Nồng độ của glucozơ trong dung dịch đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo quang, sử dụng thuốc thử DNS (axit 3,5 - đinitro salicylic).
Cơ sở của phƣơng pháp
Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở là phản ứng tạo màu giữa đƣờng glucozơ và DNS, cƣờng độ màu của hỗn hợp phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ đƣờng glucozơ trong phạm vi nhất định. So màu tiến hành ở bƣớc sóng 540 nm. Dựa trên đồ thị đƣờng chuẩn của glucozơ tinh khiết với thuốc thử DNS tính đƣợc hàm lƣợng đƣờng trong mẫu phân tích.
Phƣơng trình phản ứng tạo màu giữa đƣờng glucozơ và DNS:
Thiết bị
- Máy đo quang Agilent 8453 tại phòng thí nghiệm Hóa phân tích, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Cuvet thạch anh d = 1 cm
Phƣơng pháp tiến hành - Pha thuốc thử DNS:
Cân 3,532 g DNS cho vào 472 ml nƣớc cất. Tiếp tục cân 6,6656 g NaOH (khan), 102 g muối tartrat kép (khan) và 2,77 g Na2S2O5 (khan) đổ vào cốc đó. Khuấy đều cho tan hết, có thể gia nhiệt đến 500C cho hỗn hợp tan hoàn toàn.
Sau khi hỗn hợp tan hoàn toàn, cho 2,53 g phenol vào dung dịch (không cần chính xác có thể cho vài giọt). Trộn đều, đựng trong lọ thủy tinh sẫm màu và để trong bóng tối 1 ngày để ổn định. Sau khi để ổn định, chuẩn 3 ml thuốc thử DNS bằng HCl 0,1 N với chỉ thị phenolphtalein. Nếu thấy tốn 5-6 ml HCl là đƣợc.
10. Thiết bị đo quang Agilent 8453 tại PTN Hóa phân tích, trường ĐHBK Hà Nội
- Dựng đồ thị đƣờng chuẩn của glucozơ:
Pha một dãy dung dịch glucozơ chuẩn với hàm lƣợng glucozơ trong khoảng 0,12 g/l ÷ 0,48 g/l
Chuẩn bị mẫu phân tích gồm 2 ml dịch đƣờng + 1 ml DNS, cho vào ống nghiệm, nút chặt, cho vào đun sôi cách thủy 5 phút, lấy ra làm nguội rồi đem đo OD tại bƣớc sóng 540 nm
Mẫu trống là nƣớc cất 2 lần
Kết quả đồ thị đƣờng chuẩn của glucozơ nhƣ ở hình 12 (số liệu đƣợc đƣa ra ở phụ lục 2).
- Xác định hàm lƣợng glucozơ trong mẫu:
Pha loãng mẫu sao cho hàm lƣợng đƣờng nằm trong khoảng 0,12 g/l ÷ 0,48 g/l, rồi tiến hành đo xác định nhƣ trên
Dựa vào đồ thị đƣờng chuẩn tra đƣợc hàm lƣợng glucozơ trong mẫu phân tích X (g/l)
Nồng độ glucozơ của mẫu cần đo đƣợc tính nhƣ sau:
Cn.X (g/l) Trong đó n là tỷ lệ pha loãng.
12. Đồ thị đường chuẩn của glucozơ 3.5. XỬ LÝ SỐ LIỆU 3.5.1. Dòng qua màng Dòng qua màng đƣợc tính nhƣ sau: 2 p m V J ( l m .s ) A . (1.41) Trong đó: Jp – dòng qua màng, l/m2.s
V – thể tích dung dịch qua màng thu đƣợc , l
- thời gian thí nghiệm, s
Am – diện tích màng, m2 với Am = 0,00785 m2
3.5.2. Độ chọn lọc
- Độ chọn lọc đối với glucozơ: p
0 r C R 1 C (1.42)
- Tỷ lệ thu hồi axit lactic: r p C
Phần 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CỦA MÀNG
Tiến hành thí nghiệm với nƣớc cất, xây dựng mối quan hệ giữa lƣu lƣợng dòng qua màng và áp suất làm việc có thể tính đƣợc độ thẩm thấu của dung môi nguyên chất (nƣớc cất) A, từ đó xác định đƣợc trở lực của màng sạch (màng ban đầu). Đây là một thông số có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá trở lực của quá trình.
13. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa lưu lượng dòng qua màng theo áp suất làm việc của nước cất
Theo phƣơng trình (1.5), độ dốc của đồ thị chính là độ thẩm thấu của dung môi nguyên chất. Ta có A = 0,908.10-11 m.s-1Pa-1 → Rm = 1,1013.105 MPa.s.m-1
Với thông số Jp và pmax nhà sản xuất đƣa ra ta có: Rm = 0,4177.103 MPa.s.m-1. Sự sai khác này là do sự trƣơng nở của màng.
4.2. ẢNH HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT QUA MÀNG
Tiến hành thí nghiệm với hai dung dịch có nồng độ ban đầu khác nhau: M1 (12 g/l glucozơ và 1,5 g/l axit lactic) và M2 (4,5 g/l glucozơ và 9,5 g/l axit lactic), thay đổi áp suất qua màng từ 1,0 ÷ 3,5 kgf/cm2
thu đƣợc kết quả đƣợc thể hiện trên đồ thị hình 14, hình 15, hình 16.
Hình 14 thể hiện mối quan hệ giữa lƣu lƣợng dòng qua màng và áp suất qua màng. Kết quả cho thấy, lƣu lƣợng tăng tuyến tính với chênh lệch áp suất qua màng từ 1,0 ÷ 3,5 kgf/cm2, phù hợp với phƣơng trình (1.5) và tuân theo định luật Hagen– Poiseuille. Kết quả này cũng cho thấy lƣu lƣợng qua màng của dung dịch thấp hơn đối với dòng dung môi.
14. Ảnh hưởng của áp suất qua màng đến lưu lượng dòng qua màng với hai mẫu M1 và M2
Lƣu lƣợng dòng qua màng tuân theo định luật Hagen–Poiseuille: v m c P J R R (1.43)
Do chênh lệch áp suất thẩm thấu Δπ gây ra bởi quá trình phân tách của dung dịch và dung môi khác nhau đồng thời độ nhớt của dung dịch lớn hơn của dung môi dẫn đến lƣu lƣợng dòng qua màng của dung môi lớn hơn của dung dịch. Từ kết quả hình 14, có thể thấy rằng trong phạm vi nghiên cứu cặn màng ảnh hƣởng đáng kể đến lƣu lƣợng dòng qua màng và hiện tƣợng phân cực nồng độ cũng có tác động không đáng kể.
Hình 15, hình 16 thể hiện ảnh huởng của áp suất qua màng đến độ chọn lọc của glucozơ và tỷ lệ thu hồi axit lactic. Qua đó nhận thấy, khi áp suất qua màng tăng thì độ chọn lọc cũng tăng theo do nồng độ chất tan trong dòng thấm qua giảm.
15. Ảnh hưởng của áp suất qua màng đến độ chọn lọc glucozơ trong mẫu 1 và dung dịch chỉ chứa glucozơ
16. Ảnh hưởng của áp suất qua màng đến tỷ lệ thu hồi axit lactic
Cũng từ hình 15 cho thấy, khi trong dung dịch có mặt axit lactic, độ chọn lọc của glucozơ giảm so với trƣờng hợp dung dịch chỉ chứa glucozơ. Hiện tƣợng quan sát đƣợc có thể giải thích dựa vào nhiều giả thiết khác nhau. Do glucozơ là chất tan không điện ly nên độ chọn lọc chịu ảnh hƣởng của hiện tƣợng loại trừ kích thƣớc. Theo đó, độ chọn lọc của glucozơ giảm có thể do sự trƣơng nở của màng hoặc bán kính thủy động học của glucozơ giảm. Sự trƣơng nở của màng có thể giải thích là do mật độ điện tích của màng thay đổi khi có mặt của một chất điện ly (ở đây là axit lactic). Nồng độ của ion trái dấu trong lớp điện tích của màng tăng tạo nên lớp điện tích kép trên bề mặt màng dẫn đến có thể gây ra trƣơng nở màng. Mặt khác, hiện tƣợng giảm bán kính thủy động của glucozơ có thể do tƣơng tác giữa các chất tan trong dung dịch. Trong dung dịch hỗn hợp chứa glucozơ và axit thì axit sẽ bị solvat hóa mạnh hơn, vì thế thể tích biểu kiến của glucozơ có thể nhỏ hơn của axit nên dễ dàng qua màng hơn, dẫn đến độ chọn lọc giảm.
Bảng 4. Đặc điểm của các ion và chất tan trong dung dịch Hợp chất Công thức KLPT (g/mol) D∞ (10-10m2s-1) Bán kính Stokes rs(nm) Glucozơ 180 6,9 0,365 Lactat 89 10,6 0,23 H+ - 1 93,11 0,184
4.3. ẢNH HƢỞNG CỦA LƢU LƢỢNG DÒNG QUA MÀNG
Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng dòng qua màng đến độ chọn lọc của glucozơ và tỷ lệ thu hồi axit lactic đƣợc thể hiện trên hình 17, hình 18.
Kết quả cho thấy độ chọn lọc tăng lên khi dòng qua màng tăng. Điều này có thể giải thích bằng hiệu ứng pha loãng. Khi dòng qua màng tăng trong khi dòng chất tan đƣợc giữ không đổi thì dòng qua màng tăng sẽ pha loãng nồng độ chất tan trong dòng qua màng và vì thế dẫn đến hiệu quả tách cao hơn.
17. Mối quan hệ giữa lưu lượng dòng qua màng và độ chọn lọc của glucozơ
4.4. ẢNH HƢỞNG CỦA NỒNG ĐỘ ĐẦU
Theo kết quả nhƣ hình 14, khi nồng độ glucozơ trong dung dịch đầu tăng lên thì lƣu lƣợng dòng qua màng giảm xuống. Điều này là do khi nồng độ tăng thì áp suất thẩm thấu của các cấu tử cũng tăng lên, độ nhớt của dung dịch tăng dẫn đến tăng sự tƣơng tác phân tử, kết quả là tăng trở lực đối với dòng qua màng dẫn đến lƣu lƣợng giảm. Từ đây có thể nhận thấy độ chọn lọc của glucozơ cũng sẽ giảm theo.
Theo kết quả hình 16 và hình 18, khi nồng độ đầu của axit lactic tăng lên thì tỷ lệ thu hồi cũng tăng lên.
4.5. THẢO LUẬN
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, kết quả bƣớc đầu cho phép đánh giá đƣợc khả năng tách glucozơ và axit lactic. Glucozơ là chất tan không điện ly nên khả năng giữ lại glucozơ bởi màng chịu ảnh hƣởng của hiệu ứng không gian, do đó độ chọn lọc phụ thuộc bán kính thủy động ( ~ bán kính Stokes) và kích thƣớc thực của lỗ màng. Trong khi đó, axit lactic lại có khả năng phân ly trong dung dịch và chịu ảnh hƣởng bởi pH của dung dịch.
Lƣợng axit lactic không phân ly và anion lactat trong dung dịch đƣợc dựa trên cân bằng của axit lactic tại nhiệt độ làm việc và có thể tính toán đƣợc nhờ phƣơng trình Henderson – Hasselbalch: CH3CH(OH)COOH CH3CH(OH)COO- + H+ 3 a 3 CH CHOHCOO pH pK log CH CHOHCOOH (1.44)
Tại pH nhỏ hơn pKa axit lactic tồn tại dƣới dạng không phân ly, trong khi tại giá trị pH cao hơn pKa axit lactic lại tồn tại hoàn toàn dƣới dạng phân ly vì thế ảnh hƣởng đến độ chọn lọc do màng tích điện. Giá trị pKa của axit lactic ở 250C là 3,86. Tại pH = 2,7 chỉ 6,47% axit lactic phân ly, ngƣợc lại 93,25% axit lactic phân ly tại pH = 5 và 99,28% tại pH = 6. pKa của axit lactic giảm theo nhiệt độ, tại 400C thì pKa đƣợc dự đoán khoảng 3,67 [7].
Độ pH của dung dịch M1 đo đƣợc là 2,95. Do đó, axit lactic phân ly rất ít trong dung dịch nên trong trƣờng hợp đƣợc coi là chất tan không điện ly, vì thế nó bị giữ lại bởi hiệu ứng không gian và có kích thƣớc đủ nhỏ để thấm qua màng. Tuy nhiên, trong dung dịch vẫn tồn tại một lƣợng nhỏ ion lactat. Cơ chế giữ lại các phần tử mang điện thƣờng đƣợc giải thích là sự kết hợp giữa ảnh hƣởng của kích thƣớc và tƣơng tác điện tích giữa màng và chất tan.
Nhƣ chúng ta đã biết, dịch lên men thu đƣợc không chỉ chứa sản phẩm chính là axit lactic, glucozơ dƣ còn chứa các ion nhƣ 2 3 2 2
4 4
SO ,PO ,Ca ,Mg ,Na ... Khả năng tách các ion này trong dung dịch bằng màng NF đã đƣợc đề cập trong nghiên cứu trƣớc đó của tác giả về dung dịch điện ly [13]. Nhìn chung, từ nghiên cứu này có thể chỉ ra đƣợc rằng lọc Nano có khả năng ứng dụng cao trong quá trình sản xuất axit lactic từ dịch lên men.
Từ các kết quả nghiên cứu thu đƣợc, đề tài đề xuất các bƣớc nghiên cứu tiếp theo nhƣ sau:
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của các chất tan và ion có mặt trong dịch lên men đến độ chọn lọc của glucozơ và axit lactic
- Đánh giá và định lƣợng hiện tƣợng cặn màng
- Sử dụng các công cụ mô phỏng cũng nhƣ tính toán để dự đoán độ chọn lọc của các cấu tử cũng nhƣ năng suất lọc của màng (phụ lục 3)
- Tiến hành nghiên cứu quá trình với dung dịch lên men thực, đánh giá hiệu quả phân tách và chi phí kinh tế
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận văn đã nghiên cứu cơ chế của quá trình lọc nano, các mô hình toán mô tả quá trình chuyển khối cũng nhƣ các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình lọc nano tách đƣờng ra khỏi dung dịch chứa glucozơ và axit lactic, đó là chênh lệch áp suất qua màng, lƣu lƣợng dòng qua màng, nồng độ dung dịch đầu và rút ra đƣợc các kết luận sau:
- Đã chọn đƣợc phƣơng pháp phân tích glucozơ (phƣơng pháp đo quang) phù hợp và có độ tin cậy cao
- Màng lọc nano có thể sử dụng để tách glucozơ và axit lactic trong cùng một dung dịch
- Độ chọn lọc của glucozơ cũng nhƣ tỷ lệ thu hồi axit lactic chịu ảnh hƣởng lớn của áp suất làm việc, lƣu lƣợng dòng qua màng. Nhƣ vậy, độ chọn lọc của quá trình có thể thay đổi thông qua điều kiện vận hành.
- Kết quả thu đƣợc là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm mục đích có thể mô hình hóa cũng nhƣ tối ƣu hóa quá trình tách axit lactic từ dịch lên men bằng màng lọc nano. Nghiên cứu cũng sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu ứng dụng quá trình lọc nano cho các quá trình sản xuất các axit hữu cơ khác.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. W.Richard Bowen. Julian S. Welfoot (2002), ―Modelling the performance of membrane nanofiltration—critical assessment and model development‖,
Chemical Engineering Science 57, p. 1121 – 1137
2. W.Richard Bowen, Barrie Cassay, Peter Jones, Darren L.Oatley (2004), ―Modelling the performance of membrane nanofiltration – application to an industrially relevant separation‖, Journal of Membrane Science 242, p. 211- 220.
3. W. Bowen, A. Mohammad (1998), ―Diafiltration by nanofiltration: Prediction and optimization‖, AIChE Journal 44 (8), p.1799–1812.
4. B.Van der Bruggen, C.Vandecasteele (2002), ―Modelling of the retention of uncharged molecules with nanofiltration‖, Water Research 36, p.360–1368 5. Michael C.M. Cockrem, Pride D.Johnson (1993), ―Recovery of lactate esters
and lactic acid from fermentation broth‖, Patent number 5.210.296, USA. 6. Kovacs Z. (2008), Doctor Thesis, Linz.
7. M. Isabel Gonzáleza, Silvia Alvarezb, Francisco A. Rieraa, Ricardo Álvareza (2008), ―Lactic acid recovery from whey ultrafiltrate fermentation broths and artificial solutions by nanofiltration‖, Desalination 228, p.84–96. 8. S. Milcent, H. Carrère (2001), ―Clarification of lactic acid fer mentation
broths‖, Separation and Purification Technology 22-23, p.393 – 401.
9. A. I. Schafer, A. G. Fane, T. D. Waite (2005), Nanofiltration – Principle and Applications, Elsevier Advanced Technology, Oxford, UK.
10. K. Spiegler, O. Kedem (1966), ―Thermodynamics of hyperfiltration (reverse osmosis): criteria for efficient membranes‖, Desalination 1, p.311–326 11. J.M.K.Timmer (2001), Properties of nanofiltration membranes: model
development and industrial application, Technische Universiteit Eindhoven, Netherlands.
12. J.G. Wijmans, R.W. Baker (1995), ―The solution – diffusion model: a review‖, Jounal of Membranes Science 107, p.1 - 21.
13. Trịnh Thị Huyền Trang, Trần Thị Hiền, Nguyễn Minh Tân, ―Độ chọn lọc của màng lọc nano đối với các dung dịch điện ly‖, Tạp chí Hóa học, tập 49ABC, 2011
PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Sản phẩm của quá trình lên men axit lactic với các chủng vi sinh vật khác nhau
1.1. Phƣơng pháp và sản phẩm lên men sử dụng vi khuẩn axit lactic (Kandler, 1983)
Chủng vi khuẩn Phƣơng pháp lên
men Sản phẩm chính
Dạng đồng phân của axit lactic
Leuconostoc Dị hình Axit lactic (1) Axit axetic (1) CO2 (1)
D(-)
Bifidobacteria Dị hình Axit lactic (1) Axit axetic (1,5) L(+) Lactobacillus Dị hình (cơ chất là pentoza) Axit lactic (1) Axit axetic (1) L(+), D(-) và DL
Lactobacillus Đồng hình Axit lactic (2) L(+), D(-) và DL
Pediococcus Đồng hình Axit lactic (2) DL và L(+)
Streptococcus Đồng hình Axit lactic (2) L(+)
(1) Số mol sản phẩm tạo thành khi lên men 1 mol glucozơ
1.2. Sản phẩm chính và sản phẩm phụ của dịch lên men khi sử dụng chủng
Lactobacillus (L.) (Martin, 1996)
Chủng vi sinh vật Cơ chất Sản phẩm chính Sản phẩm phụ
L. bulgaricus Lactose D(-) Axit lactic Axetandehyt, Axeton, Điaxetyl, Etanol
L. helveticus Lactose DL - Axit lactic Axetandehyt, axit axetic, Axeton, Điaxetyl, Etanol
L. lactis Lactose D(-) Axit lactic Axetandehyt, Axeton, Điaxetyl, Etanol
L. acidophilus Glucozơ DL - Axit lactic Axetandehyt, Etanol
L. casei Lactose L(+) Axit lactic Axit axetic, Etanol
L. delbrueckii Glucozơ L(+) Axit lactic -
Phụ lục 2. Kết quả đƣờng chuẩn của glucozơ
Mẫu Nồng độ glucozơ (g/l) Abs <540nm> %Error
1 0,1202 0,54404 15,07 2 0,1803 0,85186 10,24 3 0,2404 1,1856 5,61 4 0,3005 1,6013 -0,8 5 0,3606 1,935 -2,94 6 0,4207 2,2151 -1,08
Phƣơng trình hồi quy thu đƣợc: A = 5,202.C với R2
= 0,995
d c t( ) i1 ii 1 T 0 i t while M i1 i