Sơ đồ MCRB liên tục trong sản xuất acid lactic- 123docz.net

1- bình lên men; 2- membrane MF; 3- bình chứa dòng permeate; 4- bình chứa môi trường; 5- bộ phận chỉnh pH; 6, 7, 8- bơm

− Bình lên men (Shanghai Guoqiang Equipment Company, PR China) có cài đặt các đầu dò pH, DO, nhiệt độ, bọt.

− Membrane MF làm bằng chất liệu PDVF ái nuớc (Pellicon® 2 filter, 0.45μm, 0.1m2, Milipore, USA). Thiết bị membrane này được gắn vào khung thép không rỉ Pellicon (Milipore), cố định trên đó 3 van áp suất ở đường vào và đường ra. Có thể làm sạch và tiệt trùng membrane ngay trong quá trình vận hành hệ thống.

− Bơm màng chắn hoạt động bằng khí nén (P.025, USA) sử dụng để tạo lực cho dòng chảy qua màng. Tốc độ tiếp tuyến của membrane được điều khiển bởi đồng hồ điện tử đo lưu lượng (AMF 10103, Anjun E-tech, China) và van sử dụng màng chắn

(Bioengineering, Switzerland) được đặt giữa bơm và module màng. Các ống trong hệ thống đều chịu được áp lực.

− Cách vận hành hệ thống tương tự như đã trình bày trong chương 1. b. Phương pháp

− Sử dụng giống vi sinh vật Lactobacillus paracasei

− Môi trường cho lên men gồm: glucose, peptone, chất chiết nấm men YE, natri acetate, muối magie – mangan – sắt sulfate, natri clorua.

− Glucose ban đầu cho vào là 100g/L, nồng độ glucose sót điều chỉnh về 5g/L.

− Hệ thống MCRB được bắt đầu vận hành từ quá trình lên men tĩnh trước, kéo dài khoảng 8-10h sau khi cấy giống. Thể tích làm việc của bình lên men được giữ không đổi bằng cách bổ sung môi trường để cân bằng với dòng permeate qua membrane. Điều kiện nuôi cấy trong MCRB khoảng 410C, tốc độ cánh khuấy 210rpm, pH điều chỉnh về 6. Giá trị oxy hòa tan trong canh trường (DO) được giữ ở 5% so với mức bão hòa. Trong suốt quá trình, canh trường được lấy mẫu cách mỗi 3-4h.

− Giá trị tốc độ pha loãng D ổn định trong 100h đầu là 0.3h-1, 20h tiếp theo người ta nâng lên 0.4h-1, và sau đó lại chỉnh về 0.3h-1.

− Tốc độ tiếp tuyến giữ ổn định ở 0.75m/s. − Làm sạch và tiệt trùng hệ thống membrane:

Làm sạch bằng dung dịch 5L NaOCl, có chứa 250ppm chlorine hoạt tính được pha loãng với nước. Nhiệt độ làm sạch ở 40-500C. Sau khoảng 30-50phút, rửa lại membrane bằng 2L nước vô trùng để loại bỏ NaOCl còn sót trong thiết bị. Cả hệ thống được làm sạch và tiệt trùng với áp suất trong - ngoài của dòng nước ngược và áp suất dòng permeate được cài đặt lần lượt ở 1.5-2bar, 0.3 bar, 0 bar, tổng thời gian thực hiện khoảng từ 0.6-1h.

c. Kết quả

Kết quả quá trình lên men trong MCRB với cấu tạo như trên được thể hiện trong hình 3.2

Hình 3.2. Đánh giá hàm lượng acid lactic sinh ra, sinh khối tế bào và hiệu suất quá trình khi thực hiện ở MCRB trong 155.5h

Có thể thấy rằng hệ thống được lên men liên tục khá ổn định trong 150h. Hơn nữa, có quá trình làm sạch và tiệt trùng (đã nêu chi tiết ở phần b), quá trình lọc trên membrane được cải thiện nhanh chóng, trở lực chỉ tăng 2-8% trong khi lọc. Nồng độ acid lactic trong phương pháp lên men này chỉ bằng ½ so với phương pháp lên men fed-batch, nhưng giá trị tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm và sinh khối OD620 tăng cao. Xét ở giá trị D=0.3h-1, OD620

(98.7) tăng gấp 6 lần và tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm (31g/L.h) tăng gấp 10 lần so với lên men fed-batch. Khá rõ ràng là việc tách acid lactic từ canh trường lên men rất hiệu quả cho cả sự phát triển vi khuẩn cũng như là sự sinh tổng hợp sản phẩm acid lactic.

Trong suốt giai đoạn nuôi cấy tĩnh ban đầu, tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm tăng cùng lúc với sự gia tăng giá trị OD620. Tuy nhiên, ở giai đoạn MF, mối quan hệ này không rõ ràng. Trong khi giá trị OD620 tăng 3.7 lần từ 20-40h, tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm vẫn không thấy tăng lên rõ. Richter và Nottelmann (2004) đã quan sát kết quả và cho rằng việc tăng nồng độ sinh khối quá giá trị cân bằng sẽ không cải tiến được sản lượng acid lactic trong lên men cùng với việc giữ lại toàn bộ tế bào. Kết quả này chỉ ra được rằng không phải tế bào vi sinh vật nào cũng hiệu quả cho việc sản xuất acid lactic.

d. So sánh với các mô hình khác

Đáng được quan tâm nữa là khi đối chiếu hệ thống MCRB ở trên (sử dụng bơm màng chắn và điều khiển tốc độ dòng chảy tiếp tuyến) với các hệ thống MCRB khác, ta thu được kết quả dưới đây:

Bảng 3.2. So sánh kết quả giữa 3 hệ thống MCRB

Các thông số

MCRB với bơm nhu động MCRB với bơm có màng chắn

MCRB với bơm có màng chắn và đồng hồ điện tử đo lưu lượng (mô hình đã phân tích) Tốc độ tiếp tuyến (m/s)

Áp suất truyền cực đại (bar) Tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm cực đại (g/L.h)

Hiệu suất sản phẩm cực đại OD620 cực đại

Thời gian (h) Nguy cơ nhiễm vsv

- 2.9 25.7 0.86 75.8 56 Ống bể - 4.6-5.6 28.2 0.86 80 85 Tắc nghẽn 0.75 5-6 31.5 0.85 98.7 155.5 Không có nguy cơ. Trong khi bơm nhu động (Longer precision pump company, China) được sử dụng để tạo lực đẩy dòng chảy qua màng, các ống dẫn sẽ bị nứt thủng và mài mòn rất nhanh, kết quả là làm bể ống dẫn khi tăng tốc độ rotor của bơm quá cao. Đối với MCRB dùng bơm nhu động, giá trị OD620 tăng 75.8 ở 56h, lực truyền tăng khoảng 2.9 bar. Rõ ràng, các ống trương nở và loãng hơn, sau đó là nứt vỡ nhanh chóng. Lên men bị gián đoạn khi xảy ra nhiễm trên các ống bị thủng.

Vấn đề này có thể được xử lý bằng cách thay bơm nhu động bằng bơm có màng chắn. Các ống chịu áp suất được thay cho các ống mềm, từ đó quá trình vận hành trên bơm có màng chắn cũng khác. Hệ thống này chạy đảm bảo trong thời gian dài với lực truyền có thể lên 6 bar. Hơn nữa, hệ thống có màng chắn cho phạm vi dòng chảy rộng hơn. Có thể thấy ở bảng trên là hiệu suất cực đại và giá trị OD620 của MCRB có màng chắn cao hơn so với MCRB có bơm nhu động (nhưng không nhiều).

Tuy nhiên, nếu chỉ một mình bơm có màng chắn cũng không giải quyết được mọi vấn đề bởi vì membrane của cả hai hệ thống bị tắc rất nhanh. Dòng permeate giảm từ 9.6L/h.m2

còn 2.7 L/h.m2 trong 82h nuôi cấy. Tiến hành đo độc lập sau khi kết thúc quá trình, tốc độ dòng chảy do bơm phát ra khoảng 18L/h (tương đương với tốc độ tiếp tuyến 0.19m/s), thấp hơn nhiều so với tốc độ dòng chảy chuẩn là 72L/h (tương đương với tốc độ tiếp tuyến 0.75m/s) yêu cầu của membrane. Điều này cho thấy membrane dễ bị tắc nghẽn nhanh chóng trong quá trình vận hành.

Vì vậy, giữ được tốc độ tiếp tuyến của membrane là một trong những phương pháp thành công để tránh các hiện tượng này. Canizares et al. (2005) nghiên cứu việc cài thêm cần thép bên trong membrane ống ceramic, cho thấy giảm đường kính thủy lực (D=4A/U) có thể cải tiến được tốc độ tiếp tuyến, nhằm tránh hiện tượng phân cực và làm giảm tắc nghẽn. Rossignol et al. (1999) nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ tiếp tuyến đến dòng permeate.Kết quả cho thấy dòng permeate tăng khi tăng tốc độ tiếp tuyến. Hơn nữa, Levente L. Diosady và Taya Puzanov (2005) chỉ ra rằng dòng lọc tiếp tuyến có thể cho nồng độ sinh khối cao vì tế bào vi sinh vật liên tục được hồi lưu về bình lên men. Mật độ tế bào mà nhiều không chỉ làm gia tăng sản lượng acid lactic mà còn giảm thiểu nguy cơ nhiễm bởi vi sinh vật từ môi trường bên ngoài. Vì vậy, hệ thống có mật độ tế bào cao sẽ làm tăng hiệu quả trong sản xuất acid lactic.

Tuy nhiên vẫn chưa dừng lại ở đó, đồng hồ điện tử đo lưu lượng có thể đo tốc độ dòng chảy trực tiếp khi hệ thống đang vận hành. Đồng hồ này có nhiều tính chất thích hợp như đảm bảo độ kín và có thể được tiệt trùng trực tiếp bằng hóa chất hay bằng hơi nước. Hơn nữa, do điều khiển tốc độ dòng chảy trực tiếp trên hệ thống, tốc độ tiếp tuyến cũng được điều chỉnh ở mức độ thích hợp. Với hệ thống này, kết quả thu được là tốt nhất với tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm đạt cực đại là 31.5g/L.h và giá trị OD620 lên đến 98.7, hơn nữa, quá trình vận hành liên tục trong khoảng thời gian rất dài, kéo đến 155.5h.

2. Mô hình MBR với 2 membrane đồng trục nằm bên trong bình lên men (H. Moueddeb et al. 1996)

a Mô hình cụ thể : được mô tả như sau

Sơ đồ MCRB liên tục trong sản xuất acid lactic

Thành phần môi trường

Thành phần môi trường