ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
m m * *
■k'k’k’k-k'k'k'kif
TÊN ĐÈ TÀI:
Tiếng V iê t:
Nâng cao hiệu suất thu hồi monome axit lactic sau quá trình
lên men nhằm phục vụ cho tổng họp vật liệu polyme
phân hủy sinh học
Tiếng A n h :
Purification of lactic acid monomer for synthesis of
biodegradable polymer
MÃ SO: QT-09-33
CHỦ TRÌ ĐÈ TÀĨ:
TS. NGÔ THJ THANH VAN
OẠI HOC QUOC GIA HA NỘI
TRUNG TÁM THỒNG TIN THU' VIỀN
PT/
% 9
___
_
HÀ NỘI-2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
• • • •
*********
TÊN ĐÈ TÀI:
T ỉếtts V iê í:
Nâng cao hiệu suất thu hồi monome axit lactỉc sau quá trình
lên men nhàm phục VỊI cho tổng họp vật liệu polyme
phân hủy sinh học

Vđ tlui hồi monome axit L-lactic từ dịch lên men, từ đó đánh giá \c hiệu suất llui
hôi cua các qua trình
5. Các kết quá đạt đu ọc
■ Phần tông quan cho tác giả một cách nhìn khái quát về các phương pháp
đang đirợc sir dụng trên thê giói nhăm tách axit L-lactic lừ dịch lên mon một
cách hiệu qua, từ dó lựa chọn một hướng nghiên cửu kha thi iron ti diêu kiện
hiện có cua Việt Nam
■Các phương pháp phân tích dịch lên men và axit L-lactic đã đưọ-c írne,
dụng la: đo độ đục cua dung dịch, phô 1R, phân tích sắc k> long cao áp IIPLC
■Thiêt kế và chế tạo bộ phận lọc tách loại lế bào vi sinh vật và các cặn ran
lơ lưng tôn tại sau khi lên men và đánh giá hiệu qua cua phương pháp lọc và ly
■Sử dụng nhựa trao đôi ion đê tách axit L-lactic ra khỏi dịch lên men và
đánh giá hiệu quá cua hai loại dung môi rửa giải khác nhau: nước và metanol
6. Tình hình kinh phí của đề tài:
Tông kinh phí được nhận: 25 000 000 đồng
Đã quyết toán 100%
Khoa quan lý
Cliiì tri đề tài
l‘( ;s .r s . LƯU VĂN HÔI
IS. INGỎ I HI I HANH VẢI\
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỊ NHIÊIN
• • • •
»rtố HIỆU TRƯỚNG
0 3.Ĩ ! Ki'. JĨrỷ t f n
Báo cáo tóm tát bàng tiếng Anh
« r i ' A - I À , < • Ẩ
1. Tên đê tài, mã sô:
Subject title: Purification of lactic acid monomer for synthesis of
biodegradable polymer
Code. QT-09-33

MỤC LỤC
* •
Trans
LỜI MỞ ĐÀU 3
I. TÓNG QUAN 4
I.] Tính chất của monome axit L-lactic 4
/././. Tính chất hỏa học 4
I.Ị.2. Tính chắt vật lý 5
1.2 Tống quan về các phương pháp thu hồi monome axit L-lactic 6
từ dịch lên men
1.3 Công nghệ màng lọc trong tách và tinh chế axit L-lactic 12
1.3. ỉ. Các loại màng lọc khác nhau trong tách ctxit L-ìactic từ dịch 12
lên men
Ỉ.S.2. Hệ thõng lọc rách cixit L-lactic tích hợp với thiêí bị lên men 15
ỉ. 3.3. Màng điện thâm tách — một công nghệ hiện đại dùng đé tách 1 7
và tinh chế axil L-lcictic
1.4 Kỳ thuật trao đối ion trong tách và tinh chế axit L-lactic 18
Ị. 4.1. Cáu tợo cùa nhựa trao đôi ion 1 8
I.4.2. Quá trình tách cixir L-lactic băng nhựa trao đôi ion 19 ■
/. 4.3. Một sô kêí qua nghiên cửu trên thê giới 23
II. NGUYÊN VẠT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỤC 25
NGHIỆM
11.1 Nơuyẽn vật liệu 25
11.2 Phương pháp thực nghiệm 2b
/ / . 2. ỉ Phưong pháp chuân đô 25
//. 2.2 Phươno pháp đo độ đục cua dung dịch 2ố
í 1.2.3 Phô hồng ngoại FTIR
II. 2.4 Phương pháp sắc kỷ lỏng cao áp HPLC - 7
III. KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 2S
III. 1 Phân tích dịch lên men 28

