A Giới thiệu chung: 1. Định nghĩa chung về membrane bioreactors Membrane bioreactor là một hệ thống kết hợp giữa thiết bị lên men và thiết bị membrane với hai chức năng chính: Thực hiện quá trình sinh học tạo sinh khối và các chất trao đổi Thực hiện quá trình phân tách vi sinh vật từ canh trường lên men, từ đó thu nhận sản phẩm con người mong muốn. 2. Hiệu quả của MBRs: Quá trình được thực hiện trong điều kiện ôn hòa, kỹ thuật thân thiện với môi trường. Hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm cao. Sản phẩm thấm qua membrane một cách có chọn lọc, sản phẩm phụ được hạn chế. Việc cố định vi sinh vật trên membrane khá tương đồng với vi sinh vật cố định trong tự nhiên, nên chúng dễ dàng phát huy tối đa hoạt tính trong vai trò chuyển hóa cơ chất thành sản phẩm. Trong MBRs xuất hiện dòng đối lưu, giúp tăng tốc độ chuyển khối cũng như tốc độ phản ứng sinh học. Quá trình tối ưu hóa, cơ giới hóa, tự động hóa cao. Tiết kiệm lao động, chi phí năng lượng thấp, thời gian rút ngắn. Năng suất hoạt động của thiết bị được nâng cao. Các quá trình thu nhận và tinh sạch sản phẩm được tiến hành dễ dàng, độ tinh sạch và chất lượng sản phẩm được cải thiện. Tránh tổn thất xúc tác sinh học và ổn định lưu lượng trong quá trình, nên làm giảm đáng kể tổng chi phí vận hành thiết bị. 3. Nhược điểm MBRs: Bên cạnh những ưu điểm thì MBRs có một số nhược điểm như sau: Hệ thống khá phức tạp, chi phí đầu tư thiết bị cao. Tốn kém trong việc khắc phục các hiện tượng về màng: sự tắc nghẽn và tập trung nồng độ, cũng như các hiện tượng khác trong quá trình vận hành. 4. Phạm vi ứng dụng MBRs: MBRs được ứng dụng trong các lĩnh vực như: thực phẩm, dược phẩm, sinh học và xử lý môi trường. a. Trong công nghệ thực phẩm: MBRs được sử dụng phổ biến trong công nghệ lên men cồn, thủy phân tinh bột, sản xuất acid hữu cơ, acid amin, các chế phẩm enzym, vitamin… Chẳng hạn như Zhang Zhongze (1991) đã nghiên cứu mô hình MBR với membrane được bọc bên ngoài lớp vật liệu hoạt tính (như diatomite, than hoạt tính, bột xơ đay) đối với sản phẩm có chứa alcohol. Mô hình này giúp quá trình lên men chính thực hiện dễ dàng, rút ngắn được khoảng 20% thời gian lên men, làm tăng 3040% hàm lượng sản phẩm cũng như tiết kiệm năng lượng. Rios et al (2000) đã áp dụng MBR hoạt động liên tục có hồi lưu để thủy phân tinh bột sản xuất syrup đường với hàm lượng dextrose cao. M A Mehaia và M Cheryan (1990) đã đề xuất mô hình membrane bioreactor lên men tĩnh có hồi lưu, với module sợi rỗng làm từ polysulfone để sản xuất ethanol từ whey permeate bằng Saccharomyces cerevisiae. Một số ứng dụng khác như: Sản xuất acetonebuthanolethanol (ABE) bằng Clostridium acetobutylicum (Minier et al. 1984; Pierrot et al. 1986), chuyển hóa Dsorbitol thành Lsorbose bởi Gluconobacter oxydans và chuyển hóa glucose thành 2ketogluconic acid bởi Serratia marcescens (Bull và Young 1981), sản phẩm acid citric từ glucose bằng nấm men Candida (Enziminger và Asenjo 1986; Rane và Sims 1995)… b. Trong ngành dược phẩm và y sinh: MBRs đã đem lại hiệu quả cao trong sản xuất penicillin, một loại thuốc khánh sinh có giá trị, hữu ích cho con người. Rất nhiều nghiên cứu đã đề cập đến vấn đề này Yaun et al (1990) đã thiết kế mô hình MBR mới có cố định tế bào để sản xuất 6aminopencillanic acid (6APA), với membrane sợi rỗng bằng polysulfone hay membrane phẳng – có tỷ lệ thể tích vùng bề mặt lớn, kết quả là làm tăng hàm lượng và độ tinh khiết của sản phẩm so với quá trình truyền thống. Giordano et al (2002) đã tính toán thiết bị MBR ceramic để nuôi cấy Penicillium chrysogenum cố định vùng bề mặt phía trên membrane sợi rỗng. Để tăng hiệu suất quá trình lên men, môi trường nuôi cấy được pha loãng ở giai đoạn sinh tổng hợp penicillin (trophophase). Việc thống nhất điều kiện ban đầu là quan trọng để xử lý hệ thống phương trình vi phân đại số, hữu ích cho việc đánh giá bioreactor, cũng như có thể xem xét trên phạm vi lớn, từ đó thiết kế được những kiểu bioreactor mới để ngày càng phát triển và hoàn thiện sản phẩm. Ngoài ra, MBR còn được sử dụng thành công trong sản xuất những loại hợp chất y học khác (như là cyclodextrins, microbial alginate, glycerol, monoglycerides, formaldehyde…) Không những vậy, trong lĩnh vực y sinh, MBR cũng đóng vai trò khá quan trọng. Điển hình là Yazaki và cộng sự (2001) đã tạo ra kháng nguyên anticarcinoembryonic diabody và minibody trên lâm sàng bằng cách sử dụng bioreactor membrane sợi rỗng. c. Đối với môi trường: MBR được ứng dụng rất sớm và rất thành công, trong xử lý khí thải và nước thải công nghiệp. Lu et al. (1999) đã dùng đĩa xoay module UF kết hợp với bioreactor hiếu khí lên men cường độ mạnh để xử lý nước thải. MBR có thể làm việc liên tục suốt 130 ngày. Peretti et al. (1999) đã báo cáo việc xử lý dòng khí thải có chứa VOCs, hệ thống MBR sử dụng có thể chịu được sự biến đổi không rõ ràng của nồng độ chất ô nhiễm. VOC trong dòng khí thải được tách bởi pha dung môi oleic bằng việc sử dụng membrane xốp bó sợi rỗng kỵ nước tạo điều kiện tiếp xúc giữa pha khí và pha dung môi. Chất ô nhiễm và bùn sinh học sẽ được phân tách với pha nước và oleic, từ đó dòng khí sạch được thải ra ngoài. B Membrane bioreactors trong công nghệ thực phẩm: Cấu tạo thiết bị MBRs khá đa dạng, do bản chất của nó là hệ thống hoạt động dựa trên nhiều chức năng của nhiều thiết bị trong hệ thống đó, cụ thể ở đây là sự kết hợp giữa thiết bị lên men và membrane. B.1 Sơ lược bioreactor và membrane: 1. Thiết bị lên men: Thiết bị lên men là thiết bị dùng nuôi cấy vi sinh vật nhằm thu nhận sản phẩm trao đổi chất hay thực hiện chuyển hóa có lợi cho con người. Trong sản xuất công nghiệp hiện nay, thiết bị lên men thường hình trụ gồm các bộ phận chính: Hệ thống đường ống dẫn khí bên trong (có thể là oxy, không khí, nitơ…) Lớp vỏ áo bao quanh thân hay hệ thống đường ống bên trong thiết bị để điều nhiệt Cánh khuấy Nhiều cảm biến (như đầu dò pH, nhiệt độ, chất phá bọt, mực chất lỏng…) được nối với hệ thống điều khiển. Hình 1.1. Thiết bị lên men sử dụng quy mô công nghiệp Thiết bị lên men rất đa dạng. Dựa vào hoạt động của cánh khuấy trong bình lên men, ta có thể phân ra làm 3 loại chính: khuấy cơ học, khuấy bằng khí nén và không có cánh khuấy. Thiết bị khuấy bằng cơ học có thể là thùng quay, xoáy vi lọc, hay cánh khuấy thông gió. Thiết bị khuấy bằng khí nén có thể là dựa vào hơi nước hay áp lực khí. Thiết bị này thường gồm có bình chứa đựng chất lỏng, có gắn những lỗ thông cho hơi nước đi qua, làm sao để cung cấp đủ lượng oxy hòa tan cho sinh khối. Nhờ có cánh khuấy và dưới tác dụng sức đẩy của cánh quạt hay mái chèo, sinh khối và môi trường được hòa trộn đều, không cục bộ, nhờ đó hiệu suất của quá trình lên men cao. Tuy nhiên, nếu cánh khuấy hoạt động quá mạnh hay lực trộn và cào mạnh có thể làm hư canh trường, ảnh hưởng đến hoạt tính vi sinh vật. Ví dụ như trong trường hợp sử dụng nấm mốc, cánh khuấy có thể làm gãy sợi nấm. 2. Membrane: Membrane là màng đóng vai trò vật ngăn để phân riêng các cấu tử. Động lực trong kỹ thuật phân riêng bằng membrane là áp suất. Kết quả của quá trình phân riêng bằng membrane sẽ cho ta hai dòng sản phầm: Dòng sản phẩm qua membrane được gọi là permeate Dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate. Cấu trúc membrane: Membrane thường có độ dày rất nhỏ, tối đa chỉ lên đến vài trăm μm. Đường kính các lỗ mao dẫn trên membrane cũng rất nhỏ, từ 104 đến10 μm. Membrane có cấu trúc vi xốp. Theo cấu trúc, người ta chia membrane thành 2 nhóm: Cấu trúc đẳng hướng: gồm 1 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. Membrane vi xốp được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau như ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loại hoặc các loại polymer. Membrane vi xốp thường được chế tạo bằng một số kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo pha… Hình 1.2. Cấu trúc membrane vi xốp đẳng hướng Cấu trúc bất đẳng hướng: được cấu tạo từ hai lớp màng kết dính nhau. Lớp trên gọi là lớp bề mặt có độ dày từ 0.10.5 μm. Đường kính các mao dẫn của lớp bề mặt thường rất nhỏ. Lớp bên dưới có độ dày dao động trong khoảng 100200 μm với chứ năng làm tăng độ bền cơ học cho membrane. 