Mô Hình Hóa Quá Trình Thẩm Thấu Trong Siêu Lọc Dòng Chảy Ngang Dung Dịch Protein

Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô hình hóa quá trình thẩm thấu trong siêu lọc dòng chảy ngang dung dịch protein. Phân tích ảnh hưởng các yếu tố đến hiệu quả lọc.

• Tác giả: Tuan-Anh Nguyen
• Người hướng dẫn: Assoc. Yoshikawa Shiro
• Trường học: Tokyo Institute Of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Modeling Of The Permeation Process In The Cross-Flow Ultrafiltration Of Protein Solution
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tokyo

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Hình Hóa Quá Trình Siêu Lọc Dòng Chảy Ngang

Quá trình siêu lọc là một kỹ thuật quan trọng trong việc phân tách và tinh chế các hợp chất, đặc biệt là dung dịch protein. Mô hình hóa quá trình siêu lọc đóng vai trò then chốt trong việc dự đoán, tối ưu hóa và kiểm soát hiệu quả quá trình này. Trong đó, siêu lọc dòng chảy ngang (Crossflow filtration) được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng giảm thiểu hiện tượng phân cực nồng độ và tắc nghẽn màng. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh khác nhau của mô hình hóa, từ cơ sở lý thuyết đến các ứng dụng thực tiễn. Theo [1], khoảng 9 lít whey được tạo ra cho mỗi kg phô mai sản xuất. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xử lý whey, và siêu lọc là một phương pháp hiệu quả.

1.1. Định Nghĩa và Ưu Điểm của Siêu Lọc Dòng Chảy Ngang

Siêu lọc dòng chảy ngang là một kỹ thuật phân tách màng trong đó dòng dung dịch đi song song với bề mặt màng. Điều này giúp giảm sự tích tụ chất tan trên màng, từ đó giảm thiểu nồng độ phân cực và membrane fouling. So với siêu lọc bế tắc, siêu lọc dòng chảy ngang cho phép hoạt động liên tục và kéo dài tuổi thọ màng. Theo [25], có hai kiểu cấu hình lọc: kiểu bế tắc và kiểu dòng chảy ngang. Trong kiểu bế tắc, dòng chảy vuông góc với màng, dẫn đến sự tích tụ các hạt trên màng.

1.2. Tầm Quan Trọng của Mô Hình Hóa Quá Trình Siêu Lọc Protein

Mô hình hóa cho phép các kỹ sư và nhà khoa học hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình siêu lọc. Một mô hình chính xác có thể được sử dụng để dự đoán thông lượng, lựa chọn điều kiện vận hành tối ưu và thiết kế hệ thống siêu lọc hiệu quả. Mô hình hóa quá trình siêu lọc giúp tiết kiệm thời gian, giảm chi phí thực nghiệm và cải thiện hiệu quả sản xuất. Hiện tượng tắc nghẽn màng do sự tăng trở lực là một vấn đề lớn trong lọc [23].

II. Thách Thức Trong Mô Hình Hóa Siêu Lọc Dòng Chảy Ngang Protein

Mặc dù có nhiều lợi ích, mô hình hóa quá trình thẩm thấu trong siêu lọc không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Quá trình này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố phức tạp như đặc tính của dung dịch protein, tính chất của màng siêu lọc, và điều kiện vận hành. Việc nắm bắt và mô tả chính xác tất cả các yếu tố này trong một mô hình là một thách thức lớn. Các mô hình cổ điển về tắc nghẽn màng được sử dụng để mô tả tắc nghẽn màng như sau: tắc nghẽn hoàn toàn lỗ rỗng, tắc nghẽn bên trong lỗ rỗng (hoặc co thắt lỗ rỗng, tắc nghẽn tiêu chuẩn), tắc nghẽn trung gian (hoặc tắc nghẽn lỗ rỗng một phần) và lọc bánh.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Quá Trình Thẩm Thấu và Thông Lượng

Thông lượng (flux decline) bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ, nồng độ protein, hàm cản và động học quá trình siêu lọc. Sự tương tác giữa các yếu tố này rất phức tạp và khó dự đoán. Ngoài ra, tính chất của dung dịch protein, chẳng hạn như kích thước và điện tích của protein, cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình thẩm thấu.

