Đồ án công nghệ thực phẩm Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP SIÊU LỌC PROTEIN2.1 Phương pháp siêu lọc thuần - Kỹ thuật siêu lọc là quá trình phân riêng chọn lọc các hợp chất với áp suất làmviệc vào khoảng 1 – 10 bar, sử d

LỜI MỞ ĐẦU

Protein là nguồn dưỡng chất quan trọng cần thiết cho nhu cầu sống của conngười Protein có trong thịt, cá, trứng, sữa là những thực phẩm mà chúng ta ăn hằngngày Bên cạnh là chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sống, protein còn có những tínhchất chức năng quan trọng trong ngành sản xuất thực phẩm như khả năng nhũ hóa,khả năng làm bền hệ nhũ tương, tạo gel và tạo độ nhớt lớn, khả năng liên kết vớinước Những tính chất chức năng của protein được ứng dụng rất rộng rãi trong sảnphẩm thực phẩm như surimi, bánh nướng, xúc xích, giò lụa, kem

Việc cô đặc protein bằng phương pháp truyền thống là kết tủa protein bằngacid đã làm cho protein mất đi rất nhiều tính chất chức năng Để cải thiện tính chấtchức năng của protein, người ta ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein Phươngpháp siêu lọc có ưu thế hơn so với phương pháp truyền thống là không sử dụng hóachất và xử lý nhiệt nên protein ít bị biến tính, làm tăng tính chất chức năng củaprotein

Ở nước ta, việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein cònrất hạn chế Hiện tại, các công trình nghiên cứu về đề tài này cũng khá khiêm tốn.Việc sản xuất các sản phẩm soy protein concentrate, soy protein isolate bằng phươngpháp siêu lọc còn khá mới mẻ so với Việt nam

Mục tiêu của đồ án này là tìm hiểu quá trình siêu lọc để cô đặc dung dịchprotein Ta tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình siêu lọc cũng nhưchất lượng của protein thành phẩm

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LIỆU

1 Bột đậu nành tách béo:

- Bột đậu nành tách béo được sản xuất bằng cách nghiền và rây bánh đậu nànhsau khi đã tách béo Lượng Protein nằm trong khoảng 40 – 56% so với tổng chất khô.Đây là nguyên liệu để sản xuất Soy Protein Concentrate và Soy Protein Isolate

Hình 1.1: Bột đậu nành tách béo

- Quy trình sản xuất bột đậu nành tách béo:

Đậu nànhLàm sạchNghiền, tách vỏ

Bột đậu nành tách béo

Xử lý

Flaking (Cán tạo bánh)Trích ly Miscella

Tách dung môi Dung

môiNghiền

Bảng 1.1: Thành phần có trong bột đậu nành tách béo

Thành phần Tỷ lệ phần trăm %

Protein tổng (N x6.25)

40 – 56

Chất xơ hòa tan 2

1.1 Protein

- Protein trong bột đậu nành tách béo chiếm khoảng 40-56% so với tổng chấtkhô Protein đậu nành có những tính chất chức năng quan trọng trong chế biến thựcphẩm Ngoài ra, protein đậu nành còn chứa những acid amin không thay thế cần thiếtcho nhu cầu dinh dưỡng cho con người

- Đây là thành phần cần làm giàu để tận dụng tính chất chức năng của chúng

Bảng 1.2: Thành phần các acid amin có trong bột đậu nành tách béo

Acid amin Thành phần (mg/100g bột)

1.3 Hydratcarbon:

- Hydratcarbon chiếm khoảng 30-32% so với tổng chất khô Hydratcarbon gồmcác loại đường (sucrose, glucose, fructose ) chiếm khoảng 14%, xơ không tan chiếm16% và xơ hòa tan chiếm 2%

- Thành phần các loại đường tan và xơ hòa tan sẽ hòa tan với nước và đi quamàng membrane trong quá trình cô đặc bằng membrane

- Thành phần cần quan tâm là xơ không hòa tan Chúng được giữ lại trên màngvà có thể gây hiện tượng fouling Vì thế, giảm hàm lượng xơ không tan trước khi thựchiện quá trình cô đặc bằng membrane là điều cần thiết

- Các loại khoáng không tan được giữ lại trên bề mặt màng và cũng có thể gây

ra hiện tượng fouling

Bảng 1.3: Thành phần khoáng có trong bột đậu nành tách béo

Các loại khoáng Thành phần (mg/g bột)

- Whey – chất lỏng được tách ra từ quá trình sản xuất phô mai và casein – là mộttrong những nguồn protein thực phẩm lớn nhất vẫn còn phổ biến ở ngoài kênh tiêuthụ của con người

- Whey là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phô mai và casein (sử dụng tácnhân đông tụ renin)– còn gọi là whey ngọt – có pH từ 5.9 – 6.6 Quá trình sử dụngacid vô cơ để kết tủa casein sẽ sinh ra whey acid có pH từ 4.3 – 4.6