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, nên loại này thường đóng vai trò là khung đỡ. Hình 1.3. Cấu trúc membrane vi xốp bất đẳng hướng Theo W. Zhang và cộng sự 1998, cấu trúc membrane ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động MBRs. Qua khảo sát, ông đã kết luận rằng membrane bất đẳng hướng gây ra hiện tượng tắc nghẽn màng nghiêm trọng hơn so với membrane đẳng hướng. Cấu tạo membrane Membrane có thể được cấu tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau. Trong lĩnh vực thực phẩm, người ta thường sử dụng membrane được làm từ cellulose acetat, các polyamide, polysulfone, ceramic và một số loại polymer khác. 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 (Tmax ≤ 35400C; pH = 38), kém bền với các chất tẩy rửa công nghiệp như chlorine và dễ bị phân hủy sinh học. Membrane polyamide nhìn chung có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng hơn các membrane cellulose triacetat (Tmax ≤ 500C; pH = 311) nhưng lại kém bền hơn với chlorine và trong quá trình vận hành, dòng permeate dễ bị tắc nghẽn hơn. Membrane polysulfone có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động khá rộng (Tmax ≤750C; pH = 113) và bền với chlorine. Tuy nhiên, các vật liệu PS và PES chịu áp lực kém và do có tính kỵ nước nên trong vận hành, dòng permeate dễ bị tắc nghẽn. 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 thân 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 dòng permeat trong module. Các thông số kỹ thuật như chiều cao của module, độ dày lớp màng ceramic, kích thước lỗ mao dẫn… sẽ được tính toán theo yêu cầu người sử dụng Membrane ceramic có rất nhiều ưu điểm như trơ với các hóa chất như acid, kiềm, chlorine… Khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rất rộng (Tmax≤3500C; pH = 0.513), 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 102 μm.
Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTORs (MBRs) A- Giới thiệu chung: Định nghĩa chung membrane bioreactors Membrane bioreactor hệ thống kết hợp thiết bị lên men thiết bị membrane với hai chức chính: − Thực trình sinh học tạo sinh khối chất trao đổi − Thực trình phân tách vi sinh vật từ canh trường lên men, từ thu nhận sản phẩm người mong muốn Hiệu MBRs: − Quá trình thực điều kiện ơn hòa, kỹ thuật thân thiện với mơi trường − Hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm cao Sản phẩm thấm qua membrane cách có chọn lọc, sản phẩm phụ hạn chế − Việc cố định vi sinh vật membrane tương đồng với vi sinh vật cố định tự nhiên, nên chúng dễ dàng phát huy tối đa hoạt tính vai trò chủn hóa chất thành sản phẩm − Trong MBRs xuất dòng đối lưu, giúp tăng tốc độ chuyển khối tốc độ phản ứng sinh học − Quá trình tối ưu hóa, giới hóa, tự động hóa cao − Tiết kiệm lao động, chi phí lượng thấp, thời gian rút ngắn − Năng suất hoạt động thiết bị nâng cao − Các trình thu nhận tinh sản phẩm tiến hành dễ dàng, độ tinh chất lượng sản phẩm cải thiện − Tránh tổn thất xúc tác sinh học ổn định lưu lượng trình, nên làm giảm đáng kể tổng chi phí vận hành thiết bị Nhược điểm MBRs: Bên cạnh ưu điểm MBRs có số nhược điểm sau: − Hệ thống phức tạp, chi phí đầu tư thiết bị cao − Tốn việc khắc phục tượng màng: tắc nghẽn tập trung nồng độ, tượng khác trình vận hành Phạm vi ứng dụng MBRs: MBRs ứng dụng lĩnh vực như: thực phẩm, dược phẩm, sinh học xử lý môi trường a Trong công nghệ thực phẩm: MBRs sử dụng phổ biến công nghệ lên men cồn, thủy phân tinh bột, sản xuất acid hữu cơ, acid amin, chế phẩm enzym, vitamin… Chẳng hạn Zhang Zhongze (1991) nghiên cứu mơ hình MBR với membrane bọc bên ngồi lớp vật liệu hoạt tính (như diatomite, than hoạt tính, bột xơ đay) sản phẩm có chứa alcohol Mơ hình giúp q trình lên men thực dễ dàng, rút ngắn khoảng 20% thời gian lên men, làm tăng 30-40% hàm lượng sản phẩm tiết kiệm lượng ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR Rios et al (2000) áp dụng MBR hoạt động liên tục có hời lưu để thủy phân tinh bột sản xuất syrup đường với hàm lượng dextrose cao M A Mehaia M Cheryan (1990) đề xuất mô hình membrane bioreactor lên men tĩnh có hời lưu, với module sợi rỗng làm từ polysulfone để sản xuất ethanol từ whey permeate Saccharomyces cerevisiae Một số ứng dụng khác như: Sản xuất acetone-buthanol-ethanol (ABE) Clostridium acetobutylicum (Minier et al 1984; Pierrot et al 1986), chuyển hóa Dsorbitol thành L-sorbose bởi Gluconobacter oxydans chuyển hóa glucose thành 2-ketogluconic acid bởi Serratia marcescens (Bull Young 1981), sản phẩm acid citric từ glucose nấm men Candida (Enziminger Asenjo 1986; Rane Sims 1995)… b Trong ngành dược phẩm y sinh: - MBRs đem lại hiệu cao sản xuất penicillin, loại thuốc khánh sinh có giá trị, hữu ích cho người Rất nhiều nghiên cứu đề cập đến vấn đề Yaun et al (1990) thiết kế mơ hình MBR có cố định tế bào để sản xuất 6amino-pencillanic acid (6-APA), với membrane sợi rỗng polysulfone hay membrane phẳng – có tỷ lệ thể tích vùng bề mặt lớn, kết làm tăng hàm lượng độ tinh khiết sản phẩm so với trình truyền thống Giordano et al (2002) tính tốn thiết bị MBR ceramic để ni cấy Penicillium chrysogenum cố định vùng bề mặt phía membrane sợi rỗng Để tăng hiệu suất q trình lên men, mơi trường ni cấy pha lỗng ở giai đoạn sinh tổng hợp penicillin (trophophase) Việc thống điều kiện ban đầu quan trọng để xử lý hệ thống phương trình vi phân đại số, hữu ích cho việc đánh giá bioreactor, có thể xem xét phạm vi lớn, từ thiết kế kiểu bioreactor để ngày phát triển hoàn thiện sản phẩm - Ngồi ra, MBR sử dụng thành công sản xuất loại hợp chất y học khác (như cyclodextrins, microbial alginate, glycerol, monoglycerides, formaldehyde…) - Không vậy, lĩnh vực y sinh, MBR đóng vai trò quan trọng Điển hình Yazaki cộng (2001) tạo kháng nguyên anticarcinoembryonic diabody minibody lâm sàng cách sử dụng bioreactor membrane sợi rỗng c Đối với môi trường: MBR ứng dụng sớm thành công, xử lý khí thải nước thải cơng nghiệp Lu et al (1999) dùng đĩa xoay module UF kết hợp với bioreactor hiếu khí lên men cường độ mạnh để xử lý nước thải MBR có thể làm việc liên tục suốt 130 ngày Peretti et al (1999) báo cáo việc xử lý dòng khí thải có chứa VOCs, hệ thống MBR sử dụng có thể chịu biến đổi không rõ ràng nồng độ chất nhiễm VOC dòng khí thải tách bởi