osmoottinen toiminta. Osmoosi-ilmiö. Solunulkoinen solujen kokonaismäärä

Tärkeimmät mallit veden pääsystä soluun

Koska suurin osa solussa olevasta vedestä on tyhjiössä, lähdetään pohtimaan veden sisäänvirtauksen ongelmaa polulta, jonka vesimolekyyli voittaa, kun se tulee soluvakuoliin. Veden tulee kulkea kahden kalvon (plasmalemma ja tonoplasti) ja niiden välissä olevan sytoplasman (mesoplasman) läpi. Yleensä kaikkia kolmea näistä rakenteista pidetään yhtenä kalvoesteenä.

Jotta kuvitellaan, kuinka vesi kulkee kalvon läpi, laitetaan solu, jonka tyhjiöissä on suoloja, sokereita, aminohappoja jne., astiaan, jossa on tislattua vettä. Molekyylikineettisen teorian mukaan kaikkien aineiden molekyylit ovat nopeassa kaoottisessa liikkeessä, jonka nopeus riippuu näiden molekyylien energiasta. Koska vesimolekyylit ovat pieniä ja liikkuvat solukalvojen läpi paljon nopeammin kuin muiden aineiden molekyylit, voimme yksinkertaisuuden vuoksi rajoittua vain vesimolekyylien liikkumiseen. Nämä molekyylit diffundoituvat kaikkiin suuntiin: soluun ja solusta ulos, eri soluorganelleihin ja niistä ulos. Vakuoli sisältää merkittäviä määriä liuenneita aineita. Näiden liuenneiden aineiden molekyylit heikentävät tyhjiön sisältämien vesimolekyylien välisiä sidoksia, houkuttelevat niitä itseensä ja vähentävät siten sen kokonaisvirtausta solusta ulos. Eräässä mielessä liuenneet aineet vähentävät vesimolekyylien aktiivisuutta. Tämän seurauksena veden kineettinen energia tyhjiössä on pienempi kuin suhteellisen puhtaammassa vedessä solun ulkopuolella. Tämä tarkoittaa, että tyhjiön ulkopuolella enemmän vettä osuu mihin tahansa sen kalvon osaan aikayksikköä kohti ja enemmän vettä tunkeutuu tähän osaan sisälle kuin ulos. Tämän vesimolekyylien nopean epätasaisen kahdenvälisen diffuusion seurauksena tyhjiökalvon läpi jälkimmäisen tilavuus kasvaa ja syntyy turgoria - solun sisältö puristuu sen seinämään.

Vedenoton osmoottinen mekanismi

Yksisuuntainen diffuusio johtuu liuospitoisuuksien eroista kalvon molemmilla puolilla. Järjestelmää, joka sisältää eri pitoisuuksia sisältäviä liuoksia (tai liuoksen ja liuenneen aineen), jotka on erotettu toisistaan ​​kalvolla, kutsutaan osmoottiseksi. Tilaa, jota ympäröi selektiivisesti läpäisevä kalvo ja joka on täytetty jonkinlaisella vesiliuoksella, kutsutaan osmoottiseksi soluksi.

Solu on osmoottinen järjestelmä: väkevämpi liuos on solunsisäinen sisältö (tyhjiömehu), vähemmän väkevä liuos on liuos solun vapaassa tilassa, näitä tiloja erottavan läpäisevän kalvon roolia hoitaa plasmalemma, mesoplasma ja tonoplasti.

Veden diffuusiota selektiivisesti läpäisevän kalvon läpi kutsutaan osmoosiksi; liuenneiden aineiden pitoisuus vakuolissa toimii mittana solun maksimaalisesta kyvystä imeä vettä.

Opiskelu kasvisolu koska osmoottisesti säädelty järjestelmä alkoi kauan sitten. Noin 180 vuotta sitten (1826) ranskalainen kasvitieteilijä G. Dutrache tutki osmoosia solussa hyvin yksinkertaisella laitteella: hän kiinnitti pergamenttipussin lasiputken kärkeen, täytti sen suola- tai sokeriliuoksella ja laski se lasilliseen vettä; samaan aikaan havaittiin veden liikettä pussiin ja sen lievää nousua putkea pitkin. Tätä yksinkertaista solumallia kutsuttiin Dutrochet-osmometriksi. Mutta sokerin vapautuminen pussista ei antanut mahdollisuutta määrittää osmoottista painetta.

Vuonna 1877 saksalainen kasvitieteilijä W. Pfeffer loi kehittyneemmän mallin kasvisolusta (kuva 4.2).

Riisi. 4.2. Osmoottinen solu: A– Pfeffer-osmometri; B- kasvisolu

Pfeffer-osmometriin, toisin kuin Dutrachet-osmometriin, ilmestyi yksityiskohta, joka jäljitteli solukalvoa - huokoista posliiniastiaa. Läpäisevä kalvo saatiin seuraavasti: kuparisulfaattiliuos kaadettiin astiaan ja sitten se laskettiin kaliumferrosyanidiliuokseen. Tämän seurauksena posliinissa oleviin huokosiin muodostui selektiivisesti läpäisevä kupariferrosyanidikalvo. Tässä tapauksessa huokoisen suonen seinämään muodostui läpäisevä kalvo, aivan kuten plasmalemma tulee soluseinän fibrillaarisiin onteloihin. Sitten posliiniastia täytettiin sokeriliuoksella, joka simuloi tyhjiömehua ja asetettiin veteen. Vettä pääsi laitteeseen. Yhdistämällä solusimulointilaitteensa monometriin W. Pfeffer havaitsi, että monometrin nestepinta nousee ensin nopeammin, sitten hitaammin, kunnes se saavuttaa tietyn tason. Nestepylvään hydrostaattinen paine monometrisessä putkessa toimii liuoksen osmoottisen paineen mittana.

Osmoottinen paine voidaan havaita vain, jos liuos on astiassa, jossa on selektiivisesti läpäisevä kalvo, jonka toisella puolella on liuotin. Siten osmoottinen paine läpäisevän kalvon puuttuessa on ikään kuin potentiaalitilassa, ja siksi sille annettiin osmoottisen potentiaalin nimi ja se merkitään kirjaimella R. W. Pfefferin osmometrin avulla havaittiin, että osmoottinen potentiaali on verrannollinen tyhjiömehun lämpötilaan ja pitoisuuteen. Siksi arvo R ei ole pysyvä.

Laske potentiaalinen paine kaavalla (Boyle-Mariotin laki kaasuille):

R = iСRT, (4.1)

Missä KANSSA on liuoksen pitoisuus mooleina; T on absoluuttinen lämpötila; R on kaasuvakio; i– isotoninen kerroin 1 + a ( n– 1), a on ionisaatioaste, n on ionien lukumäärä, joilla elektrolyyttimolekyyli hajoaa.

Tämä ilmaisu pätee laimeille liuoksille ja tarkoittaa, että osmoottinen paine vakiolämpötilassa määräytyy liuenneen aineen hiukkasten (molekyylien, ionien) pitoisuuden perusteella (määrä liuoksen tilavuusyksikköä kohti). Potentiaalinen osmoottinen paine heijastaa suurinta mahdollista painetta, joka tietyn pitoisuuden omaavalla liuoksella on, tai solussa olevan liuoksen maksimaalista kykyä imeä vettä.

Siten solun osmoottisen potentiaalin arvoon vaikuttaa tyhjiömehuun liuenneiden aineiden pitoisuus. Näitä aineita kutsutaan osmoottisesti aktiivisiksi. Näitä ovat orgaaniset hapot, aminohapot, sokerit, suolat. Näiden aineiden kokonaispitoisuus tyhjiömehussa vaihtelee välillä 0,2-0,8 M.

Osmoottisen potentiaalin arvo on erilainen eri kasvilajeille. Pienin osmoottinen paine makeassa vedessä (1–3 atm) kasvavilla kasveilla, merilevissä se on 36–55 atm. Maan yksivuotisille kasveille on ominaista seuraava säännöllisyys: kuivemmissa paikoissa kasveilla on myös suuret osmoottisen potentiaalin arvot. Normaalissa vesihuollossa solujen osmoottinen potentiaali on 5–10 atm, suolaisella maaperällä - 60–80 atm ja jopa 100. Suurin suolaisella maaperällä havaittu osmoottinen potentiaali on 202,5 ​​atm. Poikkeuksena ovat mehikasvit. Kuivilla paikoilla kasvaessa niillä on alhainen osmoottinen potentiaali, koska ne keräävät vettä soluihin.

Osmoottisen potentiaalin arvo vaihtelee myös yhden kasvin sisällä: pienin juurissa (5–10 atm), suurin ylälehdissä (jopa 40 atm). Nuorilla kasveilla osmoottinen potentiaali on pienempi kuin vanhoissa kasveissa.

Osmoottisen potentiaalin arvo vaihtelee ulkoisten olosuhteiden mukaan: veden syöttö, lämpötila, valon voimakkuus. Nämä tekijät määräävät sen ajalliset muutokset. Keskipäivällä haihtumisesta ja assimilaattien kerääntymisestä lehtisoluihin johtuva veden menetys lisää osmoottista potentiaalia. Hyvällä vesihuollolla, erityisesti vesikasveilla, osmoottisen potentiaalin vaihtelut riippuvat vain fotosynteesiprosessin nopeuksista, jotka liittyvät valon intensiteetin muutoksiin päivän aikana.

Meristemaattisissa soluissa, jotka eivät sisällä keskusvakuolia, tapahtuu myös veden osmoottista sisäänpääsyä, kun taas selektiivisesti läpäisevä kalvo on plasmalemma ja osmoottisesti toimiva liuos on sytoplasma.

W. Pfefferin työn jälkeen veden pääsyä soluun alettiin selittää tyhjiömehun ja ulkoisen liuoksen osmoottisten potentiaalien erolla. Siinä tapauksessa, että solu oli hypotonisessa liuoksessa, vesi pääsi siihen (endoosmoosi). Jos solu oli hypertonisessa liuoksessa, siitä tuli vettä (eksoosmoosi). Jälkimmäisessä tapauksessa protoplasti voi kutistuvan vakuolin jälkeen jäädä solukalvon taakse, ja tässä tapauksessa havaitaan plasmolyysi. Kun liuosten osmoottiset potentiaalit ovat samat solussa ja sen ulkopuolella (isotoninen liuos), veden määrä solussa ei muutu.

