Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

CHƯƠNG1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.GIỚI THIỆU KỸ THUẬT VI LỌC (MICROFILTRATION).

Ngày nay nhu cầu sử dụng nước trái cây công nghiệp có những tính chất giống với
trái cây tươi về màu, mùi, thành phần dinh dưỡng và các hợp chất tự nhiên của trái cây
tươi đang ngày càng tăng. Các sản phẩm nước trái cây công nghiệp hầu hết đều được sản
xuất theo phương pháp truyền thống, thanh trùng bằng nhiệt. Kỹ thuật thanh trùng này đa
làm thay đổi đáng kể tính chất của nước trái cây. Do đó, việc đưa ra một kỹ thuật thanh
trùng nhằm hạn chế sự tổn thất các chất dinh dưỡng cũng như sự thay đổi các tính chất
cảm quan của nước quả là một thách thức đối với các nhà khoa học. Rất nhiều phương
pháp thanh trùng đa được nghiên cứu và áp dụng. Một trong số đó là áp dụng kỹ thuật vi
lọc để thanh trùng nước trái cây. Kỹ thuật này dùng màng vi lọc có kích thước mao quản
0.2µm tách vi sinh vật để thay thế cho phương pháp thanh trùng truyền thống bằng nhiệt.
1.1 ĐỊNH NGHĨA

Kỹ thuật vi lọc được áp dụng để loại các chất không tan trong dung dịch như huyền
phù vi sinh vật. Đường kính lỗ mao quản của membrane MF trung bình vào khoảng
200nm. Kỹ thuật vi lọc có áp suất làm việc thấp nhất trong các kỹ thuật phân riêng bằng
membrane, thường dao dộng trong khoảng 0,3 – 1bar.

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 1


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Hình 1: Kích thước mao quản và áp suất ứng với các kỹ thuật membrane.
1.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO.

Màng vi lọc thường được làm từ các vật liệu sau:
 Cellulose Acetate (CA)

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 2


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Cellulose acetate (CA) là một những vật liệu được sử dụng chế tạo và ứng dụng đầu
tiên trong các kỹ thuật thẩm thấu ngược, lọc nano và siêu lọc. Nhược điểm lớn nhất của
vật liệu này là kém bền đối với nhiệt độ và pH. Tuy nhiên, membrane được chế tạo bằng
vật liệu này có giá thành tương đối rẻ, háo nước, và ít bị tắc nghẽn (fouling) hơn các loại
membrane khác. Điều cần chú ý là membrane bằng cellulose acetate có thể bị phá hủy bởi
vi sinh vật.
 Polysulfone (PS)

Từ năm 1975, polysulfone là loại vật liệu được sử dụng nhiều trong kỹ thuật siêu lọc
và vi lọc. Đây là loại vật liệu có khả năng chịu được pH và nhiệt độ cao. Thực tế cho thấy
polysulfone là loại vật liệu được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy thực phẩm, đặc biệt
trong các nhà máy chế biến sữa. Về nguyên tắc, polysulfone là vật liệu háo nước, không

thể sử dụng để xử lý các chất dầu, mỡ hay các chất ưa béo. Tuy nhiên, có một số loại
membrane polysulfone có thể sử dụng để xử lý các chất nhũ tương rất tốt.
 Polyvinylidenedifluoride (PVDF)
Polyvinylidenedifluoride (PVDF) là loại vật liệu membrane truyền thống. Tuy nhiên,
PVDF không được sử dụng nhiều vì kỹ thuật chế tạo membrane từ vật liệu này rất khó
khăn và các tính chất, cấu trúc của membrane kém ổn định.

  CH 2  CF2   n
 Các vật liệu khác
-

Ceramic: các membrane được chế tạo bằng các vật liệu ceramic thường có

cấu tạo dạng ống (tubular type) và được lắp theo từng hệ thống. Ưu điểm của loại vật liệu
này là khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng, có độ bền hóa cao, thời gian sử dụng dài,
vệ sinh đơn giản. Tuy nhiên độ bền cơ học không cao, không chịu được hiện tượng shock
nhiệt, giá thành cao.
SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 3


Đồ Án Chuyên Ngành

-

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Kim loại: kim loại thường được dùng để chế tạo membrane là paladi hoặc


hợp kim của paladi với một số kim loại khác như niken, bạch kim,... Loại membrane này
được sử dụng chủ yếu trong quá trình phân riêng khí ở nhiệt độ cao (ví dụ quá trình tinh
sạch khí hydro từ khí thải).
-