pha dung môi oleic việc sử dụng membrane xốp bó sợi rỗng kỵ nước tạo điều kiện tiếp xúc pha khí pha dung mơi Chất ô nhiễm bùn sinh học phân tách với pha nước oleic, từ dòng khí thải ngồi ĐỜ ÁN MƠN HỌC Chương 1: TỞNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR B- Membrane bioreactors cơng nghệ thực phẩm: Cấu tạo thiết bị MBRs đa dạng, chất hệ thống hoạt động dựa nhiều chức nhiều thiết bị hệ thống đó, cụ thể ở kết hợp thiết bị lên men membrane B.1/ Sơ lược bioreactor và membrane: Thiết bị lên men: Thiết bị lên men thiết bị dùng nuôi cấy vi sinh vật nhằm thu nhận sản phẩm trao đổi chất hay thực chuyển hóa có lợi cho người Trong sản xuất công nghiệp nay, thiết bị lên men thường hình trụ gờm phận chính: − Hệ thống đường ống dẫn khí bên (có thể oxy, khơng khí, nitơ…) − Lớp vỏ áo bao quanh thân hay hệ thống đường ống bên thiết bị để điều nhiệt − Cánh khuấy − Nhiều cảm biến (như đầu dò pH, nhiệt độ, chất phá bọt, mực chất lỏng…) nối với hệ thống điều khiển Hình 1.1 Thiết bị lên men sử dụng quy mơ cơng nghiệp ĐỜ ÁN MƠN HỌC Chương 1: TỞNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR Thiết bị lên men đa dạng Dựa vào hoạt động cánh khuấy bình lên men, ta có thể phân làm loại chính: khuấy học, khuấy khí nén khơng có cánh khuấy − Thiết bị khuấy học có thể thùng quay, xốy vi lọc, hay cánh khuấy thơng gió − Thiết bị khuấy khí nén có thể dựa vào nước hay áp lực khí Thiết bị thường gờm có bình chứa đựng chất lỏng, có gắn lỗ thơng cho nước qua, để cung cấp đủ lượng oxy hòa tan cho sinh khối Nhờ có cánh khuấy tác dụng sức đẩy cánh quạt hay mái chèo, sinh khối mơi trường hòa trộn đều, khơng cục bộ, nhờ hiệu suất q trình lên men cao Tuy nhiên, cánh khuấy hoạt động mạnh hay lực trộn cào mạnh có thể làm hư canh trường, ảnh hưởng đến hoạt tính vi sinh vật Ví dụ trường hợp sử dụng nấm mốc, cánh khuấy có thể làm gãy sợi nấm Membrane: Membrane màng đóng vai trò vật ngăn để phân riêng cấu tử Động lực kỹ thuật phân riêng membrane áp suất Kết trình phân riêng membrane cho ta hai dòng sản phầm: − Dòng sản phẩm qua membrane gọi permeate − Dòng sản phẩm khơng qua membrane gọi retentate Cấu trúc membrane: Membrane thường có độ dày nhỏ, tối đa chỉ lên đến vài trăm μm Đường kính lỗ mao dẫn membrane nhỏ, từ 10-4 đến10 μm Membrane có cấu trúc vi xốp Theo cấu trúc, người ta chia membrane thành nhóm: − Cấu trúc đẳng hướng: gồm lớp màng với độ dày trung bình 0.05 – 0.2 μm Các ống mao dẫn membrane có đường kính khơng đổi, bố trí song song với vng góc với bề mặt membrane Membrane vi xốp chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loại loại polymer Membrane vi xốp thường chế tạo số kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo pha… Hình 1.2 Cấu trúc membrane vi xốp đẳng hướng − Cấu trúc bất đẳng hướng: cấu tạo từ hai lớp màng kết dính Lớp gọi lớp bề mặt có độ dày từ 0.1-0.5 μm Đường kính mao dẫn lớp bề mặt thường nhỏ Lớp bên có độ dày dao động khoảng 100-200 μm với làm tăng độ bền học cho membrane Đường kính lỗ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR mao dẫn lớp lớn Lớp bên có chức làm tăng độ bền học cho membrane, nên loại thường đóng vai trò khung đỡ Hình 1.3 Cấu trúc membrane vi xốp bất đẳng hướng Theo W Zhang cộng 1998, cấu trúc membrane ảnh hưởng lớn đến trình hoạt động MBRs Qua khảo sát, ơng kết luận membrane bất đẳng hướng gây tượng tắc nghẽn màng nghiêm trọng so với membrane đẳng hướng Cấu tạo membrane Membrane có thể cấu tạo từ nhiều loại vật liệu khác Trong lĩnh vực thực phẩm, người ta thường sử dụng membrane làm từ cellulose acetat, polyamide, polysulfone, ceramic số loại polymer khác Membrane sản xuất từ cellulose acetate có ưu điểm ưa nước, đường kính lỗ mao dẫn có thể dao động khoảng lớn giá thành thấp Tuy nhiên, chúng có số nhược điểm khoảng nhiệt độ pH hoạt động hẹp (Tmax ≤ 35-400C; pH = 3-8), bền với chất tẩy rửa công nghiệp chlorine dễ bị phân hủy sinh học Membrane polyamide nhìn chung có khoảng nhiệt độ pH hoạt động rộng membrane cellulose triacetat (Tmax ≤ 500C; pH = 3-11) lại bền với chlorine q trình vận hành, dòng permeate dễ bị tắc nghẽn Membrane polysulfone có khoảng nhiệt độ pH hoạt động rộng (T max ≤750C; pH = 1-13) bền với chlorine Tuy nhiên, vật liệu PS PES chịu áp lực có tính kỵ nước nên vận hành, dòng permeate dễ bị tắc nghẽn Các membrane ceramic chế tạo theo module riêng biệt Các module thường có hình trụ, bên gồm nhiều kênh dạng ống xếp song song theo suốt chiều cao thân trụ module Người ta sử dụng ceramic làm membrane số vật liệu khác làm chất mang để tạo nên kênh cho dòng vào, dòng retentate, dòng permeat module Các thông số kỹ thuật chiều cao module, độ dày lớp màng ceramic, kích thước lỗ mao dẫn… tính tốn theo u cầu người sử dụng Membrane ceramic có nhiều ưu điểm trơ với hóa chất acid, kiềm, chlorine… Khoảng nhiệt độ pH hoạt động rộng (T max≤3500C; ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR pH = 0.5-13), ta có thể sử dụng để vô trùng thiết bị Tuy nhiên, chúng dễ vỡ bởi va chạm học, giá thành cao đường kính lỗ mao dẫn membrane ceramic không thể nhỏ 10-2 μm B.2/ Ứng dụng thiết bị membrane vào hệ thống MBRs: Con đường hình thành: Theo phương pháp lên men truyền thống, trình lên men thường thực bồn lên men tĩnh (batch fermentors), đơn giản ức chế sản phẩm sinh hoạt tính giống vi sinh vật mãnh liệt, kết làm cho nồng độ sản phẩm thấp Chẳng hạn sản xuất ethanol bởi nấm men, tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm cồn mức 6% ethanol sinh chỉ đạt ½ so với mức chưa có ethanol sinh ra, ở mức 12% chỉ 1% so với lúc ethanol chưa sinh ra, kết tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm lên men thấp thiết bị lên men tĩnh truyền thống (tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm đo bởi tổng khối lượng sản phẩm đơn vị thể tích đơn vị thời gian - g/L.h) Vì thế, người ta đề biện pháp nhằm cải thiện hệ thống lên men, cụ thể đưa mơ hình CSTR (continuous stirred tank reactors – thiết bị lên men liên tục có cánh khuấy): − − − − Sử dụng trình liên tục thay thực lên men tĩnh Vận hành ở tốc độ pha loãng cao Mật độ tế bào cao thời điểm Liên tục tháo sản phẩm cuối để tránh ức chế Nhờ đó, việc điều khiển q trình tốt hơn, cải thiện hiệu suất lên men Tuy nhiên, mơ hình vẫn có nhược điểm tốc độ pha lỗng khơng thể lớn tốc độ sinh trưởng cực đại tế bào, không tế bào bị rửa trôi Hồi lưu tế bào giúp tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm cao Và ly tâm hiệu cho trình phân tách vi sinh vật, chi phí đầu tư, vận hành bảo trì cao Sử dụng membrane bán thấm đời từ sớm vào năm 1896, Metchnikoff et al nỗ lực chỉ tồn độc tố cholera canh trường nuôi cấy Cholera vibrios collodion sac Gerhardt cộng thực vài thí nghiệm hệ thống thẩm tách cho nhiều ứng dụng khác Họ chỉ việc tháo bỏ liên tục sản phẩm trao đổi chất cho kết tốt trình lên men Tuy nhiên thẩm tách khơng khả thi ở quy mơ cơng nghiệp, tốc độ phản ứng bị giới hạn bởi tốc độ chất sản phẩm có thể khuếch tán qua màng Sử dụng động lực áp suất MF hay UF hiệu (Michaels 1968) Budd Okey 1969 lần ứng dụng mơ hình hời lưu tế bào với membrane để xử lý nước thải Và chú ý sản xuất ethanol acid lactic Trường hợp sản xuất ethanol bởi nấm men Kluyveromyces fragilis, nồng độ tế bào đạt 