Khái niệm chuyển khối - Tổng quan về quá trì- 123docz.net

CHƯƠNG 6 : QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI

6.1. Tổng quan về quá trình chuyển khối

6.1.1. Khái niệm chuyển khối

Trong cơng nghiệp hóa học nhiều q trình sản xuất dựa trên sự tiếp xúc trực tiếp giữa các pha và sự di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác. Quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau gọi là quá trình truyền khối hay là quá trình khuếch tán, quá trình này đóng vai trị quan trọng trong cơng nghiệp hóa học, thực phẩm và các ngành cơng nghiệp khác.

6.1.2. Các quá trình chuyển khối

- Hấp thụ là q trình hút khí (hơi) bằng chất lỏng, trong đó vật chất đi từ pha khí vào lỏng.

- Chưng là q trình tách các hỡn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại

- Hấp phụ là q trình hút khí (hơi) bằng chất rắn xớp, trong đó vật chất đi từ pha khí vào pha rắn.

- Hịa tan là q trình vật chất đi từ pha rắn sang lỏng.

6.2. Khuếch tán

6.2.1. Định nghĩa:

Khi hai pha chuyển động tiếp xúc với nhau do sự cản trở của pha này đối với pha kia, nghĩa là trên bề mặt phân chia pha tạo thành hai lớp màng. Chế độ chuyển động trong màng và trong nhân là khác nhau. Trong màng là chủn đợng dịng vì thế gọi là kh́ch tán phân tử cịn nhân chủn đợng xóay và gọi là khuếch tán đối lưu. Khuếch tán trong màng rất chậm so với trong nhân nên nó qút định đến q trình kh́ch tán.

6.2.2. Động lực quá trình:

Q trình trùn khới giữa các pha xảy ra một cách tự nhiên khi nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng của các cấu tử phân bố trong mỗi pha khác nhau. Hiệu sớ giữa nờng đợ

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 83

làm việc và nồng độ cân bằng gọi là động lực khuếch tán hay đợng lực trùn khới, có thể biểu diễn bằng đờ thị (hình 6.1)

Hình 6.1: Sơ đồ biểu diễn động lực quá trình chủn khới

Nếu tính theo pha Φy ta có đợng lực:

Nếu tính theo pha Φx ta có đợng lực:

6.2.3. Các bộ khuếch tán

Các bộ khuếch tán được ứng dụng để chiết enzyme từ canh trường nấm mốc.

Các ống khuếch tán, các bộ khuếch tán, máy tách dạng cột kiểu nằm ngang hay đứng cũng như các máy tách dạng rôto đều thuộc bộ trích ly tác động liên tục.

6.2.3.1. Thiết bị khuếch tán dạng tĩnh (trích ly tĩnh)

Đối với nguyên liệu sinh khối ẩm ướt hoặc đã được sấy, để trích ly hoạt chất sinh học thường sử dụng thiết bị trích ly tĩnh (ngâm chiết).

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 84

Hình 6.2: Bợ kh́ch tán

1- Ớng khuếch tán; 2- Dòng chảy của nước chiết; 3- Vít để tải canh trường của nấm mốc; 4- Ống cung cấp nước để khuếch tán; 5- Ống thu nhận nước chiết; 6- Khớp tháo; 7- Thùng chứa nước chiết; 8- Vít tải; 9-

Dẫn động vít tải; 10- Dịng thải

- Nguyên tắc hoạt động:

Sinh khối được nạp vào trong các ống trích ly (ống khuếch tán của bộ khuếch tán), sau đó dung mơi được bơm vào từng ớng kh́ch tán. Thông thường, bộ khuếch tán gồm 10 ống khuếch tán hoặc nhiều hơn được lắp nối tiếp với nhau, nguyên lý làm việc của bộ khuếch tán được mô tả trên hình 6.3 và hình 6.4

Hình 6.3: Thời gian lưu của nguyên liệu trong các ống chiết

Mỡi ớng kh́ch tán có hình dạng xi-lanh với đáy hình nón trang bị lớp áo. Nguyên liệu (sinh khối) được nạp vào bên trong mỗi xi-lanh, sinh khối được cố định bên trong xi- lanh bằng hai lớp lưới ở phía trên và phía dưới (hình 6.3). Dung môi được nạp vào theo chiều từ ống khuếch tán số 1 từ phía dưới ống, thông thường dung môi được dùng là nước ở nhiệt độ 22-280C, nước được nạp đầy vào ống khuếch tán chạm tới ớng tháo dịch chiết.

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xn Đơng Trang 85

Sau khi nạp đầy ống 1, nước được ngừng nạp vào ống khuếch tán trong khoảng thời gian xác định (để xảy ra quá trình trích ly), sau đó lại nước mới tiếp tục được nạp vào để đẩy dịch chiết từ ống 01 sang ống khuếch tán 2 cho tới khi ống 2 được nạp đầy, sau đó lại ngưng nạp để quá trình trích ly xảy ra. Quá trình cứ tiếp tục lặp lại như vậy cho tới ống khuếch tán thứ 8. Thời gian lưu của dung môi tại các ống kí hiệu là 1 đến 8, vậy kết thúc

quá trình trích ly tại ống số 8 tổng thời gian trích ly là 4 giờ (0,5 giờ  8).

Hình 6.4: Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ khuếch tán

a) Hệ thống cấp nước; b) chế độ làm việc của các ống chiết trong quá trình trích ly liên tục

Sau các thao tác như trên là giai đoạn thu sản phẩm trích ly – dịch chiết. Chế độ làm việc liên tục của bộ khuếch tán gồm 10 ống khuếch tán được mô tả như trên hình 6.4. Sau khi thực hiện quá trình chiết ở ống khuếch tán số 8 thì ở ống số 01 đã xảy ra 8 lần chiết hoạt chất sinh học, khi đó ớng 01 cần được tháo khỏi bộ khuếch tán để tháo bã, nước tiếp tục được nạp vào ống số 02, trong hệ thống dịch chiết bắt đầu đi vào ống khuếch tán sớ 9, trước đó đã được nạp sinh khới. Tại thời điểm này, ống khuếch tán số 01 đã được vắt kiệt dịch chiết và tháo bã, ống số 10 bắt đầu được nạp sinh khối và tiếp tục sau đó ớng sớ 02 được tháo khỏi bợ kh́ch tán, ống số 03 tiếp tục được nạp nước. Cứ như vậy cho tới hết chu trình. Như vậy, bộ khuếch tán làm việc liên tục: mỗi ống khuếch tán lần lượt nằm ở vị trí đầu, vị trí trung gian và vị trí ći của bợ kh́ch tán.

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 86

tiêu tốn nhiều công lao động để vận hành, hoạt tính của hoạt chất sinh học bị giảm đáng kể. Vấn đề nghiên cứu chế tạo các bộ trích ly, bộ khuếch tán làm việc liên tục và tiêu tốn ít công lao động trong tương lai vẫn cần được trú trọng.

6.2.3.2. Thiết bị khuếch tán tác dụng liên tục - Cấu tạo: hình 6.5

Hình 6.5: Thiết bị khuếch tán liên tục

1- Phễu chứa canh trường nấm mốc; 2- Bộ định lượng; 3- Thiết bị khuếch tán; 4- Sàng; 5- Bơm đẩy nước chiết để làm lắng và thấm ướt canh trường; 6- Bể lắng nước chiết; 7- Bộ lọc; 8- Bơm đẩy nước bã ép đến khuếch tán; 9- Bể lắng nước bã ép; 10- Thùng két để đun nóng nước; 11- Bơm đẩy nước để khuếch tán;

12- Bơm dung dịch formalin;14- Bộ định lượng dung dịch formalin; 15- Bộ dẫn động ống khuếch tán; 16- Máy ép trục vít.

Bảng 6.1: Đặc điểm kỹ thuật của thiết bị khuếch tán

Năng suất tính theo canh trường nấm mốc, tấn/ngày: 3,5

Tốc độ chuyển động của xích, mm/s: 1,8 ÷ 3,0

Sớ khung: 93

Khoảng cách giữa các khung, mm: 304

Kích thước cơ bản, mm: 9200 × 5000 × 6000

Khối lượng, kg: 19400

+ Phễu nhận 1, được lắp trên giàn;

+ Bộ định lượng kiểu quay 2, được nối với phễu bằng ống mềm; + Ống kh́ch tán dạng cợt 3, có cơ cấu dẫn đợng;

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 87

+ Thùng két để đun nóng nước 10 cho vào khuếch tán; + Cơ cấu để định lượng formalin 14;

+ Thùng két tạo áp suất không đổi;

+ Thùng chứa để lắng nước chiết 6; trạm điều khiển trung tâm.

6.3. Trích ly

6.3.1. Khái niệm trích ly

Trích ly là quá trình rút chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất lỏng khác. Trong cơng nghệ sinh học, có hai phương pháp trích ly: khi trích ly chất hòa tan trong chất lỏng gọi là trích lý chất lỏng; còn trích ly chất hòa tan từ trong chất rắn gọi là trích ly chất rắn.

Phương pháp trích ly rắn là trường hợp khi sản phẩm đích được chiết rút bằng chất lỏng (dung môi) từ pha rắn (rafinat) – thường là sinh khới vi sinh vật. Cịn phương pháp trích ly lỏng là trường hợp sản phẩm đích hòa tan trong chất lỏng (rafinat) cần được chiết rút bằng một chất lỏng khác (dung môi) – thường là các dung môi hữu cơ, trong trường hợp này hệ chiết gồm hai pha lỏng. Trong cả hai trường hợp, pha rắn chứa chất cần được chiết ra gọi là vật liệu chiết (rafinat), pha lỏng đóng vai trị là tác nhân quá trình chiết gọi là dung môi chiết, pha chứa chất được chiết ra từ rafinat gọi là sản phẩm trích ly. Còn pha rắn (rafinat) còn lại sau khi đã bị rút sản phẩm trích ly được gọi là bã thải.

Trên hình 6.6 là sơ đờ mơ tả quá trình trích ly

Hình 6.6: Sơ đồ q trình trích ly

F- là vật liệu chiết ban đầu, chứa M (rafinat 1) và chất tan L, F=M+L; G –dung môi chiết; э=M + G – sản phẩm trích ly; L – bã thải (rafinat 2)

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 88

như dầu, hoặc các thành phần sinh học.

Ưu thế của quá trình trích ly là làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp, nên tạo điều kiện chiết rút các thành phần kém bền nhiệt như các chất kháng sinh, hoạt chất sinh học,…

Một số hoạt chất sinh học (như lipit, enzyme) là sản phẩm trao đổi chất ngoại bào, khi thu nhận chúng không cần phải thực hiện phá thành tế bào. Thế nhưng, đại đa số các trường hợp khác trước khi trích ly phải thực hiện phá thành tế bào bằng kĩ thuật nghiền. Để thu nhận hoạt chất sinh học từ sinh khối nấm men hoặc vi khuẩn thường phá thành tế bào bằng phương pháp cơ học hoặc tự phân hủy, vì thành tế bào của nấm men và vi khuẩn có tính kháng thẩm thấu. Màng nấm sợi có tính kháng thẩm thấu yếu hơn màng tế bào nấm men và vi khuẩn, do vậy không cần thiết phải nghiền sinh khối nấm sợi trước khi trích ly sản phẩm đích.

Có thể trích ly hoạt chất sinh học từ sinh khối nấm ở dạng ẩm hoặc sấy khô sau khi thu hoạch. Mặc dù có lợi về mặt cơng nghệ khi sấy khơ sinh khới nấm vì có thể kéo dài thời gian bảo quản và nồng độ sản phẩm trích ly đậm đặc hơn, nhưng ngược lại khi sấy khơ có thể làm giảm hoạt tính của các hoạt chất sinh học, cho nên trong thực tế thường sử dụng sinh khối ở dạng ẩm để trích lý trực tiếp ngay sau khi thu hoạch sinh khối. Khi trích ly, các chất tan trong nước được trích ly với vận tốc khác nhau, và thường xảy ra hiện tượng trích ly từng phần.

Kĩ thuật trích ly được ứng dụng để thu nhận enzyme từ sinh khối nấm (nuôi cấy trên môi trường rắn xốp), lipit từ sinh khối nấm men, các chất kháng sinh và các polypeptit cố định trên màng tế bào vi sinh vật. Hoặc ứng dụng để thu nhận các hoạt chất sinh học nội bào như các polymer sinh học: protein, acid nucleic hay các polysacarit, …

Thông thường, sau khi thực hiện quá trình trích ly cần thực hiện công đoạn tách pha rắn, kết quả thu được là sản phẩm trích ly nằm ở pha lỏng và từ đó tiếp tục tinh chế sản phẩm đích từ pha lỏng thu được.

Khi trích ly, tùy thuộc vào tính chất vật lý của chất cần trích ly mà lựa chọn các dung môi khác nhau như: nước, dung dịch acid hoặc dung dịch kiềm, các dung môi hữu cơ như – rượu, aceton,… Đặc biệt, đối với các hoạt chất sinh học tan trong nước thì dung môi thích hợp nhất được lựa chọn là nước.

