Nâng cao hiệu suất thu hồi monome axit lactic sau quá trình lên men nhằm phục vụ cho tổng hợp vật liệu polyme phân hủy sinh học.PDF

Nhưng một ứng dụng có tương lai rộng mơ của axit L-lactic là công nghiệp sán xuất nhựa phân huy sinh học nhăm thay thể dần nhựa tống hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ.Khó khăn lớn nhất cần phải

Purification o f lactic acid m o n o m er for syn th esis o f

b iodegrad able polymer

Báo cáo tóm tắt bằng tiếng Việt

Mục tiêu là khao sát kha năng nâng cao chai lượng cua monome axit lactic sail quá trinh lên men nhăm làm nguyên liệu cho lỏng họp P! A là một \ ậ l liệu polymc va composite thân thiện voi môi trường

Nội cỉung nghiên cửu bao gôm hai phân lớn: 1) Tông quan lài liệu vả các phương pháp phân tích phát hiện axit L-lactic 2) Nghiên cửu các biện pháp tách

Vđ tlui hồi m o n o m e axit L-lactic từ dị ch lên m e n , t ừ đó đ á n h giá \ c hiệu suất llui

hôi cua các qua trình

5 Các kết quá đạt đu ọc

■ Phần tông quan cho tác giả một cách nhìn khái quát về các phương pháp đang đirợc sir dụng trên thê giói nhăm tách axit L-lactic lừ dịch lên mon một cách hiệu qua, từ dó lựa chọn một hướng nghiên cửu kha thi iron ti diêu kiện hiện có cua Việt Nam

■Các phươ ng pháp phân tích dịch lên men và axit L-lactic đã đưọ-c írne, dụng la: đo độ đục cua du ng dịch, phô 1R, phân tích sắc k> long cao áp I IPLC

■Thiêt kế và chế tạo bộ phận lọc tách loại lế bào vi sinh vật và các cặn ran

lơ lưng tôn tại sau khi lên men và đánh giá hiệu qua cua phươ ng pháp lọc và ly

■Sử dụng nhựa trao đôi ion đê tách axit L-lactic ra khỏi dịch lên men và đánh giá hiệu quá cua hai loại dung môi rửa giải khác nhau: nước và metanol

6 Tình hình kinh phí của đề tài:

Tô n g kinh phí được nhận: 25 000 000 đồng

Báo cáo tóm tát bàng tiếng Anh

« r i ' A - I À , < • Ẩ

1 Tên đê tài, mã sô:

Subject title: Purification o f lactic acid monomer for synthesis of

biodegradable polymer

Code. QT-09-33

2 Chủ trì đề tài:

M ain responsible person -.

Dr Ngô Thị Thanh Vân

3 Cán bộ tham gia:

Coordinators:

Master Đảo Sỹ Đức

Engineer Tạ Mạnh Hiêu

4 M ục ticu và nội dung nghiên cứu:

Goal o f our research is to recovery o f L-lactic acid mon om er from the fermentation broth This monomer will be applied to synthesize PLA - one o f biopolymer which is friendly environmental material

O ur research results include two major parts: 1) Overview o f documents and analysis methods to detect L-lactic acid 2 ) Study the separation processes

o f monom ers L-lactic acid from its fermentation broth After that, v\e evaluate the performance o f each recovery process

5 Các kết quíi đạt đtrợc:

We obtained the fit ai n results followed'.

- The overview gives to us an information about recent methods to separate efficiently L-lactic acid from fermentation broth at the world scale Thereby, we have a choice o f research direction which is the most suitable in the Vietnamese conditions

- Methods used to analyze the fermentation broth and L-lactic acid have been realized with turbidity meter o f the solution, IR spectrum, hiah-pressure liquid

chromatography technique (HPLC).

- Design o f the filter system to separate microbial cells and suspended solid residue from fermentation broth The effectiveness o f filter system is compared

to that o f centrifugal method

- A strong anion exchan ge resin is used to recover L-lactic acid from

fermentation broth Then, water and methanol - two different solvent are used to rinse and the effectiveness o f each solvent is evaluated

1.3 ỉ Các loại màng lọc khác nhau trong tách ctxit L-ìactic từ dịch 12

lên men

Ỉ.S.2 Hệ thõng lọc rách cixit L-lactic tích hợp với thiêí bị lên men 15

ỉ 3.3 Màng điện thâm tách — một công nghệ hiện đại dùng đé tách 1 7

và tinh chế axil L-lcictic

I.4.2 Quá trình tách cixir L-lactic băng nhựa trao đôi ion 19 ■

NGHIỆM

í 1.2.3 Phô hồng ngoại FTIR

II 2.4 Phương pháp sắc kỷ lỏng cao áp HPLC - 7

IIỈ.2 Thiết kế và chế tạo hệ thống màng lọc tiếp nối với thiêt bị lên 3 I

men

111.4 Quá trình thu hồi axit L-lactic bàng nhựa trao đổi anion mạnh 35

IIỈ.4.1 Các bước tiến hành thu hồi axit L-lactic bcmg nhựa trao đôi 35

ctnion mạnh

L Ờ I M Ở ĐẦUHiện nay, axit L-lactic có các ứng dụng chú yếu trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỳ phẩm Nhưng một ứng dụng có tương lai rộng mơ của axit L-lactic là công nghiệp sán xuất nhựa phân huy sinh học nhăm thay thể dần nhựa tống hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ.

Khó khăn lớn nhất cần phải vượt qua trong quá trình lên men axit lactic là phái đạt được tính kinh tế của quá trình để có thê đưa các sản phẩm nhựa sinh học cạnh tranh được với nhụa có nguồn gốc từ dầu mo Đẽ giải quyết được bài toán kinh tế đó, người ta phài áp dụng nhiều phương hướng giái quyết khác nhau: tìm nguồn nguyên liệu tinh bột rẻ tiền, nâng cao hiệu suât lẻn men, tiêt kiệm năng lượng và nước thái cùa quá trình, không sứ dụng các hóa chât làm hại đến môi trường và có thẻ tái thu hồi trong quy trình khép kín [9 ; 13] Trong nhiều tài liệu khoa học, ngưòi ta đã chi ra răng nêu áp dụng thành công các giái pháp kinh tế - kỹ thuật trong giai đoạn tách và tinh chế L-lactic thi coi như đã đạt được 60% mục tiêu hạ giá thành cua sản phâm Tuy nhiên đế có thê đưa ra được một quy trình tách và làm sạch L-iactic đạt hiệu qua cao là không dê dàng

vì L-lactic được biết là một hợp chất có ái lực vói nuóc rất lớn và có độ ba> hoi thấp (nhiệt độ sôi của nó là 122°c ơ 1661,73 Pa) [10] Chính vì vậy, mục tiêu cua đề tài là tìm hiểu về các quá trình làm sạch dịch lên men axit L-lactic và

mặt kinh tá

pyruvic và các dẫn xuất cua pyruvic Các phan ứng thế hiện tính chất cua một axit là: tác dụng vói bazo' tạo muôi lactat tương ứng, tác dụns; vói rirợu

