Đề tài phương pháp lọc MEMBRANE

Trường ĐHCN TPCHM Nhóm : 27 Lớp: ĐHTP5LT GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ SINH HỌC TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SỮA ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP LỌC MEMBRANE GVHD: THS. LÊ VĂN NHẤT HOÀI SVTH: NHÓM 27 NGUYỄN THỊ NGOC HẰNG NGUYỄN ĐỨC HẬU 9278921 NGUYỄN ĐỨC HẬU LỮ THỊ BÉ NGỌC LỚP: ĐHTP5LT Hồ Chí Minh, tháng 4, năm 2010 1 Trường ĐHCN TPCHM Nhóm : 27 Lớp: ĐHTP5LT GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài 2 Trường ĐHCN TPCHM Nhóm : 27 Lớp: ĐHTP5LT GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài Mục lục Ch ng 1: Gi i thi uươ ớ ệ 4 Ch ng 2: N i dungươ ộ 6 2.1 m t s v t li u s n xu t membrane.ộ ố ậ ệ ả ấ 6 2.2C s khoa h c c a quá trình phân riêng b ng membraneơ ở ọ ủ ằ 10 2.3 các quá trình phân riêng membrane 15 2.3.1.Quá trình phân riêng gián đ an:ọ 15 2.3.2.Qúa trình phân riêng liên t c:ụ 17 2.4 ánh giá ch t l ng membrane.Đ ấ ượ 19 2.5.Các y u t nh h ng ế ố ả ưở đ n hi u qu quá trình phân riêng b ng membrane:ế ệ ả ằ 21 2.5.1.B n ch t c a membrane:ả ấ ủ 21 2.5.2.B n ch t c a nguyên li u c n phân riêng:ả ấ ủ ệ ầ 23 2.5.3.Các thông s k thu t:ố ỹ ậ 23 2.6.M t s mô hình thi t b membrane:ộ ố ế ị 24 2.6.1Mô hình ng (tubular module)ố 24 2.6.2.Mô hình s i(hollow fiber module):ợ 25 2.6.3.Mô hình b ng/t m (plate module)ả ấ 26 2.6.4.Mô hình cu n xo n (piral- wound module):ộ ắ 27 2.6.5. L a ch n mô hình:ự ọ 29 Ch ng 3: k t lu nươ ế ậ 30 3 Trường ĐHCN TPCHM Nhóm : 27 Lớp: ĐHTP5LT GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài Chương 1: Giới thiệu Từ thập niên 70 của thế kỷ trước, kỹ thuật phân riêng bằng membrane đã bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong công ngệ thực phẩm, đặc biệt trong công nghiệp chế biến sữa. Điểm đặt biệt của ký thuật phân riêng bằng membrane là có khã năng tách các cấu tử có kích thước vô cùng nhỏ trong huyền phù hoặc tách các cấu tử hòa tan có phân tử lượng khác nhau trong dung môi Phương pháp phân riêng bằng membrane cho phép chúng ta tách các cấu tử ra khỏi một hỗn hợp ở mức độ phân tử hoặc ion. Hiện nay quá trình phân riêng bằng membrane bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thực phẩm,công nghệ hóa học, xử lý môi trường… Công nghệ thực phẩm là một trong những lĩnh vực đầu tiên áp dụng các thành tựu khoa học membrane vào thực tiễn sản xuất . Từ những năm 1970, các quá trình phân riêng bằng membrane bắt đầu sử dụng trong ngành công nghệ sữa để thay thế các quá trình phân riêng truyền thống Cơ chế của quá trình phân riêng bằng membrane là dưới tác động của các yếu tố như áp lực, điện trường thì các cấu tử có đường kính nhỏ hơn đường kính mao quản của membrane sẽ đi qua membrane và được gọi là dòng permeate, còn các cấu tử không đi qua membrane được gọi là dòng retentate Trong quá trình phân riêng bằng membrane, các yếu tố ảnh hưởng khả năng phân riêng là thành phần và tính chất của nguyên liệu, cấu trúc và tính chất của membrane, các thông số vận hành và mô hình thực hiện. Tính chất của nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phân riêng. Người ta quan tâm đến các tính chất như tỷ trọng, độ nhớt, thành phần hoá học, tính ưa nước hay kị nước và kích thước của các cấu tử có trong nguyên liệu Dựa vào kích thước của mao quản, người ta chia membrane thành 4 nhóm theo đường kính giảm dần như sau: vi lọc (microfiltration: MF), siêu lọc (ultrafiltration: UF), lọc nano (nanofiltration: NF) và thẩm thấu ngược (reverse osmosis: RO). Kỹ thuật MF thường được ứng dụng để loại bỏ vi sinh vật, kỹ thuật UF dùng để tách các cấu tử có khối lượng phân tử trong khoảng từ 1.000 Da đến trên 100.000 Da, kỹ thuật NF dùng để tách các cấu tử có khối lượng phân tử khoảng 100 Da đến 1.000 Da (các muối đa hóa trị, glucose,…), còn kỹ thuật RO thì dùng để tách các muối đơn hóa trị Lọc (filtration) là một trong những phương pháp phân riêng thườg gặp trong sản xuất thực phẩm. Tiến hành lọc hệ huyền phù, ta sẽ thu được sản phẩm dịch học (filtrate) – chủ yếu là pha lỏng, còn phần lớn là pha rắn sẽ bị giữ lại trên mặt vật ngăn ( màng lọc). Động lực của quá trình lọc có thể là trọng lực hoặc áp suất. Phương pháp phân riêng bằng membrane có một số điểm tương tự như phương pháp lọc. Membrane đóng vai trò vật ngăn để phân riêng các cấu tử.tuy nhiên áp suất là động lực duy nhất trong kỹ thuật phân riêng bằng membrane. Do sự phân riêng được thực hiện ở mức độ phân tử hay ion nên đối tượng của quá trình thường không phải là hệ huyền phù mà là những dung dịch chứa các cấu tử hòa tan có phân tử lượng khác nhau. Kết quả của quá trình phân riêng bằng membrane sẽ cho ta hai dòng sản phẩm: 4 Trường ĐHCN TPCHM Nhóm : 27 Lớp: ĐHTP5LT GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài - Dòng sản phẩm qua membrane được gọi là permeate. - Dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate. Phân riêng bằng phương pháp sử dụng membrane Một điểm khác biệt nữa cần lưu ý là quá trình lọc có thể thực hiên trong điều kiện hở (trong điều kiện áp suất khí quyển), ngược lại quá trình phân riêng bằng membrane bắt buộc phải thực hiện trong thiết bị kín dưới một áp lực nhất định. 5 Trường ĐHCN TPCHM Nhóm : 27 Lớp: ĐHTP5LT GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài Chương 2: Nội dung 2.1 một số vật liệu sản xuất membrane. Membrane có cấu trúc vi xốp. Người ta chia membrane thành hai nhóm theo cấu trúc của chúng : đẳng hướng và bất đẳng hướng. Cấu trúc đẳng hướng : khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử, membrane với cấu trúc đẳng hướng bao gồm một lớp màng duy nhất với độ dày trung bình 0.05÷0.2 µm. Các ống mao dẫn trên membrane có đường kính không đổi, được bố trí song song với nhau và cùng vuông góc với bề mặt membrane. Cấu trúc bất đẳng hướng : membrane được cấu tạo từ hai lớp màng kết dính vào nhau. Lớp trên cùng được gọi lớp bề mặt có độ dày từ 0.1÷0.5 µm. Đường kính các mao dẫn của lớp bề mặt thường rất nhỏ. Lớp bên dưới có độ dày dao động trong khoảng 100÷200 µm. Đường kính các lỗ mao dẫn của lớp này khá lớn. Lớp bên dưới có chức năng làm tăng độ bền cơ học cho membrane. Các membrane có thể được sản xuất từ những vật liệu khác nhau. Trong công nghiệp chế biến sữa, người ta thường sử dụng membrane được làm từ cellulose acetate, các polyamide, polysulfone, ceramic