termodynamika sieciowa
Transkrypt
termodynamika sieciowa
Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... TERMODYNAMIKA SIECIOWA. INTERPRETACJA TRANSPORTU MEMBRANOWEGO Romuald WÓDZKI Wydział Chemii, Uniwersytet M. Kopernika, Toruń ul, Gagarina 7, 87-100 Toruń e-mail: [email protected] 1. WPROWADZENIE Jakościowy i ilościowy opis zjawisk dynamicznych charakterystycznych dla układów, których właściwości (np. strumienie, stężenia, itp.) podlegają ewolucji czasowej, stanowi przedmiot badań w dziedzinie nazywanej ogólnie „analizą i symulacją systemów” [1]. Jedną z metod wykorzystywanych do opisu układów, w których zachodzą reakcje chemiczne i procesy transportowe jest termodynamiczna analiza sieciowa. Teoretyczne podstawy termodynamiki sieciowej w zastosowaniu do modelowania układów biofizycznych opracowane zostały przez Ostera, Perelsona i Katchalsky’ego w latach siedemdziesiątych [2,3]. W najbardziej ogólnym ujęciu, termodynamika sieciowa [2-8] umożliwia opis nierównowagowych procesów obejmujących zjawiska transportowe związane z przepływem masy energii i informacji. Obecnie, termodynamiczna analiza sieciowa (TAS), w zastosowaniu do opisu procesów dyfuzyjno-reakcyjnych opiera się na metodzie grafu połączeń (bond graph method) oraz na wykorzystaniu symboliki i teorii analogowych obwodów elektrycznych. Należy przy tym zauważyć, że TAS nie jest jedynie kolejną wersją "teorii elektrycznych obwodów równoważnych" a raczej teorią, której celem jest wykorzystanie i unifikacja praw rządzących zjawiskami dynamicznymi występującymi w różnych układach - od obwodów elektrycznych poczynając na układach mechanicznych kończąc. Obwód elektryczny jest układem nierównowagowym i w sposób ogólny może być rozpatrywany jako składający się z elementów składujących energię (pojemność, induktancja) oraz dyssypujących energię, tj. 1 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka oporników, zgodnie z zestawieniem przedstawionym w tab.1. Podobne zjawiska występują w wielu innych układach w tym chemicznych w trakcie przepływu masy i energii - zwłaszcza w stanie nieustalonym. Tab.1. Składowe obwodów elektrycznych Element Funkcja Definicja C: pojemność φC [napięcie (v), ładunek (Q)] C≡ ∂Q / ∂I L: induktancja φL [strumień (f), prąd (I)] L≡ ∂f / ∂I R: opór φR [napięcie (v), prąd (I)] R≡ ∂ν / ∂I Zgodnie z ideą TAS, możliwa jest graficzna reprezentacja układów termodynamicznych przez analogię do sieci elektrycznych [5]. Sieć taka, jak dalej to będzie pokazane, stanowi jednak więcej niż tylko graficzne odwzorowanie odpowiednich zjawisk. Ponieważ z grafu mogą być odczytane równania opisujące dynamikę układu, to można również traktować sieć jako graficzną reprezentacją równań różniczkowych wystarczającą do pełnego opisu przepływów w układzie (ogólnie: dyssypacji i akumulacji energii). Ponadto, graf sieciowy (jako wynikający z ogólnej teorii grafów) zawiera informacje dotyczące topologii systemu, które nie wynikają jednoznacznie z układu równań (mogą im odpowiadać różne sieci). Ten ważny aspekt zwykle jest pomijany w podstawowym termodynamicznym opisie układów transportowych. Sposób, w jaki elementy danego układu są połączone określa w dużym stopniu jego właściwości i odwrotnie, szczegółowy opis pojedynczych elementów układu bez uwzględnienia jego topologii nie pozwala opisać funkcji „końcowego urządzenia”. Ogólny algorytm wynikający z zasad TAS polega, zatem na: - skonstruowaniu sieci opisującej układ termodynamiczny z uwzględnieniem jego topologii - przy pomocy specjalnie opracowanej symboliki, - przypisaniu sieci odpowiedniego opisu matematycznego równoważnego z opisem termodynamicznym, - skonstruowanie algorytmu obliczeniowego, - przeprowadzenie obliczeń symulujących działanie układu a szczególnie jego ewolucję w czasie. Przedstawione dalej podstawy TAS nie wyczerpują możliwości, jakie wnosi termodynamiczna analiza sieciowa do rozumienia i opisu transportu membranowego. Wykorzystanie TAS zależy w dużej mierze od pytań sfor- 2 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... mułowanych przez badacza. Wynika to z reguły sformułowanej przez Nicolisa [9], że TAS „nie produkuje nowych odkryć fizycznych” a jedynie, ze względu na swój fenomenologiczny charakter - stanowi narzędzie rozwiązywania problemów. TAS jest, zatem metodą opisu - metoda alternatywną do już istniejących. W przypadku transportu membranowego polegającego na równoczesnym przebiegu procesów dyfuzyjnych i reakcyjnych jest metodą względnie prostą i wygodną w praktycznym stosowaniu. 2. FUNKCJE I ZMIENNE Podstawową operacją stosowaną w TAS jest umowne rozdzielenie procesów odwracalnych i nieodwracalnych występujących w danym układzie. W konsekwencji prowadzi to do utworzenia sieci (zespołu) podsystemów, z których każdy albo akumuluje energię albo ją rozprasza bez akumulacji. Zakłada się ponadto, że każdy podukład (lub element) charakteryzuje się skończoną liczba tzw. portów (tj. oddziaływań z otoczeniem), w sposób przedstawiony na rys.1. Elementy sieci mogą być sklasyfikowane za pośrednictwem liczby portów (uwaga: w teorii obwodów 1-port jest równoważny z „urządzeniem 2-terminalowym"). Ponadto definiuje się lub przyjmuje istnienie idealnych „wiązań energetycznych” (energy bonds), odpowiadających doskonałym przewodnikom pozwalającym na przepływ energii bez strat. ciepło μ n μ, V, T, S -p T n siła V S membrana (a) (b) Rys.1. Potrójny port (tri-port) układu termodynamicznego, (a) schemat, (b) siły i przepływy, wg [6] Każdy układ termodynamiczny opisywany jest funkcją stanu i jej zmianą w trakcie procesu. W celu opisu dynamiki tych zmian nie jest jednak możliwe proste podzielenie różniczki odpowiedniej funkcji przez dt. Wymagane jest nieco odmienne podejście, tj. punktem wyjścia musi być ogólna teoria uwzględniająca dynamiczny charakter procesu tak dobrana, że np. po przyjęciu odpowiednich założeń prowadzi do poprawnej postaci 3 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka wynikającej z teorii równowagowej (np. kinetyka reakcji → równowaga reakcji). Punktem wyjścia jest ta właściwość układów, że szybkość przepływu energii, jej dyssypacja lub akumulacja są skończonymi wielkościami i mogą być wyrażone jako iloczyn siły napędowej (e-effort) i przepływu:(f-flow): szybkość przepływu energii - moc = ef (1) W sieciach elektrycznych są to napięcie i prąd, w układach mechanicznych siła i szybkość przesuwania masy, w procesach dyfuzyjnych różnica potencjału chemicznego i przepływ masy, w reakcjach chemicznych - powinowactwo i szybkość reakcji. Poddając całkowaniu e i f można zdefiniować dwie nowe podstawowe funkcje stanu - zmienne – takie jak: ¾ przesunięcie uogólnione (q) t q (t ) = q (0) + ∫ f(t)dt (2) 0 Dla przykładu: postęp reakcji ξ jest uogólniona zmienną przesunięcia ponieważ t ξ (t ) = ξ (0) + ∫ J r (t)dt (3) 0 gdzie Jr - szybkość reakcji jest zmienną przepływu. ¾ moment uogólniony (p) t p (t ) = p (0) + ∫ e(t )dt (4) 0 Podstawowe zmienne przewidywane teorią zestawione są w tab.2. Opis musi być dalej uzupełniony informacjami w postaci równań stanu (constitutive relations) wynikającymi z fenomenologii układu. Podstawą do ich sformułowania może być obserwacja doświadczalna albo inna teoria. 