- Cho đến nay, mặc dù lượng protein hoàn hảo không đủ cung cấp cho thế giớinhưng một lượng lớn dịch whey vẫn bị lãng phí

- Whey là nguyên liệu để sản xuất whey protein concentrate và whey proteinisolate

2.2 Thành phần

- Whey chiếm 80 – 90% tổng thể tích của sữa được đưa vào sản xuất và chứakhoảng 50% chất dinh dưỡng có nguồn gốc từ sữa nguyên chất như: protein hòa tan,lactose, vitamin và khoáng

- Whey thường được pha loãng với nước Bảng 1.4 cho biết thành phần của wheykhông pha loãng

Bảng 1.4: Thành phần của whey

Thành phần Cheese whey Casein whey

- Whey protein có trong sữa Whey protein tự nhiên có dạng hình cầu, khả nănghòa tan cao hơn casein và có chất lượng cao hơn

Bảng 1.5: Các thành phần có trong whey protein

Beta lactoglobulin 55%

Bovine serumalbumin

5%

Lactoperoxidase <1%

Casein macro peptide 10%

- Whey protein của sữa được cấu tạo chủ yếu bởi 2 thành phần: -lactalbumin và

-lactoglobulin -lactoglobulin là thành phần có nhiều nhất trong whey protein, vớikhối lượng phân tử là 36000

Hình 1.2: Cấu trúc của -lactoglobulinlactoglobulin

Hình 1.3: Cấu trúc của -lactoglobulinlactalbumin 2.3 Xử lý whey trước khi cô đặc bằng membrane

Trước khi cô đặc bằng membrane, ta phải có quá trình xử lý whey trước gồmtách béo và casein sót, sau đó làm lạnh hoặc thanh trùng

2.3.1 Bảo quản whey sau khi thu nhận

Whey phải được xử lý ngay sau khi thu nhận vì thành phần hóa học của wheythích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn Do đó, có thể làm lạnh nhanh dịch wheyxuống 5oC để hạn chế sự phát triển của vi khuẩn

2.3.2 Tách béo và casein sót

Casein luôn tồn tại trong dịch whey do quá trình đông tụ chưa hoàn toàn.Chúng ảnh hưởng đến quá trình tách béo, do đó phải được tách ra trước Có thể ápdụng nhiều phương pháp tách, chẳng hạn như tách bằng thiết bị ly tâm hoặc lọc

Chất béo cũng được tách bằng thiết bị ly tâm

1 Bồn chứa dịch whey

2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng

3 Thiết bị lọc ly tâm

4 Bồn thu hồi casein

5 Thiết bị ly tâm tách cream

6 Bồn chứa cream

7 Dịch whey thu được để xử lý tiếp

Hình 1.4: Quy trình tách casein và tách béo trong whey

Thiết bị: thiết bị ly tâm dạng đĩa

Hình 1.5: Thiết bị ly tâm dạng đĩa

 Nguyên lý hoạt động:

- Đây là dạng thiết bị hoạt động liên tục

- Dịch whey được nạp vào máy ly tâm, dưới tác dụng của lực ly tâm, dịch whey

bị tách thành 2 phần: phần whey cream và casein (hàm lượng chất béo cao nên cókhối lượng riêng nhỏ) chuyển động về phía tâm của trục thùng quay, phần whey đãtách kiệt béo (hàm lượng chất béo rất thấp nên có khối lượng riêng lớn) chuyển động

Whey Casein Cream Môi trường nhiệt

về phía biên của thùng quay Tốc độ quay của thiết bị phải ổn định thì mới tách kiệtbéo trong dịch whey.

- Cuối cùng, ta thu được 2 dòng sản phẩm: dòng whey cream – casein và dòngdịch whey đã tách kiệt béo theo các kênh riêng thoát ra ngoài

 Thông số công nghệ:

- Tốc độ ly tâm: 2000 – 3000 vòng/phút

- Thời gian ly tâm: 10 – 15 phút

2.3.3 Làm lạnh hay thanh trùng

- Whey được dự trữ để chế biến cần được làm lạnh hay thanh trùng ngay khi chấtbéo được tách ra

- Quá trình làm lạnh và thanh trùng đều sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bảnmỏng

- Để bảo quản whey trong thời gian ngắn (10 – 15 giờ), có thể làm lạnh dịchwhey về 4oC để ức chế sự phát triển của vi khuẩn

- Để bảo quản whey trong thời gian dài, ta phải thanh trùng dịch whey

- Whey được thanh trùng ở 72.8oC trong 15 giây và sau đó được giữ lạnh ở 1.7 –4.4oC Có thể bảo quản trong 3 ngày