đẽ tạo thành este Các phân tử axit lactic có thê phan ứng với nhau đê tạo thành một đại phân tư thông qua phan ứng trùng ngưng Tuy nhiên, đại phân

tứ thu được băng phán ứng trùng ngưng có khôi lượng phân tử trung binh không lớn và có sự phân bố khối lượng phân tứ rất rộng nên đẻ thu được polyme poỉy (lactic acid) PLA có khối lượng phân tư trung binh lớn, ngưòi

ta thường sư dụng phương pháp trùng hợp mớ vòno lactit nhu trong so đô hình 2 [I]

Axít D (-) lactic

4

Hình 2: Phan ứng trims nsưne và trùng hợp mơ vòns lactit tạo polv (lactic

acid) từ monome axit lactic (]) Quá trình trùng neưns trực tiếp LA thành PLLA khối lượna phân tư

nhỏ

(2) Quá trình đê polyme hóa và lactit hóa

(3) Mơ vòng lactit và polyme hóa tạo PLLA khối iượns phân tử lớn

/ 1.2 Tính chất vật lý

Axit lactic còn có tên gọi là axit a-hydroxypropionic, là chất long sánh trons suốt, không màu tan trong nước, rượu etylic, ete và dy x e ri n nhưng không tan trong các dung môi hữu cơ và có độ ba> hơi thấp Khi đun nóng thường bị mất nước đẻ trơ thành hồn hợp axit lactic và anhydrit cưa chính nó

Dưới đây là bang các thông số hóa lý cua axit lactic [2]:

5

Bang ỉ: Cá c t h ô n g sô hóa lý c ua axit lactic

Hằna, số phân ly, Kj, (25°C) ỉ ,37.10"1

lactic 10% trona, nuớc

Dịch lên men axit lactic chứa chu yếu các tạp chât như đ ư ò n g dư, chất tạo màu và các axit hữu cơ khác Nhừns, tạp chât nà \ có thê được loại bo bãno, chiôt

6

hoạt hóa, hấp phụ, điện thẩm tích và este hóa sau đó thuy phân với kỳ thuật

ch ưn g cất Tro ng bài báo tống quan [3], các kết qua nghiên cứu cua các nhà khoa học trên thế giới về các phươ ng pháp tách và làm sạch axit L-lactic đã

Ọuá trình chiết hoạt hóa hoặc hấp phụ có thê được kết hợp với quá trình lẽn men axit lactic và tạo thành vòng tuần hoàn khép kín, như vậv axit lactic được loại bỏ liên tục từ thiêt bị lên men và do đó ta không phai sư dụng kicm đẽ trung hòa axit lactic được hình thành trong quá trình lên men Nếu quá trinh lên men được thực hiện theo phương thức gián đoạn, độ pH cua dịch lên men cần phái được giữ ơ mức gân vói giá trị pH trung tính bàng cách bô sung các chẩi kiêm như sừa vôi, natri cacbonat hoặc amoni hydroxit Vôi la re nhắt cua chấl kiêm Tuy nhiên, hệ qua cua việc dùng sữa vôi trims hòa axit troim quá trình lên

m en là tạ o ra sô l ư ợ n g lớn cá c sui fat ca nx i cầ n phai đ ư ợ c xir lý Vi ệc XII' [>

lượng sui fat canxi là râl khó khăn vì nó lưu giữ các tạp châl hữu cơ Nếu sư dụng rua băng nước đẽ làm ííiam chât hữu cơ thì lại tạo ra một lưọrm lớn nirớt thai phai XII' lý [ 3 1

Lợi thè của việc sư dụng sừa vôi là ta có thê kết tua và tách lactat canxi ra khoi dịch lên men do độ hòa tan thâp cua lactat canxi tr on 2, nươc và do dó loại dược nước, một sô tạp châl hòa tan Sau đó, một sô tạp chát còn ai ừ lại trong canxi lactat sẽ được loại bo băng quá trình este hóa Lactat canxi co thò trực tiôp hòa tan tro nu metanol và khi bô sung axít sulphuric đặc thi sẽ tạo ra sulphat canxi \ à axít lactic, sau đó axit lactic tác dung với metanol tạo thánh este Như

\ ậ \ , trong quá trình axit hóa đẻ thu hôi axit lactic thi CaSOi sc let san phâm phụ

không tốt ch o môi trường Đe tránh điều đó, ngày nay người ta sử dụng các bazơ khác như NaOH, dung dịch N H 3, mỗi bazơ có một ưu nhược điêm khác nhau nhưng hai tiêu chí quan trọng vẫn phai được tôn trọng khi phát triẻn ơ quy

mô lớn đó là tính kinh tế và là một quy trình sạch, tôn trọng môi trường [4] Kiềm của natri thì đắt còn dung dịch amoniac ngoài vai trò tham gia phản ứng trung hòa axit lactic còn đồng thời cung cấp nguồn nitơ cho vi sinh vật trong quá trình lên men và do đó có thê nâng cao năng suất Dịch lẻn men chửa lactat amoni có thế được làm giàu và tinh khiết hóa băng kỹ thuật điện thấm tách đơn

ứng este hóa Tuy nhiên, khi tiến hành phan ứng este hóa, cần chủ ý rằng quá trình hỉnh thành các amid sẽ diễn ra ơ nhiệt độ cao và làm giám hiệu qua ciìa quá trình Amoni lactat còn có thê được chuyên đôi trực tiếp thành axít lactic bang cách sử dụng kỳ thuật điện thâm tách lường cực (bipolar electrodialỵsis).Tóm lại, có bôn quá trinh được sử dụng rộng rãi trong tách và tinh chê axit lactic tù' dịch lên men như sau:

y Quá trình 1 (Hình 3): là quá trình lên men theo phươ ng thức liên tục nhờ việc tách axit lactic liên tục băng chiêt hoạt hóa, sau đó axit lactic dược chiêt lại, được tinh chê băng chưng cât hoạt hóa (este hóa và thúy phân)

H ìn h 3: S ơ đồ c ô n g n g h ệ c u a q u á trìn h 1 - SƯ d ụ n s c h iê t hoạt h ó a

8

> Quá trình 2 (Hinh 4): ỉà quá trinh lên men theo p h ươ n g thức liên tục nhờ việc tách axit lactic liên tục bầng hấp phụ, sau đó axit lactic được giai hấp bàng dung môi metanol và axií lactic được tinh chế bàng chưng cất hoạt hóa (este hóa

r Quá trinh 3 (Hình 5): là quá trình lên men theo phươ ng thức gián đoạn có

tan trong metanol, được axit hóa đê tách loại canxi sulphat Cuôi cùng, axit lactic được tinh chê bă ng chưng cât hoạt hóa (este hóa và thủy phân)