4 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... Tab.2. Zmienne w termodynamice sieciowej Zmienna związana z przepływem f energia prąd, I elektryczna Zmienna związana z siłą Zmienne uogólnione e napięcie, v przesunięcie q ładunek, Q potencjał chemiczny, μ masa mi lub l. moli ni dyfuzja przepływ masy, Ji ciepło przepływ entropii, S temperatura, T reakcja chemiczna szybkość reakcji, Jr powinowactwo, • A = −ΔG = −∑ vi μi moment p przepływ φ entropia związana ze zmianą temperatury postęp reakcji, ξ 3. AKUMULACJA I DYSSYPACJA ENERGII Zjawiska akumulacji i dyssypacji energii związane są bezpośrednio z równaniem definiującym moc, tj. P = ef = ∑ ei f i (i-liczba portów) (5) i skąd wyróżnić można dalej: pojemnościowe akumulowanie energii: t q (t ) o q (0) EC = ∫ efdt = ∫ edq (6) indukcyjne lub kinetyczne akumulowanie energii: t E L = ∫ fedt = o p (t ) ∫ fdp (7) p (0) oraz dyssypację energii na oporze przepływu: 5 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka t E R = ∫ efdt (8) o Aby przeprowadzić pierwsze całkowanie potrzebne jest równanie wyrażające zależność pomiędzy przesunięciem a zmianą związaną z ładunkiem w postaci funkcji: q=ΨC(e) (9) Ponieważ idealny multiport przechowujący energię jest zdefiniowany następująco: dq/dt = (dΨC/de)(de/dt) (10) to definiując odwracalny przepływ związany z kondensatorem, tj. strumień pojemnościowy otrzymujemy, że: frev =dq/dt (11) C = dΨC/de (12) frev=C(de/dt). (13) oraz czyli W przypadku mieszaniny, dla której potencjał chemiczny i-tego składnika jest wyrażony zwykłym równaniem: μ i = μ i0 + ℜT ln x i (14) gdzie xi jest ułamkiem molowym składnika, otrzymujemy, że: ⎛ ∂ ni ⎞ ni n ≈ i gdy xi<<1 = Ci = ⎜ ⎟ ⎝ ∂ μ i ⎠ p ,T , n j ℜT (1 − xi ) ℜT (15) Energia może być akumulowana również jako względny ruch masy lub ładunku (energia kinetyczna lub elektromagnetyczna). Ten rodzaj akumulacji jest oznaczony w TAS przez L i nazywany uogólnioną induktancją. 6 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... W przypadku reakcji chemicznej, istotne jest, że gdy zachodzi reakcja chemiczna - swobodna energia dyssypowana przez reakcję odpowiada różnicy pomiędzy energią swobodną dostarczaną przez rozładowanie lokalnych kondensatorów substratów a energią akumulowaną przez ładowane kondensatory produktów reakcji. Wielkości stosowane do podstawowego opisu procesów dyfuzyjno reakcyjnych obejmujących zjawiska dyssypacji i akumulacji energii zestawiono w tab.3. Tab.3. Wielkości stosowane do opisu dyssypacji i akumulacji energii w układach dyfuzyjno-reakcyjnych, wg [6] Odwracalna akumulacja energii Odwracalna akumulacja energii Dyssypacja energii Wielkość uogólniona Pojemność C Funkcja Definicja Przykład φC(e,q)=0 C≡ ∂q / ∂e Induktancja L φL(f,p)=0 L≡ ∂p / ∂f (dyfuzja) - Opór R φR(f,e)=0 R≡ ∂e / ∂f ∂ (Δμ i ) / ∂J i ∂ni = n i ℜT ∂μ i (dyfuzja) ∂A / ∂J i (reakcja) Źródło siły napędowej E Źródło strumienia F e(f)=const dla wszystkich e f(e)=const. dla wszystkich f 4. GRAF POŁĄCZEŃ Podstawowe prawa i symbolika stosowana w termodynamicznej analizie sieciowej zostały sformułowane przez Ostera Perelsona i Katchalskiego. Obecnie znane są dwa równorzędne sposoby zapisu danego zjawiska w ramach TAS, tj. - metoda grafu połączeń (bond graph method), opracowana przez Paytnera [10] i wprowadzona do TNA przez Ostera i wsp [1,2]. - metoda wykorzystująca symbolikę i teorię analogicznych obwodów elektrycznych [5]. 7 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka Ze względów praktycznych preferowane jest stosowanie metody grafu połączeń, która umożliwia analizę zjawisk transportowych na podstawie struktury (topologii) sieci bądź odpowiednich obliczeń matematycznych, np. z wykorzystaniem programu Berkeley Madonna®. "Metoda równoważnych obwodów elektrycznych" wymaga w praktycznym stosowaniu specjalnego oprogramowania komputerowego, opracowanego wcześniej do symulacji właściwości obwodów elektrycznych, np. SPICE®. System notacji wprowadzony przez Partnera [10], tab. 4, obejmuje zestaw ogólnych złącz umożliwiających połączenia szeregowe i równoległe pomiędzy innymi elementami sieci.. Tab.4. Podstawowe elementy grafu połączeń, wg [6] Element Symbol Równanie Uwagi ↑ →0→ Σσi fi = 0; złącze e1 = e2 = ... równoległe ↑ Σσi ei = 0; złącze →1→ f1 = f2 = ... szeregowe Opór →R φR (e,f)=0 idealny element dyssypujący Pojemność →C φC(e,q)=0 pojemnościowe akumulowanie energii Induktancja →L φL(p,f)=0 indukcyjne (kinetyczne) akumulowanie energii Źródło energii E→ e = const Źródło przepływu F→ f = const Złącze 0 Złącze 1 4.1. ZŁACZE „0” – PRAWO PRĄDÓW KIRCHHOFFA (KCL – Kirchhoff’s Current Law) Termodynamiczna analiza sieciowa w opisie przepływu energii posługuje się pojęciem bezoporowego przewodnika łączącego różne ele- 8 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... menty sieci. Przewodniki te mogą łączyć się w pewnym miejscu nazywanym złączem "0", zapisywanym w konwencji TAS jako: μ22 μ ii μ11 J2 J1 ... . . . ... Ji . μnn 0 Jn (16) Zgodnie z teorią obwodów elektrycznych strumienie wpływające i wypływające ze złącza podlegają prawu prądów Kirchhoffa w postaci: ∑ σ i Ji = 0 (17) i gdzie i oznacza np. i-ty strumień k-tej substancji. W równaniu (17) σi = +1 lub σi = -1 zależnie od kierunku strumienia przepływu. Praktyczne znaczenie złącza "0" wynika z możliwości dodawania i odejmowania różnych strumieni tej samej substancji w tym strumieni pojemnościowych. W najprostszym przypadku podział strumieni jest wynikiem zjawiska akumulacji. Z tego względu typowym elementem sieci jest niżej przedstawiona kombinacja złącza "0" i pojemności Xm. Xm μi J1 μm Jm 0 μi (18) J2 Zgodnie z powyższym Jm = J1-J2, gdzie Jm oznacza strumień związany z akumulacją i-tej substancji w układzie, natomiast J1 i J2 - odpowiednio strumień wpływający i wypływający. 4.2. ZŁACZE „1” – PRAWO NAPIĘĆ KIRCHHOFFA (KVL – Kirchhoff’s Voltage Law) W trakcie przepływu substancja napotyka opór R, który z punktu widzenia teorii sieci jest zawsze elementem szeregowym. Oznacza to, że strumień zachowuje swoją wartość w trakcie przepływu przez fragment sieci zawierający element oporowy. Prawo zachowania strumienia znajduje swój wyraz w postaci uogólnionego złącza "1" zapisywanego jako 9 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka μ22 μ11 J2 J1 μ ii ... . . . ... Ji . μμnn 1 Jn (19) Podlega ono prawu napięć Kirchhoffa zgodnie, z którym suma napięć (potencjałów) w sieci równa jest zero. ∑ σiμi = 0 (20) i Zwykle złącze "1" występuje w następującej kombinacji z oporem (R): R R Δμi Ji μi,1 Ji 1 μi,2 (21) Ji 4.3. INTERPRETACJA POJEMNOŚCI Uogólnieniem pojemności występującej w opisie transportu membranowego (rozdz. 