Tätä selitystä veden pääsylle soluun pidettiin pitkään ainoana. Kuitenkin vuonna 1918 A. Urshprung ja G. Blum (Saksa) osoittivat, että veden virtaus soluun ei riipu pelkästään osmoottisten potentiaalien erosta, vaan myös ns. imuvoimasta. Selitetään tämä termi.

Kun vettä tulee soluun, tyhjiön tilavuus kasvaa, ja jälkimmäinen asettaa yhä enemmän painetta sytoplasmaan. Sytoplasma puristuu soluseinää vasten. Solukalvo venyy ja solun tilavuus kasvaa. Protoplastin painetta solukalvoon kutsutaan turgoriksi. He alkoivat merkitä sitä kirjaimella T. Jos soluseinä voisi venyä loputtomiin, niin veden imeytyminen menisi tasoittamaan liuospitoisuudet ulko- ja sisäpuolella. Mutta soluseinällä on vähän elastisuutta, joten se alkaa työntää protoplastia vasten vastakkaiseen suuntaan. Soluseinän vastapainetta protoplastiin kutsutaan turgorin jännitykseksi. Koska paine on sama kuin vastapaine, turgoripaineen absoluuttinen arvo on sama kuin turgorin jännitys. Koska turgoripaine on hydrostaattinen, se estää veden pääsyn edelleen kennoon samalla tavalla kuin nestepatsas Pfeffer-osmometrin putkessa. Kun vettä tulee asteittain soluun, solukalvon paine protoplastiin kasvaa, ja lopulta se tulee yhtä suureksi kuin osmoottinen paine. Veden virtaus soluun pysähtyy, tulee tasapaino, jota kutsutaan kyllästystilaksi: tyhjiössä olevan veden määrä ei muutu, vaikka vesimolekyylit jatkavat liikkumista kalvon läpi molempiin suuntiin.

Kyllästystilassa osmoottinen potentiaali on absoluuttisesti sama kuin turgoripaine: R = T. Siten vesi voi päästä soluun vain, jos osmoottinen potentiaali ylittää turgoripaineen. Voimaa, jolla vesi tulee tyhjiöön, kutsuttiin imemiseksi: S = R – T.

Tästä ilmaisusta on tullut tärkein määritettäessä osmoottisten voimien vuoksi soluun tulevan veden määrää.

Jos solu on täysin kyllästetty vedellä (turgenesoiva) S= 0 siis R = T(kuvan oikea puoli). Kun veden saanti heikkenee (tuuli, maaperän kosteuden puute jne.), niin ensin syntyy vesivaje solukalvoissa, niiden vesipotentiaali laskee (tulee pienemmäksi kuin tyhjiöissä) ja vesi alkaa siirtyä solukalvoihin. solukalvot. Veden ulosvirtaus tyhjöstä alentaa turgoripainetta ja siten imuvoima kasvaa. Pitkäaikaisessa kosteuden puutteessa useimmat solut menettävät turgorin. Näissä olosuhteissa T = 0, S = R(Kuva 4.3).

Riisi. 4.3. Turgoripaineen (T), osmoottisen paineen (P) ja imuvoiman (S) välinen suhde

Kun solu on hypertonisessa liuoksessa, tapahtuu plasmolyysi ja asteittainen veden menetys. Ulkoinen liuos kulkee helposti soluseinän läpi ja täyttää soluseinän ja supistuvan protoplastin välisen tilan. Kun vettä häviää ilmaan haihtumisen seurauksena, vesimolekyylien välisten suurten adheesiovoimien vuoksi, protoplasti, joka pienenee tilavuudessaan, ei jää jäljelle soluseinästä, vaan vetää sitä mukanaan. Supistuvan protoplastin takana liikkuva solukalvo taipuu eikä vain paina sitä, vaan päinvastoin yrittää venyttää sitä. Tässä tapauksessa turgoripaineen arvo muuttuu negatiiviseksi positiivisesta, mistä S = R – (–T) = R + T. Tämä tarkoittaa, että vakavan dehydraation olosuhteissa solun imuvoima voi olla suurempi kuin osmoottinen potentiaali. Tätä tilaa kutsutaan sytorroosiksi.

Kun solu imee vettä, toisaalta osmoottinen potentiaali vähenee tyhjiömehun pitoisuuden laskun vuoksi, ja toisaalta turgor kasvaa jyrkästi; seurauksena imuvoima pienenee. Kun vesi jatkaa pääsyä kennoon, imuvoima pienenee ja tulee yhtä suureksi kuin nolla. Veden syöttö on pysäytetty.

Näin ollen osmoottisista voimista johtuva veden sisäänvirtaus luo olosuhteet solun veden imeytymisen estymiselle. Mutta solu jatkaa veden haihduttamista, turgori laskee ja imuvoima ilmaantuu uudelleen. Siten veden pääsy soluun on itsesäätelevä.

Solu voi lisätä osmoottista potentiaaliaan ja siten imukykyään kuljettamalla aktiivisesti orgaanisia ja mineraaliaineita tyhjiöön sekä muuntamalla entsymaattisesti liukenemattomia aineita liukoisiksi (tärkkelys sokeriksi, proteiinit aminohapoiksi), tai heksoosien hajoamisen kautta trioosien osalta disakkaridit monosakkarideja.

Meidän aikanamme tunnetut kasvien vesiaineenvaihdunnan asiantuntijat R. Slatcher ja S. Taylor ehdottivat vanhan ja laajalti käytetyn termin "imukyky" korvaamista "vesipotentiaalilla".

Artikkelin sisältö

OSMOSIS, aineen siirtäminen liuoksesta toiseen kalvon läpi. Kalvoja, jotka eivät läpäise kaikkia, vaan vain tiettyjä aineita, kutsutaan puoliläpäiseviksi. Esimerkiksi puoliläpäisevä kalvo on kiinnitetty munankuoreen sisältäpäin: se päästää vesimolekyylit kulkemaan läpi ja pidättää sokerimolekyylejä. Jos tällainen kalvo erottaa sokeriliuokset, joiden pitoisuus on 5 ja 10%, niin vain vesimolekyylit kulkevat sen läpi molempiin suuntiin. Koska vesi virtaa laimeasta liuoksesta konsentroituun nopeammin kuin liuoksessa käänteinen suunta Yleensä veden liike kahden liuoksen välillä tapahtuu yhteen suuntaan. Seurauksena on, että laimeammassa liuoksessa sokeripitoisuus kasvaa, ja väkevämmässä päinvastoin, se pienenee. Kun sokeripitoisuus molemmissa liuoksessa on sama, tasapaino tulee. Liuoksia, jotka ovat saavuttaneet tasapainon, kutsutaan isotonisiksi.

Osmoosilla on tärkeä rooli monissa biologisissa prosesseissa. Normaalia verisolua ympäröivä kalvo läpäisee vain vesimolekyylejä, happea, vereen liuenneita ravintoaineita ja solujen jätetuotteita; suurille proteiinimolekyyleille, jotka ovat liuenneessa tilassa solun sisällä, se on läpäisemätön. Siksi proteiinit, jotka ovat niin tärkeitä biologisia prosesseja jäävät solun sisään.

Sekä osmoosimekanismia että kalvon läpäisevyyden määrääviä tekijöitä ei vielä täysin ymmärretä. Se, onko tietty kalvo puoliläpäisevä, ja jos on, mitkä aineet, voidaan tietää vain empiirisesti.

osmoottinen paine.

Kun kaksi liuosta, joissa on eri pitoisuuksia liuenneita aineita, erotetaan puoliläpäisevällä kalvolla, siihen vaikuttaa voima laimeasta väkevämpään liuokseen. Tämä voima, jota kutsutaan osmoottiseksi paineeksi, voi olla erittäin merkittävä. Esimerkiksi puussa osmoottisen paineen vaikutuksesta kasvinmehu nousee juurista huipulle. Mutta puussa tiivistetyn liuoksen, joka on kasvismehu, liikettä ei rajoiteta millään tavalla. Jos tällainen liuos on suljetussa tilassa, esimerkiksi verisolussa, osmoottinen paine voi johtaa soluseinän repeämiseen. Tästä syystä vereen annettavat lääkkeet liuotetaan isotoniseen liuokseen, joka sisältää niin paljon natriumkloridia (pöytäsuolaa) kuin on tarpeen solunesteen synnyttämän osmoottisen paineen tasapainottamiseksi. Jos infusoidut lääkkeet tehtiin vedellä, osmoottinen paine pakottaisi veden verisoluihin ja aiheuttaisi niiden repeämisen. Jos liian väkevää natriumkloridiliuosta johdetaan vereen, soluista tulee vesi ulos ja ne kutistuvat.

Liuoksen synnyttämän osmoottisen paineen arvo riippuu siihen liuenneiden aineiden (tai ionien, jos aineen molekyylit dissosioituvat) kemiallisesta luonteesta, ei määrästä. Mitä suurempi liuoksen pitoisuus on, sitä suurempi on sen luoma osmoottinen paine. Tämä sääntö, jota kutsutaan osmoottisen paineen laiksi, ilmaistaan ​​yksinkertaisella kaavalla, joka on hyvin samanlainen kuin ideaalikaasulaki. Laskemiseen voidaan käyttää osmoottisen paineen lakia molekyylipaino tästä aineesta.

Diffuusioilmiöillä on valtava rooli kasvisolujen aineiden imeytymisessä ja vapautumisessa. Diffuusio on aineen hiukkasten suunnattua liikettä kohti sen alhaisempaa pitoisuutta. - liuotinmolekyylien diffuusio liuokseen puoliläpäisevän kalvon läpi, joka erottaa liuoksen puhtaasta liuottimesta tai liuoksesta, jonka pitoisuus on pienempi. Diffuusionopeus on kääntäen verrannollinen molekyylien kokoon ja massaan; niin sakkaroosi diffundoituu hitaammin pienemmällä molekyylillä. Kolloidisilla liuoksilla (proteiinilla jne.) on heikko diffuusiokyky.

Osmometri Dutrochet

Osmoottinen paine

Kasvisolu - osmoottinen järjestelmä

Turgorin paine

Turgorin jännitys

Lähetä hyvä työsi tietokanta on yksinkertainen. Käytä alla olevaa lomaketta

Opiskelijat, jatko-opiskelijat, nuoret tutkijat, jotka käyttävät tietopohjaa opinnoissaan ja työssään, ovat sinulle erittäin kiitollisia.

