Đây là động lực của quá trình phân riêng bằng membrane. Áp lực qua màng (TMP) được tính theo công thức sau:
TMP = ΔP = (PF – PP) – (πF – πP)
Trong đó: PF là áp lực từ phía dòng vào (áp lực bơm)
PP là áp lực từ phía dòng permeate trong thiết bị membrane. πP là áp lực thẩm thấu trong dòng canh trường
πF là áp lực thẩm thấu trong dòng ra permeate.
Áp lực thẩm thấu phụ thuộc vào nồng độ các cấu tử hòa tan trong dung dịch. Dung dịch chứa các cấu tử phân tử lượng nhỏ với nồng độ càng cao thì áp lực thẩm thấu của dung dịch càng lớn. Thường thì dòng canh trường sau lên men chứa các cấu tử có phân tử lượng cao, do đó giá trị áp lực thẩm thấu của canh trường khá thấp.
Quá trình phân riêng chỉ xảy ra khi áp lực qua màng dương. Nếu giá trị TMP càng lớn thì tốc độ dòng permeate sẽ càng cao, tuy nhiên, nếu áp suất tăng quá cao sẽ làm ảnh hưởng đến lớp bánh tế bào trên bề mặt membrane. Bảng 2.6 thể hiện rõ điều này.
Bảng 2.6. Ảnh hưởng TMP lên lưu lượng dòng permeate
TMP (kg/cm2) M3 (15kDa) M5 (10kDa) M8 (50kDa) M9 (300kDa)Membrane module 0.3 0.6 0.9 1.2 70 135 181 100 66 106 111 106 90 170 218 181 105 206 305 195 (mL/h)
P. M. Kao et al (2007) khảo sát dòng permeate thay đổi dưới tác dụng của áp suất qua MF trong sản xuất liên tục chế phẩm enzyme chitinase bởi vi sinh vật Paenibacillus sp.
CHE-N1. Canh trường sau khi nuôi cấy tĩnh trong 72h, được chuyển qua phương thức
membrane MF. Dòng permeate của canh trường nuôi cấy đi qua membrane với các kích thước lỗ khác nhau.
Khi áp suất qua màng tăng, lưu lượng dòng permeate cũng có xu hướng tăng đối với mọi loại membrane. Dưới áp suất 0.9kg/cm2, lưu lượng dòng permeate là cao nhất. Tuy nhiên, cần chú ý là cả áp suất qua màng và tốc độ cuộn chảy chất lỏng (sweeping velocity) có thể làm ảnh hưởng đến độ dày lớp bánh trên bề mặt membrane, gây trở lực cho quá trình lọc. Vì vậy, trở lực lọc có thể tăng khi áp suất qua màng đạt qua mức 0.9kg/cm2. Trong trường hợp là vi khuẩn, mọi loại modules có thể hiệu quả trong việc lưu giữ tế bào trên membrane. Hoạt tính của enzyme chitinase trong dòng permeate so với trong canh trường là như nhau. Dựa vào bảng 2.6 thấy được là module membrane M9 cho lưu lượng dòng permeate cao nhất 305mL/h khi áp suất là 0.9kg/cm2, được chọn trong quá trình sản xuất enzyme này với mô hình hồi lưu tế bào.
Không chỉ khảo sát lưu lượng dòng permeate, R. Jeantet et al. (1996) còn khảo sát tỷ lệ % các yếu tố hữu cơ và khoáng bị giữ lại trên membrane NF trong sản xuất acid lactic.
Hình 2.17. Ảnh hưởng của TMP đến tỷ lệ % lactose và lactate trong canh trường
Ta thấy lactose bị giữ lại 97±2% và hầu như không đổi trong suốt quá trình, trong khi tỷ lệ % lactate tăng theo áp suất qua màng. Ở đây, R. Jeantet cũng có khảo sát tỷ lệ % ion Mg2+ bị giữ lại lên đến 91-96±2%. Nghiên cứu cho thấy việc bổ sung Mg2+ vào môi trường lên men acid lactic có thể làm tăng hoạt tính tế bào, vì vậy, Mg2+ được giữ lại nhiều có tác động tích cực cho quá trình lên men, nhằm tiết kiệm lượng ion Mg bổ sung vào. Đây chính là ưu điểm lớn trong membrane NF.
Vì sử dụng phương thức lọc cross flow, tốc độ tiếp tuyến có thể giữ cho qua trình lọc qua màng luôn ở trạng thái khá tốt, hiện tượng tắc nghẽn giảm hẳn. Tuy nhiên, tốc độ tiếp tuyến đạt được chỉ khi áp suất cung cấp ở đường vào membrane đủ cao. Hơn nữa, hình 2.18 cũng cho ta thấy mật độ tế bào càng cao, thì cần áp suất càng lớn.
Hình 2.18. Ảnh hưởng của mật độ tế bào trong canh trường đến giá trị áp suất dòng vào membrane, với tốc độ tiếp tuyến luôn giữ không đổi là 0.75 m/s.
Như vậy, giá trị áp suất qua màng là một trong những thông số kỹ thuật quan trọng trong quá trình phân riêng trên membrane. Áp suất này luôn được giữ ở giá trị cao để đảm bảo lưu lượng dòng permeate và hạn chế tắc nghẽn, tuy nhiên các nhà sản xuất vẫn phải tối ưu hóa giá trị áp suất để tránh các ảnh hưởng xấu do áp lực quá cao trong quá trình.
Ngoài các yếu tố trên, hiệu quả quá trình MBRs còn phụ thuộc vào cấu hình thiết bị cũng như một số yếu tố khác.
C. Ảnh hưởng của cấu hình hệ thống thiết bị MBRs đến quá trình vận hành
MBRs là một hệ thống thiết bị phức tạp và đa dạng, nên có ảnh hưởng lớn đến quá trình sản xuất các sản phẩm lên men từ MBRs.
Để tăng hiệu suất quá trình, cấu tạo thiết bị có thể phù hợp với sự sinh trưởng và phát triển của tế bào vi sinh vật, cụ thể như trong thiết bị MSLC, nấm mốc phát triển trên bề mặt membrane có cung cấp khí, điều kiện này quen thuộc với sự sinh trưởng tự nhiên của chúng. Ưu điểm của quá trình MSLC là sự kết hợp hiệu quả trong lên men bề mặt rắn và lên men môi trường lỏng.
MSLC vận hành tĩnh có lặp lại thực hiện hiệu quả mà không cần đến bất cứ việc bổ sung nào, phân tách các sợi nấm từ môi trường cũng khá dễ dàng.
Tuy nhiên, để ứng dụng MSLC vào quy mô công nghiệp, chúng ta cần phải giải quyết một số vấn đề liên quan đến thiết kế thiết bị, như là loại membrane, kiểu module và phương pháp nuôi cấy (Akinori Ogawa et al. 1995).
Đối với E. coli, phải cung cấp đủ khí oxy cho sự sinh trưởng và sinh tổng hợp sản phẩm. Ngoài việc tăng lưu lượng khí và tốc độ cánh khuấy như đã đề cập ở trên, B. Hammarberg et al. (1991) còn chú ý đến sự tuần hoàn canh trường lên men bằng cách dùng những lỗ nhỏ tạo nên những dòng tia chảy vào CSTR từ trên đỉnh, rút ngắn các ống nối giảm thiểu thể tích chết, bơm với công suất lớn để đảm bảo dòng tuần hoàn được nhanh, thời gian lưu ngắn, tránh giảm khí oxy trong quá trình vận hành. Kết quả là làm tăng giá trị kLa, giúp cho nồng độ tế bào được cải thiện đáng kể.