cua đề tài là tìm hiểu về các quá trình làm sạch dịch lên men axit L-lactic và
nâng
cao hiệu suất tách axit L-lactic bàng các phương pháp có tính kha thi về
mặt kinh tá.
I. TÒNG QUAN
1.1. Tính chất của monome axit L-lactic
ỉ.ỈA . Tính chất hóa học
Công thức hóa học cùa axit lactic là C3H603 và nó có hai đồng phân
quang học như trên hình 1.
H ìn h ĩ : Hai đồng phân quang học của axit lactic
Axit lactic mang hai nhóm chức trong phân tư nên I1Ó cỏ các phan ứng
đặc trưng của một rượu và một axit. Các phan ứng thê hiện tính chất cua một
rượu là: phan ứng vcri cs?(phản ứng xanthation), phán ứng với các axit hữu
CO' (phán ứng este hóa), phản ứng đề hydro và phán ứng ox> hóa đế tạo axit
pyruvic và các dẫn xuất cua pyruvic. Các phan ứng thế hiện tính chất cua
một axit là: tác dụng vói bazo' tạo muôi lactat tương ứng, tác dụns; vói rirợu
đẽ tạo thành este. Các phân tử axit lactic có thê phan ứng với nhau đê tạo
thành một đại phân tư thông qua phan ứng trùng ngưng. Tuy nhiên, đại phân
tứ thu được băng phán ứng trùng ngưng có khôi lượng phân tử trung binh
không lớn và có sự phân bố khối lượng phân tứ rất rộng nên đẻ thu được
polyme poỉy (lactic acid) PLA có khối lượng phân tư trung binh lớn, ngưòi
ta thường sư dụng phương pháp trùng hợp mớ vòno lactit nhu trong so đô
hình 2 [I].
Axít D (-) lactic
H
OH
4
o
OH
OH

Chiết suất ni)2u
1,44
Ty trọng
1,2485
Hằna, số phân ly, Kj, (25°C)
ỉ ,37.10"1
Nhiệt cháy, AHC
1361 ld/mole
Nhiệt dung riêng, Cp (20°C)
190 J/mole/°C
Góc quay cực [a]n
±3,82
Cua dung dịch axit!
lactic 10% trona, nuớc
& 1
1.2. Tông quan vê các phirong pháp thu hôi monomc iìxit L-lỉictic từ (lịch
lên men
Thông thường, người ta sử dụng hai cách sau đẽ tách loại axit lactic ra khoi
dịch lẽn men: (i) dịch lên men axit lactic được lọc tronu và cô đặc dên nồng dỏ
32% ó' trên điẽm kêl linh và được axit hóa bang axit sulphuric dê co dược axít
lactic thô. (ii) Muôi canxi lactat tách ra từ qua trình cô đặc cua dịch lên men đã
được kêt tinh, lọc, hòa tan và sau đó dược axit hóa bans, a\il sulphuric theo qu\
trình của Inskeep, Peckham và cộng sự [3J. Theo cách thử hai này, kêt tua canxi
íactat được tách ra từ các tạp chât hòa tan nhò' quá trình lọc va nra. Tuy nhiên,
một sô tạp chât vần được °iử lại trong bánh lọc canxi lactat. I'hcm vao do, có
một lượnu thâl thoát canxi lactat trona, quá trình rưa. Phươnỉi pháp truyèn thonu
này thườnơ tạo ra lượn ạ lớn canxi suntầt ơ dạng bánh, các banh canxi sunfat
nàv có chứa các tạp chât hừn cơ nên rât khó \írt bo ra ngoải môi trươmỉ.
Dịch lên men axit lactic chứa chu yếu các tạp chât như đưòng dư, chất tạo
màu và các axit hữu cơ khác. Nhừns, tạp chât nà\ có thê được loại bo bãno, chiôt

