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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 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 1 Luận văn đã thực hiện các nội dung sau: - Đặc trưng hóa tính chất của một số màng lọc nano thông dụng - 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 e. Kết luận - Đã chọn được tỷ lệ glucozơ và DNS trong phương pháp phân tích glucozơ (phương pháp đo quang) phù hợp và có độ tin cậy cao - Màng lọc nano có thể sử dụng để tách glucozơ và axit lactic trong cùng một dung dịch - Độ chọn lọc của glucozơ cũng như tỷ lệ thu hồi axit lactic chịu ảnh hưởng lớn của áp suất làm việc, lưu lượng dòng qua màng. Như vậy, độ chọn lọc của quá trình có thể thay đổi thông qua điều kiện vận hành. - 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 2 Luận văn thạc sỹ khoa học 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. 1.1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 10 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 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA QUÁ TRÌNH LỌC Phần 2. 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 Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 2 Luận văn thạc sỹ khoa học 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 trƣng 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. PHƢƠNG 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 HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT QUA MÀNG .......................................... 44 4.3. ẢNH HƢỞNG CỦA LƢU LƢỢNG DÒNG QUA MÀNG..................... 47 4.4. ẢNH HƢỞNG 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 Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 3 Luận văn thạc sỹ khoa học Phụ lục 2. Kết quả đƣờng chuẩn của glucozơ ............................................................... 55 Phụ lục 3. Tính năng suất lọc bằng Matcad .................................................................. 56 Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 4 Luận văn thạc sỹ khoa học DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TĂT Ký hiệu m2 Am Diện tích màng A Độ thẩm thấu của dung môi m.s-1 .Pa-1 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 Ci Nồng độ của cấu tử i 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 Đƣờng kính danh nghĩa của cặn rắn m dh Bán kính thủy lực của kênh dẫn m Di,p Hằng số khuếch tán của ion i trong mao quản F Hằng số Faraday ji Dòng lƣu lƣợng của ion i mol.m-2s-1 Jv Lƣu lƣợng thể tích m3.m-2s-1 Jp Lƣu lƣợng dòng qua màng k Hằng số Boltzmann (1,38.10 -23) J.K-1 Ki,c Hệ số trở lực đối lƣu của cấu tử i - p Áp suất Q Lƣu lƣợng thể tích trên đơn vị diện tích rp Bán kính lỗ màng m rs Bán kính Stokes m R Hằng số khí (8,314) R0 Độ chọn lọc V Vận tốc dung môi m2 .s-1 m.s-1 hoặc l.m-2s-1 N.m-2 m3m-2s-1 J.mol-1K-1 m.s-1 Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 5 Luận văn thạc sỹ khoa học m3.mol-1 Vs Thể tích riêng phần của chất tan không điện ly x Vị trí hƣớng kính so với lỗ màng Xd Mật độ điện tích hiệu dụng υi Thể tích phân tử m3 zi Hóa trị của ion i - ΔP Chênh lệch áp suất N.m-2 Δπ Chênh lệch áp suất thẩm thấu N.m-2 δs Chiều dày lớp biên màng m ε Độ xốp - ρf Mật độ danh nghĩa của các cặn rắn μi Thế hóa của cấu tử i γ Hệ số hoạt độ - ψ điện thế, lực hút làm các ion dịch chuyển V m mol.m-3 J.mol-1 Chữ viết tắt NF Nanofiltration Lọc nano RO Reverse osmosis Thẩm thấu ngƣợc MWCO Molecular weight cut off Khối lƣợng phân tử giới hạn Da Dalton g/mol PLA Polyme axit lactic Pe Chuẩn số Peclet Re Chuẩn số Reynolds Sc Chuẩn số Schmidt Sh Chuẩn số Sherwood DNS Axit 3,5 - đinitrosalicylic Các chỉ số dƣới i Cấu tử i Lọc nano f feed Dòng đầu vào p Permeate Dịch qua màng Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 6 Luận văn thạc sỹ khoa học r Dòng dịch đặc retentate 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 0C.................................................... 17 Bảng 4. Đặc điểm của các ion và chất tan trong dung dịch ....................................... 47 Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 7 Luận văn thạc sỹ khoa học 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 . nh -đun màng phẳng trong thí nghiệm lọc nano ............................................ 36 . 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 Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 8 Luận văn thạc sỹ khoa học MỞ ĐẦU Một trong những vấn đề toàn cầu đang đƣợc quan tâm lớn nhất hiện nay là vấn đề về môi trƣờng, trong đó việc xử lý rác thải sinh ra từ bao gói sản xuất bằng nilon đang là mối quan tâm của nhiều nƣớc 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 trƣờng. Axit lactic thu đƣợc từ quá trình sản xuất bằng phƣơng 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 hƣớng đi mới thay thế cho các công nghệ truyền thống nhƣ cô đặc, chƣng cất, trích ly... do quá trình lọc nano có ƣu điểm tiết kiệm năng lƣợng, dễ tự động hóa, tối ƣu 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 ngƣợc RO để sản xuất nƣớc 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 đƣợc những hiểu biết cụ thể hơn về quá trình lọc Nano, các hiện tƣợng xảy ra và có thể ứng dụng nó vào trong các quá trình công nghiệp cụ thể mà ở đây là tách đƣờng trong dung dịch chứa axit lactic nhận đƣợc bằng phƣơng pháp lên men. Luận văn đƣợc trình bày với bố cục chính nhƣ 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 4: Kết quả và Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 9 thảo luận Luận văn thạc sỹ khoa học Phần 1. 1.1. TỔNG QUAN TỔNG QUAN VỀ LỌC NANO 1.1.1. Khái niệm lọc nano Từ những năm 60 của thế kỷ trƣớc, quá trình màng đã đƣợc ứng dụng vào trong công nghiệp và là phƣơng pháp phân tách thay thế khả thi cho các quá trình truyền thống nhƣ chƣng 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 ngƣợc. Khái niệm ―lọc Nano‖ đƣợc đƣa 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 thƣớc cỡ 1 nm. Tổng quan về các quá trình phân tách màng với động lực chênh lệch áp suất đƣợc đƣa ra ở bảng 1 và khả năng phân tách của các quá trình này đƣợc 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 Dòng qua màng Đặc điểm của lớp (bar) (l/m2.h.bar) hoạt động Vi lọc 0,1 ÷ 2 >50 Xốp Siêu lọc 1÷5 10 ÷ 50 Xốp Lọc nano 5 ÷ 20 1,4 ÷ 12 Xốp/đặc Thẩm thấu ngƣợc 10 ÷ 100 0,05 ÷ 1,4 Đặc Quá trình NF thƣờng đƣợc tiến hành ở áp suất trung bình và dòng qua màng NF cao hơn so với qua màng RO. NF có thể đƣợc ứng dụng cho các quá trình phân tách giữa các ion có hóa trị khác nhau và cho quá trình phân tách của các cấu tử có khối lƣợng phân tử cao và thấp. Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 10 Luận văn thạc sỹ khoa học Nƣớc Ion đơn hóa trị, axit không phân ly Ion đa hóa trị, axit phân ly, đƣờng Vi-rút Vi khuẩn Vi lọc (MF) Siêu lọc (UF) Lọc nano (NF) Thẩm thấu ngƣợc (RO) 1. Khả năng phân tách của các quá trình màng Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 11 Huyền phù Luận văn thạc sỹ khoa học Những đặc điểm đặc trƣng nhất của màng NF điển hình là [9]:  Khả năng tách ion có điện tích âm lớn hơn 1, ví dụ nhƣ đối với SO42- và PO4 3- khả năng tách là tuyệt đối.  Khả năng tách NaCl thay đổi từ khoảng 70% về 0% - thậm chí là không tách đƣợc trong hệ hỗn hợp.  Khả năng tách vật liệu hòa tan, không điện ly và cả của các ion mang điện dƣơng trong dung dịch hầu nhƣ liên hệ với kích thƣớc và hình dạng của phân tử đƣợc xem xét. Độ chọn lọc của màng lọc nano đối với các ion nhƣ sau:  Cation : Fe 3+ >Ni2+≈ Cu2+ > Mg2+ >Ca2+ Na+ >K+  Anion : PO43- >SO42- >HCO3 - > Br- >Cl- >NO3- ≈ FĐối với chất tan không điện ly, khối lƣợng phân tử giới hạn (MWCO) đƣợc sử dụng nhƣ là một thông số đặc trƣng của màng NF. Khối lƣợng phân tử giới hạn danh nghĩa đƣợc xác định là khối lƣợng phân tử của thành phần đƣợc giữ lại 90% bởi màng. Giá trị MWCO của màng NF thƣờng đƣợc đƣa ra bởi nhà sản xuất và nằm trong khoảng 150 đến 300 g/mol (Da). 1.1.2. Màng lọc nano Màng NF có kích thƣớc lỗ trong khoảng 0,5 ÷ 2 nm, thƣờng dùng để tách các phân tử đƣờng có đƣờng kính tử 2 ÷ 4 nm, một số các chất hữu cơ khác có khối lƣợng 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, ngƣời ta đã chế tạo màng xenlulozơ axetat, màng xenlulozơ este, màng điện tích đƣợc sản xuất từ natri polystiren, sunfonat hóa polivinyl benzyl trietyl amoni clorua. Trong các quá trình NF thƣờng 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, nhƣng hiện nay phổ biến là dạng màng mỏng từ vật liệu polyamit tổng hợp. Màng polyamit NF Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 12 Luận văn thạc sỹ khoa học thƣơng mại có tích điện, bề mặt ƣa nƣớc, 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 hƣớng thoát ra khỏi khu vực điện tích màng. Hơn nữa, nồng độ cao làm cho điện tích màng đƣợc 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 đƣợc thể hiện trong bảng 2. 1.1.3. Ứng dụng của quá trình lọc Nano Quá trình lọc Nano ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp [9]. - Xử lý nƣớc 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 nƣớc 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 đƣờng 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 Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 13 Luận văn thạc sỹ khoa học - Trong công nghiệp sản xuất giấy: Sản xuất bột giấy và giấy phải cần rất nhiều nƣớc nên ngƣời ta đã ứng dụng NF để xử lý nƣớc thải nhằm tái sử dụng nƣớc nhiều lần. - Trong công nghiệp dệt: Ngành dệt cũng là một ngành phải sử dụng đến rất nhiều nƣớc và nƣớc thải của của quá trình nhuộm thƣờng có màu. Vì vậy NF khử màu và tạp chất trong nƣớc thải để tuần hoàn lại. - Sử dụng bể sinh học kết hợp lọc Nano: Ngƣời ta dùng lọc Nano kết hợp bể sinh học để xử lý nƣớc thải của quá trình sản xuất tinh bột, xenlulozơ, protein, enzym. - Trong việc thu hồi kim loại và axit: Dùng NF để thu đƣợc kim loại nguyên chất nhƣ quá trình sản xuất Au, Cu … Trong quá trình tinh chế kim loại phải sử dụng axit loãng nhƣ axit H2SO4, H3PO4, HNO3 để rửa quặng, lọc Nano đƣợc ứng dụng để xử lý nƣớc rửa này nhằm thu lại dung dịch axit tinh khiết. Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 14 Luận văn thạc sỹ khoa học - Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 15 Luận văn thạc sỹ khoa học Bảng 2. Một số loại màng NF thương mại phổ biến hiện nay Loại màng Hãng sản xuất Vật liệu rp (MCWO) pH (25 0 C) Áp suất (psi) Jp (GFD) CK GE Osmonics CA 0 2-8 220 28 DK GE Osmonics TF 0 2-11 100 22 DL GE Osmonics TF 0 2-11 100 31 HL GE Osmonics TF 0 3-9 100 39 TFC-SR3 Koch Membrane TFC polyamit 200 4-10 - - SelRO MPF-34 Koch Membrane Proprietary 200 0-14 440 35 SelRO MPF-36 Koch Membrane Proprietary 1000 1-13 440 118 TS40 TriSep Polypiperazine amit 200 2-11 110 20 TS80 TriSep Polyamit 150 2-11 110 20 SB90 TriSep CA 150 - 225 30 Chú thích: CA = xenlulo axetat TF = thin film TFC = thin film composite Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 16 Luận văn thạc sỹ khoa học 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 đƣợc tách ra từ sữa chua vào năm 1780 bởi nhà hóa học ngƣời Thụy Điển Carl Wihelm Scheele. Các thông số của axit lactic đƣợc thể hiện trong bảng 3. Bảng 3. Thông số nhiệt động của axit lactic ở 250 C Thông số nhiệt động C3H6O3 Công thức cấu tạo (CH3 -CHOH-COOH) Khối lƣợng phân tử (g/mol) 90 1,37.10 -4 (3,86) Hằng số điện ly, Ka (pKa) Nhiệt phân ly, ΔH (cal/mol) - 63 Nhiệt pha loãng, ΔH (cal/mol) - 1000 Nhiệt dung riêng của axit lỏng, Cp (cal/g.0C ) 0,559 Axit lactic tồn tại dƣới dạng 2 đồng phân quang học D(–) axit lactic và L(+) axit lactic. Hỗn hợp gồm 50% D- và 50% L-axit lactic đƣợc gọi là hỗn hợp triệt quang (racemic). 2. Cấu tạo hai đồng phân quang học của axit lactic Axit lactic có thể đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp lên men hoặc phƣơng pháp hóa học. Tuy nhiên, từ những năm 1995, axit lactic đƣợc sản xuất chủ yếu bằng Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 17 Luận văn thạc sỹ khoa học phƣơng 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 đƣợc sử dụng là mônôme sản xuất polyme axit lactic (PLA) dễ phân hủy [8]. 1.2.2. Quá trình lên men axit lactic  Nguyên vật liệu: - Nguyên liệu: axit lactic đƣợc sản xuất từ bất cứ nguồn nguyên liệu nào chứa cacbonhydrat nhƣ glucozơ, lactozơ, sucrozơ... - Môi trƣờng dinh dƣỡng cho vi sinh vật: bao gồm peptit hòa tan, amino axit, các muối amoni và vitamin. Suốt quá trình lên men, độ pH của dịch lên men thƣờng đƣợc giữ ổn định ở mức pH = 5,0 ÷ 6,5 tại nhiệt độ trên 40 0C. Đá vôi và NaOH thƣờng đƣợc sử dụng để trung hòa axit lactic nhằm duy trì độ pH ổn định. - Chủng vi sinh vật: các chủng Lactobacillus, Bacillus và Rhizopus thƣờng đƣợc sử dụng để chuyển hóa cacbonhydrat thành axit lactic.  Các phƣơng pháp lên men Lên men lactic là quá trình chuyển hoá kỵ khí tạo axit lactic dƣới tác dụng của vi khuẩn lactic. Có 2 phƣơng pháp lên men nhƣ sau: - Lên men đồng hình: C6H12O6+ 2ADP + 2P i 2 CH3CH(OH)COOH + 2ATP 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: C6H12O6 + 2ADP + 2P i CH3CH(OH)COOH + C2H5OH + CO2 + 2ATP Quá trình này chỉ sản xuất đƣợc 50% axit lactic do có nhiều sản phẩm phụ. 1.2.3. Ứng dụng của axit lactic  Trong thực phẩm: Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 18 Luận văn thạc sỹ khoa học - Lên men sữa chua và các sản phẩm lên men từ sữa - Sản xuất dƣa chua - Sản xuất tƣơng - Ứng dụng trong sản xuất sữa bột và bột giàu canxi: bổ sung canxi lactat vào thành phần sữa bột dinh dƣỡng, bánh ngọt, bánh nƣớng…  Trong y học – phẫu thuật chỉnh hình: Trong phẫu thuật chỉnh hình ngƣời ta thƣờng sử dụng loại vật liệu có tên là Purasorb. Purasorb là một hợp chất cao phân tử đƣợc sản xuất từ axit lactic. Nó giúp gắn các phần xƣơng lại với nhau, sau khi xƣơng định hình ổn định Purasorb sẽ tự tiêu hủy.  Sản xuất chất dẻo trong tƣơng lai: Ở Mỹ, châu Âu và Nhật Bản, một số công ty đang tích cực theo đuổi phát triển và thƣơng 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 đƣợc tạo ra từ phản ứng trùng ngƣng axit lactic. Polyme trọng lƣợng phân tử thấp thu đƣợc bằng cách trùng ngƣng từng bƣớc axit lactic. Trong khi đó, polyme cao phân tử đƣợc tổng hợp bởi trùng ngƣng mở vòng lactit nhƣ thể hiện trong hình 3. Lactit bao gồm hai đơn vị axit lactic liên kết để tạo thành một monome đieste cyclic. Ngƣời ta hy vọng trong tƣơng 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 trƣờng. 3. Phản ứng polyme hóa vòng hở tổng hợp PLA Trịnh Thị Huyền Trang – Lớp Cao học QTTB - Máy hóa 2009 19