Nghiên cứu ứng dụng quá trình lọc nano để nâng cao hiệu quả của quá trình lên men sản xuất axit lactic

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng quá trình lọc Nano để nâng cao hiệu quả của quá trình lên men sản xuất axit lactic Tác giả luận văn: Trịnh Thị Huyền Trang Khóa: 2009 Người hướng dẫn: TS Ngu

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng quá trình lọc Nano để nâng cao hiệu quả của quá

trình lên men sản xuất axit lactic

Tác giả luận văn: Trịnh Thị Huyền Trang Khóa: 2009

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Tân

Nội dung tóm tắt

a Lý do chọn đề tài

Một trong những vấn đề toàn cầu đang được quan tâm lớn nhất hiện nay là vấn đề

về môi trường, trong đó việc xử lý rác thải sinh ra từ bao gói sản xuất bằng nilon đang

là mối quan tâm của nhiều nước đang phát triển trong đó có Việt Nam Do đó các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu sản xuất ra một dạng chất dẻo mới dễ phân hủy, thân thiện với môi trường Axit lactic thu được từ quá trình sản xuất bằng phương pháp lên men chính là nguyên liệu đầu vào quan trọng cho quá trình tổng hợp polyme này Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng quá trình lọc Nano để nâng cao hiệu quả của quá trình lên men sản xuất axit lactic là cần thiết và là một hướng đi mới thay thế cho các công nghệ truyền thống như cô đặc, chưng cất, trích ly do quá trình lọc nano có ưu điểm tiết kiệm năng lượng, dễ tự động hóa, tối ưu hóa

b Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu:

Mục đích nghiên cứu của luận văn là đạt được những hiểu biết cụ thể hơn về quá trình lọc Nano, các hiện tượng xảy ra và có thể ứng dụng nó vào trong các quá trình công nghiệp cụ thể mà ở đây là tách đường trong dung dịch chứa axit lactic nhận được bằng phương pháp lên men

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Quá trình lọc nano

+ Dịch lên men axit lactic

c Tóm tắt các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

- Lựa chọn mô hình mô tả quá trình chuyển khối trong quá trình lọc nano

- Lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp, có độ tin cậy cao

- Khảo sát ảnh hưởng của chênh lệch áp suất, lưu lượng dòng qua màng và nồng

độ đầu vào đến độ chọn lọc của quá trình

- Đánh giá kết quả nghiên cứu, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

d Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết, lựa chọn mô hình mô tả quá trình

- Tiến hành thực nghiệm, đánh giá mô hình và giải thích

- Kết quả thu được là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm mục đích có thể

mô hình hóa cũng như tối ưu hóa quá trình tách axit lactic từ dịch lên men bằng màng lọc nano Nghiên cứu cũng sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu ứng dụng quá trình lọc nano cho các quá trình sản xuất các axit hữu cơ khác

Hà Nội, ngày 7 tháng 6 năm 2011 Người hướng dẫn

TS Nguyễn Minh Tân

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TĂT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 9

Phần 1 TỔNG QUAN 10

1.1 TỔNG QUAN VỀ LỌC NANO 10

1.1.1 Khái niệm lọc nano 10

1.1.2 Màng lọc nano 12

1.1.3 Ứng dụng của quá trình lọc Nano 13

1.2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LÊN MEN SẢN XUẤT AXIT LACTIC 17

1.2.1 Axit lactic 17

1.2.2 Quá trình lên men axit lactic 18

1.2.3 Ứng dụng của axit lactic 18

1.3 KHẢ NĂNG TÍCH HỢP MÀNG LỌC NANO VÀ QUÁ TRÌNH LÊN MEN AXIT LACTIC 20

Phần 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA QUÁ TRÌNH LỌC NANO 22