Lähetetty http://www.allbest.ru/

Osmoosiprosessin olemus ja sen rooli biologisissa järjestelmissä

Johdanto

1. Suora osmoosi

1.1 Prosessin olemus

1.2 Osmoottinen paine

2. Suoran osmoosin mekanismi biologisissa järjestelmissä

2.1 Rakenne biologinen kalvo

2.2 Suora osmoosimekanismi

3. Käänteisosmoosi

Johtopäätös

Bibliografia

SISÄÄNjohtaa

Osmoosiilmiö on kaikkien elävien organismien aineenvaihdunnan taustalla. Hänen ansiostaan ​​jokainen elävä solu vastaanottaa ravinteita ja päinvastoin, kuonat poistetaan. Osmoosi-ilmiö havaitaan, kun kaksi eri konsentraatiota olevaa suolaliuosta erotetaan toisistaan ​​puoliläpäisevällä kalvolla.

Kalvoteknologia on tällä hetkellä yksi dynaamisesti kehittyvistä tekniikan alueista. Se on yleistynyt sekä teollisuudessa että kotitalouksissa.

Kalvotekniikan pääsovellusalue on vedenkäsittely ja vedenkäsittely, mutta sen käyttö ei rajoitu tähän.

Kemian- ja petrokemian teollisuudessa kalvoerotusmenetelmiä käytetään erottelemaan hiilivetyjä, suuri- ja matalamolekyylipainoisten yhdisteiden seoksia, atseotrooppisia seoksia, tasapainosiirtymää. kemialliset reaktiot poistamalla yksi sen tuotteista kalvon läpi, väkevöimällä liuoksia, erottamalla heliumia ja vetyä maakaasuista, happea ilmasta jne.

Mikrobiologiassa ja lääketeollisuudessa kalvomenetelmiä käytetään laajalti biologisesti aktiivisten aineiden, rokotteiden, entsyymien, hormonien, virusten, verenpuhdistuksen ja muiden teknisten ongelmien eristys- ja puhdistusprosesseissa.

Tutkimuksen tarkoituksena on tutkia osmoosiprosessin olemusta ja roolia biologisissa järjestelmissä.

1. suora osmoosi

1,1 Cprosessin ydin

Osmoosi-ilmiö havaitaan niissä ympäristöissä, joissa liuottimen liikkuvuus on suurempi kuin liuenneiden aineiden liikkuvuus.

Tärkeä osmoosin erikoistapaus on osmoosi puoliläpäisevän kalvon läpi.

Puoliläpäiseviä kalvoja kutsutaan, joilla ei ole riittävän korkea läpäisevyys kaikille, vaan vain joillekin aineille, erityisesti liuottimelle.

(Liuenneiden aineiden liikkuvuus kalvossa on yleensä nolla).

Yleensä tämä johtuu molekyylien koosta ja liikkuvuudesta, esimerkiksi vesimolekyyli on pienempi kuin useimmat liuenneiden aineiden molekyylit.

Jos tällainen kalvo erottaa liuoksen ja puhtaan liuottimen, niin liuottimen pitoisuus liuoksessa on pienempi, koska osa sen molekyyleistä on korvattu liuenneen aineen molekyyleillä (kuva 1).

Kuva 1. Suora osmoosi

Tämän seurauksena liuotinhiukkasten siirtymiä puhdasta liuotinta sisältävästä osasta liuokseen tapahtuu useammin kuin vastakkaiseen suuntaan.

Vastaavasti liuoksen tilavuus kasvaa (ja aineen pitoisuus pienenee), kun taas liuottimen tilavuus pienenee vastaavasti.

Esimerkiksi puoliläpäisevä kalvo on kiinnitetty munankuoreen sisältäpäin: se päästää vesimolekyylit kulkemaan läpi ja pidättää sokerimolekyylejä. Jos tällainen kalvo erottaa sokeriliuokset, joiden pitoisuus on 5 ja 10%, niin vain vesimolekyylit kulkevat sen läpi molempiin suuntiin.

Seurauksena on, että laimeammassa liuoksessa sokeripitoisuus kasvaa, ja väkevämmässä päinvastoin, se pienenee. Kun sokeripitoisuus molemmissa liuoksessa on sama, tasapaino tulee. Liuoksia, jotka ovat saavuttaneet tasapainon, kutsutaan isotonisiksi. Jos huolehditaan siitä, että pitoisuudet eivät muutu, osmoottinen paine saavuttaa vakioarvon, kun vesimolekyylien käänteinen virtaus on yhtä suuri kuin suora.

Osmoosi suuntautuu sisäänpäin rajoitettu määrä nestettä kutsutaan endosmoosiksi, ulospäin - eksosmoosiksi. Liuottimen kulkeutumista kalvon läpi ohjaa osmoottinen paine.

Tämä osmoottinen paine syntyy Le Chatelier -periaatteen mukaan, koska järjestelmä yrittää tasata liuoksen pitoisuutta molemmissa kalvon erottamissa väliaineissa, ja sitä kuvaa termodynamiikan toinen pääsääntö.

Se on yhtä suuri kuin ylimääräinen ulkoinen paine, joka tulisi kohdistaa liuoksen puolelta prosessin pysäyttämiseksi, eli osmoottisen tasapainon olosuhteiden luomiseksi. Ylipaine yli osmoottisen paineen voi johtaa osmoosin kääntymiseen - liuottimen takaisindiffusioon.

Tapauksissa, joissa kalvo ei läpäise ainoastaan ​​liuotinta, vaan myös joitain liuenneita aineita, jälkimmäisen siirtäminen liuoksesta liuottimeen mahdollistaa dialyysin, jota käytetään menetelmänä polymeerien ja kolloidisten järjestelmien puhdistamiseen pienimolekyylisistä epäpuhtauksista.

1.2 Osmoottinen paine

Osmoosi voidaan selittää sillä, että vesimolekyylien pitoisuus tilavuusyksikköä kohti yhdessä astiassa on suurempi kuin toisessa, tai sillä, että liuoksessa olevat vesimolekyylit ovat osittain sitoutuneita sokerimolekyyleihin ja hydratoivat niitä. Laimeissa liuoksissa osmoosi ei nimenomaisesti riipu liuenneen aineen ja liuottimen tyypistä.

Ratkaisevaa on liuoksen pitoisuus, tarkemmin sanottuna liuenneen aineen hiukkasten lukumäärä tilavuusyksikköä kohti.

Osmoosin tutkimiseen käytetään erityistä laitetta (kuva 2), joka koostuu kahdesta astiasta: ulkoisesta ja sisäisestä.

Kuva 2. Kaavamainen esitys osmoositutkimuksen instrumentista

Sisäsäiliön pohja on valmistettu puoliläpäisevästä väliseinästä (läpäisee liuotinta, mutta ei läpäise liuennutta ainetta, kuten sellofaania).

Ulompi astia sisältää vettä. Sisäpuolella - liuos vedessä. Ulkoastiasta vesi valuu sisätilaan. Sisäsäiliössä sen taso nousee.

Tämän seurauksena hydrostaattinen paine, jonka alaisena liuos sijaitsee sisäastiassa, kasvaa. Tämän seurauksena veden siirtymisnopeus sisemmästä astiasta ulompaan kasvaa. Lopuksi tietyllä liuoskolonnin korkeudella ulommalta astialta sisempään ja sisäastiasta ulompaan kulkevan veden nopeudet tasoittuvat ja nesteen nousu putkessa pysähtyy.

Tätä tasapainoa vastaava paine voi toimia osmoosin kvantitatiivisena ominaisuutena. Sitä kutsutaan osmoottiseksi paineeksi.

Osmoottinen paine on paine, joka on kohdistettava liuokseen, jotta se saatetaan tasapainoon puhtaan liuottimen kanssa, joka on erotettu siitä puoliläpäisevällä väliseinällä.

Analysoidessaan osmoottisen paineen tutkimuksen tuloksia J. van't Hoff tuli siihen tulokseen, että liuennut aine hyvin laimeissa liuoksissa käyttäytyy kuin se olisi kaasumaisessa tilassa.

Tästä syntyi ajatus soveltaa niihin ihanteellisten kaasujen lakeja. Sitten ratkaisuksi voimme kirjoittaa:

Korvaamalla n/V = c, saadaan yhtälö nimeltä Van't Hoffin laki.

Näissä yhtälöissä n ymmärretään osmoottiseksi paineeksi.

Osmoottisen paineen lineaarinen riippuvuus pitoisuudesta säilyy useimmissa ei-elektrolyyttiliuoksissa 10-2 mol/l:n suuruisiin pitoisuuksiin asti.

Saamme van't Hoff -yhtälön termodynaamisten käsitteiden perusteella. Liuotin tunkeutuu puoliläpäisevän väliseinän läpi, kunnes tasapaino on saavutettu.

Van't Hoff -yhtälö osoittaa, että osmoottinen paine on yhtä suuri kuin paine, jonka liuennut aine tuottaisi, jos se ideaalikaasun muodossa miehittäisi saman tilavuuden kuin liuoksessa samassa lämpötilassa.

Osmoottinen paine on erittäin hyvin tärkeä eri organismien elintärkeissä prosesseissa, mikä määrittää liuenneiden aineiden ja veden jakautumisen kudoksissa. Ihmisen veren osmoottinen paine on noin 8,1 105 Pa (8 atm).

Kun kehon vesipitoisuus laskee, syntyy janon tunne, jonka sammuttaminen palauttaa vesi-suolatasapainon ja veren osmoottisen paineen.

Kennon ns. imuteho riippuu osmoottisesta paineesta ja saavuttaa siemenissä 6 % kosteuspitoisuudessa arvon 4,04 107 (400 atm.), mikä varmistaa itämiseen tarvittavan veden imeytymisen myös suhteellisen kuivasta maaperästä.

Kohdasta (3) voidaan nähdä, että osmoottisen paineen arvon määrää vain liuenneen aineen pitoisuus, eikä se riipu liuoksen luonteesta, mikä mahdollistaa tämän vaikutuksen liittämisen kolligatiivisiin ominaisuuksiin.

Harkitse vielä kahta tällaista ominaisuutta: aineen jäätymispisteen laskua (kiinteytymistä) ja kiehumispisteen nousua.

Liuottimen ja liuoksen jäätymispisteen eroa kutsutaan jäätymispisteen alenemiseksi.

