Các quá trình và thiết bị công nghệ sinh học : THIẾT BỊ PHÂN CHIA CÁC DUNG DỊCH CỦA CÁC CHẤT HOẠT HOÁ SINH HỌC BẰNG MÀNG MỎNG part 1 pps

Chương 12 THIẾT BỊ PHÂN CHIA CÁC DUNG DỊCH CỦA CÁC CHẤT HOẠT HOÁ SINH HỌC BẰNG MÀNG MỎNG Thẩm thấu ngược, siêu lọc, vi lọc, thấm tách, điện thấm tách, bốc hơi qua màng đều thuộc các qu

Chương 12

THIẾT BỊ PHÂN CHIA CÁC DUNG DỊCH CỦA

CÁC CHẤT HOẠT HOÁ SINH HỌC BẰNG MÀNG MỎNG

Thẩm thấu ngược, siêu lọc, vi lọc, thấm tách, điện thấm tách, bốc hơi qua màng đều thuộc các quá trình phân chia các dung dịch bằng màng mỏng Các quá trình lọc bằng màng xảy ra ở chế độ công nghệ mềm, điều đó rất quan trọng khi gia công các chất không ổn định Các phương pháp lọc màng cho phép đồng thời thực hiện các quá trình vừa tinh luyện vừa cô đặc các dung dịch Ngoài ra chúng còn được tiến hành mà không có sự chuyển pha của sản phẩm gia công và không cần cung cấp nhiệt, chỉ ở nhiệt độ môi trường, có khả năng giảm mất mát đáng kể các chất hoạt hoá sinh học Các quá trình này cho phép đạt được mức độ cô rất cao (đến 250) và nhận được các chất cô có hàm lượng khô đến 50% Thiết bị màng lọc tương đối đơn giản, kích thước cơ bản không lớn, tiết kiệm và có thể tự động hoá

Các màng được ứng dụng để siêu lọc có thể giữ được các phân tử có kích thước từ

5 đến 50 nm, có nghĩa là các phân tử hữu cơ loại lớn Các màng để thấm thấu ngược giữ được các phân tử có kích thước 2,5 nm

khi hoạt động dưới áp suất chân không

(từ 4 đến 10 MPa)

Khả năng phân chia của các màng

được xác định bởi khả năng giữ lại các

hạt có khối lượng và kích thước phân tử

xác định Trên hình 12.1 nêu sơ đồ lựa

chọn phương pháp phân chia các dung

dịch phụ thuộc vào đại lượng các hạt có

trong chúng

Nhược điểm của các quá trình

phân chia bằng màng lọc đó là sự cần thiết phải chuẩn bị và tinh chế các dung dịch một cách cẩn thận, xuất hiện sự phân cực nồng độ - xuất hiện nồng độ cao của chất hoà tan ở bề mặt màng lọc và tạo nên một lượng lớn các chất thấm, đòi hỏi phải tận dụng hay tinh chế trước khi xả vào hệ thống kênh thoát

Lọc muối

1

Lọc đường

10

102

103

104

105

Thẩm thấu ngược Siêu lọc

Vi lọc Phân ly cao tốc

Lọc truyền thống

Lọc đại phân tử Lọc vi nhũ tương

Lọc vi khuẩn

Hình 12.1 Kích thước các hạt

mm

12.1 KỸ THUẬT PHÂN CHIA BẰNG MÀNG LỌC

Sau hàng triệu năm biến hoá, trong tế bào sinh vật sống đã hình thành phương pháp vạn năng và hoàn thiện để phân chia các dung dịch nhờ màng bán thấm Ví dụ như vỏ tế bào động và thực vật, nhờ chúng mà sự trao đổi chất giữa tế bào và môi trường bên ngoài được thực hiện

12.1.1 Các màng siêu lọc

Các màng bán thấm siêu lọc là những màng xốp, trong đó tồn tại hệ rãnh xuyên suốt bảo đảm thẩm thấu pha của các cấu tử trong hỗn hợp bị phân chia Các lỗ nhỏ trong màng tạo ra hệ thống đường rãnh ngoằn ngoèo liên kết với nhau hay có thể độc lập Các màng bán thẩm là bộ phận hoạt động cơ bản của thiết bị siêu lọc, cho phép tách các chất hoà tan có khối lượng phân tử trong khoảng 1200 ÷ 3000000 Các màng dùng trong công nhiệp được sản xuất từ các màng xenluloza axetat xốp, dị hướng coú kết cấu hai lớp, gồm lớp bề mặt mỏng với bề dày 0,25 µm đến đệm xốp mịn có bề dày 100 µm Lớp mịn hoạt hoá của màng sẽ xác định khả năng giữ lại một loại cấu tử trong hỗn hợp được phân chia, trong lớp này xảy ra quá trình phân chia Vi kết cấu của lớp hoạt hoá với kích thước lỗ được quy định sẽ xác định mức độ cô các chất

