ứng dụng kỹ thuật vi lọc để thanh trùng nước trái cây

1.GIỚI THIỆU KỸ THUẬT VI LỌC (MICROFILTRATION). Ngày nay nhu cầu sử dụng nước trái cây công nghiệp có những tính chất giống với trái cây tươi về màu, mùi, thành phần dinh dưỡng và các hợp chất tự nhiên của trái cây tươi đang ngày càng tăng. Các sản phẩm nước trái cây công nghiệp hầu hết đều được sản xuất theo phương pháp truyền thống, thanh trùng bằng nhiệt. Kỹ thuật thanh trùng này đã làm thay đổi đáng kể tính chất của nước trái cây. Do đó, việc đưa ra một kỹ thuật thanh trùng nhằm hạn chế sự tổn thất các chất dinh dưỡng cũng như sự thay đổi các tính chất cảm quan của nước quả là một thách thức đối với các nhà khoa học. Rất nhiều phương pháp thanh trùng đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong số đó là áp dụng kỹ thuật vi lọc để thanh trùng nước trái cây. Kỹ thuật này dùng màng vi lọc có kích thước mao quản 0.2µm tách vi sinh vật để thay thế cho phương pháp thanh trùng truyền thống bằng nhiệt. 1.1 ĐỊNH NGHĨA Kỹ thuật vi lọc được áp dụng để loại các chất không tan trong dung dịch như huyền phù vi sinh vật. Đường kính lỗ mao quản của membrane MF trung bình vào khoảng 200nm. Kỹ thuật vi lọc có áp suất làm việc thấp nhất trong các kỹ thuật phân riêng bằng membrane, thường dao dộng trong khoảng 0,3 – 1bar. Hình 1: Kích thước mao quản và áp suất ứng với các kỹ thuật membrane. 1.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO. Màng vi lọc thường được làm từ các vật liệu sau:  Cellulose Acetate (CA) Cellulose acetate (CA) là một những vật liệu được sử dụng chế tạo và ứng dụng đầu tiên trong các kỹ thuật thẩm thấu ngược, lọc nano và siêu lọc. Nhược điểm lớn nhất của vật liệu này là kém bền đối với nhiệt độ và pH. Tuy nhiên, membrane được chế tạo bằng vật liệu này có giá thành tương đối rẻ, háo nước, và ít bị tắc nghẽn (fouling) hơn các loại membrane khác. Điều cần chú ý là membrane bằng cellulose acetate có thể bị phá hủy bởi vi sinh vật.  Polysulfone (PS) Từ năm 1975, polysulfone là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong kỹ thuật siêu lọc và vi lọc. Đây là loại vật liệu có khả năng chịu được pH và nhiệt độ cao. Thực tế cho thấy polysulfone là loại vật liệu được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy thực phẩm, đặc biệt trong các nhà máy chế biến sữa. Về nguyên tắc, polysulfone là vật liệu háo nước, không thể sử dụng để xử lý các chất dầu, mỡ hay các chất ưa béo. Tuy nhiên, có một số loại membrane polysulfone có thể sử dụng để xử lý các chất nhũ tương rất tốt.  Polyvinylidenedifluoride (PVDF) Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống. Tuy nhiên, PVDF không được sử dụng nhiều vì kỹ thuật chế tạo membrane từ vật liệu này rất khó khăn và các tính chất, cấu trúc của membrane kém ổn định.  Các vật liệu khác Ceramic: các membrane được chế tạo bằng các vật liệu ceramic thường có cấu tạo dạng ống (tubular type) và được lắp theo từng hệ thống. Ưu điểm của loại vật liệu này là khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng, có độ bền hóa cao, thời gian sử dụng dài, vệ sinh đơn giản. Tuy nhiên độ bền cơ học không cao, không chịu được hiện tượng shock nhiệt, giá thành cao. Kim loại: kim loại thường được dùng để chế tạo membrane là paladi hoặc hợp kim của paladi với một số kim loại khác như niken, bạch kim,... Loại membrane này được sử dụng chủ yếu trong quá trình phân riêng khí ở nhiệt độ cao (ví dụ quá trình tinh sạch khí hydro từ khí thải). Bên cạnh đó còn có các loại vật liệu khác như một số polimer tổng hợp,... Bảng1: Độ bền hóa của một số vật liệu membrane Các tác nhân Composite CA PSO PVDF SiO2 Cellulose 3 < pH 8  x     Nhiệt độ > 35 oC  x     Protein  ()  ()   Polysaccharide () x  x  x Hydrocacbon ưa béo x x x ()   Chất thơm x x x   () Chất oxi hoá x ()    () Ketone, ester x x x   () Rượu  x     Chú thích: : độ bền hóa cao (): chưa được xác định rõ x : độ bền hóa thấp 1.3 MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 1.3.1 MỤC ĐÍCH Mục đích chủ yếu của phương pháp vi lọc là tách các tế bào vi sinh vật. Đường kính mao quản của màng vi lọc dao động trong khoảng từ 0.1 µm đến 0.5µm. Với kích thước này, màng có thể giữ lại các tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc trên bề mặt. Ngoại trừ các vi rút là có thể chui qua được màng vi lọc. Ngoài chức năng tách vi sinh vật, phương pháp vi lọc còn có thể giúp loại bớt các tạp chất có kích thước lớn hơn kích thước lỗ mao quản tồn tại lơ lửng trong nước dịch nước trái cây. Do vậy, kỹ thuật này giúp cải thiện các chỉ tiêu về màu, mùi và vị của các sản phẩm nước trái cây công nghiệp. Hiện nay, kỹ thuật phân riêng bằng membrane đã và đang được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực sản xuất thực phẩm. Riêng kỹ thuật vi lọc cũng đã có những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực thực phẩm như: thanh trùng nước trái cây như nước táo, nước dứa, nước dừa…, tách nấm men trong rượu vang, tách muối trong sản xuất phô mai, cô đặc jelly và tách tạp chất trong dầu oliu, tách vi sinh vật từ sữa… Trong phạm vi của đề tài này, ta sẽ tìm hiểu về ứng dụng kỹ thuật trong quá trình thanh trùng nước trái cây. Mục đích chính của kỹ thuật vi lọc trong quá trình này là tách vi sinh vật từ nước ép quả để kéo dài thời gian bảo quản đồng thời giúp cải thiện tính chất cảm quan và giá trị dinh dưỡng cho các sản phẩm nước trái cây trong công nghiệp. 1.3.2 PHẠM VI ÁP DỤNG. Với mục đích thanh trùng, thay thế cho kỹ thuật thanh trùng truyền thống bằng nhiệt, kỹ thuật vi lọc đã và đang bước đầu được áp dụng vào công nghệ sản xuất một số loại nước trái cây phổ biến trên thế giới với sản lượng tiêu thụ hằng năm tương đối lớn như nước dứa, nước táo và nước dừa. 2.GIỚI THIỆU QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÁC LOẠI NƯỚC TRÁI CÂY ÁP THANH TRÙNG BẰNG KỸ THUẬT VI LỌC. 2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI NƯỚC TRÁI CÂY ÁP DỤNG KỸ THUẬT VI LỌC VÀO QUÁ TRÌNH THANH TRÙNG. Những thành phần dinh dưỡng như gluxit, axit hữu cơ, vitamin…đều tập trung ở dịch quả. Các sản phẩm nước quả đóng hộp chứa các chất đó nên có giá trị dinh dưỡng cao. Chính vì giá trị dinh dưỡng của nước trái cây mà việc áp dụng kỹ thuật vi lọc vào thanh trùng nước quả là vô cùng cần thiết. Tuy nhiên, do vẫn còn một số hạn chế nên kỹ thuật này chỉ mới được áp dụng ở một số loại nước trái cây như đã kể ở mục I.3 gồm nước táo, nước dứa và nước dừa. Sau khi qua quá trình thanh trùng bằng vi lọc, nước trái cây công nghiệp sẽ được đánh giá chất lượng thông quá các nhóm chỉ tiêu: • Chỉ tiêu hóa lý: quan trọng là tổng hàm lượng chất khô, lượng đường, độ chua hoặc pH, cường độ màu. • Chỉ tiêu cảm quan: gồm màu sắc, độ trong, mùi và vị. • Chỉ tiêu vi sinh: phổ biến nhất là tổng số vi sinh khuẩn hiếu khí, tổng số nấm men, nấm mốc và hàm lượng một số vi sinh vật có khả năng gây bệnh như E.coli, Coliforms tổng số, Stanphylococcus aureus… Dưới đây, ta sẽ tìm hiểu từng loại nước trên.  NƯỚC TÁO. Hình 2: Một số loại nước táo dạng trong Táo là loại trái cây quan trọng để sản xuất nước trái cây dạng trong và nước trái cây cô đặc trên thế giới. Sản lượng nước táo hiện nay trên thế giới đạt khoảng 40 – 45 triệu m3 năm và đang có xu hướng tăng dần. Hình3: Sản lượng sản xuất nước táo ở một số nước trên thế giới năm 2003.. Bảng 2 :Thành phần dinh dưỡng của nước táo khi so sánh với thành phần dinh dưỡng có trong táo tươi (tính cho 100g sản phẩm). Năng lượng (cal) Protein (g) Fat(g) Glucid(g) Ca (mg) P(mg) Fe(mg) Táo tươi 242 0.8 2.5 60.5 29 42 1.3 Nước táo 213 0.5 0.1 54.0 27 41 2.7 Na(mg) K(mg) Vit.A)IU) Thiamin(mg) Riboflavin(mg) Vit.C(mg) Táo tươi 4 459 380 0.12 0.3 16 Nước táo 5 458 0.03 0.4 4

