TTHẨM THẤU VÀ ỨNG DỤNG _ PHẦN 2

1/13/2010

Khuếch tán và thẩm thấu
• Khi vật chất hiện diện có nồng độ khác
nhau một hiện tượng tự nhiên xảy ra để
nhau,
điều hòa lại nồng độ gọi là sự khuếch tán.
• Trong hiện tượng này chất khuếch tán di
chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có
nồng độ thấp. Những chất khác cũng sẽ
chuyển động ngược lại để điều hòa nồng
độ. Những hiện tượng này xảy ra mạnh
mẽ trong thể lỏng và trong thể khí

Hiện tượng khuếch tán vật chất

20


1/13/2010

Khuếch tán đường trong nước

Khuếch tán chất màu

21


1/13/2010

• Nếu hiện tượng này xảy ra ở một nơi bị ngăn

cản bởi các màng tự nhiên hay nhân tạo ở đó
các màng này chỉ cho phép những phân tử nhỏ
đi qua, những phân tử lớn hơn không qua
được, hiện tượng này phụ thuộc vào kích thước
các phân tử, nó gọi là thẩm thấu nếu như chỉ
cho nước đi qua và thẩm phân nếu như cho
thêm một cỡ nào đó các chất
ấ tan lớn hơn đi
qua.
• Hiện tượng như vậy thường gặp ở trong cơ thể
sinh vật hay ở nông sản thực phẩm.

Màng và sự khuếch tán

Vai trò của màng, loại màng quan trọng trong sinh học, tự
nhiên, kỹ thuật v..v..

22


1/13/2010

Khuếch tán qua màng tế bào

Tế bào, mô luôn hiện hữu trong sinh giới tạo một thế hóa học và chọn
lọc sự khuếch tán

Khuếch tán thẩm thấu là cơ chế vận chuyển
quan trọng qua các màng tế bào sinh học

Mỗi tế bào, mô (phổi, thận, ruột v..v..) luôn luôn xảy ra hiện tượng khuếch
tán để điều hòa sự sống

23


1/13/2010

Khái niệm về thẩm thấu
• Thẩm thấu là một hiện tượng, một khi có một
sự khác biệt nồng độ (hay chính xác hơn,
hơn
một khác biệt của hoạt tính hóa học của dung
môi) làm cho dung môi (nước) đi xuyên qua
một màng có tính chất thấm dung mơi tốt hơn
chất tan. Màng đó gọi là màng bán thấm.
• Thẩm thấu là một
ộ trường
g hợp
ợp đặc
ặ biệt
ệ của
khuếch tán. Đó là sự khuếch tán qua màng
bán thấm ở đó nước có thể thấm qua màng,
các chất tan khác không qua màng được

Thẩm thấu

• Thẩm thấu là một sự vận chuyển của nước
ngang qua một màng bán thấm từ phía có nồng

độ nước cao hơn đến phía có nồng độ nước
thấp
ấ hơn.
• Quan niệm “nồng độ nước” - Sự hòa tan thêm
chất tan vào nước sẽ hạ thấp nồng độ nước
trong dung dịch so với nồng độ nước trong nước
tinh khiết. (Nghĩa là nồng độ của nước trong
nước tinh khiết là 55.5 M (1000/18). Nồng độ của
nước trong một dung dịch glucose 1 M là 54.5 M
(55.5 - 1). Nói cách khác chất tan (glucose) sẽ
làm loãng hay thay thế phân tử nước và làm
giảm nồng độ nước).

24


1/13/2010

Thẩm thấu
• Khi hai dung dịch có nồng độ chất tan khác
nhau phân tách nhau bởi màng bán thấm,
thấm nước
từ dung dịch loãng sẽ qua màng bán thấm vào
dung dịch đậm đặc hơn để giảm gradient nồng
độ.
• Sự di chuyển nước sẽ ngưng khi nào nồng độ
của hai dung dịch bằng nhau.
• Thể tích
tí h của
ủ phần

hầ dung
d
dị h lỗng
dịch
l ã
sẽ
ẽ giảm
iả lại
l i
và thế tích của phần dung dịch đậm đặc sẽ tăng
lên sau khi tiến trình chấm dứt.

Thẩm thấu

25


1/13/2010

Áp suất thẩm thấu
• Áp suất thẩm thấu là áp suất phải tác động vào
phía dung dịch nồng độ chất tan cao để ngăn
cản sự chảy dung môi (nước) vào đó. Áp suất
thẩm thấu của một dung dịch tỉ lệ trực tiếp nồng
độ chất tan và tỉ lệ nghịch với nồng độ nước của
dung dịch đó.
• Tổng qt,
qt áp suất thẩm thấu của một chất lỏng
đo khả năng giữ hay lấy nước khi dung dịch này
ngăn cách với nước bởi một màng bán thấm.

