Tốc độ dòng nhập liệu

Hình 2.10. Ảnh hưởng của tốc độ dòng glucose và dòng cơ chất bổ sung trong hệ thống MBR-ED

Khi tốc độ bổ sung đường cao 500-1000g/h, nồng độ lactate ổn định ở mức thấp hơn. Dừng hoàn toàn việc bổ sung nguồn nitơ dẫn đến sự giảm rõ rệt nồng độ và tốc độ sinh tổng hợp acid lactic, đồng thời cũng làm tăng lượng glucose sót. Điều này thể hiện rất rõ trong hình 2.10, trong khoảng 856-1052h lên men. Hơn nữa, cũng chẳng có dấu hiệu tăng đáng kể tốc độ sinh tổng hợp acid lactic khi tốc độ cung cấp nguồn nitơ tăng từ 100-200g/h, không có sản phẩm phụ hay chất trao đổi khác trong quá trình lên men này.

Tăng tốc độ bổ sung nguồn nitơ vượt quá 150g/h cũng không làm tăng hàm lượng sản phẩm lactate. Trong khi đó, việc ngừng cung cấp trong khoảng 832-883h, và giữa 900- 1052h lại dẫn đến hiện tượng giảm acid lactic đáng kể. Trong điều kiện có nitơ sẽ thuận lợi hơn cho việc phát triển của vi sinh vật và hình thành sản phẩm. Khi giữ ở mức độ châm yếu tố sinh trưởng là 100g/h thì nồng độ acid lactic thu được nói chung là cao (50g/L). Trong lên men bởi giống Bacillus strains BS119 (H. Danner 2002) dưới điều kiện nhiệt độ cao, cần phải liên tục bổ sung nguồn nitơ để tránh giảm acid lactic, cũng như giảm thiểu được sự hao hụt nguồn dinh dưỡng. Tuy nhiên, tốc độ này chỉ dao động trong khoảng 50-150g/h.

B. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình phân riêng bằng membrane

Quá trình phân riêng nói chung hay quá trình lọc tách vi sinh vật nói riêng được đánh giá là đạt hiệu quả cao khi dòng permeate được dịch chuyển qua membrane với tốc độ nhanh và độ phân riêng đạt giá trị cao.

Trong vận hành MBRs, tốc độ dòng permeate giảm dần là điều không thể tránh khỏi. Tuy nhiên, các nhà sản xuất vẫn có thể hạn chế vấn đề này, sao cho lưu lượng dòng permeate giảm càng ít càng tốt, bằng cách chọn loại membrane phù hợp, tối ưu hóa các tính chất dòng canh trường sau lên men, hay điều khiển các thông số kỹ thuật của quá trình phân riêng như nhiệt độ, áp suất…

1. Bản chất của membrane

Thông thường, mức độ tắc nghẽn membrane có liên quan đến đặc tính membrane nhiều hơn các đặc tính khác, cụ thể là ảnh hưởng của những yếu tố sau:

a. Cấu trúc membrane

Đối với membrane có bề mặt nhẵn bóng đồng nhất, những ống mao dẫn của chúng ít bị tắc nghẽn trong quá trình sử dụng. Ngược lại, nếu membrane có bề mặt gồ ghề, lồi lõm, tế bào vi sinh vật hay các thành phần khác trong canh trường dễ bị hấp phụ lên bề mặt membrane, từ đó làm giảm tốc độ dòng permeate và kéo dài thời gian quá trình phân riêng.

Cấu trúc membrane đẳng hướng hay bất đẳng hướng cũng có ảnh hưởng đến quá trình phân riêng bằng membrane, W. Zhang (1998) đã khảo sát vấn đề này đối với membrane ceramic bên trong hệ thống MBR trong lên men cồn bởi Sacharomyces cerevisiae. Kết quả

được thể hiện qua các hình 2.11, ông đã so sánh 2 loại membrane dựa trên chỉ số Fi – là đại lượng đặc trưng cho lưu lượng dòng chảy qua membrane.

Hình 2.11. Sự khác nhau về Fi của 2 loại membrane đẳng hướng và bất đẳng hướng

Quan sát hình 2.11a thấy được việc giảm đáng kể lưu lượng dòng chảy ở cả 2 loại membrane khi tăng nồng độ glucose. Giá trị Fi không rõ ràng nhưng nhìn chung thì giá trị

này đối với membrane đẳng hướng cao hơn so với membrane bất đẳng hướng, trong khoảng nồng độ glucose từ 50-250 g/L. Cụ thể là Fi bằng 21.8% đối với membrane bất đẳng hướng và bằng 42.2% đối với membrane đẳng hướng tại giá trị nồng độ glucose là 100g/L. Khi nồng độ glucose tăng cao hơn 100g/L, sự khác nhau do ảnh hưởng của glucose là không đáng kể đối với cả 2 loại màng.

Tuy nhiên, ở hình 2.11b thì ngược lại, giá trị Fi đối với membrane bất đẳng hướng cao hơn khá rõ so với membrane đẳng hướng. Khi tăng nồng độ tế bào nấm men, Fi giảm nhanh và càng về sau, độ giảm càng chậm dần. Đối với membrane đẳng hướng, Fi đạt trạng thái cân bằng ở 21.2% tại giá trị nồng độ tế bào là 60g/L. Điều này khá rõ ràng khi xét lý do tại sao có sự ảnh hưởng của tế bào nấm men lên sự tắc nghẽn, ngoài sự ảnh hưởng của các thành phần môi trường.

Kết quả này có thể được giải thích rõ hơn bởi cơ chế tắc nghẽn khác nhau, thể hiện qua hình 2.12.

Hình 2.12. Cơ chế tắc nghẽn khác nhau đối với tế bào và phân tử lớn

Trong trường hợp tế bào nấm men, tất cả các tế bào được giữ lại trên bề mặt membrane. Sự hình thành lớp bánh tế bào sẽ gây ra trở lực. Nói chung, lớp bánh tế bào gây đóng tắc các lỗ của membrane đẳng hướng, dẫn đến việc giảm lưu lượng dòng chảy, gây ra giá trị Fi thấp.

Hơn nữa, đối với membrane đẳng hướng, trở lực của lớp tế bào gây ảnh hưởng nhiều hơn trở lực của chính membrane, trong khi membrane bất đẳng hướng thì ngược lại. Mà lớp bánh tế bào quan sát được trên membrane đẳng hướng là bị nén nhiều hơn,dày hơn so với membrane bất đẳng hướng Ở hình 2.11b, đối với nồng độ tế bào 60g/L, Fi ở trạng thái cân bằng và bằng 64.5% đối với bất đẳng hướng và 21.1% đối với membrane đẳng hướng.

Hình 2.12b chỉ ra hiện tượng tắc nghẽn do các phân tử lớn gây ra. Đối với membrane bất đẳng hướng, các phân tử lớn như protein, YE, nếu có sẽ tích lũy trên bề mặt membrane,

gây tắc các lỗ membrane hay hấp thụ trên các thành lỗ. Trong khi đối với membrane đẳng hướng, các phân tử này dễ dàng chui qua các lỗ. Vì vậy, Fi của membrane đẳng hướng lớn hơn. Khi nồng độ của các chất có phân tử lượng lớn tăng, Fi trong cả 2 loại membrane đều giảm tới khi đạt trạng thái bão hòa, hiện tượng tắc nghẽn sẽ xảy ra.

Tóm lại, cả tế bào nấm men và nồng độ cơ chất trong môi trường có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình vận hành hệ thống internal ceramic MBR. Sử dụng membrane đẳng hướng hay bất đẳng hướng là tùy thuộc vào thực tế sản xuất. Tuy nhiên, các nhà sản xuất vẫn thích sử dụng membrane đẳng hướng hơn, vì hiện tượng tắc nghẽn ít nghiêm trọng hơn cũng như cấu tạo đơn giản của nó so với membrane bất đẳng hướng.

b. Vật liệu membrane

Tính chất của các vật liệu hữu cơ có mối liên quan đến sự tắc nghẽn membrane bao gồm: sự tương đồng của chúng với membrane, khối lượng phân tử, các nhóm chức và hình dạng. Sự tắc nghẽn membrane cũng liên quan chặt chẽ với tương tác kỵ nước của các vật liệu làm membrane. Theo đó, membrane chế tạo từ các vật liệu có tính ưa nước (cellulose acetate, ceramic...) thường ít gây tắc nghẽn hơn so với các membrane được chế tạo từ các vật liệu có tính kỵ nước (PTFE, PP).

c. Đường kính mao dẫn

Đối với membrane có đường kính mao dẫn lớn, ban đầu dòng chuyển qua membrane sẽ lớn hơn so với những membrane có kích thước lỗ nhỏ, nhưng theo thời gian, lưu lượng dòng chuyển qua lại nhỏ đi dần dần, do có một số cấu tử trong canh trường sau lên men có thể chui được vào trong các mao dẫn và bị kẹt lại ở đấy. Ngược lại, hiện tượng này sẽ không xảy ra nếu membrane sử dụng với mao dẫn có đường kính nhỏ hơn kích thước các cấu tử trong canh trường, lúc này thì các phân tử không bị mắc lại mà sẽ trôi qua dưới lực kéo lớn của dòng chảy.

Vì thế khi sử dụng membrane có kích thước mao dẫn bằng hay nhỏ hơn không đáng kể so với kích thước của các phần tử muốn tách thì dòng chảy ban đầu sẽ thuận lợi nhưng đó chỉ diễn ra trong thời gian ngắn, sau đó là sự khó khăn hơn vì sự tắc nghẽn dòng chảy sẽ diễn ra nhanh hơn.

Tuy nhiên, các nghiên cứu cũng cho thấy rằng không phải kích thước mao quản càng nhỏ thì lưu lượng dòng càng cao mà tồn tại một điểm giới hạn kích thước mà tại đó hiệu quả của màng là cao nhất. Nếu kích thước mao quản nhỏ hơn nữa thì lưu lượng dòng chảy sẽ trở lên kém.

− Điển hình như trong trường hợp nghiên cứu của H. Chèze-Lange et al. (2002), ông đã chỉ ra rằng đối với membrane có đường kính mao dẫn 0.2 μm, tuy mật độ sinh khối thu được là cao nhưng độ thấm của dòng permeate thấp, chỉ đạt 29%, tổng trở lực qua màng cao, khoảng 200x10-11 (1/m). Trong khi ở membrane có kích thước lỗ 0.8 μm cho kết quả khả quan hơn, tổng trở lực qua màng thấp 67x10-11 (1/m), dòng permeate thu được cao (58%).

Cũng trong bài báo đó, ông đã khảo sát trên dòng permeate chứa sản phẩm alginate được thu nhận bằng membrane ceramic từ canh trường sau 50h nuôi cấy bởi Azotobacter

vinelandii thu được kết quả như bảng 2.5.

Bảng 2.5. Ảnh hưởng của kích thước lỗ membrane lên mật độ tế bào trong dòng lọc

Kích thước lỗ membrane (μm)

Nồng độ tế bào trong dòng lọc (tế bào/dm3)

0.2 0.45 0.8 1.4 7x105 10x105 15x105 86x105

Vi khuẩn được giữ lại khá hiệu quả trên các loại membrane ngoại trừ trường hợp membrane có kích thước quy định lỗ 1.4 μm, kích thước lỗ càng lớn thì tế bào vi sinh vật lọt qua membrane đi vào dòng sản phẩm càng nhiều. Có thể kết luận là membrane 1.4 μm không thể thu nhận và hồi lưu tế bào, nên không thể ứng dụng trong MBRs.

− Akinori Ogawa et al. (1995) đã tiến hành nuôi cấy Aspergillus oryzae sinh tổng hợp enzyme protease trong hệ thống nuôi cấy môi trường lỏng trên bề mặt membrane MSLC, sử dụng membrane vi xốp polysulfone có kích thước lỗ khác nhau. Ông kết luận rằng với kích thước lỗ 0.2 μm (SE 20, Fuji Photo Film Co.), không có sợi nấm nào trong môi trường. Trong khi với kích thước lỗ 0.45 μm (SE 45, Fuji Photo Film Co.), có thể thấy sợi nấm trong môi trường lỏng sau 8 ngày nuôi cấy. Với kích thước lỗ 3 μm (SE300, Fuji Photo Film Co.), sợi nấm thấm qua các lỗ membrane ngay từ lúc đầu và sinh trưởng ở mọi vùng quanh membrane cũng như bên trong membrane.

Vì vậy, có thể nói bản chất của membrane ảnh hưởng khá quyết định đến quá trình phân tách vi sinh vật từ canh trường sau lên men. Việc chọn membrane như thế nào cho phù hợp còn bị chi phối rất nhiều bởi các thông số của quá trình lên men sinh tổng hợp sản phẩm cũng như những điều kiện xung quanh.

2. Tính chất dòng canh trường sau lên men

Dòng canh trường sau lên men đóng vai trò như là nguyên liệu trong quá trình phân riêng bằng membrane, do đó, sự ảnh hưởng của nó đến việc hồi lưu tế bào cũng như việc thu nhận sản phẩm là khá rõ ràng. Trong đó, yếu tố quan trọng nhất là độ nhớt của canh trường. Trong quá trình lên men, vi sinh vật sinh trưởng và trao đổi chất tạo nên sinh khối cũng như các chất trao đổi, ngoài ra còn có nguồn cơ chất ban đầu mà vi sinh vật chưa sử dụng hết. Những yếu tố này làm thay đổi đáng kể độ nhớt của canh trường, mà nếu không có biện pháp hạn chế, sự vận hành MBRs có thể bị gián đoạn, do hiện tượng nghẹt bơm, nghẹt đường ống, tắc nghẽn màng nhanh chóng xảy ra. Để khắc phục vấn đề này, dù nói là phải tạo điều kiện cho vi sinh vật thực hiện quá trình sinh học, nhưng không phải quá trình này xảy ra càng mãnh liệt càng tốt, thực tế các nhà sản xuất cần phải tối ưu hóa các thông số kỹ thuật trong quá trình lên men, để giai đoạn phân riêng bởi membrane được thực hiện thuận lợi.

T. Asakura và K. Toda (1991) đã chỉ ra được nồng độ tế bào trong canh trường sau lên men có ảnh hưởng khá rõ ràng đến lưu lượng dòng nhập liệu.

Hình 2.13. Ảnh hưởng của nồng độ tế bào trong canh trường sau lên men đến lưu lượng dòng chảy.

Hình 2.14. Lưu lượng dòng chảy theo thời gian ở các giá trị nồng độ tế khác nhau.

Dòng nhập liệu khá ổn định trong suốt quá trình, mặc dù ở canh trường có nồng độ tế bào nấm men 100g/dm3, lưu lượng dòng giảm 85% so với giá trị ban đầu sau 6h vận hành.

Tại thời điểm là 6h, T. Asakura đã đưa ra phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng dòng (F – m3/m2.h) và nồng độ tế bào nấm men (X – kg/m3):

1.25F = 0.0719 – 0.000219X

1.25F là lưu lượng thực của dòng chảy: 0.05, 0.039, 0.028 tương ứng với nồng độ tế bào là 100, 150, 200 kg/m3.

Trở lực dòng nhập liệu chủ yếu do trở lực của lớp bánh tế bào phát triển trên bề mặt membrane, dẫn đến sự tắc các lỗ membrane do tế bào nấm men gây ra. Lưu lượng thực của dòng tăng khi nồng độ tế bào nấm men giảm, do trở lực của lớp bánh tế bào nhỏ. Sự bất ổn định của lưu lượng dòng có thể quan sát được trên nồng độ tế bào thấp nhất là 100 kg/m3 có thể là do sự tắc các lỗ membrane bởi tế bào gây ra mạnh mẽ. Khi lớp bánh tế bào mỏng, tần số tế bào lọt qua màng lọc là cao.

Những lưu lượng thực của dòng chảy từ canh trường khi nồng độ tế bào nhỏ hơn 100kg/m3 được xác định là 0.265, 0.159, 0.077 m3/m2.h tương ứng với nồng độ tế bào nấm men là 10, 30, 50 kg/m3 (hình 2.13 trên), cho thấy rằng nồng độ tế bào càng nhỏ, lưu lượng dòng chảy qua membrane càng tăng. Tuy nhiên, yêu cầu của việc hồi lưu tế bào sẽ không đạt được.

3. Các thông số kỹ thuật

Đặc tính membrane và tính chất dòng canh trường là hai yếu tố khó thay đổi trong quá trình phân riêng. Yếu tố mà chúng ta có thể điều khiển được một cách dễ dàng và có hiệu quả là chế độ làm việc của quá trình phân riêng. Các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình phân riêng chủ yếu tập trung vào các thông số kỹ thuật, bao gồm: nhiệt độ, áp suất làm việc, lưu lượng dòng nhập liệu cũng như vấn đề làm sạch membrane.

a. Tốc độ dòng vào và sự chảy rối

Nếu tốc độ dòng canh trường được bơm vào thiết bị membrane quá chậm, sự trượt của các cấu tử lớn có trong canh trường sẽ bị giới hạn. Khi đó, trên membrane thường xuất hiện hiện tượng phân tầng với nhiều lớp cấu tử có kích thước khác nhau nằm xếp chồng lên nhau, từ đó làm giảm tốc độ dòng permeate, cũng như nhanh chóng gây ra tắc nghẽn membrane. Để khắc phục vấn đề này, các nhà sản xuất bơm dòng canh trường từ thiết bị lên men qua thiết bị membrane với tốc độ cao, và bên trong thiết bị membrane có thêm cánh khuấy để tạo nên sự chảy rối. Một số nghiên cứu đã cho thấy rằng hình thái tế bào Erwinia

chrysanthemi không bị ảnh hưởng xấu dưới tác động của bơm. Điều này đúng cho các đối

tượng vi khuẩn và nấm men. Tuy nhiên, dòng chảy hỗn loạn trong bơm và ống có đường kính nhỏ thường gây nguy hiểm và làm giảm hoạt tính enzyme. Vì vậy, cần chú ý kiểm tra vấn đề này (S. Denis và P. Boyaval 1991).

Trong quá trình vận hành MBRs hầu như chủ yếu sử dụng mô hình cross flow - là mô hình trong đó dòng canh trường chảy song song với bề mặt membrane. Các cấu tử có kích thước và phân tử lượng thích hợp sẽ đi qua membrane nhờ áp lực của bơm và tạo thành dòng permeate, các phần tử còn lại không đi được qua membrane sẽ tiếp tục chảy ra ngoài tạo thành dòng retentate, đồng thời dòng này sẽ kéo theo các phần tử bám trên bề mặt membrane. Nhờ đó mà hệ thống MBRs vận hành ít bị tắc nghẽn hơn và có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài.

Một số phương hướng cải thiện tốc độ dòng permeat

− M. Mercier – Bonin et al. (2001) đã thực hiện điều kiện lọc không ổn định nhằm cải tiến hiệu quả quá trình lọc trong vận hành MBRs. Bằng cách phun dạng tia tạo ra dòng

Thành phần môi trường

Thành phần môi trường