Antecedentes Histórico y Científicos de la Ósmosis Inversa

Lo primero, y quizás lo más importante, es reseñar que a la ósmosis se le debe la vida, dicho de esta forma quizás suena muy serio, pero veremos que los primeros estudios sobre la ósmosis o como se le llamó entonces proceso osmótico se desarrollan en los principios de la medicina, la biología, la fisiología, etc. Nos tendremos que remontar a finales del siglo XIX, para encontrar las primeras explicaciones, por supuesto siempre basadas en el concepto de absorción y por lo tanto en el proceso de alimento de la célula.

Los fisiólogos en el siglo XIX , ya señalaban: “La absorción por flujo osmótico, a través de la membrana exterior que protege a la célula, permite a ésta la alimentación y por lo mismo el mantenimiento del proceso vital de la célula o de un organismo unicelular”.

Poco a poco, las disciplinas ligadas a la medicina y la biología, han ido dejando paso a la física, química y matemáticas en el intento de explicar el fenómeno osmótico; dado que se ligan conceptos como: concentraciones, solutos, solventes y energía. Son las leyes de equilibrio termodinámico las que más se acercan a una descripción científica del fenómeno, pero sin llegar a ella, como veremos más adelante.


Insistimos que a pesar de hacer más de 150 años que se descubrió el fenómeno de la ósmosis, su verdadero significado físico permanece oculto todavía en nuestros días.

Se han desarrollado mucho “los alrededores” del fenómeno en sí, incluso como sabemos, se han desarrollado mucho las aplicaciones del fenómeno, pero no existe una explicación científica del fenómeno que haya sido totalmente aceptada, existen, eso sí, muchas “aproximaciones” científicas.

La ósmosis aparece ligada a muchas teorías y fenómenos: teoría de las soluciones, teoría de los equilibrios termodinámicos, barreras de flujo de difusión o, mejor dicho, membranas semi-permeables, pero la realidad es que explicamos los resultados, pero no hay una teoría que explique el flujo osmótico.

Si es cierto que, como en otros muchos casos, los científicos han obviado, de momento, el porqué del fenómeno y han ido directamente al qué y con modelos totalmente predictivos han conseguido magníficas aplicaciones prácticas de un fenómeno que no sabemos explicar muy bien.

La razón de este comportamiento está en que una vez que se descubren las membranas semi-permeables y como se comportan con diferentes soluciones, es fácil proyectar con imágenes aplicaciones prácticas que la ingeniería sí que está en condiciones de llevar a cabo.

El enorme éxito de la utilización de este tipo de membranas en múltiples procesos no debe inducirnos al error de que conocemos el porqué, realmente no se conoce, se aproxima, eso sí, y llegará el día que se establecerá el modelo matemático que justifique la realidad, pero eso no ha llegado todavía.

En este punto, y antes de entrar en la historia de la ósmosis, hay que remarcar que el campo de aplicación de las membranas semi-permeables está todavía por desarrollar en su totalidad y que cada día se encontrarán aplicaciones en la industria basadas en este concepto.

Los Principios
Si tenemos en cuenta lo dicho anteriormente: “el fenómeno osmótico es la base de la alimentación celular”, es evidente que cualquier estudio deberá ir muy ligado al desarrollo científico y por lo tanto de las diferentes disciplinas; dado que las ciencias “nacen” como disciplinas diferentes durante el Siglo XIX (biología, química, fisicoquímica, termodinámica, etc.).

No es este escrito el soporte apropiado para realizar un examen exhaustivo del nacimiento de las diferentes ciencias, pero parece lógico que la medicina y la biología se anticipan ya que el hombre trata de resolver los problemas que le crean las enfermedades y son ciencias que avanzan, sobre todo, gracias a la observación de los fenómenos naturales y su desarrollo.

Entre 1800 y 1900 se desarrolla la biología y la medicina con Bichat (1771-1802) como precursor, en 1844 ya había establecido una nueva ciencia: la histología.

Durantes ese período se produce un fuerte desarrollo científico e industrial y por lo tanto todos los investigadores buscan soporte científico para los fenómenos que están observando, buscan explicaciones en la química y sus procesos que les permita modelizar los comportamientos biológicos.