3 Sữa gầy

- Là sản phẩm được chế biến từ sữa tươi đã tách bớt một phần béo Hàm lượnglipid trong sữa gầy thường dao động quanh giá trị 1.5% so với tổng chất khô Tuynhiên, một số sản phẩm thương mại có hàm lượng chất béo chỉ 0.5%, thậm chí chỉ0.1% so với tổng chất khô

- Sữa gầy là nguyên liệu sản xuất milk protein isolate

Bảng 1.6: Thành phần có trong sữa gầy Loại Thành phần %

Bảng 1.7: Thành phần của hạt Lupin

Loại Thành phần %

- Để thực hiện cho quá trình cô đặc protein hạt lupin bằng membrane, ta cũng sửdụng bột lupin tách béo Quy trình sản xuất cũng tương tự như bột đậu nành tách béonhưng trong quá trình trích ly tách béo ta thường dùng dung môi là diethyl ether Bộtlupin tách béo còn khoảng 0.2-0.3% béo.

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP SIÊU LỌC PROTEIN

2.1 Phương pháp siêu lọc thuần

- Kỹ thuật siêu lọc là quá trình phân riêng chọn lọc các hợp chất với áp suất làmviệc vào khoảng 1 – 10 bar, sử dụng membrane siêu lọc; đường kính mao quản trungbình của membrane siêu lọc từ 2 đến 50 nm Kỹ thuật siêu lọc được áp dụng để táchprotein, thuốc nhuộm và các hợp chất có khối lượng phân tử lớn hơn 10.000 Dalton

2.1.1 Vật liệu làm membrane siêu lọc

- Vật liệu làm membrane ứng dụng cho siêu lọc gồm những chất sau: Ceramiccomposites, Polyacrylonitrile (PAN), Polyvinylidene flouride (PVDF), Polyvinylalcohol (PVA), Polysulfone (PS), Cellulose acetate (CA), Cellulose triacetate (CTA),Polyamide aromatic (PA)

2.1.1.1 Cellulose acetate

- Là polymer của phân tử -glucose, liên kết với nhau bởi -1,4-glucoside vàđược acetyl hóa chủ yếu tại vị trí –OH của C2, C3 hoặc C6 vòng hexose Celluloseacetate được sản xuất bằng phương pháp acetyl hóa cellulose với acetic anhydric,acetic acid và sulfuric acid Sau phản ứng, nếu có hơn 92,5% gốc hydroxyl –OH tự dotrong phân tử cellulose bị acetyl hóa thì sản phẩm thu nhận được gọi là cellulosetriacetate Các sản phẩm cellulose triacetate thương mại có độ polymer hóa từ 100-

300, tương đương với phân tử lượng khoảng 25.000-80.000

- Membrane được sản xuất từ cellulose acetate có ưu điểm là ưa nước, đườngkính 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35-40oC; pH = 3-8), kém bền với các chất tẩy rửa công nghiệp như chlorine vàdễ bị phân hủy sinh học

2.1.1.2 Polyvinylidenedifluoride (PVDF)

- Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống Tuynhiên, PVDF không được sử dụng nhiều vì kỹ thuật chế tạo membrane từ vật liệu nàyrất khó khăn và các tính chất, cấu trúc của membrane kém ổn định

- Công thức hóa học của PVDF:

 CH2  CF2 n

2.1.1.3 Nhóm polysulfone

- Là polymer của các đơn vị diphenylene sulfone với nhóm –SO2 trong phân tử.Phổ biến nhất là polysulfone (PS), polyethersulfone (PES)

Hình 2.1: Nhóm polysulfone – vật liệu trong sản xuất membrane

- Membrane polysulfone có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động khá rộng(Tmax75oC; pH = 1-13) và bền với chlorine Tuy nhiên, các vật liệu PS và PES chịuáp lực kém và do có tính kỵ nước nên trong quá trình sử dụng, dòng permeate dễ bịtắc nghẽn

2.1.1.4 Ceramic

- Các membrane ceramic được chế tạo theo từng module riêng biệt Các modulethường có hình trụ, bên trong có nhiều kênh dạng ống được xếp song song theo suốtchiều cao thân trụ của module Người ta sử dụng ceramic làm membrane và một sốvật liệu khác làm chất mang để tạo nên các kênh cho dòng vào, dòng ra retentate vàpermeate trong module Các thông số kỹ thuật như chiều cao của module, độ dày lớpmàng ceramic, kích thước lỗ mao dẫn sẽ được tính toán và thiết kế theo yêu cầu củangười sử dụng

- Membrane làm từ vật liệu ceramic có rất nhiều ưu điểm: trơ với các hóa chấtnhư acid, kiềm, chlorine, khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rất rộng (Tmax350oC;

pH = 0.5 – 13), do đó ta có thể sử dụng hơi để vô trùng thiết bị Tuy nhiên, chúng khádễ vỡ bởi những va chạm cơ học, giá thành cao và đường kính lỗ mao dẫn cácmembrane ceramic hiện nay không thể nhỏ hơn 10-2m

