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

Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
LỜI MỞ ĐẦU
Protein là nguồn dưỡng chất quan trọng cần thiết cho nhu cầu sống của con
người. Protein có trong thòt, cá, trứng, sữa là những thực phẩm mà chúng ta ăn hằng
ngày. Bên cạnh là chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sống, protein còn có những tính
chất 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 với
nước. Những tính chất chức năng của protein được ứng dụng rất rộng rãi trong sản
phẩm thực phẩm như surimi, bánh nướng, xúc xích, giò lụa, kem
Việc cô đặc protein bằng phương pháp truyền thống là kết tủa protein bằng
acid đã làm cho protein mất đi rất nhiều tính chất chức năng. Để cải thiện tính chất
chức năng của protein, người ta ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein. Phương
pháp siêu lọc có ưu thế hơn so với phương pháp truyền thống là không sử dụng hóa
chất và xử lý nhiệt nên protein ít bò biến tính, làm tăng tính chất chức năng của
protein
Ở nước ta, việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein còn
rất 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 phương
pháp 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 dòch
protein. Ta tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình siêu lọc cũng như
chất lượng của protein thành phẩm.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 1
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
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 nành
sau 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
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 2
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
Quy trình sản xuất bột đậu nành tách béo:
Bảng 1.1: Thành phần có trong bột đậu nành tách béo
Thành phần Tỷ lệ phần trăm %
Độ ẩm 6 - 8
Protein tổng (N x
6.25)
40 – 56
Chất béo 0.5 – 1
Hydratcarbon 30-32
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 3
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
Chất xơ hòa tan 2
Chất xơ không tan 16
Tro 5 - 6
1.1 Protein
Protein trong bột đậu nành tách béo chiếm khoảng 40-56% so với tổng chất khô.
Protein đậu nành có những tính chất chức năng quan trọng trong chế biến thực phẩm.
Ngoài ra, protein đậu nành còn chứa những acid amin không thay thế cần thiết cho
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)
Tryptophan 683
Threonine 2042
Isoleucine 2281

Leucine 3828
Lysine 3129
Methionine 634
Cystine 757
Phenylalanin
e
2453
Tyrosine 1778
Valine 2346
Arginine 3647
Histidine 1268
Alanine 2215
Aspartic acid 5911
Glutamic acid 9106
Glycine 2174
Proline 2750
Serine 2725
1.2 Chất béo:
Dù đã tách béo nhưng thành phần chất béo sót còn lại chiếm từ 0.5 – 1% so với
tổng chất khô. Đây là thành phần không mong muốn trong quá trình cô đặc dung dòch
protein bằng membrane bởi vì chúng bao bọc bề mặt membrane và làm cho
membrane bò tắt nghẽn, dẫn đến hiện tượng fouling.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 4
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
1.3 Hydratcarbon:
Hydratcarbon chiếm khoảng 30-32% so với tổng chất khô. Hydratcarbon gồm
các loại đường (sucrose, glucose, fructose ) chiếm khoảng 14%, xơ không tan chiếm
16% và xơ hòa tan chiếm 2%.
Thành phần các loại đường tan và xơ hòa tan sẽ hòa tan với nước và đi qua

màng membrane trong quá trình cô đặc bằng membrane.
Thành phần cần quan tâm là xơ không hòa tan. Chúng được giữ lại trên màng và
có thể gây hiện tượng fouling. Vì thế, giảm hàm lượng xơ không tan trước khi thực
hiện quá trình cô đặc bằng membrane là điều cần thiết.
1.4 Khoáng:
Khoáng là thành phần không mong muốn trong quá trình cô đặc protein bằng
membrane.
Các loại khoáng tan có thể qua màng nhưng chúng cũng có thể kết hợp với
protein để gây hiện tượng fouling
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)
Ca 285
Fe 8.2
Mg 285
P 675
K 2090
Na 9.0
Zn 4.1
Cu 1.6
2. Huyết thanh sữa (Whey)
2.1 Đònh nghóa
Whey – chất lỏng được tách ra từ quá trình sản xuất phô mai và casein – là một
trong những nguồn protein thực phẩm lớn nhất vẫn còn phổ biến ở ngoài kênh tiêu
thụ của con người.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 5
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
Whey là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phô mai và casein (sử dụng tác