Recordemos que Louis Pasteur (1822-1895) fue el “padre” del método experimental en la medicina, y no debemos olvidar que no era médico sino biólogo, y todavía el estudio de los gérmenes y su acción sobre la vida se basa en sus principios y estudios, podemos decir que puso la química al servicio de la medicina.

Toda esta descripción del Siglo XIX es importante para nosotros desde el punto de vista que a mediados de siglo se descubre el fenómeno osmótico y su interrelación con los procesos celulares.
Sí es verdad, que la primera membrana industrial y el primer equipo de ósmosis inversa se construyó en EE.UU., como veremos más adelante, pero también es cierto que todos los estudios y desarrollos importantes en química, física, medicina, etc. durante el Siglo XIX tuvieron lugar en la vieja Europa, siempre a la sombra del desarrollo industrial y tecnológico de la industria privada.

Todavía no se le ha dado la verdadera importancia ni se ha magnificado lo suficiente el descubrimiento de Mendeleiev (1834-1907). Sí, todos estudiamos la Tabla Periódica de los Elementos, que publicó, pero lo que no se explica suficientemente es que modificó todo el pensamiento científico de la época, que evidentemente estaba equivocado, y eso no fue fácil ya que requería una modificación completa de los conocimientos y bases sobre la organización de la materia, es decir, descubrió los antecedentes de la física atómica y la química cuántica que tardarían casi 100 años en desarrollarse.

Mediado el Siglo XIX se sigue avanzando en la compartimentación de la ciencia, aparecen disciplinas como la fisicoquímica y las reacciones termoquímicas: catálisis, electrolisis, estudios del átomo y sobre todo los más importantes para el estudio de la ósmosis la física de las soluciones.

Debemos decir que la mayoría de teorías nacen del intento de comprender el comportamiento del átomo, y como lo más fácil de manejar por su reacción rápida a los cambios de temperatura eran los gases, la mayoría de experimentos estaban realizados con gases.

Thomas Graham (1805-1869) fue el padre de la química de los coloides y a la vez Raoult (1830-1901) con su Teoría de las Soluciones fueron los que sentaron las bases de la fisicoquímica como una disciplina científica. Pero recordemos que simultáneamente numerosos científicos estudiaban dentro del campo de fisiología los fenómenos de transporte celulares en plantas y animales, etc. Por lo tanto, ambas disciplinas se entremezclan: el estudio de los gases y su comportamiento en las soluciones con los estudios de la célula y sus intercambios. En ese momento está descubriéndose el fenómeno osmótico.

Ya hemos dicho que la ósmosis se basa en la Teoría de Soluciones y a pesar de que Graham fue el padre de los estudios y experimentó sobre el flujo de difusión de un gas a través de un tapón poroso, etc. ( el flujo de difusión de un gas a través de un tapón poroso es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de las densidades de los gases empleados), como vemos ya está apareciendo aquel concepto: “hacer pasar “substancias” a través de una membrana semi-permeable, sin consumo de energía exterior”.

Pero fue Fick (1829-1901) quién planteándose los experimentos de Graham sobre bases cuantitativas y por analogías entre los estudios sobre conductividad eléctrica y calorífica, estableció formalmente la matemática de la difusión. Básicamente: “la presencia de un flujo de difusión es debido a una diferencia de concentraciones”.

Hubo en aquella época una gran conmoción cuando Fick publicó sus estudios y sus resultados, se provocaba una “revolución” sobre muchos conceptos científicos que se habían tenido hasta entonces y todos sabemos que el “inmovilismo” es inherente a determinadas sociedades.

El principal problema es que tanto Graham como Fick explicaban el fenómeno de la difusión de forma descriptiva y cuantitativa pero no eran capaces de aclarar “el porqué”, algo parecido a lo que hemos dicho al principio con la ósmosis inversa.

En la segunda mitad del Siglo XIX fue Maxwell (1831-1879), quién dio soporte al “porqué” con sus teorías sobre los movimientos moleculares, velocidades relativas, agitación, etc. todo a nivel molecular.

En todo lo anterior vemos como poco a poco estamos llegando al fenómeno osmótico que es el que nos preocupa en este escrito, pero como casi siempre en la historia de la ciencia, la observación, el experimento va muy por delante de la explicación del fenómeno en sí y su modelización físico-matemática.

Decimos esto porque el descubrimiento de la ósmosis es anterior al de la difusión y la teoría de las soluciones que son la base de la explicación del mismo.

En 1748 Nollet (1700-1770), profesor de física experimental en la Universidad de Navarra, experimentó con una “membrana” realizada a partir de la pared de la vejiga de un animal, colocando alcohol a un lado y agua al otro y comprobó que el agua fluía de un lado al otro para mezclase con el alcohol pero EL PROCESO CONTRARIO NUNCA SE PRODUCÍA.

Es decir, Nollet en el Siglo XVIII ya descubrió la existencia de “membranas semi permeables”, y ya definió el proceso osmótico que permitía el paso de uno de los componentes de una solución pero no el de otros.

Llamó solvente a la sustancia capaz de atravesar la membrana y soluto a la que no puede fluir a través de ella.

Pero no fue capaz de explicar porqué ocurría este fenómeno, era imposible poderlo explicar con los conocimientos de la época, hacía falta que pasarán 100 años para poder explicarlo un poco mejor y sentar las bases, aunque como ya hemos dicho todavía no existe una explicación fiable ni un modelo matemático que sustente el fenómeno osmótico, como veremos.

Fue un investigador médico Henri Dutrochet (1776-1847), quién realizó el descubrimiento del fenómeno osmótico a través de membranas semi permeables, y lo hizo dentro de su objetivo principal: demostrar que las leyes fundamentales de la química y la física y por lo tanto las matemáticas eran capaces de explicar los procesos básicos de la vida.

Por lo tanto podemos fijar como fecha del descubrimiento del fenómeno osmótico tal y como lo conocemos 1828, fecha en la que Dutrochet publico: “que si se tenían dos soluciones con el mismo soluto, que no puede atravesar la membrana, una a cada lado de una membrana semi permeable, el flujo osmótico ocurría siempre de la solución menos concentrada a la más concentrada y por supuesto fluía el solvente el cual provocaba una presión sobre la membrana a la que llamó presión osmótica”

Había nacido la tecnología de la ósmosis inversa, pero en realidad no se sabía “porqué” el solvente se comportaba como lo hacía.

Insistimos que Dutrochet llegó a estas conclusiones y descubrimientos intentando explicar los procesos que tienen lugar en la célula viva que está rodeada de una membrana semi permeable y absorbe agua por ósmosis.

Se tardaron 50 años en medir cuantitativamente la presión osmótica y fue Pfeffer (1845-1920) en 1877 quien lo hizo. Era botánico y necesitó hacerlo dentro de los estudios que realizaba sobre fotosíntesis.

Lo principal de los estudios de Pfeffer y que nos interesa resaltar es que no empleó membranas biológicas sino artificiales, seguían consolidándose las bases para la ósmosis inversa tal y como la conocemos.

Pero hasta que Van’t Hoff (1852-1911) comparó la presión osmótica con la que realizaba un gas, el fenómeno de la ósmosis no salió de la mano de los fisiólogos para ir a las de los físico-químicos. Entre él y Gibbs (1839-1903) consolidaron la relación entre la ósmosis y la teoría de las soluciones, y la comparación entre la cinética de la ósmosis y la de los gases fue, como mínimo, original y atrajo el interés de la comunidad científica.

Pero eran ideas equivocadas y fueron abandonadas a principios del Siglo XX, definitivamente la presión osmótica no es el resultado del choque de las moléculas contra el tabique formado por la membrana, empieza a manejarse el concepto de “energía química de una solución”, se establece definitivamente la fisicoquímica como una ciencia, y las teorías termodinámicas químicas avanzan explicaciones al fenómeno osmótico, entendiendo la presión osmótica como una diferencia de energías químicas de las soluciones.