CHƯƠNG1

GIỚI THIỆU CHUNG

1.GIỚI THIỆU KỸ THUẬT VI LỌC (MICROFILTRATION).

Ngày nay nhu cầu sử dụng nước trái cây công nghiệp có những tính chất giống vớitrái cây tươi về màu, mùi, thành phần dinh dưỡng và các hợp chất tự nhiên của trái câytươi đang ngày càng tăng Các sản phẩm nước trái cây công nghiệp hầu hết đều được sảnxuất theo phương pháp truyền thống, thanh trùng bằng nhiệt Kỹ thuật thanh trùng này đalàm thay đổi đáng kể tính chất của nước trái cây Do đó, việc đưa ra một kỹ thuật thanhtrùng nhằm hạn chế sự tổn thất các chất dinh dưỡng cũng như sự thay đổi các tính chấtcảm quan của nước quả là một thách thức đối với các nhà khoa học Rất nhiều phươngpháp thanh trùng đa được nghiên cứu và áp dụng Một trong số đó là áp dụng kỹ thuật vilọc để thanh trùng nước trái cây Kỹ thuật này dùng màng vi lọc có kích thước mao quản0.2µm tách vi sinh vật để thay thế cho phương pháp thanh trùng truyền thống bằng nhiệt

1.1 ĐỊNH NGHĨA

Kỹ thuật vi lọc được áp dụng để loại các chất không tan trong dung dịch như huyềnphù vi sinh vật Đường kính lỗ mao quản của membrane MF trung bình vào khoảng200nm Kỹ thuật vi lọc có áp suất làm việc thấp nhất trong các kỹ thuật phân riêng bằngmembrane, thường dao dộng trong khoảng 0,3 – 1bar

Hình 1: Kích thước mao quản và áp suất ứng với các kỹ thuật membrane.

1.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO.