Hình 2.19. Ảnh hưởng của cấu hình thiết bị đến sinh khối tế bào
Loại CSTR/TBR không phun tia (đường ra TBR nối với cạnh CSTR và dưới mức chất lỏng trong CSTR) thu được nồng độ tế bào là 18 kg/m3, dù được đánh giá là có tăng so với chỉ có CSTR, nhưng hiện tượng thiếu DO vẫn xảy ra. Khi hệ thống có phun tia, khó khăn này được khắc phục. Không cần phải có vấn đề điều khiển oxy, DO luôn được giữ ở mức cao hơn 30% so với bão hòa. Mật độ tế bào cao hơn nhiều (53kg/m3) sau 18h lên men.
S. Govender et al. (2003) đã đưa ra sự khác nhau về hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm giữa 2 thiết bị SCMGR (MGR chỉ có 1 mao dẫn) và MCMGR (MGR có nhiều mao dẫn). Kết quả trên hình 2.20.
Hình 2.20. Ảnh hưởng của cấu tạo thiết bị đến hoạt tính sản phẩm enzyme
Quá trình vận hành trong SCMGR kéo dài khoảng 20-25 ngày trước khi sự sinh trưởng của vi sinh vật trên biofilm quá mức, dòng permeate được làm sạch bởi oxy tiệt trùng. MCMGR được thiết kế theo các thông số: khả năng làm việc tốt của reactor, nguy cơ ảnh hưởng đến tế bào vi sinh vật và enzyme là thấp, hiệu quả quá trình dựa trên tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm Manganese Peroxidase (MnP), thời gian mở rộng quá trình trong phương thức liên tục và sự hình thành sinh khối riêng trên membrane. Mô hình thiết kế phù hợp có thể chịu đựng dễ dàng dưới áp suất 200kPa, và cho phép điều khiển tiệt trùng dễ hơn. Mô hình MCMGR này có thể vận hành trong thời gian dài 35-40 ngày trước khi lớp biofilm bị
đóng tắc. Chu trình sản phẩm MnP là 35 ngày với peak hiệu suất sau ngày thứ 7 là 209U/L.d, tăng gấp 7 lần so với SCMGR là sau 8 ngày. Peak hiệu suất chỉ lên tới 31.12 U/L.d, có thể do lượng oxy chưa được tối ưu hóa trong SCMGR để vi sinh vật
Phanerochaete chrysosporium phát triển.
Tóm lại, để đánh giá hiệu quả quá trình MBRs và yêu cầu các thông số cần tính toán, các nhà sản xuất khảo sát từng yếu tố một theo phương thức tuần tự và tối ưu hóa các thông số trong từng bước của toàn bộ hệ thống. Quá trình lên men được thực hiện theo phương pháp nuôi cấy tĩnh hoặc fed batch. Khi nồng độ sản phẩm đạt yêu cầu, màng lọc membrane bắt đầu hoạt động cho đến khi thể tích bioreactor đạt đến một phần nào đó của giá trị ban đầu. Vì thế, sản phẩm được thu nhận trong dòng permeate, còn tế bào được tập trung trở về môi trường. Sau đó, bioreactor tiếp tục làm đầy với môi trường mới và thực hiện bước kế tiếp. Chương trình này cũng cho phép sử dụng chỉ một membrane cho nhiều bioreactor, từ đó tính hiệu quả kinh tế cao.
Chương 3: ỨNG DỤNG MBR TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
A- ACID LACTIC
Acid lactic được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hóa chất. Tuy nhiên, lên men lactic chỉ mới được chú ý gần đây do tăng nhu cầu sử dụng nguồn vật liệu mới như là những sản phẩm polylactic khử sinh học và tương hợp sinh học. Những polymer và co-polymer của L-lactate này có tiềm năng rộng lớn trong bao bì đóng gói, cũng như thuốc men cho con người.
Acid lactic có công thức cấu tạo là CH3-CH(OH)-COOH, có dạng lỏng, từ không màu đến màu vàng nhạt, có vị chua nhẹ. Trong công nghệ thực phẩm, acid lactic đóng vai trò như là chất điều vị, chất chỉnh pH, chất bảo quản.
Phương pháp hiệu quả để tổng hợp L-lactic không phải bằng con đường hóa học mà bằng con đường tổng hợp sinh học, cụ thể là sử dụng kỹ thuật lên men với một số giống vi sinh vật có thể sản sinh ra khối lượng lớn acid lactic, như: Lactobacillus helveticus, L.
casei, L. salivarius, L. delbrueckii… (A.Olmos-Dichara et al. 1997)
Phương pháp lên men truyền thống sử dụng tế bào tự do bằng phương pháp lên men tĩnh có thể nói là phổ biến trong công nghiệp sản xuất acid lactic nhưng hiệu suất lên men thấp do sự ức chế sản phẩm cuối. Acid lactic là chất trao đổi bậc một, sản phẩm acid lactic hoàn toàn phụ thuộc vào sự sinh trưởng tế bào vi sinh vật và tổng sinh khối.
Lên men liên tục mặc dù khắc phục được một số vấn đề trong lên men tĩnh nhưng lại bị rửa trôi tế bào. Để tăng đáng kể hiệu suất, cần phải sử dụng nồng độ tế bào cao và loại bỏ sự ức chế sản phẩm từ canh trường lên men. (S. Tejayadi và M. Cheryan 1995)
Rất nhiều bài báo nghiên cứu về việc nâng cao hiệu quả trong sản xuất acid lactic, đặc biệt là đưa ra những mô hình mới, làm sao có thể khắc phục những nhược điểm vừa nêu, cũng như tìm ra những giải pháp để giai đoạn thu nhận và tinh sạch sản phẩm được tiến hành dễ dàng. Dưới đây là bảng thống kê so sánh một số mô hình mà người ta đã khảo sát trong lên men acid lactic:
Bảng 3.1. So sánh giữa các mô hình lên men trong sản xuất acid lactic (H. Danner 2002)
Giống VSV Mô hình D (h-1) Sinh khối (g/L) Lactate (g/L) % (g/g)
Tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm (g/L.h)
Lactobacillus bulgaricus
(Tejayadi và Cheryan 1995) MRB
0.5 0.5 0.25 40 40 - 46 70 89 0.92 0.93 0.89 33 35 22 Lactobacillus delbrueckii NRRL-B445 (Vick Roy et al. 1983)
CRR CSTR Tĩnh - - - 54 7-8 7-8 35 38 45 0.96 - - 76 7 1-2 Lactobacillus bulgaricus
(Mehaia và Cheryan 1987) CRR
0.72 - 63 - 117 - - - 84 - Lactobacillus delbrueckii (Ohleyer et al. 1985) CRR - - 60 - 150 Lactobacillus delbrueckii
(Crespo và Carrondo 1994)
CRR CRR CSTR 0.2 0.4 0.06 102 148 3.9 81.6 105.8 52.2 0.84 0.8 0.83 16.3 42.3 3.1
Dựa vào bảng 3.1, ta thấy được trong sản xuất acid lactic, thường người ta chỉ dùng loài
Lactobacillus. Tuy nhiên, có sự khác nhau rất rõ giữa các mô hình sử dụng cũng như kết
quả đã đưa ra. Phương thức lên men tĩnh và lên men trong CSTR cho lượng sinh khối thấp hơn rất nhiều, dẫn đến tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm cũng rất thấp so với việc sử dụng thiết bị lên men có membrane hay có hồi lưu tế bào.
Một số mô hình MBRs đã được đề xuất trong sản xuất acid lactic:
1. MCRB vận hành liên tục có sử dụng bơm màng chắn (diaphragm pump) và điều khiển tốc độ tiếp tuyến (tangential velocity) trong quá trình vận hành: (Guo et al. 2006)
a. Mô hình cụ thể
Hình 3.1. Sơ đồ MCRB liên tục trong sản xuất acid lactic.
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