nhân đông tụ renin)– còn gọi là whey ngọt – có pH từ 5.9 – 6.6. Quá trình sử dụng
acid 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 giới
nhưng một lượng lớn dòch whey vẫn bò lãng phí
Whey là nguyên liệu để sản xuất whey protein concentrate và whey protein
isolate.
2.2 Thành phần
Whey chiếm 80 – 90% tổng thể tích của sữa được đưa vào sản xuất và chứa
khoảng 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 whey
không pha loãng.
Bảng 1.4: Thành phần của whey
Thành phần Cheese whey Casein whey
Tổng chất khô 6.4 % 6.5 %
Nước 93.6 % 93.5 %
Chất béo 0.05 % 0.04 %
Protein thực 0.55 % 0.55 %
Nitơ phi
Protein
0.18 % 0.18 %
Lactose 4.8 % 4.9 %
Tro 0.5 % 0.8 %
Acid lactic 0.05 % 0.4 %

2.2.1 Protein
Whey protein là một protein hoàn hảo với chất lượng rất cao, nó chứa một lượng
lớn tất cả các acid amin không thay thế, do đó nó thường được xem là “tiêu chuẩn
vàng” (gold standard) trong việc đánh giá chất lượng của protein.
Whey protein có trong sữa. Whey protein tự nhiên có dạng hình cầu, khả năng

hòa tan cao hơn casein và có chất lượng cao hơn.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 6
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
Bảng 1.5: Các thành phần có trong whey protein
Loại Thành phần
Beta lactoglobulin 55%
Alpha lactalbumin 15%
Immunoglobulins 15%
Bovine serum
albumin
5%
Lactoferrin <1%
Lactoperoxidase <1%
Casein macro peptide 10%
Whey protein của sữa được cấu tạo chủ yếu bởi 2 thành phần: α-lactalbumin và
β-lactoglobulin. β-lactoglobulin là thành phần có nhiều nhất trong whey protein, với
khối lượng phân tử là 36000.
Hình 1.2: Cấu trúc của
β
-lactoglobulin
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 7
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
Hình 1.3: Cấu trúc của
α
-lactalbumin
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 gồm
tách 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 whey
thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn. Do đó, có thể làm lạnh nhanh dòch whey
xuống 5
o
C để hạn chế sự phát triển của vi khuẩn.
2.3.2 Tách béo và casein sót
Casein luôn tồn tại trong dòch 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 áp
dụng nhiều phương pháp tách, chẳng hạn như tách bằng thiết bò ly tâm hoặc lọc.
Chất béo cũng được tách bằng thiết bò ly tâm.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 8
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
1. Bồn chứa dòch whey
2. Thiết bò trao đổi nhiệt dạng bản mỏng
3. Thiết bò lọc ly tâm
4. Bồn thu hồi casein
5. Thiết bò ly tâm tách cream
6. Bồn chứa cream
7. Dòch whey thu được để xử lý tiếp
Hình 1.4: Quy trình tách casein và tách béo trong whey
Thiết bò: thiết bò ly tâm dạng đóa
Hình 1.5: Thiết bò ly tâm dạng đóa
 Nguyên lý hoạt động:
Đây là dạng thiết bò hoạt động liên tục.
Dòch whey được nạp vào máy ly tâm, dưới tác dụng của lực ly tâm, dòch whey bò
tách thành 2 phần: phần whey cream và casein (hàm lượng chất béo cao nên có khối
lượng riêng nhỏ) chuyển động về phía tâm của trục thùng quay, phần whey đã tách
kiệt béo (hàm lượng chất béo rất thấp nên có khối lượng riêng lớn) chuyển động về

SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 9
Whey
Casein
Cream
Môi trường nhiệt
4
1
2
1. Dòng nguyên liệu
2. Đóa quay
3. Dòng Casein
4. Dòng cream
3
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
phía biên của thùng quay. Tốc độ quay của thiết bò phải ổn đònh thì mới tách kiệt béo
trong dòch whey.
Cuối cùng, ta thu được 2 dòng sản phẩm: dòng whey cream – casein và dòng
dòch 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 chất
béo được tách ra.
Quá trình làm lạnh và thanh trùng đều sử dụng thiết bò trao đổi nhiệt bản mỏng.
Để bảo quản whey trong thời gian ngắn (10 – 15 giờ), có thể làm lạnh dòch whey
về 4
o
C để ức chế sự phát triển của vi khuẩn.

