Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTORs (MBRs) A- Giới thiệu chung: 1. Định nghĩa chung về membrane bioreactors Membrane bioreactor là một hệ thống kết hợp giữa thiết bị lên men và thiết bị membrane với hai chức năng chính: − Thực hiện quá trình sinh học tạo sinh khối và các chất trao đổi − Thực hiện quá trình phân tách vi sinh vật từ canh trường lên men, từ đó thu nhận sản phẩm con người mong muốn. Hiệu quả của MBRs: − Quá trình được thực hiện trong điều kiện ôn hòa, kỹ thuật thân thiện với môi trường. − Hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm cao.
Sản phẩm thấm qua membrane một cách có chọn lọc, sản phẩm phụ được hạn chế. − Việc cố định vi sinh vật trên membrane khá tương đồng với vi sinh vật cố định trong tự nhiên, nên chúng dễ dàng phát huy tối đa hoạt tính trong vai trò chuyển hóa cơ chất thành sản phẩm. ĐỒ ÁN MÔN HỌC 8 − Trong MBRs xuất hiện dòng đối lưu, giúp tăng tốc độ chuyển khối cũng như tốc độ phản ứng sinh học. − Quá trình tối ưu hóa, cơ giới hóa, tự động hóa cao.
− Tiết kiệm lao động, chi phí năng lượng thấp, thời gian rút ngắn. − Năng suất hoạt động của thiết bị được nâng cao. − Các quá trình thu nhận và tinh sạch sản phẩm được tiến hành dễ dàng, độ tinh sạch và chất lượng sản phẩm được cải thiện. − Tránh tổn thất xúc tác sinh học và ổn định lưu lượng trong quá trình, nên làm giảm đáng kể tổng chi phí vận hành thiết bị.
Nhược điểm MBRs: Bên cạnh những ưu điểm thì MBRs có một số nhược điểm như sau: − Hệ thống khá phức tạp, chi phí đầu tư thiết bị cao. − Tốn kém trong việc khắc phục các hiện tượng về màng: sự tắc nghẽn và tập trung nồng độ, cũng như các hiện tượng khác trong quá trình vận hành. Phạm vi ứng dụng MBRs: MBRs được ứng dụng trong các lĩnh vực như: thực phẩm, dược phẩm, sinh học và xử lý môi trường. Trong công nghệ thực phẩm: MBRs được sử dụng phổ biến trong công nghệ lên men cồn, thủy phân tinh bột, sản xuất acid hữu cơ, acid amin, các chế phẩm enzym, vitamin… Chẳng hạn như Zhang Zhongze (1991) đã nghiên cứu mô hình MBR với membrane được bọc bên ngoài lớp vật liệu hoạt tính (như diatomite, than hoạt tính, bột xơ đay) đối với sản phẩm có chứa alcohol.
Mô hình này giúp quá trình lên men chính thực hiện dễ dàng, rút ngắn được khoảng 20% thời gian lên men, làm tăng 30-40% hàm lượng sản phẩm cũng như tiết kiệm năng lượng. Rios et al (2000) đã áp dụng MBR hoạt động liên tục có hồi lưu để thủy phân tinh bột sản xuất syrup đường với hàm lượng dextrose cao. M A Mehaia và M Cheryan (1990) đã đề xuất mô hình membrane bioreactor lên men tĩnh có hồi lưu, với module sợi rỗng làm từ polysulfone để sản xuất ethanol từ whey permeate bằng Saccharomyces cerevisiae. Một số ứng dụng khác như: Sản xuất acetone-buthanol-ethanol (ABE) bằng Clostridium acetobutylicum (Minier et al.
1984; Pierrot et al. 1986), chuyển hóa D- sorbitol thành L-sorbose bởi Gluconobacter oxydans và chuyển hóa glucose thành 2-ketogluconic acid bởi Serratia marcescens (Bull và Young 1981), sản phẩm acid citric từ glucose bằng nấm men Candida (Enziminger và Asenjo 1986; Rane và Sims 1995)… b. Trong ngành dược phẩm và y sinh: - MBRs đã đem lại hiệu quả cao trong sản xuất penicillin, một loại thuốc khánh sinh có giá trị, hữu ích cho con người. Rất nhiều nghiên cứu đã đề cập đến vấn đề này Yaun et al (1990) đã thiết kế mô hình MBR mới có cố định tế bào để sản xuất 6- amino-pencillanic acid (6-APA), với membrane sợi rỗng bằng polysulfone hay ĐỒ ÁN MÔN HỌC 9 membrane phẳng – có tỷ lệ thể tích vùng bề mặt lớn, kết quả là làm tăng hàm lượng và độ tinh khiết của sản phẩm so với quá trình truyền thống.
Giordano et al (2002) đã tính toán thiết bị MBR ceramic để nuôi cấy Penicillium chrysogenum cố định vùng bề mặt phía trên membrane sợi rỗng. Để tăng hiệu suất quá trình lên men, môi trường nuôi cấy được pha loãng ở giai đoạn sinh tổng hợp penicillin (trophophase). Việc thống nhất điều kiện ban đầu là quan trọng để xử lý hệ thống phương trình vi phân đại số, hữu ích cho việc đánh giá bioreactor, cũng như có thể xem xét trên phạm vi lớn, từ đó thiết kế được những kiểu bioreactor mới để ngày càng phát triển và hoàn thiện sản phẩm. - Ngoài ra, MBR còn được sử dụng thành công trong sản xuất những loại hợp chất y học khác (như là cyclodextrins, microbial alginate, glycerol, monoglycerides, formaldehyde…) - Không những vậy, trong lĩnh vực y sinh, MBR cũng đóng vai trò khá quan trọng.
Điển hình là Yazaki và cộng sự (2001) đã tạo ra kháng nguyên anti- carcinoembryonic diabody và minibody trên lâm sàng bằng cách sử dụng bioreactor membrane sợi rỗng. Đối với môi trường: MBR được ứng dụng rất sớm và rất thành công, trong xử lý khí thải và nước thải công nghiệp. Lu et al. (1999) đã dùng đĩa xoay module UF kết hợp với bioreactor hiếu khí lên men cường độ mạnh để xử lý nước thải.
MBR có thể làm việc liên tục suốt 130 ngày. Peretti et al. (1999) đã báo cáo việc xử lý dòng khí thải có chứa VOCs, hệ thống MBR sử dụng có thể chịu được sự biến đổi không rõ ràng của nồng độ chất ô nhiễm. VOC trong dòng khí thải được tách bởi pha dung môi oleic bằng việc sử dụng membrane xốp bó sợi rỗng kỵ nước tạo điều kiện tiếp xúc giữa pha khí và pha dung môi.
Chất ô nhiễm và bùn sinh học sẽ được phân tách với pha nước và oleic, từ đó dòng khí sạch được thải ra ngoài. ĐỒ ÁN MÔN HỌC 10 B- Membrane bioreactors trong công nghệ thực phẩm: Cấu tạo thiết bị MBRs khá đa dạng, do bản chất của nó là hệ thống hoạt động dựa trên nhiều chức năng của nhiều thiết bị trong hệ thống đó, cụ thể ở đây là sự kết hợp giữa thiết bị lên men và membrane.1/ Sơ lược bioreactor và membrane: 1. Thiết bị lên men: Thiết bị lên men là thiết bị dùng nuôi cấy vi sinh vật nhằm thu nhận sản phẩm trao đổi chất hay thực hiện chuyển hóa có lợi cho con người. Trong sản xuất công nghiệp hiện nay, thiết bị lên men thường hình trụ gồm các bộ phận chính: − Hệ thống đường ống dẫn khí bên trong (có thể là oxy, không khí, nitơ…) − Lớp vỏ áo bao quanh thân hay hệ thống đường ống bên trong thiết bị để điều nhiệt − Cánh khuấy − Nhiều cảm biến (như đầu dò pH, nhiệt độ, chất phá bọt, mực chất lỏng…) được nối với hệ thống điều khiển.
Thiết bị lên men sử dụng quy mô công nghiệp ĐỒ ÁN MÔN HỌC 11 Thiết bị lên men rất đa dạng. Dựa vào hoạt động của cánh khuấy trong bình lên men, ta có thể phân ra làm 3 loại chính: khuấy cơ học, khuấy bằng khí nén và không có cánh khuấy. − Thiết bị khuấy bằng cơ học có thể là thùng quay, xoáy vi lọc, hay cánh khuấy thông gió. − Thiết bị khuấy bằng khí nén có thể là dựa vào hơi nước hay áp lực khí.
Thiết bị này thường gồm có bình chứa đựng chất lỏng, có gắn những lỗ thông cho hơi nước đi qua, làm sao để cung cấp đủ lượng oxy hòa tan cho sinh khối. Nhờ có cánh khuấy và dưới tác dụng sức đẩy của cánh quạt hay mái chèo, sinh khối và môi trường được hòa trộn đều, không cục bộ, nhờ đó hiệu suất của quá trình lên men cao. Tuy nhiên, nếu cánh khuấy hoạt động quá mạnh hay lực trộn và cào mạnh có thể làm hư canh trường, ảnh hưởng đến hoạt tính vi sinh vật. Ví dụ như trong trường hợp sử dụng nấm mốc, cánh khuấy có thể làm gãy sợi nấm.
Membrane: Membrane là màng đóng vai trò vật ngăn để phân riêng các cấu tử. Động lực trong kỹ thuật phân riêng bằng membrane là áp suất. Kết quả của quá trình phân riêng bằng membrane sẽ cho ta hai dòng sản phầm: − Dòng sản phẩm qua membrane được gọi là permeate − Dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate. Cấu trúc membrane: Membrane thường có độ dày rất nhỏ, tối đa chỉ lên đến vài trăm μm.
Đường kính các lỗ mao dẫn trên membrane cũng rất nhỏ, từ 10-4 đến10 μm. Membrane có cấu trúc vi xốp. Theo cấu trúc, người ta chia membrane thành 2 nhóm: − Cấu trúc đẳng hướng: gồm 1 lớp màng duy nhất với độ dày trung bình 0. Các ống mao dẫn trên membrane có đường kính không đổi, được bố trí song song với nhau và cùng vuông góc với bề mặt membrane.
Membrane vi xốp được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau như ceramic, graphite, kim loại, oxit kim loại hoặc các loại polymer. Membrane vi xốp thường được chế tạo bằng một số kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo pha… Hình 1. Cấu trúc membrane vi xốp đẳng hướng − Cấu trúc bất đẳng hướng: được cấu tạo từ hai lớp màng kết dính nhau. Lớp trên gọi là lớp bề mặt có độ dày từ 0.
Đường kính các mao dẫn của lớp bề mặt thường rất nhỏ. Lớp bên dưới có độ dày dao động trong khoảng 100-200 μm với chứ năng làm tăng độ bền cơ học cho membrane. Đường kính các lỗ ĐỒ ÁN MÔN HỌC 12 mao dẫn của lớp này khá lớn. Lớp bên dưới có chức năng làm tăng độ bền cơ học cho membrane, nên loại này thường đóng vai trò là khung đỡ.
Cấu trúc membrane vi xốp bất đẳng hướng Theo W. Zhang và cộng sự 1998, cấu trúc membrane ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động MBRs. Qua khảo sát, ông đã kết luận rằng membrane bất đẳng hướng gây ra hiện tượng tắc nghẽn màng nghiêm trọng hơn so với membrane đẳng hướng. Cấu tạo membrane Membrane có thể được cấu tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau.
Trong lĩnh vực thực phẩm, người ta thường sử dụng membrane được làm từ cellulose acetat, các polyamide, polysulfone, ceramic và một số loại polymer khác. Membrane được sản xuất từ cellulose acetate có ưu điểm là ưa nước, đường kính lỗ mao dẫn có thể dao động một khoảng rất lớn và giá thành thấp. Tuy nhiên, chúng có một số nhược điểm như khoảng nhiệt độ và pH hoạt động khá hẹp (Tmax ≤ 35-400C; pH = 3-8), kém bền với các chất tẩy rửa công nghiệp như chlorine và dễ bị phân hủy sinh học. Membrane polyamide nhìn chung có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng hơn các membrane cellulose triacetat (T max ≤ 500C; pH = 3-11) nhưng lại kém bền hơn với chlorine và trong quá trình vận hành, dòng permeate dễ bị tắc nghẽn hơn.