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 chảy dao động, hay định kỳ phát sinh dòng xoáy lớn bằng van điều khiển khí nén, hoặc có thể phun ngược khí tạo ra dòng chảy khí- lỏng gián đoạn (slug-flow). Một ví dụ minh họa đối với membrane MF Orelis 0.14 μm được thể hiện ở hình 2.15.

Hình 2.15. Ảnh hưởng của lớp trở lực tế bào lên quá trình lọc ở 2 trạng thái dòng chảy khác nhau

Với lưu lượng pha lỏng QL=0.3m3/h, pha khí QG=0.25m3/h, áp suất qua màng TMP=1 bar. Khi đánh giá dòng permeate có thể đi qua được toàn bộ trở lực do tế bào gây ra ở 2 trạng thái ổn định và không ổn định, ta thấy lưu lượng dòng permeate có phun khí luôn cao hơn so với lưu lượng dòng permeate ở điều kiện ổn định. Điều cần chú ý là lưu lượng dòng ổn định này luôn có xu hướng giảm dần trong khoảng nồng độ tế bào từ 40-120g/L cả khi sinh khối vẫn tiếp tục tăng do sự hồi lưu tế bào. Việc giảm ở cuối quá trình có thể hiểu là do sự tự phân tế bào và làm tăng độ nhớt canh trường.

Dòng chảy tăng chậm hơn trong MF dẫn đến hiện tượng tắc các lỗ membrane do các phân tử lớn và các mảnh vụn tế bào. Điều này cho thấy tăng lưu lượng sẽ làm tăng nồng độ tế bào, nhưng hiện tượng tắc nghẽn lại nghiêm trọng hơn.

− Ngoài ra, theo T. Asakura và K. Toda (1991), việc làm sạch định kỳ bằng khí cũng có thể làm tăng lưu lượng dòng permeate trong quá trình phân riêng bằng membrane.

Hình 2.16. Ảnh hưởng của việc làm sạch định kỳ bằng khí đến lưu lượng dòng permeate trong quá trình vi lọc nấm men bánh mì.

Nuôi cấy nấm men bánh mì, với nồng độ tế bào là 200g chất khô/dm3, được tiến hành trên MRB với membrane thủy tinh đan kết, kích thước lỗ 10-16μm.

Thấy được rằng việc làm sạch cải thiện đáng kể lưu lượng dòng chảy. Đối với màng lọc kim loại, nếu không qua làm sạch, chỉ sau khoảng 10h vận hành, hiện tượng tắc nghẽn xảy ra nghiêm trọng, trong khi dòng lọc có làm sạch định kỳ vẫn giữ được ổn định ở giá trị 0.02 - 0.025 m3/m2.h, hiện tượng tắc nghẽn membrane được hạn chế hoàn toàn.

Lưu lượng dòng permeate trên các loại màng lọc khác nhau cũng khác nhau, trong khảo sát này, màng lọc kim loại với kích thước lỗ 2μm, tuy lưu lượng dòng có cải thiện nhưng sự ổn định trong quá trình lọc sẽ thấp hơn mặc dù cũng có qua quá trình làm sạch: dòng permeate đầu tiên giảm đi 23% so với màng lọc thủy tinh trong 5-6h lọc. Sự khác nhau này phụ thuộc vào lỗ lọc và tính ái lực của tế bào nấm men đối với màng lọc. Masayuki Taniguchi et al. (1997) đã cho rằng tế bào Pichia stipitis có độ bám chặt rất cao lên màng lọc, kết quả là nồng độ tế bào sẽ không chính xác, nên sự điều khiển cung cấp oxy cho chúng thực hiện quá trình sinh học là khó khăn, ông cũng đưa ra cách khắc phục là rửa bằng dung dịch muối, kết quả là hiệu quả lên men có thể tăng gấp 1.5 lần so với việc chỉ hồi lưu tế bào về bình lên men..

Tốc độ dòng vào và sự chảy rối

Thành phần môi trường

Thành phần môi trường