6) jest zmienna w czasie wielkość ekstensywna Ei=Ei(t). W większości przypadków Ei oznacza liczbę moli akumulowanej substancji (Ei ≡ ni) lub ładunk elektryczny (Ei ≡ Qi). Zmienność Ei w czasie związana jest z pewnym strumieniem Ji (nazwanym wcześniej strumieniem pojemnościowym) definiowanym jako: Ji = dEi dt (22) W praktyce strumień ten określa szybkość zmian stężenia, objętości, gęstości itp. Podstawiając w miejsce Ei stężenie ci uzyskuje się równanie na strumień w postaci: dci = Ji dt (mol/dm3s) (23) Różniczkowanie równania (23) z uwzględnieniem potencjału chemicznego μi prowadzi do końcowego wzoru na Ji umożliwiającego termodynamiczną interpretacje pojemności, tj. Ji = 10 dci dci dμ i dμ = ⋅ = C i (μ i ) ⋅ i dt dμ i dt dt (24) Membrany teoria i praktyka gdzie: C i (μ i ) = Termodynamika ... dci dμ i (25) oznacza pojemność uogólnioną. W przypadku układów nieidealnych strumień pojemnościowy wyraża się wzorem: Ji = dμ j dci = ∑ C i, j ⋅ dt dt j (26) gdzie Ci,j oznacza: ⎛ ∂ ci ⎞ Ci,j = ⎜ ⎜ ∂ μ j ⎟⎟ ⎝ ⎠T , μk (27) W zapisie sieciowym pojemność uogólniona przedstawiana jest jako tzw. multiport (n-port) w postaci: ... .. . {Cij} .. . .. μi Ji (28) gdzie każdemu z portów odpowiada para sprzężonych zmiennych Ji i μi. W praktyce, a zwłaszcza wtedy, kiedy trudno określić ściśle związek pomiędzy potencjałem a strumieniem, multiporty zastępowane są układem uni-portów (portów-1) z których każdy opisywany jest parą zmiennych Ji, ci oraz grafem połączeń (29): ci Xi ← ⎯⎯ J (29) i Zwrot strzałki informuje o kierunku, dla którego strumień przyjmuje wartość dodatnią ("+" dla strumienia ładującego i "-" dla strumienia rozładowującego pojemność). 4.4. REAKCJA CHEMICZNA W najprostszym przypadku opis TAS dotyczy układu reakcyjnego w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem. Zakłada się jednocześnie, że mieszanina reakcyjna o objętości V jest mieszana tak, że szybkość reakcji (nazywana również w TAS "strumieniem reakcyjnym" - flow of reaction) jest taka sama w każdej wydzielonej objętości naczynia reakcyjnego. Z punktu widzenia TAS układ reakcyjny jest multiportem, którego schemat przedstawia rys.2. 11 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka A J B μC C JC μA multiport przemiany chemicznej μB JB μD J D Rys. 2. Multiport reakcji chemicznej. Właściwości multiportu reakcji mogą być interpretowane w kategoriach pojemności, która podlega na rozładowaniu na skutek ubywania substratów lub ładowaniu na skutek przybywania produktów. Oznacza to, że w sposób ogólny strumienie pojemnościowe związane z reakcją chemiczną zapisać można jako: Ji = N dni dμ = ∑ C j, i i dt dt j=1 (30) ponieważ: n dni = ∑ j=1 dni dμ j dμ j (31) Multiport układów idealnych może być podzielony na N pojemności, z których każda odpowiada poszczególnym substratom i produktom, tj. Ci = ciV , ℜT V- jest objętością mieszaniny reakcyjnej (32) a strumienie pojemnościowe i-tego składnika w procesie reakcyjnym wyrażane są jako: J i = Ci dμ i . dt (33) Ogólny duo-port odwracalnych reakcji chemicznych (dalekich od stanu równowagi) w termodynamicznej analizie sieciowej reprezentuje graf (33): Af JRsubstr R JR Ar prod (34) gdzie: Af i Ar stanowią odpowiednio powinowactwo chemiczne reakcji powstawania i rozpadu produktu. 12 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... Szczegółowy opis procesów reakcyjnych wymaga dalej uwzględnienia stechiometrii oraz cząsteczkowości poszczególnych reakcji. GRAF REAKCJI JEDNOCZĄSTECZKOWEJ Zgodnie z TAS przebieg reakcji jednocząsteczkowych przedstawia się w uproszczeniu za pomocą grafu analogicznego do (34): X1 [X1] JX1 R [X2] JX2 X2 (35) graf (35) odpowiada reakcji: ⎯⎯ → X2 X1 ←⎯ ⎯ k (36) k' zachodzącej z szybkością: J = k[X1] - k'[X2] (37) w równaniach (36-37) [X1] i [X2] oznaczają stężenia substratu X1 i produktu X2, a J oznacza strumień reakcyjny. k i k' są odpowiednio: stałymi szybkości reakcji w kierunku od X1 do X2 i przeciwnym. Powyższy opis jest z punktu widzenia kinetyki chemicznej uproszczony, ponieważ nie uwzględnia rzeczywistego mechanizmu reakcji jednocząsteczkowych. GRAFY REAKCJI WIELOCZĄSTECZKOWYCH Reakcje typu ⎯⎯ →C + D A + B ←⎯ ⎯ (38) zapisywane są z wykorzystaniem złącz 1, co obrazuje graf (39), będący sieciową interpretacją reakcji (38): A B [A] JA [B] JB 1 [A][B] JR R [C][D] JR 1 [C] JC [D] JD C (39) D W przypadku reakcji przebiegających z różnymi współczynnikami stechiometrycznymi zapis sieciowy upraszczany jest przez wykorzystanie właściwości przetwornika (transducer, p. rozdz.5.0), definiowanego grafem (40): 13 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka TD (r) [A] JR [A]r (40) JR/r Np. reakcja typu: 2A WB w zwykły sposób może być zapisana jako: A [A] 2JA [A] JA 0 1 [A] JA [A]2 JR R [B] JR B (41) Zgodnie z właściwościami przetwornika (39) kombinacja złącz 0 i 1 może być zastąpiona przez: TD (2) [A] 2JA [A]2 (42) JA co oznacza, że reakcji (41) odpowiada graf: A [A] 2JA TD (2) [A]2 JA R [B] JB B (43) Symbol (r) występujący w grafie przetwornika (39) oznacza jego moduł, który liczbowo odpowiada współczynnikowi stechiometrycznemu reakcji. Zmiana orientacji przetwornika, związana z reakcją w odwrotnym kierunku, jest równoważna z inwersją modułu do 1/r. Korzystając z właściwości przetwornika, złącz „0” oraz „1” można dalej opisać rzeczywisty przebieg reakcji jednocząsteczkowych, np. z uwzględnieniem mechanizmu Lindemanna-Hinshelwooda [11], tj. ⎯⎯ → A* + A R1: A + A ←⎯ ⎯ (44) R2: A* → P (45) gdzie A* oznacza cząsteczkę aktywowaną w wyniku podwójnych zderzeń, natomiast P oznacza produkt reakcji. 