Baiih

ị

(clrf,

H ình 5: Sơ đồ c ô n a n s h ệ cua quá trình 3 - SƯ dụng sữa vôi làm lác nhân

truno hòa axit lactic

9

> Quá trinh 4 (Hinh 6 ): là quá trinh lên men theo p h ư ơ n s thức gián doạn có

sử dụng amoni hydroxit làm tác nhân trung hòa axit lactic, các quá trình tinh chế axit lactic tiếp theo là vi lọc, điện thẩm tách đơn cực, điện thâm tách lường cực Điện thẩm tách là quá trình tách có sử dụng màng ion đê tách các ion ra khòi dung dịch ban đẩu, hay nói cách khác đó chính là một quá trình đúp : tách chất bang màng và tách chất bàng điện hóa Tuy nhiên đây là một quá trình đẳt tiền vì đầu tư trang thiết bị ban đâu rất tôn kém và trong quá trình sư dụng thì phải luôn chú ý quá trình bảo vệ mà ng ion khỏi hiện tượng cáu cặn, tuy nhiên

chất lượng cùa axit L-lactic thu được thì rất cao, nhất là khi sư dụng công nghệ điện thấm tách 3 ngăn Cuối cùng, axit lactic được tinh chế bang ch un 2, cất hoạt hóa (este hóa và thủy phân)

H ình 6: Sơ đô cô ng nghệ cua quá trình 4 - sư dụng NH |OH làm tac nhân

trung hòa axit lactic

Hiện tại, một sô nhà nghiên cứu như Inskeep, Peckham [3] và các cộng sự

đã có một bản báo cáo vê sản xuât axit lactic quy 1ĨÌÔ công nehiộp Ong Bray cùng trinh bày các phân tích vê tính kinh tê cua từng loại dung môi cho chiẽt tách axit lactic trong quá trinh được 1T1Ô ta trong bâng sáng chê Hoa Kỷ sô 5.510.526 [3] Ò ng Bai 1 ly [3] đề xuất một quá trinh tách và tinh chế axit lactic hoàn thiện dựa trên các kêt họp với quá trình điện thám tách và có tính loán kinh tế cho một quy mô sản xuất là 5.000 tân axit lactic mỗi năm Tu> nhiên, thiếu các th ô n s tin về phân tích kinh tế cua quá trình trao đôi ion Bang 2 cho ta các tính toán về chi phí đầu tư, chi phí vận hành và siá thành san phâm t ươn tí ứng vói 4 quá trình tách và tinh chế axit lactic kê trên, các tính toán nà> dựa trên giả định năng lực sán xuất là 1.000 tấn axít lactic (với độ tinh khiết I 00 %)

Chi phí vận hành bao gôm chi phí lao động và các chi phí khác Chi phí cô định bao gồm chi phí khấu hao và lãi suất vay Chi phí cố định sẽ giam x u ố n s khi mơ rộng quy mô sản xuất Tuy nhiên, các dự toán này giúp ta có được sự so sánh vê tính kinh tế của từng quá trình tách/tinh chế axit lactic khác nhau.

B ả n g 2: Ư ớ c l ư ợ n g giá t h à n h c ủ a a xit lactic khi đ ư ợ c t á c h loại khỏi

d ịch lên m e n t h e o c á c p h ư ơ n g t h ứ c k h á c n h a u [3]

Table 2

Cost estimates of different process routes

TPA plant)

electrode replacement cost for ED

(J/kg of lactic acid)

Các dừ liệu vẽ quá trình 2 - là quá trình sứ dụng hâp phụ trao đôi ion là không đủ cho các ƯÓ'C tính vê chi phí Tu> nhiên, người ta cũng dự kiên là chi phí đầu tư cho quá trình 2 là thấp nhât, nhưng các chi phí vận hành theo định kỳ

cần sổ lượng lớn các axit và kiêm Quá trình 3 với quá trình kêt tua thông thường cua lactat canxi và sau đó là chưng cât có kèm phan ứng este hóa-thu> phân là quá trình được đánh giá là kinh tê nhât Tuy nhiên nó tạo ra sô lượng ỉón thạch cao cần phải được xứ lý Trong sô 4 quá trình tách/tinh chê axit lactic, quá trình 2 - quá trinh có sứ dụng hấp phụ là có chi phí đâu tư thâp nhất, nhưng chi phí vận hành cao Ọuá trinh 1 - quá trinh SƯ dụng chiêt co chi phí nguvẽn liệu và do đó si á thành cao hon so với quá trình 3 Quá trình 4 - sư dụng công nehệ đẩện thâm tách có vổn đầu tư và giá thành san phâm cao nhất nhưng cho chất lưộngiaxit lactic tốt nhất và an toàn cho môi tnrờng Theo phân tích cua tài

liệu [3 ], nếu cải thiện giống vi sinh vật đê có thê t h íc h nghi được với dung môi chiết và tim được các dung môi chiết thích hợp, tối ưu hóa quá trình chiết thì quá trình 1 sẽ là quá trình có nhiều triến vọng nhất trong tương lai vì đây là quá trình liên tục, không thải ra môi trường canxi sunphat.

Ta có thể thấy ràng, sau bốn quá trình trên đều có một bước tinh chế axit lactic bàng quá trình hóa học bao gôm hai giai đoạn: este hóa sau đó thủy phản

đê thu hồi axit L-lactic như sau [4]:

Do các muối lactat tạo thành giữa một rượu (methanol, butanol hoặc ethanol) và amoni lactat sẽ có độ bay hơi tương đối cao hơn rất nhiều so với axit lactic nên hiện nay người ta đang có xu hướng sử dụng quá trình hóa học kêt họp với ch ưn g cât hoặc chiêt tách phân đoạn đê thu axit L-lactic có dộ tinh khiêt cao [4], Đây là một quá trình công nghệ sạch và các dung môi SƯ dụng trong quá trình là có thê thu hôi và tái sử dụng nhiêu lân

1.3 Công nghệ m à n g lọc trong tách và tinh chê axit L-lactic

1.3.J Các loại m àng lọc khác nhau trong tách axìt L-ìactỉc từ (lịch lên men

Đẽ thực hiện một quá trình lên men cacbohydrat thành axit lactic (nguôn cacbohydrat này có thê tái tạo được) hoạt động theo phương thức liên tục, các thành phần cúa dịch lên men cân đưọc liên tục tách ra là: các tê bào vi khuân, protein, chất dinh dư ờ ng (men chiết xuất, muối cua amoni, kali, phốt pho,

V V ), các h ọp chất chửa cacbon chưa bị tiêu thụ bơi vi sinh vật, nước và axít lactic n h u được trình bày trong bảng 3 [5] Cô ng nghệ màng lọc co thê tách các

thành p h ầ n này m ộ t c á c h hiệu q ua m à k h ô n g làm biên đôi câu tạ o hó a học cu a

các họp chất Trons, bang 3, ta cùng thấy là từng thành phần trong dịch lên men

sè anh hư o n g đến tốc độ dòng và sâ> nên hiện tượng tăc màng khác nhau Hiện nay các [oại m à n g [ọc được chê tạo và sư dụn g theo các câp lọc như sau: vi lọc

(microfiltration), siêu lọc (ultrafiltration), lọc nano (nanofiltration), thâm thâu ngược (reverse osmosis membrane), màng điện thâm tách (electrodialysis membrane), m à n g cho quá trình bốc hơi qua màng (pervaporation) Sơ đồ trinh bày trong hình 7 cho ta một số ví dụ về đối tượng cần tách loại áp dụng cho từng loại màng lọc, cấp độ lọc khác nhau: chăng hạn như tọc ỏ cấp vi lọc thì có thế loại được tế bào vi sinh vật, phâm màu: ở câp siêu lọc thi có thê lọc được virus, các đại phân tứ; ở câp độ lọc nano có lọc được phân tử đường; ó' cấp lọc thấm thấu ngược, điện thâm tách, bôc hơi qua màng thì ta có thê tách loại được

Bảng 3 : Các thành phần chính trong dịch lên men axit lactic có thê được tách loại bàng bộ lọc hai giai đoạn tích hợp với thiết bị lên men [5J

Co' chê tách loại khỏi dịch lên men

Vi lọc với bộ lọc có kích thước lỗ màng < 0.1 um trước khi tiến hành giai đoạn lọc thứ hai

Có ảnh hưởng vừa phai đến giai đoạn lọc nano

Siêu lọc/ lọc nano ơ giai đoạn lọcthứ hai

Có anh hương ít 1 lọc nano ơ giai đoạn lọc thử hai

T đữọ'c tái sư du n e sau khi loc nanoLàm tãc bô loc nano

O' 2 Ĩai đoạn lọc thử hai

K hô ng làm tăc m a n s I Được tách loại băng lọc nano

làm giàu nông dộ

Hình 7: Các loại màng lọc tươn g ứng với các cấp lọc khác nhau

Các tế bào vi khuân vả protein có thê nhanh chóng làm tẩc tất ca các màng lọc nh ưn g mức độ làm tẳc mà ng của chúng sẽ là thấp đối với màn£ vi lọc và tăng dần đối với các màng lọc có kích thước lồ nho hơn: màng nano hoặc màng thấm thấu ngược Tuy nhiên, nếu thiết kế quá trình lọc sao cho màng lọc và đối tượng cân lọc là phù họp vói nhau thì màng có thế hoạt động lâu dài mà khô ng bị tắc nhiều Màng vi lọc có kích thước lỗ trung bình

lớn nhât (d(b = 0 1 - 0 2 ỊLim) và có thê dùng đê tách loại tê bào vi sinh vật và

trong thiêt bị lên men và do đó năng suât cua thiêt bị lên men sè cao Màng siêu lọc với kích thước lồ trung bình nhỏ hơn nhiêu so với màng vi lọc (d,h =0.005 - 0.05 j.im) nên có thê giữ lại các tê bào và protein có khôi lượng phân

tử 100-300 K D A [6 , 7], Màn g lọc nano có kích thước lồ nám °iừa màng thẩm thấu ngược và màng siêu lọc với dth cờ I nm và có thẻ dùng dẻ tách các

tế bào vi sinh vật, protein, chất dinh dường, muối, và các hợp chât chứa cacbon chưa bị tiêu thụ bởi vi sinh vật ra khoi axít lactic M àn g thâm thấu ngược th ườn g được gọi là màng không có lồ xốp (nonporous membrane) và

cơ chế tách được dựa trên cơ chế khuếch tán cua dung dịch, mảng thâm thâu ngược có thê tách được các thành phần cua dịch lên men tươn g tự như màng nano nh ưn g ớ áp suất hoạt động cao hơn nhiều so với khi sư dụng màng nano [8 ]

14

1.3.2 H ệ thống lọc tách axỉt L-lactic tích hợp với thiết bị lên m en

Hệ thống lọc có thể được thiết kế linh hoạt bẳng việc lắp gh ép các module màng lọc c ấ u tạo của một module màng lọc như trên hình 8 : màng lọc được cuộn tròn thành nhiều lớp xung qua nh một ống dẫn sao cho giừa hai lớp màng lọc có một khoảng trông (spacer), dun g dịch nguyên liệu (feed stream) dưới tác dụng của áp suất sẽ thấm dân từ lớp ngoài đến lớp trong cùng của module màng lọc và dịch lọc trong được thu hồi tại ống dần và tạo thành d ò n g dịch lọc đi ra khỏi module (permeate)

Sơ đô cô n g nghệ trong hình 9 cho thây các module màng lọc (có thê ớ cấp

độ vi lọc, siêu lọc, lọc nano hoặc màng thâm thấu ngược) được tích hợp với thiết bị lên men, do đó hệ thống thiết bị có thế làm việc liên tục vì axit lactic được tách liên tục ra khỏi dịch lên men và các tế bào vi sinh vât, chất dinh dường hoặc các họp chât chửa cacbon chưa bị tiêu thụ bơi vi sinh vật được tách

ra và cho quay trở lại thiết bị lên men đê tái sư dụng [5], Sơ đô công nghệ trong hình 9 cùng cho thay là chi có một bước lọc duy nhât đi sau thiêt bị lên men, đây là cách thức được nghiên cứu trong hai thập k> qua

► ? c r r i t ' : i r

Hình 8: Câu tạo cùa module màng lọc và đường đi cùa dịch

lọc trong module [5]

15

Lirrvé/ N J I i O l l t'or p H a d ju i L r n c n t ( O p l K rtâl I

được tích hợp với thiết bị lên men) [5]

Việc tách loại và tái sử dụ ng các thành phần cua dịch lẽn men phụ thuộc vào loại màng sử dụng Ví dụ, nếu sử dụn g một module vi lọc thi chi có các tế bào vi sinh vật là bị giữ lại trên màng lọc còn các axít, các họp chất chứa cacbon chưa bị tiêu thụ bởi vi sinh vật, protein, chât dinh dường và nước thi đi qua màng lọc Mặc dù vậy, quá trinh này cũ n g đảm bảo loại bo liên tục axit lactic từ thiêt bị lên men và ngăn chặn hiện tư ợn g hạ thấp pH cua dung dịch Các báo cáo khoa học cùng đã chỉ cho ta thấy ràng nếu không tách axít lactic liên tục khoi dịch lên men thi cần sử dụn g sữa vôi hoặc N H 4OH đế điều chinh pH trong quá trình lên men N h ư n g một quá trình thực sự liên tục thì việc điêu chmh độ pH như vậy là khôn g cần thiết Neu ta sir dụn g một module m à n s siêu lọc tha> cho màng vi lọc thì các protein cùng với các tê bào vi sinh vật sê bị giữ lại Con nêu

ta sử dụn g module màng nano hoặc m à n g thâm thấu ngược thì tât ca cac thành phần của dịch lên men đều bị giữ lại, ngoại trừ các axít và nước Như vậ>, việc tái sứ dụ n g thành phần nào của dịch lên men phụ thuộc vào loại màng nào được

sử dụng

Các loại bơm được sứ dụng cho module mang lọc có công suảt tìiv thuộc vào loại mà ng lọc được sử dụng Đối với màng V i lọc, bơm có thê được sir dụng

16

ơ ap suat thap (1-2 kgf/crrr) Đôi với một module siêu lọc, cần có bơm tạo được

áp suat 3-6 k gf/cm “ Lọc nano cân có bơm tạo áp lực cao hơn (6-15 kgf/crrf), trong khi hệ thô ng màng thâm thâu ngược cần bơm cao áp (> 15 kgf/crrr) đê lọc

L3.3 M àng điện thâm tách - m ột công nghệ hiện đại dùng để tách và tinh chế ctxit L-íactic

Phương pháp điện thâm tách có cơ chế thu các ion bằng sư dụng màng trao đôi cation và anion và quá trình chuyển hóa muối lactat thành axit lactic bàng phương pháp điện thâm tách thường được chia thành hai bước: i)" sử dụng điện thâm tách thông thường (conventional electrodialysis, viết tắt là CEP) nhằm tách và làm giàu muối lactat và ii)- sứ dụng điện thẩm tách lưỡng cực (bipolar electrodialysis, viêt tắt là BED) chuyển muối lactat thành axit lactic [9] Tuy nhiên đê sử dụ n g hiệu quả màng điện thẩm tách thì cần có bước tiền lọc rất tốt,

sơ đô hình 10 cho thấy quy trình sản xuất axit lactic theo một quy trình khép kín

và liên tục: dịch lên men được liên tục đi ra từ thiết bị lên men đến khâu tiền lọc

đê tách loại tê bào vi sinh vật, protein, chất dinh dưỡng cho quay trở lại thiết bị lên men (khâu tiền lọc sử dụng lọc nhiều cấp: vi lọc, siêu lọc, lọc nano, thấm thâu ngược) rôi mói đên khâu tách axit lactic bảng màng điện thâm tách

H ình 10: Sơ đồ quy trình san xuất axit lactic bàng phương pháp lên men liên tục có tích hợp hệ th ô n s lọc nhiêu câp V I lọc sien lọc lọc nano tham than

ngươc và màng điện thảm tách [5]

Đ AI HO C Q U O C ri.M NỌI

1.4 Kỹ thuật trao đổi ion trong tách và tinh chế axit L-lactic

T ro n g sô các kỹ thuật tách/tinh chê axit lactic, việc sử dụng nhựa trao đòi ion là ph ư ơ n g ph áp có chi phí đầu tư thấp nhât và được biết đến từ lâu trong các ứng dụn g tách các hợp chât sinh học Đã có nhiêu nghiên cứu về việc sư d ụns nhựa trao đôi ion đê tách loại các anion tôn tại trong dung dịch sau lẽn men (các anion này có m ặt trong dịch lên men thông qua các thức ăn để nuôi cấy vi sinh vật), đôn g thời tôi ưu hóa quá trinh để nâng cao hiệu suất tách axit L-lactic Gonzalez và các cộng sự đã đê xuât một quá trình tách mà không cần sư dụng bât cứ một hóa chât hoạt hóa nào khác và thu được dung dịch axit L-lactic có độ tinh khiêt cao [10] Các đặc tính cua nhựa trao đôi ion cũng như quy trình tách axit L-lactic đượ c trinh bày chi tiết hơn trong phần dưới đây:

1.4.1 Cẩu tạo của nhựa trao đổi ion

Ngày nay, nhựa trao đôi ion đã tạo thành nhóm vật liệu trao dổi ion lớn nhât được áp dụ n g rộng rãi trong nhiêu nghành công nghiệp vì có dung lượng trao đôi lớn, chi phí khá rẻ so với một vài loại vật liệu vô CO' tông hợp khác Nhựa trao đôi ion có cấu tạo gồm các mạch hydrocarbon phân bố ngẫu nhiên tạo nên một m ạ n g lưới rất linh động Trên mạch này có mang các điện tích cổ định trên các vị trí khác nhau Đôi với một loại nhựa trao đôi ion, người ta quan

tâm đ ế n l ư ợ n g nôi n g a n g g i ữ a cá c m ạ c h h y d r o c a c b o n vỉ nó sè a n h h ư ơ n g đên

kích thước hạt nhựa qua sàng, kha năng trương, chuyên động cua các ion linh động, độ cứ n g và độ bền cơ học Lượng nối ngang lớn, sè làm tăng độ cứng cua nhựa, tăng độ bền cơ, ít lồ xốp và ít trương trong dung môi Đặc tính trương nơ của nhựa ion trong nước và trong dung môi cùng được quan lâm Mức độ trương phụ thuộc vào đặc tính của cả dung môi và nhựa trao đôi ion, cụ thê là

nó bị anh h ươ n g bởi các yếu tố sau: độ phân cực cua dung môi, dộ liên kêt ngang cua nhựa, dun g lượng trao đôi, độ solvat hoá mạnh hay veil cua nhóm chức cố định trên nhựa, kích thước solvat của các ion trao đôi, nông độ dung dịch Các loại n h ự a trao đổi ion phổ biến hiện nay là:

divinylbenzen (DVB) Độ nổi ngang được quyêt định bơi lượng D \ B Nông dộ DVB thấp sè làm cho nhựa mềm, khá n ã n a trương rât mạnh trong các dung môi Các nhó m chức cố định (nhóm đặc trưng) được gãn vào trong mạng lưới mạch

1«

polyme đế tạo nên khả năng trao đổi ion Ví dụ như nếu gẳn nhóm -SO',H, thường từ 8 đến 10 nhóm cho 10 vòng benzene, ta sê có h f là ion linh động (hay ion đôi — c ounter ion) và sẽ tham gia trao đổi với các cation trong d un s dịch Nêu gãn các nhóm -NH;,+ hay —N 2+ vào trong mạch polyme thì ta có nhựa trao đỗi anion, các ion đối sẽ là O H \ c r

* Phenolic : Là sán phâm trùng ngưng của phenol và formaldehyde với nhóm chức OH được coi là nhóm đặc trưng, cố định trong mạch polyme Đây

là loại nhựa trao đôi cation axít yếu Để tăng cường độ axít cho nhựa, nhóm -SO3H được găn vào nhựa N h ư vậy nhựa sẽ có hai nhóm chức năng - chứa ca nhóm axít mạnh —S O 3H và nhóm axít yếu - O H Cùng có thế gắn thêm nhóm ion của axít phosphoric vào mạch polyme đế tăng khả năng làm việc của nhựa

* Acrylic : Là nhựa trao đôi ion axít yếu, có chứa nhóm chức -COOH trong mạch Là san phâm copo lyme của axít acrylic hay methacrylic với DVB Nhóm

- C O O H có khả nă n g tách muổi thấp nhưng trong môi trường kiềm nó có ái lực mạnh với C a 2+ và các ion tương tự khác Các nhóm axít khác có thê gấn vào nhựa như PO}2\ P 0 43', H P O 42'

ỉ.4.2 Quá trình tách axit L-iactic bằng nhụa trao đôi ion

Quá trình tách axit L-lactic là một quá trình gián đoạn và được diễn ra theo bốn giai đoạn sau:

- Q uá trình bão hòa cột tách bằng axit L-lactic có trong dịch lên men

- Quá trình rửa giai đê kéo axit L-lactic ra khoi cột tách băng một dung môi thích hợp

Q uá trình tái sinh ion trao đôi cho cột trao đôi ion

- Quá trình rửa cột đẻ loại bỏ các ion thừa, không liên kết vói nhựa trao đôi ion

Bốn quá trình này tạo thành một chu trình khép kín, trong công nghiệp thì quá trình rửa ngược và tái sinh nhua trao đôi ion là khơi đau cua chu tiinh Sau

đây là c á c m ô tả ch i tiết vê m ộ t c h u tr i n h s ử d ụ n g n h ự a tra o đôi lon t r o n g c o n g

nghiệp :

19

Quá trình rửa ngược: Đây là bước đẩu tiên cần thiết chuân bị cho quá trình tái sinh hạt nhựa (đà sử dụng hết hoặc bảo hoà) Dòng rứa đi từ dưới lên Tác đ ộ n g vật lý của rửa ngược:

T â n g vật liệu được tơi xốp hơn, giản ra, sắp xếp lại làm cho dòng chất lỏng đi từ trên xu ốn g sè được phân bố đồng đều hơn khi hoạt động trơ lại.Cặn bân được rửa sạch khỏi thiết bị

Các ion được phân bố đồng đều hơn trong toàn bộ tầng nhựa Khối lượng riêng cùa hạt nhựa, kích thước hạt, độ nhớt của dung dịch anh hưởng đên kha năn g làm sạch hạt nhựa bảng quá trình rua ngược, đưa các tạp chât

lơ lửng thải ra ngoài Thông thường, nước dược dùng đê rửa ngược vì sư dụng một lượng lớn, rẻ tiền

Quá trình tái sinh: Sau rửa ngược là quá trinh tái sinh.Tác nhân tái sinh (TNTS ) sử dụn g phụ thuộc vào loại nhựa và loại ion sê trao đôi Nlụra anion được tái sinh bơi dung dịch NaOH hoặc NanCOv Có nhiêu yêu tô ảnh hương đến quá trình tái sinh:

Loại nh ựa và lượng nôi ngang

Loại tác nhân tái sinh

Thành phần của tầng nhựa sau khi hoạt động

Tốc độ chảy

Nhiệt độ

Độ tinh khiết của TNTS

Nồne, độ của T NTS

Thò'i gian tiêp xúc

Lượ ng T N T S sư dựng Neu tác nhân tái sinh là đơn hoá trị, thì nồng độ của nó ít ảnh h ư ở n g đến quá trình giải hâp cua các ion đơn hoá trị Nêu thê tích cưa TNTS khôns, đu đê tiếp xúc tốt, quy luật này sẽ bị phá vờ Khi tãng nông độ TNTS có thế cải thiện được kha năng giái hâp các ion hoá trị 2 Nô ng độ TNTS thông th ư ờ n g 2 -3 0% , hay dừng nhất là 5-10% Trong một xài trường họp, kết tủa có thế làm tẳc nghẽn tầng hạt nhựa Ví dụ: giải hâp C a ' từ nhựa tiao đoi

20

cation bă ng H 2S O 4 Kêt tủa C a S Ơ 4 có thê được tháo đi khi hoạt động gián đoạn Dùng nô n g độ T N T S loãng ban đâu, sau đó tăng dần đến cuối quá trình eiái hấp Các ion khác nhau, mức độ gấn vào nhựa cũ ng khác nhau do đó kha nãna giải hâp c ũ n g khác nhau Cuôi quá trình, các ion khó giải hâp sè bị giừ lại trons, tầng nhựa, các ion dễ giải hấp sẽ bị rửa sạch bàng nước rửa ngược Độ tinh khiết của T N T S cũ ng được chú ý Ví dụ: c r có ái lực mạnh với nhựa anion kiềm mạnh loại 1 Dù ng N a O H (tái sinh) có chứa một lượng Cl' dáng kê sè không tốt

vì sự giải hấp kh ô n g hoàn toàn Cl' sẽ làm giảm kha năng làm việc cua hạt nhựa Tốc độ chảy của T N T S là một nhân tố rất quan trong Thời gian tiếp xúc phai đảm bảo đê tái sinh đạt cực đại Thời gian phụ thuộc vào lìrng loại nhựa, loại ion cần tách Ví dụ: nhựa cation polystyrene đã sulfonat hoá, có 8% nối ngang, tái sinh 30 phút bằng dung dịch tương ứng Cùng loại nhựa này, lượng nối ngang là 12% thì phải cần đến 60 phút Các anion c r , so ) 2", CO:,2‘ dễ dàng bị giai hấp ra khỏi nhựa kiềm mạnh S 1O 2 tách khó hơn, thời gian tiếp xúc là 90 phút đê tái sinh một lượng tương đương Trong lúc đó chi cần 30 phút đôi với các ion khác T r o n g trường hợp đặc biệt cân lưu ý khi tái sinh nhựa cation băng HiSOj Khi d ò n g chay rất nhỏ, hoặc nồng độ TNTS quá lớn, CaSO.| sè tạo ra, bịt kín tầng nhựa Khẳc phục băng cách tăng dòng chảy hoặc giam nông độ HịSOj Mức độ giai hấp sè quyết định hiệu suẩl tái sinh và cùng như kha nâng làm việc của hạt nhựa Nẻu TNTS sử dụng đúng, đầy đu, các ion có thê trao đỏi

sè bị giải hấp từ nhựa và nhựa trao đổi được khôi phục lại kha nâng làm việc Tuy nhiên, trong công nghiệp thì việc giai hấp hoàn toàn sè làm cho chi phí cao Chính vì vậy, tái sinh nhựa thường diễn ra ở một mức độ nhất định, chi một

phần n à o đó d u n g l ư ợ n g c u a hạt n h ự a đ ư ợ c s ư d ụ n g tùy t h u ộ c v à o việc cân nh ăc

các vấn đề kinh tế và vận hành Người ta cũng có thê tăng hiệu qua kinh tê cho việc tái sinh nhựa trao đổi ion băng cách tái sư dụng hoặc tuân hoàn trơ lại TNTS Điều này có thể áp dụng với tác nhân tái sinh HC1 khi tái sinh nhựa trao đôi cation vì kh ôn g có kết tủa sinh ra Khi thực hiện quá trinh tái sinh tuân hoàn, TNTS được chia làm hai phân:

-Phần T N T S đà dù n g một lần: cho chay qua nhựa trao đôi ion trước tiên Dòna ra đượ c bo đi

-Phẩn T N T S thứ 2 là sạch được thu hỏi lại, sau khi chạ> qua nhựa trao đỏi ion vẵ^tuẩn hoàn như là phần TNTS đâu tiên cho vòng tiêp theo

Cách này cải thiện đáng kê hiệu quá sử dụ ng chất tái sinh, s ố vòng tuần hoàn có thê tăng nêu trên đường cong giải hấp tác nhân tái sinh vẫn còn tốt Dòng ion đi ra khỏi nhựa trong suôt chu trình làm việc phụ thuộc vào mức độ tái sinh sau khi nh ựa đã bão hoà Các ion có liên kết với nhựa yếu sè nàm phía dưới của lớp nh ựa và tạo thành một dòng đi ra Tron g thực tế khi xư lý nước, ion Na đi ra khỏi nhựa cation, và silica ( S 1O 2) đi ra từ nhựa anion kiềm mạnh

Sự giải hâp hoàn toàn các ion này trong quá trình tái sinh càng phức tạp, thi dòng ion đi ra khỏi nhựa sẽ càng nhỏ trong chu kỳ vận hành Dòng ion này không là hàng số trong quá trinh vận hành vi Na+ còn đọng lại ơ đáy thiết bị

làm việc Sau khi N a ' bị giái hấp hết, dòng ion là nho nhất Khi N a ' bẳt đầu xuất hiện ở đáy thùng, dòn g lại tăng Dòng thải ra có thế duy trì ôn định hơn bơi rửa ngược sau khi tái sinh hơn là trước tái sinh Thành phần của tầng sê đồng đều hơn, sự dao đ ộ n g cúa chất lượng dòng ra sè giảm bớt

Quá trình rửa: Sau khi tái sinh, tầng nhựa cần dược [-ưa sạch các tác nhân tái sinh Tổc độ rửa ở giai đoạn đầu không lớn hơn tốc độ cua quá trình tái sinh Sau khi tác nhân tái sinh thừa bắt đầu được tháo ra, tốc độ rứa có thê tăng để giảm thòi gian rửa Cuối quá trình rửa, chất lượng dòng thai ra được cái thiện cho đến khi tất ca tác nhân tái sinh thừa bị rửa ra hết lớp nhựa Tốc độ dòng rưa cuối c ù n g thường là bàng với tốc độ dòng chay làm việc (operating flow rate) C ũ n g có thê tuần hoàn nước rửa và đưa trơ lại dòng vào đẻ tiêt kiệm chi phí nhất là khi phải sử dụng một lượng lớn nước Nhiêu khi phai dùng đèn một lượng nước lớn hơn 300 — 400 g a l/ f t’ đê rira tuỳ thuộc vào loại nhựa, tác nhân tái sinh và điều kiện sư dụng của nhựa: Lượng nước rưa cần dùng cho nhựa styrene là 50 gal/ft"5 (1 gallon = 4,404884 lít, 1 toot = 30,48 cm => 1 ft'1 = 28,316847 d m ’) N h ựa trao đổi anion bậc 4 hay loại kiềm mạnh cần một lượng nước rửa ít hơn 50 g a l / f t \ Nhựa anion kiềm yếu cẩn lượng nước rứa nhiều hơn loại kiềm mạnh, các loại nhựa trao đôi kiêm mạnh kém chât lượng cũng sẽ cản lượng nước rửa nhiều hon Loại nước rửa cùng thay đôi tuỷ theo ứng dụng khác nhau của nhựa trao đồi ion Đối với nhựa cation, các loại nước rứa có tính chát nước làm mềm, k h ư ion, nước thỏ đều thích hợp Nhưng đỏi với nhựa anion thi nước thô kh ông nên SU' d ụ n s làm nước rưa VI có thê xuât hiện kêt tua CaCO',,

Mg (OH), mà chi có nước mềm, nước khử ion là thích hợp

Quá trình hoạt động : Sau khi rửa, nhựa có thê bẳt đầu làm việc,

chảt long của qu á trình có nông độ quá đậm đặc Khi mất nước hạt nhựa co lại

có thê gây răc rôi khỉ vận hành thiêt bị cũng như có thê phá vỡ hạt nhựa Thường nh ựa được tái hydrate hoá ở dạng huyền phù, các hạt nhựa có thê nơ ra

tự do không bị chèn ép của các hạt khác Sự trương lên, co lại cua hạt nhựa có thê diền ra trong quá trình tái sinh Tốc độ trương cua hạt cần giam thiêu đẻ tránh phá vờ hạt

Tôc độ d ò n g chảy hoạt động trong cột trao đôi phụ thuộc vào độ nhớt của dung dịch xử lý, tốc độ trao đổi, nồng độ chất lơ lửng Với nhựa cation d u n s lượng lớn, và nh ựa anion kiềm mạnh tốc độ trao đổi rất lớn, có thê kết thúc với chiều dày của lớp nhựa từ 3 đến 4 inch, 2gpm/fl3 Độ trao đôi này sẽ thay đôi trong quá trình hoạt động Với nhựa anion kiềm yếu, dải trao đối sẽ rộng hơn và loại này rất nhạy với dòn g chảy Độ nhạy này tạo ra sự thay đôi lớn về kha năng trao đôi của nhựa với các tôc độ dòng chảy khác nhau Áp suất trẽn tầne trao đôi cũng thay đôi theo dòn g chảy Nhiệt độ, độ nhớt, cua dung dịch xư lý.Áp suất rơi cũng bị ảnh h ưở ng bởi các chât răn lơ lưng Tâng nhựa bị đóng chặt lại có thể do chất rắn lơ lửng khi áp suất dư lớn Áp suất rơi lớn có thê phá vỡ hạt nhựa Điêu này thường xay ra khi nhựa trao đôi ion có liên kêt ngang yêu và làm việc ở tôc độ dòn g chảy lớn Tâng nhựa trao đôi sè lọc các chât răn lơ lửng, tích tụ phía trên cua tầng nhựa Bình thường tầng nhựa bị nén chặt ơ tâm trong chu kỳ tháo cạn N h ựa bị kéo về phía tâm và nước sẽ chảy theo thành thiết bị sẽ s,ây ra hiện tư ợn g rút ngẳn đường đi cua dòng chảy Đê tránh hiện tượng nà), cần có thiết kế tầ n a trao đôi ion và phân bổ dòn g vào, dòng ra hợp lý, phân bô tác nhản tái sinh trên toàn bộ bề mặt nhựa sao cho dung dịch cần xư 1> phai chảy qua hết tầng nhựa đê có sự tiếp xúc tối đa và do đó hiệu suât trao đôi là cao nhất

1.4,3 M ột số kết quả nghiên cứu trên thế giới

Tách và thu hồi các axit cacboxylic nói chung và axit lactic nói riêng từ dịch lên men là một vấn đề rât khó khăn cua kỹ thuật tách chât do nông độ loãng cua axit và tính chất phức tạp của dịch lên men Phương pháp thu hôi SU'

dụng các tác nhân tách, c h ă n a hạn như chât hâp phụ răn, được chọn lọc cho

từng loại axít cacboxylic là phương pháp được ưa chuộng, các nhà nghiên cứu như King, Tu n g và K in g [3] đã có các báo cáo về phươ ng pháp này Ưu điềm lớn của tác nhân chiết tách và chất hấp phụ rắn là có khả năng thu hồi các axit cao đông thời có độ chọn lọc cao đối với các axit và tách loại được axit ra khoi nước và một số tạp chất (ví dụ: glucose), có khả năng tái sứ dụng và tùy thuộc vào cấu hình của quá trình mà có thể có được tính tương thích với các vi sinh vật [11-14], Nhiều qu á trình lên men, chắng hạn như quá trình san xuất axit lactic, sẽ là đối tư ợ n g đê áp dụn g quy trình khép kín (end-product inhibition)[3] Trong một q uy trình khép kín, nếu chất hấp phụ được sử dụng bên trong

thiết bị lên m e n h o ặ c đ ư ợ c th i ết kế t h à n h mộ t v ò n g lặp bên ng o ài thiết bị lên

men đê liên tục thu hỏi axit lactic thỉ ta có thể đạt được tổng san lượng axit lactic cao

Hấp phụ hay trao đôi ion là một công nghệ có độ tin cậy cao [3] Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi phải tái sinh nhựa trao đối ion và điều chinh độ pi 1 cua dung dịch nguyên liệu nham tăng hiệu qua cua quá trinh hấp phụ, do dó sè cần một lượng lớn các hoá chât và sau đó cần xứ lý, loại bo một lượng lớn các muối/chât thai

Quá trình hấp phụ trên nhựa trao đổi ion có lợi thế là có thê được tích hợp với quá trình lên men Đôi vcri quá trình lẻn men axit lactic, các chât hâp phụ phải có khả năng hấp thu cao trong khoảng pH 5-6

Sử dụng n hựa trao đôi ion Dowex MWA-1 (là nhựa trao đôi anion yêu được làm từ styren-divinylbenzen có chứa nhóm chức amin bậc 3) đê hâp thu axit lactic cho hiệu quả cao hon nhiều so với nhựa trao đôi ion Alamine 336 {là nhựa trao đổi anion yếu làm từ amin triocty! decyl mạch thăng bậc 3, có chứa 95% nhóm chức amin bậc 3 và < 5% nhóm chức ainin bậc 2), nhất la khi qua trình trao đổi ion diền ra trong phạm vi độ pH cao [11]

Kha năn a hấp thu axit lactic cua nhựa trao đôi ion IRA-92 (là nhụa trao đôi anion yếu được làm từ potystyren có chứa > 80° 0 nhóm chức amin bậc 2 ), ơ điều kiện hoạt đ ộ n g tối ưu, sẽ tăng khi độ tinh khiêt cua axit lactic cao Ọua trình thu hồi axit lactic được thiết kê cho phân trên cưa dịch lên men \ a chi là một bậc hâp thu [15, 16]

Quá trình hấp phụ đăng nhiệt Langmuir khi dung dịch có pH = 5,0, còn quá trình hấp phụ sẽ là loại II (hấp phụ đa lớp) khi dung dịch có pH = 2,0 Khi thu hồi axit L (+) lactic từ dịch lên men ở pH = 5,0, khá năng hấp phụ tối đa q :)1 của nhựa trao đổi ion Amberlite IRA-400 (là loại nhựa trao đổi anion mạnh làm

từ gel styren-divinylbenzen và có nhóm chức amm onium bậc 4 N +(CH3)3C1')) là 222,46 mg/ g nhựa ướt và hằng số phân ly Kj là 60,7 mg/ ml N hư vậy, kha năng hấp phụ tối đa của nhựa ở pH = 5,0 cao hơn nhiều so với ơ pH = 2,0 (có kha năng hấp phụ tối đa là 106 mg/ g nhựa ướt) Các dung môi được sư dụng cho quá trình rửa nhựa và rửa giải axit lactic ra khỏi nhựa là dung dịch H2SO4, metanol, amoniac hoặc hồn hợp của chúng Khi cột tách được dưa về pH = 5,0 bang cách sử d ụ n g 50% (v/v) metanol làm dung môi rửa và dung dịch H2SO 4 1M ỉàm dung môi rưa giải thì hiệu suất của quá trình là 8 6 , 2 1 % Tuy nhiên, hiệu suất của quá trình sẽ đạt mức 92,11% khi quá trinh tách được thực hiện ơ pH = 2,0 và dung môi rưa giải là nước [3]

Nhựa Amb erlite IRA -400 có kích thước lồ phù họp và kha năng hấp phụ cao axit lactic và nó có thề hấp thu axít lactic trong khoảng pH rộng Đẻ thu hồi axit lactic từ dịch lên men thì chất hâp phụ được dùng nhiêu nhât là nhựa Amberlite IRA-40 0 với du n g môi rứa giai là hỗn hợp metanol và H 2SO.1 1 M Sư dụng dung môi rửa giải là methano! và H ịS O 1 i m cùng rât thuận tiện cho quá trình este hóa trực tiếp axit lactic bàng metanol Nhờ vậy, ta sè tránh được việc

bổ sung rượu và xúc tác axit trong quá trình tinh chế axit lactic bằng phan ứng este hóa Quá trình este hóa là cần thiết sau khi hấp phụ vì quá trinh hấp phụ không loại bỏ được các axit hữu cơ khác

II.l Nguyên vật liệu

o Dịch lên men axit L- lactic dùng trong thí nghiệm là san phâm cua Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học, Đại học Ọuốc gia Việt N a m tại Hà Nội)

o N h ựa trao đối ion được sư dụng là nhựa anionic mạnh, một san phâ m của cô ng ty Cacbon Jacobi, san xuât tại Y (ten giao dich

là Resinex A-4) Nhựa có dạng hạt pol>st>rene được tạo mạng lưới bàn g divinylbenzene (đường kính hạt trung binh la 0.4_-

1,25 mm) N h ó m chức cùa nhựa là - ( R )3 N + và các ion trao đôi

là c r với khả năng trao đổi của nhựa (CEC) là 1,30 đương lượng/ lít

o Axit L-lactic chuẩn dưới dạng dung dịch của 85-90% axit L- lactic trong nước, sản phẩm của Fluka BioChemika, có reference là 69773

o M à n g lọc sử dụng cho lọc thô là màng lọc polypropylen có kích thước lồ là 5 |jxn và ] |0.m Màn g lọc cho lọc tinh là màng compo zi t của hãng Filmtec (USA) nhưng trong phạm vi cua đề tài này, ch ún g tôi chưa sử dụng đến các module màng lọc tinh

o Cột trao đổi ion có kích thước d X H = 10mm X 1 1 Omm, có chứa

độ axit trong dịch lên me Vì vậy, nhóm nghiên cứu chúng tỏi vẫn sư dụng phương pháp này bên cạnh phương pháp phân tích chính xác băng sãc k> lỏng cao áp H P L C (xem phẩn 11.4)

11.2.2 P hương pháp đo độ đục của (lung (lịch

Dung dịch lên men sau khi thực hiện việc lọc hoặc ly tâm đê loại bo tê

bào vi s in h v ậ t v à c á c c ặ n lơ l ư n g đ à t r ơ nên t r o n g h ơn , m ứ c độ t r o n g CLia

T U R B I D I M E T E R - Model 21 OOP, cua hãng Hach Company (Made in USA)

20