Màng vi lọc thường được làm từ các vật liệu sau:

 Cellulose Acetate (CA)

Cellulose acetate (CA) là một những vật liệu được sử dụng chế tạo và ứng dụng đầutiên trong các kỹ thuật thẩm thấu ngược, lọc nano và siêu lọc Nhược điểm lớn nhất củavật liệu này là kém bền đối với nhiệt độ và pH Tuy nhiên, membrane được chế tạo bằngvật liệu này có giá thành tương đối rẻ, háo nước, và ít bị tắc nghẽn (fouling) hơn các loạimembrane khác Điều cần chú ý là membrane bằng cellulose acetate có thể bị phá hủy bởi

vi sinh vật

 Polysulfone (PS)

Từ năm 1975, polysulfone là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong kỹ thuật siêu lọcvà vi lọc Đây là loại vật liệu có khả năng chịu được pH và nhiệt độ cao Thực tế cho thấypolysulfone là loại vật liệu được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy thực phẩm, đặc biệttrong các nhà máy chế biến sữa Về nguyên tắc, polysulfone là vật liệu háo nước, khôngthể sử dụng để xử lý các chất dầu, mỡ hay các chất ưa béo Tuy nhiên, có một số loạimembrane polysulfone có thể sử dụng để xử lý các chất nhũ tương rất tốt

 Polyvinylidenedifluoride (PVDF)

Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống Tuy nhiên,PVDF không được sử dụng nhiều vì kỹ thuật chế tạo membrane từ vật liệu này rất khókhăn và các tính chất, cấu trúc của membrane kém ổn định

  CH2  CF2  n

 Các vật liệu khác

- Ceramic: các membrane được chế tạo bằng các vật liệu ceramic thường có

cấu tạo dạng ống (tubular type) và được lắp theo từng hệ thống Ưu điểm của loại vật liệunày là khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng, có độ bền hóa cao, thời gian sử dụng dài,vệ sinh đơn giản Tuy nhiên độ bền cơ học không cao, không chịu được hiện tượng shocknhiệt, giá thành cao

- Kim loại: kim loại thường được dùng để chế tạo membrane là paladi hoặc

hợp kim của paladi với một số kim loại khác như niken, bạch kim, Loại membrane nàyđược sử dụng chủ yếu trong quá trình phân riêng khí ở nhiệt độ cao (ví dụ quá trình tinhsạch khí hydro từ khí thải)

- Bên cạnh đó còn có các loại vật liệu khác như một số polimer tổng hợp,

Bảng1: Độ bền hóa của một số vật liệu membraneCác tác nhân Composite CA PSO PVDF SiO2 Cellulose

- : độ bền hóa cao

- (): chưa được xác định rõ

- x : độ bền hóa thấp

1.3 MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG

1.3.1 MỤC ĐÍCH

Mục đích chủ yếu của phương pháp vi lọc là tách các tế bào vi sinh vật Đườngkính mao quản của màng vi lọc dao động trong khoảng từ 0.1 µm đến 0.5µm Với kíchthước này, màng có thể giữ lại các tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc trên bề mặt.Ngoại trừ các vi rút là có thể chui qua được màng vi lọc.

Ngoài chức năng tách vi sinh vật, phương pháp vi lọc còn có thể giúp loại bớt cáctạp chất có kích thước lớn hơn kích thước lỗ mao quản tồn tại lơ lửng trong nước dịchnước trái cây Do vậy, kỹ thuật này giúp cải thiện các chỉ tiêu về màu, mùi và vị của cácsản phẩm nước trái cây công nghiệp

Hiện nay, kỹ thuật phân riêng bằng membrane đa và đang được áp dụng rộng raitrong công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực sản xuất thực phẩm Riêng kỹ thuật vi lọc cũng

đa có những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực thực phẩm như: thanh trùng nước tráicây như nước táo, nước dứa, nước dừa…, tách nấm men trong rượu vang, tách muốitrong sản xuất phô mai, cô đặc jelly và tách tạp chất trong dầu oliu, tách vi sinh vật từsữa…

Trong phạm vi của đề tài này, ta sẽ tìm hiểu về ứng dụng kỹ thuật trong quá trình thanh trùng nước trái cây Mục đích chính của kỹ thuật vi lọc trong quá trình này là tách

vi sinh vật từ nước ép quả để kéo dài thời gian bảo quản đồng thời giúp cải thiện tính chất cảm quan và giá trị dinh dưỡng cho các sản phẩm nước trái cây trong công nghiệp

1.3.2 PHẠM VI ÁP DỤNG.

Với mục đích thanh trùng, thay thế cho kỹ thuật thanh trùng truyền thống bằng nhiệt,kỹ thuật vi lọc đa và đang bước đầu được áp dụng vào công nghệ sản xuất một số loạinước trái cây phổ biến trên thế giới với sản lượng tiêu thụ hằng năm tương đối lớn nhưnước dứa, nước táo và nước dừa

2.GIỚI THIỆU QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÁC LOẠI NƯỚC TRÁI CÂY ÁP THANH TRÙNG BẰNG KỸ THUẬT VI LỌC.

2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI NƯỚC TRÁI CÂY ÁP DỤNG KỸ THUẬT VI LỌC VÀO QUÁ TRÌNH THANH TRÙNG.

Những thành phần dinh dưỡng như gluxit, axit hữu cơ, vitamin…đều tập trung ởdịch quả Các sản phẩm nước quả đóng hộp chứa các chất đó nên có giá trị dinh dưỡngcao Chính vì giá trị dinh dưỡng của nước trái cây mà việc áp dụng kỹ thuật vi lọc vàothanh trùng nước quả là vô cùng cần thiết Tuy nhiên, do vẫn còn một số hạn chế nên kỹthuật này chỉ mới được áp dụng ở một số loại nước trái cây như đa kể ở mục I.3 gồmnước táo, nước dứa và nước dừa

Sau khi qua quá trình thanh trùng bằng vi lọc, nước trái cây công nghiệp sẽ đượcđánh giá chất lượng thông quá các nhóm chỉ tiêu:

 Chỉ tiêu hóa lý: quan trọng là tổng hàm lượng chất khô, lượng đường, độ chuahoặc pH, cường độ màu

 Chỉ tiêu cảm quan: gồm màu sắc, độ trong, mùi và vị

 Chỉ tiêu vi sinh: phổ biến nhất là tổng số vi sinh khuẩn hiếu khí, tổng số nấmmen, nấm mốc và hàm lượng một số vi sinh vật có khả năng gây bệnh như

E.coli, Coliforms tổng số, Stanphylococcus aureus…

Dưới đây, ta sẽ tìm hiểu từng loại nước trên

Hình 2: Một số loại nước táo dạng trongTáo là loại trái cây quan trọng để sản xuất nước trái cây dạng trong và nước tráicây cô đặc trên thế giới Sản lượng nước táo hiện nay trên thế giới đạt khoảng 40 – 45triệu m3/ năm và đang có xu hướng tăng dần.