Bên cạnh đó còn có các loại vật liệu khác như một số polimer tổng hợp,...
Bảng1: Độ bền hóa của một số vật liệu membrane
Các tác nhân
3 < pH <8
pH < 3 hoặc pH
>8
Nhiệt độ > 35
o

C

Composite


CA


PSO


PVDF


SiO2 Cellulose






x











x









Protein




()



()





Polysaccharide

()

x



x



x

x

x

x


()





Chất thơm

x

x

x





()

Chất oxi hoá

x

()








()

Ketone, ester

x

x

x





()

Rượu



x










Hydrocacbon
ưa béo

Chú thích:
- : độ bền hóa cao
- (): chưa được xác định rõ
- x : độ bền hóa thấp

1.3 MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG
1.3.1 MỤC ĐÍCH

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 4


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Mục đích chủ yếu của phương pháp vi lọc là tách các tế bào vi sinh vật. Đường
kính mao quản của màng vi lọc dao động trong khoảng từ 0.1 µm đến 0.5µm. Với kích
thước này, màng có thể giữ lại các tế bào vi khuẩn, nấm men, nấm mốc trên bề mặt.
Ngoại trừ các vi rút là có thể chui qua được màng vi lọc.
Ngoài chức năng tách vi sinh vật, phương pháp vi lọc còn có thể giúp loại bớt các
tạp chất có kích thước lớn hơn kích thước lỗ mao quản tồn tại lơ lửng trong nước dịch
nước trái cây. Do vậy, kỹ thuật này giúp cải thiện các chỉ tiêu về màu, mùi và vị của các
sản phẩm nước trái cây công nghiệp.

Hiện nay, kỹ thuật phân riêng bằng membrane đa và đang được áp dụng rộng rai
trong công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực sản xuất thực phẩm. Riêng kỹ thuật vi lọc cũng
đa có những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực thực phẩm như: thanh trùng nước trái
cây như nước táo, nước dứa, nước dừa…, tách nấm men trong rượu vang, tách muối
trong sản xuất phô mai, cô đặc jelly và tách tạp chất trong dầu oliu, tách vi sinh vật từ
sữa…
Trong phạm vi của đề tài này, ta sẽ tìm hiểu về ứng dụng kỹ thuật trong quá trình
thanh trùng nước trái cây. Mục đích chính của kỹ thuật vi lọc trong quá trình này là tách
vi sinh vật từ nước ép quả để kéo dài thời gian bảo quản đồng thời giúp cải thiện tính
chất cảm quan và giá trị dinh dưỡng cho các sản phẩm nước trái cây trong công nghiệp.
1.3.2 PHẠM VI ÁP DỤNG.

Với mục đích thanh trùng, thay thế cho kỹ thuật thanh trùng truyền thống bằng nhiệt,
kỹ thuật vi lọc đa và đang bước đầu được áp dụng vào công nghệ sản xuất một số loại
nước trái cây phổ biến trên thế giới với sản lượng tiêu thụ hằng năm tương đối lớn như
nước dứa, nước táo và nước dừa.

2.GIỚI THIỆU QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÁC LOẠI NƯỚC TRÁI CÂY ÁP THANH
TRÙNG BẰNG KỸ THUẬT VI LỌC.
2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI NƯỚC TRÁI CÂY ÁP DỤNG KỸ THUẬT VI LỌC VÀO
QUÁ TRÌNH THANH TRÙNG.