Hình 2.2: Module phân riêng với membrane ceramic

2.1.2 Cơ sở khoa học của quá trình siêu lọc

- Động lực của quá trình: Áp lực

- Sản phẩm retentate bao gồm: nước, phân tử lớn như protein

- Sản phẩm permeate bao gồm: nước, phân tử nhỏ: lactose, khoáng

2.1.2.1 Mô hình trong kỹ thuật siêu lọc

- Có hai loại mô hình được áp dụng là Dead-end (Dead-end separation) vàCross-flow (Cross-flow separation)

Hình 2.3 : Mô hình dead-lactoglobulinend và Cross-lactoglobulinflow

 Mô hình Dead-lactoglobulinend (Dead-lactoglobulinend Separation).

- Dead-end là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy vuông góc với membrane,dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ chảy quamembrane bởi áp suất Các phần tử có kích thước lớn hơn hoặc bằng đường kính lỗmao quản sẽ bị giữ lại bên trên bề mặt hoặc bên trong membrane Theo thời gian cácphần tử đó sẽ tích tụ, làm tăng trở lực của quá trình phân riêng và làm cho lưu lượng

dòng permeate giảm dần Để tiếp tục quá trình phân riêng, người ta phải thay hoặc vệsinh membrane.

- Hai kỹ thuật membrane thường sử dụng mô hình này là: kỹ thuật vi lọc với lưu

lượng dòng permeate không đổi (Dead-end microfiltration with constant flux) và vi lọc với áp suất không đổi (Dead-end microfiltration with constant pressure drop) Trong

kỹ thuật vi lọc với lưu lượng dòng permeate không đổi, người ta phải thay đổi áp lựcđảm bảo lưu lượng dòng permeate ổn định trong khi trở lực lọc tăng dần Ngược lại,trong kỹ thuật vi lọc với áp suất không đổi, lưu lượng dòng permeate sẽ giảm dần dotrở lực lọc tăng dần theo thời gian Đây là mô hình chỉ sử dụng trong các phòng thínghiệm dùng để xử lý các dung dịch có thể tích nhỏ

Hình 2.4.: Mô hình Dead-lactoglobulinEnd (Dead-lactoglobulinEnd Separation)

 Mô hình Cross-lactoglobulinFlow (Cross-lactoglobulinflow Separation)

- Cross-flow là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy song song với bề mặtmembrane Dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ

đi qua membrane nhờ áp lực của bơm và tạo thành dòng permeate, các phần tử cònlại không đi được qua membrane sẽ tiếp tục chảy ra ngoài tạo thành dòng retentate,đồng thời dòng này sẽ kéo theo các phần tử bám trên bề mặt membrane Vì vậy, môhình này ít bị tắc nghẽn hơn so với mô hình Dead-end và có thể hoạt động liên tụctrong thời gian dài

Hình 2.5: Mô hình Cross-lactoglobulinFlow (Cross-lactoglobulinFlow Separation)

2.1.2.2 Quá trình phân riêng gián đoạn

2.1.2.2.1 Mô hình hồi lưu toàn phần retentate

- Đây là mô hình đơn giản nhất Nó thường được sử dụng ở quy mô phòng thínghiệm và quy mô pilot khi chúng ta muốn tách các hợp chất phân tử lượng nhỏ vàlàm tăng nồng độ các chất phân tử lượng cao trong mẫu khảo sát Hệ thống gồm mộtthiết bị membrane, một bồn chứa nguyên liệu, một bơm, một thiết bị lọc và một thiết

bị trao đổi nhiệt Bơm sẽ đưa nguyên liệu qua thiết bị lọc để tách các tạp chất thô rồivào thiết bị membrane Dòng ra permeate sẽ thu hồi riêng, còn dòng ra retentate sẽ điqua một thiết bị trao đổi nhiệt để ổn định nhiệt độ rồi hồi lưu toàn phần về bồn chứanguyên liệu Quá trình sẽ được tiếp diễn cho đến khi nồng độ các cấu tử trongretentate tăng đến giá trị mong muốn

- Mô hình này cho phép chúng ta cô đặc mẫu khảo sát trong một khoảng thờigian ngắn nhất và tiết kiệm diện tích membrane sử dụng

Hình 2.6: Mô hình hồi lưu toàn phần retentate

2.1.2.2.2 Mô hình hồi lưu một phần retentate

- Ở mô hình này, một phần retentate sẽ được cho hồi lưu trở lại thiết bịmembrane nhờ một bơm hồi lưu riêng Quá trình sẽ tiếp diễn cho đến khi nồng độ cáccấu tử trong dòng retentate đạt được giá trị mong muốn Mô hình này cũng chỉ thíchhợp cho quy mô phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot

Hình 2.7: Mô hình hồi lưu một phần retentate

2.1.2.3 Quá trình phân riêng liên tục

2.1.2.3.1 Mô hình đơn giản

- Trong mô hình này, nguyên liệu từ bồn chứa sẽ được bơm đưa vào thiết bịmembrane Chúng ta thu được hai dòng sản phẩm ra là permeate và retentate Khi đó,thời gian lưu của các cấu tử trong thiết bị membrane là ngắn nhất Thật ra, mô hìnhnày chỉ thích hợp khi không đòi hỏi tốc độ dòng cao và các cấu tử trong nguyên liệukhông tương tác với vật liệu membrane, dẫn đến hiện tượng nghẹt các lỗ mao dẫn

Hình 2.8: Mô hình đơn giản

2.1.2.3.2 Mô hình hồi lưu một phần retentate

- Khác với mô hình đơn giản trong phân riêng liên tục, ở đây một phần retentatesẽ được bơm hồi lưu đưa trở lại thiết bị membrane Như vậy, chúng ta sẽ cần hai bơm:một bơm cho nguyên liệu để tạo ra một áp lực chung trong hệ thống và một bơm chophần retentate – là động lực để đẩy các cấu tử qua màng tạo nên dòng permeate

- Mô hình này thường được sử dụng ở quy mô phòng công nghiệp với diện tíchmembrane trong hệ thống thiết bị từ 100m2 trở lên

Hình 2.9: Mô hình liên tục – hồi lưu một phần retentate

2.1.2.3.3 Mô hình nhiều giai đoạn

- Ở quy mô công nghiệp, người ta sử dụng mô hình từ 3 đến 8 giai đoạn Số bơmhồi lưu sử dụng sẽ bằng với số giai đoạn trong mô hình Ở giai đoạn đầu, tốc độ dòngđạt giá trị cao nhất nhưng nồng độ cấu tử trong dòng retentate thấp nhất Ngược lại, ởgiai đoạn cuối tốc độ dòng thấp nhưng nồng độ cấu tử trong retentate đạt giá trị caonhất.

- Trong sản xuất, các mô hình phân riêng liên tục có thể hoạt động trong suốt 24giờ Sau khoảng thời gian này, chúng ta nên tạm ngưng hoạt động để tẩy rửa và vệsinh thiết bị Nếu không, sự tắc nghẽn các lỗ mao dẫn trong membrane dễ xảy ra.Một số vi sinh vật được hấp phụ trên membrane sẽ phát triển dễ làm hư hỏng sảnphẩm

Hình 2.10: Mô hình liên tục 3 giai đoạn

2.1.3 Thiết bị membrane dùng trong siêu lọc

- Hiện nay, có bốn mô hình phổ biến trong siêu lọc: Thiết bị dạng ống, dạngbảng; dạng sợi; dạng cuộn xoắn

2.1.3.1 Mô hình ống

- Thiết bị membrane có dạng hình trụ, bên trong có chứa nhiều ống trụ nhỏ đặtsong song với nhau Mỗi ống trụ nhỏ thường được chế tạo bằng thép không gỉ, cóđường kính dao động từ 12.5-75mm, chiều dài khoảng 0.6-6.4m được đục các lỗ nhỏtrên thân Các membrane cũng có dạng hình trụ được lồng ghép sát thành trong củacác ống trụ nhỏ trên

- Nguyên liệu sẽ được bơm vào từ một đầu thiết bị và được phân phối vào bêntrong các ống trụ nhỏ Dòng ra retentate sẽ tiếp tục đi tiếp hết chiều dài các ống trụ

nhỏ và thoát ra ở đầu bên kia của thiết bị Dòng ra permeate sẽ chui qua các mao dẫncủa membrane và thoát ra bên ngoài các ống trụ nhỏ, sau đó được tập trung theo cửa

ra chung nằm phía trên thân thiết bị

- Bên trong thiết bị membrane có thể được chia thành nhiều khoang, mỗi khoanggồm một số ống trụ nhỏ song song nằm cạnh nhau Đầu tiên nguyên liệu sẽ được bơmvào một khoang trong thiết bị Dòng retentate thoát ra khỏi khoang này và đi tiếp vàokhoang thứ hai, còn dòng retentate thoát ra từ khoang thứ hai sẽ đi tiếp vào khoangthứ ba Như vậy, dòng retentate thoát ra từ khoang cuối cùng sẽ có nồng độ đạt giátrị yêu cầu

- Mô hình ống có ưu điểm là dễ tạo ra dòng chảy rối trong quá trình vận hành;đơn giản khi vệ sinh, thay thế membrane sử dụng và bảo trì thiết bị Tuy nhiên, thiết

bị cồng kềnh, chiếm nhiều không gian nhà xưởng và tốn nhiều năng lượng sử dụng docó sự tụt áp của dòng nguyên liệu trong các ống hình trụ nhỏ