2.1 CƠ CHẾ LỌC NANO 22

2.1.1 Cơ chế lỗ 22

2.1.2 Cơ chế hòa tan – khuếch tán 22

2.1.3 Độ chọn lọc 24

2.1.4 Hiện tƣợng phân cực nồng độ 24

2.1.5 Cặn màng 26

2.2 MÔ HÌNH CHUYỂN KHỐI TRONG LỌC NANO 27

2.2.1 Mô hình Spiegler – Kedem 28

2.2.2 Mô hình vận tải 29

2.2.3 Mô hình không gian mao quản Donnan 30

Phần 3 THỰC NGHIỆM 34

3.1 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 34

3.2 SƠ ĐỒ THỰC NGHIỆM 34

3.2.1 Đặc trưng hóa màng NF 34

3.2.2 Sơ đồ thí nghiệm 35

3.2.3 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm 37

3.3 CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 37

3.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm 37

3.3.2 Tiến hành thí nghiệm 37

3.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 37

3.4.1 Phân tích xác định nồng độ axit lactic 37

3.4.2 Phân tích xác định nồng độ glucozơ 38

3.5 XỬ LÝ SỐ LIỆU 41

3.5.1 Dòng qua màng 41

3.5.2 Độ chọn lọc 41

Phần 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

4.1 XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CỦA MÀNG 43

4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT QUA MÀNG 44

4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG DÒNG QUA MÀNG 47

4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ ĐẦU 49

4.5 THẢO LUẬN 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC 54

Phụ lục 1 Sản phẩm của quá trình lên men axit lactic với các chủng vi sinh vật khác nhau 54

Phụ lục 2 Kết quả đường chuẩn của glucozơ 55 Phụ lục 3 Tính năng suất lọc bằng Matcad 56

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TĂT

Ký hiệu

B Độ thẩm thấu của chất tan qua màng m.s-1.Pa-1

Cf Nồng độ cấu tử trong dịch đầu mol.m-3

Cp Nồng độ cấu tử trong dịch qua màng mol.m-3

Cr Nồng độ cấu tử trong dịch đặc phía trên màng mol.m-3

df Đường kính danh nghĩa của cặn rắn m

Di,p Hằng số khuếch tán của ion i trong mao quản m2.s-1

Vs Thể tích riêng phần của chất tan không điện ly m3.mol-1

Δπ Chênh lệch áp suất thẩm thấu N.m-2

ρf Mật độ danh nghĩa của các cặn rắn

ψ điện thế, lực hút làm các ion dịch chuyển V

Chữ viết tắt

RO Reverse osmosis Thẩm thấu ngƣợc

MWCO Molecular weight cut off Khối lƣợng phân tử giới hạn

r retentate Dòng dịch đặc

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Các quá trình phân tách màng với động lực chênh lệch áp suất 10

Bảng 2 Một số loại màng NF thương mại phổ biến hiện nay 16

Bảng 3 Thông số nhiệt động của axit lactic ở 25 0 C 17

Bảng 4 Đặc điểm của các ion và chất tan trong dung dịch 47

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

nh Khả năng phân tách của các quá trình màng 11

nh Cấu tạo hai đồng phân quang học của axit lactic 17

nh Phản ứng polyme hóa vòng hở tổng hợp PLA 19

nh 4 Sơ đồ của một mô-đun lọc nano 22

nh Sơ đồ mô tả cơ chế của lọc nano 23

nh Hiện tượng phân cực nồng độ cho quá trình lọc chéo dòng 25

nh Cấu trúc màng SelRO MPF-34 35

nh Sơ đồ thí nghiệm NF 36

nh -đun màng phẳng trong thí nghiệm lọc nano 36

nh Thiết bị đo quang Agilent 4 tại PTN óa phân tích, trường Đ BK à Nội 39

nh Giao diện màn hình của phần mềm 8453 UV Visible 40

nh Đồ thị đường chuẩn của glucozơ 41

nh Đồ thị thể hiện quan hệ giữa lưu lượng dòng qua màng theo áp suất làm việc của nước cất 43

nh 4 Ảnh hưởng của áp suất qua màng đến lưu lượng dòng qua màng với hai mẫu M1 và M2 44

nh Ảnh hưởng của áp suất qua màng đến độ chọn lọc glucozơ trong mẫu 1 và dung dịch chỉ chứa glucozơ 45

nh Ảnh hưởng của áp suất qua màng đến tỷ lệ thu hồi axit lactic 46

nh Mối quan hệ giữa lưu lượng dòng qua màng và độ chọn lọc của glucozơ48 nh Mối quan hệ giữa lưu lượng dòng qua màng và tỷ lệ thu hồi axit lactic 48