90g/L tối ưu Sản xuất acid lactic Lactobacillus sp yêu cầu khoảng 60 g/L Nhiều nghiên cứu cho thấy hiệu phối hợp membrane vào trình lên men, sản xuất acid acetic từ glucose bởi vi khuẩn Clostridium thermoaceticum điều kiện kỵ khí (Parekh Cheryan 1994), kết tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm gấp 10 lần so với trình lên men tĩnh Sản xuất giấm điều kiện hiếu khí từ ethanol Acetobacter aceti, trường hợp đạt tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm 8g/L.h (Reed Bogdam 1986), trường hợp khác hiệu suất đạt 12.6 g/L.h – gấp 4.6 lần so với lên men tĩnh (Park et al 1989) ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR Tóm lại, hệ thống MBRs kết tốt để làm tăng nồng độ sinh khối tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm trình lên men Các loại mơ hình membrane MBRs: Vì mục đích sử dụng membrane phân tách vi sinh vật thu nhận sản phẩm nên MBRs, thường người ta sử dụng membrane vi lọc (microfiltration – MF), có số trường hợp sử dụng membrane loại siêu lọc (ultrafiltration – UF) Thiết bị membrane hệ thống MBRs phổ biến với mơ hình sau: thiết bị dạng ống, dạng bảng, dạng sợi dạng xoắn a Mơ hình ống Thiết bị membrane có dạng hình trụ, bên chứa nhiều ống trụ nhỏ đặt song song Mỗi ống trụ nhỏ thường cấu tạo thép khơng rỉ, có đường kính dao động từ 12.5-75mm, chiều dài khoảng 0.6-6.4m đục lỗ nhỏ thân Các membrane có dạnghình trụ lồng ép sát thành ống trụ nhỏ Hỗn hợp sau lên men canh trường bơm vào từ đầu thiết bị phân phối vào bên ống trụ nhỏ Dòng retentate tiếp tục hết theo chiều dài ống trụ nhỏ thoát ở đầu bên thiết bị rồi hồi lưu thiết bị lên men (nếu có) Dòng permeate chui qua mao dẫn membrane bên ngồi ống trụ nhỏ, sau tập trung theo cửa chung nằm phía thân thiết bị Hình 1.4 Thiết bị membrane – mô hình ống Bên thiết bị membrane có thể chia thành nhiều khoang, khoang gồm số ống trụ nhỏ song song nằm cạnh Đầu tiên hỗn hợp sau lên men (canh trường) bơm vào khoang thiết bị Dòng retentate khỏi khoang tiếp vào khoang thứ hai, dòng retentate từ khoang thứ hai tiếp vào khoang thứ ba tiếp tục… Như dòng retentate từ khoang cuối có nờng độ đạt giá trị yêu cầu ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR Hình 1.5 Thiết bị membrane – mơ hình ớng Mơ hình ống có ưu điểm tạo dòng chảy rối q trình vận hành; đơn giản vệ sinh, thay membrane sử dụng bảo trì thiết bị Tuy nhiên, thiết bị cờng kềnh, chiếm nhiều không gian nhà xưởng tốn nhiều lượng sử dụng có tụt áp dòng ngun liệu ống hình trụ nhỏ b Mơ hình sợi Mơ hình sợi có cấu tạo mơ hình ống Thiết bị membrane chế tạo thép khơng rỉ có dạng hình trụ với đường kính thường dao động khoảng 2.517cm, chiều dài 18-120cm Bên thiết bị chứa bó sợi membrane Mỗi module chứa từ 50-3000 sợi Đường kính sợi thay đổi từ 0.2-3mm Thông thường chiều dày membrane từ 100-400μm Trong vận hành, hỗn hợp sau lên men canh trường bơm vào bên thiết bị chui vào sợi membrane Dòng retentate hết theo chiều dài sợi tập trung ở đầu lại thiết bị Dòng permeate chui qua lỗ mao dẫn, ngồi sợi rời tập trung cửa nằm thân thiết bị Riêng hãng Dupont thiết kế số thiết bị sử dụng kỹ thuật thẩm thấu ngược cho dòng hỗn hợp sau lên men vào khoảng không gian trống sợi membrane, đó, số cấu tử chui qua mao dẫn membrane để vào bên sợi tạo nên dòng permeate ĐỜ ÁN MƠN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR Hình 1.6 Thiết bị membrane – mơ hình sợi Ưu điểm mơ hình sợi dễ chế tạo, thiết bị chiếm diện tích nhà xưởng dù diện tích membrane sử dụng lớn, điều cần thiết cho hoạt động vi sinh vật màng, hay trường hợp cố định tế bào vi sinh vật, membrane tốn lượng cho trình Tuy nhiên, vận hành, số sợi membrane dễ bị tổn thương việc thay chúng tốn phức tạp Hơn nữa, đường kính sợi membrane nhỏ, nguyên liệu dạng keo dễ gây tắc nghẽn membrane c Mơ hình bảng/ Mỗi đơn vị cấu tạo nên mơ hình bảng bao gồm đỡ, hai miếng đệm hai membrane ép sát vào Các đỡ có dạng hình hộp chữ nhật với độ dày mỏng, diện tích bề mặt từ 0.11-0.35 m2 Các miếng đệm có cấu trúc vi xốp ép sát phủ kín bề mặt đỡ Các membrane dạng có diện tích bề mặt đúng với diện tích bề mặt đỡ đặt sát lên miếng đệm Trong thiết bị membrane, đơn vị đặt song song với Tùy thuộc vào số đơn vị lắp ráp nhiều hay mà tổng diện tích membrane sử dụng thiết bị có thể dao động khoảng lớn, từ 0.1-100 m Khoảng cách đơn vị cửa vào cho dòng nhập liệu cửa cho dòng retentate Một số cấu tử dòng nhập liệu chui qua mao dẫn membrane, theo lỗ vi xốp đệm rời tập trung ngồi tạo nên dòng permeate Ưu điểm lớn mơ hình bảng việc tháo lắp vệ sinh thiết bị đơn giản Ngoài mơ hình có tính linh động cao d Mơ hình cuộn xoắn Thiết bị gờm hai ống hình trụ trục, chiều cao có đường kính khác đặt lồng vào Cả hai chế tạo thép khơng rỉ Ớng hình trụ nhỏ đục lỗ thân nơi tập trung cấu tử dòng permeate Khoảng khơng gian giới hạn bởi mặt thân trụ nhỏ mặt thân trụ lớn hai membrane hình chữ nhật cuộn lại theo hình xoắn ốc (bề mặt hoạt ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 10 động hai membrane quay ngược nhau), cách bởi đệm với vật liệu phổ biến polypropylene Hình 1.7 Thiết bị membrane – mô hình c̣n xoắn Dòng nhập liệu bơm vào đầu thân trụ di chuyển dọc theo thân trụ bởi kênh có cấu tiết diện hình xoắn ốc Dòng sản phẩm retentate tập trung ở đầu thiết bị hình trụ Các cấu tử permeate chui qua mao dẫn hai membrane để vào kênh dẫn dành riêng cho chúng Kênh có tiết diện hình xoắn ốc liên thơng với ống hình trụ trung tâm Từ ống hình trụ trung tâm, dòng permeate tập trung ngồi thiết bị Ưu điểm mơ hình giá thành thấp so với mơ hình khác Tuy nhiên, tính linh động màng khơng cao Mỗi loại membrane có ưu nhược điểm khác Tùy vào điều kiện thực tế mà nhà sản xuất chọn mơ hình membrane phù hợp cho hệ thống MBRs Chẳng hạn - Khi khảo sát trình vận hành dài liên tục Saccharomyces cerevisiae sinh tổng hợp ethanol hệ thống MBRs, người ta sử dụng thiết bị membrane 13 ống ceramic hình trụ song song cách đặt bên bình lên men, ống hình trụ có đường kính 8mm, đường kính ngồi 11mm, chiều cao 80mm (B.G.Park cộng 1998) - Membrane có cố định xúc tác sinh học thường sử dụng mơ hình sợi mơ hình có ưu điểm diện tích bề mặt lớn Ví dụ q trình lên men chuyển hóa đường saccharose thành đường palatinose cách cố định tế bào ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỞNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 58 Hình 3.11 Sơ đờ thiết bị MBR với membrane NF F đồng hồ đo lưu lượng; T đầu dò nhiệt độ; P van áp suất − Bình lên men (Set 2M, Setric, Toulouse, France), nhiệt độ 42 0C, tốc độ cánh khuấy 130 rpm, pH chỉnh NaOH 5N − Thiết bị NF (MSP 006239 Prolab System – Milipore, Molsheim, France), với module NF dạng cuộn xoắn với tổng diện tích bề mặt 3000 cm2 − Bơm (Hydra-cell, Minneapolis, MN, USA) điều chỉnh tốc độ tiếp tuyến 0.75±0.03m/s − Trước NF hoạt động, cần làm membrane điều kiện sau: áp suất qua màng 10±0.2 bar, tốc độ tiếp tuyến 0.75±0.03m/s 30phút Sau chạy thử NF, tốc độ tiếp tuyến vẫn giữ, áp suất tăng lên bar/ph đến đạt 15±0.2bar b Phương pháp: − Sử dụng giống vi sinh vật Lactobacillus helveticus CNRZ 303 − Môi trường lên men bao gồm cheese whey permeate, 2% YE, 40g/L lactose Môi trường tiệt trùng ở 1200C 20 phút Dòng bổ sung chứa 75g/L lactose nguồn