Đồ án công nghệ thực phẩm tổng quan về membrane bioreactor và khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vận hành membrane bioreactor

1
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC HÌNH vi
DANH MỤC CÁC BẢNG viii
Chương 1: TỔNG QUAN MBRs 1
A- Giới thiệu chung 1
B- Membrane bioreactors trong công nghệ thực phẩm 3
B.1- Sơ lược bioreactor và membrane 3
1. Thiết bị lên men 3
2. Membrane 4
B.2- Ứng dụng thiết bị membrane vào hệ thống MBRs 6
1. Con đường hình thành 6
2. Các loại mô hình membrane trong MBRs 7
B.3- Cấu tạo và phương thức hoạt động của MBRs 10
1. Hệ thống MBRs với membrane nằm ngoài thiết bị lên men 10
a. Mô hình hồi lưu đơn giản 10
b. Mô hình hồi lưu mắc nối tiếp 11
c. Mô hình hồi lưu nhiều bậc có 1 module membrane ở bậc cuối 12
2. Hệ thống MBRs với membrane nằm bên trong thiết bị lên men 13
a. Trường hợp có sự vận chuyển môi trường qua membrane 14
b. Trường hợp môi trường không khuếch tán qua membrane 15
3. Hệ thống MBRs với hai thiết bị lên men 16
a. Mô hình hai bình lên men với một membrane nằm trong 16
b. Mô hình hai bình lên men với hai thiết bị membrane nằm ngoài 17
B.4- Một số hiện tượng phát sinh trong quá trình vận hành MBRs 18
1. Hiện tượng tắc nghẽn màng 18
2. Hiện tượng sinh học 19
3. Các hiện tượng khác 19

Chương 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH MBRs 21
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
2
A- Quá trình lên men 21
1. Giống vi sinh vật 21
2. Môi trường lên men 22
a. Thành phần môi trường 23
b. Vấn đề tiệt trùng môi trường 28
3. Điều kiện lên men 28
a. Tốc độ pha loãng 28
b. Cung cấp oxy 31
c. Tốc độ dòng nhập liệu 32
B- Quá trình phân riêng bằng membrane 33
1. Bản chất của membrane 34
a. Cấu trúc 34
b. Vật liệu 35
c. Đường kính 36
2. Tính chất dòng canh trường sau lên men 37
3. Các thông số kỹ thuật 38
a. Tốc độ dòng vào và sự chảy rối 38
Một số phương hướng cải thiện tốc độ dòng permeate 39
b. Áp lực qua màng 40
C- Ảnh hưởng của cấu hình thiết bị MBRs 42
Chương 3: ỨNG DỤNG MBRs TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM 45
A- Acid lactic 45
1. Mô hình MCRB 46
2. Mô hình internal MBR 49
3. Hệ thống MBR-ED 51
4. Mô hình MBR-NF 57
5. Kết luận 60

B- Xylitol 60
1. Mô hình MBR với Candida guilliermondii 61
2. Mô hình SMRB với Candida tropicalis 63
3. Mô hình MBR với Sacharomyces cerevisiae 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
3
LỜI NÓI ĐẦU
Trong các quá trình sinh học, bản thân mỗi thiết bị phản ứng phải được liên
kết với một bộ phận phân tách để thu nhận sinh khối, sản phẩm từ canh trường,
hay để thực hiện chuyển hóa những hợp chất có lợi cho con người trong vấn đề xử
lý môi trường. Rất nhiều phương thức phân tách khác nhau được sử dụng như:
lắng (lóng cặn hoặc kết tủa), ly tâm, lọc dead-end. Tất nhiên các phương pháp
này phụ thuộc vào tuần tự vận hành, nghĩa là các bước khác nhau trong toàn bộ
quy trình phải được thực hiện có trật tự và phải có sự thống nhất, như vậy sẽ rất
khó điều khiển. Việc đề xuất mô hình membrane bioreactor từ những năm 1980 đã
trở nên khá thiết thực và hiệu quả để khắc phục những nhược điểm so với
bioreactor truyền thống.
Trong khuôn khổ đồ án, tôi xin giới thiệu tổng quan về membrane bioreactor,
cũng như khảo sát sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố có liên quan đến quá trình, đặc
biệt là nhấn mạnh mô hình thiết bị này trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm.
Xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Văn Việt Mẫn – đã hết sức tận tình trong công
việc hướng dẫn đồ án môn học này.
SVTH
Nguyễn Vương Anh.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CRR: cell recycle reactor

CSTR: continuous stirred tank reactor
D: dillution rate
DCW: dry cell weight
DO: dissolved oxygen
ED: electrodialysis
MBR: membrane bioreactor
MCMGR: multi – capillary membrane gradostat reactor
MCRB: membrane cell-recycle bioreactor
MF: microfiltration
MGR: membrane gradostat reactor
MRB: membrane recycle bioreactor
MSLC: membrane – surface liquid culture
MWCO: molecular weight cut off
NF: nanofiltration
NMBR: nanomembrane bioreactor
OTR: oxygen transfer rate
RO: reverse osmosis
SCMGR: single capillary membrane gradostat reactor
SMBR: submerged membrane bioreactor
TBR: tubular bioreactor
UF: ultrafiltration
YE: yeast extract
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
5
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Thiết bị lên men sử dụng quy mô công nghiệp 3
Hình 1.2. Cấu trúc membrane vi xốp đẳng hướng 4
Hình 1.3. Cấu trúc membrane vi xốp bất đẳng hướng 5
Hình 1.4. Thiết bị membrane – mô hình ống 7

Hình 1.5. Thiết bị membrane – mô hình ống 7
Hình 1.6. Thiết bị membrane – mô hình sợi 8
Hình 1.7. Thiết bị membrane – mô hình cuộn xoắn 9
Hình 1.8. Mô hình MBR đơn giản 10
Hình 1.9. Mô hình MRB mắc nối tiếp 11
Hình 1.10. Mô hình MBR nhiều bậc với 1 module membrane 12
Hình 1.11. Mô hình MBR với membrane bên trong 13
Hình 1.12. Mô hình MBR có sự vận chuyển môi trường qua membrane 14
Hình 1.13. Mô hình hồi lưu 15
Hình 1.14. Mô hình MBR không có sự vận chuyển môi trường qua membrane 15
Hình 1.15. Mô hình MBR với 1 membrane nằm trong bình 16
Hình 1.16. Mô hình MBR với 2 membrane ngoài 2 bình 17
Hình 1.17. Ba hiện tượng gây tắc nghẽn membrane 18
Hình 2.1. Ảnh hưởng việc sử dụng nguồn nitơ trong vận hành MSLC 24
Hình 2.2. Ảnh hưởng nguồn YE và glucose trong môi trường 25
Hình 2.3. Ảnh hưởng việc bổ sung chitin đến chất lượng sản phẩm 26
Hình 2.4. Ảnh hưởng tốc độ bổ sung cơ chất đến hiệu quả quá trình lên men ethanol 27
Hình 2.5. Ảnh hưởng dòng chảy trong MBRs trước và sau tiệt trùng 28
Hình 2.6. Ảnh hưởng tốc độ pha loãng đến nồng độ tế bào 29
Hình 2.7. Ảnh hưởng tốc độ pha loãng đến sinh khối và hoạt tính sản phẩm 30
Hình 2.8. Đánh giá hiệu quả quá trình lên men ethanol theo tốc độ pha loãng 31
Hình 2.9. Ảnh hưởng tốc độ cánh khuấy đến giá trị K
L
a 32
Hình 2.10. Ảnh hưởng tốc độ dòng glucose và dòng cơ chất bổ sung trong
hệ thống MBR-ED 33
Hình 2.11. Sự khác nhau về Fi ở 2 loại membrane đẳng hướng và bất đẳng hướng 34
Hình 2.12. Cơ chế tắc nghẽn khác nhau đối với tế bào vi sinh vật và phân tử lớn 35
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
6

