Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

1

Chương 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.
− 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.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

2

 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 Dsorbitol 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 6amino-pencillanic acid (6-APA), với membrane sợi rỗng bằng polysulfone hay
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 anticarcinoembryonic 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


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

3

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



Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

4

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


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

5

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 (Tmax ≤ 35-400C; 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 (Tmax ≤ 500C; 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
≤750C; 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≤3500C;

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

6

pH = 0.5-13), do đó ta có thể sử dụng hơi để vô trùng thiết bị. 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.
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).

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

7

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.

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.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC



Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

8

Hình 1.5. Thiết bị membrane – mô hình ống
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 2.517cm, 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.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

9


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
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 m2. 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

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

10

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
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

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

11

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
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

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

12

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
V1 và nồng độ xúc tác là C1. Dòng permeate từ bậc thứ nhất có chứa sản phẩm nồng độ P 1
tiếp tục đưa qua bậc thứ hai có nồng độ xúc tác là C 2 với thể tích V2. 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 Pn 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.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

13

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 S0 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 C2 với thể tích V2, 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 Pn 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).
Hệ thống này được ứng dụng trong lên men ethanol liên tục từ glucose bằng Z.
mobilis, sử dụng mô hình hai bậc, với V1=1.65L, V2=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.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC



Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

14

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.
Có 2 trường hợp:
a. Trường hợp có sự vận chuyển môi trường qua membrane

ĐỒ ÁN MÔN HỌC



Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

15

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



Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

16

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


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

17

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


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR


18

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


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

19

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
106CFU/cm2, 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


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

20

Trở lực do lớp bánh tạo ra sẽ tăng khi các phần tử cấu thành lên các bánh đó giảm
kích thước. Các lớp gel của nguyên liệu có thành phần là các phân tử lớn sinh ra trở lực
đáng kể. Các lớp bánh và các lớp gel đóng vai trò như là một vật ngăn hay là một
membrane thứ hai loại đi những phân tử chất tan trong dòng lưu chất.
b. Hệ quả

Hiện tượng tắc nghẽn membrane dẫn đến hai hệ quả chính:
− Thứ nhất là tính chọn lọc của membrane bị thay đổi, làm cho những sản phẩm
ta mong muốn thu nhận trong dòng permeate bị giữ lại trên membrane.
− Thứ hai là tốc độ dòng permeate giảm đáng kể do trở lực gây ra trong tắc
nghẽn màng rất lớn. Tốc độ giảm này tỉ lệ thuận với khối lượng của các chất
tích tụ trong quá trình lên men. Trong một thời gian ngắn, dòng permeate giảm
đến khi sự dịch chuyển các phân tử tới tích tụ trên màng cân bằng sự thoát ra
của các phân tử tích tụ trên màng ra khỏi màng, và khi đó lưu lượng dòng
permeate giữ ở một giá trị ổn định.
Trong suốt quá trình nuôi cấy S. cerevisiae, tốc độ dòng permeate giảm rất nhanh
cùng lúc với việc tăng sinh khối, cho đến khi trạng thái cân bằng được thiết lập, nói
chung là thấp hơn từ 5-10 lần so với dòng permeate hình thành ban đầu. Việc giảm
dòng chảy sẽ dẫn đến tốc độ pha loãng giảm, nguồn dinh dưỡng giảm làm hoạt tính
riêng của vi sinh vật cũng sẽ giảm, kết quả là làm giảm hiệu suất sinh tổng hợp sản
phẩm tính theo thể tích.
Hiện tượng tắc nghẽn màng là một tính chất quan trọng được coi là làm thay đổi
dòng chảy rất khó tránh khỏi. Tùy từng hệ thống, sự thay đổi có thể diễn ra trong một
hay nhiều giai đoạn, thường diễn ra ở tốc độ nhanh trong một vài phút đầu, sau đó sự
thay đổi giảm dần. Các phương pháp khắc phục có thể chỉ làm tăng dòng chảy một cách
tạm thời hay đó chỉ là loại bỏ sự ảnh hưởng trong một giai đoạn ngắn mà thôi, chứ
không hoàn toàn loại bỏ được hiện tượng này. Việc ta có thể làm được là tối ưu hoá hệ
thống để dòng chảy không giảm mạnh trong thời gian vận hành.
2. Một số hiện tượng sinh học
Hoạt tính riêng của tế bào vi sinh vật giảm cùng lúc với nồng độ sinh khối tăng. Tại
mức tế bào đạt giá trị tới hạn thì tốc độ phát triển của vi sinh vật gần như là 0. Hoạt tính
vi sinh vật giảm còn do sự tích tụ độc tố ở dòng retentate, vì vậy, cần lựa chọn
membrane phù hợp để tránh điều này. Cũng có thể giải quyết bằng cách tăng tốc độ pha
loãng, tuy nhiên, vấn đề về tốc độ pha loãng lại có liên quan đến hiện tượng tắc nghẽn
membrane.
Không chỉ ảnh hưởng đến hoạt tính mà sự vận hành của hệ thống MBRs còn ảnh