2.2. Vấn Đề Phân Cực Nồng Độ và Tắc Nghẽn Màng Membrane Fouling

Phân cực nồng độ và tắc nghẽn màng là hai vấn đề chính làm giảm hiệu suất của quá trình siêu lọc. Phân cực nồng độ xảy ra khi nồng độ protein tăng lên gần bề mặt màng, làm giảm thông lượng. Tắc nghẽn màng là sự tích tụ chất tan trên hoặc trong màng, làm tăng hệ số thẩm thấu và giảm thông lượng. Các cơ chế tắc nghẽn bao gồm sự hấp phụ, lắng đọng và kết tụ protein.

2.3. Độ Chính Xác và Tin Cậy Của Mô Hình

Xây dựng một mô hình có độ chính xác cao đòi hỏi dữ liệu thực nghiệm chính xác và các giả định hợp lý. Tuy nhiên, việc thu thập dữ liệu thực nghiệm có thể tốn kém và mất thời gian. Ngoài ra, các giả định đơn giản hóa có thể làm giảm độ chính xác của mô hình. Vì vậy, việc đánh giá độ tin cậy của mô hình là rất quan trọng.

III. Cách Tiếp Cận Mô Hình Hóa Thẩm Thấu Siêu Lọc Dòng Chảy Ngang

Có nhiều phương pháp khác nhau để mô hình hóa quá trình thẩm thấu trong siêu lọc dòng chảy ngang dung dịch protein. Các phương pháp này bao gồm mô hình toán học, mô hình thống kê, và mô hình dựa trên mạng nơ-ron. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào mục tiêu của nghiên cứu và tính chất của dữ liệu. Trong tài liệu [14], định luật Darcy là cơ sở cho hầu hết các mô hình hóa dòng chảy qua môi trường xốp.

3.1. Mô Hình Toán Học Dựa Trên Luật Thẩm Thấu và Cân Bằng Vật Chất

Mô hình toán học thường dựa trên các phương trình mô tả sự vận chuyển chất tan qua màng và cân bằng vật chất trong hệ thống. Các phương trình này có thể bao gồm luật Fick, luật Darcy, và các phương trình động học phản ứng. Hệ số thẩm thấu, hàm cản, và nồng độ phân cực là các tham số quan trọng trong mô hình. Các phương trình vi phân mô tả sự thay đổi nồng độ chất tan theo thời gian và không gian có thể được giải bằng phương pháp số. Tài liệu tham khảo [15] cho rằng, đối với một màng mà lỗ rỗng được giả định là các mao quản hình trụ đồng nhất vuông góc với mặt màng, thì trở lực màng có thể được tính theo phương trình Poiseuille.

3.2. Mô Hình Thực Nghiệm Và Tối Ưu Hóa Quá Trình Siêu Lọc

Các mô hình thực nghiệm được xây dựng dựa trên dữ liệu thu được từ các thí nghiệm siêu lọc. Các kỹ thuật thống kê như hồi quy tuyến tính và thiết kế thí nghiệm có thể được sử dụng để xây dựng mô hình và xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình. Các thuật toán tối ưu hóa có thể được sử dụng để tìm ra các điều kiện vận hành tối ưu. Tài liệu [16] trình bày phương trình Carman-Kozeny để ước tính trở lực bánh khi bánh không nén được.

