Dialysemembraan

Datum:  Januari 2019

Inleiding:

Experimenteren met een dialysemembraan

Materiaal:

  • Dialysemembraan
  • Kaliumjodide
  • Stijfsdel (zetmeel)
  • Demo-water
  • Bekerglazen
  • Petrischaal
  • Roerstaafje
  • Schaaltje
  • Raspberry Pi
  • Raspberry Pi camera
  • Bijlichtlamp
  • Schaar
  • Trechter
  • Statiefje
    (voor de webcam)

Uitvoering:

  • Knip een stuk dialysemembraan af en leg het in een bakje met water om te weken
  • Leg een knoop in een uiteinde
  • Maak een zetmeel slurry in een klein bekerglaasje door wat stijfsel te mengen met water en goed te roeren met de roerstaaf
  • Open het dialysemembraan en de kant waar geen knoop zit (wrijf het tussen duim en wijsvinger als het nat is)
  • Giet de zetmeel slurry erin en knoop vervolgens het open einde dicht.
  • Probeer ervoor te zorgen dat er geen luchtbellen in het membraan zitten.
  • Knip overbodig materiaal weg.
  • Plaats de dialysemembraan in een bekerglas gevuld met water.
  • Dek het bekerglas af m.b.v. de deksel van een petrischaal
  • Start de Raspberry Pi op en controleer of de camera goed werkt dooreen testfoto te nemen via het command window
  • Type in:
    raspistill -o test.jpg
  • Bouw de observeer opstelling verder op door het bekerglas te plaatsen en vervolgens de camera dusdanig te plaatsen dat deze goed in beeld is.
  • Beoordeel de test foto en corrigeer de positie indien nodig




 
  • Plaats naast het bekerglas een sterke lamp om een goede belichting te waarborgenStel het python programma op met de code beneden weergegeven
  • Voeg een beetje kaliumjodide en jood toe en roer met het roerstaafje
  • De oplossing moet lichtgeel zijn
  • Start het python programma
  • Nadat de zetmeel in het dialysemembraan vollledig verkleurd is kan het programma gestopt worden
  • Voeg de individuele foto's samen tot een filmpje m.b.v. het commando:
     ffmpeg -i frame%03d.jpg membraan.mp4

 

Pythoncode voor het nemen van time lapse foto's:

import time

import picamera



VIDEO_DAYS = 1

FRAMES_PER_HOUR = 120

FRAMES = FRAMES_PER_HOUR * 24 * VIDEO_DAYS



def capture_frame(frame):

with picamera.PiCamera() as cam:

time.sleep(2)

cam.capture('/home/pi/cam/frame%03d.jpg' % frame)



# Capture the images

for frame in range(FRAMES):

# Note the time before the capture

start = time.time()

capture_frame(frame)

# Wait for the next capture. Note that we take into

# account the length of time it took to capture the

# image when calculating the delay

time.sleep(

int(60 * 60 / FRAMES_PER_HOUR) - (time.time() - start)

Resultaten:

YouTube link: Dialysemembraan
Men kan een verkleuring van de zetmeeloplossing in het dialysemembraan waarnemen hetgeen aangeeft dat de jood molekulen in contact zijn gekomen met het zetmeel.

Discussie:

Zoals in Achtergrondinformatie meer formeel beschreven wordt is diffusie de verplaatsing van een stof van een plaats met een hoge concentraties naar een plaats met een lage concentratie van die stof.

In gassen en vloeistoffen in evenwicht bewegen zich deeltjes (moleculen) volledig willekeurig, de zogenaamde Brownse beweging.  Diffusie komt tot stand doordat in een systeem dat niet in evenwicht is, doordat er een concentratie gradiënt aanwezig is, zich gemiddeld genomen meer moleculen richting de lagere concentratie bewegen, totdat het systeem weer in evenwicht is (concentratie gelijk is).

Men kan osmose beschouwen als een speciaal geval van diffusie nl de diffusie van water van een oplossing met een lagere concentratie naar een oplossing met een hogere concentratie van een bepaalde component. Dat kan echter alleen maar plaatsvinden als de oplossingen gescheiden zijn door een membraan waar water wel doorheen kan maar de component dus niet. Men spreekt dan van een halfdoorlatend  of semipermeabel membraan. De beweging van de watermoleculen noemt men dan geen diffusie meer maar osmose.

