Bài giảng Kỹ thuật thu hồi và hoàn thiện sản phẩm: Chương 3 - Các phương pháp tách và cô đặc sản phẩm

CHƯƠNG III. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH VÀ
CÔ ĐẶC SẢN PHẨM


Các phương pháp tách và cô đặc
1. Phương pháp lọc màng
2. Phương pháp trích ly
3. Phương pháp kết tủa
4. Phương pháp hấp phụ và trao đổi ion


3.1. PHƯƠNG PHÁP LỌC MÀNG
Màng là vật liệu dùng để phân
tách các chất một cách chọn
lọc
Màng có thể từ polyme, gốm, các
sợi cacbon, và cơ chất kim loại
xốp


Khái niệm lọc màng
• Dịch lọc qua gọi là dịch thẩm thấu (Permeate-Filtrate)
• Dịch cịn lại gọi là dịch cơ đặc (retentate-Concentrate)


Khái niệm lọc màng
• Lực đẩy qua màng (e.g., áp suất, khuyếch tán, từ
trường, etc.)
• Một vài các chất (chất tan, dung môi) đi qua màng,
một vài chất khác ko hay rất chậm
• Việc thẩm thấu chọn lọc là cơ sở của phương pháp

lọc màng


Khái niệm lọc màng
•Các thí dụ điển hình của pp lọc màng: siêu lọc (thu hồi
protein), thẩm thấu ngược (loại muối trong nước), bốc hơi
nước qua màng (tách cồn)
Nước
RO màng

Dịch lọc

Âp suất

Cô đặc


Các thơng số trong lọc màng
• Mức độ cơ đặc C= CRi/CFi
–
–

CRi -thành phần chất i trong dịch cô đặc
CFi - thành phần chất i trong dịch trước khi lọc

• Giảm thể tích (X) = Thể tích ban đầu
Thể tích cuối
• Nếu các chất có hệ số giữ gần 100% thì mức độ cơ đặc
tương đương với hệ số giảm thể tích

Phương pháp lọc màng (Membrane Separation)
• Ưu điểm:
– Là phương pháp tốn ít năng lượng có thể thay thế phương pháp tách
bằng nhiệt thông thường (pp bốc hơi hay chưng cất)
– Rất tốt cho các sản phẩm ít chịu nhiệt
– Có thể liên tục

• Nhược điểm:
– Fouling (hiện tượng bám)
– Hay phải sửa chữa


Phân loại màng
• Loại porous: có lỗ, chính là tính chọn lọc của màng chủ yếu dùng
cho vi lọc và siêu lọc
– Kích thước lỗ có thể từ < 10 angstroms (1 nm) đến 100 microns (105nm).
– Tuy nhiên nếu lỗ lọc nhỏ sẽ gây lực cản lớn cho quá trình lọc
– Để giải quyết vẫn đề này người ta nghĩ ra loại màng khơng đối xứng

• Non-porous: màng dày đặc, các chất khuếch tán qua màng chủ yếu
dung cho lọc nano và RO. Tính chọn lọc là khả năng khuếch tán và
hịa tan. Thường có tốc độ lọc thấp. Thường dùng màng ko đối
xứng



Màng khơng đối xứng
• Gồm có 2 lớp
– Lớp mỏng quyết định tính chọn lọc của màng và tốc độ của dịng lọc

– Lớp dày có tác dụng đỡ và ko có tính chọn lọc với hỗn hợp lọc và
khơng gây lực cản cho dòng lọc


Phân loại màng dựa theo kích thước lỗ lọc
• Chia ra 4 loại
– Vi lọc
– Siêu lọc
– Lọc nano
– Lọc thẩm thấu ngược


Phân loại



Size of Biomolecules (nm)
Nấm men và mốc

103-104 nm

Vi khuẩn

300-103

Chất rắn keo

100-1000

Cao phân tử (proteins..)

2-10

Kháng sinh

0.6-1.2

Đường

0.8-1.0

Axit hữu cơ

0.4-0.8

Ion vô cơ

0.2-0.4

Nước

0.2


Microfiltration
• Chủ yếu dùng để lọc sinh khối vi khuẩn, kích thường
màng 0.1-10µm


Microfiltration

• Do có thể loại được VSV nên cịn gọi là lọc vô khuẩn→Ứng
dụng rộng rãi trong lọc vô khuẩn cho công nghiệp dược, đồ
uống, thực phẩm, cô đặc sinh khối…
• Động lực là chênh lệch áp suất
• Màng lọc có thể đối xứng hay khơng
• Là màng duy nhất có thể quan sát lỗ dưới kính hiển vi điện tử


Siêu lọc-Ultrafiltration
• Các phân tử chất hịa tan có kích thước 1.0-100 nm hay 500500,000 daltons bị giữ lại phụ thuộc molecular weight (MW)
cutoff của màng
• cutoff được coi là kích thước phân tử của chất mà tại đó hệ số
giữ lại 90-95%


Cách xác định khả năng giữ
R= 1- CF (trong dịch lọc)/CB(trong dịch đem đi lọc)
C- nồng độ (trong lượng, thể tích, độ dẫn điện…) của chất
• CF =0→R=1→chỉ có nước đi qua, giữ 100%
• CF =CB →R=0→tất cả chất cần lọc đều đi qua giữ 0%
• Thường 0R1 (0.95-0.98)


• Chú ý: Không nên hiểu là MWCO bằng số liệu công bố. Trong
định nghĩa ẩn dụ là màng 50 kDa tách protein 25 kDa khỏi
protein 75 kDa. Ko phải luôn luôn là như vậy


1. >50 kDa
2. < 50 kDa

Tốc độ lọc
• Coi sự vận chuyển qua các ống nhỏ, Tốc độ dòng chảy J
(dòng nước lọc) ngang qua giấy lọc (m3 m-2 h-1) theo mơ
hình Hagen-Poiseuille
• Coi các lỗ lọc có đường kính bằng nhau


Mơ hình Hagen-Poiseuille
 - độ xốp của màng (diện tích
lỗ/diện tích lọc)
r- bán kính lỗ
P- áp suất qua màng
- độ nhớt của chất lọc
X - độ dày của màng lọc (chiều dài
của rãnh lọc)
J- tốc độ dịch qua màng lọc (tốc độ lọc)

r P
J
8X
2


Tốc độ lọc
• Khi vận hành tốc độ lọc phụ thuộc
– Áp suất bề mặt lọc
– Độ nhớt của chất lỏng

– Và các yếu tố liên quan bản chất màng lọc như độ xốp,
đường kính lỗ và độ dày màng lọc