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 5


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn


Những thành phần dinh dưỡng như gluxit, axit hữu cơ, vitamin…đều tập trung ở
dịch quả. Các sản phẩm nước quả đóng hộp chứa các chất đó nên có giá trị dinh dưỡng
cao. Chính vì giá trị dinh dưỡng của nước trái cây mà việc áp dụng kỹ thuật vi lọc vào
thanh trùng nước quả là vô cùng cần thiết. Tuy nhiên, do vẫn còn một số hạn chế nên kỹ
thuật này chỉ mới được áp dụng ở một số loại nước trái cây như đa kể ở mục I.3 gồm
nước táo, nước dứa và nước dừa.
Sau khi qua quá trình thanh trùng bằng vi lọc, nước trái cây công nghiệp sẽ được
đánh giá chất lượng thông quá các nhóm chỉ tiêu:
 Chỉ tiêu hóa lý: quan trọng là tổng hàm lượng chất khô, lượng đường, độ chua
hoặc pH, cường độ màu.
 Chỉ tiêu cảm quan: gồm màu sắc, độ trong, mùi và vị.
 Chỉ tiêu vi sinh: phổ biến nhất là tổng số vi sinh khuẩn hiếu khí, tổng số nấm
men, nấm mốc và hàm lượng một số vi sinh vật có khả năng gây bệnh như
E.coli, Coliforms tổng số, Stanphylococcus aureus…
Dưới đây, ta sẽ tìm hiểu từng loại nước trên.
 NƯỚC TÁO.

Hình 2: Một số loại nước táo dạng trong
Táo là loại trái cây quan trọng để sản xuất nước trái cây dạng trong và nước trái
cây cô đặc trên thế giới. Sản lượng nước táo hiện nay trên thế giới đạt khoảng 40 – 45
triệu m3/ năm và đang có xu hướng tăng dần.

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 6


Đồ Án Chuyên Ngành


GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Hình3: Sản lượng sản xuất nước táo ở một số nước trên thế giới năm 2003..
Bảng 2 :Thành phần dinh dưỡng của nước táo khi so sánh với thành phần dinh
dưỡng có trong táo tươi (tính cho 100g sản phẩm).
Năng
lượng
(cal)
Táo
tươi
Nước
táo
Táo
tươi
Nước
táo

Protein
(g)

Fat(g)

Glucid(g)

Ca (mg)

P(mg)

Fe(mg)


242

0.8

2.5

60.5

29

42

1.3

213

0.5

0.1

54.0

27

41

2.7

Na(mg)


K(mg)

4

459

380

0.12

0.3

16

5

458

-

0.03

0.4

4

SVTH: Trần Thị Tiện

Vit.A)IU) Thiamin(mg) Riboflavin(mg)


Vit.C(mg)

Trang 7


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

 NƯỚC DỨA.
Dứa là một loại trái cây nhiệt đới rất có giá trị. Hầu hết, nước dứa được sản xuất
dưới dạng nước quả trong. Sản lượng nước dứa đóng hộp nhiều nhất là ở Brazil.
Nước ép dứa chứa rất nhiều vitamin C. Đặt biệt, men Bromelain trong dứa được
xem là có tác dụng hỗ trợ tiêu hóa và có rất nhiều lợi ích đối với sức khỏe con người.
Do đó, việc áp dụng kỹ thuật membrane vào thanh trùng nước dứa là rất cần thiết để
nâng cao giá trị sử dụng của nước dứa đóng hộp.

Hình 4: Một số sản phầm nước dứa đóng hộp.

Bảng 3: Giá trị dinh dưỡng của một số sản phẩm dứa đóng hộp (tính cho 100g
sản phẩm).
Nước dứa

Hàm lượng rắn

Hàm lượng rắn trong

NFC

trong nước ép


nước ép trong

Năng lượng

46

46.5

61.8

Béo tổng (g)

<0.1

<0.1

<0.1

chất béo no(g)

0

0

0

Cholesterol(mg)

0


0

0

Na(mg)

7.7

5.7

5.4

đường tổng(g)

12.1

12.4

16.1

Dietary fiber(g)

0.8

0.8

0.9

Đưòng(g)


11.5

10.5

14.5

Protein(g)

0.4

0.3

0.4

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 8


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Vitamin A(IU)

-

-


-

Vitamin C(mg)

42.3

12.2

9.5

Ca(mg)

12.9

8.5

12.5

Fe(mg)

0.3

0.3

0.4

K(mg)

108


93.8

71.6

 NƯỚC DỪA.

