Mô Hình Quá Trình Thẩm Thấu Trong Siêu Lọc Chéo Dung Dịch Protein

Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô hình hóa quá trình thẩm thấu trong siêu lọc chéo dung dịch protein, cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ lọc.

Trường đại học

Tokyo Institute of Technology

Chuyên ngành

Chemical Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2013

111
7
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Mô Hình Thẩm Thấu Trong Siêu Lọc Chéo Dung Dịch Protein

Mô hình thẩm thấu trong siêu lọc chéo dung dịch protein là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ tách chiết protein. Thẩm thấu là quá trình mà trong đó các phân tử hoặc ion di chuyển qua màng bán thấm từ vùng có nồng độ thấp sang vùng có nồng độ cao. Trong bối cảnh siêu lọc, quá trình này được điều chỉnh bởi nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ và tính chất của dung dịch protein. Siêu lọc cho phép tách protein khỏi các thành phần khác trong dung dịch, nhờ vào sự khác biệt về kích thước và tính chất của các phân tử. Mô hình thẩm thấu giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của quá trình này và tối ưu hóa các điều kiện vận hành để đạt được hiệu suất cao nhất.

1.1. Nguyên Lý Thẩm Thấu

Nguyên lý thẩm thấu trong siêu lọc chéo dung dịch protein dựa trên sự khác biệt về áp suất và nồng độ. Nguyên lý thẩm thấu cho thấy rằng khi áp suất bên ngoài tăng lên, tốc độ thẩm thấu cũng sẽ tăng theo. Điều này có nghĩa là việc điều chỉnh áp suất có thể giúp tối ưu hóa quá trình tách chiết protein. Hơn nữa, các yếu tố như độ nhớt của dung dịch và kích thước lỗ màng cũng ảnh hưởng đến hiệu suất thẩm thấu. Việc hiểu rõ nguyên lý này là rất quan trọng để phát triển các mô hình chính xác cho quá trình siêu lọc.

1.2. Các Mô Hình Thẩm Thấu

Có nhiều mô hình thẩm thấu khác nhau được áp dụng trong siêu lọc chéo dung dịch protein. Mô hình cổ điển như mô hình phân tách protein và mô hình cake filtration thường được sử dụng để mô tả quá trình này. Mô hình phân tách protein tập trung vào việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự tách biệt giữa protein và các thành phần khác trong dung dịch. Trong khi đó, mô hình cake filtration mô tả sự hình thành lớp bánh trên bề mặt màng, làm tăng độ cản trở và giảm hiệu suất thẩm thấu. Việc áp dụng các mô hình này giúp cải thiện quy trình thiết kế và tối ưu hóa các điều kiện vận hành.

II. Ứng Dụng Công Nghệ Siêu Lọc

Công nghệ siêu lọc có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm. Ứng dụng thẩm thấu trong siêu lọc chéo dung dịch protein không chỉ giúp tách chiết protein mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm cuối cùng. Việc sử dụng công nghệ này giúp giảm thiểu lượng chất thải và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Hơn nữa, siêu lọc còn có thể được áp dụng trong việc xử lý nước thải, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng mô hình thẩm thấu có thể giúp tăng cường hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

2.1. Tách Chiết Protein

Tách chiết protein từ dung dịch whey là một trong những ứng dụng chính của công nghệ siêu lọc. Tách protein không chỉ giúp thu hồi giá trị dinh dưỡng mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị cao như whey protein concentrate (WPC). Quá trình này thường được thực hiện thông qua các màng siêu lọc, cho phép loại bỏ lactose và các tạp chất khác, giữ lại protein. Việc tối ưu hóa các điều kiện vận hành như áp suất và lưu lượng cũng như lựa chọn màng phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tách chiết cao nhất.

2.2. Xử Lý Nước Thải

Công nghệ siêu lọc cũng được áp dụng trong xử lý nước thải, đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực phẩm. Xử lý nước thải bằng siêu lọc giúp loại bỏ các chất ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước trước khi thải ra môi trường. Việc sử dụng mô hình thẩm thấu trong quá trình này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí xử lý. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ siêu lọc có thể giúp giảm đáng kể lượng chất thải và cải thiện hiệu quả xử lý nước.

09/02/2025

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.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