Hình3: Sản lượng sản xuất nước táo ở một số nước trên thế giới năm 2003

Bảng 2 :Thành phần dinh dưỡng của nước táo khi so sánh với thành phần dinh

dưỡng có trong táo tươi (tính cho 100g sản phẩm)

 NƯỚC DỨA.

Dứa là một loại trái cây nhiệt đới rất có giá trị Hầu hết, nước dứa được sản xuấtdưới dạng nước quả trong Sản lượng nước dứa đóng hộp nhiều nhất là ở Brazil Nước ép dứa chứa rất nhiều vitamin C Đặt biệt, men Bromelain trong dứa đượcxem là có tác dụng hỗ trợ tiêu hóa và có rất nhiều lợi ích đối với sức khỏe con người

Do đó, việc áp dụng kỹ thuật membrane vào thanh trùng nước dứa là rất cần thiết đểnâng cao giá trị sử dụng của nước dứa đóng hộp

Hi ̀nh 4: Một số sản phầm nước dứa đóng hộp.

Bảng 3: Giá trị dinh dưỡng của một số sản phẩm dứa đóng hộp (tính cho 100g

sản phẩm)

Nước dứaNFC

Hàm lượng rắntrong nước ép

Hàm lượng rắn trongnước ép trong

Hình 5: Một số sản phẩm nước dừa đóng lon trên thị trường.

Nước dừa là một loại nước trái cây đặc biệt chứa nhiều giá trị dinh dưỡng và dượctính cao Vì vậy, sản phẩm nước dừa đóng lon khá phổ biến ở những nước nhiệt đới.Thành phần chính của nước dừa là nước Trong thành phần chất khô tổng của nước dừathì thành phần quan trọng là đường, khoáng và một lượng nhỏ chất béo và đạm

Bảng 4: thành phần dinh dưỡng trong nước dừa non đóng chai.

Chất khô tổng(%w/w) : 6.5

Magie (mg%) : 10.0

Photpho (mg%) : 9.2

2.2 GIỚI THIỆU QUY TRÌNH CHUNG

Dưới đây là quy trình sản xuất nước ép trái cây tổng quát:

Trái cây

Lọc thô Ép Nghiền xé Tách cuống Rửa Phân loại Lựa chọn

Rót bao bì

Lọc membrane

cặn

vi sinh vật

Bã

Cuố ng

Nước thả i

Bao bì

Nước

2.3 THUYẾT MINH QUY TRÌNH.

a/ Lựa chọn, phân loại

Mục đích: nhằm loại trừ các nguyên liệu không đủ tiêu chuẩn, sâu bệnh, nấm men,

nấm mốc,nguyên liệu bị thối hỏng hay chưa đủ độ tuổi thu hoạch cần thiết, đồng thờiphân chia nguyên liệu đồng đều về kích thước, hình dáng, màu sắc và độ chín

Phương pháp thực hiện: Quá trình lựa chọn có thể được tiến hành bằng thủ công trên

các băng tải hay dùng máy phân loại kích thước hoặc màu sắc của quả

b/ Rửa

Mục đích: loại trừ các tạp chất cơ học như đất, đá, bụi và làm giảm lượng vi sinh vật

bám trên vỏ nguyên liệu

Phương pháp thực hiện: có thể rửa trái cây bằng phương pháp ngâm hoặc rửa xối

c/ Tách cuống

Mục đích: loại bỏ cuống ra khỏi nguyên liệu để tránh làm giảm chất lượng dịch ép,

giảm năng suất ép, nghiền và có thể ảnh hưởng xấu đến máy nghiền, máy ép

Phương pháp thực hiện: có thể tiến hành loại bỏ cuống bằng phương pháp thủ công

hoặc bằng máy

d/ Nghiền xé

Mục đích: hỗ trợ cho quá trình ép bằng cách giảm kích thước nguyên liệu, phá vỡ

cấu trúc tế bào

Phương pháp thực hiện: tiến hành nghiền nguyên liệu bằng các máy nghiền cắt.

Hỗn hợp nghiền có tính acid cao, giàu vitamin nên vật liệu làm máy nghiền phải bằnginox, không ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan và dinh dưỡng của nguyên liệu Đồngthời hỗn hợp sau nghiền rất dễ hư hỏng nên cần đưa vào ép trong thời gian ngắn nhất

e/ ÉP

Mục đích: tách dịch bào ra khỏi nghuyên liệu, tách bỏ ba

Phương pháp thực hiện: sử dụng các máy ép như ép trục vít, thuỷ lực.

f/ Lọc thô

Mục đích: loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn trong dịch ép thu được.

Phương pháp thực hiện: sử dụng thiết bị lọc khung bản hay lọc ống.

Trong quá trình này ta có thể sử dụng enzyme để hỗ trợ cho quá trình lọc Ngoài ra còn cóthể sử dụng các tác nhân làm trong như: bentonite, gelatin, và silica sol có thể được thêmvào để tăng độ kết tụ và kết tủa của vật liệu đục

g/ Lọc membrane

Mục đích: nhằm loại bỏ các vi sinh vật trong nước trái cây, kéo dài thời gian bảo quản.

Phương pháp thực hiện: lọc nước quả qua thiết bị membrane với loại màng và chế độ lọc

thích hợp

Quá trình này sẽ được đề cập chi tiết hơn trong các phần tiếp theo của bài

h/ Bao gói

Mục đích: hoàn thiện và bảo quản sản phẩm

Phương pháp thực hiện: tiến hành rót sản phẩm vào bao bì trong điều kiện vô trùng.

CHƯƠNG 2

THIẾT BỊ VÀ MÔ HÌNH VẬN HÀNH TRONG KỸ THUẬT

VI LỌC.