MỞ ĐẦU

Một trong những vấn đề toàn cầu đang được quan tâm lớn nhất hiện nay là vấn

đề về môi trường, trong đó việc xử lý rác thải sinh ra từ bao gói sản xuất bằng nilon đang là mối quan tâm của nhiều nước đang phát triển trong đó có Việt Nam Do đó các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu sản xuất ra một dạng chất dẻo mới dễ phân hủy, thân thiện với môi trường Axit lactic thu được từ quá trình sản xuất bằng phương pháp lên men chính là nguyên liệu đầu vào quan trọng cho quá trình tổng hợp polyme này Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng quá trình lọc Nano để nâng cao hiệu quả của quá trình lên men sản xuất axit lactic là cần thiết và là một hướng đi mới thay thế cho các công nghệ truyền thống như cô đặc, chưng cất, trích ly do quá trình lọc nano có ưu điểm tiết kiệm năng lượng, dễ tự động hóa, tối ưu hóa

Quá trình màng còn rất mới mẻ ở Việt Nam, ứng dụng của quá trình màng chủ yếu đó là sử dụng màng thẩm thấu ngược RO để sản xuất nước tinh khiết Do đó, nội dung nghiên cứu của luận văn là hoàn toàn mới và có ý nghĩa thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đạt được những hiểu biết cụ thể hơn về quá trình lọc Nano, các hiện tượng xảy ra và có thể ứng dụng nó vào trong các quá trình công nghiệp cụ thể mà ở đây là tách đường trong dung dịch chứa axit lactic nhận được bằng phương pháp lên men

Luận văn được trình bày với bố cục chính như sau:

- Phần 1: Tổng quan về lọc nano và quá trình lên men axit lactic

- Phần 2: Cơ sở lý thuyết và mô hình toán của lọc nano

- Phần 3: Thực nghiệm

Phần 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ LỌC NANO

1.1.1 Khái niệm lọc nano

Từ những năm 60 của thế kỷ trước, quá trình màng đã được ứng dụng vào trong công nghiệp và là phương pháp phân tách thay thế khả thi cho các quá trình truyền thống như chưng cất, cô đặc hoặc trích ly

Lọc nano (nanofiltration-NF) là một quá trình phân tách màng với động lực là

chênh lệch áp suất và độ chọn lọc của quá trình này nằm giữa quá trình siêu lọc và thẩm thấu ngược Khái niệm ―lọc Nano‖ được đưa ra lần đầu tiên bởi hãng sản xuất màng FilmTec với mục đích làm nổi bật đặc điểm của màng là có khả năng giữ lại các chất tan không điện ly có kích thước cỡ 1 nm

Tổng quan về các quá trình phân tách màng với động lực chênh lệch áp suất

được đưa ra ở bảng 1 và khả năng phân tách của các quá trình này được thể hiện trên hình 1

Bảng 1 Các quá trình phân tách màng với động lực chênh lệch áp suất

Quá trình màng Áp suất làm việc

(bar)

Dòng qua màng (l/m2.h.bar)

Đặc điểm của lớp hoạt động

1 Khả năng phân tách của các quá trình màng

Vi lọc (MF)

Siêu lọc (UF)

Lọc nano (NF)

Nước

Ion đơn hóa trị, axit không phân ly

Ion đa hóa trị, axit phân

ly, đường Vi-rút Vi khuẩn Huyền phù

Thẩm thấu ngược

(RO)

Những đặc điểm đặc trưng nhất của màng NF điển hình là [9]:

 Khả năng tách ion có điện tích âm lớn hơn 1, ví dụ như đối với SO42- và

PO43- khả năng tách là tuyệt đối

 Khả năng tách NaCl thay đổi từ khoảng 70% về 0% - thậm chí là không tách được trong hệ hỗn hợp

 Khả năng tách vật liệu hòa tan, không điện ly và cả của các ion mang điện dương trong dung dịch hầu như liên hệ với kích thước và hình dạng của phân tử được xem xét

Độ chọn lọc của màng lọc nano đối với các ion như sau:

1.1.2 Màng lọc nano

Màng NF có kích thước lỗ trong khoảng 0,5 ÷ 2 nm, thường dùng để tách các phân tử đường có đường kính tử 2 ÷ 4 nm, một số các chất hữu cơ khác có khối lượng phân tử 100 ÷ 1000 Da và các muối đa hóa trị Tùy theo loại dung dịch cần

xử lý mà dùng loại màng lọc thích hợp

Từ những năm 1973, người ta đã chế tạo màng xenlulozơ axetat, màng xenlulozơ este, màng điện tích được sản xuất từ natri polystiren, sunfonat hóa polivinyl benzyl trietyl amoni clorua

Trong các quá trình NF thường sử dụng là màng polyme Vật liệu tạo thành màng NF có thể là bất kỳ vật liệu vô cơ hay hữu cơ nào dạng polyme, nhưng hiện nay phổ biến là dạng màng mỏng từ vật liệu polyamit tổng hợp Màng polyamit NF

thương mại có tích điện, bề mặt ưa nước, đẩy các ion cùng dấu và để duy trì tính trung hòa điện ở bề mặt màng tiếp xúc với dung dịch, các ion trái dấu cũng bị ngăn không cho đi qua màng Mức độ tăng loại trừ ion với sự gia tăng hóa trị của các ion cùng dấu vì lực đẩy tĩnh điện bởi màng tăng Tuy nhiên, mức độ ion loại trừ cũng giảm khi hóa trị của các ion trái dấu tăng vì hóa trị của các ion trái dấu cao do các ion trái dấu có xu hướng thoát ra khỏi khu vực điện tích màng Hơn nữa, nồng độ cao làm cho điện tích màng được bảo vệ hiệu quả hơn bởi các ion trái dấu, làm

giảm tính chọn lọc của màng

Một số công ty trên thế giới đã sản xuất màng lọc nói chung và màng lọc Nano

là công ty CM-Celfa của Đức, Desalination, DOW-Filmtec (Đức), DOW-MFS, Yuasa (Nhật), Dupont, Filterite, Koch Membranes, Trisep (Mỹ) … Một số loại

màng NF phổ biến được thể hiện trong bảng 2

1.1.3 Ứng dụng của quá trình lọc Nano

Quá trình lọc Nano ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp [9]

- Xử lý nước uống:

Một số thí nghiệm đã kiểm tra lọc Nano có thể tách asen rất tốt (95÷99%) Rất nhiều nơi trên thế giới nguồn nước bị nhiễm asen nặng nên việc sử dụng lọc Nano cho những vùng này rất phù hợp

- Trong công nghiệp thực phẩm:

+ Ứng dụng trong công nghiệp chế biến sữa: tách muối, axit, phomat… thu

hồi một dung dịch đặc và sạch

+ Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất đường tinh khiết

+ Khử màu và mùi trong công nghiệp sản xuất dầu ăn

- Trong công nghiêp hóa chất:

+ Ứng dụng trong quá trình sản xuất NaOH

+ Ứng dụng trong công nghiệp dầu mỏ và sản xuất khí tự nhiên

+ Ứng dụng trong sản xuất cồn cao độ

- Trong công nghiệp sản xuất giấy:

Sản xuất bột giấy và giấy phải cần rất nhiều nước nên người ta đã ứng dụng NF

để xử lý nước thải nhằm tái sử dụng nước nhiều lần

- Trong công nghiệp dệt:

Ngành dệt cũng là một ngành phải sử dụng đến rất nhiều nước và nước thải của của quá trình nhuộm thường có màu Vì vậy NF khử màu và tạp chất trong nước thải để tuần hoàn lại

- Sử dụng bể sinh học kết hợp lọc Nano:

Người ta dùng lọc Nano kết hợp bể sinh học để xử lý nước thải của quá trình sản xuất tinh bột, xenlulozơ, protein, enzym

- Trong việc thu hồi kim loại và axit:

Dùng NF để thu được kim loại nguyên chất như quá trình sản xuất Au, Cu … Trong quá trình tinh chế kim loại phải sử dụng axit loãng như axit H2SO4,

H3PO4, HNO3 để rửa quặng, lọc Nano được ứng dụng để xử lý nước rửa này nhằm thu lại dung dịch axit tinh khiết