Áp suất thẩm thấu

26


1/13/2010

Quan hệ giữa độ thẩm thấu của dung dịch tế
bào và độ thẩm thấu của chất quanh tế bào
• Đẳng trương (Isotonicity): Nếu đặt các tế bào máu trong
g dịch g
glucose 300 mM hay
y dung
g dịch NaCl 150 mM
dung
(300 mOsm/l), các tế bào này khơng trương cũng khơng co.
• Ưu trương (Hypertonicity): dung dịch glucose 400 mM
hay dung dịch NaCl 200mM sẽ gây ra sự co tế bào khi nước
thoát ra khỏi tế bào.
• Nhược trương (Hypotonicity): dung dịch glucose 100 mM
hay dung dịch NaCl sẽ làm cho tế bào trương lên do nước đi
vào tế bào.
bào
• Độ thẩm thấu của các tế bào sinh học cũng khác nhau. Các
động vật sống ở biển, nồng độ muối thậm chí rất cao và các
vi sinh vật sống trong dung dịch đường có độ thẩm thấu cao
hơn các sinh vật bình thường..

Dung dịch ưu trương, đẳng trương, nhược trương

đối với tế bào máu người
• Dung dịch đẳng trương (dung dịch
0.9% NaCl - “nước muối sinh lý"
ý - có
thể được dùng để đưa thuốc vào
mạch máu hay giữ các mô và tế bào
bên ngồi cơ thể. Dung dịch ưu
trương và nhược trương khơng thích
hợp trong mục đích này.
• Nước muối sinh lý hay dung dịch
glucose 5.4%, có thể được dùng để
đ
đưa
vào
à mạch
h máu,
á cung cấp
ấ nước
ớ và
à
năng lượng cho các bệnh nhân không
thể ăn uống sau khi phẫu thuật.

27


1/13/2010

Thẩm thấu với tế bào động và thực vật

Thẩm thấu khơng màng tế bào
• Trong việc nghiên cứu thẩm thấu trên gel
agar, Raoult
R
lt Wack
W k (1994) phúc
hú trình
t ì h rằng
ằ
các thực phẩm không màng tế bào như
gel agar cũng xảy ra hiện tượng tách
nước thẩm thấu tương tự. Tiến trình thốt
nước và tăng đường sinh ra những lớp có
tính chất như rào cản ngăn sự thấm
đường nhưng ít ngăn cản hơn sự thoát
nước.

28


1/13/2010

Động lực và trở lực của tiến trình
• Động lực của tiến trình này thường được xem
là gradient nồng độ của các chất trong hệ thống
khuếch tán.
• Trở lực của tiến trình cũng thể hiện qua các
thơng số về tính chất truyền của vật chất như
hệ số truyền vật chất của dung dịch thẩm thấu
hay hệ số khuếch tán hiệu quả của vật liệu sinh

học.
• Đã có nhiều nghiên cứu trong các lĩnh vực này
để tiếp cận hiện tượng và mơ hình hóa các
trường hợp riêng rẽ để dùng trong những áp
dụng kỹ nghệ mang lại những lợi ích về phẩm
chất, năng suất, hiệu quả trên toàn thế giới.

29


1/13/2010

Mơ hình truyền vật chất
lớp film

C1

Um

Đường

Co
Um

Nước

Mặt đối xứng

Nồng độ đư
ường

Cs

Lát ct
Mt phõn chia
M

C= hng s

x
ẵ b dy (e/2)

ã H s truyền vật chất bên ngoài dung dịch
phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ và tốc độ
chảy
hả được
đ
Bùi và
à các
á cộng
ộ sự (2009) xác
á
định qua việc thiết lập một hệ thức gồm
các số không thứ nguyên Sherwood,
Reynolds và Schmidt tuần tự đối với
saccharose và nước trong
g các dung
g dịch
ị 2
cấu tử đậm đặc.

Shs = 1.3 Re0.5 Scs0.15 và
Shw = 0.11 Re0.5 Scw0.5
(Bùi và các cộng sự, 2009)

30


1/13/2010

• Hệ số khuếch tán hiệu quả bên trong vật
liệ sinh
liệu
i h học
h
(Deff) cũng
ũ
đ
được
xác
á định
đị h
trên nhiều loại vật liệu thực phẩm như táo
(Kaymak-Ertekin and Sultanoglu, 2000),
xoài (Giraldo và các cộng sự , 2003), cà
chua (Bùi và các cộng sự, 2009) ...

Khác biệt nồng độ là thế năng lượng
• Sự khác biệt nồng độ là động lực của sự
di chuyển phân tử,
tử tạo sự chuyển động

vật chất, thay đổi thể tích như vậy nó có
thể phát ra cơng.
• Sự khác biệt nồng độ có thể được dùng
như một nguồn năng lượng để vận hành
những bơm công suất cực nhỏ ổn định,
định áp
dụng trong việc lấy mẫu hay tiêm liên tục
các vật liệu vào các nơi mong muốn.