nitơ 11.2 g/L Nồng độ acid lactic ban đầu cheese whey permeate phải nhỏ 3.5g/L c Kết bàn luận: Kết NF thể sau: ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 59 Hình 3.12 Biểu diễn những thành phần bị giữ lại NF sản xuất bán liên tục acid lactic từ whey permeate mô hình NMBR Sự giảm lượng lactate bị giữ lại bioreactor dẫn đến tốc độ sinh tổng hợp acid lactic nhanh Ở bước lọc thứ nhất, lượng lactate giữ lại ít, sau, lượng lactate bị giữ lại có thể 59g/L sau 1600 phút, nờng độ có thể gây ức chế tế bào vi sinh vật, dẫn đến tốc độ sinh tổng hợp acid lactic ở bước giảm (xem hình số 3.12A) Năng suất tính theo thể tích có thể đạt cực đại 7.1 g/L.h, cao nhiều so với trình lên men tĩnh truyền thống chỉ đạt 1g/L.h Nồng độ lactose bị giữ lại ở khoảng 50-60g/L bình lên men 6g/L dòng permeate Khi nờng độ lactose bình lên men lên đến 90g/L, nờng độ lactose có thể gây cản trở việc sinh tổng hợp acid lactic ức chế tế bào vi sinh vật Vì thế, người ta ĐỜ ÁN MƠN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 60 chú ý nên bổ sung nguồn dinh dưỡng gián đoạn tốt mơi trường hồn chỉnh từ đầu Ở hình 3.14C, nờng độ sinh khối đạt 2.5±0.1 g/L (DW) sau 1400 phút giữ ở mức suốt trình Từ bước NF thứ tư trở sau, nờng độ lactate giảm từ 57g/L xuống 30g/L hay có hơn, nhờ sinh khối tăng giảm ức chế bởi acid lactic sinh lên tế bào vi sinh vật Daufin (1991) cho tượng tắc nghẽn protein nguyên nhân NF làm ảnh hưởng đến lên men acid lactic Từ đó, tác giả kết luận tách protein khỏi môi trường UF trước sử dụng hoạt động NF hiệu Như vậy, bước UF làm tăng chi phí q trình tác động không chỉ protein mà phân tử khác bị ảnh hưởng đến trình membrane polysaccharides Đây không chỉ tượng trường hợp nghiên cứu mà xuất q trình lên men khác mà protein có phân tử lượng thấp có mặt mơi trường làm nguồn dinh dưỡng vi khuẩn Việc sử dụng membrane NF bioreactor hồi lưu tế bào cho phép giữ lại toàn tế bào vi sinh vật, nâng cao suất theo thể tích, tinh sản phẩm từ bước việc giữ lại lactose Điều khả quan so với UF MF Tuy nhiên, mặt hạn chế NF tốc độ dòng permeate chậm Cần có nhiều nghiên cứu để đưa thông số tối ưu cho trình MBR cải thiện nhược điểm Kết ḷn Một số ví dụ điển hình đưa cho thấy vấn đề sản xuất loại acid hữu nói chung, hay acid lactic nói riêng quan tâm Ưu điểm việc sản xuất có thể từ ng̀n nguyên liệu rẻ tiền, từ phụ phẩm ngành công nghiệp khác Tuy nhiên, vấn đề thu nhận tinh sản phẩm lại phức tạp, đòi hỏi người phải tìm nhiều giải pháp nữa, cho có thể đạt hiệu suất cao q trình sản xuất acid hữu cơ, đờng thời chi phí sản xuất phải giảm thiểu đến mức thấp B XYLITOL Ngoài sản phẩm acid hữu cơ, MBRs ứng dụng rộng rãi việc sản xuất loại carbohydrate, chẳng hạn sản phẩm palatinose (A Krastanov et al 2007), alginate (N.Saude et al 2002), xylitol (Luis F Figueiredo Faria et al 2002, SunMyung Bae et al 2004, Soun-Gyu Kwon et al 2005)… Xylitol loại polyol đơn giản, công thức C 5H12O5, xylitol có tự nhiên dâu, bắp cải bơng… Đây chất tạo có giá trị dinh dưỡng, độ tương đương với đường sacharose Xylitol ứng dụng rộng rãi công nghiệp sản xuất thực phẩm nhờ tính chất đặc biệt Xylitol loại đường thay quan trọng cho người bệnh tiểu đường Xylitol có thể tổng hợp phương pháp hóa học, phương pháp vi sinh vật Tuy nhiên, đường hóa học đòi hỏi chi phí cao bước tinh phức tạp Chuyển hóa sinh học đường xylose bởi nấm men phương pháp khác để sản xuất xylitol, phương pháp hiệu kinh tế cao trình đơn giản, ng̀n chất đặc trưng chi phí lượng thấp Trong đường sinh học, có nhiều nghiên cứu khảo sát nhằm cải thiện nâng cao suất q trình ĐỜ ÁN MƠN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 61 Hệ thống MBR sản xuất xylitol dễ ứng dụng trình liên tục – có nhiều ưu điểm so với phương pháp tĩnh, có thể loại trừ thời gian chết trình làm tiệt trùng, sản phẩm ổn định, điều khiển tự động dễ dàng, giá trị suất cao Thường hệ thống lên men tĩnh hình thành sản phẩm chỉ đạt khoảng thời gian ngắn pha sinh trưởng cực đại Còn hệ thống lên men liên tục cho phép tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm đạt ổn định ở mức cao thời gian vận hành dài (Luis F Figueiredo Faria et al 2002) Mô hình MBR cho sản xuất xylitol từ nấm men Candida guilliermondii: Luis (2002) mô tả sau: a Mơ hình thiết bị Hình 3.13 Sơ đờ vận hành hệ thống MBRs sản xuất xylitol b Phương pháp thực − Vi sinh vật: Candida guilliermondii IM/UFRJ 50088 − Môi trường: 20g/L D-xylose, 1.1g/L K3PO4, 1.25g/L urea, 1.5g/L YE, 40mL/L dung dịch muối khoáng acid citric Môi trường tiệt trùng 110 0C 15 phút, có qua lọc module membrane sợi rỗng 0.2μm − Các thông số kỹ thuật: nhiệt độ 300C, pH=6 − Bắt đầu nuôi cấy tĩnh, đến nồng độ xylose giảm xuống 2g/L hệ thống bổ sung xylose 50g/L liên tục, canh trường liên tục tháo từ bình lên men với tốc độ tốc độ nhập liệu Sự hồi lưu tế bào thực bởi membrane UF dạng 20kDa, cấu tạo bởi vật liệu ưa nước c Kết ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 62 Hình 3.14 Động học quá trình chuyển hóa sinh học liên tục từ xylose thành xylitol bởi Candida guilliermondii hệ thống MBR Quá trình lên men tĩnh lúc đầu cho kết tốt Lượng xylose sử dụng toàn sau 61h, dẫn đến nồng độ xylitol cao, 48.5g/L sinh khối đạt 16.3g/L Quá trình liên tục bắt đầu hàm lượng xylitol giảm đột ngột Khi D=0.05h -1, vi sinh vật đờng hóa chủn hóa lượng xylose thành xylitol không hiệu Sự phát triển tế bào thiết bị ổn định, điều phụ thuộc chủ yếu vào hồi lưu tế bào tốc độ chuyển hóa oxy Sự sinh trưởng có khuynh hướng giảm tốc độ tiêu thụ oxy riêng vi sinh vật giảm, việc tăng nồng độ tế bào Nờng độ xylose xylitol có khuynh hướng ổn định sau 30h Sau 146h hoạt động, thực loại bỏ nhanh vi sinh vật tạp nhiễm thay đổi tốc độ dòng nhập liệu (D=0.07h-1), kết sinh trưởng tế bào giảm đồng thời với việc giảm nồng độ xylitol tăng hàm lượng xylose Kết thống kê ở bảng 3.5 Bảng 3.5 Thống kê các giá trị thu được quá trình lên men liên tục ở các tốc độ pha loãng khác vận hành MBR Các thông số D=0.05h-1 D=0.07h-1 D=0.03h-1 D=0.02h-1 Tổng thời gian lên men (h) 85 55 102 62 Hiệu suất sản phẩmYP/S 0.72 0.59 0.79 0.44 Hiệu suất sinh khốiYX/S 0.03 0.05 0.036 0.084 Hiệu suất riêng sản phẩm YP/X 24 11.8 21.9 5.24 Năng suất theo thể tích QPC 1.4 1.12 1.14 0.44 Năng suất riêng qPC 0.06 0.06 0.05 0.02 Xylose ở dòng permeate (g/L) 11.6 23.3 2.5 0.1 Xylitol ở dòng permeate (g/L) 26.8 16.4 38 22.1 -1 Theo bảng 3.5, D nhỏ 0.05h , dòng permeate thu với lượng xylose nhỏ, đồng thời hiệu suất tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm tối ưu Khi bắt đầu thời điểm vận hành liên tục ở 0.03h-1, nồng độ xylitol giảm, giống trường hợp D=0.05h-1, nhiên điều không quan trọng Tốc độ pha lỗng thấp việc chủn hóa xylose thành xylitol hiệu Cụ thể ở giá trị D = 0.03h -1: sau 25h bổ sung chất, trình lên men tự động đạt đến trạng thái cân ổn định 78h Hiệu suất xylitol cao 25% so với lên men tĩnh, độ chuyển hóa 86% Năng suất theo thể tích ĐỜ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 63 tăng 21% suất riêng giữ ổn định Hơn nữa, dòng permeate thu giàu xylitol (38g/L) nờng độ xylose giảm đáng kể (2.5g/L) Tuy nhiên, giảm D xuống 0.02h -1, lượng sinh khối có thể tăng sản phẩm thu không hiệu quả, có thể lượng xylose khơng đủ mức