Một số yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất quá trình trích ly hoạt chất sinh học từ sinh khối phải kể đến như: nhiệt độ, pH, thời gian trích ly, đặc điểm cấu trúc của thiết bị trích

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 89

ly, đặc tính tự nhiên của hoạt chất sinh học, nồng độ chất cần trích ly trong mẫu lựa chọn,…

Một số phương pháp trích ly truyền thống thường được áp dụng như: trích ly kết hợp khuấy đảo, trích ly trong lớp tĩnh (ngâm chiết), trích ly một bậc, trích ly nhiều bậc, trích ly thuận chiều và trích ly ngược chiều.

- Khi thực hiện trích ly hoạt chất sinh học, một số loại tế bào của sinh khối cản trở quá trình trích ly sản phẩm đích khi dùng dung môi trích ly. Ngoài ra, một trở ngại nữa là để tăng hệ số chuyển khối của chất chiết từ sinh khối vào dung môi cần tăng vận tốc chuyển động của sinh khối và pha lỏng. Điều này làm công nghệ trở nên phức tạp và tốn kém điện năng.

- Để cải thiện cấu trúc bề mặt giữa các pha thông thường người ta tạo ra các cấu trúc có dạng hạt, thường gọi là “bơng” từ sinh khối. Việc tạo “bông” giống như trường hợp tách chiết lipit từ sinh khới vi sinh vật. Cơng việc này có thể thực hiện đơn giản bằng các nghiền mịn sinh khới thành các hạt nhỏ. Sau đó, các hạt này được tiếp tục tán ra qua máy tán, thu được các mảnh với độ dày 0,2-0,3 mm, gọi là “bơng”. Sau đó các mảnh “bơng” này mới được đưa vào thiết bị trích ly, nhờ quá trình này mà quá trình chuyển khối hiệu quả hơn, dẫn tới hiệu suất trích ly cũng tăng đáng kể

6.3.2. Một số thiết bị trích ly

6.3.2.1. Thiết bị trích ly kết hợp khuấy đảo

Đây là phương pháp trích ly đơn giản, trong thiết bị trích ly có cánh kh́y, được nạp liệu gờm pha rắn (sinh khối sau khi được xử lý) và pha lỏng (dung môi). Quá trình trích ly được thực hiện khi khuấy đảo.

- Để chiết rút hoạt chất sinh học với hiệu suất cao nhất (chiết rút hoàn toàn), dung môi được đưa vào thiết bị trích ly thành từng phần. Ban đầu, cho một phần dung môi vào để trích ly, sau đó tách sản phẩm trích ly ra khỏi pha rắn. Sau đó, lại tiếp tục trích ly bằng một phần dung môi mới thì hiệu quả hịa tan của chất chiết vào dung mơi sẽ cao hơn. Cứ tiếp tục như vậy, và sau đó thu hời các phần sản phẩm trích ly lại trong một thùng chứa rời mới thực hiện cơng đoạn tinh chế.

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 90

chiều như trên hình 6.7, hệ thống gồm 3 buồng trích ly, tại buồng trích ly thứ 3 sinh khối – pha rắn (rafinat) được nạp vào thiết bị ngược chiều so với dòng di chuyển của sản phẩm dịch trích ly đi ra từ buồng 1 và 2. Cịn dung mơi được nạp vào từ phía buồng số 1, đi ngược chiều với dịng di chủn của pha rắn. Trên sơ đờ khơng biểu diễn, nhưng sau mỗi công đoạn thực hiện quá trình tách pha lỏng và pha rắn.

Hình 6.7: Sơ đồ trích ly nhiều (3) bậc ngược chiều

6.3.2.2. Trích ly chất lỏng bằng máy ly tâm chiết

- Kĩ thuật trích ly lỏng bằng lực ly tâm thường được ứng dụng trong sản xuất chất kháng sinh, đặc biệt là trong sản xuất penicillin. Trong sản x́t penicillin có nhiều cơng đoạn trích ly chất lỏng: ban đầu penicillin trong pha lỏng được trích ly bằng dung môi hữu cơ (bytylacetat), sau đó từ pha dung mơi hữu cơ lại được trích ly vào pha nước, tiếp tục lại được trích ly bằng dung môi hữu cơ,…

Penicillin ở dạng khơng ion hóa hịa tan tớt trong các dung môi hữu cơ (butylacetat hoặc aminacetat). Độ tan của loại kháng sinh này trong các dung môi hữu cơ cao gấp 100 lần so với trong nước. Chính vì thế, penicillin được trích ly ở dạng acid ra khỏi dịch lọc bằng dung môi amylacetat hoặc butylacetat ở pH=2,0-2,5, ở nhiệt độ 0-30C. Nhằm hạn chế