14 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... [A] (46) JA A 0 TD (2) [A] 2JA [A]2 JR1 R1 [A][A*] 1 JR1 JA* [A*] A* 0 [A*] JR2 R2 [P] JR2 P Korzystając z prawa KCL, zgodnie z siecią (46), zmiany stężeń A* oraz P można przedstawić za pośrednictwem następujących wzorów: d [ A *] / dt = J R1 − J R 2 = k R1 [ A ] − k R′ 1 [ A *][ A ] − k R 2 [ A *] 2 d [ P ] / dt = J R 2 = k R 2 [ A *] (47) (48) 4.5. DYFUZJA Zgodnie z zasadami termodynamiki sieciowej, opis membranowych procesów dyfuzyjnych wymaga podziału układu transportowego na szereg (n) homogenicznych podukładów o grubości l/n. Proces przenikania substancji przez wybrany element objętościowy może być opisany za pomocą sekwencji dwóch oporów i pojemności - zgodnie z grafem (49): Cm R μ1 J1 Δμ1 J1 1 R Δμ2 J 2 μm Jm J1 0 J2 1 μ2 (49) J2 W praktycznym zastosowaniu bardziej przydatne jest rozwiązanie zaproponowane przez Schnakenberga [4], w którym przepływ substancji pomiędzy dwoma podukładami (warstwami) opisany jest za pomocą grafu: Xk DX Xk' (50) Wyrażenie na strumień X między warstwą k i k+1 przyjmuje postać: JX = PX([X]k - α[X]k+1) (51) 15 R. Wódzki gdzie: PX = Membrany teoria i praktyka DX S l* DX - oznacza współczynnik dyfuzji substancji X w membranie, l* - oznacza grubość warstwy dyfuzyjnej, S - oznacza powierzchnię membrany, natomiast α - oznacza równowagowy współczynnik podziału substancji X pomiędzy warstwami k i k+1. Zgodnie grafem (49) procesy dyfuzyjne w układzie złożonym z najmniej dwóch warstw (przedziałów) opisuje efektywnie graf składający się z 2 pojemności i 4 oporów: R(1) 1 (1) Cm 0 R(1) R(2) C(2) m R(2) 1 1 0 1 (52) Ponieważ dwa złącza 1 nie są rozdzielone innym elementem sieciowym to podlegają konwersji do jednego wspólnego złącza, z odpowiednio zmodyfikowanym opisem, czyli graf (52) ulega dalej uproszczeniu do: R(1) 1 (1) Cm 0 R(1,2) C(2) m R(2) 1 0 1 (53) Graf (53) w części zaznaczonej linią przerywaną jest równoważny z grafem dyfuzyjnym (54) opisującym przepływ między warstwą 1 i 2. (1) Cm 0 C(2) m D 0 (54) Powyższe przekształcenia ilustrują sposób transformacji sieci dyfuzyjnych, które alternatywnie podstawione mogą być jako sekwencja dwóch oporów i pojemności lub dwóch pojemności i jednego oporu. 16 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... 5. SPRZĘŻENIA Dla opisu sprzężeń energetycznych i konwersji energii w ramach TAS stosowany jest, wspomniany już wyżej, idealny element sieciowy nazywany konwerterem lub przetwornikiem (TD). Ogólna definicja TD dana jest grafem (55) i równaniem (56): e1 TD (r) f1 e1 f1 = e2 (55) f2 r 0 e2 0 -1/r f2 (56) Przetwornik (TD) charakteryzuje się takimi właściwościami jak: ¾ nie akumuluje ani nie dyssypuje energii, ¾ jest „urządzeniem” przemiennym (ponieważ definiowany jest przez macierz symetryczną). Współczynnik r nazywany jest modułem przetwornika a jego działanie polega na skalowaniu konwersji energii ze stanu 1 do 2. Wartość modułu może być funkcją innych zmiennych występujących w układzie, co umożliwia wprowadzenie opisu termodynamicznego sprzężeń zwrotnych i przełączających. Dobrą ilustracja właściwości przetwornika jest opis tzw. sprzężeń termodynamicznych. Posługując się dalej przykładem dyfuzji A i B można przyjąć, że dyfundujące substancje oddziałują ze sobą w sposób dyssypatywny. Struktura tego rodzaju sprzężenia wyrażana jest za pośrednictwem sieci przedstawionej na rysunku 3, w której występuje tzw. opór sprzężenia Rcp oraz dodatkowe złącze 0. Innym przykładem jest sprzężenie przepływów A i B poprzez reakcję przedstawioną na rys.4. Dla uproszczenia, przyjęto, że substancja A jest konwertowana odwracalnie do substancji B: W tym przypadku przetwornik jest wykorzystywany odmiennie niż w przypadku sieci na rys.3, tj. nie do konwersji energii, ale do uwzględnienia stechiometrii reakcji. Suma dwóch przedstawionych sieci prowadzi do sieci (rys.5) opisującej układ dyfuzyjno-reakcyjny, w którym występuje sprzężenie pomiędzy dyfundującymi cząsteczkami (oddziaływania dyssypatywne) oraz sprzężenie wynikające z reakcji chemicznej. 17 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka R1, A C1, A 1 Cm, A R2 , A 0 0 0 1 R1, B R2 , c p TD(rB ) TD(rB ) C1, B Rys. 3. Sprzężenie dyfuzyjne pomiędzy A i B przenikającymi z 1 do 2. TD(rA ) TD(rA ) R1, c p C2, A 1 1 0 Cm, B C2, B R2 , B aA CA JA TD (a) J A/a bB 1 J B/b TD (1 / b) J B CB Rr R1, A C1, A 1 Cm, A 0 R2 , A 1 C2 , A TD(a) 1 Rr TD(1 / b) C1, B 1 R1, B 0 Cm, B 1 C2 , B R2 , B Rys. 4. Sprzężenie reakcyjne pomiędzy A i B przenikającymi z 1 do 2. 18 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... Cm, A C1, A 1 TD(rA ) R1, cp 0 TD(rB ) C1, B 1 0 1 TD(rA ) TD(a) 0 TD(1 / b) 0 C2 , A Rr 0 R2 , cp TD(rB ) 1 C2 , B Cm, B Rys. 5. Sieć ilustrująca sprzężenie dyfuzyjne i reakcyjne pomiędzy A i B przenikającymi z 1 do 2. 6. TRANSPORT MEMBRANOWY Metody termodynamicznej analizy sieciowej umożliwiają dokładną analizę właściwości układów membranowych i przebiegu procesów transportowych i separacyjnych zachodzących w warunkach stacjonarnych i niestacjonarnych. Termodynamika sieciowa była opracowana początkowo na użytek biofizyki w celu interpretacji złożonych, dynamicznych, procesów transportowych w układach dyfuzyjno-reakcyjnych [12,13] np. biomembranach [3], ścianach komórkowych [8] lub układach komórkowych [6]. Jak wyżej wyjaśniono, praktyczne wykorzystanie TNA opiera się na metodzie “grafu połączeń” [2] lub metodzie wykorzystującej teorię metod symbolikę stosowaną metod opisie obwodów elektrycznych [5]. Należy podkreślić w tym miejscu, że obydwie metody stosowane są z powodzeniem do rozwiązywania niemal identycznych problemów związanych z biofizyką transportu przez błony naturalne (metoda obwodów elektrycznych [14-17], metoda grafu połączeń [18,19]), oraz zjawisk występujących w przypadku membran syntetycznych (metoda obwodów elektrycznych [20-29] metoda grafu połączeń [7, 30-37]). 6.1. DYFUZJA PRZEZ MEMBRANĘ Podstawowy opis transportu membranowego dotyczy układu, w którym membrana rozdziela dwa roztwory zawierające substancję niejonową 19 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka o stężeniu cf i cs (patrz rys. 6), szybkość przenikania przez membranę jest proporcjonalna do różnicy stężeń: Δc = c − c ′ (57) gdzie: c i c' - oznaczają stężenia w membranie na odpowiednich granicach faz. membrana cf c roztwór odbierający roztwór zasilający c' cs Rys. 6. Profil stężeniowy prostego układu membranowego. Najprostsza zależność (58) opisująca stacjonarny strumień przez membranę wynika z I-prawa Ficka dla dyfuzji J =D Δc l (58) gdzie: l - oznacza grubość membrany, D - oznacza współczynnik dyfuzji. Transport dyfuzyjny może być opisany również za pośrednictwem prostej sieci elektrycznej (rys. 7), w której R symbolizuje opór, jaki membrana stawia przepływającej przez nią substancji pod wpływem różnicy potencjałów μ i μ'. μm μmο 0 J1 R R J2 m μ' ’ 0 m μο o Rys. 7. Przykładowa sieć dla transportu przez membranę, µ jest dowolnym potencjałem odniesienia. Przez analogię do prawa Ohma strumień J może być wyrażony za pośrednictwem oporu R i różnicy potencjałów chemicznych Δµ, tj. 20 Membrany teoria i praktyka J= Termodynamika ... 1 (μ − μ ′) = 1 Δμ (prawo Ohma: I=ΔU/R) R R (59) Rozwiązanie równania (59) z uwzględnieniem zależności pomiędzy potencjałem chemicznym i stężeniem (aktywnością): μ = μ 0 + ℜT ln c (60) prowadzi do równania: J= D l { } { } 0 μ μ′ ⎞ D ⎛ μ −μ ⎞⎡ Δμ Δμ ⎤ (61) ⎪⎧ μ 0 ⎪⎫ ⎛ − exp − exp − ⎟⎟ ⎢exp ⎬ ⎜ exp ⎟ = ⎜⎜ exp 2 2 T T T l T T ℜ ℜ ℜ ℜ ℜ ℜT ⎥⎦ ⎝ ⎠ ⎩⎪ ⎭⎪ ⎝ ⎠⎣ exp ⎨− czyli J≈ Dc Δμ ℜT (62) gdzie symbol c oznacza stężeniem średnie. Porównanie zależności (62) z (59) pozwala obliczyć (przybliżoną z uwagi na poczynione uproszczenia) zależność pomiędzy oporem R i współczynnikiem dyfuzji D: R= ℜT Dc (63) Powyższy opis dotyczy wyłącznie transportu w stanie ustalonym, tj. transportu, w którym strumienie nie zależą od czasu (dJ/dt = 0). Przejście do nowego stanu ustalonego jest możliwe po zmianie różnicy potencjałów (stężeń) w czasie transportu. Proces dochodzenia do nowego stanu ustalonego nazywany jest procesem relaksacji i wiąże się z akumulacją transportowanych cząstek w membranie. W opisie sieciowym pociąga to za sobą wprowadzenie dodatkowego elementu nazwanego (przez analogię do obwodu elektrycznego) pojemnością Cm. μm J 1/2R R/2 1/2R R/2 J' Jm μm'’ Cm o μ m0 μmo0 Rys. 8. Sieć transportu membranowego z uwzględnieniem zjawiska akumulacji substancji transportowanej w membranie. 21 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka Jednocześnie, zgodnie ze schematem na rys. 8 zakłada się, że membrana jest symetryczna (homogeniczna), co pozwala podzielić opór R na dwie równe części(R/2) pomiędzy którymi umiejscowiony został element pojemnościowy Cm. Zmienna w czasie wartość Cm oznacza, że różnica J-J' ≠ 0, co znaczy że należy uwzględnić dodatkowy "strumień pojemnościowy" opisywany równaniem: J m = Cm dμ m dt (64) gdzie: Jm i µm - oznaczają odpowiednio szybkość zmian zawartości (akumulacji) cząsteczek transportowanych w membranie oraz jej potencjał w membranie Po założeniu, że zależność potencjału µm od stężenia cm w membranie jest analogiczna jak w roztworze, μ = μ 0m + ℜT ln c m (65) wyrażenie dμm/dt może być przekształcone do postaci: dμ m ℜT dc m = dt c m dt (66) Jednocześnie strumień Jm wyraża się fenomenologicznym wzorem: Jm = l dc m dt (67) który porównany do (64) z uwzględnieniem (66) prowadzi do końcowego wzoru (68) wyrażającego związek pojemności ze stężeniem substancji transportowanej przez membranę: Cm = ⎧ μ − μ 0m ⎫ cm l l = ⋅ exp ⎨ m ⎬ ℜT ℜT ⎩ ℜT ⎭ (68) Ewolucję opisu dyfuzji przez membranę od prostego przepływu stacjonarnego opisywanego I-prawem Ficka (a), poprzez równoważny obwód elektryczny (c) do zapisu wynikającego z termodynamicznej analizy sieciowej (d) przedstawiono na zbiorczym rys.9. 22 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... m f s Cf R1 Cm R2 Cs J2 J1 J a) Ewe b) Ewy Cm μ1 R1 R2 c) J1 R1 Cm R2 Δμ1 J1 μm Jm Δμ2 J2 1 0 J1 J2 1 μ2 J2 d) Rys.9. Opis transportu dyfuzyjnego przez membranę (a) przepływ stacjonarny, (b) model przedziałowy, (c) równoważny obwód elektryczny, (d) graf połączeń wynikający z TAS; f-roztwór zasilający, m-membrana, s-roztwór odbierający. 6.2. TERMODYNAMICZNO-SIECIOWY OPIS MEMBRANOWEGO TRANSPORTU DYFUZYJNO-REAKCYJNEGO Pojęcia i grafy przedstawione w poprzednim rozdziale pozwalają na jakościowy i ilościowy opis złożonych procesów dyfuzyjno-reakcyjnych. Z tego względu przenośnikowy transport ułatwiony w membranach ciekłych stanowi klasyczny już obiekt zastosowań termodynamicznej analizy sieciowej przeprowadzonej jeszcze przez Ostera Perelsona i Katchalskiego [2], w pracy źródłowej oraz później w uproszczonej postaci przez Schnakenberga [4]. Typowym przykładem transportu membranowego, w którym jednocześnie występuje proces dyfuzji oraz reakcji jest transport ułatwiany obecnością przenośnika. W jego trakcie wyróżnić można takie zjawiska jak: (a) reakcja wiązania i uwalniania substancji S przez przenośnik C na granicy faz membrana / roztwór; (b) dyfuzja przenośnika w postaci wolnej (C) oraz kompleksu CS; (c) dyfuzja substancji S przez membranę ciekłą. 23 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka Pełen termodynamiczno-sieciowy opis transportu ułatwionego został opublikowany przez Ostera i wsp [2]. Reprezentowany jest on przez graf połączeń przedstawiony na rys.10: 1 μ1Cc I C1s Es μIsS J sI 2 μ2cC2 1 0 T D (1) C2s T D (1) 1 0 μ1sS (1) TD II Rs 2 1 1 I 1 μ1cC- -μ2c C Jc 0 Rs 2 Cc Rc Cc 1 J s1 1 J 1R R J2 1 RR f A1 r A1 J Ar2 2 0 1 μsIIS J sII EIIs 2 RR R 1 0 T D (1) 1 1 A2 2 0 1 -2 2 JCS μ1cs csCS sc CS -μ C cs f J R T D (1) 1 μ1CS cs J s2 (1) μ 2Ss TD 2 C cs R cs J shunt 1 μ2csCS 1 Rs Rys.10. Graf połączeń transportu ułatwionego obecnością przenośnika, wg [2]. Roztwory zewnętrzne zasilający I i odbierający II są charakteryzowane przez tzw. potencjał chemiczny źródła oznaczany odpowiednio jako ESI i ESII , natomiast R SI i R SII oznaczają odpowiednio opory substratu przy sorpcji I i desorpcji II z membrany ciekłej. RS, RC i RCS są odpowiednio oporami dyfuzji substratu, przenośnika i kompleksu wewnątrz membrany, natomiast R1R i R 2R są oporami reakcji. Symbole: C1S , CS2 , C1C , CC2 , C1CS , 2 CCS oznaczają pojemności substratu (S), przenośnika (C) i kompleksu (CS) na odpowiednich granicach faz (1 i 2). Zgodnie z siecią przedstawioną na rys.10 reakcje chemiczne kf f ⎯⎯ → CSi Ci +Si ←⎯ ⎯ k kkrr 24 (i = 1,2; r - reverse; f - forward) Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... oraz procesy dyfuzyjne związane z dyfuzją kompleksu i wolnego przenośnika tworzą charakterystyczny cykl transportu przenośnikowego, któremu towarzyszy równoległy proces transportu zachodzącego wg mechanizmu rozpuszczania-dyfuzji (reprezentowany przez strumień Jshunt na rys.10). Równania różniczkowe opisujące szybkości reakcji i strumienie w funkcji czasu oraz wszystkich stężeń (potencjałów) lokalnych mogą być odczytane bezpośrednio z wyżej przedstawionego modelu sieciowego (rys.10). Sposób formułowania równań opisany jest szczegółowo w pracy źródłowej [2]. Duże znaczenie praktyczne ma przedstawiony na rys.11 termodynamiczno-sieciowy model transportu ułatwionego z reakcjami chemicznymi w stanie bliskim równowadze termodynamicznej, CIR Rc 1 Cc 1 0 I I IsS μ EsI J sI 1 Rs Cs 1 0 0 TD (1) 1 1sS (1) μ J s1 2 Cc Jc 1 TD 2 1 RR RR 0 Ccs J shunt 1 (1) TD 2 2S s μ J s2 II Cs Rs 0 1 μ II sIIS J sII EsII TD (1) TD (1) 1 2 TD (1) 1 0 Jsc 2 R cs Ccs 1 Rs Rys.11. Graf połączeń transportu ułatwionego w membranie ciekłej, z reakcjami bliskimi równowadze termodynamicznej, wg [2]. Charakterystyczną cechą powyższego opisu jest zastąpienie ogólnego grafu reakcji: C+S → ← CS w postaci: 1 RR 1 (69) uproszczonym grafem równowagi reakcji w postaci (70). Graf ten nie zawiera elementu oporu reakcji charakterystycznego dla procesów reakcyjnych dalekich od stanu równowagi: 25 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka 1 (70) Dla uproszczenia zapisu autorzy zaproponowali oznaczenie charakterystycznej części sieci (zaznaczonej linią przerywaną) jako CIR (cyrkulator). Transport stacjonarny w obrębie cyrkulatora charakteryzuje się równością strumieni: (71) J S1 = JS2 = J CIR a całkowity opór przepływu cyrkulatora wyraża się wzorem: R CIR = R 1R + R 2R + R C + R CS (72) Zgodnie z modelem transportu ułatwionego przenoszenie substancji S przez membranę zachodzi w dwojaki sposób, tj. z udziałem przenośnika (JCIR) oraz na skutek samodzielnej dyfuzji (Jshunt) (strumień bocznikowy). Współczynnik ułatwienia transportu przenośnikowego wyraża się zatem stosunkiem JCIR/ Jshunt który przyjmuje wartości wyższe od 1 gdy Rshunt >> RCIR. 6.3. PROSTY PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA TERMODYNAMICZNEJ ANALIZY SIECIOWEJ DO OPISU TRANSPORTU PRZENOŚNIKOWEGO Interpretacja prostego transportu przenośnikowego (dyfuzji ułatwionej) i jego bardziej złożonych wariantów [37], tj. przeciwtransportu i współtransportu w dużej mierze zależy od założeń przyjętych w trakcie formułowania odpowiedniego modelu fenomenologicznego i dalej opisu matematycznego. Transporty tego rodzaju, określane zwykle jako pertrakcja [38,39] interpretowane są w pewnym uproszczeniu jako następczy proces kinetyczny [40-44], stacjonarny proces dyfuzyjny z warunkami brzegowymi dla dyfuzji określonymi przez równowagę reakcji na granicy faz [45-51] lub proces zakładający stacjonarny przebieg zarówno reakcji jak i dyfuzji przebiegających w stanie ustalonym [45,52-54]. Wymienione metody analizy pertrakcji przeceniają zwykle rolę jednego z a priori wybranych czynników np. kinetykę reakcji z zaniedbaniem znaczenia procesów dyfuzyjnych lub zjawisk dyfuzyjnych przy założeniu termodynamicznej równowagi reakcji na granicach faz z pominięciem ich kinetyki. Poniżej przedstawiony jest sposób formułowania modelu sieciowego i opisu matematycznego na przykładzie dyfuzji ułatwionej (facilitated diffsion) ograniczonej do transportu przenośnikowego, tj. z pominięciem strumienia występującego jako następstwo prostego mechanizmu rozpuszczania i dyfuzji (por. strumień Jshunt na rys. 10 i 11). 26 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... 6.3.1. MODEL FENOMENOLOGICZNY – PODSTAWOWY OPIS Mechanizm pertrakcji zachodzącej wg schematu prostego transportu ułatwionego przedstawiono na rys. 12. CS S S C Rys. 12. Schemat prostego transportu przenośnikowego. Zgodnie ze schematem transport ułatwiony polega na równoczesnej dyfuzji kompleksu powstającego na skutek reakcji substancji S obecnej w roztworze zasilającym z przenośnikiem (znajdującym się w hydrofobowej membranie ciekłej) oraz wolnego przenośnika w kierunku przeciwnym. Powstający kompleks CS rozpuszcza się w fazie membrany i dyfunduje do przeciwległej granicy faz membrana/wodny roztwór odbierający gdzie podlega rozpadowi na C i S. Po tym etapie przenośnik dyfunduje do przeciwległej granicy faz natomiast substancja S uwalniana jest do roztworu odbierającego. Odpowiednie reakcje mają charakter odwracalny, zgodnie z którym w pojedynczym cyklu pertrakcji występują: • reakcja wiązania przez przenośnik po stronie zasilającej (f): k f ⎯⎯→ C(f) +S(f) ←⎯⎯ CS(f) k− f (73) • reakcja rozpadu kompleksu CS po stronie odbierającej (s) ks ⎯⎯ → C(s) + S(s) CS(s) ←⎯⎯ k− s (74) Etapy reakcyjne rozdzielone są dyfuzją lipofilowego kompleksu CS w kierunku od (f) do (s) ze współczynnikiem dyfuzji DCS oraz dyfuzją wolnego przenośnika C w kierunku od (s) do (f) ze współczynnikiem dyfuzji DC. Odwracalne reakcje charakteryzowane są stałymi szybkości reakcji ki oraz k-i gdzie i= f lub s, natomiast procesy dyfuzyjne współczynnikami przenikania PCS i PC gdzie P zdefiniowane jest ogólnie jako P=D/l (l droga dyfuzji). Dla uproszczenia rozwiązań często stosuje się założenie „symetryczności układu” polegające na założeniu, że stałe szybkości reakcji powstawania (lub rozpadu) kompleksu po stronie zasilającej i odbierającej są sobie 27 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka równe, tj. kf=k-s lub k-f=ks. Założenia takie są słuszne tylko wówczas, gdy skład roztworu zasilającego i odbierającego jest taki sam, tj. w roztworach obecna jest wyłącznie substancja S o stężeniu odpowiednio [S]f i [S]s. W rzeczywistości, w celu przyspieszenia transportu membranowego, skład roztworu odbierającego jest modyfikowany przez dodanie innych substancji zmieniających przebieg reakcji. Ponadto, zakłada się często, że współczynniki dyfuzji kompleksu i wolnego przenośnika są równe, czyli DCS=DS, co może być uzasadnione zbliżonymi masami cząsteczkowymi przenośnika i kompleksu. Założenie takie może okazać się jednak błędne w wielu przypadkach, a szczególnie wówczas, gdy kompleks i wolny przenośnik różnią się strukturą (np. cykliczny/acykliczny) lub masami cząsteczkowymi na skutek asocjacji i powstawania związków o wyraźnie zwiększonej masie molowej (np. kompleksy kwasu di-(2-etyloheksylo) fosforowego z Zn(II)). W konsekwencji, w trakcie konstruowania ogólnego modelu transportu przenośnikowego, wymienione wyżej założenia muszą być odrzucone a rozwiązania osiągnięte po ich ewentualnym zastosowaniu – traktowane jako przypadki szczególne wynikające z bardziej ogólnego modelu. Zgodnie z powyższym, szybkość reakcji po stronie zasilającej i odbierającej opisywana jest równaniami (75) i (76) opisującymi szybkość powstawania i rozpadu kompleksu CS na odpowiednich granicach faz z osobna: Jf=kf[C]f[S]f - k-f[CS]f (mol/cm3s) (75) Js=ks[CS]s - k-s[C]s[S]s (mol/cm3s) (76) W równaniach (75-76) symbole [C]f, [CS]f, [C]s, [CS]s oznaczają stężenie (mol/cm3) przenośnika lub kompleksu na odpowiedniej granicy faz. Symbole [S]f i [S]s oznaczają stężenia substancji w roztworze zasilającym i odbierającym. Dla uproszczenia, zakłada się również, że stężenia te, przy odpowiedniej szybkości mieszania roztworów, są równe stężeniom na odpowiednich granicach faz. Wymienione, zmienne w czasie, stężenia charakteryzują jednocześnie pojemności zewnętrzne (roztwory) i wewnętrzne (membrana) układu transportowego. Z uwagi na grubość membrany, konieczne jest wprowadzenie najmniej jednej dodatkowej pary stężeń lokalnych (pojemności) [CS]w i [C]w charakteryzujących akumulację przenośnika i kompleksu we wnętrzu membrany. Dokładność modelowania rośnie ze wzrostem liczby wewnętrznych pojemności wzdłuż drogi dyfuzji wyróżnionych w tzw. modelu przedziałowym [32]. Dla jakościowej symulacji numerycznej transportu przenośnikowego przedstawionej niżej wystarczy dalej wyróżnienie jedynie trzech warstw z odpowiadającymi im pojemnościami. 28 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... 6.3.2. MODEL PRZEDZIAŁOWY Prosty model przedziałowy układu membranowego przedstawiony na rys. 13 składa się z: • przedziału (komory) odpowiadającego roztworowi zewnętrznemu ([S]f], • trzech przedziałów (warstw) o równej grubości wchodzących w skład membrany ciekłej [CS]i, [S]i, i=f,w,s • przedziału (komory) odpowiadającego roztworowi zewnętrznemu ([S]s) A) B) Membrana Roztwór zasilający Roztwór odbierający [CS]f Vf [C]s Vs [CS]w [S]f [C]w [S]s [CS]s [C]f Rys. 13. Schemat przedziałowy układu transportowego: (A) skład: ○ – wolny przenośnik C, ● – substancja S, ~ - kompleks CS. (B) schemat pojemności. 