hòa tan tro nu metanol và khi bô sung axít sulphuric đặc thi sẽ tạo ra sulphat
canxi \à axít lactic, sau đó axit lactic tác dung với metanol tạo thánh este. Như
\ậ\, trong quá trình axit hóa đẻ thu hôi axit lactic thi CaSOi sc let san phâm phụ
không tốt cho môi trường. Đe tránh điều đó, ngày nay người ta sử dụng các
bazơ khác như NaOH, dung dịch NH3, mỗi bazơ có một ưu nhược điêm khác
nhau nhưng hai tiêu chí quan trọng vẫn phai được tôn trọng khi phát triẻn ơ quy
mô lớn đó là tính kinh tế và là một quy trình sạch, tôn trọng môi trường [4].
Kiềm của natri thì đắt còn dung dịch amoniac ngoài vai trò tham gia phản ứng
trung hòa axit lactic còn đồng thời cung cấp nguồn nitơ cho vi sinh vật trong
quá trình lên men và do đó có thê nâng cao năng suất. Dịch lẻn men chửa lactat
amoni có thế được làm giàu và tinh khiết hóa băng kỹ thuật điện thấm tách đơn
cực (electrodialysis monopolar). Amoni lactat có thê trực tiếp tham gia phản
ứng este hóa. Tuy nhiên, khi tiến hành phan ứng este hóa, cần chủ ý rằng quá
trình hỉnh thành các amid sẽ diễn ra ơ nhiệt độ cao và làm giám hiệu qua ciìa
quá trình. Amoni lactat còn có thê được chuyên đôi trực tiếp thành axít lactic
bang cách sử dụng kỳ thuật điện thâm tách lường cực (bipolar electrodialỵsis).
Tóm lại, có bôn quá trinh được sử dụng rộng rãi trong tách và tinh chê axit
lactic tù' dịch lên men như sau:
y Quá trình 1 (Hình 3): là quá trình lên men theo phương thức liên tục nhờ
việc tách axit lactic liên tục băng chiêt hoạt hóa, sau đó axit lactic dược chiêt lại,
được tinh chê băng chưng cât hoạt hóa (este hóa và thúy phân).
H ìn h 3: Sơ đồ công nghệ cua quá trình 1 - SƯ dụns chiêt hoạt hóa
8
> Quá trình 2 (Hinh 4): ỉà quá trinh lên men theo phương thức liên tục nhờ
việc tách axit lactic liên tục bầng hấp phụ, sau đó axit lactic được giai hấp bàng
dung môi metanol và axií lactic được tinh chế bàng chưng cất hoạt hóa (este hóa
và thủy phân).
t '
I Continuous.
Fcrrnencadon "»

►
|- lr : 11 ■ I
ị
. .I.ll'.
■ú ki ir
r etl ì, r Ỵ,
<“'krlu. " 'I'
CaSO-
Hình 5: Sơ đồ côna nshệ cua quá trình 3 - SƯ dụng sữa vôi làm lác nhân
truno hòa axit lactic
9
> Quá trinh 4 (Hinh 6 ): là quá trinh lên men theo phươns thức gián doạn có
sử dụng amoni hydroxit làm tác nhân trung hòa axit lactic, các quá trình tinh
chế axit lactic tiếp theo là vi lọc, điện thẩm tách đơn cực, điện thâm tách lường
cực. Điện thẩm tách là quá trình tách có sử dụng màng ion đê tách các ion ra
khòi dung dịch ban đẩu, hay nói cách khác đó chính là một quá trình đúp : tách
chất bang màng và tách chất bàng điện hóa. Tuy nhiên đây là một quá trình đẳt
tiền vì đầu tư trang thiết bị ban đâu rất tôn kém và trong quá trình sư dụng thì
phải luôn chú ý quá trình bảo vệ màng ion khỏi hiện tượng cáu cặn, tuy nhiên
chất lượng cùa axit L-lactic thu được thì rất cao, nhất là khi sư dụng công nghệ
điện thấm tách 3 ngăn. Cuối cùng, axit lactic được tinh chế bang ch un 2, cất hoạt
hóa (este hóa và thủy phân).
M I .OH Recovered M l jOH i-o'i.Tk-n
Ạ
ArnrTi
■ b p ljr
I .—►- MtiTlv'polar ' H .<;tc |£|<; d vs s