1.THIẾT BỊ

Các dạng thiết bị sử dụng trong kỹ thuật vi lọc gồm:

1.1 MEMBRANE DẠNG ỐNG (Tubular module)

Thiết bị membrane này có dạng hình trụ, bên trong chứa nhiều ống trụ nhỏ đặt songsong với nhau Mỗi ống trụ nhỏ thường được chế tạo bằng thép không rỉ, có đường kínhdao động từ 12.5 đến 75 mm, chiều dài khoảng 0,6 đến 64 m và có khoan các lỗ nhỏ trênthân có vai trò là ống đỡ membrane và được giữ trong một ống thép lớn Các tấmmembrane được cuộn tròn và đặt sát thành trong các ống trụ nhỏ

Dòng nhập liệu được bơm vào một đầu của thiết bị và được phân phối vào bên trongcác ống trụ nhỏ Các cấu tử có kích thước thích hợp cùng với dung môi qua membrane vàtheo các lỗ khoan ra ngoài tạo thành dòng permeate, phần còn lại tiếp tục đi trong ống nhỏvề cuối thiết bị và được thu hồi thành dòng retentate

Bên trong thiết bị membrane có thể được chia thành nhiều khoang, mỗi khoang gồmmột số ống trụ nhỏ song song nằm cạnh nhau Đầu tiên nguyên liệu sẽ được bơm vào mộtkhoang trong thiết bị Dòng retentate thoát ra khỏi khoang này đi tiếp vào khoang thứ hai,

còn dòng retentate thoát ra từ khoang thứ hai sẽ đi tiếp vào khoang thứ ba…Như vậy,dòng retentate thoát ra từ khoang cuối cùng sẽ có nồng độ đạt giá trị yêu cầu.

Thiết bị này thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm vì dễ tính hệ sốReynolds cũng như dễ dàng tính toán các thông số trong quá trình vận chuyển các cấu tửqua membrane Ưu điểm lớn nhất của dạng thiết bị này là có thể làm việc với các huyềnphù có nồng độ cao

Membrane dạng ống có những nhược điểm chung như:

- Việc thay đổi membrane khó khăn và tốn thời gian

- Tổng thể tích của các ống trong thiết bị lớn, đòi hỏi quá trình vệ sinhthiết bị tốn nhiều hóa chất và nước

- Giá thành cao

Hình 6: Mô hình membrane dạng ống.

1.2 MEMBRANE DẠNG KHUNG BẢN (Plate and Frame Module)

Mỗi đơn vị cấu tạo nên mô hình bảng bao gồm một tấm đỡ, hai miếng đệm và haimembrane được ép sát vào nhau Các tấm đỡ có dạng hình hộp chữ nhật với độ dày rấtmỏng, diện tích bề mặt từ 0.11 – 0.35m2 Các miếng đệm có cấu trúc vi xốp được ép sátvà phủ kín bề mặt tấm đỡ Các membrane dạng tấm có diện tích bề mặt bằng đúng vớidiện tích bề mặt tấm đỡ và được đặt sát lên các miếng đệm

Trong thiết bị membrane, các đơn vị trên được đặt song song với nhau Tùy thuộcvào số đơn vị được lắp ráp vào nhiều hay ít mà tổng diện tích membrane sử dụng trongthiết bị có thể dao động trong một khoảng rất lớn, từ 0.1-100m2

Đây là dạng mô hình membrane được sản xuất thử nghiệm và thương mại hóa đầutiên Loại membrane này được tạo thành do các bản đỡ đặt song song nhau cách nhau mộtkhoảng cách khá hẹp tạo thành một hệ thống kênh dẫn cho dòng permeate và retentate.Membrane được phủ trên các tấm giá đỡ (dạng plate) tạo sự phân cách giữa hai dòngpermeate và retentate Dòng nhập liệu chảy vào một đầu và được phân phối vào các kênhdẫn retentate, các cấu tử có kích thước thích hợp sẽ qua membrane và theo các kênh dẫncủa dòng permeate đi theo ống dẫn chính ra ngoài Dòng nguyên liệu không quamembrane được gom lại và được phân phối lại vào vùng tiếp theo nhằm nâng cao hiệuquả quá trình phân riêng

Ưu điểm lớn nhất của mô hình bảng là việc tháo lắp, vệ sinh thiết bị rất đơn giản Ởmột số thiết bị, người ta bố trí một van tháo sản phẩm permeate ứng với mỗi tấmmembrane Như vậy, nhà sản xuất dễ phát hiện kịp thời membrane nào bị hư hỏng trongquá trình vận hành để thay thế.

Hình 7: Mô hình membrane dạng khung bản

Hình 8:Thiết bị membrane dạng khung bản

I.3 MEMBRANE DẠNG CUỘN XOẮN (Spiral Wound Module)

Membrane dạng cuộn xoắn bao gồm nhiều lớp membrane xen kẽ với những lớpđệm đóng vai trò là kênh phân phối nhập liệu và kênh thu hồi dòng permeate Tất cả đượcquấn với nhau quanh một ống thu gom ở trung tâm.

Nguyên liệu đi vào từ một đầu của thiết bị, qua các kênh phân phối có cấu tạohình xoắn ốc Dòng sản phẩm retentate sẽ được tập trung và thoát ra ở đầu kia của thiết bịhình trụ Các cấu tử permeate sẽ chui qua mao dẫn của hai membrane để vào kênh dẫndành riêng cho chúng Kênh này cũng có tiết diện hình xoắn ốc và được liên thông vớiống hình trụ trung tâm Từ ống hình trụ trung tâm, dòng permeate sẽ được tập trung thoát

ra khỏi thiết bị

Hình 9: Mô hình của membrane dạng cuộn xoắn

1 – kênh vào cửa nguyên liệu

2 – tấm đệm

3 – kênh của permeate

4 – ống trụ trung tâm

5 – dòng chảy qua membrane tạo nên permeat

Hình 10: Thiết bị membrane dạng cuộn xoắn.

I.4 MEMBRANE DẠNG SỢI RỖNG (Hollow fiber module)

Membrane dạng sợi rỗng có hình dạng tương tự như membrane dạng ống Thiết

bị membrane được chế tạo bằng thép không rỉ có dạng hình trụ với đường kính thườngdao động trong khoảng 2.5 – 12.7 cm; chiều dài: 18 – 120 cm Bên trong thiết bị chứa bósợi membrane Mỗi module chứa từ 50 – 3000 sợi Đường kính sợi thay đổi từ 0.2 – 3

mm Khi hoạt động, nguyên liệu được bơm vào bên trong thiết bị và chui vào trong cácsợi membrane Dòng ra retentate sẽ đi hết theo chiều dài sợi và tập trung thoát ra ở đầucòn lại của thiết bị Dòng ra permeate sẽ chui qua các lỗ mao dẫn membrane, thoát rangoài sợi rồi được tập trung về cửa ra nằm trên thân thiết bị

Ưu điểm của mô hình sợi là thiết bị ít chiếm diện tích nhà xưởng dù diện tíchmembrnae sử dụng rất lớn, ít tốn năng lượng cho quá trình Khuyết điểm của loại modulenày là trong quá trình vận hành, một số sợi membrane dễ bị tổn thương và việc thay thếchúng sẽ tốn kém và phức tạp Hơn nữa, do đường kính sợi membrane khá nhỏ, nhữngnguyên liệu dạng keo dễ gây tắc nghẽn membrane trong quá trình sử dụng và phải thaymembrane mới nếu một vài sợi của membrane bị hỏng

Hình11: Membrane dạng sợi rỗng

Hình 12: Thiết bị membrane dạng sợi rỗng

Bảng 5: So sánh ưu & nhược điểm của các thiết bị membrane

thành cao

(plate & frame

Dạng cuộn xoắn

(spiral wound module)

thành rẻ

- Thể tíchnhỏ

Mô hình vận hành trong thiết bị membrane được phân loại như sau:

2.1 PHÂN LOẠI THEO CƠ CHẾ CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÒNG NHẬP LIỆU.

Theo cách phân loại này, trong kỹ thuật vi lọc có hai loại mô hình được áp dụnglà Dead-end (Dead-end separation) và Cross-flow (Cross-flow separation)

Hình 13: Mô hình dead-end và Cross-flow

2.1.1 Mô hình Dead-end (Dead-end Separation)

Dead-end là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy vuông góc với membrane,dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ chảy quamembrane bởi áp suất Các phần tử có kích thước lớn hơn hoặc bằng đường kính lỗ maoquản sẽ bị giữ lại bên trên bề mặt hoặc bên trong membrane Theo thời gian các phần tử

đó sẽ tích tụ, làm tăng trở lực của quá trình phân riêng và làm cho lưu lượng dòngpermeate giảm dần Để tiếp tục quá trình phân riêng, người ta phải thay hoặc vệ sinhmembrane

Hình14: Mô hình Dead-End (Dead-End Separation)Hai kỹ thuật membrane thường sử dụng mô hình này là: kỹ thuật vi lọc với lưu

lượng dòng permeate không đổi (Dead-end microfiltration with constant flux) và vi lọc với áp suất không đổi (Dead-end microfiltration with constant pressure drop) Trong kỹ

thuật vi lọc với lưu lượng dòng permeate không đổi, người ta phải thay đổi áp lực đảmbảo lưu lượng dòng permeate ổn định trong khi trở lực lọc tăng dần.Ngược lại, trong kỹthuật vi lọc với áp suất không đổi, lưu lượng dòng permeate sẽ giảm dần do trở lực lọctăng dần theo thời gian Đây là mô hình chỉ sử dụng trong các phòng thí nghiệm dùng đểxử lý các dung dịch có thể tích nhỏ

 Giới thiệu mô hình Dead-end kết hợp chế độ lưu lượng dòng không đổi

và áp suất qua màng không đổi.

Hình 15 Mô hình lọc dead-end với lưu lượng dòng không đổi kết hợp với áp

suất không đổi

Chú thích:

1 Bồn nhập liệu 2 Thiết bị trao đổi nhiệt 3 Bơm quay 4 Frequency inverter.

5 Lưu tốc kế 6 Bộ chuyển đổi áp suất 7 Thiết bị membrane 8 Cân đĩa.

9 Van điện không 10 Bản điều khiển 11 Bơm nhu động.

Hình 14 mô tả một sơ đồ vận hành theo mô hình dead-end với lưu lượng dòng khôngđổi kết hợp với áp suất không đổi Khi vân hành với chế độ lưu lượng dòng permeatekhông đổi: ở đầu ra của dòng permeate người ta sẽ kết nối với bơm nhu động 11, hồi lưumột phần dòng permeate về bồn nhập liệu 1 để đảm bảo lưu lượng dòng permeate luônkhông đổi trong suốt quá trình vận hành Trong trường hợp vận hành với áp suất khôngđổi, bơm nhu động 11 sẽ không nối với đầu ra của dòng permeate Lúc này, lưu lượngdòng nhập liệu, áp suất, vận tốc dòng nhập liệu, nhiệt độ vận hành sẽ được điều chỉnh vớicác giá trị tương ứng

Harit K và cộng sự (2001) đa tiến hành thử nghiệm mô hình này trong phòng thínghiệm Ban đầu, mô hình được thực hiện dưới lưu lượng dòng permeate không đổi chođến khi áp suất màng đạt đến giá trị 100kPa Sau đó mô hình được chuyển sang vận hànhdưới chế độ áp suất không đổi là 100kPa Mô hình tiếp tục vận hành cho đến khi đạt đượccác giá trị mong muốn về độ phân riêng và lưu lượng dòng permeate Mặt khác, Harit Kvà cộng sự (2001) cũng đa tiến hành vận hành mô hình với áp suất không đổi trước sau đóvận hành với chế độ lưu lượng không đổi

Ưu điểm của mô hình vận hành này là bổ sung những hạn chế cho nhau, giúp cảithiện độ phân riêng và lưu lượng dòng permeate do làm giảm hiện tượng tập trung nồngđộ và hiện tượng tắt nghẽn màng lọc.