IV. Ứng Dụng Của Mô Hình Hóa Siêu Lọc Dòng Chảy Ngang Dung Dịch Protein

Mô hình hóa đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế, tối ưu hóa và kiểm soát quá trình siêu lọc dòng chảy ngang trong nhiều ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm. Nó giúp dự đoán hiệu suất, giảm chi phí và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Ứng dụng mô hình hóa siêu lọc protein là rất rộng rãi. Chương 5 của tài liệu gốc đề cập đến việc áp dụng mô hình hóa vào thiết kế và tối ưu hóa hệ thống.

4.1. Thiết Kế Hệ Thống Siêu Lọc Hiệu Quả và Kinh Tế

Sử dụng các mô hình đã được xác nhận để thiết kế hệ thống, dự đoán ảnh hưởng của các tham số như kích thước màng, áp suất, nhiệt độ và tốc độ dòng chảy trên hiệu suất. Điều này giúp giảm thiểu chi phí thử nghiệm và tìm ra cấu hình hệ thống tối ưu. Mục tiêu là đạt được năng suất cao với chi phí vận hành thấp nhất.

4.2. Tối Ưu Hóa Điều Kiện Vận Hành Để Nâng Cao Hiệu Quả Thẩm Thấu

Các mô hình có thể giúp xác định các điều kiện vận hành tối ưu, chẳng hạn như áp suất, nhiệt độ và tốc độ dòng chảy, để đạt được thông lượng cao nhất và giảm thiểu tắc nghẽn màng. Bằng cách mô phỏng quá trình, người vận hành có thể điều chỉnh các thông số để đạt được hiệu suất mong muốn mà không cần thực hiện nhiều thử nghiệm tốn kém.

4.3. Dự Đoán và Kiểm Soát Quá Trình Siêu Lọc Trong Thời Gian Thực

Triển khai các mô hình trong hệ thống điều khiển thời gian thực để theo dõi hiệu suất và dự đoán các vấn đề có thể xảy ra, chẳng hạn như tắc nghẽn màng. Các mô hình này có thể được sử dụng để điều chỉnh các tham số vận hành một cách tự động để duy trì hiệu suất tối ưu và ngăn ngừa sự cố. Tính toán quá trình thẩm thấu được trình bày trong chương 4 của tài liệu.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Của Mô Hình Hóa Siêu Lọc Protein

Mô hình hóa quá trình thẩm thấu trong siêu lọc dòng chảy ngang dung dịch protein là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng với nhiều ứng dụng thực tế. Mặc dù đã có nhiều tiến bộ, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để xây dựng các mô hình chính xác và đáng tin cậy hơn. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các mô hình đa tỷ lệ, tích hợp các yếu tố sinh học và hóa học, và sử dụng các kỹ thuật học máy để cải thiện độ chính xác của dự đoán.

5.1. Phát Triển Các Mô Hình Đa Tỷ Lệ Để Mô Tả Quá Trình Phức Tạp

Các mô hình đa tỷ lệ có thể mô tả quá trình siêu lọc ở nhiều cấp độ khác nhau, từ cấp độ phân tử đến cấp độ hệ thống. Điều này cho phép hiểu rõ hơn về các tương tác giữa các thành phần khác nhau trong hệ thống và tác động của chúng đến hiệu suất.

5.2. Tích Hợp Các Yếu Tố Sinh Học và Hóa Học Vào Mô Hình

Các yếu tố sinh học và hóa học, chẳng hạn như sự biến tính protein, sự tương tác giữa protein và màng, và sự hình thành lớp cặn, có thể ảnh hưởng đáng kể đến quá trình siêu lọc. Việc tích hợp các yếu tố này vào mô hình sẽ cải thiện độ chính xác của dự đoán.

5.3. Ứng Dụng Học Máy Để Cải Thiện Độ Chính Xác Của Dự Đoán

Các kỹ thuật học máy có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình dựa trên dữ liệu thực nghiệm và cải thiện độ chính xác của dự đoán. Các mô hình này có thể được sử dụng để dự đoán hiệu suất của quá trình siêu lọc trong các điều kiện khác nhau và tối ưu hóa các thông số vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MODELING OF THE PERMEATION PROCESS IN THE CROSS-FLOW ULTRAFILTRATION OF PROTEIN SOLUTION TUAN-ANH NGUYEN IN THE PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENT FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF ENGINEERING (CHEMICAL ENGINEERING) THE GRADUATE SCHOOL OF SCIENCE AND ENGINEERING TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY AUGUST 2013 ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express my deep gratitude to my supervisor, Assoc. YOSHIKAWA Shiro, for giving me the opportunity to work in a modern technique of separation. The constant guidance and encouragement are also indispensable to me for completing my research. I wish to express my appreciation to Prof.

KURODA Chiaki, Prof. OHTAGUCHI Kazuhisa, Prof. ITO Akira, Prof. SEKIGUCHI Hidetoshi, Assoc.

OOKAWARA Shinichi for their time and effort in evaluating my work. I have benefited from their constructive comments on my report. I want to express my sincere appreciation to the Chemical Engineering Department of Tokyo Institute of Technology, Japan and to the Faculty of Chemical Engineering of Ho Chi Minh University of Technology, Vietnam: for all the best things that they have offered me during my study and research. I would also like to acknowledge JICA project for giving me the chance to improve my knowledge in the doctoral degree and the financial support.

I also would like to thank all my lab-mate and my friends in Japan; for sharing with me their ideas and experience. They are always available whenever I have trouble. Finally, I would like to dedicate my thesis to my family, with love and gratitude. TABLE OF CONTENTS TABLE OF CONTENTS.

i LIST OF TABLES. v LIST OF FIGURES. vi LIST OF NOTATIONS. viii Chapter 1 Introduction .1 Whey protein production and utilization .2 Concentrating Whey—Early Efforts .3 Concentrating Whey—Modern Techniques .2 Classical fouling model .5 Cross-flow versus dead-end configuration .6 Classical filtration model for cross-flow filtration .8 Objective of the study.

13 Chapter 2 Filtration laws and the applicability to cross-flow filtration of protein solution .2 Classical membrane fouling model .3 Compressible cake layer .3 Modification of filtration model to cross-flow operation system .1 Classical fouling model .3 Cross-flow UF apparatus .4 Cross-flow membrane module .5 Results and discussion .1 Complete blocking law .2 Intermediate blocking law .3 Cake filtration model .4 Compressible cake model. 37 Chapter 3 Combination model for permeate flux in cross-flow ultrafiltration of protein solution.1 Combine pore blockage and cake filtration .2 Combined pore blockage and compressible cake layer model in sequent.2 A new combined model which consider pore blockage and compressive cake layer simultaneously .2 Boundary and initial condition .4 Results and discussion .1 Pure water flux .2 Suspension permeation results .3 Comparison of the model with the experimental results .4 Effect of operating conditions. 59 Chapter 4 Estimation of steady state permeate flux in cross-flow ultrafiltration of protein solution.2 Correlation and dimensional analysis .3 Steady state estimation. Results and discussions.1 Comparison with experimental data .2 Effect of operating condition to removal rate or steady state permeate flux .3 Pore blockage coefficient α: .4 Calculation of the permeation process.

74 Chapter 5 Application in design and optimization problem .2 System configuration and model calculation .2 Modeling of module performance .4 Formulizations of the problem.5 Cyclic coordinate method for optimization .7 Results and discussion .1 Effect of recirculation flow rate on the total cost .2 Effect of module inlet pressure operation .3 Effect of module height .4 Effect of module width. 96 Chapter 6 Conclusions and recommendations. 100 iv LIST OF TABLES Table 1.1 Typical chemical composition (g/L) of sweet and acid whey [2] .2 Typical and species retained by MF, UF and RO membrane [7] .1 System parameter representing the ―baseline design configuration‖ .2 Optimum design of membrane module. 94 v LIST OF FIGURES Figure 1.1 Schematic of cheese making process and image of coagulation (http://uktv.uk/food/item/aid/640812 access on 2013/06/03) .2 Liquid whey processing [1] .3 Dead-end mode and cross-flow mode of filtration [25] .1 Fouling mechanisms of porous membrane [18] .2 Relation between volume fraction and yield shear stress [12] .3 Schematic diagram of experimental apparatus .4 Cross sectional drawing of the flat membrane module .5 Fitting results using complete blockage model .6 Fitting results using intermediate blockage model .7 Fitting results using cake filtration model .8 Fitting results using compressible cake filtration model .9 Magnification in the initial period of filtration process .10 Magnification at the initial period using conventional cake layer model .1 Schematic of the developing blockage region .2 Schematic diagram of permeation process .4 Effect of trans-membrane pressure to pure water permeate flux .6 Experimental results at the initial period.7 Comparison between calculation and experiment .8 Magnification at the very initial period .9 Effect of ΔP to fitting parameters .10 Effect of feed flow rate to fitting parameters .1 Comparison between model calculation and experimental data .2 Relation between mass Stanton number and dimensionless group .3 Steady state permeate flux versus cross-flow velocity.4 Relation between protein blocked fraction and dimensionless group .5 Comparison between predicted and calculate pore blockage parameter α .6 Comparison between calculations based on correlation equation and experimental results .1 Schematic of membrane system operational configuration .2 Time value of money and cash flow [8] .3 An illustration of the cyclic coordinate method .4 Effect of recirculation flow rate on the total cost of plant .5 Effect of inlet pressure on the total cost of plant.6 Effect of module height on the total cost of plant .7 Effect of module width on the total cost of plant .8 Behavior of cost per unit flow rate design in optimum condition with plant capacity.

94 vii LIST OF NOTATIONS Terms ANOVA: analysis of variance df: degree of freedom DF: diafiltration ED: electrodialysis MF: microfiltration MS: mean square MWCO: molecular weight cut off NF: nanofiltration RO: reverse osmosis SS: sum square UF: ultrafiltration WPC: whey protein concentrate Nomenclatures A: membrane area (m2) a: fractional area over total area membrane (m2/m2) b: channel height C: protein concentration (g/m3) ϕ=C/ρ D: diffusion coefficient d: diameter f’R’ : growing cake factor (m/kg) J: filtrated flux per unit membrane (m/s) L: channel length P: pressure (Pa) Q: volume metric flow rate (m3/s) R: resistance, (m-1) t: filtration time (s) u: velocity (m/s) V: accumulated filtrate volume per unit membrane (m3/m2) Greek’s letters α: pore blockage parameter (m2/kg) ΔP: trans-membrane pressure (kPa)  : shear rate (s-1) η: solution viscosity (kg/m.s) ρ: specific mass of protein (g/m3) υ: removal rate ϕ: volume fraction (m3/m3) Subscript open: open or clean area b: bulk, back block: blocked area viii m: membrane f: fluid phase h: hydraulic properties p: protein particle s: solid phase or protein S: shear induced ss: steady state t: top of the cake layer y: compressive yield stress 0: initial ∞: infinite ix Chapter 1 Introduction 1.1 Whey protein production and utilization Whey is the liquid resulting from the coagulation of milk and is generated from cheese manufacture [1].1 shows the simplified schematic diagram of cheese making process and the image of cheese curding. Sweet whey, with a pH of at least 5.6, originates from rennet- coagulated cheese production such as Cheddar. Acid whey, with a pH no higher than 5.1, comes from the manufacture of acid-coagulated cheeses such as cottage cheese. While both whey types contain approximately the same amounts of whey proteins and lactose, the main difference is found in the calcium and lactic acid contents.

Compositional ranges of each are shown in Table 1. Milk Pasteurization Cultural, Additive Coagulant Curding Draining Cheese Whey Figure 1.1 Schematic of cheese making process and image of coagulation (http://uktv.uk/food/item/aid/640812 access on 2013/06/03) 1 In general, about 9 liters of whey is generated for every kilogram of cheese manufactured, and a large cheese making plant can generate over 1 million liters of whey daily ([2]). Due to the large amount and its low concentration, whey has been viewed until recently as one of the major disposal problems of the dairy industry. Whey not used for humans was fed to pigs or other livestock, spread to the field as fertilizer, or simply thrown out.

However, whey is a potent pollutant with a high biological oxygen demand (BOD) of 35-45 kg/l; 4,000 l of whey, the output of a small creamery, has the polluting strength of the sewage of 1,900 people [3]. Therefore, whey constitutes a major ecological burden as well as severe odor problem if disposed as a waste material or spraying onto field. The high BOD of whey also leads to an over load of waste treatment facilities and make this approach seldom practiced.1 Typical chemical composition (g/L) of sweet and acid whey [2] Beside the environmental effect, nowadays whey is evolving into a sought-after product because of the lactose, minerals, and proteins it contains as well as the functional properties it imparts to food. A number of products are obtained from whey processing, as shown in Figure 1.2 Liquid whey processing [1] 1.2 Concentrating Whey—Early Efforts The health benefits of whey led to the development of processes to isolate the solids by concentration and drying.

The initial industrial attempts were based on heat process: concentration and drying. The multiple-effect evaporator, which boils water in a sequence of tanks with successively lower pressures, is the conventional method for whey concentration. Since the boiling point of water decreases as pressure decreases, the vapor boiled off in one vessel is used to heat the next and an external heat source is needed for the first vessel only and thus this method can reduce the high energy cost for concentration. However, concentrated whey is a supersaturated lactose solution and, under certain conditions of temperature and concentration, the lactose can sometimes crystallize before the whey leaves the evaporator.

At concentrations above a dry material content of 65%, the product can become so viscous that it no longer flows. Roller drying is a process in which whey is dried on the surface of a hot drum and removed by a scraper. Although it is the cheapest drying technique, it may cause undesirable heat damage 3 for most functional applications of whey products. In addition, it is difficult to remove the dried whey from the drum surface and filler such as wheat need to be mixed before drying.

Spray drying is the most common technique for drying whey. In this process, the lactose, which is amorphous and hygroscopic, is cooled and crystallized to nonhygroscopic α-lactose monohydrate. The concentrated whey is then dispersed by a rotary wheel or nozzle atomizer into a drying chamber through a hot-air stream, producing a powder with 10–14% moisture. The evaporation keeps the temperature down and preventing denaturation [4].

The wet powder is dried to 3–5% moisture in a vibrating fluid bed [5].3 Concentrating Whey—Modern Techniques Until the 1970s whey protein was available only in the heat-denatured form, a water- insoluble, gritty, yellowish-brown powder that found limited use ([6]). Membrane filtration then arrived, which allowed for the separation and fractionation of whey proteins at ambient temperature and therefore retaining their solubility. A membrane is a barrier which separates two phases and restricts the transport of various chemical species in a rather specific manner. The driving forces arise from a gradient of chemical potential or electrical potential.

The permeability of the species depends on the membrane/solute/solvent interaction. The permeate flows through the membrane while passage of the retentate is blocked. In membrane filtration, the mobility of the species is primarily determined by the molecular size and the structure of membrane material. The dividing line between permeate and retentate is also expressed as the molecular weight cut off (MWCO).

Based on the pore size and species retained, membrane filtration usually classified as reverse osmosis (RO), nanofiltration (NF), ultrafiltration (UF) and microfiltration (MF) as shown in Table 1.2 Typical and species retained by MF, UF and RO membrane [7] The principle of membrane filtration was developed for water desalinization in the 1950s and applied to food processing starting in 1965. Whey processors employ these types of membrane filtration and electrodialysis (ED) and combination of these processes.