Bảng 2: Ước lượng giá thành của axit lactic khi được tách loại khỏi
dịch lên men theo các phương thức khác nhau [3]
Table 2
Cost estimates of different process routes
Estimated Cost Route 1 Route 3 Route 4
Investment ($ in million for 1000
2.12
2.08
3.04
TPA plant)
Chemicals including membrane and
0.37
0.17
0.26
electrode replacement cost for ED
(J/kg of lactic acid)
Utilities. (S/kg of lactic acid)
0.52 0.55 0.53
Operating cost (S/ks of Lactic acid) 0.12 0.12 0.13
Fixed cost f$/kg of lactic acid) 0.58 0.56
0.82
Unit cost (S/ke of lactic acid)
1.59
1.40
1.74
Các dừ liệu vẽ quá trình 2 - là quá trình sứ dụng hâp phụ trao đôi ion là
không đủ cho các ƯÓ'C tính vê chi phí. Tu> nhiên, người ta cũng dự kiên là chi
phí đầu tư cho quá trình 2 là thấp nhât, nhưng các chi phí vận hành theo định kỳ
sẽ là cao nhất vi nó liên quan đên quá trình rửa giai và tái sinh nhựa trao dôi ion
cần sổ lượng lớn các axit và kiêm. Quá trình 3 với quá trình kêt tua thông

trong quá trình là có thê thu hôi và tái sử dụng nhiêu lân.
1.3. Công nghệ màng lọc trong tách và tinh chê axit L-lactic
1.3.J. Các loại màng lọc khác nhau trong tách axìt L-ìactỉc từ (lịch lên men
Đẽ thực hiện một quá trình lên men cacbohydrat thành axit lactic (nguôn
cacbohydrat này có thê tái tạo được) hoạt động theo phương thức liên tục, các
thành phần cúa dịch lên men cân đưọc liên tục tách ra là: các tê bào vi khuân,
protein, chất dinh dường (men chiết xuất, muối cua amoni, kali, phốt pho,
V V ), các họp chất chửa cacbon chưa bị tiêu thụ bơi vi sinh vật, nước và axít
lactic nhu được trình bày trong bảng 3 [5]. Công nghệ màng lọc co thê tách các
thành phần này một cách hiệu qua mà không làm biên đôi câu tạo hóa học cua
các họp chất. Trons, bang 3, ta cùng thấy là từng thành phần trong dịch lên men
sè anh hưong đến tốc độ dòng và sâ> nên hiện tượng tăc màng khác nhau. Hiện
nay. các [oại màng [ọc được chê tạo và sư dụng theo các câp lọc như sau: vi lọc
(microfiltration), siêu lọc (ultrafiltration), lọc nano (nanofiltration), thâm thâu
ngược (reverse osmosis membrane), màng điện thâm tách (electrodialysis
membrane), màng cho quá trình bốc hơi qua màng (pervaporation). Sơ đồ trinh
bày trong hình 7 cho ta một số ví dụ về đối tượng cần tách loại áp dụng cho
từng loại màng lọc, cấp độ lọc khác nhau: chăng hạn như tọc ỏ cấp vi lọc thì có
thế loại được tế bào vi sinh vật, phâm màu: ở câp siêu lọc thi có thê lọc được
virus, các đại phân tứ; ở câp độ lọc nano có lọc được phân tử đường; ó' cấp lọc
thấm thấu ngược, điện thâm tách, bôc hơi qua màng thì ta có thê tách loại được
Bảng 3 : Các thành phần chính trong dịch lên men axit lactic có thê được
tách loại bàng bộ lọc hai giai đoạn tích hợp với thiết bị lên men [5J
Thành phần
'r Tể bào ví
sinh vật
Tác đỏng lên màng loc
■ o B •
(thông / tắc màng lọc)
Có ánh hương nhiêu