và một số loại polymer khác . Cellulose acetate là polymer của các phân tử β-glucose lien kết với nhau bởi β-1,4glucoside và được acetyl hóa chủ yếu tại vị trí –OH của C2,C3 hoặc C6 vòng hexose. Cellulose acetate được sản xuất bằng phương pháp acetyl hóa cellulose với acetic anhydric, acetic acid và sunfuric acid. Sau phản ứng, nếu có hơn 92.5% gốc hydroxyl-OH tự do trong phân tử cellulose bị acetyl hóa thì sản phẩm thu nhận được gọi là cellulose triacetate. Các sản phẩm triacetate thương mại có độ polymer hóa từ 100÷300, tương đương với phân tử lượng khoảng 25000÷80000. Cellulose Cellulose triacetate Công thức cấu tạo của cellulose và cellulose triacetate 6 Trường ĐHCN TPCHM Nhóm : 27 Lớp: ĐHTP5LT GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài Membrane được sản xuất từ cellulose acetate có ưu điểm là ưa nước, đường kính lỗ mao dẫn có thể dao động một khoảng rất lớn và giá thành thấp. Tuy nhiên, chúng có một số nhược điểm như khoảng nhiệt độ và pH hoạt động khá hẹp (T max ≤35÷40 O C, pH=3÷8), kém bền với các chất tẩy rửa công nghiệp như chlorine và dễ bị phân hủy sinh học. Nhóm polyamide: bao gồm các polyme có lien kết amide (-CONH-) trong phân tử, phổ biến nhất là poly acryamid; nylon X,Y; polyurethane; polybenzimidazole. Polyacryamide Polyurethane 7 Trường ĐHCN TPCHM Nhóm : 27 Lớp: ĐHTP5LT GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài Polybenzimidazple Một số polyamide được sử dụng trong sản xuất membrane Nhìn chung, các membrane polyamide có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng hơn các membrane cellulose triacetate (T max ≤50 O C, pH=3÷11) nhưng lại kém bền hơn với chlorine và trong quá trình sử dụng, dòng permeate dễ bị nghẽn tắc hơn. Nhóm polysulfone: là polymer của các đơn vị diphenylene sunfone với nhóm –SO 2 trong phân tử. Phổ biến nhát là polysulfone (PS), polyphenylenesulfone, polyethersulfone (PSE)… Polysunfone Polyethersulfone 8 Trường ĐHCN TPCHM Nhóm : 27 Lớp: ĐHTP5LT GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài Polyphenylenesulfone Nhóm polysulfone- vật liệu trong sản xuất membrane Membrane polysulfone có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động khá rộng (T max ≤75 O C, pH=1÷13) và bền với chlorine. Tuy nhiên, các vật liệu PS và PES chịu áp lực kém và do tính kỵ nước nên trong quá trình sử dụng , dòng permeate dễ tắc nghẽn. Ceramic: các membrane ceramic được chế tạo theo từng module riêng biệt. Các module thường có hình trụ, bên trong gồm nhiều kênh dạng ống được xếp song song theo suốt chiều cao than trụ của module. Người ta sử dụng ceramic làm membrane và một số vật liệu khác làm chất mang để tạo nên các kênh cho dòng vào, dòng ra retentate và permeate trong module. Các thong số kỹ thuật như chiều cao của module, độ dày lớp màng ceramic, kích thước lỗ mao quản … sẽ được và thiết kế theo yêu cầu của người sử dụng. Membrane từ vật liệu ceramic có rất nhiều ưu điểm: trơ với các hóa chất như acid, kiềm, chlorine, … khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rất rộng (T max ≤350 O C, pH=0.5÷13), do đó ta có thể sử dụng hơi để vô trùng thiết bị. Tuy nhiên, chúng khá dễ vỡ bởi những va chạm cơ học, giá thành cao và đường kính lỗ mao dẫn các membrane ceramic hiện nay không thể nhỏ hơn 10 -2 µm 9 Trường ĐHCN TPCHM Nhóm : 27 Lớp: ĐHTP5LT GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài . Module phân riêng với membrane ceramic. 2.2Cơ sở khoa học của quá trình phân riêng bằng membrane Membrane thường có độ dày rất nhỏ so với các màng lọc thông thường, dộ dày tối đa của membrane chỉ lên đến vài trăm µm. Đường kính các lỗ mao dẫn trên membrane cũng rất nhỏ từ 10 -4 µm đến 10 µm. Do đó các cấu tử rắn và các phân tử kích thước lớn khó có thể chui qua được membrane. Dưới áp lực của dòng vào, chúng sẽ bị cuốn đi và thoát ra khỏi hệ thống tạo nên dòng retentate. Cơ chế của quá trình phân riêng bằng membrane là dưới tác động của các yếu tố như áp lực, điện trường thì các cấu tử có đường kính nhỏ hơn đường kính mao quản của membrane sẽ đi qua membrane và được gọi là dòng permeate, còn các cấu tử không đi qua membrane được gọi là dòng retentate Hiện any, kỹ thuật phân riêng bằng membrane rất đa dạng và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô sản xuất công nghiệp. Bảng các quá trình phân riêng bằng membrane STT Qúa trình Động lực Sản phẩm retentate Sản phẩm permeate 1 Thẩm thấu (osmosis) Thế năng hóa học Nước, chất tan Nước, phân tử nhỏ 2 Vi lọc (microfiltrat ion) Áp lực Nước, cấu tử lơ lửng Nước, chất tan 3 Siêu lọc (ultrafilltrati Áp lực Nước, phân tử lớn Nước, phân tử nhỏ 10 [...]... Lactose MF NF Lọc truyền thống UF RO Phương pháp phân riêng Hình : Thành phần hóa học của sữa và khả năng ứng dụng phương pháp phân riêng bằng membrane trong công nghiệp chế biến sữa Tùy thuộc vào nguyên liệu là sữa tươi hay huyết thanh sữa và mục đích phân riêng, chúng ta sẽ chọn membrane và phương pháp phân riêng thích hợp 2.3 các quá trình phân riêng membrane Quá trình phân riêng membrane có thể... bằng membrane đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thực phẩm, đặc biệt trong công nghiệp chế biến sữa Trong công nghiệp chế biến sữa, có bốn quá trình được sử dụng: vi lọc (microfiltration-MF), siêu lọc (ultrafilltration- UF), Lọc nano (nanofilltration-NF) và thẩm thấu ngược (reverse osmosis - RO) Mang đến hiệu quả cao và tiện lợi trong bài tiểu luận này chúng em giới thiệu về phương pháp lọc membrane. .. TPCHM Lớp: ĐHTP5LT Nhóm : 27 GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài Siêu lọc là một quá trình phân đoạn có chọn lọc bằng cách sử dụng áp lực lên đến 145 psi (10 bar) Siêu lọc được sử dụng rộng rãi trong quá trình làm sữa và sữa gầy Nó tập trung chất rắn lơ lửng và chất tan có trọng lượng phân tử lớn hơn 1.000 - Màng lọc vi sinh (Microfiltration Membrane ) Lọc vi sinh là quá trình mà dòng nước sẽ được chảy qua màng... tử Nước, phân tử nhỏ membrane Áp lực không bay hơi dễ bay hơi (pervaporati on) Lọc nano (nanofilltration) Trong công nghiệp chế biến sữa, chỉ có bốn quá trình được sử dụng: vi lọc (microfiltration-MF), siêu lọc (ultrafilltration- UF), Lọc nano (nanofilltration-NF) và thẩm thấu ngược (reverse osmosis - RO) 11 Trường ĐHCN TPCHM Lớp: ĐHTP5LT Nhóm : 27 GVHD:Ths.Lê Văn Nhất Hoài - Màng lọc thẩm thấu ngược... phần hóa học của membrane, từ đó dẫn đến hiện tượng nghẹt các lỗ mao dẫn và làm giảm khả năng phân riêng của toàn hệ thống Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình phân riêng bằng membrane bao gồm : tính chất của membrane sử dụng, bản chất của nguyên liệu cần phân riêng và các thong số kỹ thuật của quá trình như nhiệt độ, áp suất… 2.5.1.Bản chất của membrane: -Vật liệu membrane: membrane có thể được... ) Lọc Nano được chọn khi Thẩm thấu ngược và siêu lọc không phải là sự lựa chọn chính xác cho quá trình phân ly các chất Kỹ thuật này có thể thực hiện các ứng dụng tách, loại bỏ và khử mặn, có khả năng lọc các phân tử nước ra khỏi dung môi và nhiên liệu sinh học Đây là một giải pháp tiết kiệm năng lượng rất hiệu quả để thay thế cho các kỹ thuật chưng cất hiện tại - Màng siêu lọc UF (Ultrafiltration Membrane. .. trong membrane dễ xảy ra Một số vi sinh vật được hấp thụ trong membrane sẽ phát triển dễ làm hư hỏng sản phẩm 2.4 Đánh giá chất lượng membrane Để đánh giá chất lượng các membrane sử dụng trong công nghiệp, ngưới ta thường dựa vào những chỉ tiêu và tính chất dưới đây: -đường kính lỗ mao dẫn -Mật độ mao dẫn: tỷ lệ phần trăm giữa tổng diện tích mặt cắt các ống mao dẫn trên toàn bộ diện tích bề mặt membrane. .. bị đông tụ và sự tắc nghẽn membrane trong quá trình phân riêng dễ xảy ra Như vậy, chúng ta nên chọn giá trị pH cho mẫu cần phân riêng lệch xa điểm đẳng điện các protein có trong mẫu Phương pháp chỉnh pH cũng là nột vấn đề cần quan tâm Xét trường hợp mẫu huyết thanh sữa từ quy trình sản xuất phomai Cheddar Do lượng calci trong huyết thanh sữa khá cao, hiện tượng tắc nghẽn membrane xuất hiện sớm, đặc... tử lượng (kích thước cấu tử) và độ phân riêng của membrane Thông thường người ta sẽ chọn giá trị phân tử lượng của nhóm cấu tử có độ phân riêng 90% làm đại diện để thông báo về đường kính lỗ mao dẫn membrane cho nhà sử dụng Các cấu tử chuẩn hiện nay rất đa dạng, Những nhà sản xuất membrane chưa thống nhất với nhau trong việc chọc cấu tử chuẩn và phương pháp xác định độ phân riêng Do đó có thể xảy ra... các ống mao dẫn và thể tích membrane -Khả năng chịu nhiệt -Khả năng chịu dung môi -Độ bền sinh học -Độ vô trùng -Độ dày -Độ tro: hàm lượng tro tính theo phần trăm so với tổng khối lượng chất khô trong membrane -Tính ưa nước/ kỵ nước -Độ chiết: tỷ lệ phần trăm giữa hàm lượng chất chiết được so với tổng lượng chất khô trong membrane Độ chiết thể hiện mức độ tinh sạch của membrane -Khả năng phân riêng . trên mặt vật ngăn ( màng lọc) . Động lực của quá trình lọc có thể là trọng lực hoặc áp suất. Phương pháp phân riêng bằng membrane có một số điểm tương tự như phương pháp lọc. Membrane đóng vai trò. Nhất Hoài KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ SINH HỌC TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SỮA ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP LỌC MEMBRANE GVHD: THS. LÊ VĂN NHẤT HOÀI SVTH: NHÓM 27 NGUYỄN THỊ NGOC HẰNG NGUYỄN ĐỨC HẬU. thanh sữa Vitamine Lactose Phương pháp phân riêng MF NF Lọc truyền thống UF RO Hình : Thành phần hóa học của sữa và khả năng ứng dụng phương pháp phân riêng bằng membrane trong công nghiệp chế