Để bảo quản whey trong thời gian dài, ta phải thanh trùng dòch whey
Whey được thanh trùng ở 72.8
o
C trong 15 giây và sau đó được giữ lạnh ở 1.7 –
4.4
o
C. Có thể bảo quản trong 3 ngày.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 10
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
3. Sữa gầy
Là sản phẩm được chế biến từ sữa tươi đã tách bớt một phần béo. Hàm lượng
lipid trong sữa gầy thường dao động quanh giá trò 1.5% so với tổng chất khô. Tuy
nhiên, một số sản phẩm thương mại có hàm lượng chất béo chỉ 0.5%, thậm chí chỉ
0.1% 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 %
Tổng chất
khô
9.5
Protein 3.3
Lactose 5.5
Béo 0.2
Hydratcarbon 4.9
Tro 0.66
4. Hạt Lupin
Hạt Lupin chứa khoảng 50% protein và 11% chất béo, so với hạt đậu nành chứa
khoảng 40% protein và 21% chất béo. Protein lupin còn đóng vai trò làm giảm hàm
lượng cholesterol trong máu. Protein lupin còn chứa lượng cân bằng acid amin cần

thiết. Vì thế, hạt lupin là một nguyên liệu tiềm năng để chế biến thực phẩm đặc biệt
là thực phẩm chức năng. Nhược điểm lớn nhất của hạt Lupin là chứa hàm lượng
alkaloid cao và bột lupin cũng sẽ tạo độ nhớt cao hơn so với hạt đậu nành khi hòa tan
vào nước. Các quốc gia như Mỹ, Úc và Chilê đã có những nghiên cứu để làm giảm
lượng alkaloid và đã ứng dụng lupin trong các sản phẩm bánh, mì sợi, giả thòt hoặc
thay thế cho trứng và sữa.
Bảng 1.7: Thành phần của hạt Lupin
Loại Thành phần %
Protein tổng 36-52
Chất béo 5-20
Xơ 30-40
Tro 4
Alkaloid 0.47
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 11
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
Để thực hiện cho quá trình cô đặc protein hạt lupin bằng membrane, ta cũng sử
dụng bột lupin tách béo. Quy trình sản xuất cũng tương tự như bột đậu nành tách béo
nhưng trong quá trình trích ly tách béo ta thường dùng dung môi là diethyl ether. Bột
lupin tách béo còn khoảng 0.2-0.3% béo.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 12
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
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 làm
việc vào khoảng 1 – 10 bar, sử dụng membrane siêu lọc; đường kính mao quản trung
bình của membrane siêu lọc từ 2 đến 50 nm. Kỹ thuật siêu lọc được áp dụng để tách
protein, 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: Ceramic
composites, Polyacrylonitrile (PAN), Polyvinylidene flouride (PVDF), Polyvinyl
alcohol (PVA), Polysulfone (PS), Cellulose acetate (CA), Cellulose triacetate (CTA),
Polyamide aromatic (PA).
2.1.1.1 Cellulose acetate
Là polymer của phân tử β-glucose, liên kết với nhau bởi β-1,4-glucoside và được
acetyl hóa chủ yếu tại vò trí –OH của C
2
, C
3
hoặc C
6
vòng hexose. Cellulose acetate
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 do trong phân
tử cellulose bò acetyl hóa thì sản phẩm thu nhận được gọi là cellulose triacetate. 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, đường kính
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 (T
max
≤35-40
o
C;
pH = 3-8), kém bền với các chất tẩy rửa công nghiệp như chlorine và dễ bò phân hủy
sinh học.
2.1.1.2 Polyvinylidenedifluoride (PVDF)
Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống. Tuy
nhiên, PVDF không được sử dụng nhiều vì kỹ thuật chế tạo membrane từ vật liệu này