Ultrafiltration
a nofiltration
Osmose inverse
\ịl icrofiltra
tion
Ions Molecules Sucres Macromoiécitles Virus Baeténes Levures
Molecules complexes Noir de Carbone Pigments
XfUI
.0001
■Ui .1
Taille de I'espece retenue (microns)
Hình 7: Các loại màng lọc tương ứng với các cấp lọc khác nhau
Các tế bào vi khuân vả protein có thê nhanh chóng làm tẩc tất ca các
màng lọc nhưng mức độ làm tẳc màng của chúng sẽ là thấp đối với màn£ vi
lọc và tăng dần đối với các màng lọc có kích thước lồ nho hơn: màng nano
hoặc màng thấm thấu ngược. Tuy nhiên, nếu thiết kế quá trình lọc sao cho
màng lọc và đối tượng cân lọc là phù họp vói nhau thì màng có thế hoạt
động lâu dài mà không bị tắc nhiều. Màng vi lọc có kích thước lỗ trung bình
lớn nhât (d(b = 0.1-0.2 ỊLim) và có thê dùng đê tách loại tê bào vi sinh vật và
cho quay lại thiêt bị lên men nhăm duy trì nóng độ tẻ bào vi sinh vật cao
trong thiêt bị lên men và do đó năng suât cua thiêt bị lên men sè cao. Màng
siêu lọc với kích thước lồ trung bình nhỏ hơn nhiêu so với màng vi lọc (d,h =
0.005 - 0.05 j.im) nên có thê giữ lại các tê bào và protein có khôi lượng phân
tử 100-300 KDA [6, 7], Màng lọc nano có kích thước lồ nám °iừa màng
thẩm thấu ngược và màng siêu lọc với dth cờ I nm và có thẻ dùng dẻ tách các
tế bào vi sinh vật, protein, chất dinh dường, muối, và các hợp chât chứa
cacbon chưa bị tiêu thụ bởi vi sinh vật ra khoi axít lactic. Màng thâm thấu
ngược thường được gọi là màng không có lồ xốp (nonporous membrane) và
cơ chế tách được dựa trên cơ chế khuếch tán cua dung dịch, mảng thâm thâu
ngược có thê tách được các thành phần cua dịch lên men tương tự như màng

i McmSranc l.ícr; 3C‘C 'C">CT\'Oir
/ \
_
1
•. /\Aibviui -
•. /vmxiui -
L \
[ I>\v/ jtu k ỈCTHI uv'HI L’ h p rt“v>ur»j p u m p
PcrvbLiIt'C’Lpv* pressure pump
Hình 9: Sơ đô hệ thông lên men có sử dụng công nghệ màng đê tách [ọc tế bào liên
tục (module lọc có thê ở câp độ vi lọc, siêu lọc, lọc nano, hoặc thâm thấu neưạc và
được tích hợp với thiết bị lên men) [5]
Việc tách loại và tái sử dụng các thành phần cua dịch lẽn men phụ thuộc
vào loại màng sử dụng. Ví dụ, nếu sử dụng một module vi lọc thi chi có các tế
bào vi sinh vật là bị giữ lại trên màng lọc còn các axít, các họp chất chứa cacbon
chưa bị tiêu thụ bởi vi sinh vật, protein, chât dinh dường và nước thi đi qua
màng lọc. Mặc dù vậy, quá trinh này cũng đảm bảo loại bo liên tục axit lactic từ
thiêt bị lên men và ngăn chặn hiện tượng hạ thấp pH cua dung dịch. Các báo cáo
khoa học cùng đã chỉ cho ta thấy ràng nếu không tách axít lactic liên tục khoi
dịch lên men thi cần sử dụng sữa vôi hoặc NH4OH đế điều chinh pH trong quá
trình lên men. Nhưng một quá trình thực sự liên tục thì việc điêu chmh độ pH
như vậy là không cần thiết. Neu ta sir dụng một module màns siêu lọc tha> cho
màng vi lọc thì các protein cùng với các tê bào vi sinh vật sê bị giữ lại. Con nêu
ta sử dụng module màng nano hoặc màng thâm thấu ngược thì tât ca cac thành
phần của dịch lên men đều bị giữ lại, ngoại trừ các axít và nước. Như vậ>, việc
tái sứ dụng thành phần nào của dịch lên men phụ thuộc vào loại màng nào được
sử dụng.
Các loại bơm được sứ dụng cho module mang lọc có công suảt tìiv thuộc
vào loại màng lọc được sử dụng. Đối với màng V i lọc, bơm có thê được sir dụng
16

Gonzalez và các cộng sự đã đê xuât một quá trình tách mà không cần sư dụng
bât cứ một hóa chât hoạt hóa nào khác và thu được dung dịch axit L-lactic có độ
tinh khiêt cao [10]. Các đặc tính cua nhựa trao đôi ion cũng như quy trình tách
axit L-lactic được trinh bày chi tiết hơn trong phần dưới đây:
1.4.1. Cẩu tạo của nhựa trao đổi ion
Ngày nay, nhựa trao đôi ion đã tạo thành nhóm vật liệu trao dổi ion lớn
nhât được áp dụng rộng rãi trong nhiêu nghành công nghiệp vì có dung lượng
trao đôi lớn, chi phí khá rẻ so với một vài loại vật liệu vô CO' tông hợp khác.
Nhựa trao đôi ion có cấu tạo gồm các mạch hydrocarbon phân bố ngẫu nhiên
tạo nên một mạng lưới rất linh động. Trên mạch này có mang các điện tích cổ
định trên các vị trí khác nhau. Đôi với một loại nhựa trao đôi ion, người ta quan
tâm đến lượng nôi ngang giữa các mạch hydrocacbon vỉ nó sè anh hương đên
kích thước hạt nhựa qua sàng, kha năng trương, chuyên động cua các ion linh
động, độ cứng và độ bền cơ học. Lượng nối ngang lớn, sè làm tăng độ cứng cua
nhựa, tăng độ bền cơ, ít lồ xốp và ít trương trong dung môi. Đặc tính trương nơ
của nhựa ion trong nước và trong dung môi cùng được quan lâm. Mức độ
trương phụ thuộc vào đặc tính của cả dung môi và nhựa trao đôi ion, cụ thê là
nó bị anh hương bởi các yếu tố sau: độ phân cực cua dung môi, dộ liên kêt
ngang cua nhựa, dung lượng trao đôi, độ solvat hoá mạnh hay veil cua nhóm
chức cố định trên nhựa, kích thước solvat của các ion trao đôi, nông độ dung
dịch. Các loại nhựa trao đổi ion phổ biến hiện nay là:
* Polystyrene divinylbenzene là sản phâm copolyme cua stvren \à
divinylbenzen (DVB). Độ nổi ngang được quyêt định bơi lượng D\ B. Nông dộ
DVB thấp sè làm cho nhựa mềm, khá nãna trương rât mạnh trong các dung môi.
Các nhóm chức cố định (nhóm đặc trưng) được gãn vào trong mạng lưới mạch
1«
polyme đế tạo nên khả năng trao đổi ion. Ví dụ như nếu gẳn nhóm -SO',H,
thường từ 8 đến 10 nhóm cho 10 vòng benzene, ta sê có hf là ion linh động
(hay ion đôi — counter ion) và sẽ tham gia trao đổi với các cation trong duns
dịch. Nêu gãn các nhóm -NH;,+ hay —N2+ vào trong mạch polyme thì ta có nhựa