Het dialysemembraan zoals we het in dit experiment gebruikt hebben filtert als het ware op grootte. Water en jood ionen passen wel door de poriën in het membraan, de veel grotere zetmeel moleculen echter niet.
 

Opmerkingen:

  • De gebruikte camera is een NIR camera die ook waarneemt in het nabije Infra Rood (nachtzicht). Het nadeel is dat het beeld dan zwart-wit wordt. Men zou dan de verkleuring van de zetmeel niet goed kunnen waarnemen. Vandaar dat men beter kan bijlichten.
  • Indien men geen dialysemembraan heeft kan men het ook met cellofaan proberen.

Literatuur:

  • D.H. Mackean; "Inleiding tot de Biologie"; Wolters-Noordhoff; 1969 (1962); 6de druk; ISBN 9001568009; p. 76-80.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Jood-zetmeel complex
De kleurreactie waarvan we gebruik maken in dit experiment is die van Jood met zetmeel waarbij  een donkerblauwe kleur gevormd wordt. Een donkerblauwe kleur is ook beter te zien tegen een witte achtergrond waardoor dus tevens de gevoeligheid (detectiegrens)van de reactie verbeterd wordt. 
Een groot aantal maltose-eenheden door een 1a-4 binding aan elkaar gekoppeld levert zetmeel op volgens:

1/2 n C12H22O11 --> (C6H10O5)n + 1/2 n H2O

Er komen echter ook vertakkingen voor en zetmeel is hierdoor colloïdaal oplosbaar in water (en dat heet stijfsel). Röntgen analyse van zetmeel heeft laten zien dat de ketens gedraaid zijn in de vorm van een helix (als een wenteltrap).

In de helix is net genoeg plaats voor een jodium-molecuul. De blauwe kleur wordt veroorzaakt door de gevangen jodiummoleculen. Er is dus niet echt sprake van een reactie. Er ontstaat een zetmeel-jodium complex en dat geeft de blauwe kleur.

Deze reactie is niet specifiek aangzeien elke stof die met jodide een redox-reaktie kan aangaan waarbij jood gevormd wordt in principe de donkerblauwe kleur zal laten ontstaan.

Ook dient hier opgemerkt te worden dat als jood opgelost wordt in water in aanwezigheid van jodide ionen de tri-jodide en penta-jodide ionen gevormd worden volgens:
I2 + I- --> I3-    
 I2 + I3- --> I5-

De ionen worden lineair gerangschikt in het complex.

Massatransport
Componenten die zich binnen een fase bewegen doen dit onder invloed van een concentratieverschil.

Er ontstaat dus een stroom als gevolg van een oorzaak, de “drijvende kracht”. Voor een korte lengte Dx kunnen we dan een debietvergelijking opstellen:

(kg.s-1)

Herdefiniëren we deze in termen van eendimensionaal stationair transport dan krijgen we de wet van Fick waarin we de fluxvergelijking opstellen:

(kg.m2.s-1)

Volgens deze wet is de diffusiesnelheid rechtevenredig met het concentratieverval. Hierin is D de diffusiecoëfficiënt in m2s-1. Het is een temperatuurafhankelijke stofeigenschap en is een maat voor de snelheid waarmee in het betreffende medium stof diffundeert.

Voor de diffusiecoëfficiënten in vloeistoffen vindt men bij kamertemperatuur waarden in de orde van 10-8 a 10-9 m2s-1; voor andere temperaturen kan men een bij een temperatuur gegeven diffusiecoëfficiënt omrekenen met de relatie van Einstein-Nernst-Eyring: Dh/T (h is de viscositeit van het oplosmiddel).

Beschouwen we nu een materiaalbalans over een schijfje met dikte dx en met als oppervlak de eenheid van oppervlak (het volume van het schijfje is dus dx).

De balans luidt:

in = uit + accumulatie

Hetgeen de tweede wet van Fick is die informatie geeft over de concentratieverandering in de tijd.

05/06/2019