Hình 2.11: Mô hình ống

2.1.3.2 Mô hình sợi (hollow fiber module)

- Mô hình sợi có cấu tạo tương tự như mô hình ống Thiết bị membrane được chếtạo bằng thép không rỉ có dạng hình trụ với đường kính thường dao động trong khoảng2.5-12.7cm, chiều dài 18-120cm Bên trong thiết bị chứa bó sợi membrane Mỗimodule chứa từ 50-3000 sợi Đường kính sợi thay đổi từ 0.2-3mm

- Khi hoạt động, nguyên liệu được bơm vào bên trong thiết bị và chui vào trongcác sợi membrane Dòng ra retentate sẽ đi hết theo chiều dài sợi và tập trung thoát ra

ở đầu còn lại của thiết bị Dòng ra permeate sẽ chui qua các lỗ mao dẫn membrane,thoát ra ngoài sợi rồi tập trung về cửa ra nằm trên thân thiết bị

- Ưu điểm của mô hình sợi là thiết bị ít chiếm diện tích nhà xưởng dù diện tíchmembrane sử dụng rất lớn, ít tốn năng lượng cho quá trình Tuy nhiên, trong quá trìnhvận hành, một số sợi membrane dễ bị tổn thương và việc thay thế chúng sẽ tốn kémvà phức tạp Hơn nữa, do đường kính sợi membrane khá nhỏ, những nguyên liệu dạngkeo dễ gây tắc nghẽn membrane trong quá trình sử dụng

Hình 2.12: Mô hình sợi

2.1.3.3 Mô hình bảng/tấm (plate module)

- Mỗi đơn vị cấu tạo nên mô hình bảng bao gồm một tấm đỡ, hai miếng đệm vàhai membrane được ép sát vào nhau như hình 2.13 Các tấm đỡ có dạng hình hộp chữnhật với độ dày rất mỏng, diện tích bề mặt từ 0.11-0.35m2 Các miếng đệm có cấu

trúc vi xốp được ép sát và phủ kín bề mặt tấm đỡ Các membrane (dạng tấm) có diệntích bề mặt bằng đúng với diện tích bề mặt tấm đỡ và được đặt sát lên các miếngđệm.

- Trong thiết bị membrane, các đơn vị trên được đặt song song với nhau Tùythuộc vào số đơn vị được lắp ráp vào nhiều hay ít mà tổng diện tích membrane sửdụng trong thiết bị có thể dao động trong một khoảng rất lớn, từ 0.1-100m2 Khoảngcách giữa các đơn vị là cửa vào cho dòng nguyên liệu và cửa ra cho dòng retentate.Một số cấu tử trong dòng nguyên liệu sẽ chui qua mao dẫn membrane, theo các lỗ vixốp của các tấm đệm rồi tập trung thoát ra ngoài tạo nên dòng permeate

- Ưu điểm lớn nhất của mô hình bảng là việc tháo lắp, vệ sinh thiết bị rất đơngiản Ở một số thiết bị, người ta bố trí một van tháo sản phẩm permeate ứng với mỗitấm membrane Như vậy, nhà sản xuất dễ phát hiện kịp thời membrane nào hư hỏngtrong quá trình vận hành để thay thế

Hình 2.13: Thiết bị membrane – mô hình bảng/tấm

2.1.3.4 Mô hình cuộn xoắn

- Thiết bị gồm hai ống hình trụ cùng trục, cùng chiều cao nhưng có đường kínhkhác nhau và được đặt lồng vào nhau Cả hai được chế tạo bằng thép không rỉ Ốnghình trụ nhỏ được đục lỗ trên thân và là nơi tập trung các cấu tử của dòng permeate.Khoảng không gian được giới hạn bởi mặt ngoài thân trụ nhỏ và mặt trong thân trụ

lớn là hai tấm membrane hình chữ nhật cuộn lại theo hình xoắn ốc (bề mặt hoạt độngcủa hai membrane được quay ngược nhau), cách nhau bởi một tấm đệm Vật liệu phổbiến được dùng làm tấm đệm là polypropylene.

- Nguyên liệu sẽ được bơm vào ở một đầu thân trụ và di chuyển dọc theo thântrụ bởi một kênh có cơ cấu tiết diện hình xoắn ốc (phần gạch chéo) Dòng sản phẩmretentate sẽ được tập trung và thoát ra ở đầu kia của thiết bị hình trụ Các cấu tửpermeate sẽ chui qua mao dẫn của hai membrane để vào kênh dẫn dành riêng chochúng Kênh này cũng có diện tích xoắn ốc (phần không gạch chéo) và được liênthông với ống hình trụ trung tâm Từ ống hình trụ trung tâm, dòng permeate sẽ đượctập trung thoát ra khỏi thiết bị