31


1/13/2010

khác biệt nồng độ sinh năng lượng

Bơm thẩm thấu

32


1/13/2010

Lấy mẫu nhỏ theo thời gian

Chế tạo bơm thẩm thấu

33

1/13/2010

• Sự khác biệt nồng độ muối trong nước biển
và nước sông là một nguồn năng lượng tự
nhiên vô tận có thể lợi dụng để phát năng
lượng.

• Dùng năng lượng nồng độ là một cách để tiết
kiệm năng lượng trong chế biến thực phẩm,
phẩm
đặc biệt là các tiến trình cần năng lượng cao
như tách nước ở dạng hơi trong tiến trình
sấy và tiến trình bốc hơi đang được thế giới
nghiên cứu và ứng dụng.
• Do nước được lấy
ấ ra ở dạng lỏng,
ỏ
năng
lượng cần cho tiến trình này được giảm thiểu
rất đáng kể so với lấy nước ra ở dạng hơi.

34


1/13/2010

• Trong những năm gần đây, giá năng
lượng tăng cao và có khuynh hướng dài
hạn là tăng cao thêm nữa, cơng nghệ chế
biến sử dụng ít năng lượng có một ưu thế

để cạnh tranh so với những tiến trình tách
nước khác.
• Sự khác biệt năng lượng theo các phương
pháp khác để tách 1 kg nước được cho ở
bảng sau (Dalla Rosa và Giroux, 2001)

Tiêu thụ năng lượng (kJ/kg H2O) (Dalla Rosa và Giroux,
2001)

Tiến trình tách nước
Tách nước thNm thấu
Tá h nước
Tách
ớ thNm
thN thấu
thấ +
cơ đặc lại
Sấy bằng khơng khí

20 oC 30 oC
2

40 oC

700

1300

2110 3400

4000

-

-

70 oC

8000 9500

35


1/13/2010

Thẩm thấu ngược
• Thẩm thấu ngược là một tiến trình thẩm thấu ở đó
nước di chuyển theo chiều hướng ngược lại trong
thẩm thấu tự nhiên.
• Khi người ta tác động một ngoại lực bằng cách
dùng bơm để tạo áp suất cao đủ thắng được áp
suất thẩm thấu, nước sẽ di chuyển từ nơi có nồng
độ chất tan cao đến nơi có nồng độ chất tan thấp.
• Tiến trình này có nhiều ứng dụng để cô đặc sữa,
sữa cô
đặc nước trái cây … mà không dùng đến nhiệt độ
cao để bốc hơi. Tiến trình này đảm bảo giữ được
phẩm chất các vật chất nhạy cảm đối với nhiệt độ
cao và tiết kiệm năng lượng.

• Những nơi mà dân cư sống gần biển chỉ
có nước mặn như tàu đánh cá xa bờ,
bờ hải
đảo, cần có nước ngọt để ăn uống và sinh
hoạt, người ta có thể áp dụng kỹ thuật
thẩm thấu ngược để sản xuất nước ngọt
từ nước biển với chi phí năng lượng thấp.
• Tiến trình này đã thực hiện thành công ở
qui mô kỹ nghệ trên đất liền và qui mô nhỏ
trên các con tàu nhỏ đi biển.

36


1/13/2010

• Nhiều tiến trình áp dụng khác dựa vào các
tiế ttrình
tiến
ì h màng
à để lloạii vii sinh
i h vật,
ật loại
l i chất
hất
tan, làm đậm đặc các chất có giá trị trong
nhiều mục đích khác nhau.

37

1/13/2010

Loại màng lọc

• Áp dụng vào tiến trình thấm chất tan và
tách nước thực phẩm
• Do phần lớn các tiến trình chế biến thực
phẩm hầu như có thấm, thốt các chất tan
(muối, đường) chất thêm (polyphosphate,
sulfite, chất bảo quản …), các gia vị và tách
nước. Có rất nhiều nghiên cứu tiến trình
thẩm thấu để chế biến và bảo quản thực
phẩm trong mục đích kéo dài thời gian bảo
quản, bảo vệ những chất có giá trị, cải thiện
tính chất của sản phẩm.

38


1/13/2010

• Dung dịch có áp suất thẩm thấu cao như
đường muối được dùng trong chế biến thực
đường,
phẩm để lấy nước từ tác nguyên liệu thực
phẩm như thịt, cá, trái và rau. Chúng không bị
hạn chế bởi các luật về chất thêm thực phẩm.
• Sự thấm, thốt các chất thêm khác trên thực
phẩm cũng

p
g cần hiểu tốt để sử dụng
ụ g có hiệu
ệ
quả (polyphosphate, citrate, sulfite, SO2, chất
bảo quản …) và quản lý phẩm chất thực phẩm
không vi phạm các qui định và luật thực phẩm
về chất thêm.

• Hiện nay việc sử dụng các loại chất thêm
này
à thường
th ờ
đ
được
là theo
làm
th
ki h nghiệm,
kinh
hiệ
người sử dụng khơng quản lý được tiến
trình sẽ đương nhiên dẫn đến việc sử
dụng không hợp lý vừa hao phí (tốn kém),
vừa vi phạm an tồn thực phẩm.

39