hưởng đến tính toàn vẹn (hình dạng, cấu trúc vi sinh vật) do áp lực cơ học tác động lên
các tế bào, từ đó ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng quá trình, nhất là trong các mô hình
có hồi lưu sinh khối.
Tóm lại, sự vận hành hệ thống MBRs cần được tối ưu hóa. Muốn hiệu suất tăng
nhanh, cần điều chỉnh giá trị tốc độ pha loãng, cũng như các yếu tố đầu vào phải phù
hợp. Hơn nữa, cần chú ý điều kiện vận hành không quá mãnh liệt dễ gây tắc nghẽn, kéo
đến vô số hệ quả không tốt trong quá trình hoạt động của hệ thống.
3. Một số hiện tượng khác

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

21

− Hiện tượng lưu biến của canh trường, cụ thể là khi sinh khối tăng, chất lỏng chuyển
từ trạng thái Newton sang phi Newton, làm cho việc hòa trộn là khó khăn, cũng như quá
trình truyền khối bị ảnh hưởng đáng kể.
− Khả năng chuyển hóa oxy ở những mô hình hiếu khí cũng là một vấn đề cần lưu
tâm, vì đôi khi, oxy cung cấp không đủ để vi sinh vật thực hiện chuyển hóa sinh học,
làm giảm hiệu suất sinh tổng hợp sản phẩm. Hơn nữa, độ nhớt tăng, do sinh khối tăng,
làm độ phân bố khí giảm.
− Tương tác sinh học của quần thể vi sinh vật trong hệ thống.
− Các vấn đề cần xử lý trong hệ thống đường dẫn, do bản chất của hỗn hợp sau lên
men có độ nhớt tăng, nên hiện tượng nghẹt đường ống, nghẹt bơm rất dễ xảy ra, từ đó,
lưu lượng dòng chảy giảm đáng kể ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình.

Chương 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH
MEMBRANE BIOREACTOR

Quá trình vận hành MBR khá phức tạp, trải qua nhiều giai đoạn nên việc xét các yếu tố
ảnh hưởng của nó đến chất lượng sản phẩm không phải là điều dễ dàng, cần phải tối ưu hóa
bài toán đa biến.
Khá nhiều nghiên cứu đã trực tiếp khảo sát các điều kiện vận hành cũng như tối ưu hóa
những thông số công nghệ khác nhau trong MBRs. Theo Giorno et al (2003), các thông số
cần tối ưu hóa gồm có các yếu tố thuộc quá trình chuyển hóa sinh học (chủng loại vi sinh
vật, hoạt tính giống, động học phản ứng, nguồn cơ chất, độ nhớt dòng vào và dòng ra…),
các thông số hình học của membrane (hình dạng, cấu tạo, trạng thái, kích thước lỗ…) và
các thông số thủy động lực học (áp suất qua màng, tốc độ dòng chảy…).

A. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men
Quá trình lên men trong MBR cũng giống như quá trình lên men trong các CSTR,
thường đối với sản xuất công nghiệp, quá trình này được tóm tắt theo sơ đồ cân bằng vật
chất như sau:
Môi trường trước lên men
Canh trường sau lên men
Cơ chất + giống vi sinh vật  Cơ chất sót + Sinh khối vi sinh vật + các sản phẩm
trao đổi chất ngoại bào do vi sinh vật tổng hợp nên.
Trong MBRs ứng dụng công nghiệp thực phẩm, canh trường sau lên men được đưa qua
thiết bị membrane để tiếp tục lọc tách vi sinh vật, vì vậy thường dòng permeate của hệ
thống này là những sản phẩm trao đổi chất từ vi sinh vật, như dung môi hữu cơ (ethanol,
butanol, acetone…), acid hữu cơ (acid lactic, citric…), acid amin (lysine, acid glutamic…),
hoặc các enzyme do vi sinh vật tiết ra (protease, amilase, pectate lyase, glucosidase…). Do
đó, các nhà sản xuất luôn đặt mục tiêu hàng đầu là tốc độ sinh tổng hợp sản phẩm phải càng
cao càng tốt. Thực tế, một giống vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp rất nhiều sản phẩm
trao đổi chất, vấn đề đặt ra là ta muốn thu nhận sản phẩm nào, điều đó tùy thuộc vào sự kết
hợp đồng thời của 3 yếu tố:

ĐỒ ÁN MÔN HỌC



22

Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

- Giống vi sinh vật
- Môi trường lên men
- Điều kiện lên men: lượng giống cấy, nhiệt độ, thời gian lên men, việc cung cấp oxy,
tốc độ khuấy trộn…
Ngoài ra, các nhà sản xuất cũng rất quan tâm đến các tính chất vật lý của dòng canh
trường ra khỏi bình lên men, làm sao để quá trình phân riêng trên membrane được hiệu quả
trong quá trình vận hành hệ thống MBRs này.
1. Giống vi sinh vật
Việc chọn giống vi sinh vật phù hợp là yếu tố quan trọng trong quá trình lên men.
Giống vi sinh vật này phải thỏa mãn các điều kiện như khả năng sinh tổng hợp độc tố là
thấp nhất, khả năng sinh tổng hợp sản phẩm chính phải cao nhất.
Sự ổn định các hoạt tính trao đổi chất của vi sinh vật trong lên men với hệ thống MBRs
cũng cần được chú ý, vì đối với hệ thống này có sự cố định hay hồi lưu tế bào, do đó đặc
tính môi trường và điều kiện vận hành luôn chuyển biến, đòi hỏi vi sinh vật phải có khả
năng thích nghi cao và chống chịu tốt, để làm sao các tính chất ưu việt của giống vi sinh vật
được đảm bảo trong thời gian vận hành dài.
Ngoài ra, yếu tố môi trường và điều kiện vận hành cũng ảnh hưởng đến việc chọn giống
vi sinh vật. Trong sản xuất quy mô công nghiệp, các nhà sản xuất luôn muốn tìm ra được
nguồn nguyên liệu phổ biến, rẻ tiền, điều kiện lên men không quá phức tạp, dễ điều khiển,
do đó đòi hỏi giống vi sinh vật lên men cũng phải thích hợp với những nguồn nguyên liệu
đó, điều kiện đó, như vậy hiệu suất quá trình mới có thể được nâng cao. Chẳng hạn như:
theo H. Danner et al. (1998) trong sản xuất acid lactic, ông muốn thực hiện quá trình lên
men ở nhiệt độ cao 600C, để có thể lên men trong điều kiện không cần vô trùng với xác suất
nhiễm là thấp nhất, vì vậy, ông đã chọn ra giống vi khuẩn Bacillus sterothermophilus BS
119 – giống này có khả năng lên men hexose và pentose, sản xuất chủ yếu acid lactic với độ

tinh sạch 98%, có thể phù hợp với điều kiện đã đưa ra.

− Ngoài ra, theo Soun-Gyu Kwon (2005), các chủng nấm men Candida tropicals khác
nhau cũng sẽ cho kết quả lên men khác nhau trong mô hình có hồi lưu tế bào.
Bảng 2.1. Sự khác nhau trong quá trình lên men xylitol giữa các chủng nấm men C.
tropicals
Nấm men
C. tropicals ATCC 13803
C. tropicals KCTC 7221
C. tropicals KCTC 10457

Xylose Xylitol
QP
(g/L)
(g/L) (g/L.h)
230
189
4.94
136
110
5.42
214
182
12

YP/S
(g/g)
0.82
0.81
0.85


Tf
(h)
38
20
15

Số chu kỳ
hồi lưu
1
14
10

− Giống vi sinh vật cũng gây ảnh hưởng đến dòng chảy của canh trường sau lên men
trong cùng điều kiện làm sạch bằng khí, dưới áp suất 288 Torr. Kết quả thể hiện ở bảng 2.2.
(T. Asakura và K. Toda 1991)
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
Vi sinh vật
Z. mobilis
S. carlsbergensis