đòi hỏi tối thiểu tế bào vi sinh vật Kết sau 62h lên men liên tục, hiệu suất sản phẩm giảm 45% suất tính theo thể tích giảm 61% so với ở giá trị D trước (0.03h-1) Tóm lại, hiệu suất tốc độ sinh tổng hợp xylose thành xylitol tối ưu 0.79g xylitol/g xylose 1.14g xylitol/L.h giá trị D=0.03h -1, trạng thái cân đạt sau 25h ổn định 78h d Kết luận Membrane UF 20kDa sử dụng hồi lưu tế bào, suốt trạng thái cân bằng, dòng permeate với mức độ tinh cao - chứa 38g/L xylitol, 2.5g/L xylose loại bỏ cấu tử có phân tử lượng lớn Kết đem lại khả quan vấn đề tinh xylitol Quá trình kết hợp membrane chuyển hóa sinh học cho hiệu kinh tế cao sản xuất xylitol theo đường sinh học Hệ thống submerged membrane bioreactor (SMRB) Một trường hợp khác, Soun-Gyu Kwon et al (2005) phát triển hệ thống MBR Ông nhận định MBR sử dụng lên men có hời lưu chưa đủ, khơng thích hợp cho điều kiện hiếu khí ng̀n cung cấp oxy hạn chế Phương pháp sử dụng MBR chìm với hút chân khơng thổi khí đờng thời Hiện nay, phương pháp sử dụng phổ biến xử lý nước thải Thiết bị hiệu mặt tiêu thụ lượng, trình lọc việc xử lý tắc nghẽn, hồi lưu tế bào ni cấy hiếu khí a Mơ hình thiết bị ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 64 Hình 3.15 Mô hình hệ thống SMBR chuyển hóa xylose thành xylitol bởi Candida tropicalis Bình lên men với hệ thống membrane sợi rỗng (Quiz Stand bench top system QSM02S, Amersham Biosciences, Uppsala, Sweden) Canh trường tế bào chuyển qua hệ thống lọc bởi bơm chân không (Cole-Permer Instrument, Vernon Hills, IL, USA) Bơm chân không điều khiển ở áp suất 0.9 bar để tập trung tế bào Thiết bị membrane sợi rỗng với kích thước lỗ 0.4μm (Mitsubish Rayon, Tokyo) b Phương pháp thực − Vi sinh vật: Candida tropicalis KCTC 10457 − Môi trường lên men:100-350g/L xylose, 0-20g/L glucose, 5g/L YE, 5g/L urea, 5g/L KH2PO4, 0.2g/L MgSO4.7H2O − Các thông số: pH=6.5, nhiệt độ 30 0C, tốc độ cánh khuấy 400rpm pha sinh trưởng 350 rpm pha sản phẩm, tốc độ khí 1vvm − Khi nờng độ xylose bioreactor thấp 10g/L, canh trường đưa qua thiết bị membrane Ở đây, tế bào tập trung bởi membrane sợi rỗng, có dùng bơm chân khơng phận nén khí, dòng permeate đưa − Sau hoàn thành lên men tĩnh với thể tích làm việc 4L, thể tích giảm xuống 2L cách điều chỉnh mơi trường thêm vào, nờng độ tế bào tăng lên gấp đôi Tốc độ cánh khuấy tăng gấp đôi 400rpm Thực 10 chu kỳ hồi lưu c Kết Bảng 3.6 : Tóm tắt các thông sớ sản x́t xylitol ĐỜ ÁN MƠN HỌC 65 Chương 1: TỞNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR Các thơng số Nờng độ tế bào ban đầu (g/L) Nồng độ tế bào kết thúc (g/L) Tổng xylose bổ sung (g) Tổng xylitol sinhra (g) Tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm (g/Lh) Năng suất Thời gian (h) Thời gian chu kỳ (h) Lên men tĩnh 0.5 16.3 400 332 3.53 0.83 47 47 Lên men có hời lưu tế bào Run Run 15.8 31.8 50.5 76 4298 4280 3612 3648 9.26 12 0.84 0.85 195 152 19.5 15.2 Trường hợp lên men có hời lưu tế bào mơ hình SMBR, tất tế bào tái sử dụng, sinh khối có thể vẫn giữ ngun nờng độ tăng nờng độ lên gấp đơi sau q trình lên men tĩnh (run run 2) Hiệu xylitol trường hợp vẫn không giảm tế bào hồi lưu 10 chu kỳ Nồng độ protein dịch lọc ở hệ thống SMBR giữ ở mức 0.04 mg/mL sau 10 chu kỳ hời lưu, khơng có tượng tắc nghẽn suốt trình Khi tăng số chu kỳ hồi lưu tế bào, thời gian lên men chu kỳ giảm nồng độ tế bào tăng Trong chu kỳ hời lưu, nờng độ xylitol trung bình 180g/L, thời gian lên men 19.5h hiệu suất 84% Khi nồng độ tế bào ban đầu tăng gấp lần, tốc độ sinh tổng hợp xylitol tăng từ 9.26 lên 12 g/L.h, ở chu kỳ này, nồng độ xylitol 182g/L, thời gian lên men 15.2h, hiệu suất 85% Ở trường hợp sau, 2000ml canh trường tế bào chủn qua bình lọc đặc 200ml chu kỳ hồi lưu Tuy nhiên, sau chu kỳ hồi lưu, canh trường tế bào tăng lên khoảng 400ml mật độ tế bào cao Điều làm tăng nhẹ hàm lượng sinh khối tăng hiệu suất sản phẩm sau chu kỳ hồi lưu Như vậy, tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm tăng khoảng 3-4 lần tổng hàm lượng xylitol tăng 11 lần so với lên men tĩnh lên men hồi lưu SMBR sử dụng nồng độ tế bào ban đầu cao gấp lần Hiệu suất tăng 2-4 lần, điều Kim T.B (2004) đề cập Từ tế bào tái sử dụng cho chu kỳ kế, nồng độ tế bào ban đầu giữ cao hẳn SMBR so với lên men tĩnh Sự chuyển hóa lượng lớn xylose chỉ thời gian ngắn (ban đầu khoảng 200g/L chu kỳ) tăng nờng độ tế bào ban đầu Kết hiệu suất tăng 2% so với lên men tĩnh hàm lượng xylose sử dụng cho phát triển tế bào Năng suất từ cải thiện d Kết luận Quá trình lên men vận hành dài có hời lưu tế bào để sản xuất xylitol SMBR với bơm chân khơng có thổi khí cho kết tốc độ sinh tổng hợp cao nhờ nồng độ tế bào cao Không có tắc nghẽn hay nguy hiểm tế bào suốt trình tập trung tế bào hời lưu Kết có ảnh hưởng lớn việc sản xuất sản phẩm xylitol thương mại đường vi sinh Tuy nhiên, việc khảo sát mơ hình SMBR với áp suất chân khơng thổi khí chủ yếu chỉ để xử lý nước thải, ứng dụng vào việc sản xuất sản phẩm trao đổi chất vẫn chưa thực Sử dụng phương pháp tái tổ hợp gen sản xuất xylitol bằng mô hình MRB bởi nấm men Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces cerevisiae không thể sử dụng đường xylose ng̀n carbon, khơng tiết enzyme chủn hóa đường xylose Vì vậy, người ta nghĩ cách nối gen chuyển hóa đường xylose (XR) Pichia stiptitis CBS5766 vào nấm men S cerevisiae ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỞNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 66 BJ3505 để lồi nấm men có thể sử dụng đường xylose chủn hóa thành xylitol mơ hình MBR a Mơ hình thiết bị vẫn tương tự Luis F.F Faria (2002) Hình 3.16 Mô hình MBR sản xuất xylitol từ S cerevisiae BJ3505/δXR b Phương pháp − Vi sinh vật: S cerevisiae BJ3505/δXR Việc tái tổ hợp gen nhờ plasmid δXR có chứa gen XR P.stipitis CBS5766 điều khiển enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GPD) − Môi trường: xylose, YPD (YE, bactopeptone, glucose) − Thông số kỹ thuật: nhiệt độ 300C, pH=5, lưu lượng khí 1vvm, tốc độ cánh khuấy 400rpm − Kỹ thuật fed batch thực nồng độ glucose cạn kiệt, dung dịch glucose bổ sung vào khoảng 600g/L giữ không đổi Mơ hình hời lưu tế bào tiền hành với chu kỳ, người ta điều chỉnh lượng xylose khoảng 20-40g/L, cách tháo 100mL canh trường thêm vào dung dịch xylose 200g/L Sau đó, ng̀n YE khảo sát việc cung cấp 600g/L xylose 100g/L YE c Kết ĐỒ ÁN MÔN HỌC 67 Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR Bảng 3.7 Tóm tắt kết quả sản xuất xylitol bằng S cerevisiae BJ3505/δXR Phương pháp Tĩnh Fed batch lặp lại Hồi lưu tế bào Hời lưu tế bào có YE Tế bào Xylitol Tốc độ sinh tổng (g/L) (g/L) hợp xylitol (g/Lh) 9.52 20.1 0.62 13.3 50.5 0.9 15.2 67.1 1.23 22 116 2.34 Ethanol cuối (g/L) 4.8 12.5 XR (mU/mL) 47±6 37±15 57±6 90±10 Mơ hình hời lưu tế bào bắt đầu có giảm sinh khối đột ngột, dẫn đến giảm số tế bào nấm men Sở dĩ có tượng giảm 10% canh trường nuôi cấy loại bỏ, thay vào việc bổ sung thêm dung dịch xylose Vì vậy, cần thiết phải giữ nồng độ tế bào ở mức cao bioreactor để tế bào nấm men ln có hoạt tính sinh học chủn hóa xylose thành xylitol Lên men hời lưu tế bào sử dụng membrane sợi rỗng thực Q trình chu kỳ hời lưu tế bào, thực trong môi trường YPD với nguồn carbon ban đầu 39g/L xylose 18g/L glucose Dung dịch glucose thêm vào liên tục từ 10-45h, với tốc độ 2.7mL/h Sau loại bỏ 100mL canh trường, 200 g/L xylose bổ sung để điều khiển mức xylose 20-40g/L Sự sinh trưởng tế bào cực đại mà khơng có tượng giảm đột ngột lên men fed batch Kết cho 15.2g/L nồng độ tế bào chất khô, nồng độ xylitol 67.1g/L, nồng độ ethanol 12.5g/L S ceravisiae gặp môi trường thuận lợi chuyển hóa đường glucose thành ethanol gây ức chế vi sinh vật Để hạn chế vấn đề này, người ta sử dụng nồng độ xylose ban đầu 83g/L, có bổ sung xylose YE Mơ hình MRB với 100 ml YE bổ sung vào nhằm tạo điều kiện cung cấp nguồn nitơ, thuận lợi cho S cerevisiae BJ3505/δXR chuyển hóa đường xylose thành xylitol mong đợi nhà sản xuất Kết thu trường hợp là: 22g/L nồng độ chất khô tế bào nồng độ xylitol đạt 116g/L, ethanol không xuất d Kết luận Việc chuyển gen XR từ P stipitis vào S ceravisiae cho phép sản xuất thành công xylitol lên men tĩnh, fed-batch hồi lưu tế bào, với hiệu suất chuyển hóa đường xylose có thể lên đến 100% Trong phương pháp lên men có hời lưu tế bào, nồng độ xylitol cuối cao gấp 3.3 lần tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm tăng gấp đơi so với lên men tĩnh Hoạt tính enzyme có chứa gen XR cao - tăng gấp 1.6 lần so với việc không bổ sung YE mô hình lên men có hời lưu Kết cho thấy việc cung cấp nguồn nitơ làm tăng hoạt tính trao đổi chất để phát triển tế bào tiêu thụ hợp lý nguồn carbon việc sinh tổng hợp sản phẩm xylitol ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 68 KẾT LUẬN & KIẾN NGHI Vấn đề phân tách vi sinh vật từ canh trường có thể thực nhiều cách Phương pháp ly tâm đạt hiệu suất cao, quy trình q phức tạp, khơng mang lại hiệu kinh tế khó khăn điều kiện vơ trùng Q trình thực membrane đơn giản tiết kiệm chi phí lượng Lên men membrane bioreactors phương pháp đại chú ý năm trở lại đây, phương pháp có nhiều tính chất vượt trội hẳn so với phương pháp lên men truyền thống Sự kết hợp đặc tính membrane xúc tác sinh học kỹ thuật quan trọng mơ hình MBRs Hiệu suất trình đạt cao nồng độ tế bào vi sinh vật giữ ở mức ổn định, cách cố định hay hồi lưu tế bào Tuy nhiên, vấn đề có hai mặt nó, u cầu nờng độ sinh khối cao có thể đạt được, dẫn đến khuếch tán bị giới hạn, sinh trưởng tế bào hay hoạt tính trao đổi chất có thể giảm, gây ảnh hưởng đến hiệu suất trình Tốc độ pha lỗng D có quan hệ mật thiết với nờng độ tế bào, q trình sử dụng MBRs, có thể giữ D ở giá trị cao, điều thuận lợi cho lưu lượng dòng permeate, thuận lợi vấn đề thu nhận sản phẩm trao đổi chất Tuy nhiên, giá trị D vượt giới hạn tốc độ sinh trưởng riêng cực đại vi sinh vật, vi sinh vật tăng trưởng không kịp so với nguồn chất cung cấp, gây ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi tế bào tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm Hơn nữa, nói giá trị D cao tạo điều kiện cho chất lỏng chuyển động xoáy giúp tăng lưu lượng dòng permeate, lúc này, mật độ sinh khối membrane tăng đáng kể có thể dẫn đến nguy membrane bị tắc nghẽn, khiến việc xử lý tắc nghẽn làm membrane phức tạp hao tốn MBRs biết đến cách 30 năm, có thể nói giờ, việc ứng dụng mơ hình vào quy mơ cơng nghiệp chủ yếu chỉ xử lý nước thải công nghiệp, gia đình thị (Yang et al 2006), lĩnh vực công nghệ sinh học thực phẩm, MBRs vẫn nhiều hạn chế, phạm vi áp dụng hạn hẹp, chủ yếu sản xuất ethanol, acid hữu cơ, cacbohydrate, enzyme Khó khăn ứng dụng MBRs vào cơng nghiệp có liên quan đến xúc tác sinh học, cụ thể thời gian sống vi sinh vật, bảo tồn hoạt tính hay cấu trúc điều cần thiết điều kiện vận hành với nồng độ chất thấp khả chống nhiễm vi sinh cao, nhiên vấn đề lại liên quan đến giá thành mở rộng quy mơ Hơn nữa, q trình điều khiển phản ứng sinh học thông số động học, mơ phỏng máy tính tối ưu hóa, tự động hóa nhiều khó khăn Vì vậy, để thiết kế hồn chỉnh mơ hình MBRs quy mơ cơng nghiệp lĩnh vực hóa nói chung lĩnh vực thực phẩm nói riêng, cần có nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa q trình, phát huy ưu điểm, đờng thời có khả xử lý tốt thách thức đưa ra, cho mơ hình có thể ứng dụng rộng rãi thuận lợi thời gian tới ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Việt Mẫn, Công nghệ sản xuất các thực phẩm từ sữa và thức uống, tập 1: Công nghệ sản xuất các thực phẩm từ sữa, NXBĐHQGTPHCM, 2004, 296p, p72-92, 175-180 [2] Giorno L, De Bartolo L,Drioli E., Membrane bioreactors for biotechnology and medical applications In: Bhattacharyya D, Butterfield DA, editors New insights into membrane science and technology: polymeric and biofunctional membranes Elsevier; 2003 Chap [3] Munir Cheryan Ph.D, Ultrafiltration and Microfiltration handbook, A Technomic Publishing Company Book, 1998, 527p [4] Akinori Ogawa, Akinori Yasuhara, Takaaki Tanaka, Takaharu Sakiyama, Kazuhiro Nakanishi, Production of Neutral Protease by MembraneSurface Liquid Culture of Aspergillus oryzae IAM 2704, Journal of Bioscience and Bioengineering Vol 80 No 1, 1995, p35-40 [5] A.Krastanov, D Blazheva, V Stanchev, Sucrose conversion into palatinose with immobilized Serratia plymuthica cells in a hollow – fibre bioreactors, Process Biochemistry 42, 2007, p1655-1659 [6] A.M Ennis, I S Maddox, Production of solvents (ABE fermentation) from whey permeate by continuous fermentation in a membrane bioreactor, Bioprocess Engineering 4, 1989, p27-34 [7] Anthony Patrick Andrew Taylor, Membrane bioreactor, Australian Nuclear Science and Technology Organisation 11, 2005 [8] A.Olmos-Dichara, F Ampe, J-L Uribelarrea, A Pateilleux, Growth & lactid acid production by Lactobacillus casei ssp rhamnosus in batch and membrane bioreactor: influence of yeast extract & Tryptone enrichment, Biotechnology Letters, Vol 19, No 8, August 1997, p709-714 [9] B.G Park, W.G Lee, Y K Chang, H N Chang, Long-term operation of continuous high cell density culture og Saccharomyces cerevisiae with membrane filtration and online cell concentration monitoring, Bioprocessing Engineering 21, 1999, p97-100 [10] B.Hammarberg,T Nagamune, I Endo, T Moks, M Uhlén, Utilizing the tubular bioreactor for continuous recovery of secreted fusion protein from recombinant Escherichia coli, Bioprocess Engineering 7, 1991, p145-150 [11] Catherine Charcosset, Membrane process in biotechnology: An overview, Biotechnology Advances 24, 2006, p482-492 [12] Chukwu UN, Cheryan M, Electrodialysis of acetate fermentation broths Appl Biochem Biotechnol,1999, 77–79: 485–499 [13] Danner H, Madzingaidzo L, Hartl A, Braun R, Thermophilic fermentative production of lactic acid from C5-sugars, Proceedings of the 10th European conference and technology exhibition on biomass for energy and industry, 8–11 June 1998, Germany, p446–449 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 70 [14] Daufin, G., Labbe, J P., Quemerais, A., and Michel, F., Fouling of an inorganic membrane during ultrafiltration of defatted whey protein concentrates, Neth Milk Dairy J 45, 1991, p259-272 [15] Guo-qian Xu, Ju Chu, Yong-hong Wang, Ying-ping Zhuang, Si-liang Zhang, Huaqiong Peng, Development of a continuous cell-recycle fermentation system for production of lactic acid by lactobacillus paracasei, Process Biochemistry 41, 2006, p2458-2463 [16] H Danner, L Madzingaidzo, C Thomasser, M Neureiter, R Braun, Thermophilic production of lactic acid using integrated membrane bioreactor systems coupled with monopolar electrodialysis, Appl Microbiol Biotechnol 59, 2002, p160-169 [17] Hélène Chèze-Lange, Denis Beunard, Pascal Dhulster, Didier Guillochon, Anne-Marie Cazé, Michel Morcellet, Nathalie Saude, GuyAlain Junter, Production of microbial alginate in a membrane bioreactor, Enzyme and Microbial Technology 30, 2002, p656-661 [18] H Moueddeb, J Sanchez, C bardot, M Fick, Membrane bioreactor for lactic acid production, Journal of Membrane science 114, 1996, p59-71 [19] Hoist O, Hansson L, Berg AC, Mattiasson B, Continuous culture with complete cell recycle to obtain high cell densities in product inhibited cultures: cultivation of Streptococcus lactis for production of superoxide dismutase, Appl Microbiol Biotechnol 23, 1985, p10-14 [20] Isabelle Daubert, Muriel Mercier-Bonin, Claude Maranges, Gérada Goma, Christian Fonade, Christine Lafforgue, Why and How Membrane Bioreactors with Unsteady Filtration Conditions Can Improves the Efficiency of Biological Processes, New York Academy of Sciences 984, 2003, p420-435 [21] Kim, T B., Lee, Y J., Kim, P., Kim, C S., and Oh, D K., Increased xylitol production rate during long-term cell recycle fermentation of Candida tropicalis, Biotechnol Letters 26, 2004, p623–627 [22] Levente L Diosady and Taya Puzanov, Membrane fermentation of acid lactic, International Journal of Applied Science and Engineering 3-1, 2005, p19-25 [23] L.F.F Faria, Xylitol production from xylose in a membrane bioreactor, PhD Thesis, COPPE, Federal University of Rio de Janeiro, 2000 [24] Liu Zhaohui, Zhang Kuishan, Xin Feng, Present status and qpplications of membrane bioreactors, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, 2004, Vol No [25] Luis F Figueiredo Faria, Nei Pereira Jr., Ronald0 Nobrega, Xylitol production from Dxylose in a membrane bioreactor, Desalination 149, 2002, p231-236 [26] Masakazu Morita, Hiroko Shimamura, Natsuko Ishida, Koreyoshi Imamura, Takaharu Sakiyama, Kazuhiro Nakanishi, Characteristics of α-glucosidase production from recombinant Aspergillus oryzae by Membrane-Surface Liquid Culture in comparision with various cultivation methods, Journal of Bioscience and Bioengineering Vol 98 No 3, 2004, p200-206 [27] Masayuki Taniguchi, Takahiro Itaya, Toshihiro Tohma, Michihiro Fujii, Ethanol Production from a Mixture of Glucose and Xylose by a Novel Co-Culture System with ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 71 Two Fermentors and Two Microfiltration Modules, Journal of Fermentation and Bioengineering, Vol 84, No 1, 1997, p59-64 [28] Masamitsu Takaya, Nobuya Matsumoto, Hideshi Yanase, Characterization of Membrane bioreactor for Dry wine production, Journal of Bioscience and Bioengineering, vol 93, no 2, 2002, p240244 [29] M.A.Mehaia và M Cheryan, Ethanol from hydrolyzed whey permeate using Sacharomyces cerevisiae in a membrane recycle bioreactor, Bioprocessing Engineering 5, 1990, p57-61 [30] Munir Cheryan and Mohamed A Mehaia, A high-performance membrane bioreactor for continuous fermentation of lactose to ethanol, Biotechnology Letters Vol No 8, 1983, p519-524 [31] Muriel Mercier-Bonin, Isabelle Daubert, David Léonard, Claude Maranges, Chirstian Fonade, Christine Lafforgua, How unsteady filtration conditions can improve the process efficiency during cell cultures in membrane bioreactors, Separation Purification Technology 22-23, 2001, p601-605 [32] Nagata N., Herouvis K.J, Dziewulski D.M, Belfort G., Cross flow membrane microfiltration of bacterial fermemtation broth, Biotechnol Bioengineering 34, 1989, p447-466 [33] Po-Min Kao, Shu-Chen Huang, Yung-Chi Chang, Yung-Chuan Liu, Development of continuous chitinase production process in a membrane bioreactor by Paenibacillus sản phẩm CHE-N1, Process Biochemistry 42, 2007, p606-611 [34] Prigent C, Corre C, Boyaval P, Production of concentrated Streptococcus salivarius subsp, thermophilus by coupling continuous fermentation and ultrafiltration, J Dairy Res 55, 1988, p569-577 [35] Richter K, Nottelmann S., An empiric steady state model of lactate production in continuous fermentation with total cell retention Engineering Life Science 4, 2004, p426–32 [36] R Jeantet, J L Maubois, and P Boyaval, Semicontinuous production of acid lactic in bioreactor coupled with nanofiltration membranes, Enzyme and Microbial Technology 19, 1996, p614-619 [37] S Denis và P Boyaval, Microbial enzyme production in a membrane bioreactor, Appl Microbiol Biotechnol 34, 1991, p608-612 [38] Sébastien Pommier, Claire Albasi, Jean-Pierre Riba, Marie-Line Delia, A new membrane tool for quantifying microorganism interacion dynamics Application to yeast killer systems, Desalination 149, 2002, p243-245 [39] S Govender, E.P Jacobs, W.D Leukes, V.L.Pillay, A scable membrane gradostat reactor for enzyme production using Phanerochaete chrysosporium, Biotechnology Letters 25, 2003, p127-131 [40] Soun-Gyu Kwon, Seung-Won Park, and Deok-Kun Oh, Increase of Xylitol Productivity by Cell-Recycle Fermentation of Candida tropicalis Using Submerged Membrane Bioreactor, Journal of bioscience and bioengineering Vol 101 No 1, 2006, p13-18 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR 72 [41] S Tejayadi M Cheryan, Lactic acid from cheese whey permeate Productivity and economics of a continuous membrane bioreactor, Appl Microbiol Biotechnol 43, 1995, p242-248 [42] Sun-Myung Bae, Yong-Cheol Park, Tae-Hee Leea, Do-Hyun Kweon, Jin-Ho Cho, Sung-Koo Kim, Yeon-Woo Ryu, Jin-Ho Seo, Production of xylitol by recombinant Saccharomyces cerevisiae containing xylose reductase gene in repeated fed-batch and cell-recycle fermentations, Enzyme and Microbial Technology 35 , 2004, p545–549 [43] T Lebeau, T Jouenne, G A Junter, Long-term incomplete xylose fermentation, after glucose exhaustion, with Candida shehatae co-immobilized with Saccharomyces cerevisiae, Microbiological Research 162, 2007, p211-218 [44] T Asakura và K.Toda, New cell recycle ethanol fermentation with periodic cleaning of filter with gas, Bioprocessing Engineering 7, 1991, p83-88 [45] W Zhang, B G Park, Y.K Chang, H.N Chang, X.J.Yu, Q Yuan, Factors affecting membrane fouling in filtration of Sacharomyces cerevisiae in an internal ceramic filter bioreactor, Bioprocessing Engineering 18, 1998, p317-322 [46] Yang W., Cicek N., State of the art of membrane bioreactors: worldwide research and commercial applications in North America, Membrane Sciences 270, 2006, p201-211 ĐỒ ÁN MÔN HỌC ... 10 457 Xylose Xylitol QP (g/L) (g/L) (g/L.h) 230 18 9 4.94 13 6 11 0 5.42 214 18 2 12 YP/S (g/g) 0.82 0. 81 0.85 Tf (h) 38 20 15 Số chu kỳ hồi lưu 14 10 − Giống vi sinh vật gây ảnh hưởng đến dòng... độ casein (%w/v) (%w/v) 0.05 0.4 0.2 0.4 0.5 0 .1 0.5 0.4 0.5 1 0.4 1. 5 0.4 Hàm lượng protease (đơn vị hoạt độ/L) 900 15 50 13 50 15 00 12 50 12 00 11 00 Hàm lượng sản phẩm protease phụ thuộc vào nồng... dòng permeate thay đổi tốc độ pha loãng Với D1=0.023h -1, D2=0.074h -1, D3=0.1h -1, D4=0 .13 5 h -1, D5=0.09h -1 Sinh khối đạt đến 4.4 g/L sau 210 h vận hành với số tế bào vi khuẩn sống cao Ở mơ