- Ưu điểm của thiết bị membrane mô hình cuộn xoắn là thành thấp hơn so vớicác mô hình khác Người sử dụng có thể lựa chọn chế độ chảy dòng hoặc chảy rối tùytừng trường hợp cụ thể

1 – kênh vào cửa nguyên liệu

2 – tấm đệm

3 – kênh của permeate

4 – ống trụ trung tâm

5 – dòng chảy qua membrane tạo nên permeate

Hình 2.14: Thiết bị membrane – mô hình cuộn xoắn

Bảng 2.1 : So sánh ưu và nhược điểm của một số dạng membrane

Dạng cuộn xoắn

(spiral wound module)

linh động không cao

Dạng sợi rỗng

(hollow fiber module)

2.2 Phương pháp siêu lọc kết hợp diafiltration

- Phương pháp này dùng để cô đặc dung dịch protein lên đến nồng độ rất cao(trên 90%)

 Giới thiệu diafiltration

- Diafiltration là phương pháp dùng nước để pha loãng tiếp phần retentate cònlại ở trên màng sau quá trình siêu lọc rồi cho hỗn hợp đi tiếp qua membrane Phươngpháp này giúp loại thêm những chất còn sót trên màng mà đáng lẽ ra chúng phải loại

ra theo dòng permeate nhờ đó làm giảm những tạp chất không mong muốn và tăngnồng độ protein.

- Có 2 phương pháp diafiltration:

+ Gián đoạn - discontinuous dinfiltration (DDF)

+ Liên tục - continuous diafiltration (CDF)

- Phương pháp diafiltration gián đoạn là dòng nước bơm một cách gián đoạn đểrửa phần retentate Phương pháp này rất linh động trong việc điều khiển nồng độ tạpchất cần giảm và hàm lượng protein mong muốn

- Phương pháp diafiltration liên tục là bơm dòng nước một cách liên tục Tốc độdòng nước bơm vào bằng với tốc độ dòng permeate đi ra

Hình 2.15: Mô hình diafiltration

Hình 2.16: Mô hình liên tục 1 cấp

Hình 2.17: Mô hình diafiltration liên tục hai cấp

- Mô hình diafiltration liên tục hai cấp: đầu tiên dòng nhập liệu được đưa vàotrong bồn 1 (lactose dilute solution) để pha loãng, sau đó sản phẩm quá trình phaloãng này sẽ được qua bồn 2 và kết hợp với dòng nước để thực hiện quá trìnhdiafiltration Dòng permeate sẽ được tuần hoàn bồn 1 để tiếp tục qua loãng rồi sảnphẩm tiếp tục đến bồn 2 để diafiltration tiếp tục Còn dòng retentate sẽ được đưa vàobồn 2 để thực hiện quá trình diafiltration Quá trình này kết thúc khi nồng độ proteinvà lactose ở retentate đạt giá trị yêu cầu

2.3 Phương pháp siêu lọc kết hợp với điện – acid (Electro – acidification)

- Electro – acidification là kỹ thuật dựa vào sự sinh ra những proton được tạo ratrong sự tách ra phân tử nước tại bề mặt của membrane lưỡng cực Những proton sẽtiến về cathode và acid hoá các protein hòa tan Sự acid hóa từ từ protein làm protein

bị kết tủa

- Ưu điểm của phương pháp là kiểm soát được quá trình acid hóa bằng cách điềuchỉnh dòng điện đầu vào, acid và base được kiểm soát, từ đó giúp giảm hàm lượngtro

- Nhược điểm của phương pháp là ứng dụng trong quy mô công nghiệp còn bịhạn chế vì khi kết tủa protein từ từ trong buồng thẩm tích điện (electrodialysis cell) sẽlàm tăng khả năng tắc nghẽn do protein kết tụ trên bề mặt membrane (khi nồng độprotein cao) gây tổn thất protein, làm tăng trở lực của buồng, từ đó làm giảm hiệu quảcủa quá trình

bồn 2

bồn 1

Hình 2.18: Mô hình điện – acid

- Thiết bị thực hiện phương pháp điện – acid có một buồng 6 ngăn được tạo bởi 3mebrane lưỡng cực và 2 membrane cation, bên ngoài có 2 điện cực âm và dương đểtạo thành điện trường Membrane lưỡng cực có nhiệm vụ tách nước thành ion H+ và

OH– dưới tác dụng của điện trường, sau đó ion H+ sẽ qua lớp trao đổi cation và đếnđược với dòng protein làm giảm pH của dung dịch protein làm protein kết tủa Cònion OH– sẽ qua lớp trao đổi anion và theo dòng base ra ngoài Trong lúc đó, nhữngion mang điện dương (K+, Ca2+ ) trong dòng protein sẽ đi về cathode từ đó làm giảmđược hàm lượng tro và khoáng trong dung dịch protein lúc đầu

- Ưu điểm chính của kết hợp siêu lọc và điện acid hóa sẽ làm giảm được hàmlượng tro, khoáng mà phương pháp siêu lọc truyền thống không làm được

BP: membrane lưỡng cựcC: lớp membrane cation (chỉ cho các cation qua membrane)

A: lớp membrane ation (chỉ cho các ation qua membrane)

CHƯƠNG 3: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC DUNG DỊCH PROTEIN BẰNG SIÊU LỌC

Quá trình cô đặc dung dịch protein bằng siêu lọc đạt hiệu quả cao khi quá trìnhhiệu suất thu hồi đạt hiệu quả cao đồng thời protein thu được cũng phải đạt chất lượngcao Ta sẽ tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình siêu lọc cũng nhưchất lượng của protein

3.1 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SIÊU LỌC

- Quá trình siêu lọc được đánh giá là đạt hiệu quả cao khi dòng permeate đượcdịch chuyển qua membrane với tốc độ nhanh và độ phân riêng đạt giá trị cao

- Theo thời gian sử dụng, tốc độ dòng permeate sẽ giảm dần Đó là do một sốcấu tử đã được hấp phụ trên bề mặt membrane hoặc tương tác với một số nhóm chứctrong thành phần hóa học của membrane, từ đó dẫn đến hiện tượng nghẹt các lỗ maodẫn và làm giảm khả năng phân riêng của toàn hệ thống

3.1.1 Bản chất của membrane

a Vật liệu membrane

- Membrane có thể được sản xuất từ những vật liệu ưa nước (cellulose acetate,ceramic ) hoặc kỵ nước (polypropylene, polytetrafluorethylene ) Thực tế cho thấy,nếu ta sử dụng membrane từ nhóm vật liệu kỵ nước, chúng dễ tương tác với các cấutử kỵ nước trong nguyên liệu dòng vào Kết quả là các mao dẫn dễ bị tắc nghẽn, quátrình phân riêng chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn

- Trong siêu lọc để cô đặc protein, người ra thường sử dụng membrane từ nhữngvật liệu ưa nước

Hình 3.1: Sự hấp phụ của protein lên các loại vật liệu membrane khác nhau

b Cấu trúc bề mặt membrane:

- Đối với các membrane có bề mặt nhẵn đồng nhất, những ống mao dẫn củachúng ít bị tắc nghẽn trong quá trình sử dụng Ngược lại, nếu membrane có bề mặtghồ ghề, lồi lõm, một số cấu tử trong nguyên liệu dễ bị hấp phụ lên bề mặtmembrane, từ đó làm giảm tốc độ dòng permeate và kéo dài thời gian siêu lọc

c Đường kính mao dẫn

- Nếu ta chọn membrane với mao dẫn có đường kính lớn hơn kích thước các cấutử trong nguyên liệu dòng vào thì chúng dễ bị tắc nghẽn trong quá trình sử dụng domột số cấu tử có thể chui vào trong các mao dẫn và bị kẹt lại ở đây Ngược lại, hiệntượng này sẽ không xảy ra nếu membrane sử dụng với mao dẫn có đường kính nhỏhơn kích thước các cấu tử

- Như vậy, tùy thuộc vào nguyên liệu, chúng ta phải chọn membrane với đườngkính lỗ mao dẫn tối ưu Khi đó, quá trình siêu lọc sẽ diễn ra nhanh và hạn chế đượchiện tượng tắc nghẽn membrane

Hình 3.2: Ảnh hưởng của kích thước mao quản đến lưu lượng dòng permeate

3.1.2 Bản chất của nguyên liệu

a Protein

- Protein là một trong những cấu tử thường gây ra hiện tượng tắc nghẽn mao dẫnmembrane Đó là do chúng có chứa một số nhóm chức kỵ nước và một số nhóm chứctích điện Các nhóm chức này có thể tương tác hoặc kết hợp tạo phức với một sốnhóm chức của membrane Hơn nữa, với cấu hình không gian phức tạp, trong một sốtrường hợp, các phân tử protein có thể chui vào mao dẫn và làm tắc nghẽn dòngpermeate

Hình 3.3 : Ảnh hưởng nồng độ protein trong dòng nhập liệu đến lưu lượng của dòng

c Muối

- Các muối trong dung dịch protein cũng là một trong những nguyên nhân gâytắc nghẽn dòng permeate Chúng có thể kết tủa và bám trên thành ống mao dẫn dođộ hòa tan kém hoặc tạo liên kết với các gốc tích điện của vật liệu membrane

- Môt số tác giả cho rằng, ion Ca2+ có thể đóng vai trò là cầu nối, liên kết một sốnhóm chức giữa membrane và protein, từ đó làm giảm tốc độ dòng permeate Đểkhắc phục tình trạng này, chúng ta có thể tách calci trước khi thực hiện quá trình siêulọc Các phương pháp tách calci là ly tâm, điện thẩm tích hoặc trao đổi ion