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Lưu lượng dòng chảy (m3/m2.h)
0.074
0.029


23


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

Nấm men bánh mì

0.023

Với nồng độ sinh khối là 200 kg/m3.
Qua đó, các nhà sản xuất có thể chọn giống vi sinh vật phù hợp nhằm mục đích đem lại
hiệu quả kinh tế cao trong suốt quá trình.
2. Môi trường lên men
Về lý thuyết môi trường là nguồn carbon, nitơ, khoáng, các yếu tố sinh trưởng…, tuy
nhiên, khi tỷ lệ các nguồn cơ chất này thay đổi thì hướng sản phẩm cũng sẽ thay đổi theo.
Chẳng hạn như đối với sản phẩm là enzyme amilase thì nguồn cơ chất chủ yếu là tinh bột,
còn đối với sản phẩm là protease, protein sẽ đóng vai trò chủ lực.
Không những thế, các thành phần trong môi trường lên men còn tạo nên giá trị pH và
áp suất thẩm thấu. Hai yếu tố này ảnh hưởng khá đáng kể đến sự sinh trưởng và hoạt tính
sinh tổng hợp sản phẩm của vi sinh vật.
Một môi trường với thành phần cơ chất đầy đủ, theo tỷ lệ tối ưu sẽ giúp cho quá trình
lên men diễn ra nhanh và sản phẩm sau lên men đạt được yêu cầu do các nhà sản xuất đề ra.
Rất nhiều bài báo đã nghiên cứu về vấn đề này.
a. Các thành phần trong môi trường và việc bổ sung thêm nguồn cơ chất
Akinori Ogawa et al. (1995) đã khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi nguồn carbon và
nitơ đến hàm lượng sản phẩm trong sản xuất enzyme protease bằng mô hình MSLC lên
men tĩnh có lặp lại trong thời gian dài, sử dụng loài vi sinh vật Aspergillus oryzae IAM
2704. Kết quả thể hiện như bảng 2.2.
Bảng 2.3. Ảnh hưởng của việc thay đổi nồng độ glucose và casein trong môi trường
Nồng độ glucose Nồng độ casein
(%w/v)
(%w/v)

0.05
0.4
0.2
0.4
0.5
0.1
0.5
0.4
0.5
1
1
0.4
1.5
0.4

Hàm lượng protease
(đơn vị hoạt độ/L)
900
1550
1350
1500
1250
1200
1100

Hàm lượng sản phẩm protease phụ thuộc vào nồng độ cả 2 chất. Đối với trường hợp
0.5% glucose, protease sản sinh là cao nhất khi nồng độ casein là 0.4%. Còn trong trường
hợp nồng độ casein là 0.4% thì hàm lượng protease cực đại khi nồng độ glucose là 0.2%.
Hàm lượng protease giảm khi tăng glucose lên 1 hay 1.5%, có thể vì glucose là lượng sử
dụng chủ yếu để vi sinh vật sinh trưởng, chứ không phải sinh tổng hợp sản phẩm. Với

0.05% glucose và 0.4% casein, protease là thấp nhất do không đủ cơ chất cho nấm mốc sử
dụng.
Có thể kết luận rằng nồng độ glucose ở mức thấp sẽ hiệu quả cho việc sinh tổng hợp
enzyme, không những vậy, ở mức glucose thấp tương đối, nấm mốc có thể sử dụng nguồn
năng lượng do trao đổi chất từ casein, từ đó có thể sản sinh ra lượng lớn enzyme.

− Cũng với loài Aspergillus oryzae nuôi cấy trong hệ thống MSLC, Masakazu Morita et
al. (2004) đã nghiên cứu vấn đề sử dụng nguồn nitơ trong sản xuất enzyme α-glucosidae.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