-

Bảng 2 Một số loại màng NF thương mại phổ biến hiện nay

Loại màng Hãng sản xuất Vật liệu rp (MCWO) pH (250C) Áp suất (psi) Jp(GFD)

Chú thích: CA = xenlulo axetat

TF = thin film TFC = thin film composite

1.2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LÊN MEN SẢN XUẤT AXIT LACTIC 1.2.1 Axit lactic

Axit lactic (2-hydroxypropionic), hay còn gọi là axit sữa, có mặt ở hầu hết trong

các cơ thể sinh vật sống và lần đầu tiên được tách ra từ sữa chua vào năm 1780 bởi

nhà hóa học người Thụy Điển Carl Wihelm Scheele Các thông số của axit lactic được thể hiện trong bảng 3

Bảng 3 Thông số nhiệt động của axit lactic ở 25 0 C

Nhiệt pha loãng, ΔH (cal/mol) - 1000

Nhiệt dung riêng của axit lỏng, Cp (cal/g.0C ) 0,559

Axit lactic tồn tại dưới dạng 2 đồng phân quang học D(–) axit lactic và L(+) axit lactic Hỗn hợp gồm 50% D- và 50% L-axit lactic được gọi là hỗn hợp triệt

phương pháp lên men do sản phẩm từ quá trình lên men có độ tinh khiết cao phù hợp cho những ứng dụng của nó trong thực phẩm và L-axit lactic được sử dụng là mônôme sản xuất polyme axit lactic (PLA) dễ phân hủy [8]

1.2.2 Quá trình lên men axit lactic

- Chủng vi sinh vật: các chủng Lactobacillus, Bacillus và Rhizopus thường

được sử dụng để chuyển hóa cacbonhydrat thành axit lactic

 Các phương pháp lên men

Lên men lactic là quá trình chuyển hoá kỵ khí tạo axit lactic dưới tác dụng của

vi khuẩn lactic Có 2 phương pháp lên men như sau:

- Lên men đồng hình:

Hiệu suất của quá trình lên men đồng hình là trên 85% và axit lactic là sản phẩm chính của quá trình lên men

- Lên men dị hình:

Quá trình này chỉ sản xuất được 50% axit lactic do có nhiều sản phẩm phụ

1.2.3 Ứng dụng của axit lactic

 Trong thực phẩm:

C6H12O6 + 2ADP + 2Pi CH3CH(OH)COOH + C2H5OH + CO2 + 2ATP

C6H12O6+ 2ADP + 2Pi 2 CH3CH(OH)COOH + 2ATP

- Lên men sữa chua và các sản phẩm lên men từ sữa

- Sản xuất dưa chua

- Sản xuất tương

- Ứng dụng trong sản xuất sữa bột và bột giàu canxi: bổ sung canxi lactat vào thành phần sữa bột dinh dưỡng, bánh ngọt, bánh nướng…

 Trong y học – phẫu thuật chỉnh hình:

Trong phẫu thuật chỉnh hình người ta thường sử dụng loại vật liệu có tên là Purasorb Purasorb là một hợp chất cao phân tử được sản xuất từ axit lactic Nó giúp gắn các phần xương lại với nhau, sau khi xương định hình ổn định Purasorb sẽ

tự tiêu hủy

 Sản xuất chất dẻo trong tương lai:

Ở Mỹ, châu Âu và Nhật Bản, một số công ty đang tích cực theo đuổi phát triển

và thương mại hóa các sản phẩm axit polylactic (PLA), đây là loại chất dẻo mới thay thế chất dẻo cũ khó bị phân hủy PLA polyme được tạo ra từ phản ứng trùng ngưng axit lactic Polyme trọng lượng phân tử thấp thu được bằng cách trùng ngưng từng bước axit lactic Trong khi đó, polyme cao phân tử được tổng hợp bởi trùng

ngưng mở vòng lactit như thể hiện trong hình 3 Lactit bao gồm hai đơn vị axit

lactic liên kết để tạo thành một monome đieste cyclic

Người ta hy vọng trong tương lai nó sẽ thay thế chất dẻo làm từ dầu mỏ vì tính chất dễ bị phân hủy của nó Điều này có ý nghĩa lớn trong việc bảo vệ môi trường