rất khó khăn và các tính chất, cấu trúc của membrane kém ổn đònh.
Công thức hóa học của PVDF:
( )
n
CFCH
−−−
22
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 13
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
2.1.1.3 Nhóm polysulfone
Là polymer của các đơn vò diphenylene sulfone với nhóm –SO
2
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
(T
max
≤75oC; pH = 1-13) và bền với chlorine. Tuy nhiên, các vật liệu PS và PES chòu
áp lực kém và do có tính kỵ nước nên trong quá trình sử dụng, dòng permeate dễ bò
tắc nghẽn.
2.1.1.4 Ceramic
Các membrane ceramic được chế tạo theo từng module riêng biệt. Các module
thường có hình trụ, bên trong có nhiều kênh dạng ống được xếp song song theo suốt
chiều cao thân trụ của module. Người ta sử dụng ceramic làm membrane và một số
vật liệu khác làm chất mang để tạo nên các kênh cho dòng vào, dòng ra retentate và
permeate trong module. Các thông số kỹ thuật như chiều cao của module, độ dày lớp
màng ceramic, kích thước lỗ mao dẫn sẽ được tính toán và thiết kế theo yêu cầu của
người sử dụng.

Membrane làm từ vật liệu ceramic có rất nhiều ưu điểm: trơ với các hóa chất
như acid, kiềm, chlorine, khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rất rộng (T
max
≤350
o
C; pH
= 0.5 – 13), do đó ta có thể sử dụng hơi để vô trùng thiết bò. Tuy nhiên, chúng khá dễ
vỡ bởi những va chạm cơ học, giá thành cao và đường kính lỗ mao dẫn các membrane
ceramic hiện nay không thể nhỏ hơn 10
-2
µm.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 14
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
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) và Cross-
flow (Cross-flow separation)
Hình 2.3 : Mô hình dead-end và Cross-flow
 Mô hình Dead-end (Dead-end 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 qua
membrane bởi áp suất. Các phần tử có kích thước lớn hơn hoặc bằng đường kính lỗ
mao quản sẽ bò giữ lại bên trên bề mặt hoặc bên trong membrane. Theo thời gian các
phần tử đó sẽ tích tụ, làm tăng trở lực của quá trình phân riêng và làm cho lưu lượng
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 15

Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
dòng permeate giảm dần. Để tiếp tục quá trình phân riêng, người ta phải thay hoặc vệ
sinh 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 lực
đảm bảo lưu lượng dòng permeate ổn đònh 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 do
trở lực lọc tăng dần theo thời gian. Đây là mô hình chỉ sử dụng trong các phòng thí
nghiệm dùng để xử lý các dung dòch có thể tích nhỏ.
Hình 2.4.: Mô hình Dead-End (Dead-End Separation)
 Mô hình Cross-Flow (Cross-flow Separation)
Cross-flow là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy song song với bề mặt
membrane. 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 còn
lại 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, mô
hình này ít bò tắc nghẽn hơn so với mô hình Dead-end và có thể hoạt động liên tục
trong thời gian dài.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 16
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
Hình 2.5: Mô hình Cross-Flow (Cross-Flow 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 thí
nghiệm và quy mô pilot khi chúng ta muốn tách các hợp chất phân tử lượng nhỏ và
làm tăng nồng độ các chất phân tử lượng cao trong mẫu khảo sát. Hệ thống gồm một

thiết bò membrane, một bồn chứa nguyên liệu, một bơm, một thiết bò lọc và một thiết
bò trao đổi nhiệt. Bơm sẽ đưa nguyên liệu qua thiết bò lọc để tách các tạp chất thô rồi
vào thiết bò membrane. Dòng ra permeate sẽ thu hồi riêng, còn dòng ra retentate sẽ đi
qua một thiết bò trao đổi nhiệt để ổn đònh nhiệt độ rồi hồi lưu toàn phần về bồn chứa
nguyên liệu. Quá trình sẽ được tiếp diễn cho đến khi nồng độ các cấu tử trong
retentate tăng đến giá trò mong muốn.
Mô hình này cho phép chúng ta cô đặc mẫu khảo sát trong một khoảng thời gian
ngắn nhất và tiết kiệm diện tích membrane sử dụng.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 17
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
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 bò membrane
nhờ một bơm hồi lưu riêng. Quá trình sẽ tiếp diễn cho đến khi nồng độ các cấu tử
trong dòng retentate đạt được giá trò mong muốn. Mô hình này cũng chỉ thích hợp 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 bò
membrane. Chúng ta thu được hai dòng sản phẩm ra là permeate và retentate. Khi đó,
thời gian lưu của các cấu tử trong thiết bò membrane là ngắn nhất. Thật ra, mô hình
này chỉ thích hợp khi không đòi hỏi tốc độ dòng cao và các cấu tử trong nguyên liệu
không tương tác với vật liệu membrane, dẫn đến hiện tượng nghẹt các lỗ mao dẫn.
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 18
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
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 retentate
sẽ được bơm hồi lưu đưa trở lại thiết bò 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 cho
phần 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 tích
membrane trong hệ thống thiết bò từ 100m
2
trở lên.
Hình 2.9: Mô hình liên tục – hồi lưu một phần retentate
2.1.2.3.3 Mô hình nhiều giai đoạn
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 19
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
Ở quy mô công nghiệp, người ta sử dụng mô hình từ 3 đến 8 giai đoạn. Số bơm
hồi lưu sử dụng sẽ bằng với số giai đoạn trong mô hình. Ở giai đoạn đầu, tốc độ dòng
đạt giá trò cao nhất nhưng nồng độ cấu tử trong dòng retentate thấp nhất. Ngược lại, ở
giai đoạn cuối tốc độ dòng thấp nhưng nồng độ cấu tử trong retentate đạt giá trò cao
nhất.
Trong sản xuất, các mô hình phân riêng liên tục có thể hoạt động trong suốt 24
giờ. Sau khoảng thời gian này, chúng ta nên tạm ngưng hoạt động để tẩy rửa và vệ
sinh thiết bò. 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 sản
phẩm.
Hình 2.10: Mô hình liên tục 3 giai đoạn
2.1.3 Thiết bò membrane dùng trong siêu lọc
Hiện nay, có bốn mô hình phổ biến trong siêu lọc: Thiết bò dạng ống, dạng bảng;
dạng sợi; dạng cuộn xoắn.
2.1.3.1 Mô hình ống
Thiết bò membrane có dạng hình trụ, bên trong có chứa nhiều ống trụ nhỏ đặt
song song với nhau. Mỗi ống trụ nhỏ thường được chế tạo bằng thép không gỉ, có

đường kính dao động từ 12.5-75mm, chiều dài khoảng 0.6-6.4m được đục các lỗ nhỏ
trên thân. Các membrane cũng có dạng hình trụ được lồng ghép sát thành trong của
các ống trụ nhỏ trên.
Nguyên liệu sẽ được bơm vào từ một đầu thiết bò và được phân phối vào bên
trong các ống trụ nhỏ. Dòng ra retentate sẽ tiếp tục đi tiếp hết chiều dài các ống trụ
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 20
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
nhỏ và thoát ra ở đầu bên kia của thiết bò. Dòng ra permeate sẽ chui qua các mao dẫn
của membrane và thoát ra bên ngoài các ống trụ nhỏ, sau đó được tập trung theo cửa
ra chung nằm phía trên thân thiết bò.
Bên trong thiết bò membrane có thể được chia thành nhiều khoang, mỗi khoang
gồm một số ống trụ nhỏ song song nằm cạnh nhau. Đầu tiên nguyên liệu sẽ được bơm
vào một khoang trong thiết bò. Dòng retentate thoát ra khỏi khoang này và đi tiếp vào
khoang thứ hai, còn dòng retentate thoát ra từ khoang thứ hai sẽ đi tiếp vào khoang
thứ ba Như vậy, dòng retentate thoát ra từ khoang cuối cùng sẽ có nồng độ đạt giá
trò 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 bò. Tuy nhiên, thiết
bò cồng kềnh, chiếm nhiều không gian nhà xưởng và tốn nhiều năng lượng sử dụng do
có sự tụt áp của dòng nguyên liệu trong các ống hình trụ nhỏ.
Hình 2.11: Mô hình ống
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 21
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
2.1.3.2 Mô hình sợi (hollow fiber module)
Mô hình sợi có cấu tạo tương tự như mô hình ống. Thiết bò membrane được chế
tạo bằng thép không rỉ có dạng hình trụ với đường kính thường dao động trong khoảng
2.5-12.7cm, chiều dài 18-120cm. Bên trong thiết bò chứa bó sợi membrane. Mỗi
module 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 bò và chui vào trong
các sợi membrane. Dòng ra retentate sẽ đi hết theo chiều dài sợi và tập trung thoát ra
ở đầu còn lại của thiết bò. 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 bò.
Ưu điểm của mô hình sợi là thiết bò ít chiếm diện tích nhà xưởng dù diện tích
membrane sử dụng rất lớn, ít tốn năng lượng cho quá trình. Tuy nhiên, trong quá trình
vận hành, một số sợi membrane dễ bò tổn thương và việc thay thế chúng sẽ tốn kém
và phức tạp. Hơn nữa, do đường kính sợi membrane khá nhỏ, những nguyên liệu dạng
keo 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 vò cấu tạo nên mô hình bảng bao gồm một tấm đỡ, hai miếng đệm và
hai membrane được ép sát vào nhau như hình 2.13. Các tấm đỡ có dạng hình hộp chữ
nhật với độ dày rất mỏng, diện tích bề mặt từ 0.11-0.35m
2
. Các miếng đệm có cấu
trúc vi xốp được ép sát và phủ kín bề mặt tấm đỡ. Các membrane (dạng tấm) có diện
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 22
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
tích bề mặt bằng đúng với diện tích bề mặt tấm đỡ và được đặt sát lên các miếng
đệm.
Trong thiết bò membrane, các đơn vò trên được đặt song song với nhau. Tùy
thuộc vào số đơn vò được lắp ráp vào nhiều hay ít mà tổng diện tích membrane sử
dụng trong thiết bò có thể dao động trong một khoảng rất lớn, từ 0.1-100m
2
. Khoảng
cách giữa các đơn vò 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 vi
xốp 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 bò rất đơn
giản. Ở một số thiết bò, người ta bố trí một van tháo sản phẩm permeate ứng với mỗi
tấm membrane. Như vậy, nhà sản xuất dễ phát hiện kòp thời membrane nào hư hỏng
trong quá trình vận hành để thay thế.
Hình 2.13: Thiết bò membrane – mô hình bảng/tấm
2.1.3.4 Mô hình cuộn xoắn
Thiết bò gồm hai ống hình trụ cùng trục, cùng chiều cao nhưng có đường kính
khác nhau và được đặt lồng vào nhau. Cả hai được chế tạo bằng thép không rỉ. Ống
hình 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 động
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 23
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
của hai membrane được quay ngược nhau), cách nhau bởi một tấm đệm. Vật liệu phổ
biến được dùng làm tấm đệm là polypropylene.
Nguyên liệu sẽ được bơm vào ở một đầu thân trụ và di chuyển dọc theo thân trụ
bởi một kênh có cơ cấu tiết diện hình xoắn ốc (phần gạch chéo). Dòng sản phẩm
retentate sẽ được tập trung và thoát ra ở đầu kia của thiết bò hình trụ. Các cấu tử
permeate sẽ chui qua mao dẫn của hai membrane để vào kênh dẫn dành riêng cho
chúng. Kênh này cũng có diện tích xoắn ốc (phần không gạch chéo) và được liên
thông với ống hình trụ trung tâm. Từ ống hình trụ trung tâm, dòng permeate sẽ được
tập trung thoát ra khỏi thiết bò.
Ưu điểm của thiết bò membrane mô hình cuộn xoắn là thành thấp hơn so với các
mô hình khác. Người sử dụng có thể lựa chọn chế độ chảy dòng hoặc chảy rối tùy
từng trường hợp cụ thể.

SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 24
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
Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc để cô đặc protein GVHD: PGS. TS Lê Văn Việt
Mẫn
Hình 2.14: Thiết bò membrane – mô hình cuộn xoắn
SVTH: Ngô Thanh Phong Trang 25