L'osmosi, dal principio fisico alle applicazioni

Che cos'è l'osmosi?

L'osmosi può essere definita come il passaggio spontaneo (o diffusione) di acqua o di altri solventi attraverso una membrana semipermeabile di separazione (la membrana risulta permeabile al solvente ma non al soluto).

Separando cioè due soluzioni a concentrazione diversa con una membrana semipermeabile, si assiste al passaggio delle molecole di solvente dalla soluzione a concentrazione più bassa verso la soluzione a concentrazione maggiore: il passaggio avviene fintanto che le due soluzioni non raggiungono la stessa concentrazione.

Immagine - L'osmosi è la diffusione dell'acqua attraverso una membrana semipermeabile nel suo gradiente di concentrazione. Se una membrana è permeabile all'acqua, anche se non ad un soluto, l'acqua consentirà di uniformare la propria concentrazione diffondendosi sul lato della concentrazione di acqua con valore più basso (e quindi sul lato di una concentrazione più alta di soluto). Nel becher a sinistra, la soluzione sul lato destro della membrana è ipertonica. Credits: OpenStax [CC BY 4.0], via Wikimedia Commons

La membrana semipermeabile si comporta come un setaccio fatto da maglie molto piccole ma grandi abbastanza da permettere il passaggio delle molecole di solvente ma non di soluto che hanno dimensioni maggiori.

L'osmosi è stata scoperta nel 1748 dal fisico francese Jean-Antoine Nollet, tale fenomeno chimico fisico è spiegato attraverso le due equazioni di Fick (dal nome del fisiologo tedesco Adolf Eugen Fick che ha enunciato le leggi sulla diffusione molecolare): il passaggio di molecole diverse attraverso una membrana dipende dal diverso coefficiente di diffusione delle speci considerate.

Dove si osserva l’osmosi e a cosa serve

L'osmosi è un fenomeno facilmente osservabile: la membrana cellulare, i reni si comportano come membrane semipermeabili e funzionano grazie a fenomeni osmotici.

L'industria sfrutta l'osmosi per la purificazione e la potabilizzazione delle acque oppure per aumentare la concentrazione di alcune soluzioni.

Le membrane per osmosi sono prodotte e distribuite soprattutto da multinazionali americane e giapponesi e le più diffuse sono costituite da ferrocianuro ferrico su un supporto di ceramica porosa.

Il cellophane comunemente usato per conservare i cibi in frigorifero è un ottimo esempio di membrana semipermeabile per osmosi e si può usare per osservare l'osmosi dell'alcool etilico in soluzione acquosa.

Il cellophane viene patinato con nitrocellulosa per garantirne l'impermeabilità all'acqua: immergendolo per alcuni minuti in un solvente alla nitroglicerina si ottiene la membrana adatta per consentire l'osmosi dell'alcool.

La porosità del cellophane, infatti, consente il passaggio delle molecole d'acqua ma non di alcool etilico che sono più grosse e pertanto non riescono a passare tra i microfori del materiale sintetico.

Verificare sperimentalmente l'osmosi con una pellicola di cellophane

Sperimentalmente prendendo un grosso bicchiere di vetro pieno di alcool in soluzione acquosa, debolmente concentrata e immergendovi un imbuto di vetro a collo molto lungo, bloccato alla base con cellophane a tenuta e versando poi alcool più concentrato, si nota dopo un certo intervallo di tempo, un innalzamento del livello di alcool etilico contenuto nel tubo a forma di imbuto.

Il cellophane, in pratica, ha consentito alle molecole di acqua contenute nella soluzione alcoolica meno concentrata di passare alla soluzione più concentrata di alcool etilico.

Il fenomeno continua fintanto che c'è la spinta della pressione osmotica: il valore di questo parametro è fornito dall'equazione di van 't Hoff (dal nome del chimico Jacobus Hendricus van't Hoff, uno dei fondatori della chimica fisica) formalmente analoga alla equazione di stato dei gas P V = nR*T, in cui P è la pressione assoluta del gas contenuto in un recipiente a tenuta, V è il volume occupato dal gas, R è la costante dei gas, T è la temperatura assoluta e n indica il numero di moli.

L’equazione di Van ’t Hoff è la seguente:

Π V = c R*T dove Π è la pressione osmotica, V è il volume della soluzione, c è la concentrazione della soluzione, R la costante dei gas, T è la temperatura assoluta a cui si trova la soluzione.

L’osmosi è reversibile (l'osmosi inversa)

Il fenomeno dell'osmosi è reversibile, esercitando una pressione maggiore della pressione osmotica dal lato della membrana che contiene la concentrazione più bassa di solvente, si consente alle molecole del solvente di passare attraverso una membrana semipermeabile dalla zona a bassa concentrazione verso la zona ad elevata concentrazione (la membrana in questo caso è permeabile al solvente, ma non al soluto).

Ponendo ad esempio una membrana semipermeabile tra due soluzioni saline a diversa concentrazione si viene a creare un flusso di solvente dalla soluzione meno concentrata a quella più concentrata. Il processo dell'osmosi inversa viene utilizzato per filtrare la frazione salina da acque contenenti sale (solitamente acque marine) in modo da ottenere acque desalinizzate (ossia acque a basso contenuto salino).

Per l'osmosi inversa è necessario fornire dall'esterno, mediante una pompa, la pressione necessaria a controbilanciare la pressione osmotica.

Le applicazioni dell'osmosi inversa: purificazione delle acque, concentrazione a freddo di soluzioni acquose, produzione di farmaci

L’osmosi inversa viene utilizzata nei processi di purificazione e desalinizzazione (dissalazione) delle acque, per la concentrazione a freddo di soluzioni acquosee per la produzione di farmaci.

1) Purificazione e desalinizzazione delle acque

Attualmente, più di 300 milioni persone in tutto il mondo si basano sull'acqua desalinizzata per fare fronte in tutto o in parte alle loro esigenze di vita quotidiana. Tale domanda aumenterà in tutto il mondo, i fattori che faranno crescere la richiesta di acqua potabile desalinizzata saranno l'incremento demografico delle popolazioni e il miglioramento degli standard di vita.

Tuttavia l'utilizzo dell'acqua degli oceani per ottenere l'acqua potabile richiede complesse e costose tecnologie di desalinizzazione.

L'osmosi inversa è la tecnologia più comunemente utilizzata per la desalinizzazione, l'acqua di mare viene fatta passare in maniera forzata attraverso una membrana che è in grado di rimuovere sali e altri contaminanti molecolari di piccole dimensioni.

Svantaggi dell'osmosi inversa per la purificazione delle acque

L'utilizzo dell'osmosi inversa continua a crescere in tutto il mondo, tuttavia tale processo richiede da una parte un elevato consumo di energia e dall'altra la sostituzione frequente delle membrane semipermeabili. Questi fattori incidono in maniera marcata sui costi sostenuti dall'industria della purificazione delle acque.

Recentemente, un gruppo di ricercatori USA ha elaborato un nuovo approccio per la produzione di membrane semipermeabili. Tale approccio potrebbe aiutare a riprogettare le membrane per l’osmosi inversa adatte alla desalinizzazione delle acque.

Utilizzando l’approccio della stampa in 3D (in sintesi si tratta della realizzazione di un oggetto solido attraverso la deposizione successiva di vari strati di materiali) attraverso l’impiego dell’elettronebulizzazione (dall’inglese electrospray) un gruppo di scienziati dell'Università del Connecticut è riuscito a produrre delle membrane di poliammide ultrasottili, ultralisce che sono meno inclini alla formazione delle incrostazioni e possono richiedere meno energia per ottenere la purificazione dell’acqua.

Immagine - Schema illustrativo --vista dall'alto e vista laterale-- del processo di stampa 3D electrospray utilizzato per creare membrane composite estremamente lisce a film sottile che è stato sviluppato nel laboratorio McCutcheon presso l'Università del Connecticut, USA. Gli aghi vengono caricati con una soluzione di due monomeri-p-fenilendiammina (letto para-fenilendiammina, MPD) e acido trimesico (TMC o acido 1,3,5-benzentricarbossilico) e viene utilizzata l'elettronebulizzazione per applicare un sottile strato di materiale su un substrato collegato ad un tamburo rotante. I monomeri reagiscono al contatto per formare una pellicola di poliammide estremamente liscia e sottile. La rugosità e lo spessore possono essere regolati aumentando o diminuendo la concentrazione dei monomeri nella soluzione e applicando ulteriori strati di monomeri sul tamburo rotante. Credits: Maqsud R. Chowdhury/McCutcheon Lab.

«Le membrane attualmente utilizzate per l’osmosi inversa non sono fatte in modo tale da consentire il controllo delle loro proprietà» scrive Jeffrey McCutcheon, autore dello studio (pubblicato ad agosto 2018 sulla rivista Science) nonché prof. di ingegneria chimica e biomolecolare presso l'Università del Connecticut. «Il nostro approccio utilizza una tecnica “additiva” che permette di controllare le proprietà fondamentali di una membrana come ad es.: lo spessore e la rugosità, tali proprietà sono impossibili da controllare usando i metodi convenzionali».

Qual è l'approccio tradizionale per la fabbricazione delle membrane per l'osmosi inversa?

Gli approcci convenzionali per rendere le membrane per l'osmosi inversa non sono cambiati in quasi 40 anni. L'approccio tradizionale per la fabbricazione di queste membrane è noto come polimerizzazione interfacciale.

Questo metodo (polimerizzazione interfacciale) si basa su una reazione tra una fase acquosa dell'ammina e una fase organica cloruro dell'acido monomero che si conclude senza alcun intervento esterno. Le pellicole di poliammide che si ottengono sono estremamente sottili, altamente selettive e permeabili all'acqua sono diventate lo standard per le membrane che vengono utilizzate nell'osmosi inversa. Tuttavia per l'industria è divenuto sempre più pressante un migliore controllo di questa reazione in modo da ottenere uno spessore variabile delle membrane in modo da ottimizzare il flusso dell'acqua e ridurre le incrostazioni.

Il metodo sviluppato dai ricercatori fornisce un livello superiore di controllo dello spessore e della rugosità della membrana in poliammide. Le tipiche membrane in poliammide hanno uno spessore compreso tra 100 e 200 nanometri (Nm) che non può essere controllato. Il metodo di elettrovaporizzazione sviluppato dai ricercatori dell'Università del Connecticut permette la creazione controllata di membrane sottili con uno spessore di 15 Nm e la capacità di controllare lo spessore della membrana con incrementi di 4 Nm, un livello di specificità mai visto prima in quest'area. Analogamente, le membrane tipiche per l'osmosi inversa hanno una rugosità di oltre 80 Nm.

I ricercatori sono stati in grado di creare membrane con una rugosità bassa con un valore di 2Nm. Nonostante queste proprietà uniche, la membrana ha continuato ad esibire un elevata repulsione al sale e ha resistito bene senza lacerarsi quando è stata messa sotto pressione tipica dell'osmosi inversa.

Osmosi nel campo farmaceutico

Quando si è scoperta una molecola farmacologicamente attiva, la tappa successiva è inglobare il principio attivo in un’adeguata forma farmaceutica: idealmente la forma farmaceutica dovrebbe essere in grado di cedere il farmaco al sito d’azione nella quantità e nel tempo necessario alle esigenze terapeutiche.

L’ottenimento della formulazione più corretta consente di controllare la cessione del farmaco al sito d’azione e ottimizzare, quindi, la risposta terapeutica.

Si definiscono forme farmaceutiche convenzionali quelle nelle quali il rilascio del principio attivo dipende soprattutto dalle caratteristiche chimico fisiche del principio attivo, mentre le forme farmaceutiche non convenzionali sono quelle nelle quali il rilascio del principio attivo dipende dalle caratteristiche tecnologiche della formulazione.

Fra le forme farmaceutiche non convenzionali si distingue fra quelle a rilascio modificato, capaci di modificare la velocità e/o il tempo e/o il luogo del rilascio del principio attivo per perseguire scopi terapeutici non raggiungibili con le forme farmaceutiche convenzionali somministrate attraverso la medesima via di somministrazione, e forme farmaceutiche a rilascio controllato.

Con quest’ultima accezione si intendono forme farmaceutiche a rilascio lento, accelerato, prolungato, ritardato, protratto, graduale, continuato, costante, pulsante, programmato, sostenuto tutte definizioni che indicano una particolare modalità o cessione del farmaco.

Le forme farmaceutiche a rilascio modificato sono somministrate per lo più per via orale sfruttando sistemi di rilascio che si avvalgono di fenomeni quali la diffusione, la dissoluzione, l’erosione, lo scambio ionico e l’osmosi.

Già nel 1974 Theeuwes ha descritto i sistemi osmotici che si possono schematizzare nel modo seguente:

Immagine 1 - schema di un sistema osmotico, si tratta di una pompa osmotica elementare inventata da Theeuwes nel 1974. Il dispositivo contiene un agente attivo che possiede una pressione osmotica adeguata.

Una compressa di un farmaco può funzionare anche per osmosi

Il nucleo è formato dal farmaco osmoticamente attivo (Immagine - 1), il rivestimento è costituito da una membrana rigida semipermeabile, fatta solitamente di alcool polivinilico, acetato di cellulosa o cloruro di polivinile, dotata un piccolo orifizio (foro di rilascio) deputato alla cessione del farmaco; perché il farmaco venga rilasciato attraverso quest’apertura è necessario fornire energia al sistema.

Se si immagina questo modello come la sezione trasversale di una compressa è facile intuire come quando la compressa entra in contatto con i liquidi acquosi, si crea una differenza di concentrazione fra interno ed esterno compressa: questo fenomeno induce un flusso d’acqua verso l’interno.

La portata del flusso dipende dalla permeabilità, dall’area e dallo spessore di membrana.

All’interno della compressa si genera una pressione osmotica che provoca la fuoriuscita del farmaco dal serbatoio attraverso l’apertura: per ogni intervallo di tempo, la quantità di farmaco che fuoriesce dall’orifizio dipende dal volume di acqua in entrata e dalla concentrazione del farmaco in soluzione nel serbatoio.

I sistemi osmotici sono poco diffusi perché hanno un costo elevato e richiedono un accurato controllo qualità.