3 Phản ứng polyme hóa vòng hở tổng hợp PLA

1.3 KHẢ NĂNG TÍCH HỢP MÀNG LỌC NANO VÀ QUÁ TRÌNH LÊN MEN AXIT LACTIC

Quá trình sản xuất axit lactic bao gồm 2 bước chính là lên men và thu hồi sản phẩm Thách thức lớn nhất trong sản xuất axit lactic đặt ở quá trình thu hồi chứ không phải ở bước lên men Mục tiêu thu hồi axit lactic thành công đó là vi sinh vật, protein và glucozơ được tách ra qua màng được đưa trở lại thiết bị lên men trong khi axit lactic thu được trong dòng qua màng

Việc lựa chọn cơ chất và vi sinh vật cho quá trình lên men đóng một vai trò quan trọng trong việc quyết định lựa chọn phương pháp tinh chế, thu hồi sản phẩm

(phụ lục 1) Nguồn nitơ phức tạp và các sản phẩm phụ từ vi sinh vật là các tạp chất

chủ yếu cần được tách ra Trong tất cả các trường hợp, vi sinh vật được tách ra khỏi dịch lên men Các chủng vi khuẩn được tách ra bằng phương pháp keo tụ trong môi trường kiềm hoặc bằng phương pháp siêu lọc

Một số quá trình tách glucozơ và axit lactic thông thường:

 Phương pháp kết tinh:

Trước đây, dịch lên men thường được bổ sung CaCO3 thường được thêm vào dịch lên men để duy trì nồng độ axit lactic tự do thấp để ngăn chặn sự ức chế vi sinh vật Dung dịch canxi lactat nóng được đem đi lọc Thông thường dung dịch được kết tinh và thêm axit sunfuric để chuyển thành axit lactic và thu được 1 lượng lớn CaSO4

Nhược điểm của phương pháp là dòng quá trình dài và tiêu thụ nhiều nguyên liệu hơn, đặc biệt hiệu suất axit lactic thấp do độ hòa tan của canxi lactat cao (5% trong dung dịch ở 200C) Hơn nữa, lượng axit lactic trên 1 tấn nguyên liệu dẫn đến tạo ra khoảng 1 tấn CaSO4, gây ra vấn đề lớn về môi trường

 Phương pháp trích ly:

Dung môi thường sử dụng là ete hoặc các amin mạch dài Trong trường hợp này, axit lactic được chiết vào pha hữu cơ ở nhiệt độ tương đối thấp sau đó trích ly với nước ở nhiệt độ cao để thu được axit lactic có độ tinh khiết cao Độ chọn lọc

axit lactic so với đường dư và protein có thể cao nhờ vào sự tạo phức giữa axit và amin

 Phương pháp chưng cất:

- Chưng cất trực tiếp axit lactic từ dịch lên men thô tại nhiệt độ và áp suất thường để thu hồi axit lactic không thực hiện được vì axit lactic tạo thành ete và polyme [5]

- Chưng cất chân không bằng hơi nước đã được sử dụng để sản xuất axit lactic monome năng suất cao từ một hỗn hợp monome-dime-trime tinh khiết Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi một axit một phần tinh khiết lactic để khởi động, đòi hỏi thiết bị đắt tiền và không có hiệu quả trong việc loại bỏ các tạp chất

- Chưng cất phân đoạn ở áp suất chân không và nhiệt độ thấp quá đắt đối với các quá trình công nghiệp

Hầu hết các quá trình tinh chế axit lactic ở trên thường trải qua nhiều công đoạn

và sinh ra nhiều sản phẩm phụ Tuy nhiên, một trong những vấn đề lớn hiện nay đối với các ngành công nghiệp là vấn đề môi trường, do đó các quá trình tinh chế thu hồi axit lactic bằng phương pháp lọc để làm giảm các sản phẩm phụ đang được nghiên cứu và phát triển như: lọc chéo dòng, xử lý bằng nhựa trao đổi ion, cô đặc muối lactat bằng điện thẩm tích hay chuyển hóa muối lactat thành axit tự do bằng màng điện thẩm tách 2 cực và xử lý trao đổi ion