Hình 2.13. Ảnh hưởng nồng độ tế bào trong canh trường sau lên men đến lưu lượng
dòng chảy 37
Hình 2.14. Lưu lượng dòng chảy theo thời gian ở các giá trị nồng độ tế bào khác nhau. 38
Hình 2.15. Ảnh hưởng lớp trở lực tế bào lên quá trình lọc ở 2 trạng thái dòng chảy khác
nhau 39
Hình 2.16. Ảnh hưởng việc làm sạch định kỳ bằng khí đến lưu lượng dòng permeate
trong quá trình vi lọc nấm men bánh mì 40
Hình 2.17. Ảnh hưởng TMP đến tỷ lệ % lactose và lactate trong canh trường 41
Hình 2.18. Ảnh hưởng mật độ tế bào trong canh trường đến giá trị áp suất dòng vào
membrane, với tốc độ tiếp tuyến luôn giữ không đổi là 0.75 m/s 42
Hình 2.19. Ảnh hưởng cấu hình thiết bị đến sinh khối tế bào 43
Hình 2.20. Ảnh hưởng cấu tạo thiết bị đến hoạt tính sản phẩm enzyme 44
Hình 3.1. Sơ đồ MCRB liên tục trong sản xuất acid lactic 46
Hình 3.2. Đánh giá hàm lượng acid lactic sinh ra, sinh khối tế bào và hiệu suất quá
trình khi thực hiện quá trình ở MCRB trong 155.5h 47
Hình 3.3. MBR với 2 membrane đồng trục nằm bên trong 49
Hình 3.4. Sơ đồ vận hành hệ thống MBR 50
Hình 3.5. Đánh giá hiệu quả quá trình sản xuất acid lactic trong hệ thống 51
Hình 3.6. Lên men và tinh sạch acid lactic trong hệ thống MBR-ED (Jurag Separation
A/S) 52
Hình 3.7. Quá trình vận hành trên hệ thống MBR-ED 52
Hình 3.8. Mô hình membrane điện thẩm tích và điều khiển sự di chuyển các ion trong
sản xuất acid lactic 53
Hình 3.9. Hiệu quả quá trình trong sản xuất acid lactic bằng MBR-ED 54
Hình 3.10. Khuynh hướng sử dụng các nguồn nitơ bổ sung trong MBR-ED 55
Hình 3.11. Sơ đồ thiết bị MBR với membrane NF 58
Hình 3.12. Biểu diễn những thành phần bị giữ lại trên NF trong sản xuất bán liên tục
acid lactic từ whey permeate trong mô hình NMBR 59
Hình 3.13. Sơ đồ vận hành hệ thống MBRs trong sản xuất xylitol 61
Hình 3.14. Động học quá trình chuyển hóa sinh học liên tục từ xylose thành xylitol bởi

Candida guilliermondii trong hệ thống MBR 62
Hình 3.15. Mô hình SMBR trong sản xuất xylitol bởi Candida tropicalis 64
Hình 3.16. Mô hình MBR sản xuất xylitol từ S. cerevisiae BJ3505/δXR 66
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Sự khác nhau trong quá trình lên men xylitol 22
Bảng 2.2. So sánh lưu lượng dòng canh trường trong quá trình làm sạch membrane
thủy tinh ứng với các giống vi sinh vật khác nhau 22
Bảng 2.3. Ảnh hưởng của việc thay đổi nồng độ glucose và casein trong môi trường 23
Bảng 2.4. Thành phần môi trường ở 3 giai đoạn 27
Bảng 2.5. Ảnh hưởng kích thước lỗ membrane lên mật độ tế bào trong dòng lọc 36
Bảng 2.6. Ảnh hưởng TMP lên lưu lượng dòng permeate 41
Bảng 3.1. So sánh giữa các mô hình lên men trong sản xuất acid lactic 45
Bảng 3.2. So sánh kết quả giữa 3 hệ thống MCRB 48
Bảng 3.3. Các thông số biểu diễn quá trình sinh trưởng L. casei và sản xuất acid lactic trong
mô hình MRB với hệ số bổ sung nguồn nitơ khác nhau 56
Bảng 3.4. Đánh giá hiệu quả lên men acid lactic trong hệ thống MBR-ED bởi giống Bacillus
stearothermophilus BS119 56
Bảng 3.5. Thống kê các giá trị thu được trong quá trình lên men liên tục ở các tốc độ
pha loãng khác nhau trong vận hành MBR 62
Bảng 3.6. Tóm tắt các thông số trong sản xuất xylitol 65
Bảng 3.7. Tóm tắt kết quả trong sản xuất xylitol bằng S. cerevisiae BJ3505/δXR 67
Ch ương 1 : TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTORs (MBRs)
A- Giới thiệu chung:
1. Định nghĩa chung về membrane bioreactors
Membrane bioreactor là một hệ thống kết hợp giữa thiết bị lên men và thiết bị
membrane với hai chức năng chính:
− Thực hiện quá trình sinh học tạo sinh khối và các chất trao đổi

− Thực hiện quá trình phân tách vi sinh vật từ canh trường lên men, từ đó thu nhận
sản phẩm con người mong muốn.
2. Hiệu quả của MBRs:
− Quá trình được thực hiện trong điều kiện ôn hòa, kỹ thuật thân thiện với môi trường.
− Hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm cao. Sản phẩm thấm qua membrane một cách có
chọn lọc, sản phẩm phụ được hạn chế.
− Việc cố định vi sinh vật trên membrane khá tương đồng với vi sinh vật cố định
trong tự nhiên, nên chúng dễ dàng phát huy tối đa hoạt tính trong vai trò chuyển hóa
cơ chất thành sản phẩm.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
8
− Trong MBRs xuất hiện dòng đối lưu, giúp tăng tốc độ chuyển khối cũng như tốc độ
phản ứng sinh học.
− Quá trình tối ưu hóa, cơ giới hóa, tự động hóa cao.
− Tiết kiệm lao động, chi phí năng lượng thấp, thời gian rút ngắn.
− Năng suất hoạt động của thiết bị được nâng cao.
− Các quá trình thu nhận và tinh sạch sản phẩm được tiến hành dễ dàng, độ tinh sạch
và chất lượng sản phẩm được cải thiện.
− Tránh tổn thất xúc tác sinh học và ổn định lưu lượng trong quá trình, nên làm giảm
đáng kể tổng chi phí vận hành thiết bị.
3. Nhược điểm MBRs:
Bên cạnh những ưu điểm thì MBRs có một số nhược điểm như sau:
− Hệ thống khá phức tạp, chi phí đầu tư thiết bị cao.
− Tốn kém trong việc khắc phục các hiện tượng về màng: sự tắc nghẽn và tập trung
nồng độ, cũng như các hiện tượng khác trong quá trình vận hành.
4. Phạm vi ứng dụng MBRs:
MBRs được ứng dụng trong các lĩnh vực như: thực phẩm, dược phẩm, sinh học và xử lý
môi trường.
a. Trong công nghệ thực phẩm :
MBRs được sử dụng phổ biến trong công nghệ lên men cồn, thủy phân tinh bột, sản

xuất acid hữu cơ, acid amin, các chế phẩm enzym, vitamin…
Chẳng hạn như
 Zhang Zhongze (1991) đã nghiên cứu mô hình MBR với membrane được bọc
bên ngoài lớp vật liệu hoạt tính (như diatomite, than hoạt tính, bột xơ đay) đối với
sản phẩm có chứa alcohol. Mô hình này giúp quá trình lên men chính thực hiện dễ
dàng, rút ngắn được khoảng 20% thời gian lên men, làm tăng 30-40% hàm lượng
sản phẩm cũng như tiết kiệm năng lượng.
 Rios et al (2000) đã áp dụng MBR hoạt động liên tục có hồi lưu để thủy phân
tinh bột sản xuất syrup đường với hàm lượng dextrose cao.
 M A Mehaia và M Cheryan (1990) đã đề xuất mô hình membrane bioreactor lên
men tĩnh có hồi lưu, với module sợi rỗng làm từ polysulfone để sản xuất ethanol từ
whey permeate bằng Saccharomyces cerevisiae.
 Một số ứng dụng khác như: Sản xuất acetone-buthanol-ethanol (ABE) bằng
Clostridium acetobutylicum (Minier et al. 1984; Pierrot et al. 1986), chuyển hóa D-
sorbitol thành L-sorbose bởi Gluconobacter oxydans và chuyển hóa glucose thành
2-ketogluconic acid bởi Serratia marcescens (Bull và Young 1981), sản phẩm acid
citric từ glucose bằng nấm men Candida (Enziminger và Asenjo 1986; Rane và
Sims 1995)…
b. Trong ngành dược phẩm và y sinh :
- MBRs đã đem lại hiệu quả cao trong sản xuất penicillin, một loại thuốc khánh sinh
có giá trị, hữu ích cho con người. Rất nhiều nghiên cứu đã đề cập đến vấn đề này
 Yaun et al (1990) đã thiết kế mô hình MBR mới có cố định tế bào để sản xuất 6-
amino-pencillanic acid (6-APA), với membrane sợi rỗng bằng polysulfone hay
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
9
membrane phẳng – có tỷ lệ thể tích vùng bề mặt lớn, kết quả là làm tăng hàm lượng
và độ tinh khiết của sản phẩm so với quá trình truyền thống.
 Giordano et al (2002) đã tính toán thiết bị MBR ceramic để nuôi cấy
Penicillium chrysogenum cố định vùng bề mặt phía trên membrane sợi rỗng. Để
tăng hiệu suất quá trình lên men, môi trường nuôi cấy được pha loãng ở giai đoạn

sinh tổng hợp penicillin (trophophase). Việc thống nhất điều kiện ban đầu là quan
trọng để xử lý hệ thống phương trình vi phân đại số, hữu ích cho việc đánh giá
bioreactor, cũng như có thể xem xét trên phạm vi lớn, từ đó thiết kế được những
kiểu bioreactor mới để ngày càng phát triển và hoàn thiện sản phẩm.
- Ngoài ra, MBR còn được sử dụng thành công trong sản xuất những loại hợp chất y
học khác (như là cyclodextrins, microbial alginate, glycerol, monoglycerides,
formaldehyde…)
- Không những vậy, trong lĩnh vực y sinh, MBR cũng đóng vai trò khá quan trọng.
Điển hình là Yazaki và cộng sự (2001) đã tạo ra kháng nguyên anti-
carcinoembryonic diabody và minibody trên lâm sàng bằng cách sử dụng bioreactor
membrane sợi rỗng.
c. Đối với môi trường :
MBR được ứng dụng rất sớm và rất thành công, trong xử lý khí thải và nước thải
công nghiệp.
 Lu et al. (1999) đã dùng đĩa xoay module UF kết hợp với bioreactor hiếu khí lên
men cường độ mạnh để xử lý nước thải. MBR có thể làm việc liên tục suốt 130
ngày.
 Peretti et al. (1999) đã báo cáo việc xử lý dòng khí thải có chứa VOCs, hệ thống
MBR sử dụng có thể chịu được sự biến đổi không rõ ràng của nồng độ chất ô
nhiễm. VOC trong dòng khí thải được tách bởi pha dung môi oleic bằng việc sử
dụng membrane xốp bó sợi rỗng kỵ nước tạo điều kiện tiếp xúc giữa pha khí và pha
dung môi. Chất ô nhiễm và bùn sinh học sẽ được phân tách với pha nước và oleic,
từ đó dòng khí sạch được thải ra ngoài.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
10
B- Membrane bioreactors trong công nghệ thực phẩm:
Cấu tạo thiết bị MBRs khá đa dạng, do bản chất của nó là hệ thống hoạt động dựa trên
nhiều chức năng của nhiều thiết bị trong hệ thống đó, cụ thể ở đây là sự kết hợp giữa thiết
bị lên men và membrane.
B.1/ Sơ lược bioreactor và membrane:

1. Thiết bị lên men:
Thiết bị lên men là thiết bị dùng nuôi cấy vi sinh vật nhằm thu nhận sản phẩm trao đổi chất
hay thực hiện chuyển hóa có lợi cho con người.
Trong sản xuất công nghiệp hiện nay, thiết bị lên men thường hình trụ gồm các bộ phận
chính:
− Hệ thống đường ống dẫn khí bên trong (có thể là oxy, không khí, nitơ…)
− Lớp vỏ áo bao quanh thân hay hệ thống đường ống bên trong thiết bị để điều nhiệt
− Cánh khuấy
− Nhiều cảm biến (như đầu dò pH, nhiệt độ, chất phá bọt, mực chất lỏng…) được nối
với hệ thống điều khiển.
Hình 1.1. Thiết bị lên men sử dụng quy mô công nghiệp
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
11
Thiết bị lên men rất đa dạng. Dựa vào hoạt động của cánh khuấy trong bình lên men, ta có
thể phân ra làm 3 loại chính: khuấy cơ học, khuấy bằng khí nén và không có cánh khuấy.
− Thiết bị khuấy bằng cơ học có thể là thùng quay, xoáy vi lọc, hay cánh khuấy thông
gió.
− Thiết bị khuấy bằng khí nén có thể là dựa vào hơi nước hay áp lực khí. Thiết bị này
thường gồm có bình chứa đựng chất lỏng, có gắn những lỗ thông cho hơi nước đi
qua, làm sao để cung cấp đủ lượng oxy hòa tan cho sinh khối.
Nhờ có cánh khuấy và dưới tác dụng sức đẩy của cánh quạt hay mái chèo, sinh khối và môi
trường được hòa trộn đều, không cục bộ, nhờ đó hiệu suất của quá trình lên men cao. Tuy
nhiên, nếu cánh khuấy hoạt động quá mạnh hay lực trộn và cào mạnh có thể làm hư canh
trường, ảnh hưởng đến hoạt tính vi sinh vật. Ví dụ như trong trường hợp sử dụng nấm mốc,
cánh khuấy có thể làm gãy sợi nấm.
2. Membrane:
Membrane là màng đóng vai trò vật ngăn để phân riêng các cấu tử. Động lực trong
kỹ thuật phân riêng bằng membrane là áp suất. Kết quả của quá trình phân riêng
bằng membrane sẽ cho ta hai dòng sản phầm:
− Dòng sản phẩm qua membrane được gọi là permeate

− Dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate.
 Cấu trúc membrane:
Membrane thường có độ dày rất nhỏ, tối đa chỉ lên đến vài trăm μm. Đường kính
các lỗ mao dẫn trên membrane cũng rất nhỏ, từ 10
-4
đến10 μm.
Membrane có cấu trúc vi xốp. Theo cấu trúc, người ta chia membrane thành 2
nhóm:
− Cấu trúc đẳng hướng: gồm 1 lớp màng duy nhất với độ dày trung bình 0.05 –
0.2 μm. Các ống mao dẫn trên membrane có đường kính không đổi, được bố trí
song song với nhau và cùng vuông góc với bề mặt membrane. Membrane vi xốp
được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau như ceramic, graphite, kim loại,
oxit kim loại hoặc các loại polymer. Membrane vi xốp thường được chế tạo
bằng một số kỹ thuật như: nung kết, kéo căng, đảo pha…
Hình 1.2. Cấu trúc membrane vi xốp đẳng hướng
− Cấu trúc bất đẳng hướng: được cấu tạo từ hai lớp màng kết dính nhau. Lớp trên
gọi là lớp bề mặt có độ dày từ 0.1-0.5 μm. Đường kính các mao dẫn của lớp bề
mặt thường rất nhỏ. Lớp bên dưới có độ dày dao động trong khoảng 100-200
μm với chứ năng làm tăng độ bền cơ học cho membrane. Đường kính các lỗ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
12
mao dẫn của lớp này khá lớn. Lớp bên dưới có chức năng làm tăng độ bền cơ
học cho membrane, nên loại này thường đóng vai trò là khung đỡ.
Hình 1.3. Cấu trúc membrane vi xốp bất đẳng hướng
Theo W. Zhang và cộng sự 1998, cấu trúc membrane ảnh hưởng rất lớn đến quá
trình hoạt động MBRs. Qua khảo sát, ông đã kết luận rằng membrane bất đẳng hướng
gây ra hiện tượng tắc nghẽn màng nghiêm trọng hơn so với membrane đẳng hướng.
 Cấu tạo membrane
Membrane có thể được cấu tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau. Trong lĩnh vực
thực phẩm, người ta thường sử dụng membrane được làm từ cellulose acetat, các

polyamide, polysulfone, ceramic và một số loại polymer khác.
 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
0
C; pH = 3-8), kém bền với các chất tẩy rửa công nghiệp như
chlorine và dễ bị phân hủy sinh học.
 Membrane polyamide nhìn chung có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng hơn
các membrane cellulose triacetat (T
max
≤ 50
0
C; pH = 3-11) nhưng lại kém bền
hơn với chlorine và trong quá trình vận hành, dòng permeate dễ bị tắc nghẽn
hơn.
 Membrane polysulfone có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động khá rộng (T
max
≤75
0
C; pH = 1-13) và bền với chlorine. Tuy nhiên, các vật liệu PS và PES chịu
áp lực kém và do có tính kỵ nước nên trong vận hành, dòng permeate dễ bị tắc
nghẽn.
 Các membrane ceramic được chế tạo theo từng module riêng biệt. Các module
thường có hình trụ, bên trong gồm 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 dòng permeat 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 theo yêu cầu người sử dụng
Membrane ceramic có rất nhiều ưu điểm như trơ với các hóa chất như
acid, kiềm, chlorine… Khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rất rộng (T
max
≤350
0
C;
pH = 0.5-13), do đó ta có thể sử dụng hơi để vô trùng thiết bị. Tuy nhiên, chúng
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
13
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.
B.2/ Ứng dụng thiết bị membrane vào hệ thống MBRs:
1. Con đường hình thành:
Theo phương pháp lên men truyền thống, quá trình lên men thường được thực
hiện trong bồn lên men tĩnh (batch fermentors), tuy đơn giản nhưng sự ức chế sản
phẩm sinh ra đối với hoạt tính của giống vi sinh vật rất mãnh liệt, kết quả là làm cho
nồng độ sản phẩm rất thấp. Chẳng hạn như trong sản xuất ethanol bởi nấm men, tốc
độ sinh tổng hợp sản phẩm cồn tại mức 6% ethanol sinh ra chỉ đạt ½ so với mức
chưa có ethanol sinh ra, còn ở mức 12% thì chỉ bằng 1% so với lúc ethanol chưa
sinh ra, kết quả là tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm lên men thấp trong thiết bị lên
men tĩnh truyền thống (tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm được đo bởi tổng khối lượng
sản phẩm trên 1 đơn vị thể tích trong 1 đơn vị thời gian - g/L.h). Vì thế, người ta đề
ra những biện pháp nhằm cải thiện hệ thống lên men, cụ thể là đưa ra mô hình
CSTR (continuous stirred tank reactors – thiết bị lên men liên tục có cánh khuấy):
− Sử dụng quá trình liên tục thay vì thực hiện lên men tĩnh
− Vận hành ở tốc độ pha loãng cao

− Mật độ tế bào cao tại mọi thời điểm.
− Liên tục tháo sản phẩm cuối cùng để tránh ức chế.
Nhờ đó, việc điều khiển quá trình sẽ tốt hơn, cải thiện được hiệu suất lên men.
Tuy nhiên, mô hình này vẫn có nhược điểm chính là tốc độ pha loãng không thể
lớn hơn tốc độ sinh trưởng cực đại của tế bào, nếu không tế bào sẽ bị rửa trôi. Hồi
lưu tế bào giúp tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm cao hơn. Và mặc dù ly tâm là hiệu
quả cho quá trình phân tách vi sinh vật, nhưng chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì rất
cao.
Sử dụng membrane bán thấm ra đời từ rất sớm vào năm 1896, khi Metchnikoff
et al. nỗ lực chỉ ra sự tồn tại độc tố cholera trong canh trường nuôi cấy Cholera
vibrios trong collodion sac. Gerhardt và cộng sự đã thực hiện một vài thí nghiệm
đầu tiên trên hệ thống thẩm tách cho nhiều ứng dụng khác nhau. Họ chỉ ra việc tháo
bỏ liên tục sản phẩm trao đổi chất sẽ cho kết quả tốt hơn trong quá trình lên men.
Tuy nhiên sự thẩm tách không khả thi ở quy mô công nghiệp, vì tốc độ phản ứng bị
giới hạn bởi tốc độ cơ chất và sản phẩm có thể khuếch tán qua màng. Sử dụng động
lực áp suất bằng MF hay UF hiệu quả hơn (Michaels 1968). Budd và Okey 1969 lần
đầu tiên ứng dụng mô hình hồi lưu tế bào với membrane để xử lý nước thải. Và nó
cũng được chú ý trong sản xuất ethanol và acid lactic. Trường hợp sản xuất ethanol
bởi nấm men Kluyveromyces fragilis, nồng độ tế bào đạt 90g/L là tối ưu. Sản xuất
acid lactic bằng Lactobacillus sp. yêu cầu khoảng 60 g/L. Nhiều nghiên cứu đã cho
thấy được hiệu quả của sự phối hợp membrane vào quá trình lên men, như trong sản
xuất acid acetic từ glucose bởi vi khuẩn Clostridium thermoaceticum trong điều
kiện kỵ khí (Parekh và Cheryan 1994), kết quả là tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm
gấp 10 lần so với quá trình lên men tĩnh. Sản xuất giấm trong điều kiện hiếu khí từ
ethanol bằng Acetobacter aceti, một trường hợp đạt tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm
là 8g/L.h (Reed và Bogdam 1986), trường hợp khác hiệu suất đạt 12.6 g/L.h – gấp
4.6 lần so với lên men tĩnh (Park et al 1989).
Tóm lại, hệ thống MBRs là kết quả tốt nhất để làm tăng nồng độ sinh khối và
tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm trong các quá trình lên men.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

14
2. Các loại mô hình membrane trong MBRs:
Vì mục đích sử dụng membrane là phân tách vi sinh vật thu nhận sản phẩm nên
trong MBRs, thường người ta sử dụng membrane vi lọc (microfiltration – MF),
cũng có một số trường hợp sử dụng membrane loại siêu lọc (ultrafiltration – UF).
Thiết bị membrane trong hệ thống MBRs phổ biến với 4 mô hình sau: thiết bị
dạng ống, dạng bảng, dạng sợi và dạng cuốn xoắn.
a. Mô hình ống
Thiết bị membrane có dạng hình trụ, bên trong chứa nhiều ống trụ nhỏ đặt song
song. Mỗi ống trụ nhỏ thường được cấu tạo bằng thép không rỉ, có đường kính dao
động từ 12.5-75mm, chiều dài khoảng 0.6-6.4m và được đục các lỗ nhỏ trên thân.
Các membrane cũng có dạnghình trụ được lồng ép sát thành trong của các ống trụ
nhỏ trên.
Hỗn hợp sau lên men hoặc canh trường sẽ được bơm vào từ một đầu của thiết bị
và được phân phối vào bên trong các ống trụ nhỏ. Dòng retentate sẽ tiếp tục đi hết
theo chiều dài các ống trụ nhỏ và thoát ra ở đầu bên kia của thiết bị rồi hồi lưu về
thiết bị lên men (nếu có). Dòng 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 bị.
Hình 1.4. Thiết bị membrane – mô hình ống
Bên trong thiết bị membrane có thể được chia thành nhiều khoang, mỗi khoang
gồm một số ống trụ nhỏ song song nằm cạnh nhau. Đầu tiên hỗn hợp sau lên men
(canh trường) sẽ được bơm vào một khoang trong thiết bị. 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 và cứ tiếp tục… Như vậy dòng retentate
thoát ra từ khoang cuối sẽ có nồng độ đạt giá trị yêu cầu.
Hình 1.5. Thiết bị membrane – mô hình ống
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
15
Mô hình ống có ưu điểm là tạo ra dòng chảy rối trong quá trình vận hành; đơn

giản khi vệ sinh, thay thế membrane sử dụng và bảo trì thiết bị. Tuy nhiên, thiết bị
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.
b. Mô hình sợi
Mô hình sợi có cấu tạo như mô hình ống. Thiết bị membrane được chế tạo bằng
thép không rỉ có dạng hình trụ với đường kính thường dao động trong khoảng 2.5-
17cm, chiều dài 18-120cm. Bên trong thiết bị chứa bó sợi membrane. Mỗi module
chứa từ 50-3000 sợi. Đường kính sợi thay đổi từ 0.2-3mm. Thông thường chiều dày
membrane từ 100-400μm.
Trong vận hành, hỗn hợp sau lên men hoặc canh trường được bơm vào bên
trong thiết bị và chui vào trong các sợi membrane. Dòng retentate sẽ đi hết theo
chiều dài sợi và tập trung thoát ra ở đầu còn lại của thiết bị. Dòng permeate sẽ chui
qua các lỗ mao dẫn, thoát ra ngoài sợi rồi được tập trung về cửa ra nằm trên thân
thiết bị. Riêng hãng Dupont thiết kế một số thiết bị sử dụng trong kỹ thuật thẩm
thấu ngược đã cho dòng hỗn hợp sau lên men đi vào khoảng không gian trống giữa
các sợi membrane, khi đó, một số cấu tử sẽ chui qua mao dẫn membrane để vào bên
trong sợi tạo nên dòng permeate.
Hình 1.6. Thiết bị membrane – mô hình sợi
Ưu điểm của mô hình sợi là dễ chế tạo, thiết bị ít chiếm diện tích nhà xưởng dù
diện tích membrane sử dụng rất lớn, điều này rất cần thiết cho hoạt động vi sinh vật
trên màng, hay trong trường hợp cố định tế bào vi sinh vật, membrane này ít tốn
năng lượng cho quá trình. Tuy nhiên, trong vận hành, một số sợi membrane dễ bị
tổn thương và việc thay thế chúng khá tốn kém và phức tạp. Hơn nữa, do đường
kính sợi membrane khá nhỏ, những nguyên liệu dạng keo dễ gây tắc nghẽn
membrane.
c. Mô hình bảng/ tấm
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
16
Mỗi đơn vị cấu tạo nên mô hình bảng bao gồm một tấm đỡ, hai miếng đệm và
hai membrane ép sát vào nhau. Các tấm đỡ có dạng hình hộp chữ nhật với độ dày

rất mỏng, diện tích bề mặt từ 0.11-0.35 m
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 tích bề mặt bằng
đúng với diện tích bề mặt tấm đỡ và được đặt sát lên các miếng đệm.
Trong thiết bị membrane, các đơn vị trên được đặt song song với nhau. Tùy
thuộc vào số đơn vị được lắp ráp nhiều hay ít mà tổng diện tích membrane sử dụng
trong thiết bị có thể dao động trong một khoảng rất lớn, từ 0.1-100 m
2
. Khoảng cách
giữa các đơn vị là cửa vào cho dòng nhập liệu và cửa ra cho dòng retentate. Một số
cấu tử trong dòng nhập liệu sẽ chui qua mao dẫn membrane, theo các lỗ vi xốp của
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 bị đơn giản.
Ngoài ra mô hình này còn có tính linh động cao.
d. Mô hình cuộn xoắn
Thiết bị 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 của hai membrane được quay ngược nhau), cách nhau bởi một tấm đệm với
vật liệu phổ biến là polypropylene.
Hình 1.7. Thiết bị membrane – mô hình cuộn xoắn
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
17
Dòng nhập liệu được bơm vào một đầu thân trụ và di chuyển dọc theo thân trụ
bởi một kênh có cơ cấu tiết diện hình xoắn ốc. Dòng sản phẩm retentate sẽ được tập
trung và thoát ra ở đầu kia của thiết bị 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 tiết diện hình xoắn ốc và được liên thông với ống hình trụ trung tâm. Từ ống hình
trụ trung tâm, dòng permeate sẽ được tập trung thoát ra ngoài thiết bị.
Ưu điểm của mô hình này là giá thành thấp hơn so với các mô hình khác. Tuy
nhiên, tính linh động của màng không cao.
Mỗi loại membrane có những ưu nhược điểm khác nhau. Tùy vào điều kiện thực tế mà
các nhà sản xuất chọn mô hình membrane phù hợp cho hệ thống MBRs. Chẳng hạn như
- Khi khảo sát quá trình vận hành dài liên tục của Saccharomyces cerevisiae sinh
tổng hợp ethanol trên hệ thống MBRs, người ta sử dụng thiết bị membrane là 13 ống
ceramic hình trụ song song cách đều và đặt bên trong bình lên men, mỗi ống hình trụ có
đường kính trong 8mm, đường kính ngoài 11mm, chiều cao 80mm (B.G.Park và cộng
sự 1998)
- Membrane có cố định xúc tác sinh học thường được sử dụng trong mô hình sợi
vì mô hình này có ưu điểm là diện tích bề mặt lớn. Ví dụ như trong quá trình lên men
chuyển hóa đường saccharose thành đường palatinose bằng cách cố định tế bào
Serratia plymuthica trên membrane sợi rỗng được làm từ những sợi polysulfone dày
200μm, đường kính trong 8μm (A. Krastanov và cộng sự 2007).
B.3/ Cấu tạo và phương thức hoạt động của MBRs:
Đối với nhà sản xuất, việc lựa chọn phù hợp cấu tạo và phương thức hoạt động cho
mô hình MBRs là rất quan trọng, làm sao để đạt được hiệu quả trong quá trình sinh học
đồng thời quá trình phân tách sản phẩm được dễ dàng, hạn chế tối đa những sự cố về thiết
bị lên men cũng như về màng.
1. Hệ thống MBRs với membrane nằm ngoài thiết bị lên men (external membrane
bioreactor)
a. Mô hình hồi lưu đơn giản
Hình 1.8. Mô hình MBR đơn giản
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
18
Mô hình gồm có hệ thống thiết bị lên men, một thiết bị membrane và một bơm. Bình
lên men có cánh khuấy, có thể hoạt động theo chu trình kín hay bán kín, có hồi lưu
(membrane recycle bioreactor – MRB). Thể tích sử dụng của thiết bị membrane nhỏ hơn

nhiều so với thiết bị lên men chính. Ban đầu, bình lên men được châm cơ chất và tạo điều
kiện thích hợp cho quá trình lên men, vi sinh vật được bổ sung vào môi trường và thực
hiện quá trình chuyển hóa sinh học. Sau đó, hỗn hợp trong bình sau khi lên men được
bơm qua membrane (phổ biến là MF), tại đây thực hiện quá trình phân tách, vi sinh vật bị
giữ lại trên màng, còn sản phẩm và những chất tan có phân tử lượng nhỏ thấm qua màng
tạo dòng permeate và thoát ra khỏi hệ thống. Dòng retentate gồm sinh khối và cơ chất
chưa sử dụng được hồi lưu trở về bình lên men để tiếp tục thực hiện quá trình.
Tổng thể tích của hệ thống luôn giữ không đổi, tức luôn cân bằng lưu lượng dòng cơ
chất vào và dòng sản phẩm ra (dòng permeate).
Nếu cơ chất có phân tử lượng lớn, những phần chưa bị thủy phân hay chỉ mới thủy
phân một phần có kích thước đủ lớn để không lọt qua membrane, mà nó sẽ được hồi lưu
về bình lên men. Nhưng nếu cơ chất có phân tử lượng nhỏ (glucose chẳng hạn), thì cơ
chất không sử dụng cũng sẽ chui qua membrane để thoát ra cùng dòng permeate. Vì thế,
dù nói là MRB có thể áp dụng với mọi loại cơ chất, nhưng thực tế, MRB chỉ thích hợp
với những kiểu lên men từ cơ chất có phân tử lượng lớn (như protein, tinh bột,
cellulose )
Nhờ có sự hồi lưu về thiết bị lên men nên MRB hạn chế đáng kể sự ức chế do sản
phẩm sinh ra. Ngoài ra, MRB còn có một số ưu điểm khác như nồng độ sinh khối cao, tế
bào được tái sử dụng liên tục, nhờ đó mà chi phí nhân giống và bảo quản giống giảm
đáng kể.
Tuy nhiên, sự khuấy trộn hoàn toàn trong thiết bị lên men làm ảnh hưởng đến quá
trình chuyển hóa sinh học của vi sinh vật, do nồng độ cơ chất có giới hạn. Cụ thể là trong
trường hợp sản xuất acid acetic từ dịch chiết trái cây, ethanol sinh ra bởi Sacchromyces
cerevisiae từ đường trong dịch chiết trái cây được bơm qua membrane, nên còn lại không
nhiều trong bình lên men để Acetobacter aceti chuyển hóa ra acid acetic, từ đó, việc sinh
tổng hợp acid acetic sẽ giảm. Để khắc phục nhược điểm này, người ta đề xuất ra dạng
MRB khác.
b. Mô hình hồi lưu mắc nối tiếp
Hình 1.9. Mô hình MRB mắc nối tiếp
Cơ chất S với tốc độ dòng chảy F và nồng độ S

0
được đưa vào bậc thứ nhất có thể tích
V
1
và nồng độ xúc tác là C
1
. Dòng permeate từ bậc thứ nhất có chứa sản phẩm nồng độ P
1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
19
tiếp tục đưa qua bậc thứ hai có nồng độ xúc tác là C
2
với thể tích V
2
. Quá trình cứ tiếp tục
đến bậc thứ n là nơi đòi hỏi mức độ chuyển hóa phải đạt, sản phẩm cuối cùng rời khỏi hệ
thống có nồng độ P
n
tại tốc độ dòng chảy F.
Tổng thể tích của hệ thống này được giảm thiểu so với mô hình hồi lưu không mắc
nối tiếp, nhờ đó tốc độ phản ứng ở các bậc được cải thiện đáng kể (ngoại trừ bậc cuối
cùng). Tuy nhiên, hệ thống phức tạp, chi phí membrane và bơm là khá cao, kết hợp với
phần cứng và hệ thống điều khiển phức tạp, nên không có hiệu quả kinh tế khi sử dụng
quá ba bậc.
Áp dụng hệ thống MRB mắc nối tiếp này là hiệu quả trong quá trình sản xuất ethanol
từ tinh bột (Lee at el. 1982) hay sản xuất acid acetic từ dịch chiết trái cây như đã đề cập ở
trên, với bậc thứ nhất diễn ra quá trình sinh tổng hợp ethanol bởi nấm men, chuyển
ethanol đó qua bậc thứ hai, Acetobacter dùng ethanol này chuyển hóa thành acid acetic.
Loại MRB này khá nhạy khi thay đổi tốc độ pha loãng hay thời gian lưu. Nếu tốc độ
pha loãng quá cao trong bậc thứ nhất, nấm men sẽ ngừng trao đổi fructose. Còn ở bậc thứ

hai, tốc độ pha loãng cao sẽ làm giảm việc sử dụng ethanol của Acetobacter và giảm luôn
hàm lượng acid acetic sinh ra.
c. Mô hình hồi lưu nhiều bậc nhưng chỉ có 1 module membrane ở bậc cuối
Hình 1.10. Mô hình MBR nhiều bậc với 1 module membrane
Hoạt động hệ thống cũng tương tự như trên. Cơ chất S với tốc độ dòng chảy F và
nồng độ S
0
được đưa vào bậc thứ nhất có thể tích V
1
và nồng độ xúc tác là C
1
. Toàn bộ
hỗn hợp sau lên men từ bậc thứ nhất sẽ được chuyển vào bậc thứ hai có nồng độ xúc tác
là C
2
với thể tích V
2
, và cứ như vậy cho tới bậc thứ n. Tại bậc thứ n này, hỗn hợp sau lên
men được đưa qua thiết bị membrane. Dòng permeate chứa sản phẩm được tháo ra ngoài
có nồng độ P
n
tại tốc độ dòng chảy F.
Mô hình này có hiệu quả kinh tế cao hơn so với mô hình hồi lưu mắc nối tiếp vì giảm
đáng kể chi phí membrane, chi phí vận hành, đặc biệt nó khả thi hơn nếu cơ chất và sản
phẩm dễ thấm qua membrane. Trong hệ thống này, toàn bộ quá trình được đánh giá qua tỷ
số hồi lưu R/F. Với tỷ số cao nghĩa là vi sinh vật phân phối đều trong các bậc, trong khi
nếu tỷ số này thấp, thì việc chuyển hóa hầu như thực hiện ở bậc cuối cùng. Điều này được
thể hiện rất rõ trong quá trình chuyển hóa N-acetyl- D,L-methionine thành L-methionine
bởi enzyme acylase (Wandrey và Flaschel 1979).
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

20
Hệ thống này được ứng dụng trong lên men ethanol liên tục từ glucose bằng Z.
mobilis, sử dụng mô hình hai bậc, với V
1
=1.65L, V
2
=0.83L, sinh khối trong bậc thứ hai
cao hơn gấp 10 lần so với bậc đầu tiên, nồng độ ethanol sinh ra rất cao và cơ chất được sử
dụng hiệu quả (Charley et al. 1983). Hoặc trường hợp khác, đối với lên men sodium
acetate từ glucose bởi Clostridium thermoacetium, sử dụng hệ thống MRB hai bậc, kết
quả là tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm tăng 11%, nồng độ sản phẩm cao hơn so với MRB
một bậc. Tỷ số hồi lưu R/F là 0.25, cơ chất và nguồn dinh dưỡng được cung cấp ở bậc 1.
Nồng độ tế bào trong bậc thứ hai cao gấp 3 lần so với bậc đầu. Hệ thống MRB hoạt động
ổn định và có thể kéo dài thời gian vận hành (Shah và Cheryan 1995)
2. Hệ thống MBRs với membrane nằm bên trong (internal membrane bioreactor)
Membrane nằm bên trong thiết bị lên men, hay nói cách khác, membrane được sử
dụng như một bioreactor, tức ở trường hợp này, membrane thực hiện cả hai chức năng:
vừa đóng vai trò là chất mang để vi sinh vật thực hiện chuyển hóa trao đổi chất, vừa thực
hiện quá trình phân tách ngay sau khi vi sinh vật sinh tổng hợp sản phẩm.
Hình 1.11. Mô hình MBRs với membrane bên trong
Cố định tế bào trên membrane được thử nghiệm khá thành công (Belfort và Heath
1993), và ứng dụng hiệu quả trong vấn đề tăng mật độ sinh khối. Tế bào được đổ lên
khắp màng với dòng chảy của môi trường ổn định liên tục, nguồn dinh dưỡng và oxy
được cung cấp, vi sinh vật sẽ thực hiện quá trình sinh tổng hợp tạo sản phẩm ở bề mặt
màng, sau đó sản phẩm ta cần được tháo ra, còn tế bào thì bị giữ lại trên membrane. Rất
nhiều loại hình membrane được nghiên cứu (như mô hình tấm hay cuộn xoắn…), mặc dù
là dạng sợi rỗng luôn đặc biệt chú ý. Tế bào vi sinh vật có thể sinh trưởng cùng với môi
trường trên khắp các sợi trong khoảng không gian phía ngoài mao dẫn, hoặc là sinh
trưởng bên trong các sợi, lúc này dòng môi trường ở phía ngoài hoặc từ ngoài khuếch tán
vào các sợi. Hiện tượng này ít xảy ra do sự truyền khối bị hạn chế (Heath và Belfort

1988). Một số hình dạng khác được nghiên cứu như vi sinh vật được phát triển trên các
vành giữa 2 sợi (Custer 1988). Việc lựa chọn đường kính trong và đường kính ngoài thích
hợp có thể hạn chế khoảng cách cần khuếch tán của các thành phần trong môi trường
(oxy, glucose, glutamine, và các chất dinh dưỡng khác…), những tế bào xa nhất khoảng
50μm. So với thiết bị truyền thống thì hệ thống này thu được nồng độ tế bào cao hơn,
hiệu suất riêng và mật độ tế bào cũng lớn hơn.
Loại MBR này được sử dụng sinh tổng hợp một sản phẩm trao đổi chất, chẳng hạn
như sản xuất amino acids, thuốc kháng sinh, kháng viêm, vitamin… còn trong sản xuất
thực phẩm đa phần là thu nhận sinh khối, nên việc thu nhận sản phẩm là khó khăn.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
21
Có 2 trường hợp:
a. Trường hợp có sự vận chuyển môi trường qua membrane
Hình 1.12. Mô hình MBRs có sự vận chuyển môi trường qua membrane
Trong quá trình vận hành, dưới áp suất, membrane cho phép khuếch tán các chất dinh
dưỡng đi qua bề mặt của nó. Không khí được cung cấp một bên bề mặt membrane (nơi cố
định vi sinh vật) tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển. Bên trong membrane vi sinh vật
không thể phát triển hiếu khí được, mà chỉ có sự di chuyển của cơ chất và sản phẩm. Sản
phẩm vi sinh vật sinh tổng hợp sẽ được tháo ra ngoài theo định kỳ.
Điển hình là membrane ceramic nung kết, nó có ưu điểm là không thấm nước nên
đảm bảo điều kiện vận chuyển cơ chất dưới áp suất và khuếch tán sản phẩm. Hay
membrane dạng sợi rỗng có lớp màng sinh học ở phía ngoài, tạo diện tích tiếp xúc lớn
giữa vi sinh vật và cơ chất.
Tuy nhiên, hệ thống này có nhược điểm là việc vận chuyển qua màng đòi hỏi phải có
áp suất, nếu áp suất qua màng mà không ổn định sẽ ảnh hưởng đến tính chất và hoạt tính
của màng, màng dễ bị nứt vỡ, tổng các lỗ xốp thấp làm hoạt tính màng thấp, nguồn dinh
dưỡng giảm làm hạn chế sự phát triển sinh khối vi sinh vật, từ đó hiệu suất sinh tổng hợp
sản phẩm không cao.
Để khắc phục nhược điểm này, yêu cầu nguồn dinh dưỡng phân bố đều khắp màng để
tránh bị hư hỏng dưới áp suất.

Hơn nữa, hệ thống này đòi hỏi kết cấu khá phức tạp, giá mang sẽ gây ảnh hưởng đến
lớp màng sinh học, làm giảm tốc độ khuếch tán oxy và chất dinh dưỡng qua màng.
Ở hệ thống này, có thể có hoặc không có hồi lưu. Dưới đây là một minh họa về mô
hình hồi lưu:
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
22
Hình 1.13. Mô hình hồi lưu
Đầu tiên, chất dinh dưỡng đưa vào theo hệ thống dòng vào, sau đó khuếch tán qua
membrane. Membrane dạng tấm phẳng thẳng đứng, gồm 2 membrane đi liền với nhau
thành từng cặp, mỗi membrane có một lớp màng sinh học cố định trên đó, lớp màng này
chứa vi sinh vật, không khí được thổi vào khắp tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển
hiếu khí trên màng. Bộ phận cào giúp việc lưu thông khí tốt hơn. Sản phẩm sinh ra được
khuếch tán qua màng theo dòng ra cùng với nguồn cơ chất không khuếch tán. Sau đó sản
phẩm sẽ được phân tách, còn lại sẽ được hồi lưu về tiếp tục quá trình.
b. Trường hợp môi trường không khuếch tán qua membrane
Hình 1.14. Mô hình MBR không có sự vận chuyển môi trường qua membrane
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
23
Vi sinh vật ban đầu ở bên trong pha lỏng. Khí oxy được bơm vào ở một phía khác của
membrane. Vi sinh vật muốn phát triển hiếu khí phải bám lên membrane để lấy oxy. Từ
bề mặt này, quá trình trao đổi chất sinh tổng hợp sản phẩm hình thành. Sản phẩm sẽ được
tháo ra ngoài theo định kỳ.
Mô hình này có nhược điểm là khí đi vào phải cung cấp dưới áp suất, membrane phải
chịu được áp lực khí cao, làm chi phí thiết bị tăng, điều khiển phức tạp.
3. Hệ thống MBRs với hai thiết bị lên men có sự trao đổi cơ chất lẫn nhau:
Nghiên cứu về tương tác vi sinh vật thường đòi hỏi phương pháp phân tích phức tạp
và đắt tiền. Trong quá trình lên men, một trong các thông số quan trọng cần phải xác định
là sinh khối. Tuy nhiên, việc xác định sinh khối cực kỳ khó khăn nếu có 1 hệ vi sinh vật
cùng phát triển chung, đặc biệt là những vi sinh vật cùng loài, dù rằng xác định sinh khối
tổng là không khó.