Hình 5: Một số sản phẩm nước dừa đóng lon trên thị trường.
Nước dừa là một loại nước trái cây đặc biệt chứa nhiều giá trị dinh dưỡng và dược
tính cao. Vì vậy, sản phẩm nước dừa đóng lon khá phổ biến ở những nước nhiệt đới.
Thành phần chính của nước dừa là nước. Trong thành phần chất khô tổng của nước dừa
thì thành phần quan trọng là đường, khoáng và một lượng nhỏ chất béo và đạm.
Bảng 4: thành phần dinh dưỡng trong nước dừa non đóng chai.
Chất khô tổng(%w/w)

: 6.5

Đường khử (%w/w)

: 4.4

Khoáng (%w/w)

: 0.6

Protein (%w/w)

: 0.01

Lipid (%w/w)


: 0.01

Acid (mg%)

: 120.0

pH

: 4.5

Kali (mg%)

: 290.0

Natri (mg%)

: 42.0

Caxi (mg%)

: 44.0

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 9


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn


Magie (mg%)

: 10.0

Photpho (mg%)

: 9.2

Sắt (mg%)

: 106.0

Đồng (mg%)

Trái :cây
26.0

Lựa chọn

Phân loại

Nước

Rửa

Nước
thải

Tách cuống

Cuố
ng
Nghiền xé

Ép

Lọc thô

Bã

2.2 GIỚI THIỆU QUY TRÌNH CHUNG

Dưới đây là quy trình sản xuất nước ép trái cây tổng quát:
Lọc
membrane

Bao bì

SVTH: Trần Thị Tiện

Rót bao bì

cặn
vi
sinh
vật

Trang 10
Sản
phẩm



Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

2.3 THUYẾT MINH QUY TRÌNH.

a/ Lựa chọn, phân loại
Mục đích: nhằm loại trừ các nguyên liệu không đủ tiêu chuẩn, sâu bệnh, nấm men,
nấm mốc,nguyên liệu bị thối hỏng hay chưa đủ độ tuổi thu hoạch cần thiết, đồng thời
phân chia nguyên liệu đồng đều về kích thước, hình dáng, màu sắc và độ chín.
Phương pháp thực hiện: Quá trình lựa chọn có thể được tiến hành bằng thủ công trên
các băng tải hay dùng máy phân loại kích thước hoặc màu sắc của quả.
b/ Rửa
Mục đích: loại trừ các tạp chất cơ học như đất, đá, bụi và làm giảm lượng vi sinh vật
bám trên vỏ nguyên liệu.
Phương pháp thực hiện: có thể rửa trái cây bằng phương pháp ngâm hoặc rửa xối.
c/ Tách cuống
Mục đích: loại bỏ cuống ra khỏi nguyên liệu để tránh làm giảm chất lượng dịch ép,
giảm năng suất ép, nghiền và có thể ảnh hưởng xấu đến máy nghiền, máy ép.

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 11


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn


Phương pháp thực hiện: có thể tiến hành loại bỏ cuống bằng phương pháp thủ công
hoặc bằng máy.
d/ Nghiền xé
Mục đích: hỗ trợ cho quá trình ép bằng cách giảm kích thước nguyên liệu, phá vỡ
cấu trúc tế bào.
Phương pháp thực hiện: tiến hành nghiền nguyên liệu bằng các máy nghiền cắt.
Hỗn hợp nghiền có tính acid cao, giàu vitamin nên vật liệu làm máy nghiền phải bằng
inox, không ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan và dinh dưỡng của nguyên liệu. Đồng
thời hỗn hợp sau nghiền rất dễ hư hỏng nên cần đưa vào ép trong thời gian ngắn nhất.
e/ ÉP
Mục đích: tách dịch bào ra khỏi nghuyên liệu, tách bỏ ba
Phương pháp thực hiện: sử dụng các máy ép như ép trục vít, thuỷ lực.
f/ Lọc thô
Mục đích: loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn trong dịch ép thu được.
Phương pháp thực hiện: sử dụng thiết bị lọc khung bản hay lọc ống.
Trong quá trình này ta có thể sử dụng enzyme để hỗ trợ cho quá trình lọc. Ngoài ra còn có
thể sử dụng các tác nhân làm trong như: bentonite, gelatin, và silica sol có thể được thêm
vào để tăng độ kết tụ và kết tủa của vật liệu đục.
g/ Lọc membrane
Mục đích: nhằm loại bỏ các vi sinh vật trong nước trái cây, kéo dài thời gian bảo quản.
Phương pháp thực hiện: lọc nước quả qua thiết bị membrane với loại màng và chế độ lọc
thích hợp.

Quá trình này sẽ được đề cập chi tiết hơn trong các phần tiếp theo của bài.
h/ Bao gói
Mục đích: hoàn thiện và bảo quản sản phẩm
Phương pháp thực hiện: tiến hành rót sản phẩm vào bao bì trong điều kiện vô trùng.

SVTH: Trần Thị Tiện


Trang 12


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

CHƯƠNG 2
THIẾT BỊ VÀ MÔ HÌNH VẬN HÀNH TRONG KỸ THUẬT
VI LỌC.
1.THIẾT BỊ
Các dạng thiết bị sử dụng trong kỹ thuật vi lọc gồm:
1.1 MEMBRANE DẠNG ỐNG (Tubular module)

Thiết bị membrane này có dạng hình trụ, bên trong chứa nhiều ống trụ nhỏ đặt song
song với nhau. Mỗi ống trụ nhỏ thường được chế tạo bằng thép không rỉ, có đường kính
dao động từ 12.5 đến 75 mm, chiều dài khoảng 0,6 đến 64 m và có khoan các lỗ nhỏ trên
thân có vai trò là ống đỡ membrane và được giữ trong một ống thép lớn. Các tấm
membrane được cuộn tròn và đặt sát thành trong các ống trụ nhỏ.
Dòng nhập liệu được bơm vào một đầu của thiết bị và được phân phối vào bên trong
các ống trụ nhỏ. Các cấu tử có kích thước thích hợp cùng với dung môi qua membrane và
theo các lỗ khoan ra ngoài tạo thành dòng permeate, phần còn lại tiếp tục đi trong ống nhỏ
về cuối thiết bị và được thu hồi thành dòng retentate.
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 nguyên liệu sẽ được bơm vào một
khoang trong thiết bị. Dòng retentate thoát ra khỏi khoang này đi tiếp vào khoang thứ hai,

SVTH: Trần Thị Tiện


Trang 13


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

còn dòng retentate thoát ra từ khoang thứ hai sẽ đi tiếp vào khoang thứ ba…Như vậy,
dòng retentate thoát ra từ khoang cuối cùng sẽ có nồng độ đạt giá trị yêu cầu.
Thiết bị này thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm vì dễ tính hệ số
Reynolds cũng như dễ dàng tính toán các thông số trong quá trình vận chuyển các cấu tử
qua membrane. Ưu điểm lớn nhất của dạng thiết bị này là có thể làm việc với các huyền
phù có nồng độ cao.
Membrane dạng ống có những nhược điểm chung như:
-

Việc thay đổi membrane khó khăn và tốn thời gian.

-

Tổng thể tích của các ống trong thiết bị lớn, đòi hỏi quá trình vệ sinh

thiết bị tốn nhiều hóa chất và nước.
-

SVTH: Trần Thị Tiện

Giá thành cao.

Trang 14



Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Hình 6: Mô hình membrane dạng ống.
1.2 MEMBRANE DẠNG KHUNG BẢN (Plate and Frame Module)

Mỗi đơn vị cấu tạo nên mô hình bảng bao gồm một tấm đỡ, hai miếng đệm và hai
membrane được 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 – 0.35m 2. Các miếng đệm có cấu trúc vi xốp được ép sát
và phủ kín bề mặt tấm đỡ. Các membrane dạng tấm có diện 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 vào nhiều hay ít mà tổng diện tích membrane sử dụng trong
thiết bị có thể dao động trong một khoảng rất lớn, từ 0.1-100m2.
Đây là dạng mô hình membrane được sản xuất thử nghiệm và thương mại hóa đầu
tiên. Loại membrane này được tạo thành do các bản đỡ đặt song song nhau cách nhau một
khoảng cách khá hẹp tạo thành một hệ thống kênh dẫn cho dòng permeate và retentate.
Membrane được phủ trên các tấm giá đỡ (dạng plate) tạo sự phân cách giữa hai dòng
permeate và retentate. Dòng nhập liệu chảy vào một đầu và được phân phối vào các kênh
dẫn retentate, các cấu tử có kích thước thích hợp sẽ qua membrane và theo các kênh dẫn
của dòng permeate đi theo ống dẫn chính ra ngoài. Dòng nguyên liệu không qua
membrane được gom lại và được phân phối lại vào vùng tiếp theo nhằm nâng cao hiệu
quả quá trình phân riêng.
SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 15



Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Ưu điểm lớn nhất của mô hình bảng là việc tháo lắp, vệ sinh thiết bị rất đơn giản. Ở
một số thiết bị, người ta bố trí một van tháo sản phẩm permeate ứng với mỗi tấm
membrane. Như vậy, nhà sản xuất dễ phát hiện kịp thời membrane nào bị hư hỏng trong
quá trình vận hành để thay thế.

Hình 7: Mô hình membrane dạng khung bản

Hình 8:Thiết bị membrane dạng khung bản
I.3 MEMBRANE DẠNG CUỘN XOẮN (Spiral Wound Module)

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 16


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Membrane dạng cuộn xoắn bao gồm nhiều lớp membrane xen kẽ với những lớp
đệm đóng vai trò là kênh phân phối nhập liệu và kênh thu hồi dòng permeate. Tất cả được
quấn với nhau quanh một ống thu gom ở trung tâm.
Nguyên liệu đi vào từ một đầu của thiết bị, qua các kênh phân phối có cấu tạo
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 khỏi thiết bị.

1 – kênh vào cửa nguyên liệu
2 – tấm đệm
3 – kênh của permeate
4 – ống trụ trung tâm
5 – dòng chảy qua membrane tạo nên permeat

Hình 9: Mô hình của membrane dạng cuộn xoắn

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 17


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Hình 10: Thiết bị membrane dạng cuộn xoắn.
I.4 MEMBRANE DẠNG SỢI RỖNG (Hollow fiber module)

Membrane dạng sợi rỗng có hình dạng tương tự như membrane dạng 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 – 12.7 cm; chiều dài: 18 – 120 cm. Bên trong thiết bị chứa bó
sợi membrane. Mỗi module chứa từ 50 – 3000 sợi. Đường kính sợi thay đổi từ 0.2 – 3
mm. Khi hoạt động, nguyên liệu được bơm vào bên trong thiết bị và chui vào trong các
sợi membrane. Dòng ra retentate sẽ đi hết theo chiều dài sợi và tập trung thoát ra ở đầu

còn lại của thiết bị. Dòng ra permeate sẽ chui qua các lỗ mao dẫn membrane, thoát ra
ngoài sợi rồi được tập trung về cửa ra nằm trên thân thiết bị.
Ưu điểm của mô hình sợi là thiết bị ít chiếm diện tích nhà xưởng dù diện tích
membrnae sử dụng rất lớn, ít tốn năng lượng cho quá trình. Khuyết điểm của loại module
này là trong quá trình vận hành, một số sợi membrane dễ bị tổn thương và việc thay thế
chúng sẽ tốn kém và phức tạp. Hơn nữa, do đường kính sợi membrane khá nhỏ, những
nguyên liệu dạng keo dễ gây tắc nghẽn membrane trong quá trình sử dụng và phải thay
membrane mới nếu một vài sợi của membrane bị hỏng.

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 18


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Hình11: Membrane dạng sợi rỗng

Hình 12: Thiết bị membrane dạng sợi rỗng.
Bảng 5: So sánh ưu & nhược điểm của các thiết bị membrane
Dạng membrane
Dạng ống
(tubular module)

Ưu điểm
-

Đơn


giản, dễ vận hành.
-

-

Nhược điểm
Sửa

chữa khó khăn.
Phù hợp

-

Thể tích

với các dung dịch huyền phù lớn.
-

nồng độ cao.
Dạng khung bản

SVTH: Trần Thị Tiện

Thích

hợp cho phòng thí nghiệm.
Tính

Giá


thành cao.
-

Thể tích
Trang 19


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

(plate & frame

linh động cao.
-

module)

lớn.
Dễ

lắp

đặt, sửa chữa.
-

Dạng cuộn xoắn
(spiral wound module)


Dạng sợi rỗng

nhỏ.
-

(hollow fiber module)

tạo.
-

-

Giá

Tính linh

động không cao.
Thể tích
Dễ

chế

-

Dễ

bị

fouling.
Thể tích


thiết bị nhỏ.
-

Giá

thành cao.

thành rẻ.
-

-

-

Khi vài

sợi bị hỏng, phải thay toàn bộ
Giá

membrane.

thành rẻ.

2.MÔ HÌNH VÂN HÀNH.
Mô hình vận hành trong thiết bị membrane được phân loại như sau:
2.1 PHÂN LOẠI THEO CƠ CHẾ CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÒNG NHẬP LIỆU.