Sự tích hợp NF trong quá trình sản xuất axit lactic như là một bước tinh chế axit lactic nhằm mục đích thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao vừa tăng hiệu suất của quá trình lên men Một đặc điểm nổi trội của quá trình NF là độ chọn lọc thay đổi theo điều kiện làm việc Do đó, khả năng tích hợp màng lọc Nano với các quá trình sản xuất axit hữu cơ là một trong những hướng đi mới và đầy triển vọng Sự tích hợp NF trong quá trình sản xuất có thể được nghiên cứu ở các bước khác nhau tùy

Phần 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA

QUÁ TRÌNH LỌC NANO

2.1 CƠ CHẾ LỌC NANO

4 Sơ đồ của một mô-đun lọc nano

Do đặc điểm của lọc nano là quá trình nằm giữa siêu lọc và thẩm thấu ngược nên cơ chế của lọc nano là trung gian giữa cơ chế lỗ và cơ chế hòa tan – khuếch tán

2.1.2 Cơ chế hòa tan – khuếch tán

Cơ chế này thường được ứng dụng cho màng đặc (màng không lỗ)

Trong cơ chế hòa tan – khuếch tán, chất thấm qua hòa tan trong vật liệu màng, sau đó sẽ khuếch tán qua màng nhờ gradient nồng độ Dòng được phân tách do sự

Q F , c F ,∆p F

Dòng vào (feed)

Q R , c R , ∆p R

Dịch đặc (retentate)

Q p , c P, ∆p P Dòng qua màng(permeat)

chênh lệch độ hòa tan của vật liệu trong màng và tốc độ mà tại đó vật chất khuếch tán qua màng [12] Điều này đúng cho cả dung môi và chất tan trong dung dịch

5 Sơ đồ mô tả cơ chế của lọc nano

Giả thiết của mô hình là chất tan thấm qua màng bởi gradient thế hóa của chất tan:

là gradient thế hóa của cấu tử i

Li là hệ số tỷ lệ với thế hóa và lưu lượng

d RTd ln( c ) dp (1.2) Trong đó ci là nồng độ phân tử của cấu tử i, γi là hệ số hoạt độ (thể hiện mối liên hệ

nồng độ và hoạt độ), p là áp suất, υ i là thể tích phân tử của cấu tử i

Đối với pha không bị nén ép như chất lỏng và rắn, thể tích không thay đổi theo

áp suất Tích phân phương trình (1.2) có:

 là thế hóa của cấu tử i nguyên chất tại áp suất p i 0

Kết hợp (1.1) và (1.2) dẫn đến dạng của định luật Fick như sau:

Trong đó B là độ thẩm thấu của chất tan qua màng

Phương trình vận tải được biểu diễn dưới dạng lưu lượng dung môi như sau:

C



Trong đó: R0 – độ chọn lọc

Cf – nồng độ chất tan trong dung dịch đầu, [g.l-1]

Cp – nồng độ chất tan trong dòng qua màng, [g.l-1]

2.1.4 Hiện tượng phân cực nồng độ

Sự tích tụ nồng độ của chất tan bị loại bỏ tại bề mặt giữa màng và dung dịch do

sự hình thành lớp biên nồng độ, được gọi là lớp phân cực nồng độ Ở trạng thái ổn định, lưu lượng chất tan qua lớp phim là hằng số và có mối liên hệ với lưu lượng dung môi qua màng (Jv) qua cân bằng vật chất một chiều, ổn định

Trong đó C là nồng độ chất tan, D là hệ số khuếch tán của chất tan, Cp là nồng

độ chất tan trong dịch đặc và y là khoảng cách đến bề mặt màng Tích phân (y = 0,

Trong đó Cm là nồng độ chất tan tại bề mặt màng, Cb là nồng độ chất tan trong dịch, Cp là nồng độ chất tan trong dòng qua màng

6 Hiện tượng phân cực nồng độ cho quá trình lọc chéo dòng

Đặt

s

D k



 với k là hệ số chuyển khối của chất tan Biểu thức này có thể đƣợc

biến đổi nhƣ sau:

Đối với dòng chảy tầng trong kênh hình chữ nhật mỏng, hệ số chuyển khối liên

hệ với chuẩn số Sherwood nhƣ sau:

1/ 3 h

Trong đó Re là chuẩn số Reynolds, Sc là chuẩn số Schmidt, dh là bán kính thủy lực của kênh dẫn, L là chiều dài kênh dẫn Mở rộng cho các cấu tử riêng biệt ta có:

Biến đổi phương trình lý thuyết lớp phim có thể dự đoán được áp suất thẩm thấu qua màng, kết quả thu được:

ở đây ε là độ xốp của lớp cặn, df là đường kính danh nghĩa của các hạt cặn rắn và ρf

là mật độ danh nghĩa của các hạt cặn rắn Trong hầu hết các mô hình đã có thì giả thiết rằng trở lực do cặn là hằng số theo thời gian và chỉ chiều dày của lớp cặn rắn là thay đổi theo thời gian

Đây là hiện tượng không mong muốn trong quá trình lọc bằng màng và sẽ dẫn đến hiện tượng cặn trên bề mặt màng và trong lỗ màng Hiện tượng này sẽ làm giảm lưu lượng dòng qua màng, hiệu suất lọc giảm đi

Hiện tượng này không thể tránh khỏi trong quá trình lọc bằng màng nói chung cũng như lọc Nano nói riêng Tuy nhiên có thể giảm tối thiểu hiện tượng này bằng cách dùng màng thích hợp, lựa chọn điều kiện làm việc tốt nhất và có chu kỳ rửa màng

2.2 MÔ HÌNH CHUYỂN KHỐI TRONG LỌC NANO

Mục đích của các mô hình chuyển khối là mô tả mối quan hệ toán học giữa năng suất (điển hình là lưu lượng của cả dung môi và chất tan) với điều kiện làm việc (điển hình là chênh lệch áp suất và nồng độ) Mục tiêu của các mô hình là dự đoán hành vi của màng trong điều kiện nhất định

Dưới đây là một số mô hình chuyển khối trong lọc Nano Hầu hết các mô hình đều dựa trên cơ chế hòa tan – khuếch tán

2.2.1 Mô hình Spiegler – Kedem

Mô hình Spiegler – Kedem dựa trên nguyên lý của nhiệt động không thuận nghịch và được sử dụng rộng rãi trong việc mô tả các quá trình phân tách màng RO

và NF

Cách tiếp cận của mô hình nhiệt động không thuận nghịch là giả thiết sự phụ thuộc tuyến tính của các dòng và lực liên quan Trong hiện tượng vận tải qua màng, động lực là gradient áp suất thẩm thấu Δπ và gradient áp suất qua màng ΔP, tương ứng với chênh lệch áp suất làm việc giữa hai phía dịch đặc và dịch qua màng Các

dòng có liên quan là dòng thể tích tổng J v và vận tốc tương đối với dòng dung môi

L p , L pD , L Dp , L D là các hệ số với L Dp = L pD (tính đảo Onsanger)

Kedem và Katchalsky đã đề xuất thay thế J D bởi dòng chất tan j s và được định nghĩa lại như sau:

độ chọn lọc R0 và dòng thể tích của dung môi Jv được đưa ra dưới dạng biểu thức sau:

v s 0

v s

1

1 exp J

P R

,

i i i p i

ji – lưu lượng dòng mol của ion thứ i, [mol.m2.s-1]

Di,p – hằng số khuếch tán của ion i trong mao quản, [m2.s-1]

ci, zi – nồng độ phân tử pore và hóa trị của phần tử thứ i, [mol.m-3]

Ki,c – hệ số trở lực đối lưu, [-]

V – tốc độ dung môi, [m.s-1]

F – hằng số Faraday [96 487 mol-1]

R – hằng số khí, [8,314 J.mol-1.K-1]

T – nhiệt độ tuyệt đối, [K]

ψ – điện thế, lực hút làm các ion dịch chuyển [V]

Đối với các phần tử không mang điện, khi hiệu ứng tĩnh điện không đáng kể,

phương trình vận tải cho dòng mol chất tan j s được đưa ra như là tổng của thừa số khuếch tán và đối lưu như sau: