Orientador: João Ruggiero Neto / Banca: Iolanda Midea Cuccovia / Banca: Sidney Jurado de Carvalho / Resumo: Este trabalho desenvolve uma investigação teórica sobre o gradiente de pH em uma região delimitada por duas membranas que se ionizam em equilíbrio com uma solução eletrolítica. O objetivo foi de aplicar esta teoria para o espaço intermembranar da mitocôndria, investigando uma possível relação entre a ionização dos fosfolipídeos que constituem estas membranas e o controle de pH . O modelo utiliza a aproximação de campo médio, resolvendo-se a equação de Poisson-Boltzmann para um sistema composto por dois planos infinitos, fixos e separados por uma distância L. A densidade superficial de carga em cada plano é função da ionização dos grupos que o compõem e, portanto, dependente do equilíbrio químico com a solução circundante. Dois sistemas foram considerados, o primeiro com a solução contendo apenas os contraíons provenientes da ionização e o segundo contendo, uma solução eletrolítica, além dos contraíons. Foram analisados o potencial eletrostático médio e o pH em função da distância, variando-se a concentração de sal e a área disponível por molécula ionizável. O comportamento resultante mostra que a ionização contribui para manter o valor do pH estável nas vizinhanças da membrana. Assim, o gradiente de pH no espaço intermembranar da mitocôndria pode estar associado à ionização das moléculas que a compõem / Abstract: This work develops a theoretical model to investigate the pH gradient in a region bounded by two phospholipid bilayers that ionize in equilibrium with an electrolytic solution. The objective was to apply this theoretical model to the mitochondrial intermembrane space by investigating a possible relationship between the ionization of the phospholipids of the membrane and the pH control. The theoretical model was based on a mean field approximation. The Poisson - Boltzmann equation was solved for a system composed by two infinite planes separated by a distance L. The surface charge density in each plane is a function of the ionization of their ionizing groups and therefore dependent on the chemical equilibrium with the surrounding solution. Two systems were considered, the first takes into account only the counterions from the ionization. The second takes into account also the presence of an electrolyte besides the counterions. For these two systems the mean electrostatic potential and the pH were analyzed as a function of the distance from the charged planes for different values of both the added salt concentration and the cross section of the ionizable groups. The results obtained evidence that the ionization contributes to maintain the pH value stable near the membranes. These results suggest that the pH gradient in the mitochondrial intermembrane space is likely to be associated to the ionization of the phospholipid molecules / Mestre

Orientadores: Reginaldo Guirardello, Edson Antonio da Silva / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-14T18:58:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Borba_CarlosEduardo_D.pdf: 1593358 bytes, checksum: 8ae06b7d3dd4c535d777a874b5dab2a6 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: O aumento da produção industrial tem proporcionado a geração de efluentes aquosos contaminados com íons de metais pesados. Estes devem ser tratados antes de serem descartados no meio ambiente. Colunas de leito fixo podem ser eficientes na remoção de íons de metais pesados de meios aquosos. Para o projeto destes equipamentos são necessárias informações a respeito do equilíbrio do sistema, bem como informações a respeito dos efeitos de transferência de massa no sistema. Os principais objetivos deste trabalho foram a interpretação e obtenção de dados de equilíbrio de troca iônica dos sistemas binários Cu+2 - Na+, Zn+2 - Na+ e Zn+2 - Cu+2 e do sistema ternário Cu+2 - Zn+2 - Na+ e interpretação e obtenção de dados experimentais da dinâmica de troca iônica em coluna de leito fixo. Neste trabalho, foram realizados experimentos para a obtenção de dados de equilíbrio para os sistemas binários e para o sistema ternário. Estes experimentos foram conduzidos em sistema batelada na temperatura de 25°C. Foram também realizados experimentos de troca iônica em coluna de leito fixo para os sistemas binários Cu+2 - Na+ e Zn+2 - Na+ e para o sistema ternário. Em todos os experimentos foi utilizada a resina Amberlite IR 120 como trocador iônico. No tratamento dos dados experimentais de equilíbrio foram utilizadas a isoterma de Langmuir competitiva e a Lei da Ação das Massas (LAM) ideal e não ideal. A utilização da LAM não ideal exigiu o cálculo do coeficiente de atividade das espécies em ambas as fases. Para o cálculo do coeficiente de atividade dos íons na resina foi empregado o modelo de Wilson. Para o cálculo do coeficiente de atividade dos íons em solução foi empregado o modelo de Bromley. Os resultados mostraram que a isoterma de Langmuir competitiva e a LAM ideal representaram satisfatoriamente os dados de equilíbrio dos sistemas binários Cu+2 - Na+ e Zn+2 - Na+. No entanto, não representaram adequadamente o equilíbrio do sistema Zn+2 - Cu+2. A LAM não ideal representou apropriadamente o equilíbrio de todos os sistemas binários. O equilíbrio de troca iônica do sistema ternário foi representado satisfatoriamente pela isoterma de Langmuir competitiva e pela LAM não ideal, a qual envolveu os parâmetros dos sistemas binários para predizer o equilíbrio do sistema ternário. Para representar a dinâmica de troca iônica em coluna de leito fixo foi utilizado um modelo em que foram consideradas como etapas controladoras da transferência de massa a difusão no filme externo e a difusão nas partículas da resina. Neste modelo foi considerado equilíbrio termodinâmico na interface sólido-líquido, o qual foi representado pela isoterma de Langmuir competitiva e pela LAM não ideal. Os resultados mostraram que o modelo representou satisfatoriamente a dinâmica de troca iônica em todos os casos investigados. / Abstract: The increase in industrial production has provided the liquid effluent generation compound by heavy metal ions. These must be treated before being thrown in environment. Fixed bed columns may be efficient in the removal of these ions in aqueous environment. Therefore, to the project of these equipments, information related to the system equilibrium is essential as well as information about the effects of mass transfer in the system. The main goals of this paper were the achievement and interpretation of the equilibrium data related to the ionic exchange of the binary systems Cu+2 - Na+, Zn+2 - Na+ e Zn+2 - Cu+2 and of the ternary system Zn+2 - Cu+2 - Na+, and the achievement and interpretation of the ionic exchange dynamics in these systems in fixed bed column. In this work, experiments were made to obtain equilibrium data, for binary and ternary system. These experiments were made in batch system at the temperature of 25ºC. Experiments in ionic exchange in fixed bed column were made to the binary systems Cu+2 - Na+ , Zn+2 - Na+ and to the ternary system. In all of the experiments were used the resin Amberlite IR 120 as ionic exchanger. In the treatment of experimental equilibrium data, the competitive adsorption isotherm of Langmuir, the Mass Action Law (MAL) ideal and non ideal were used. The utilization of MAL non ideal required the calculus of activity coefficient of species in both phases. For the calculus of the ions activity coefficient in the resin, the Wilson model equation was used. To calculate the activity coefficient of ions in solution, the Bromley model equation was used. The results showed the competitive isotherm of Langmuir and the ideal MAL represented properly the equilibrium data of the binary systems Cu+2 - Na+ e Zn+2 - Na+. However, they hadn't properly represented the equilibrium of the binary system Zn+2 - Cu+2. The non ideal MAL represented properly the equilibrium of all binary systems. The ionic exchange equilibrium of the ternary system was represented properly by the competitive isotherm and non ideal MAL, which used the binary system parameters to predict the ternary system equilibrium. For the representation of the dynamic of ionic Exchange in fixed bed column, was used a model that considered the diffusion in external film, and diffusion on the resin particles as controller steps of mass transfer. In this model was considered thermodynamic equilibrium on the interface solid-liquid represented by the competitive isotherm of Langmuir and by the non ideal MAL. The results showed the model represented properly the dynamic of ionic exchange in all of the cases investigated. / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química