Hơn nữa, mỗi loại vi sinh vật có điều kiện sinh trưởng và phát triển khác nhau, lượng
oxy đòi hỏi cũng khác nhau. Nếu vi sinh vật cùng tồn tại chung trong một môi trường, sẽ
rất khó điều chỉnh nhu cầu lượng oxy cho chúng.
Vì vậy, người ta đưa ra phương pháp là để mỗi vi sinh vật phát triển riêng trong mỗi
bình lên men, và nguyên tắc cơ bản là cần có sự hòa trộn đều giữa hai canh trường, sao
cho tại bất kỳ thời điểm nào, thành phần cơ chất của môi trường trong cả hai bình luôn
giống nhau, ngoại trừ điều kiện oxy trong 2 bình là khác nhau để tương ứng với sự sinh
trưởng của mỗi loài vi sinh vật trong mỗi bình lên men.
Trường hợp này, membrane có thể nằm trong hay nằm ngoài thiết bị lên men, số
lượng membrane có thể chỉ là một, cũng có thể tương ứng với số lượng bình lên men.
Dưới đây là hai mô hình điển hình:
a. Mô hình hai bình lên men với 1 membrane nằm trong (Sebastien Pommier và
cộng sự 2002)
Hình 1.15. Mô hình MBRs với membrane trong bình
Hai bình lên men được nối với nhau bởi module membrane sợi rỗng, chìm vào chất
lỏng của một trong hai bình. Các sợi có dạng chữ U được nối với nhau tại phần trên với các
hạt nhựa tổng hợp. Chùm này được chứa trong túi thép không rỉ. Kích thước lỗ sợi
membrane khoảng 0.1μm cho phép sản phẩm trao đổi chất và cơ chất đi qua, trong khi các
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
24
tế bào vi sinh vật bị giữ lại. Sử dụng áp suất gây ra dòng chảy giữa hai bình, cũng như vấn
đề hòa trộn. Hiệu quả hơn trong trường hợp có điều khiển việc súc rửa định kỳ để hạn chế
hiện tượng tắc nghẽn màng
b. Mô hình hai bình lên men với hai thiết bị membrane nằm ngoài (Masayuki
Taniguchi và cộng sự 1997)
Đối với môi trường là hỗn hợp nhiều chất, chẳng hạn như môi trường là hỗn hợp hai
loại đường: xylose và glucose, người ta muốn sản xuất ethanol từ việc nuôi cấy hỗn hợp
vi sinh vật gồm hai loại là Saccharomyces cerevisiae và Pichia stipitis. Theo phương
pháp truyền thống, người ta cùng cho hỗn hợp giống cấy này vào chung một bình lên
men, và kết quả thu được là hiệu suất sinh tổng hợp ethanol rất thấp, thấp hơn cả việc chỉ

nuôi cấy riêng Pichia stipitis, do không thể điều chỉnh phù hợp lượng oxy tối ưu cho mỗi
loại vi sinh vật phát triển. Hiện tượng sinh trưởng kép (diauxic) xuất hiện trong trường
hợp này, tức là glucose phải được tiêu thụ gần hết rồi mới tới việc tiêu thụ xylose trong
canh trường. Vì vậy, người ta đã đề ra giải pháp là: cũng hỗn hợp giống đó nhưng nuôi
cấy riêng từng loài trong từng bình lên men, và điều chỉnh các thông số kỹ thuật tối ưu
cho mỗi loài phát triển.
Hình 1.16. Mô hình MBRs với 2 membrane ngoài 2 bình
Trong trường hợp này, Pichia stipitis cho vào bình lên men A, Saccharomyces
cerevisiae cho vào bình lên men B, nuôi cấy riêng ở điều kiện thích hợp cho mỗi loài. (A
và B – TBR2, Sakura Seiki Co.,Tokyo). Tại bình A, người ta cung cấp khí với lưu lượng
khí thích hợp, tối ưu cho sự phát triển của Pichia stipitis. Canh trường sau lên men ở bình
A được đưa qua bơm E rồi vào membrane C (C và D – Microza MF, EMP 13, Asahi
Kasei Kogyo Co., Tokyo). Ở đây, quá trình lọc thực hiện tách bỏ sinh khối. Dòng
permeate chủ yếu là ethanol tiếp tục đưa qua bộ phận điều chỉnh lọc G rồi vào bình lên
men B. Có sự hòa trộn đồng đều giữa hai canh trường trong hai bình lên men nhằm ổn
định quá trình lên men. Tại bình lên men B, S. cerevisiae phát triển trong điều kiện kỵ khí
(bằng cách cung cấp khí nitơ). Canh trường sau lên men ở bình này được đưa qua bơm F
vào thiết bị membrane. Dòng permeate trở về lại A qua bộ phận điều chỉnh lọc H. Quá
trình cứ tiếp tục cho đến khi hiệu suất ethanol đạt yêu cầu.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
25
B.4- Một số hiện tượng xảy ra trong quá trình hoạt động MBRs:
Trong quá trình hoạt động của MBRs, nồng độ sinh khối cao có thể ảnh hưởng không
tốt đến tính chất của chất lỏng (có thể là sự chuyển khối, hay hiện tượng tắc nghẽn…),
cũng như ảnh hưởng xấu đến khả năng xúc tác sinh học của tế bào vi sinh vật (hình thái
cấu tạo, hoạt tính…). Trong quá trình phân riêng, trên bề mặt membrane có thể có đến
10
6
CFU/cm
2

, bao gồm vi khuẩn, nấm mốc và nấm men (Baker và Dudley 1998). Hơn
nữa, việc vận hành cánh khuấy, bơm hay các tác động cơ học khác cũng có thể làm ảnh
hưởng đến sự trao đổi chất của vi sinh vật và phân tách sản phẩm.
1. Hiện tượng tắc nghẽn membrane:
a. Nguyên nhân
Hiện tượng tắc nghẽn membrane có thể do những cấu tử rắn lơ lửng, cơ chất hay
sản phẩm sinh ra… từ quá trình lên men. Các phần tử này bám trên membrane hay các
bề mặt lỗ, hấp phụ vào các lỗ membrane gây tắc màng, và cũng có khi các phần tử này
lắng xuống tạo nên lớp bánh quanh màng.
Hình 1.17. Ba hiện tượng gây ra tắc nghẽn membrane
A. Sự hấp thụ (Adsorption)
B. Tắc lỗ (Pore clogging)
C. Lớp bánh (Cake formation)
• Hấp thụ
Việc hấp thụ các phần tử lên membrane phụ thuộc vào thành phần môi trường và
những sự biến đổi của chúng trong suốt quá trình trao đổi chất. Ví dụ khi môi trường
nuôi cấy nấm men mới được thay trong giai đoạn MF (Carbosep M14, Techsep France)
đã làm giảm độ thấm nước lên tới 40%. Sự hấp thụ các phần tử lên bề mặt membrane là
khác nhau khi các vật liệu làm membrane khác nhau. Ví dụ, acid humic và các vật liệu
hữu cơ tự nhiên có tác động mạnh hơn lên sự giảm lưu lượng dòng so với các hạt keo
vô cơ khác, thậm chí ngay cả ở nồng độ thấp.
Tính chất của các vật liệu hữu cơ có mối liên quan đến sự tắc nghẽn membrane bao
gồm: sự tương đồng của chúng với membrane, khối lượng phân tử, các nhóm chức và
hình dạng. Sự tắc nghẽn membrane cũng liên quan chặt chẽ với tương tác kỵ nước của
các vật liệu làm membrane. Theo đó, membrane chế tạo từ các vật liệu có tính ưa nước
thì thường ít gây tắc membrane hơn so với các membrane được chế tạo từ các vật liệu
có tính kỵ nước.
• Tắc lỗ
Mật độ tắc lỗ phụ thuộc một phần vào sự phân bố kích thước lỗ, và quan trọng hơn
là do các mảnh vụn tế bào dưới tác động cơ học hay thủy phân.

• Sự hình thành lớp bánh
ĐỒ ÁN MÔN HỌC