Substratdiffusion

Substratdiffusion bezeichnet den räumlichen Transport von Substratmolekülen durch ein Medium (Flüssigkeit, Gas, Gel oder poröses Feststoffmaterial) infolge eines Konzentrationsgefälles. Sie ermöglicht den Transport von Substraten zu Enzymen oder Reaktionszentren, die Durchdringung von Geweben oder Membranen sowie die Verteilung von Nährstoffen in biologischen, chemischen und materialwissenschaftlichen Systemen.

In der Reaktionskinetik kann Substratdiffusion die Reaktionsgeschwindigkeit beschränken, insbesondere wenn die Reaktionsschritte schnell sind oder das Medium porös oder heterogen ist. In solchen Fällen spricht man von diffusionslimitierten Reaktionen, bei denen der Substrattransport zum aktiven Ort die Begrenzung darstellt.

Mathematisch wird Substratdiffusion durch Ficksche Gesetze beschrieben. Der Substratfluss J durch ein ein-dimensionales Medium ergibt sich aus J = −D ∂C/∂x, wobei D die Diffusionskonstante ist. Für zeitabhängige Prozesse gilt ∂C/∂t = D ∇^2 C. In porösen Medien verwendet man eine effektive Diffusivität De, die D mit Porosität ε und Tortuosität τ berücksichtigt (De ≈ D0 · ε/τ). Weitere Modellansätze integrieren Bindung, Adsorption oder Transport über Grenzflächen.

Wichtige Einflussfaktoren sind Temperatur, Viskosität des Mediums, Molekülgröße, Porenstruktur, Bindung an matriciale Bestandteile sowie Anwesenheit anderer Moleküle. Anwendungen finden sich in der Biotechnologie (Immobilisierte Enzyme), der Materialwissenschaft (poröse Katalysatoren), der Medizin (Nährstoff- oder Wirkstoffdiffusion in Geweben) sowie der Bodenkunde und Lebensmittelchemie.

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