Theo cách phân loại này, trong kỹ thuật vi lọc có hai loại mô hình được áp dụng
là Dead-end (Dead-end separation) và Cross-flow (Cross-flow separation).


Hình 13: Mô hình dead-end và Cross-flow
SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 20


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

2.1.1 Mô hình Dead-end (Dead-end Separation)

Dead-end là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy vuông góc với membrane,
dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ chảy qua
membrane bởi áp suất. Các phần tử có kích thước lớn hơn hoặc bằng đường kính lỗ mao
quản sẽ bị giữ lại bên trên bề mặt hoặc bên trong membrane. Theo thời gian các phần tử
đó sẽ tích tụ, làm tăng trở lực của quá trình phân riêng và làm cho lưu lượng dòng
permeate giảm dần. Để tiếp tục quá trình phân riêng, người ta phải thay hoặc vệ sinh
membrane.

Hình14: Mô hình Dead-End (Dead-End Separation)
Hai kỹ thuật membrane thường sử dụng mô hình này là: kỹ thuật vi lọc với lưu
lượng dòng permeate không đổi (Dead-end microfiltration with constant flux) và vi lọc
với áp suất không đổi (Dead-end microfiltration with constant pressure drop). Trong kỹ
thuật vi lọc với lưu lượng dòng permeate không đổi, người ta phải thay đổi áp lực đảm
bảo lưu lượng dòng permeate ổn định trong khi trở lực lọc tăng dần.Ngược lại, trong kỹ
thuật vi lọc với áp suất không đổi, lưu lượng dòng permeate sẽ giảm dần do trở lực lọc
tăng dần theo thời gian. Đây là mô hình chỉ sử dụng trong các phòng thí nghiệm dùng để
xử lý các dung dịch có thể tích nhỏ.



Giới thiệu mô hình Dead-end kết hợp chế độ lưu lượng dòng không đổi
và áp suất qua màng không đổi.

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 21


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Hình 15. Mô hình lọc dead-end với lưu lượng dòng không đổi kết hợp với áp
suất không đổi.
Chú thích:
1. Bồn nhập liệu. 2. Thiết bị trao đổi nhiệt. 3. Bơm quay 4. Frequency inverter.
5. Lưu tốc kế 6. Bộ chuyển đổi áp suất 7. Thiết bị membrane. 8. Cân đĩa.
9. Van điện không. 10. Bản điều khiển. 11. Bơm nhu động.
Hình 14 mô tả một sơ đồ vận hành theo mô hình dead-end với lưu lượng dòng không
đổi kết hợp với áp suất không đổi. Khi vân hành với chế độ lưu lượng dòng permeate
không đổi: ở đầu ra của dòng permeate người ta sẽ kết nối với bơm nhu động 11, hồi lưu
một phần dòng permeate về bồn nhập liệu 1 để đảm bảo lưu lượng dòng permeate luôn
không đổi trong suốt quá trình vận hành. Trong trường hợp vận hành với áp suất không
đổi, bơm nhu động 11 sẽ không nối với đầu ra của dòng permeate. Lúc này, lưu lượng
dòng nhập liệu, áp suất, vận tốc dòng nhập liệu, nhiệt độ vận hành sẽ được điều chỉnh với
các giá trị tương ứng.
Harit K và cộng sự (2001) đa tiến hành thử nghiệm mô hình này trong phòng thí
nghiệm. Ban đầu, mô hình được thực hiện dưới lưu lượng dòng permeate không đổi cho

đến khi áp suất màng đạt đến giá trị 100kPa. Sau đó mô hình được chuyển sang vận hành
dưới chế độ áp suất không đổi là 100kPa. Mô hình tiếp tục vận hành cho đến khi đạt được
các giá trị mong muốn về độ phân riêng và lưu lượng dòng permeate. Mặt khác, Harit K
và cộng sự (2001) cũng đa tiến hành vận hành mô hình với áp suất không đổi trước sau đó
vận hành với chế độ lưu lượng không đổi.

