quá trình và thiết bị công nghệ sinh học - Chương 12

Chương 12

THIẾT BỊ PHÂN CHIA CÁC DUNG DỊCH CỦA

CÁC CHẤT HOẠT HOÁ SINH HỌC BẰNG MÀNG MỎNG

Thẩm thấu ngược, siêu lọc, vi lọc, thấm tách, điện thấm tách, bốc hơi qua màng

đều thuộc các quá trình phân chia các dung dịch bằng màng mỏng. Các quá trình lọc

bằng màng xảy ra ở chế độ công nghệ mềm, điều đó rất quan trọng khi gia công các

chất không ổn định. Các phương pháp lọc màng cho phép đồng thời thực hiện các quá

trình vừa tinh luyện vừa cô đặc các dung dịch. Ngoài ra chúng còn được tiến hành mà

không có sự chuyển pha của sản phẩm gia công và không cần cung cấp nhiệt, chỉ ở

nhiệt độ môi trường, có khả năng giảm mất mát đáng kể các chất hoạt hoá sinh học. Các

quá trình này cho phép đạt được mức độ cô rất cao (đến 250) và nhận được các chất cô

có hàm lượng khô đến 50%. Thiết bị màng lọc tương đối đơn giản, kích thước cơ bản

không lớn, tiết kiệm và có thể tự động hoá.

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

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

được các phân tử có kích thước 2,5 nm khi hoạt động dưới áp suất chân không (từ 4 đến

10 MPa).

Khả năng phân chia của các

màng được xác định bởi khả năng giữ

lại các hạt có khối lượng và kích thước

phân tử xác định. Trên hình 12.1 nêu

sơ đồ lựa chọn phương pháp phân chia

các dung dịch phụ thuộc vào đại lượng

các hạt có trong chúng.

Nhược điểm của các quá trình

phân chia bằng màng lọc đó là sự cần

thiết phải chuẩn bị và tinh chế các

dung dịch một cách cẩn thận, xuất hiện

sự phân cực nồng độ - xuất hiện nồng

độ cao của chất hoà tan ở bề mặt màng lọc và tạo nên một lượng lớn các chất thấm, đòi

hỏi phải tận dụng hay tinh chế trước khi xả vào hệ thống kênh thoát.

Lọc muối

Lọcđường 1

10

102

103

104

105

Thẩm thấu ngược

Siêu lọc

Phân ly cao tốc

Lọc truyền thống

Lọc đại phân tử

Lọc vi nhũ tương

Lọc vi khuẩn

Hình 12.1. Kích thước các hạt

mm

247

12.1. KỸ THUẬT PHÂN CHIA BẰNG MÀNG LỌC

Sau hàng triệu năm biến hoá, trong tế bào sinh vật sống đã hình thành phương

pháp vạn năng và hoàn thiện để phân chia các dung dịch nhờ màng bán thấm. Ví dụ như

vỏ tế bào động và thực vật, nhờ chúng mà sự trao đổi chất giữa tế bào và môi trường

bên ngoài được thực hiện.

12.1.1. Các màng siêu lọc

Các màng bán thấm siêu lọc là những màng xốp, trong đó tồn tại hệ rãnh xuyên

suốt bảo đảm thẩm thấu pha của các cấu tử trong hỗn hợp bị phân chia. Các lỗ nhỏ trong

màng tạo ra hệ thống đường rãnh ngoằn ngoèo liên kết với nhau hay có thể độc lập. Các

màng bán thẩm là bộ phận hoạt động cơ bản của thiết bị siêu lọc, cho phép tách các chất

hoà tan có khối lượng phân tử trong khoảng 1200 ÷ 3000000. Các màng dùng trong

công nhiệp được sản xuất từ các màng xenluloza axetat xốp, dị hướng co kết cấu hai

lớp, gồm lớp bề mặt mỏng với bề dày 0,25 μm đến đệm xốp mịn có bề dày 100 μm.

Lớp mịn hoạt hoá của màng sẽ xác định khả năng giữ lại một loại cấu tử trong hỗn hợp

được phân chia, trong lớp này xảy ra quá trình phân chia. Vi kết cấu của lớp hoạt hoá

với kích thước lỗ được quy định sẽ xác định mức độ cô các chất.

Hiện nay các vật liệu được dùng làm nền cho màng: giấy kim loại, thuỷ tinh xốp,

grafít... Yêu cầu cơ bản của các màng nhân tạo như sau: tính lựa chọn cao, tính thấm

cao, bền hoá và tính trơ sinh học đối với các dung dịch đem phân ly, tính ổn định trong

quá trình hoạt động, độ bền cơ học và tuổi thọ caọ, có khả năng tái sinh và giá thành

thấp.

Hiện tại ở Nga đã sản xuất bảy nhãn hiệu màng siêu lọc được sử dụng trong công

nghiệp từ xenluloza axetat dạng: YAM - 30, 50 M, 100 M, 150 M, 200 M, 300 M và

500 M, chúng khác nhau bởi đường kính lỗ (từ 2 đến 60 ÷ 70 nm), bởi tính thấm và tính

lựa chọn tương ứng. Màng YAM - 30 với đường kính lỗ nhỏ nhất có thể được sử dụng

để cô các chất hoạt hoá sinh học có khối lượng phân tử đến 10000, còn màng YAM -

500 với đường kính lớn nhất − để cô các chất có khối lượng phân tử đến 50000. Tuy

nhiên khi lựa chọn các màng, ngoài khối lượng phân tử cần phải tính đến yếu tố (không

gian, đặc trưng cấu trúc không gian các phân tử của chất đem cô) có ảnh hưởng đến tính

lựa chọn của các màng, cũng như khả năng kết tụ của nhiều chất hoạt hoá sinh học. Cho

nên đối với mỗi một hệ cụ thể, việc lựa chọn màng được thực hiện bằng phương pháp

thực nghiệm.

Các màng lựa chọn dạng YAM từ xenluloza axetat để cô và tinh chế một số enzim

bằng phương pháp siêu lọc được nêu ở bảng 12.1.

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

Enzim Khối lượng phân tử Màng

248