Hiện nay các vật liệu được dùng làm nền cho màng: giấy kim loại, thuỷ tinh xốp, grafít Yêu cầu cơ bản của các màng nhân tạo như sau: tính lựa chọn cao, tính thấm cao, bền hoá và tính trơ sinh học đối với các dung dịch đem phân ly, tính ổn định trong quá trình hoạt động, độ bền cơ học và tuổi thọ caọ, có khả năng tái sinh và giá thành thấp

Hiện tại ở Nga đã sản xuất bảy nhãn hiệu màng siêu lọc được sử dụng trong công nghiệp từ xenluloza axetat dạng: YAM - 30, 50 M, 100 M, 150 M, 200 M, 300 M và

500 M, chúng khác nhau bởi đường kính lỗ (từ 2 đến 60 ÷ 70 nm), bởi tính thấm và tính lựa chọn tương ứng Màng YAM - 30 với đường kính lỗ nhỏ nhất có thể được sử dụng để cô các chất hoạt hoá sinh học có khối lượng phân tử đến 10000, còn màng YAM -

500 với đường kính lớn nhất − để cô các chất có khối lượng phân tử đến 50000 Tuy nhiên khi lựa chọn các màng, ngoài khối lượng phân tử cần phải tính đến yếu tố (không gian, đặc trưng cấu trúc không gian các phân tử của chất đem cô) có ảnh hưởng đến tính lựa chọn của các màng, cũng như khả năng kết tụ của nhiều chất hoạt hoá sinh học Cho nên đối với mỗi một hệ cụ thể, việc lựa chọn màng được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm

Các màng lựa chọn dạng YAM từ xenluloza axetat để cô và tinh chế một số enzim bằng phương pháp siêu lọc được nêu ở bảng 12.1

Bảng 12.1 Đặc tính của một số màng lựa chọn dạng YAM

Proteinaza kiềm tính từ Bac subtilis

Proteinaza trung hoà từ Bac subtilis 103

Rennin từ Bac mesentericus (ПБ)

Lipaza từ Asp awamori

Xenluaza từ Sedridium và Candidum

Pectinaza từ Asp awamori 16

Glucoamilaza từ Asp niger

20.000 ÷ 23.000

45000

40000 ÷ 50000

43000 ÷ 50000

60000

80000

97000

YAM - 150 YAM - 200 YAM - 200 YAM - 200 YAM - 200 YAM - 300 YAM - 300 YAM - 300

Khi xét đến tính không bền nhiệt của các dung dịch, thường tiến hành quá trình siêu lọc ở nhiệt độ bình thường hay thấp hơn, vì vậy phải làm sạch dung dịch ban đầu trong quá trình tuần hoàn kín

12.1.2 Các xơ polyme

Xơ polyme là vật liệu lựa chọn có triển vọng dùng cho siêu lọc Chúng là những ống mao dẫn có đường kính 20 ÷ 100 µm và chiều dày thành ống xốp 10 ÷ 50 µm Sự hình thành các xơ rỗng bằng phương pháp ép lõm polyme nóng chảy qua các khuôn kéo đặc biệt Polyamit, penylon, polyacrylonitryl được sử dụng như là những vật liệu để sản xuất ra các xơ rỗng

Các bó xơ được gắn chặt vào bộ phận bên trong của thiết bị siêu lọc để tạo ra bề mặt có diện tích đến 30.000 m2 Có thể xếp đến 28 triệu sợi xơ vào ống có đường kính

35 cm Khi đó năng suất đạt 175 m 3 nước trên 1 m3 thể tích không gian trong ống

Những ưu điểm của các xơ rỗng như sau: khả năng tạo ra những yếu tố phân chia có mật độ gói cao, vận chuyển và bảo quản ở dạng khô, có khả năng giữ ở áp suất cao Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của các xơ polyme là rất khó thay đổi các sợi xơ khi bị

hư hỏng

Một trong những đặc điểm của các màng bán thấm là tính thấm nước của chúng Các màng được dùng trong công nghiệp để lọc siêu tốc được đặc trưng bởi khả năng

thấm nước đến 300 l/(m2.h) và lớn hơn, tuy nhiên khi cô và tinh chế các dung dịch chứa enzim và các dung dịch hoạt hoá sinh học khác, năng suất của chúng thấp đáng kể -

không lớn hơn 30 ÷ 40 l/(m2.h)

Trong quá trình hoạt động năng suất của màng giảm xuống

12.1.3 Các sợi xơ rỗng

Các sợi xơ rỗng từ vật liệu xenluloza axetat là những ống nhỏ có đường kính trong 0,2 mm Những sợi trơ hoá này có cấu trúc dị hướng Khi dòng chảy qua sợi rỗng ở bề mặt bên trong tạo ra ứng lực trượt cao sẽ làm giảm sự phân cực nồng độ Aïp suất tăng lên trong khe sợi sẽ đẩy dung môi các chất thấp phân tử và muối ra ngoài qua vách sợi, còn các chất được giữ lại sẽ tập trung trong dòng tuần hoàn kín Các sợi được ghép lại thành những bó một, khoảng 1000 sợi và được xếp kín trong ống nhựa trong, nhờ đó mà có thể nhận được diện tích bề mặt lọc lớn với thể tích vừa phải Khả năng của các màng giữ lại các chất hoà tan có tính chọn lọc được thể hiện bởi hệ số giữ:

f

0 n 0

f n g

v

v l n

n l

trong đó: nf - Nồng độ cuối của các cấu tử đại phân tử trong vật liệu giữ, của các hạt trên

1 cm3 ;

n0 - nồng độ ban đầu của các cấu tử đại phân tử, của các hạt trên 1 cm3;

V0 - thể tích ban đầu, m3 ;

Vf - thể tích cuối cùng, m3

Tốc độ chảy của dòng qua màng phụ thuộc vào dạng các chất hoà tan được giữ lại, vào độ hoà tan, nồng độ và các tính chất khuếch tán, đồng thời cũng phụ thuộc vào màng, vào diện tích hoạt động của màng, vào áp suất, nhiệt độ và độ nhớt

Tốc độ của dòng chảy xuyên qua màng tỷ lệ nghịch với logarit nồng độ của chất hoà tan có tính đến ảnh hưởng của các điều kiện phân cực nồng độ Tính thẩm thấu của màng giảm xuống khi tăng nồng độ và khi tiến hành quá trình ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bình thường

12.1.4 Các dạng thiết bị dùng màng lọc

Hiện tại người ta sử dụng rộng rãi bốn loại kết cấu cơ bản của các thiết bị dùng màng lọc: có các bề mặt lọc, ống lọc, cuộn lọc và các màng lựa chọn ở dạng các sợi rỗng Ba loại thiết bị đầu được trang bị hoàn chỉnh các màng bán thấm phẳng đồng nhất và chúng khác biệt bởi các phương pháp gói và gia cố màng

Đặc tính quan trọng của các thiết bị dùng màng lọc là mật độ gói của màng - diện tích bề mặt của các màng lựa chọn trên một đơn vị thể tích thiết bị Mật độ gói của các màng trong thiết bị có nhiều dạng khác nhau được nêu dưới đây (m2/m3)

Dạng khung phẳng 60 ÷ 300

Dạng có các sợi rỗng đến 30000

Trong các thiết bị dạng cuộn, một hay một số màng 3 được gia cố giữa bộ tiêu nước 4 và bộ sàng lưới (hình 12.2) Một phía của vật liệu lọc như thế được bịt kín trên ống để thải chất lọc 1, và tất cả vật liệu được cuộn tròn trên ống này ở dạng rulô 2 Nhanh chóng trong vấn đề thay đổi các bộ phận lọc làm cho thiết bị dạng cuộn trở nên rất thuận tiện cho thao tác

Nhược điểm của các thiết bị loại này là sức cản thuỷ lực cao và sự tích trữ cặn trong các bộ sàng bằng lưới

Các thiết bị khung phẳng Trong các thiết bị dạng khung phẳng, các bản đỡ có

các cơ cấu tiêu nước để tháo chất lọc được bao phủ bởi các màng lựa chọn từ hai phía và được tập trung vào túi Cho nên giữa các bản đó được tạo nên những rãnh hở để hình thành kênh dẫn dung dịch ban đầu (hình 12.3) Các thiết bị dạng khung phẳng được lắp ráp đơn giản và hoạt động bền Nhược điểm là sự phân bổ dung dịch đem phân chia giữa các rãnh không đều, mật độ gói thấp và lượng vật liệu cao

Thiết bị có các sợi rỗng Các thiết bị trên cơ sở của các sợi rỗng gồm vỏ xilanh,

trong đó đặt ống trục hay các sợi rỗng mà không cần ống trụ Các sợi được phủ kín từ một hay hai đầu sợi bằng các bản làm bằng nhựa epoxit Các thiết bị trên cơ sở của các sợi rỗng có mật độ gói rất cao Tuy nhiên các dung dịch được phân chia trong thiết bị cần phải tinh chế sơ bộ, vì hiệu suất của quá trình phân chia phụ thuộc đáng kể vào sự tinh chế sơ bộ của chúng

Người ta đã chế tạo khối vi lọc như trong hình 12.4, sử dụng các sợi rỗng từ xenluloza axetat và nylon - 12 Thiết bị gồm các bó (mỗi bó có 10000 sợi), sợi rỗng được xếp trong ống xilanh Độ đặc 10.000 m2/m3 Vách các sợi rỗng thực chất là màng

Dung dịch ban đầu Chất lọc

Hình 12.2 Sơ đồ sắp xếp các màng

lựa chọn trong thiết bị dạng cuộn

Chất lọc

Chất cô Dung dịch

ban đầu

Hình 12.3 Sơ đồ thiết bị dùng màng lọc dạng khung phẳng: 1- Bệ lắp; 2- Thanh giằng; 3- Khu phòng; 4- Đệm xốp; 5- Màng lựa chọn

1 2 3 4 5

bán thấm Dưới áp suất, chất lỏng được đẩy vào bó sợi từ một đầu vỏ, còn chất vi lọc thoát ra từ hai đầu cuối của bó sợi

Thiết bị có năng suất từ 5 đến 1000 m3/ngày

Hình 12.4 Thiết bị dùng màng lọc trên cơ sở của các sợi rỗng:

1- Vòng hãm; 2- Bản ; 3- Lưới che chắn; 4- Các sợi rỗng; 5- Bản bằng nhựa epoxit; 6- Đĩa đỡ; 7,10- Đáy; 8- Ống phân phối được đột lỗ; 9- Vỏ bằng sợi thuỷ tinh

12.2 CÁC THIẾT BỊ SIÊU LỌC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 12.2.1 Cấu tạo

Quá trình siêu lọc được thực hiện trong khối màng dạng khung phẳng Diện tích bề mặt làm việc của mỗi khối 10 ÷ 12 m2

Khối siêu lọc (hình 12.5) gồm vỏ hộp

3, trong đó xếp các túi chứa bộ lọc phẳng 5,

được phân cách lẫn nhau giữa các đệm có

hình dạng đặc biệt 4 Khe rãnh có chiều sâu

1,0 ÷ 1,5 mm được tạo ra giữa các cặp nối của

bộ lọc Dung dịch được cô chảy qua các rãnh

Để ngăn ngừa sự xê dịch của túi khi hoạt động

thường dùng các chi tiết định vị 2, các gờ của

các bộ lọc và các đệm phân chia được tì vào

đó Túi được bít kín trong hộp nhờ nắp trên 1

Nắp trước 8 có lắp các đoạn ống để nạp dung

dịch ban đầu và tháo chất cô đặc được cố định

bởi các chốt 6 qua lớp đệm kín 7 từ phía mặt

mút của máy Đoạn ống để tháo chất thấm được bố trí ở phía sườn của máy

Bộ lọc gồm bản trụ bằng polypropilen có dạng hình vuông, ở hai phía tấm có các rãnh khía dọc, ngang với chiều sâu 0,3 mm Dùng vải capron có số sàng No 32 - 49 để bọc kín bản Đặt màng lựa chọn ở trên, sao cho phủ kín một mặt mút của bộ lọc, chất thấm được tháo ra qua ba bộ lọc hở còn lại

Dung dịch ban đầu

Hình 12.5 Khối siêu lọc

Chất thấm