2.1.2 Mô hình Cross-Flow (Cross-flow Separation)

Cross-flow là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy song song với bề mặtmembrane Dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ điqua membrane nhờ áp lực của bơm và tạo thành dòng permeate, các phần tử còn lạikhông đi được qua membrane sẽ tiếp tục chảy ra ngoài tạo thành dòng retentate, đồng thờidòng này sẽ kéo theo các phần tử bám trên bề mặt membrane Vì vậy, mô hình này ít bịtắc nghẽn hơn so với mô hình Dead-end và có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài

Hình 16: Mô hình Cross-Flow (Cross-Flow Separation)

2.2 PHÂN LOẠI DỰA VÀO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ.

2.2.1 Mô hình đơn giản.

Trong mô hình này, nguyên liệu từ bồn chứa sẽ được bơm đưa vào thiết bịmembrane Chúng ta thu được hai dòng sản phẩm ra là permeate và retentate Khi đó, thờigian lưu của các cấu tử trong thiết bị membrane là ngắn nhất Thật ra, mô hình này chỉthích hợp khi không đòi hỏi tốc độ dòng cao và các cấu tử trong nguyên liệu không tươngtác với vật liệu membrane, dẫn đến hiện tượng nghẹt các lỗ mao dẫn

Hình17: Mô hình đơn giản

2.2.2 Mô hình nhiều giai đoạn.

Ở quy mô công nghiệp, người ta sử dụng mô hình từ 3 đến 8 giai đoạn Số bơm hồilưu sử dụng sẽ bằng với số giai đoạn trong mô hình Ở giai đoạn đầu, tốc độ dòng đạt giátrị cao nhất nhưng nồng độ cấu tử trong dòng retentate thấp nhất Ngược lại, ở giai đoạncuối tốc độ dòng thấp nhưng nồng độ cấu tử trong retentate đạt giá trị cao nhất

Trong sản xuất, các mô hình phân riêng liên tục có thể hoạt động trong suốt 24 giờ.Sau khoảng thời gian này, chúng ta nên tạm ngưng hoạt động để tẩy rửa và vệ sinh thiết

bị Nếu không, sự tắc nghẽn các lỗ mao dẫn trong membrane dễ xảy ra Một số vi sinh vậtđược hấp phụ trên membrane sẽ phát triển dễ làm hư hỏng sản phẩm

Hình 18: Mô hình liên tục 3 giai đoạn

hư hỏng sản phẩn Như vậy, dòng permeate thu được sau khi ra khỏi thiết bị vi lọc coi như

đa được thanh trùng Từ đó, dòng permeate có thể làm nguyên liệu cho các quá trình côđặc tiếp theo như siêu lọc hay thẩm thấu ngược Do đó, sự kết hợp này đa làm tăng hiệuquả của quá trình membrane và độ cô đặc cho sản phẩm

Dưới đây là các ví dụ về mô hình kết hợp các kỹ thuật membrane, trong đó kỹthuật vi lọc đóng vai trò như một quá trình tiền xử lý để làm trong và tách vi sinh vật chonước trái cây.

Hình 19: Ví dụ về sự kết hợp các kỹ thuật membrane trong cô đặc nước ép quả.

Hình trên là mô hình sản xuất nước cam ép cô đặc bằng kỹ thuật membrane đượcnghiên cứu bởi Walker (1990) Nước cam ép thu được sẽ cho qua thiết bị vi lọc Sau đódòng permeate được nhập vào thiết bị HR-RO (High-rejection), mô hình sợi rỗng (hollowfiber module), vật liệu membrane là PA ở áp suất 10.2 – 13.5MPa, nhiệt độ là 10oC Dòngretentate ra khỏi thiết bị HR-RO được cho vào làm dòng nhập liệu của thiết bị LR-RO(Low-rejection membrane) Thiết bị LR-RO có thể là một hệ liên tiếp của hai hay nhiềuthiết bị Dòng retentate sau khi ra khỏi thiết bị LR-RO thứ hai có nồng độ đường làkhoảng 63oBrix được trộn với dòng retentate của thiết bị MF đa qua thanh trùng để đượchỗn hợp sản phẩm có nồng độ là 54oBrix Và sản phẩm có chất lượng về mùi vị cao hơnrất nhiều so với các phương pháp chế biến bằng nhiệt khác, và sản phẩm có chất lượngtương tự với nước ép trái cây tươi

MF

Hình 20: Mô hình kết hợp kỹ thuật vi lọc và thẩm thấu ngược sản xuất nước cam

ép

Theo mô hình trên, đầu tiên dịch ép được lọc bằng kỹ thuật vi lọc (Cross flowMicrofiltration - CFM), vật liệu membrane là ceramic với đường kính lỗ trung bình là0.21 µm và diện tích lọc là 0.22m2 Không có quá trình tiền xử lý với enzyme Quá trình

MF là quá trình liên tục, khi tỉ lệ giảm thể tích đạt 3.5 thì lấy dòng retentate liên tục đểVRR được giữ ở một giá trị ổn định, nguyên liệu được đưa và liên tục và sản phẩm đượctháo liên tục Phần permeate được thu và sau đó được cô đặc bằng thiết bị OD Kết quả

cho thấy:

Đối với quá trình lọc MF

- Các tính chất về dinh dưỡng và hóa lý rất gần giống với nước ép ban đầu

- Hàm lượng đường và các acid hữu cơ không khác nhiều so với trong nước ép tươi

- Tỉ lệ đường/acid trong dòng permeate không đổi

- Hàm lượng vitamin C không thay đổi đáng kể

- Trong dòng permeate không có carotenoid

- Sau khi lấy mẫu đi kiểm tra chỉ tiêu vi sinh thì không nhận thấy sự phát triển của visinh vật

2.2.3.2 MÔ HÌNH KẾT HỢP KỸ THUẬT VI LỌC VÀ CÁC KỸ THUẬT HẠN CHẾ HIỆN TƯỢNG TẮT NGHẼN MÀNG LỌC.

Ngoài các mô hình trên, trong thực tế người ta còn áp dụng nhiều mô hình kháctrong đó có kết hợp với các kỹ thuật nhằm hạn chế hiện tượng tắt nghẽn màng lọc và hiệntượng tập trung nồng độ Một trong số đó là mô hình hồi lưu toàn phần dòng retenate cókết hợp kỹ thuật Lumen flush