29 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka Zgodnie z modelem przedziałowym, pojemności wewnętrzne (w) są „ładowane” lub „rozładowywane” przez strumienie dyfuzyjne CS (w kierunku f→w i w→s) oraz dwa strumienie C (w kierunku s→w i w→f). Zakładając dalej, że współczynniki przenikania P (cm/s) nie zależą od położenia przenośnika w membranie, tj. PCS i PC = const. odpowiednie strumienie lokalne wyrazić można w następujący sposób: * N CS( f → w) = PCS ([CS] f − [CS]w ) (mol/s) (77) * N CS( w→ s ) = PCS ([CS]w − [CS]s ) (mol/s) (78) N C( s → w) = PC* ([C]s − [CS]s ) (mol/s) (79) (mol/s) (80) N C( w→ f ) = PC* ([C]w − [CS] f ) gdzie P* = 3DAm / lm , Am – powierzchnia czynna membrany (cm2), lm – grubość membrany (cm). Dla zachowania tych samych jednostek, strumienie dyfuzyjne wyrażone przez równania (77-80) muszą być dalej podzielone przez objętość odpowiedniego przedziału, tj. Vi=Vm/3 gdzie Vm oznacza objętość membrany oraz i=f,w,s. 6.3.3. GRAFY REAKCJI I DYFUZJI Reakcja wiązania substancji S przez przenośnik C (Rf) opisywana jest za pośrednictwem grafu (81) oraz równaniem (75). Analogicznie, rozpad kompleksu CS po przeciwnej stronie membrany (Rs) opisywany jest grafem (82) i równaniem (76): [C]f (81) 1 [CS]f Rf [S]f [C]s [CS]s Rs 1 (82) [S]s Strumienie dyfuzyjne NCS(f→w), NCS(w→s), NS(s→w), NS(w→f) mogą by przedstawione za pośrednictwem grafów (83-86) oraz odpowiadających im równań (77-80): 30 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... [CS]f DCS [CS]w (83) [CS]w DCS [CS]s (84) [S]s DS [S]w (85) [S]w DS [S]s (86) 6.3.4. BUDOWA PROSTEJ SIECI TRANSPORTU PRZENOŚNIKOWEGO Poczynając od czasu t=0 oraz ustalonych warunków początkowych: [CS]i,t=0, [C]i,t=0, [S]f,t=0, [S]s,t=0 =0, na granicy faz membrana/roztwór zasilający, przenośnik C reaguje z substancją S: [C]f [S]f 1 (87) Rf [CS]f Kompleks CS jest częściowo akumulowany w strefie reakcyjnej (f) membrany tworząc pojemność [CS]f, pozostała jego część dyfunduje do przedziału środkowego (w). Krok dyfuzji i reakcji można połączyć z wykorzystaniem złącza „0” w następujący sposób: [C]f [S]f 1 (88) Rf 0 DCS [CS]w [CS]f 31 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka W rezultacie powstaje kolejna pojemność [CS]w „rozładowywana” dalej przez strumień dyfuzyjny NCS(w→s): [C]f [S]f 1 (89) Rf 0 DCS [CS]f 0 DCS 0 [CS]s [CS]w Strumień NCS(w→s) ulega dalej podziałowi tworząc pojemność [CS]s oraz wchodząc w reakcję rozpadu kompleksu zgodnie z grafem reakcji Rs: [S]f [C]f [C]s 1 1 Rf Rs 0 [CS]f DCS 0 [CS]w DCS [S]s (90) 0 [CS]s Liniowa sieć (90) ulega zamknięciu po dodaniu powrotnej dyfuzji wolnego przenośnika, poczynając od pojemności [C]s do [C]f przez [C]w. W ten sposób powstaje pętla dyfuzyjno reakcyjna, reprezentowana przez graf (91), analogiczna do przedstawionego wcześniej cyrkulatora. W trakcie analizy 32 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... właściwości sieci należy pamiętać, że kierunek strzałek nie oznacza kierunku przepływu a jedynie kierunek dla którego odpowiedni strumień liczony jest jako dodatni. [C]f [C]s [C]w (91) 0 [S]f DC 0 DC 0 1 1 Rf Rs 0 [CS]f DCS 0 [CS]w DCS [S]s 0 [CS]s 6.3.5. OPIS MATEMATYCZNY Praktyczne wykorzystanie modelu transportu ułatwionego do przewidywania strumieni cyrkulatora umożliwia opis matematyczny sformułowany jako układ równań różniczkowych opisujących czasowe zmiany stężeń (pojemności) charakteryzujących proces pertrakcji. Opis ten może być osiągnięty poprzez analizę złącz „0” wynikającą z prawa KCL (rozdz. 4.1): k ∑δ j =1 j Nj = 0 (92) gdzie δj = +1 lub -1 w zależności od orientacji Nj względem złącza „0”, tj. +1 od złącza 0 i -1 w kierunku złącza „0” Ogólny model transportu przenośnikowego przenośnikowego ramach wyżej przyjętych założeń zawierać będzie, następujące równania: (a) roztwory zewnętrzne: 33 R. Wódzki − Membrany teoria i praktyka d[S ] f dt = Jf d [ S ]s = Js dt (93) (94) (b) membrana: d [C ] f = N C ( w→ f ) / Vm , f − J f (95) d [C ]w = ( NC ( s → w) − NC ( w→ f ) ) / Vm , w dt (96) d [C ]s = J s − N C ( s → w) / Vm , s dt (97) dt d [CS ] f = J f − NCS ( f → w) / Vm , f (98) d [CS ]w = ( N CS ( f → w) − N CS ( w→ s ) ) / Vm ,w dt (99) dt d [CS ]s = N CS ( w→ s ) / Vm , s − J s dt (100) Powyższy opis matematyczny wykorzystany w dowolnym programie rozwiązującym równania różniczkowe zwyczajne, pozwala śledzić czasowe zmiany stężeń, zarówno w membranie jak i roztworach, jako zależne od przyjętych do obliczeń stałych szybkości reakcji, współczynników dyfuzji oraz warunków początkowych. Przykładowe wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 14. Odpowiednie krzywe ilustrują zmiany stężeń w roztworach zewnętrznych [S]f, [S]s oraz membranie [CS]i, [C]i (i=f,w,s) w trakcie procesu pertrakcji „przeprowadzonej” z wykorzystaniem stałych i warunków początkowych wymienionych w opisie rysunku. 34 Membrany teoria i praktyka [C] 1.02e-3 Termodynamika ... [CS] [S] 8e-6 4e-6 [CS]f [S]s 1.01e-3 6e-6 3e-6 [CS]w 1.00e-3 4e-6 2e-6 [C]s [C]w [CS]s [C]f 9.90e-4 2e-6 1e-6 [S]f 9.80e-4 0 0 0 20 40 60 Czas, h Rys. 14. Wyniki numerycznej symulacji (metoda Runge-Kutty czwartego stopnia, program Berkeley Madonna v.8.01) procesu pertrakcji, wg mechanizmu transportu ułatwionego opisywanego siecią (91) oraz równaniami (93-100). Układ: Vf=5 cm3, Vs=1 cm3, Am=1 cm2, lm=0.2 cm, Stałe: kf=10 cm3mol-1s-1, k-f=1×10-3 s-1, ks=1×10-4 s-1, k-s=1×10-6 cm3mol-1s-1, DCS=1×10-6 cm2s-1, DS.= 1×10-7 cm2s-1 Warunki początkowe: [S]s,t=0=1×10-6, [S]f,t=0=0, [CS]i,t=0=0, [C]i,t=0=1×10-3 mol/cm3. 6.3.5. OPIS MATEMATYCZNY – REDUKCJA DO STANU USTALONEGO Warunkiem wystąpienia stanu ustalonego, w przypadku transportu reprezentowanego siecią (91) jest stałość wszystkich pojemności w czasie, czyli: 35 R. Wódzki d [ C] f dt = Membrany teoria i praktyka d [ C ]w dt d [ C ]s = dt d [ CS] f = dt = d [ CS]w dt = d [ CS]s dt =0 (101) Rozwiązanie modelu wynika dalej z rozwiązania następującego układu równań algebraicznych: ( ) P ([C ] − 2 [C ] + [C ] ) / V PC* [ C]w − [ C] f / Vm , f − k f [ C] f [S] f + k− f [ CS] f = 0 * C s w f m,w ( =0 (102) (103) ) ks [ CS]s − k− s [ C]s [S]s − PC* [ C]s − [ C]w / Vm , s = 0 (104) k f [ C ] f [S] f − k− f [ CS] f − PCS* [ CS] f − [ CS]w / Vm , f = 0 (105) PCS* [ CS] f − 2 [ CS]w + [ CS]s / Vm , w = 0 (106) ( ( ) ) ( ) PCS* [ CS]w − [ CS]s / Vm , s − ks [ CS]s − k− s [ C]s [S]s = 0 (107) Obliczone z powyższych równań stężenia stacjonarne [CS]f, [CS]s oraz [S]f i [C]s pozwalają obliczyć w konsekwencji stacjonarne strumienie NCS i NC. 6.3.5. OPIS MATEMATYCZNY – REDUKCJA DO STANU USTALONEGO Z REAKCJAMI W STANIE RÓWNOWAGI TERMODYNAMICZNEJ Dalsza redukcja modelu polega na założeniu równowagi termodynamicznej reakcji pomiędzy C i S. Zgodnie z podanymi zasadami w tym przypadku grafy reakcyjne (81) i (82) ulegają redukcji do: [C]f 1 [CS]f (108) [S]f [C]s [CS]s (109) 1 [S]s 36 Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... Warunek zachowania stałych wartości pojemności w czasie