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 22


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Ưu điểm của mô hình vận hành này là bổ sung những hạn chế cho nhau, giúp cải
thiện độ phân riêng và lưu lượng dòng permeate do làm giảm hiện tượng tập trung nồng
độ và hiện tượng tắt nghẽn màng lọc.
2.1.2 Mô hình Cross-Flow (Cross-flow Separation)

Cross-flow là mô hình trong đó dòng nhập liệu chảy song song với bề mặt
membrane. Dung môi và các phần tử có kích thước và khối lượng phân tử thích hợp sẽ đi
qua membrane nhờ áp lực của bơm và tạo thành dòng permeate, các phần tử còn lại
không đi được qua membrane sẽ tiếp tục chảy ra ngoài tạo thành dòng retentate, đồng thời
dòng này sẽ kéo theo các phần tử bám trên bề mặt membrane. Vì vậy, mô hình này ít bị
tắc nghẽn hơn so với mô hình Dead-end và có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài.

Hình 16: Mô hình Cross-Flow (Cross-Flow Separation)
2.2 PHÂN LOẠI DỰA VÀO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ.


2.2.1 Mô hình đơn giản.
Trong mô hình này, nguyên liệu từ bồn chứa sẽ được bơm đưa vào thiết bị
membrane. Chúng ta thu được hai dòng sản phẩm ra là permeate và retentate. Khi đó, thời
gian lưu của các cấu tử trong thiết bị membrane là ngắn nhất. Thật ra, mô hình này chỉ
thích hợp khi không đòi hỏi tốc độ dòng cao và các cấu tử trong nguyên liệu không tương
tác với vật liệu membrane, dẫn đến hiện tượng nghẹt các lỗ mao dẫn.

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 23


Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Hình17: Mô hình đơn giản
2.2.2 Mô hình nhiều giai đoạn.
Ở quy mô công nghiệp, người ta sử dụng mô hình từ 3 đến 8 giai đoạn. Số bơm hồi
lưu sử dụng sẽ bằng với số giai đoạn trong mô hình. Ở giai đoạn đầu, tốc độ dòng đạt giá
trị cao nhất nhưng nồng độ cấu tử trong dòng retentate thấp nhất. Ngược lại, ở giai đoạn
cuối tốc độ dòng thấp nhưng nồng độ cấu tử trong retentate đạt giá trị cao nhất.
Trong sản xuất, các mô hình phân riêng liên tục có thể hoạt động trong suốt 24 giờ.
Sau khoảng thời gian này, chúng ta nên tạm ngưng hoạt động để tẩy rửa và vệ sinh thiết
bị. Nếu không, sự tắc nghẽn các lỗ mao dẫn trong membrane dễ xảy ra. Một số vi sinh vật
được hấp phụ trên membrane sẽ phát triển dễ làm hư hỏng sản phẩm.

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 24



Đồ Án Chuyên Ngành

GVHD: PGS. TS Lê Văn VIệt Mẫn

Hình 18: Mô hình liên tục 3 giai đoạn
2.2.3 MỘT SỐ MÔ HÌNH KHÁC.
2.2.3.1 MÔ HÌNH KẾT HỢP GIỮA KỸ THUẬT VI LỌC VÀ CÁC KỸ THUẬT
PHÂN RIÊNG BẰNG MÀNG KHÁC.
Ngày nay, do sự tiến bộ của khoa học kỹ, kỹ thuật vi lọc không chỉ được ứng dụng
một cách riêng lẽ mà còn có thể kết hợp với một số kỹ thuật membrane khác như siêu lọc,
thẩm thấu ngược. Các mô hình kết hợp nhiều kỹ thuật membrane thường được áp dụng
nhiều trong thực phẩm. Riêng đối với ngành công nghiệp sản xuất nước trái cây, các mô
hình này thường được áp dụng để sản xuất nước trái cây cô đặc.Trong những mô hình kết
hợp đó, kỹ thuật vi lọc đóng vai trò như một quá trình tiền xử lý để tách các huyền phù
rắn, pectin trong dịch quả để làm cho độ nhớt của dung dịch giảm xuống và dòng
permeate tăng. Dòng retentate chứa tất cả các huyền phù rắn, pectin và các vi sinh vật gây
hư hỏng sản phẩn. Như vậy, dòng permeate thu được sau khi ra khỏi thiết bị vi lọc coi như
đa được thanh trùng. Từ đó, dòng permeate có thể làm nguyên liệu cho các quá trình cô
đặc tiếp theo như siêu lọc hay thẩm thấu ngược. Do đó, sự kết hợp này đa làm tăng hiệu
quả của quá trình membrane và độ cô đặc cho sản phẩm.

SVTH: Trần Thị Tiện

Trang 25