Kỹ thuật Lumen flush: được sử dụng để hạn chế hiện tượng tắt nghẽn màng lọc

và hiện tượng tập trung nồng độ Van của dòng permeate sẽ bị khóa lại trong thời gianngắng khoảng 5 giây Khi đó lực xuất hiện từ hướng dòng permeate, nhờ đó các cấu tử bịhấp phụ lên màng sẽ bị đẩy ngược trở lại phía dòng retentate, đồng thời, áp lực từ phíadưới cũng sẽ phá vỡ lớp biên do hiện tượng tập trung nồng độ gây ra trên bề mặtmembrane

Nguyên tắt hoạt động: cung cấp một áp lực nhỏ lên bề mặt membrane theo

phương dòng permeate, chính áp lực này tạo ra một lực cưỡng bức để đẩy các cấu tử bịhấp phụ trong mao quản và trên bề mặt màng, gây ra hiện tượng tắt nghẽn trở lại dòngretentate Biện pháp này thường áp dụng khi membrane bị tắt nghẽn nặng, áp dụng để làmsạch các mao quản Ưu điểm của phương pháp này là không gây hư hỏng màng lọc

CHƯƠNG 3

CÁC YẾU TỐ ÀNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN

RIÊNG BẰNG KỸ THUẬT VI LỌC.

1.GIỚI THIỆU CÁC HIỆN TƯỢNG THƯỜNG XẢY RA TRONG QUÁ TRÌNH PHÂN RIÊNG BẰNG MÀNG.

Trong kỹ thuật phân riêng bằng màng nói chung và kỹ thuật vi lọc nói riêng luônxảy ra một số hiện tượng làm hạn chế hiệu quả phân riêng của màng Những hiện tượngnày cũng chính là một trong những nguyên nhân chính khiến cho kỹ thuật phân riêngbằng màng khó ứng dụng vào trong công nghiệp Một trong số hiện tượng thường xuyênxảy ra nhất là hiện tượng tắt nghẽn màng lọc, hiện tượng tập trung nồng độ trên bề mặtmàng Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân riêng của membrane đều liên quan đến

hai hiện tượng này

1.1 Hiện tượng tắt nghẽn membrane (fouling).

Hình 21: Hiện tượng tắt nghẽn màng membrane

Hiện tượng tắt nghẽn màng lọc (fouling) là hiện tượng xảy ra do sự hập phụ hay tương tác giữa các cấu tử vào vật liệu chế tạo membrane trong quá trình vận hành

Hiện tượng này xảy ra khi có sự lắng đọng và tích tụ của các thành phần của dòngnhập liệu trên bề mặt membrane hay trên các mao quản của màng, chúng có thể làm giảm

khả năng thẩm thấu qua màng của dung dịch, ví dụ: các phần tử huyền phù, các chất hòatan mà không thấm qua membrane được, hay thậm chí là các chất tan có thể thấm qua Chúng bít các mao quản hay làm giảm kích thước của các mao quản, bởi sự hình thànhlên các lớp tích tụ gây trở lực cho dòng chuyển qua membrane Sự sút giảm dòngpermeate theo thời gian có thể gây ra sự tổn thất đáng kể hiệu suất của quá trìnhmembrane

1.2 Hiện tượng tập trung nồng độ bề mặt.

Hiện tượng tập trung nồng độ bề mặt là hiện tượng các chất hòa tan, các chất keohay các chất có khối lượng phân tử lớn có khuynh hướng tập trung ở bề mặt membranedưới tác động của áp lực trong quá trình vận hành Sự hình thành này dẩn đến sự hìnhthành lớp biên nồng độ Trong quá trình vận hành, các cấu tử ở lớp biên nồng độ vừa bịdòng permeate kéo theo qua màng do chênh lệch áp suất ở hai bên màng, vừa bị khuếchtán ngược trở lại vùng ngoại biên do sự chênh lệch nồng độ

Hiện tượng tập trung nồng độ làm tăng trở lực dòng permeate Do đó sẽ làm giảmlưu lượng dòng permeate Trong một số trường hợp lớp biên này có thể tăng độ phânriêng của màng, một số trường hợp sẽ có tác động ngược lại

THUẬT VI LỌC.

Cơ chế của quá trình phân riêng rất phức tạp, nó liên quan đến tương tác vật lý, hóahọc giữa membrane và các cấu tử có trong nguyên liệu và chế độ làm việc của quá trình(Mallevialle và cộng sự, 1996) Trong phạm vi đề tài này, ta cần quan tâm đến các yếuảnh hưởng lưu lượng dòng permeate và khả năng phâm riêng của màng vi lọc, đặc biệt làkhả năng tách vi sinh vật từ dòng nhập liệu

2.1 ẢNH HƯỞNG CỦA BẢN CHẤT MEMBRANE.

Trong các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế quá trình phân riêng bằng membrane, yếu tốtác động đầu tiên là bản chất của membrane Cụ thể là ảnh hưởng thông qua vật liệu chế

tạo, tính hóa nước hay kỵ nước, điện tích trên bề mặt membrane,…Đó là những đặc tínhquan trọng của membrane ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình phân riêng.

permeate và khả năng phân riêng của màng.

 K Riedl và cộng sự (1998) đa nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúcmembrane đến hiệu quả của quá trình vi lọc nước táo Thí nghiệm đa tiến hành so sánhgiữa 4 loại màng chế tạo từ các loại vật liệu: nylon, polysulfone (PS), polyvinylidenefluoride (PVDF) và polyethersulfone (PES) Các thí nghiệm được bố trí theo mô hìnhdead-end và cùng điều kiện vận hành Lưu lượng dòng permeate khi sử dụng màng chếtạo bằng PES và PVDF thì tổng lưu lượng cao hơn sao với hai loại màng còn lại

Hình 22: Ảnh hưởng của vật liệu chế tạo màng đến khối lượng của dòng permeate thu

được theo thời gian