Axit axetic là một nguyên liệu hóa học hữu cơ quan trọng sử dụng chủ yếu cho sự tổng hợp của monome vinyl axetat và axetic làm dung môi cho sản xuất axit terephthalic tinh khiết. Trong tương lai nhu cầu sử dụng axit axetic được dự đoán sẽ tăng lên khi trên thị trường một số dẫn xuất axetate mới tăng. Ví dụ, canxi magie acetate là một thay thế muối clorua truyền thống dựa trên những con đường cho tan băng trong mùa đơng vì tính khơng ăn mịn và thuộc tính thân thiện với mơi trường của nó.
Ban đầu, axit axetic được sản xuất thơng qua q trình lên men hiếu khí ethanol với vi khuẩn Gram âm phân loại là Acetobacter. Quá trình này chủ yếu để sản xuất giấm. Do chi phí của q trình lên men hiếu khí cao nên q trình lên men kỵ khí thường sử dụng Clostridium thermoaceticum và đã được phát triển sau này. Trong quá trình lên men thơng thường, nồng độ acetate điển hình và năng suất của các q trình hiếu khí lần lượt là 29 g/L và 2,6 g/L/h; và các quá trình lên men yếm khí là 20g/L và 0,2- 0,3g/L/h. Phương pháp phổ biến nhất để tăng cường hàm lượng và năng suất acetate là thực hiện quá trình lên men trong các hệ thống liên tục với mật độ tế bào cao. Tuy nhiên, sự ức chế sản phẩm là một vấn đề. Ví dụ, một lị phản ứng khuấy liên tục (CSTR) cùng với một màng thấm lọc axit acetic (như MF hoặc UF) để duy trì tế bào, có thể vượt qua sự ức chế quá trình sản xuất.
Tất Cả các nghiên cứu được tiến hành tại quy mơ phịng thí nghiệm sử dụng trang bị CSTR với màng polymer sợi rỗng bên ngoài, ngoại trừ một nghiên cứu đã được tiến hành bằng cách sử dụng một lò phản ứng sinh học trang bị màng gốm đơi bên trong. Các cấu hình MBR sử dụng cho sản xuất acid acetic bao gồm một CSTR một giai đoạn (Hình 2.6a), CSTR hai giai đoạn (Hình 2.6b), kết hợp nhiều CSTR (Hình 2.6c), lị phản ứng CSTR hai giai đoạn (Hình 2.6d) và lị phản ứng sinh học được trang bị màng đơi gốm (Hình 2.6e). Hầu hết các nghiên cứu đã được tiến hành trong điều kiện hiếu khí với điều kiện nhiệt độ trung bình, trong khi hai nghiên cứu
đã được tiến hành trong điều kiện yếm khí và chịu nhiệt. Nồng độ tế bào trong MBRs có thể cao hơn nhiều so với các thiết bị lên men hàng loạt.
Hình 2.7. Lị phản ứng màng sinh học sản xuất axit axetic
a. Lò phản ứng CSTR một giai đoạn b. Lò phản ứng CSTR 2 giai đoạn c. Lò phản ứng CSTR theo mẻ d. Lò phản ứng CSTR hai giai đoạn e. Lò phản ứng với màng gốm đơi f. Lị phản ứng 2 giai đoạn tái chế I g. Lò phản ứng 2 giai đoạn tái chế II
Hình 2.7a với lị phản ứng CSTR một giai đoạn, Nguyên liệu gồm ethanol và
vi khuẩn lên men sau khi xử lý sơ bộ sẽ được đưa vào thiết bị lên men với cánh khuấy, tại đây dưới tác dụng của các vi khuẩn lên men, quá trình lên men hiếu khí ethanol xảy ra, sản phẩm axit axetic sẽ được bơm qua thiết bị màng polyme sợi rỗng, còn lại chất thải sẽ được đưa ra khỏi đáy của thiết bị. sau khi lọc qua màng,
thu được axit axetic tinh khiết, phần cịn lại sẽ được tuần hồn lại thiết bị lên men.
Hình 2.7b với lị phản ứng CSTR 2 giai đoạn, nguyên lý hoạt động tương tự như Hình 2.7a, với hai thiết bị lên men lắp song song với nhau giúp lượng sản phẩm thu
được nhiều hơn rất nhiều so với lị phản ứng một giai đoạn. Hình 2.7c với lò phản ứng theo mẻ sử dụng thiết bị phản ứng hình cầu có máy khuấy, ngun liệu cùng khơng khí sẽ được đưa vào thiết bị phản ứng, tại đây dưới tác dụng của máy khuấy nguyên liệu được trộn đều và quá trình lên men được diễn ra, sản phẩm sau đó được đi qua thiết bị màng lọc và thu được axit axetic tinh khiết.
Nishiwaki et al. đề xuất hai loại lò phản ứng sinh học hai giai đoạn MBRs liên tục sản xuất axit axetic. Trong các hệ thống tái chế hai giai đoạn, hoặc là hai nguồn cấp nguyên liệu (Hình 2.7f) Hoặc cả hai dịch lọc và thẩm thấu nước dùng từ giai đoạn đầu tiên ( Hình 2.7g ) được cung cấp cho thiết bị lên men thứ hai. Sử dụng một sản phẩm ức chế mơ hình động học thực nghiệm, hiệu suất của lò phản ứng một hai giai đoạn tế bào tái chế sinh học rất ổn định, lị phản ứng đã được phân tích liên tục cho sản xuất axit axetic. Tại chuyển đổi chất nền cao, cả hai cấu hình đã được tìm thấy để cung cấp suất axit acetic cao hơn cả tái chế và tái sử dụng thiết bị phản ứng một hai giai đoạn lên men với một quá trình tách sau giai đoạn cuối cùng.
MBRs sẽ nâng cao năng suất sản xuất axit axetic và cũng sản xuất một dòng sản phẩm tế bào tự do và rõ ràng địi hỏi ít hoặc khơng cần quá trình chế biến sâu hơn nữa. Tuy nhiên, vấn đề quy mô vẫn cần phải khảo sát, và cần đánh giá kinh tế trong lĩnh vực này cho các ứng dụng quy mơ lớn hơn. Hơn nữa, cấu hình MBR và các điều kiện hoạt động cần phải được tiếp tục phát triển và tối ưu hóa.
Tóm lại, các lị phản ứng màng sinh học có nhiều giá trị cho lọc sinh học và sản xuất nhiên liệu sinh học. Màng có thể đồng thời giữ lại các vi sinh vật hoàn toàn trong khi cho phép thẩm thấu của sản phẩm cuối cùng (như ethanol và acid acetic). Do việc lưu giữ các vi sinh vật, nồng độ vi sinh vật trong MBRs có thể cao hơn trong lị phản ứng thơng thường cho phép tỷ lệ suy thối cao của các chất ơ nhiễm và mức sản xuất lượng ethanol và acid acetic rất nhiều lần. Ngồi ra, vì các sản phẩm cuối cùng có thể được tách ra từ các phản ứng sinh học một cách nhanh chóng, sự ức chế sản phẩm có thể được giảm bớt hoặc loại bỏ. Tuy nhiên, tắc nghẽn màng và tích lũy sản phẩm phụ có thể làm mất hiệu suất MBR và cần phải được giải quyết.
CHƯƠNG 3 – ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÀNG TRONG SẢN XUẤT HYDRO SINH HỌC