Liuoksen ja liuottimen kiehumispisteiden eroa kutsutaan liuoksen kiehumispisteen nousuksi Tbp.

Molemmat kiinteistöt ovat täysin sopusoinnussa Le Chatelier'n periaatteen kanssa. Yllä olevan havainnollistamiseksi tarkastellaan tasapainojärjestelmää, joka koostuu kahdesta faasista: kiinteä aine A ja aineen B nestemäinen liuos, jossa A on liuotin.

Lisätään liuoksen pitoisuutta, ts. komponentin B pitoisuus nestefaasissa. Le Chatelierin periaatteen mukaan prosessien tulisi tehostua järjestelmässä pyrkien heikentämään syntyvää vaikutusta. Tässä tapauksessa tämä tarkoittaa, että prosessien, jotka voivat vähentää liuoksen pitoisuutta, tulisi lisääntyä järjestelmässä.

Tarkasteltavalle järjestelmälle tämä on mahdollista vain johtuen osan liuottimesta siirtymisestä kiinteästä tilasta nestemäiseen tilaan. Kuitenkin, jos tietyssä lämpötilassa tapahtuu aineen siirtymä kiinteästä tilasta nestemäiseen tilaan, tämä lämpötila on jäätymispisteen yläpuolella. Siksi liuoksen jäätymispiste laski liuoksen pitoisuuden kasvaessa.

Samoin Le Chatelier -periaatteen perusteella on mahdollista perustella haihtumattoman aineen liuoksen kiehumispisteen nostaminen.

Harkitse tätä varten kaksivaiheista höyry-nesteliuoksen järjestelmää. Olkoon systeemi tasapainossa; ja olkoon toinen faasi aineen A höyry ja toinen aineen B nestemäinen liuos A:ssa.

Lisää liuoksen pitoisuutta (B:n pitoisuus A:ssa). Le Chatelier'n periaatteen mukaan tämän pitäisi käynnistää prosesseja, jotka mahdollistavat tuotetun pitoisuuden kasvun tasaamisen.

Tässä tällaisiin prosesseihin kuuluu liuottimen kondensaatio höyryfaasista. On helppo ymmärtää, että kondensaatio johtaa höyrynpaineen laskuun.

Kyllästyshöyryn paineen alentaminen nostaa kiehumispistettä. Nesteen kiehuminen tapahtuu, kun nesteen yläpuolella olevan kylläisen höyryn paine on yhtä suuri kuin ulkoinen paine.

Liuoksen yläpuolella kylläisen höyryn paine laskee. Tämä tarkoittaa, että ilmoitetun paineen tasa-arvon saavuttamiseksi liuosta on lisäksi lämmitettävä. Tästä johtuu väite liuoksen kiehumispisteen noususta verrattuna puhtaaseen aineeseen.

Kiehumispisteen kohoamisen vaikutus voidaan selittää toisella tavalla (kuva 3).

Kuva 3 Kiehumispisteen nousu

Itse asiassa tapauksissa, joissa liuenneen aineen höyrynpaine on mitätön, liuoksen höyrynpaine on yhtä suuri kuin liuottimen höyrynpaine. Ihanteellisissa ratkaisuissa liuottimen höyrynpaine määräytyy Raoultin lain mukaan:

jossa indeksit "A" ja "B" viittaavat liuottimeen ja liuenneeseen aineeseen, vastaavasti.

Kohdasta (4) seuraa, että xv:n kasvaessa kylläisen höyryn paine laskee, mikä tarkoittaa, että kiehumispiste nousee.

Kaikki yllä oleva on havainnollistettu kuviolla, joka heijastaa kylläisen höyryn paineen riippuvuutta aineen lämpötilasta.

Kiehuminen tapahtuu, kun kylläisen höyryn paine nesteen päällä on yhtä suuri kuin ulkoinen (ilmakehän) paine.

Puhtaan liuottimen ja liuosten kiehumispisteiden selvittämiseksi riittää, kun etsitään isobaarin leikkauspisteet p = 1,013 10-5 Pa tilakaavion käyrien kanssa koordinaateissa p - T (ks. kuva 1). . Kuvasta voidaan nähdä, että liuos kiehuu korkeammassa lämpötilassa kuin puhdas liuotin.

osmoosi-biologinen kalvodiffuusio

2. Suoran osmoosin mekanismi biologisissa järjestelmissä

Tämän järjestelmän kosteussidosmuodoilla on merkittävä rooli suoran osmoosimekanismin muodostumisessa ja ne itse asiassa määräävät puoliläpäisevyyden solukalvo.

Biologisella kalvolla erotetun samanlaisen kaksifaasijärjestelmän kosteussidosmuotojen luokittelua tarkastellaan P.A.:n ehdottaman kosteussidosmuotojen luokituksen kannalta. Rebinder, jonka avulla voidaan ottaa huomioon sekä koulutuksen luonne useita muotoja sidoksia ja niiden yhteyksien energiaa materiaaleihin.

Tämän luokituksen mukaan hiivasolun sisällä olevaa kosteutta on pidettävä osmoottisesti pidättyneenä kosteudena, joka johtuu veden valikoivasta diffuusiota ympäristöön. Osmoottisesti pidätetylle kosteudelle on ominaista alhaisen intensiteetin sitoutumisenergia, se ei eroa ominaisuuksiltaan tavallisesta vedestä ja sillä on kyky diffundoitua vapaasti solukalvojen läpi solujen sisällä ja ulkopuolella olevien pitoisuuksien erojen vaikutuksesta.

Solunsisäisen kosteuden luokkaan voi kuulua myös hiivasolun soluseinän kapillaareihin immobilisoitunut kosteus - kapillaarikosteus, jolla on merkittävä rooli kosteuden uudelleenjakautumismekanismissa ja joka itse asiassa määrää biokalvon puoliläpäisevyyden.

Analyysin perusteella siis tieteellistä kirjallisuutta Tiedetään, että halkaisijaltaan yli 10-7 m kapillaareihin (makrokapillaarien kosteus) lokalisoituneella kosteudella ei ole yhteyttä materiaaliin ja se voi liikkua vapaasti diffuusioprosessissa.

Hiussuonten halkaisijaltaan alle 10-7 m (mikrokapillaarinen kosteus) ja polymolekyylikerroksen adsorptiosidoksesta johtuen kapillaarin seinämien lähellä oleva kosteus ei puolestaan ​​ole vapaata. Tällainen kosteus ei osallistu diffuusioprosesseihin sitoutuneelle kosteudelle ominaisten erityisominaisuuksien vuoksi.

Pääsääntöisesti adsorptiosidonnainen kosteus, joka on immobilisoitu biokalvon pinnalle adsorboituneen veden pintamonomolekyylikerroksen (hydraattikuori) muodossa, ei myöskään osallistu kosteuden uudelleenjakautumisprosesseihin sitoutumisen korkeiden arvojen vuoksi. vesimolekyylien energia biokalvon pinnalla. Adsorptioon sitoutuneen nesteen (polymolekulaarinen adsorptio) seuraavat kerrokset pysyvät vähemmän lujasti kiinni ja voivat olla mukana diffuusioprosesseissa.

Kemiallisesti sitoutuneella kosteudella ei ole merkittävää roolia kosteuden uudelleenjakautumismekanismin muodostumisessa, koska sen määrä on merkityksetön ja ioni- ja molekyylisidokset ovat erittäin vahvoja.

Siten osmoottisesti pidättynyt kosteus, makrokapillaarinen kosteus ja vapaa ylimääräinen solunulkoinen kosteus, joka sijaitsee hiivan biomassan solujenvälisessä tilassa, ovat mukana suoran osmoosimekanismin muodostumisessa – kosteuden uudelleenjakautumisessa hiivasolun biomembraanin läpi (kuva 4). ).

Kuva 4. Kosteussidosten muodot hiivasuspensioon lokalisoidussa hiivasolussa: 0 - kemiallisesti sitoutunut kosteus; 1 - osmoottisesti säilynyt kosteus (vapaa solunsisäinen kosteus); 2 - kapillaarien vapaa kosteus (makrokapillaarien kosteus); 3 - kapillaarien sitoutunut kosteus (mikrokapillaarien kosteus); 4 - adsorptioon sitoutunut kosteus; 5 - vapaa solunulkoinen kosteus (ylimääräinen solujen välinen kosteus)

2.1 KANSSAbiologinen kalvorakenne

Hiivasolun puoliläpäisevän solukalvon rakenteella, joka on kapillaarihuokoinen kappale, on keskeinen rooli suoran osmoosimekanismin muodostumisessa - osmoottisesti määräytyvässä spontaanissa kosteuden uudelleenjakautumisprosessissa solunsisäisestä ympäristöstä. hiivasolu solujen väliseen tilaan, kun osmoindusoiva komponentti (yleensä elektrolyytti) lisätään hiivasuspensioon.

Siten merkittävä rooli uudelleenjakautumismekanismin muodostumisessa on biologisen kalvon soluseinän huokosjärjestelmällä (kapillaareilla), joka on puoliläpäisevä, eli vähän selektiivinen vesimolekyyleille ja erittäin selektiivinen hydratoituneille ioneille. osmoindusoivasta komponentista.

Liuosten rakenteesta saatujen näkemysten ja koetulosten perusteella voidaan väittää, että ionien hydratointikyky vaikuttaa kalvojen selektiivisyyteen ja läpäisevyyteen.

Hydraatioilmiö piilee siinä, että liuenneen aineen ionit ovat liuottimen ympäröimiä ja liikkuvat sen osan kanssa, joka on vuorovaikutuksessa sen kanssa.

Tässä tapauksessa voidaan havaita sekä primäärinen että sekundaarinen nesteytys. Primaarinen hydrataatio koostuu vesimolekyyli-ionien voimakkaasta sitoutumisesta luovuttaja-akseptorisidosten muodostumiseen asti. Toissijainen - on vesimolekyylien sähköstaattinen vuorovaikutus primääristen hydratoituneiden ionien kanssa.

Liuenneiden aineiden ionien välittömässä läheisyydessä sijaitsevat vesimolekyylit muodostavat hydraatiokuoren, jossa olevien molekyylien lukumäärä kuvaa hydraation koordinaatiolukua.

Sähköstaattinen vuorovaikutus ei ole ainoa syy hydraatioon - jälkimmäinen voi johtua myös kemiallisista voimista.

Ylläoleva huomioon ottaen ja sen perusteella nykyajan ideoita o sidottu neste, hiivasolukalvon selektiivisen läpäisevyyden prosessi suhteessa vesiliuokset elektrolyytit voidaan esittää seuraavasti.

Hiivasuspensioon sijoittuneen hiivasolun solukalvon pinnalle ja huokosten (kapillaarien) sisään ilmestyy kerros sitoutunutta vettä. Kalvo-liuosrajapinnassa oleva vesi eroaa ominaisuuksiltaan vapaassa tilassa olevasta vedestä. Esimerkiksi sitoutunut vesi menettää suurelta osin liukenemiskykynsä, joten sitoutuneen veden läsnäolo hiivasolun solukalvon huokosissa on yksi tärkeimmistä tukkeutumisen syistä niille liuenneille ainemolekyyleille, joille sitoutunut vesi ei käytännössä ole liuotin. Jos kalvon huokosten halkaisija d on d<2tc+dг.и. (где dг.и. - диаметр гидратированного иона), то через такую мембрану будет проходить только или преимущественно вода, что и обуславливает селективность (полупроницаемость) клеточной мембраны дрожжевой клетки.

Kuitenkin, jos keinotekoisille kalvoille, joiden huokoshalkaisija ei ylitä hydratoidun ionin halkaisijaa, on 100-prosenttinen selektiivisyys, biologisten kalvojen selektiivisyys ei koskaan saavuta 100 prosenttia, koska todellisissa kalvoissa on halkaisijaltaan erilaisia ​​huokosia (kuva 1). 5), mukaan lukien suuret, jotka ylittävät arvon 2tc + dg.i., ja sitoutuneella vedellä, vaikkakin hyvin pieninä määrinä, on silti liuotusvoimaa.

Kuva 5. Kaavio biologisten kalvojen puoliläpäisevyysmekanismista

Siten avainrooli suoran osmoosimekanismin muodostumisessa on hiivasolun biologisen kalvon rakenteella, jonka puoliläpäisevyys johtuu:

1) sitoutuneen veden läsnäolo kalvon huokosissa;

2) hydratoituneiden ionien muodostuminen solujen välisessä faasissa - suuria liuenneen aineen ionien konglomeraatteja vesimolekyylien kanssa.

2.2 Msuora osmoosi kone

Hiivasuspensioon lokalisoitu hiivasolu on järjestelmä, joka koostuu kahdesta faasista, joita rajaa hiivasolun soluseinä – puoliläpäisevä kalvo.

Kun suola upotetaan osmoindusoivan komponentin, kuten natriumkloridin, hiivasuspensioon, se hajoaa moniksi mikroskooppisiksi kiteiksi.

Mikrokiteet, jotka kantavat sekä positiivisesti varautuneita natriumioneja että negatiivisesti varautuneita kloridi-ioneja kidehilarakenteessa, alkavat kokea ioni-dipoli-vuorovaikutusvoimia vesimolekyyleistä. Tällaisessa vuorovaikutuksessa vesimolekyylit houkuttelevat positiivisesti varautuneita natriumioneja negatiivisilla napoillaan ja negatiivisesti varautuneita kloridi-ioneja niiden positiivisilla napoilla. Kuitenkin, jos ionit vetävät vesimolekyylejä puoleensa, vesimolekyylit vetävät ioneja myös itseensä. Samaan aikaan vetäytyneet vesimolekyylit kokevat iskuja lämpöliikkeessä olevista vetämättömistä vesimolekyyleistä. Nämä iskut sekä itse ionien lämpövärähtelyt riittävät voittamaan natrium- tai kloori-ioneja yksittäiskiteen kidehilan rakenteessa pitävät voimat ja siirtämään ne liuokseen.

Ensimmäisen ionikerroksen jälkeen seuraava kerros siirtyy liuokseen ja näin tapahtuu asteittainen mikrokiteen liukeneminen. Liuokseen siirtyneet ionit pysyvät sitoutuneina vesimolekyyleihin ja muodostavat ionihydraatteja, jotka estävät suuresti ionien käänteisen yhdistymisen mikrokiteen kanssa. Näin ollen fysikaalisesta näkökulmasta suolan liukenemisprosessi hiivasuspensioon on itse asiassa osmoindusoivan komponentin ionien hydratoitumisprosessi, johon liittyy sen myöhempi dissosioituminen ja muodostuminen liuokseen (solujen väliseen väliaineeseen). monien ionien hiivasuspensio, jota ympäröivät hydraatiokuoret (hydratoidut ionit).

Koska hiivasolun biokalvo on puoliläpäisemätön, tarkasteltavana olevan järjestelmän komponentit eivät eristy toisistaan, joten kun suola liukenee hiivasuspensioon (osmoindusoiva komponentti upotetaan hiivan solujen väliseen väliaineeseen). suspensio), mikrokiteiden ja vesimolekyylien välisen ionidipoli-vuorovaikutuksen voimia kokevat paitsi vesimolekyylit, jotka sijaitsevat solujenvälisessä tilassa (vaihe 1), vaan myös vesimolekyylit, jotka sijaitsevat hiivasolun solunsisäisessä tilassa (vaihe 2). ).

Siksi voidaan olettaa, että molekyylien kaoottinen lämpöliike vesimolekyylien ja osmoa indusoivan komponentin ionien vuorovaikutuksen seurauksena tapahtuu koko järjestelmässä yksittäiskiteiden korkeamman pitoisuuden suuntaan (suurempi kemiallinen potentiaali), toisin sanoen kosteus jakautuu uudelleen solunsisäisestä ympäristöstä (vaihe 1) solujen väliseen ympäristöön (vaihe 2).

Koska kaksivaiheisen järjestelmän komponentteja ei ole eristetty toisistaan, edellä esitettyjen johtopäätösten perusteella ja ottaen huomioon myös minkä tahansa järjestelmän tasapainotoive, olisi loogista olettaa, että vesimolekyylien liikkuminen järjestelmässä pitäisi tapahtua myös vastakkaiseen suuntaan, eli solujenvälisestä väliaineesta solunsisäiseen . Tällaista ilmiötä ei kuitenkaan havaita johtuen solukalvon rakenteen erityisominaisuuksista ja tietyistä kosteussidosmuodoista hiivasolussa, joista on keskusteltu edellä.

Osmoa indusoivan komponentin ionien ja vesimolekyylien ioni-dipoli-vuorovaikutuksessa muodostuneet hydratoidut ionit ovat melko suuria rakenteellisia muodostelmia eivätkä voi enää poistua solujen välisestä tilasta (vaihe 1). Siten voidaan havaita tilanne, jossa vaiheesta 1 vaiheeseen 2 siirtyvien vesimolekyylien määrä ylittää suurelta osin vastakkaiseen suuntaan liikkuvien vesimolekyylien lukumäärän johtuen siitä, että osa solujen väliseen tilaan lokalisoiduista vesimolekyyleistä ei pääse poistumaan. se muodostuu osmoa indusoivan komponentin ionin ja veden (hydratoituneen ionin) konglomeraatin koostumuksessa.

Samanaikaisesti tilavuusvirtauksen arvo vaiheesta 2 vaiheeseen 1 hallitsee suurelta osin tilavuusvirtauksen arvoa vastakkaiseen suuntaan ja vesimolekyylien ja osmoindusoivan komponentin hydratoituneiden ionien erilaisesta liikkuvuudesta johtuen, ts. Itse asiassa havaitsemme osan solunsisäisen kosteuden uudelleenjakautumisesta solujen väliseen tilaan (kuva .6)

Samanlainen kosteuden siirtyminen hiivasolun puoliläpäisevän kalvon läpi solujen väliseen tilaan jatkuu, kunnes:

a) hiivasuspension solujen välisessä tilassa on hiukkasia, jotka pystyvät vaikuttamaan uudelleenjakautumisprosessiin, toisin sanoen osmoindusoivan komponentin täydelliseen dissosioitumiseen ja suurimman mahdollisen määrän hydratoituneita ioneja muodostumiseen saakka (jos lisätyn osmoindusoivan komponentin alhainen pitoisuus);

b) järjestelmässä olevilla vesimolekyyleillä on riittävästi energiaa ja vapausaste ioni-dipoli-vuorovaikutukselle (jos osmo-indusoivaa komponenttia on suuri pitoisuus);

c) kemiallisen potentiaalin arvo solujenvälisessä vaiheessa kosteuden uudelleenjakautumisen seurauksena ei saavuta minimiindikaattoria (jos kosteus jakautuu täydellisesti solunsisäisestä tilasta solujen väliseen tilaan).

Kuva 6. Kaavio solunsisäisen kosteuden uudelleenjakautumisesta solujen väliseen tilaan hiivasolun puoliläpäisevän kalvon läpi, kun se upotetaan osmoindusoivan komponentin hiivasuspensioon

Tällaisen kosteuden uudelleenjakautumisen seurauksena on painegradientin - osmoottisen paineen - asteittainen ilmaantuminen, mikä johtaa hiivasolun soluseinän fysikaaliseen muodonmuutokseen ja sen puristumiseen - plasmolyysiin (kuvio 7).

Kuva 7. Hiivasolun muodon ja koon muutos upotettuna osmoindusoivan komponentin hiivasuspensioon

Osmoindusoivan komponentin upottaminen suoraan hiivasuspensioon mahdollistaa olosuhteiden luomisen järjestelmän indusoimiseksi mahdollisimman suuren määrän hiukkasia, jotka voivat vaikuttaa uudelleenjakautumisprosessiin, ja näin ollen varmistaa osmoottisen prosessin maksimaalisen tehokkuuden. Samanaikaisesti hiivasuspension upottaminen osmoa indusoivan komponentin valmiiseen liuokseen antaa minimaalisen osmoottisen vaikutuksen, koska valmiissa liuoksessa ei ole hiukkasia, jotka voivat vaikuttaa uudelleenjakautumisprosessiin, eli jos ensimmäisessä tapauksessa kosteuden uudelleenjakautumisprosessi biologisessa järjestelmässä muodostuu konsentraatioelektrosmoosin ja kapillaariosmoosin yhteisvaikutuksesta, sitten toisessa - yksinomaan konsentraatioelektrosmoosin vaikutuksesta.

Käsitelty kapillaarisuodatusmalli kosteuden uudelleenjakaumisesta puoliläpäisevän kalvon läpi heijastaa itse asiassa suoran osmoosiilmiön fyysistä mallia ja antaa mahdollisuuden kuvitella riittävän yksityiskohtaisesti sekä hiivasolun sisällä että ulkopuolella uudelleenjakautumisprosessin aikana tapahtuvia prosesseja sekä selittää. itse ilmiön luonne.

3 . Käänteinen osmoosi

Siinä tapauksessa, että osmoottisen paineen ylittävä ulkoinen paine vaikuttaa korkeamman pitoisuuden omaavaan liuokseen, vesimolekyylit alkavat liikkua puoliläpäisevän kalvon läpi vastakkaiseen suuntaan, eli väkevämmästä liuoksesta vähemmän väkevämpään. Tätä prosessia kutsutaan "käänteisosmoosiksi". Kaikki käänteisosmoosikalvot toimivat tällä periaatteella.

Käänteisosmoosiprosessissa vesi ja siihen liuenneet aineet erottuvat molekyylitasolla, kun taas lähes täydellisen puhdas vesi kertyy kalvon toiselle puolelle ja kaikki epäpuhtaudet jäävät sen toiselle puolelle.

Kuva 8. Käänteisosmoosi

Siten käänteisosmoosi tarjoaa paljon korkeamman puhdistusasteen kuin useimmat perinteiset suodatusmenetelmät, jotka perustuvat mekaanisten hiukkasten suodatukseen ja useiden aineiden adsorptioon aktiivihiilen avulla.

Kotimaisissa käänteisosmoosijärjestelmissä kalvoon tulevan veden paine vastaa putkilinjassa olevan veden painetta. Jos paine kasvaa, myös veden virtaus kalvon läpi kasvaa.

Käytännössä kalvo ei pidä täysin veteen liuenneita aineita. Ne läpäisevät kalvon, mutta mitättömiä määriä. Siksi puhdistettu vesi sisältää edelleen pienen määrän liuenneita aineita. On tärkeää, että tulopaineen nousu ei johda suolapitoisuuden nousuun vedessä kalvon jälkeen. Päinvastoin, suurempi vedenpaine ei vain lisää kalvon suorituskykyä, vaan myös parantaa puhdistuksen laatua. Toisin sanoen mitä korkeampi vedenpaine kalvossa on, sitä enemmän puhdasta ja laadukkaampaa vettä voidaan saada.

Vedenpuhdistusprosessissa suolojen pitoisuus tulopuolella kasvaa, minkä seurauksena kalvo voi tukkeutua ja lakata toimimasta. Tämän estämiseksi kalvoa pitkin luodaan pakotettu veden virtaus, joka huuhtelee "suolaveden" viemäriin.

Käänteisosmoosiprosessin tehokkuus erilaisten epäpuhtauksien ja liuenneiden aineiden suhteen riippuu useista tekijöistä. Paine, lämpötila, pH, kalvomateriaali ja tuloveden kemia vaikuttavat kaikki käänteisosmoosijärjestelmien suorituskykyyn.

Epäorgaaniset aineet erottuvat erittäin hyvin käänteisosmoosikalvolla. Riippuen käytetyn kalvon tyypistä (selluloosa-asetaatti tai ohutkalvokomposiitti), useimpien epäorgaanisten alkuaineiden puhdistusaste on 85-98 %.

Käänteisosmoosikalvo poistaa myös orgaanista ainesta vedestä. Orgaaniset aineet, joiden molekyylipaino on yli 100-200, poistetaan kokonaan; ja vähemmällä ne voivat tunkeutua kalvon läpi pieninä määrinä. Virusten ja bakteerien suuri koko eliminoi käytännössä mahdollisuuden tunkeutua kalvon läpi.

Samalla kalvo päästää läpi hapen ja muut veteen liuenneet kaasut, jotka määräävät sen maun. Tämän seurauksena käänteisosmoosijärjestelmän ulostulo on raikasta, maukasta, niin puhdasta vettä, että se ei tarkasti ottaen vaadi edes keittämistä.

Johtopäätös

Osmoosilla on tärkeä rooli monissa biologisissa prosesseissa.

Normaalia verisolua ympäröivä kalvo läpäisee vain vesimolekyylejä, happea, joitakin vereen liuenneita ravintoaineita ja solujen jätetuotteita; suurille proteiinimolekyyleille, jotka ovat liuenneessa tilassa solun sisällä, se on läpäisemätön.

Siksi biologisille prosesseille niin tärkeitä proteiineja jää solun sisään.

Osmoosi liittyy ravinteiden kuljettamiseen korkeiden puiden rungoissa, joissa kapillaarikuljetus ei pysty suorittamaan tätä tehtävää. Osmoosia käytetään laajalti laboratorioteknologiassa: polymeerien molaaristen ominaisuuksien määrittämisessä, liuosten konsentroinnissa ja erilaisten biologisten rakenteiden tutkimisessa.

Osmoottisia ilmiöitä käytetään joskus teollisuudessa, esimerkiksi tiettyjen polymeerimateriaalien valmistuksessa, erittäin mineralisoituneen veden puhdistuksessa nesteiden käänteisosmoosimenetelmällä.

Kasvisolut käyttävät myös osmoosia vakuolin tilavuuden lisäämiseen niin, että se laajentaa soluseiniä (turgor). Kasvisolut tekevät tämän varastoimalla sakkaroosia. Lisäämällä tai vähentämällä sakkaroosin pitoisuutta sytoplasmassa solut voivat säädellä osmoosia. Tästä johtuen kasvin joustavuus kokonaisuudessaan kasvaa. Monet kasvien liikkeet liittyvät turgoripaineen muutoksiin (esimerkiksi herneiden ja muiden kiipeilykasvien viiksien liikkeet). Makean veden alkueläimillä on myös tyhjiö, mutta alkueläinvakuolien tehtävänä on vain pumpata ylimääräinen vesi pois sytoplasmasta, jotta siihen liukenevien aineiden pitoisuus pysyy vakiona. Osmoosilla on myös tärkeä rooli vesistöjen ekologiassa.

Bibliografia

1. Dytnersky, Yu.I. Käänteisosmoosi ja ultrasuodatus / Yu. I. Dytnersky - M .: Chemistry, 1978. - 352 s.

2. Latypov, I.A. Massansiirron spontaanien osmoottisten prosessien mekanismin tutkimus biologista alkuperää olevissa järjestelmissä / I.A. Latypov, M.K. Gerasimov // VestnikKazan. tekniikka. yliopisto - 2008. - Nro 3. - P.85-91

3. Mushtaev, V.I. Dispergoituneiden materiaalien kuivaus / V.I. Mushtaev, V.M. Uljanov - M.: Kemia, 1988. - 351 s.

4. Williams, V. Fysikaalinen kemia biologeille / V. Williams, H. Williams. - M.: Mir, 1976. - 600 s.

5. Churaev, N.V. Huokoisten kappaleiden massansiirtoprosessien fysikokemia / N.V. Churaev - M.: Kemia, 1990. - 271 s.

Isännöi Allbest.ru:ssa

Samanlaisia ​​asiakirjoja

Yksityiskohtaisen tasapainon periaate. Klassisen mekaniikan determinismi. Molekyylien Brownin liike. Langevinin yhtälön integrointi. Kalvon diffuusiokerroin. Molekyylien suuntautuminen kalvon vastakkaisille puolille. Nestekideosmoosin malli.

artikkeli, lisätty 23.6.2012


Passiivinen ja aktiivinen aineiden kuljetus kalvorakenteiden läpi. Ei-elektrolyyttien kuljetus yksinkertaisella ja helpolla diffuusiolla. Ei-elektrolyyttien passiivinen siirto biokalvojen läpi, Rickin yhtälö. Ionien aktiivisen kuljetuksen molekyylimekanismi.

lukukausityö, lisätty 25.2.2011


Diffuusio-ilmiön löytämisen historia. Boltzmannin ja Avogadron vakioiden kokeellinen määritys. Brownin liikkeen säännönmukaisuudet. Kaavio diffuusiosta puoliläpäisevän kalvon läpi. Diffuusio-ilmiön soveltaminen ihmisen elämään.

tiivistelmä, lisätty 21.5.2012


Formamidin vuontiheyden määritys Chara ceratophyllan 8 nm paksun plasmakalvon läpi. Mycoplasma-plasmakalvon permeabiliteettikertoimen laskeminen formamidille. Fickin yhtälö diffuusiolle. Nernst-potentiaalin laskeminen ioneille.

testi, lisätty 1.9.2015


Kalvopotentiaalien ioninen luonne. Lepopotentiaali, Nernstin yhtälö. Kiinteä Goldman-Hodgkin-potentiaali. Ionien sähködiffuusioyhtälö kalvon läpi tasaisessa kentän approksimaatiossa. Toimintapotentiaalin muodostumis- ja leviämismekanismi.

tiivistelmä, lisätty 16.12.2015


Matalan lämpötilan fysiikan haara, joka tutkii aineiden ominaisuuksien muutosmalleja kryogeenisissä lämpötiloissa. Toimiva elin kryogeenisissa järjestelmissä. Biologisten toimintojen palautuminen sulatuksen jälkeen. Maakaasun kondensaatiolämpötila.

esitys, lisätty 10.8.2013


Polttoaineen lämpöarvon, palamistuotteiden määrien määrittäminen. Lämmönsiirtokertoimen määritys lämmönvaihtimessa. Lämpötasapainon yhtälö kontaktilämmönvaihtimelle. Kaasupolttimien valinta ja laskenta lämmön- ja kaasunsyöttöjärjestelmissä.

lukukausityö, lisätty 7.4.2015


Pyyhkäisy tunnelointimikroskooppi, sovellus. Atomivoimamikroskoopin toimintaperiaate. Biologisten esineiden - makromolekyylien (mukaan lukien DNA-molekyylit), virusten ja muiden biologisten rakenteiden tutkiminen atomivoimamikroskopialla.

lukukausityö, lisätty 28.4.2014


Antimonin diffuusioprofiilin laskeminen piissä, tämän prosessin pääparametrien määrittäminen. Käyttämällä fenomenologista diffuusiomallia. Parametrien vaikutus epäpuhtauksien esiintymisen syvyyteen. Diffuusioyhtälön numeerinen ratkaisu käyttämällä implisiittistä erokaaviota.

lukukausityö, lisätty 28.8.2010


Kuvaus kokeellisesta asetelmasta, ilmanpaineen mittausperiaatteesta ja sen optimaalisen arvon määrittämisestä. Havaintolokin laatiminen ja saatujen tietojen analysointi. Barometrisen paineen laskenta analyyttisellä ja graafisella menetelmällä.

TEKNOLOGIA JA LAITTEET ELINTARVIKKEIDEN TUOTANTOON

UDC 66.021.3:577.352.4:577.356

I. A. Latypov, M. K. Gerasimov SPONTAANIEN OSMOOTTISTEN MASSANSIIRTOPROSESSIEN MEKANISMIIN TUTKIMUS BIOLOGISTA ALKUPERÄJÄ PERÄISISSÄ JÄRJESTELMISSÄ

Tarkastellaan päätekijöitä spontaanien osmoottisten massansiirtoprosessien mekanismin muodostumiseen biologista alkuperää olevissa järjestelmissä ja esitetään suoran osmoosin fyysinen malli.

Membraaniprosessien mekanismin tutkimus on omistettu monille tutkimuksille, suuri määrä artikkeleita ja monografioita on julkaistu. Pääsääntöisesti julkaistut tutkimustulokset kohdistuvat kuitenkin pääasiassa käänteisosmoosiprosessien tutkimiseen järjestelmissä, joissa on keinotekoisia puoliläpäiseviä kalvoja. Samaan aikaan paljon vähemmän huomiota on kiinnitetty spontaanien osmoottisten massansiirtoprosessien tutkimukseen luonnollista alkuperää olevissa järjestelmissä, ja olemassa oleva tietopohja näistä prosesseista on erittäin hajanaista ja usein luonteeltaan perustieteen tietoa. Siksi tämän tiedon yleistäminen, analysointi ja systematisointi on äärimmäisen tärkeää sekä luonnollisten puoliläpäisevien kalvojen järjestelmissä tapahtuvien spontaanien osmoottisten prosessien yleisen ymmärtämisen että tuloksena olevan tiedon soveltamisen kannalta käytännössä.

Tarkastellaan spontaanien osmoottisen massansiirtoprosessin, ns. suoran osmoosi-ilmiön mekanismia luonnollisilla kalvoilla varustetuissa järjestelmissä, valitsemalla tutkimuskohteeksi hiivasuspensioon paikantunut hiivasolu, kiinnittäen erityistä huomiota tekijöihin jotka antavat suurimman panoksen prosessin muodostumiseen: kosteussidosmuodot järjestelmässä ja puoliläpäisevän solukalvon rakenne.

KOSTEUTTA SITOUVIEN MUOTOJEN TUTKIMUS HIIVASUSPESIONISSA LOKALISISESSA HIIVASOLUSSA

Tämän järjestelmän kosteussidosmuodoilla on olennainen rooli suoran osmoosin mekanismin muodostumisessa ja ne itse asiassa määräävät solukalvon puoliläpäisevyyden.

Käsittelemme biologisella kalvolla erotetun samanlaisen kaksivaiheisen järjestelmän kosteussidosmuotojen luokittelua P. A. Rebinderin ehdottaman kosteussidosmuotojen luokituksen kannalta, mikä antaa meille mahdollisuuden ottaa huomioon sekä kosteussidosmuotojen luonne. erilaisten sidosmuotojen muodostuminen ja niiden sidoksen energia materiaalien kanssa.

Tämän luokituksen mukaan hiivasolun sisällä olevaa kosteutta on pidettävä osmoottisesti pidättyvänä kosteudena,

johtuu veden valikoivasta diffuusiota ympäristöstä. Osmoottisesti pidätetylle kosteudelle on ominaista alhaisen intensiteetin sitoutumisenergia, se ei eroa ominaisuuksiltaan tavallisesta vedestä ja sillä on kyky diffundoitua vapaasti solukalvojen läpi solujen sisällä ja ulkopuolella olevien pitoisuuksien erojen vaikutuksesta.

Solunsisäisen kosteuden luokkaan voi kuulua myös hiivasolun soluseinän kapillaareihin immobilisoitunut kosteus - kapillaarikosteus, jolla on merkittävä rooli kosteuden uudelleenjakautumismekanismissa ja joka itse asiassa määrää biokalvon puoliläpäisevyyden.

Tieteellisen kirjallisuuden analyysistä siis tiedetään, että halkaisijaltaan yli 10-7 m kapillaareihin (makrokapillaarien kosteus) lokalisoituneella kosteudella ei ole yhteyttä materiaaliin ja se voi liikkua vapaasti diffuusioprosessissa.

Hiussuonten halkaisijaltaan alle 10-7 m (mikrokapillaarinen kosteus) ja polymolekyylikerroksen adsorptiosidoksesta johtuen kapillaarin seinämien lähellä oleva kosteus ei puolestaan ​​ole vapaata. Tällainen kosteus ei osallistu diffuusioprosesseihin sitoutuneelle kosteudelle ominaisten erityisominaisuuksien vuoksi.

Pääsääntöisesti adsorptiosidonnainen kosteus, joka on immobilisoitu biokalvon pinnalle adsorboituneen veden pintamonomolekyylikerroksen (hydraattikuori) muodossa, ei myöskään osallistu kosteuden uudelleenjakautumisprosesseihin sitoutumisen korkeiden arvojen vuoksi. vesimolekyylien energia biokalvon pinnalla. Adsorptioon sitoutuneen nesteen (polymolekulaarinen adsorptio) seuraavat kerrokset pysyvät vähemmän lujasti kiinni ja voivat olla mukana diffuusioprosesseissa.

Kemiallisesti sitoutuneella kosteudella ei ole merkittävää roolia kosteuden uudelleenjakautumismekanismin muodostumisessa, koska sen määrä on merkityksetön ja ioni- ja molekyylisidokset ovat erittäin vahvoja.

Siten osmoottisesti pidättynyt kosteus, makrokapillaarinen kosteus ja vapaa ylimääräinen ekstrasellulaarinen kosteus, joka sijaitsee hiivan biomassan solujen välisessä tilassa, ovat mukana suoran osmoosimekanismin muodostumisessa – kosteuden uudelleenjakautumisessa hiivasolun biomembraanin läpi (kuva 1). ).

Riisi. 1 - Kosteussidos muodostuu hiivasoluun, joka sijaitsee hiivasuspensiossa: 0 - kemiallisesti sitoutunut kosteus; 1 - osmoottisesti säilynyt kosteus (vapaa solunsisäinen kosteus); 2 - kapillaarien vapaa kosteus (makrokapillaarien kosteus); 3 - kapillaarien sitoutunut kosteus (mikrokapillaarien kosteus); 4 - adsorptioon sitoutunut kosteus; 5 - vapaa solunulkoinen kosteus (ylimääräinen solujen välinen kosteus)

BIOLOGISTEN MEMBRAANIN RAKENTEEN TUTKIMUS

Hiivasolun puoliläpäisevän solukalvon rakenteella, joka on kapillaarihuokoinen kappale, on keskeinen rooli suoran osmoosimekanismin muodostumisessa - osmoottisesti määräytyvässä spontaanissa kosteuden uudelleenjakautumisprosessissa solunsisäisestä ympäristöstä. hiivasolu solujen väliseen tilaan, kun osmoindusoiva komponentti (yleensä elektrolyytti) lisätään hiivasuspensioon.

Siten merkittävä rooli uudelleenjakautumismekanismin muodostumisessa on biologisen kalvon soluseinän huokosjärjestelmällä (kapillaareilla), joka on puoliläpäisevä, eli vähän selektiivinen vesimolekyyleille ja erittäin selektiivinen hydratoituneille ioneille. osmoindusoivasta komponentista.

Liuosten rakenteesta saatujen näkemysten ja koetulosten perusteella voidaan väittää, että ionien hydratointikyky vaikuttaa kalvojen selektiivisyyteen ja läpäisevyyteen.

Hydraatioilmiö piilee siinä, että liuenneen aineen ionit ovat liuottimen ympäröimiä ja liikkuvat sen osan kanssa, joka on vuorovaikutuksessa sen kanssa. Tässä tapauksessa voidaan havaita sekä primäärinen että sekundaarinen nesteytys. Primaarinen hydrataatio koostuu vesimolekyyli-ionien voimakkaasta sitoutumisesta luovuttaja-akseptorisidosten muodostumiseen asti. Toissijainen - on vesimolekyylien sähköstaattinen vuorovaikutus primääristen hydratoituneiden ionien kanssa.

Liuenneiden aineiden ionien välittömässä läheisyydessä sijaitsevat vesimolekyylit muodostavat hydraatiokuoren, jossa olevien molekyylien lukumäärä kuvaa hydraation koordinaatiolukua.

Sähköstaattinen vuorovaikutus ei ole ainoa syy hydraatioon - jälkimmäinen voi johtua myös kemiallisista voimista.

Ottaen huomioon edellä mainitut ja perustuen nykyaikaisiin käsityksiin sitoutuneesta nesteestä, hiivasolukalvon selektiivisen läpäisevyyden prosessi suhteessa vesipitoisiin elektrolyyttiliuoksiin voidaan esittää seuraavasti.

Hiivasuspensioon sijoittuneen hiivasolun solukalvon pinnalle ja huokosten (kapillaarien) sisään ilmestyy kerros sitoutunutta vettä. Kalvo-liuosrajapinnassa oleva vesi eroaa ominaisuuksiltaan vapaassa tilassa olevasta vedestä. Esimerkiksi sitoutunut vesi menettää suurelta osin liukenemiskykynsä, joten sitoutuneen veden läsnäolo hiivasolun solukalvon huokosissa on yksi tärkeimmistä tukkeutumisen syistä niille liuenneille ainemolekyyleille, joille sitoutunut vesi ei käytännössä ole liuotin. Jos kalvon huokosten halkaisija b b<2^+бги. (где бги. - диаметр гидратированного иона), то через такую мембрану будет проходить только или преимущественно вода, что и обуславливает селективность (полупроницаемость) клеточной мембраны дрожжевой клетки.

Kuitenkin, jos keinotekoisille kalvoille, joiden huokoshalkaisija ei ylitä hydratoidun ionin halkaisijaa, on 100-prosenttinen selektiivisyys, biologisten kalvojen selektiivisyys ei koskaan saavuta 100 prosenttia, koska todellisissa kalvoissa on halkaisijaltaan erilaisia ​​huokosia (kuva 1). 2), mukaan lukien suuret, jotka ylittävät arvon 2 ^ + br, ja sitoutuneella vedellä, vaikkakin hyvin pieninä määrinä, on silti liuotuskykyä.

Solujenvälinen ympäristö Vaihe 1

Solunsisäinen ympäristö Vaihe 2

Riisi. 2 - Kaavio biologisten kalvojen puoliläpäisevyyden mekanismista

Siten avainrooli suoran osmoosimekanismin muodostumisessa on hiivasolun biologisen kalvon rakenteella, jonka puoliläpäisevyys johtuu:

1) sitoutuneen veden läsnäolo kalvon huokosissa;

2) hydratoituneiden ionien muodostuminen solujen välisessä faasissa - suuria liuenneen aineen ionien konglomeraatteja vesimolekyylien kanssa.

SUORAN OSMOOSIN MEKANISMIN TUTKIMUS

Hiivasuspensioon lokalisoitu hiivasolu on järjestelmä, joka koostuu kahdesta faasista, joita rajaa hiivasolun soluseinä, puoliläpäisevä kalvo.

Kun suola upotetaan osmoindusoivan komponentin, kuten natriumkloridin, hiivasuspensioon, se hajoaa moniksi mikroskooppisiksi kiteiksi.

Mikrokiteet, jotka kantavat sekä positiivisesti varautuneita natriumioneja että negatiivisesti varautuneita kloridi-ioneja kidehilarakenteessa, alkavat kokea ioni-dipoli-vuorovaikutusvoimia vesimolekyyleistä. Tällaisessa vuorovaikutuksessa vesimolekyylit houkuttelevat positiivisesti varautuneita natriumioneja negatiivisilla napoillaan ja negatiivisesti varautuneita kloridi-ioneja niiden positiivisilla napoilla. Kuitenkin, jos ionit vetävät vesimolekyylejä puoleensa, vesimolekyylit vetävät ioneja myös itseensä. Samaan aikaan vetäytyneet vesimolekyylit kokevat iskuja lämpöliikkeessä olevista vetämättömistä vesimolekyyleistä. Nämä iskut sekä itse ionien lämpövärähtelyt riittävät voittamaan natrium- tai kloori-ioneja yksittäiskiteen kidehilan rakenteessa pitävät voimat ja siirtämään ne liuokseen.

Ensimmäisen ionikerroksen jälkeen seuraava kerros siirtyy liuokseen ja näin tapahtuu asteittainen mikrokiteen liukeneminen. Liuokseen siirtyneet ionit pysyvät sitoutuneina vesimolekyyleihin ja muodostavat ionihydraatteja, jotka estävät suuresti ionien käänteisen yhdistymisen mikrokiteen kanssa. Näin ollen fysikaalisesta näkökulmasta suolan liuotusprosessi hiivasuspensioon on itse asiassa

osmoa indusoivan komponentin ionien hydratoitumisprosessi, johon liittyy sen myöhempi dissosiaatio ja useiden ionien muodostuminen liuoksessa (hiivasuspension solujen välinen väliaine), joita ympäröivät hydratoituneet kuoret (hydratoidut ionit).

Koska hiivasolun biokalvo on puoliläpäisemätön, tarkasteltavana olevan järjestelmän komponentit eivät eristy toisistaan, joten kun suola liukenee hiivasuspensioon (osmoindusoiva komponentti upotetaan hiivan solujen väliseen väliaineeseen). suspensio), mikrokiteiden ja vesimolekyylien välisen ionidipoli-vuorovaikutuksen voimia kokevat paitsi vesimolekyylit, jotka sijaitsevat solujenvälisessä tilassa (vaihe 1), vaan myös vesimolekyylit, jotka sijaitsevat hiivasolun solunsisäisessä tilassa (vaihe 2). ). Siksi voidaan olettaa, että molekyylien kaoottinen lämpöliike vesimolekyylien ja osmoa indusoivan komponentin ionien vuorovaikutuksen seurauksena tapahtuu koko järjestelmässä yksittäiskiteiden korkeamman pitoisuuden suuntaan (suurempi kemiallinen potentiaali), toisin sanoen kosteus jakautuu uudelleen solunsisäisestä ympäristöstä (vaihe 1) solujen väliseen ympäristöön (vaihe 2).

Koska kaksivaiheisen järjestelmän komponentteja ei ole eristetty toisistaan, edellä esitettyjen johtopäätösten perusteella ja ottaen huomioon myös minkä tahansa järjestelmän tasapainotoive, olisi loogista olettaa, että vesimolekyylien liikkuminen järjestelmässä pitäisi tapahtua myös vastakkaiseen suuntaan, eli solujenvälisestä väliaineesta solunsisäiseen . Tällaista ilmiötä ei kuitenkaan havaita johtuen solukalvon rakenteen erityisominaisuuksista ja tietyistä kosteussidosmuodoista hiivasolussa, joista on keskusteltu edellä.

Osmoa indusoivan komponentin ionien ja vesimolekyylien ioni-dipoli-vuorovaikutuksessa muodostuneet hydratoidut ionit ovat melko suuria rakenteellisia muodostelmia eivätkä voi enää poistua solujen välisestä tilasta (vaihe 1). Siten voidaan havaita tilanne, jossa vaiheesta 1 vaiheeseen 2 siirtyvien vesimolekyylien määrä ylittää suurelta osin vastakkaiseen suuntaan liikkuvien vesimolekyylien lukumäärän johtuen siitä, että osa solujen väliseen tilaan lokalisoiduista vesimolekyyleistä ei pääse poistumaan. se muodostuu osmoa indusoivan komponentin ionin ja veden (hydratoituneen ionin) konglomeraatin koostumuksessa.

Samanaikaisesti tilavuusvirtauksen arvo vaiheesta 2 vaiheeseen 1 hallitsee suurelta osin tilavuusvirtauksen arvoa vastakkaiseen suuntaan ja johtuen vesimolekyylien ja osmoindusoivan komponentin hydratoituneiden ionien erilaisesta liikkuvuudesta, ts. itse asiassa havaitsemme osan solunsisäisen kosteuden uudelleenjakautumisesta solujen väliseen tilaan (kuva .3)

Samanlainen kosteuden siirtyminen hiivasolun puoliläpäisevän kalvon läpi solujen väliseen tilaan jatkuu, kunnes:

a) hiivasuspension solujen välisessä tilassa on hiukkasia, jotka pystyvät vaikuttamaan uudelleenjakautumisprosessiin, toisin sanoen osmoindusoivan komponentin täydelliseen dissosioitumiseen ja suurimman mahdollisen määrän hydratoituneita ioneja muodostumiseen saakka (jos lisätyn osmoindusoivan komponentin alhainen pitoisuus);

b) järjestelmässä olevilla vesimolekyyleillä on riittävästi energiaa ja vapausaste ioni-dipoli-vuorovaikutukselle (jos osmo-indusoivaa komponenttia on suuri pitoisuus);

c) kemiallisen potentiaalin arvo solujenvälisessä vaiheessa kosteuden uudelleenjakautumisen seurauksena ei saavuta minimiindikaattoria (jos kosteus jakautuu täydellisesti solunsisäisestä tilasta solujen väliseen tilaan).

Riisi. 3 - Kaavio solunsisäisen kosteuden uudelleenjakautumisesta solujen väliseen tilaan hiivasolun puoliläpäisevän kalvon läpi, kun se upotetaan osmoindusoivan komponentin hiivasuspensioon

Tällaisen kosteuden uudelleenjakautumisen seurauksena on painegradientin - osmoottisen paineen - asteittainen ilmaantuminen, mikä johtaa hiivasolun soluseinän fysikaaliseen muodonmuutokseen ja sen puristumiseen - plasmolyysiin (kuvio 4).

Riisi. 4 - Hiivasolun muodon ja koon muutos, kun se upotetaan osmoindusoivan komponentin hiivasuspensioon

Osmoa indusoivan komponentin upottaminen suoraan hiivasuspensioon mahdollistaa olosuhteiden luomisen järjestelmän indusoimiseksi mahdollisimman suuren määrän hiukkasia, jotka voivat vaikuttaa uudelleenjakautumisprosessiin, ja näin ollen

mutta osmoottisen prosessin maksimaalisen tehokkuuden varmistamiseksi. Samanaikaisesti hiivasuspension upottaminen osmoa indusoivan komponentin valmiiseen liuokseen antaa minimaalisen osmoottisen vaikutuksen, koska valmiissa liuoksessa ei ole hiukkasia, jotka voivat vaikuttaa uudelleenjakautumisprosessiin, eli jos ensimmäisessä tapauksessa kosteuden uudelleenjakautumisprosessi biologisessa järjestelmässä muodostuu konsentraatioelektrosmoosin ja kapillaariosmoosin yhteisvaikutuksesta, sitten toisessa - yksinomaan konsentraatioelektrosmoosin vaikutuksesta.

Käsitelty kapillaarisuodatusmalli kosteuden uudelleenjakaumisesta puoliläpäisevän kalvon läpi heijastaa itse asiassa suoran osmoosiilmiön fyysistä mallia ja antaa mahdollisuuden kuvitella riittävän yksityiskohtaisesti sekä hiivasolun sisällä että ulkopuolella uudelleenjakautumisprosessin aikana tapahtuvia prosesseja sekä selittää. itse ilmiön luonne.

Esitetty suoran osmoosin fysikaalinen malli voidaan esittää matemaattisena mallina riittävän korkealla riittävyydellä ja mahdollistaa korkean tehokkuuden osmoottisten massansiirron prosessien säätelyssä biologisissa järjestelmissä teollisessa mittakaavassa.

Kirjallisuus

1. Mushtaev, V.I. Dispergoituneiden materiaalien kuivaus / V.I. Mushtaev, V.M. Uljanov - M.: Kemia, 1988. - 351 s.

2. Dytnersky, Yu.I. Käänteisosmoosi ja ultrasuodatus / Yu. I. Dytnersky - M .: Chemistry, 1978.- 352 s.

3. Churaev, N.V. Huokoisten kappaleiden massansiirtoprosessien fysikokemia / N.V. Churaev - M.: Kemia, 1990. - 271 s.

© I. A. Latypov - Ph.D. kahvila elintarviketuotannon laitteet KSTU; M. K. Gerasimov - tekniikan tohtori. tieteet, prof. sama osasto.