wynikający ze stanu ustalonego pozwala dalej wyeliminować z sieci pojemności wewnętrzne (z uwagi na liniowe profile stężeniowe). W konsekwencji sieć pertrakcji zgodnie z prostym transportem przenośnikowym przyjmuje następującą postać: [C]s [C]f 0 [S]f DC 0 [S]s 1 1 0 DCS [CS]f 0 [CS]s (110) Ponieważ w stanie ustalonym wszystkie strumienie dyfuzyjne są sobie równe dalszy opis matematyczny redukuje się do postaci układu równań algebraicznych (111-114): ( ) ( * NS = N CS = N C = PCS [CS] f − [CS]s = PC* [C]s − [C] f ) (111) uzupełnionej wyrażeniami na stałą równowagi poszczególnych reakcji: [CS] f [C] f [S] f [CS]s Ks = [C]s [S] s Kf = (112) (113) oraz równaniem wynikającym z bilansu masy przenośnika: [C]s + [C] f + [CS]s + [CS] f = 2 [C ]m (114) gdzie [C]m oznacza całkowite średnie stężenie przenośnika w membranie. W przypadku, gdy współczynniki dyfuzji DCS i DC są sobie równe a pomiędzy stałymi równowagi zachowana jest relacja: 37 R. Wódzki Membrany teoria i praktyka Kf=1/Ks (115) to ostateczny model matematyczny redukuje się do prostej postaci: [S] f − [S]s (1 + K [S] f ) (1 + K [S]s ) gdzie Vmax = KP* [ C]m N S = Vmax × (116) Równanie (116) było wyprowadzane innymi metodami i praktycznie stosowane również przez innych autorów. Zgodnie z przedstawioną analizą, w ramach termodynamicznej analizy sieciowej, stanowi ono jednak znacznie uproszczoną wersję pełnego matematycznego opisu transportu przenośnikowego. 7. LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] 38 G. Gordon, Symulacja systemów, WNT, Warszawa, 1974. G. Oster, A. Perelson, A. Katchalsky, Nature, 234 (1971) 393. G. F. Oster, A. S. Perelson, A. Kachalsky, Quart. Rev. Biophys., 6 (1973) 1. J. Schnakenberg, Thermodynamic Network Anaysis of Biolgical Systems, SpringerVerlag, Berlin-Heidelberg-New York 1977. L. Peusner, Studies in Network Thermodynamics, Elsevier, Amsterdam-Oxford-New York-Tokyo 1986. A. R. Peacocke, ”An Introduction to The Physical Chemistry of Biological Organization", Clarendon Press, Oxford 1989, 1249. R. Paterson, Swiss. Chem., 10 (1988) 17. R. Wódzki, "Dyfuzyjno - wymienny transport jonów w modelach ścian komórkowych bakterii", Wyd. UMK, Toruń, 1994. G. Nicolis, Rep. Prog. Phys., 42 (1979) 225. H. Paytner, Analysis and Design of Engineering Systems, MIT, Cambridge Mass. (1961). P. W. Atkins, Physical Chemistry, Oxford University Press, Oxford, 1994, str. 892. J.L. Wyatt Jr., D.C.M. Mikulecky, J.A. De Simone, Chem. Eng. Sci., 35 (1980) 2115. J. Horno, G.F. Gonzalez-Fernandez, A. Hayas, J. Comput Phys., 118 (1995) 310. D.C. Mikulecky, w: J. Kuczera, S. Przestalski (Eds.), Biophysics of Membrane Transport, Proc. Third Winter School on Biophysics of Membrane Transport, p.I, Wrocław 17-26 February 1976, Agricultural University of Wrocław, Wrocław, 1976, p.183. D.C. Mikulecky, w: S. Przestalski, J. Kuczera, J. Idzior (Eds.), Biophysics of Membrane Transport, p.I., Proc. Fourth Winter School on Biophysics of Membrane Transport, Wrocław 19-28 February 1977, Agricultural University of Wrocław, Wrocław, 1977, p.31. D.C. Mikulecky, S. Przestalski, M.Kargol, w: J. Kuczera, C. Gregorczyk, S. Przestalski (Eds.), Biophysics of Membrane Transport, p.I, Proc. Sixth School on Biophysics of Membrane Transport, Wrocław 4-13 May 1981, Agricultural University of Wrocław, Wrocław, 1981, p.147. Membrany teoria i praktyka Termodynamika ... [17] D.C. Mikulecky, w: J. Kuczera, C. Gregorczyk, S. Przestalski (Eds.), Biophysics of Membrane Transport, p.II, Proc. Sixth School on Biophysics of Membrane Transport, Wrocław 4-13 May 1981, Agricultural University of Wrocław, Wrocław, 1981, p.209. [18] Y. Imai, J. Membrane Sci., 41 (1989) 3. [19] Y. Imai, H. Yoshida, M. Miyamoto, T. Nakahari and H. Fujiwara, J. Membrane Sci., 41 (1989) 393. [20] R.C. Srivastava, A. Mehta, J. Non-Equilib. Thermodyn., 5 (1980) 255. [21] F. González-Caballero, C.F. González-Fernández, J. Horno Montijano and A.H. Barrú, Z. phys. Chem., Leipzig, 269 (1988) 1137. [22] J. Horno, C.F. González-Fernández, A. Hayas and F. González-Caballero, J. Membrane Sci., 42 (1989) 1. [23] J. Horno, F. González-Caballero, A. Hayas and C.F. González-Fernández, J. Membrane Sci., 48 (1990) 67. [24] J. Horno, J. Castilla, J. Membrane Sci., 90 (1994) 173. [25] J. Castilla, M.T. García-Hernández, A. Hayas and J. Horno, J. Membrane Sci., 116 (1996) 107. [26] J. Castilla, M.T. García-Hernández, A.A. Moya, A. Hayas and J. Horno, J. Membrane Sci., 130 (1997) 183. [27] J. Castilla, M.T. García-Hernández, A. Hayas and J. Horno, J. Membrane Sci., 136 (1997) 101. [28] A.A. Moya, J. Horno, J. Phys. B, 103 (1999) 10791. [29] A.A. Moya, J. Horno, J. Membrane Sci., 194 (2001) 103. [30] Lulfullah, R. Paterson, J. Membrane Sci., 23 (1985) 59 [31] R. Paterson, Simulation and Design of Membrane Processes Using Network Thermodynamics, w Advances in Membrane Phenomena and Processes, (wyd. M.Mika, T.Z.Winnicki), Politechnika Wrocławska, Wrocław 1989, p.93. [32] R. Wódzki, G. Sionkowski, Polish J. Chem., 69 (1995) 407. [33] A.M. Simon, P. Doran, R. Paterson, J. Membrane Sci., 109 (1996) 231. [34] J. Ceynowa, P. Adamczak, M. Staniszewski, Acta Biotechnol., 17 (1997) 161. [35] J. Ceynowa, P. Adamczak, Sep. Purif. Technol., 22-23 (2001) 443. [36] R. Wódzki, P. Szczepański, G. Szczepańska, Sep. Purif. Technol., (2003) w druku. [37] R. Wódzki, w Membrany I Membranowe Techniki Rozdziału, pod red. A. Narębskiej, Toruń 1997 , str. 357-426. [38] S. Schlosser, E. Kossaczky, J. Membrane Sci., 6(1980) 83. [39] L. Boyadzhiev, Z. Lazarova, w: R.D. Noble, S.A. Stern (Eds.) Membrane Separations Technology, Elsevier, Amsterdam, 1995, p.283. [40] K. Makino, H. Ohshima, T. Kondo, Biophys. Chem., 35 (1990) 84. [41] M. Szpakowska, O.B. Nagy, J. Membrane Sci., 64 (1991) 129. [42] K. Makino, H. Ohshima, T. Kondo, Biophys. Chem., 43 (1992), 89. [43] S. Schlosser, E. Forgova-Hovancikova, w: Mat.6th Conf. "Separation of Ionic Solutes", Piestany, Slovakia, May 15-19, 1995, p.26. [44] M. Kobya, N. Topçu, N. Demircioğlu, J. Membrane Sci., 130 (1997) 7. [45] J.P. Behr, M. Kirch, J.-M. Lehn, J. Am. Chem. Soc., 107 (1985) 241. [46] A. Bhoval, S. Datta, J. Membrane Sci., 139 (1998) 103. [47] J.A. Ibáñez, L. Victoria, A. Hernández, Sep. Sci. Technol., 24 (1989) 157. [48] J.A. Ibáñez, L. Victoria, A. Hernández, Sep.Sci.Technol., 25 (1990) 739. [49] M. Szpakowska, O.B. Nagy, Bull. Soc. Chim. Belg., 99 (1990) 243. [50] L. Mutihac, R. Mutihac, Acta Chimica Hungarica – Models in Chemistry, 129 (1992) 573. [51] F.J. Alguacil, M. Alonso, A.M. Sastre, J. Membrane Sci., 184 (2001) 117. [52] I. Komasawa, T. Otake, T. Yamashita, I. E. C. Fundam., 22 (1983) 127. [53] S.B. Kanungo, R. Mohapatra, J. Membrane Sci., 105 (1995) 217. [54] M.A. Islam, H. Buschatz, D. Paul, J. Membrane Sci., 204 (2002) 379. 39