Μεμβράνη

Μεμβράνη είναι ένα διαχωριστικό μέσο, το οποίο δύναται να διαχωρίσει ένα μείγμα ουσιών σε δύο επιμέρους κλάσματα, εκατέρωθεν αυτού.. Σύμφωνα με τον κατά IUPAC ορισμό, μεμβράνη είναι μια δομή με πολύ μεγάλες πλευρικές διαστάσεις σε σχέση με το πάχος της, μέσω της οποίας, υπό την επίδραση διαφόρων κινητήριων δυνάμεων μπορεί να λάβει χώρα μεταφορά μάζας..
Οι μεμβράνες απαντώνται σε πολλούς τομείς, όπως η Χημεία, η Βιολογία και η Τεχνολογία.

Διεργασίες διαχωρισμού μέσω μεμβρανών

Στους διαχωρισμούς μέσω μεμβρανών υπάγονται:

 Διαπίδυση
 Ηλεκτροδιαπίδυση
 Μικροδιήθηση
 Υπερδιήθηση
 Αντίστροφη ώσμωση
 Διαπίδυση Donnan
 Ιονεναλλακτική διαπίδυση
 Αέρια διάχυση
 Θερμική διάχυση

Σε όλες τις παραπάνω διεργασίες, οι χρησιμοποιούμενες μεμβράνες ονομάζονται ημιπερατές ή εκλεκτικές. Η κινητήριος δύναμη για την επίτευξη των διαχωρισμών μπορεί να είναι είτε η διαφορά συγκεντρώσεων των σωματιδίων εκατέρωθεν της μεμβράνης (διαπίδυση), είτε ή διαφορά πιέσεως (μικροδιήθηση, υπερδιήθηση, αντίστροφη ώσμωση), ή ακόμα και η ηλεκτρική δύναμη (ηλεκτροδιαπίδυση).

Αρχή λειτουργίας ημιπερατών (εκλεκτικών) μεμβρανών

Εξ' αιτίας της ίδιας της δομής της, η οποιαδήποτε μεμβράνη χαρακτηρίζεται από κάποια διαχωριστική ικανότητα .

Η τελευταία εκφράζεται είτε μέσω του διαχωριστικού μοριακού βάρους Μc της υπό διαχωρισμό διαλυμένης ουσίας, είτε μέσω της διαχωριστικής διαμέτρου dc του υπό διαχωρισμό σωματιδίου. Μια εκλεκτική μεμβράνη μπορεί να χαρακτηριστεί ως ιδανική, αν συγκρατεί πλήρως όλα τα σώματα με μοριακό βάρος Μ≥Mc και διάμετρο d≥dc, ενώ συγχρόνως επιτρέπει τη δίοδο μέσω αυτής, των σωμάτων με μοριακό βάρος Μ<Mc και διάμετρο d<dc.

Στην πληθώρα των διαχωρισμών μέσω ημιπερατών μεμβρανών, η διαχωριστική ικανότητα εκφράζεται με τον συντελεστή συγκράτησης ή απόρριψης, Rj.

Αν

Cb η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας στο αρχικό διάλυμα,

Cf η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας στο προϊόν

και

σ=Cf / Cb

τότε, η όλη διεργασία διαχωρισμού περιγράφεται από τη σχέση:

Rj=(Cb-Cf) / Cb = 1-Cf / Cb = 1-σ

Μεμβράνες στη Χημεία

Ανόργανες μεμβράνες

Αποτελούνται από κεραμικά υλικά ή ζεόλιθους, ενώ είναι ιδανικές για το διαχωρισμό αερίων μειγμάτων. Πλεονεκτούν ως προς τη θερμική αντοχή και τη χημική σταθερότητα, αλλά μειονεκτούν ως προς το κόστος και τη μηχανική αντοχή.

Πολυμερικές μεμβράνες

Είναι κατάλληλες για διαχωρισμούς που λαμβάνουν χώρα υπό ήπιες συνθήκες, ιδίως αναφορικά με τη θερμοκρασία, η οποία δεν πρέπει να ξεπεράσει ένα ανώτατο όριο, για να μήν καταστραφεί το πολυμερικό υλικό.

Μεμβράνες στη Βιολογία

Οι βιολογικές μεμβράνες, μπορούν να θεωρηθούν ως οργανωμένα συγκροτήματα σε σχήμα λεπτού φύλλου, τα οποία αποτελούνται κυρίως από πρωτεϊνες και λιπίδια.

Κοινά χαρακτηριστικά των βιολογικών μεμβρανών

Παρ΄όλο που οι βιολογικές μεμβράνες διαφέρουν μεταξύ τους τόσο ως προς τη δομή, όσο και ως προς τη λετουργία, μοιράζονται κάποια κοινά χαρακτηριστικά:

 Δομή - Η δομή τους μοιάζει αυτής ενός λεπτού φύλλου, με πάχος που κυμαίνεται μεταξύ 60 Å και 100 Å.
 Σύσταση - Αποτελούνται κυρίως από λιπίδια, πρωτεϊνες και υδατάνθρακες. Τα μεμβρανικά λιπίδια είναι σχετικά μικρά μόρια στα οποία εντοπίζεται μία υδρόφοβη και μία υδρόφιλη περιοχή. 
 Ασυμμετρία - Οι δύο όψεις της κάθε μεμβράνης είναι διαφορετικές μεταξύ τους.
 Αποτελούν ρευστές δομές - Τα λιπιδικά μόρια διαχέονται με μεγάλη ταχύτητα μέσα στο μεμβρανικό επίπεδο. 
 Εκλεκτικότητα πρωτεϊνών - Συγκεκριμένες πρωτεϊνες επιτελούν χαρακτηριστικές λειτουργίες της κάθε μεμβράνης. Βρίσκονται βυθισμένες μέσα στη διπλοστοιβάδα των λιπιδίων.
 Έλλειψη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων - Οι μεμβράνες είναι μή ομοιοπολικά συγκροτήματα. Οι μή ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα μόρια των πρωτεϊνών και των λιπιδίων ειναι συνεργειακές.

Κατηγορίες βιολογικών μεμβρανών

Κυτταρική μεμβράνη

Κυτταρική μεμβράνη ή πλασματική μεμβράνη, είναι η μεμβράνη που περιβάλλει το κύτταρο, διαχωρίζοντάς το από το περιβάλλον του.

Ορώδης μεμβράνη / Ορώδης χιτών

Πρόκειται για λεία μεμβράνη η οποία αποτελείται από λεπτό στρώμα κυττάρων που εκκρίνουν ορώδες υγρό. Οι ορώδεις μεμβράνες περικλείουν διάφορες κοιλότητες, γνωστές ως ορώδεις κοιλότητες, οι οποίες περιέχουν λιπαντικό υγρό, ρόλος του οποίου είναι η μείωση των τριβών από την κίνηση των μυών.

Ερυθροκυτταρική μεμβράνη

Είναι η πλασματική μεμβράνη του ερυθροκυττάρου η οποία παίζει πρωταγωνιστικό ρόλο στη διατήρηση της ελαστικότητάς του και στην αλληλεπίδρασή του με το περιβάλλον του.

Υδρολιπιδική μεμβράνη

Είναι η μεμβράνη που καλύπτει την επιδερμίδα, προστατεύοντάς την από τις κακώσεις.

Μεμβράνες στην Τεχνολογία

Εφαρμογές στην Ιατρική

Η τεχνολογία μεμβρανών κατέχει εξέχουσα θέση στον κλάδο της ιατρικής. Τα τελευταία χρόνια, ειδικά κατασκευασμένες μεμβράνες χρησιμοποιούνται για τη διοχέτευση φαρμακευτικών ουσιών στον οργανισμό, καθώς και για τη δημιουργία τεχνητών οργάνων.

Σε όλες τις προαναφερθείσες περιπτώσεις, οι μεμβράνες πρέπει να είναι κατασκευασμένες από υλικά βιοσυμβατά, δηλαδή να μήν απορρίπτονται από τον οργανισμό, και κάποιες φορές βιοαποδομήσιμα, δηλαδή να είναι εφικτή η αποδόμησή τους από το ίδιο το σώμα μετά το πέρας της λειτουργίας τους. Πλήθος πολυμερικών υλικών χρησιμοποιείται για τη σύνθεση βιοσυμβατών και βιοαποδομήσιμων μεμβρανών.

Διοχέτευση / μεταφορά φαρμάκων

Τα συστήματα μεμβρανών που κατασκευάζονται για το σκοπό αυτό μπορεί είτε να είναι ωσμωτικά, είτε να λειτουργούν βασιζόμενα σε φαινόμενα διάχυσης.

Δημιουργία τεχνητών οργάνων

Με τη βοήθεια ειδικά κατασκευασμένων συστημάτων μεμβρανών, έχουν δημιουργηθεί τεχνητά όργανα όπως νεφροί, ήπαρ και πάγκρεας.

Εφαρμογές στην τεχνολογία κυψελών καυσίμου

Στην τεχνολογία κυψελών καυσίμου, οι μεμβράνες αποτελούν τον πυρήνα της όλης διάταξης. Ο ρόλος τους είναι τριπλός και έγκειται στη μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου, στο διαχωρισμό αερίων και στην απομόνωση των ηλεκτρονίων.

Παραπομπές

Πηγές 
Αντώνιος Θ. Σδούκος, Φυσικές Διεργασίες της Χημικής Τεχνολογίας, Τόμος 1 - Μηχανική Ρευστών και Τεχνική Σωματιδίων, Δεύτερη έκδοση, Ιωάννινα 1993.
Βασίλης Ράπτης, Φυσικοί διαχωρισμοί μέσω μεμβρανών, Ιωάννινα 2009.
Lubert Stryer, Βιοχημεία, Τόμος Α', Δεύτερη 'Εκδοση, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, ISBN 960-7309-62-6

Αναλυτική χημεία
Βιολογία
Ιατρικά εργαλεία
Τεχνολογία νερού