkowane bodźcom narzuconym, znoszą się.

121