24

Hình 2.1. Ảnh hưởng của việc sử dụng nguồn nitơ trong quá trình vận hành MSLC
Trong cả 2 trường hợp, việc sử dụng maltose và glucose cũng gần giống nhau. Nồng độ
maltose giảm nhanh trong giai đoạn đầu và bằng 0 sau 5 ngày nuôi cấy. Nồng độ glucose
tăng trong 2 hoặc 3 ngày đầu, và sau đó được vi sinh vật sử dụng đến cạn kiệt.
Nguồn YE làm pH giảm, nhưng khoảng dao động này là nhỏ, không đáng kể. Còn đối
với nguồn NaNO3, pH tăng nhanh đến 8 sau 5 ngày nuôi cấy và vẫn có xu hướng tiếp tục
tăng. Sự thay đổi này có thể làm ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật.
Sự phát triển tế bào khi sử dụng YE hay NaNO 3 có khuynh hướng giống nhau, dù sau 5
ngày, hàm lượng chất khô tế bào có giảm nhiều hơn trong trường hợp sử dụng NaNO 3. Tuy
nhiên, lượng enzyme sản sinh sau 5 ngày nuôi cấy khi dùng NaNO 3 chỉ đạt khoảng ½ so
với khi sử dụng YE.
Vì vậy có thể kết luận được thành phần môi trường ảnh hưởng khá đáng kể đến sự sinh
trưởng của tế bào vi sinh vật cũng như sinh tổng hợp sản phẩm.
− Không chỉ vậy, trong vận hành MBRs, lưu lượng dòng chảy qua membrane cũng bị ảnh

hưởng bởi các thành phần trong môi trường.
Lưu lượng dòng chảy qua membrane trong nghiên cứu này được W. Zhang (1998) mô
tả qua hệ số dòng chảy Fi, được xác định là tỷ số giữa dòng chảy canh trường qua
membrane trong suốt thời gian vận hành và dòng chảy ban đầu của nước sạch.
Sự ảnh hưởng của thành phần môi trường là glucose và YE đến hệ số F i được biểu thị
qua hình 2.2.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


Chương 1: TỔNG QUAN MEMBRANE BIOREACTOR

25

Hình 2.2. Ảnh hưởng của YE và glucose trong môi trường
Trong trường hợp không có glucose, dòng chảy giảm không đáng kể từ giá trị YE 8.5
g/L trở đi. Trong khi đó, dòng chảy giảm đi 40% so với ban đầu ở giá trị glucose 100g/L và
không có sự hiện diện của YE. Tuy nhiên, có thể quan sát được dòng chảy giảm gần 80%
khi 100g/L glucose và 8.5g/L YE cùng tồn tại trong môi trường. Kết quả cho thấy có sự tác
động qua lại giữa glucose và YE. Hiện tượng tắc nghẽn nghiêm trọng hơn khi các phân tử
lớn hình thành do sự tác động của nguồn cơ chất này. Nagata et al. (1989) cũng đã nghiên
cứu sự ảnh hưởng lẫn nhau của các thành phần trong môi trường, và có sự hình thành kết
tủa kali amoni phosphate trong suốt quá trình tiệt trùng. Kết tủa này là chất gây tắc nghẽn
chủ yếu trong việc thu nhận tế bào B. polymyxa bằng vi lọc. Sự ảnh hưởng và tác động qua
lại giữa các thành phần môi trường gây ra việc tắc nghẽn được chú ý nhiều hơn trong các
hệ thống nuôi cấy tế bào cố định trên membrane.
Việc thêm glucose trong lên men có hồi lưu ở hệ thống SMBR được quan tâm vì
glucose làm tăng tốc độ sinh tổng hợp xylitol trong lên men tĩnh và fed batch. Khi glucose
thêm vào, nồng độ sinh khối tăng đến 71g/L trong 3 chu kỳ hồi lưu. Tuy nhiên, sản phẩm
xylitol do Candida tropicalis sản sinh chậm hơn trong pha đầu tiên ở mỗi chu kỳ, và tốc độ

sinh tổng hợp xylitol cũng thấp hơn so với việc không sử dụng glucose.
Rất nhiều nghiên cứu đề cập đến việc bổ sung glucose vào môi trường trong phương
pháp lên men có hồi lưu. Glucose là nguồn cơ chất khá phổ biến trong nhiều quá trình lên
men. Nhìn chung, glucose có khuynh hướng gây tắc nghẽn membrane nghiêm trọng và ít
được sử dụng quá trình vận hành MBRs (W. Zhang et al.1998).

− Trong sản xuất enzyme chitinase, chitin là nguồn cơ chất cảm ứng kích thích vi sinh vật
Paenibacillus sp. CHE-N1 sinh tổng hợp enzyme cảm ứng. Po-Min Kao et al. (2007) đã
khảo sát việc bổ sung chitin tại thời điểm 96h và 168h, liệu có ảnh hưởng đến hoạt tính của
enzyme chitinase hay không, kết quả thể hiện trên hình 2.3.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC