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

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

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

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

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

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

polyamide, polysulfone, ceramic và một số loại polymer khác.
 Membrane được sản xuất từ cellulose acetate có ưu điểm là ưa nước, đường
kính lỗ mao dẫn có thể dao động một khoảng rất lớn và giá thành thấp. Tuy
nhiên, chúng có một số nhược điểm như khoảng nhiệt độ và pH hoạt động khá
hẹp (T
max
≤ 35-40
0
C; pH = 3-8), kém bền với các chất tẩy rửa công nghiệp như
chlorine và dễ bị phân hủy sinh học.
 Membrane polyamide nhìn chung có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng hơn
các membrane cellulose triacetat (T
max
≤ 50
0
C; pH = 3-11) nhưng lại kém bền
hơn với chlorine và trong quá trình vận hành, dòng permeate dễ bị tắc nghẽn
hơn.
 Membrane polysulfone có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động khá rộng (T
max
≤75
0
C; pH = 1-13) và bền với chlorine. Tuy nhiên, các vật liệu PS và PES chịu
áp lực kém và do có tính kỵ nước nên trong vận hành, dòng permeate dễ bị tắc
nghẽn.
 Các membrane ceramic được chế tạo theo từng module riêng biệt. Các module
thường có hình trụ, bên trong gồm nhiều kênh dạng ống được xếp song song
theo suốt chiều cao thân trụ của module. Người ta sử dụng ceramic làm
membrane và một số vật liệu khác làm chất mang để tạo nên các kênh cho dòng
vào, dòng ra retentate, và dòng permeat trong module. Các thông số kỹ thuật

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

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

có tiết diện hình xoắn ốc và được liên thông với ống hình trụ trung tâm. Từ ống hình
trụ trung tâm, dòng permeate sẽ được tập trung thoát ra ngoài thiết bị.
Ưu điểm của mô hình này là giá thành thấp hơn so với các mô hình khác. Tuy
nhiên, tính linh động của màng không cao.
Mỗi loại membrane có những ưu nhược điểm khác nhau. Tùy vào điều kiện thực tế mà
các nhà sản xuất chọn mô hình membrane phù hợp cho hệ thống MBRs. Chẳng hạn như
- Khi khảo sát quá trình vận hành dài liên tục của Saccharomyces cerevisiae sinh
tổng hợp ethanol trên hệ thống MBRs, người ta sử dụng thiết bị membrane là 13 ống
ceramic hình trụ song song cách đều và đặt bên trong bình lên men, mỗi ống hình trụ có
đường kính trong 8mm, đường kính ngoài 11mm, chiều cao 80mm (B.G.Park và cộng
sự 1998)
- Membrane có cố định xúc tác sinh học thường được sử dụng trong mô hình sợi
vì mô hình này có ưu điểm là diện tích bề mặt lớn. Ví dụ như trong quá trình lên men
chuyển hóa đường saccharose thành đường palatinose bằng cách cố định tế bào
Serratia plymuthica trên membrane sợi rỗng được làm từ những sợi polysulfone dày
200μm, đường kính trong 8μm (A. Krastanov và cộng sự 2007).
B.3/ Cấu tạo và phương thức hoạt động của MBRs:
Đối với nhà sản xuất, việc lựa chọn phù hợp cấu tạo và phương thức hoạt động cho
mô hình MBRs là rất quan trọng, làm sao để đạt được hiệu quả trong quá trình sinh học
đồng thời quá trình phân tách sản phẩm được dễ dàng, hạn chế tối đa những sự cố về thiết
bị lên men cũng như về màng.
1. Hệ thống MBRs với membrane nằm ngoài thiết bị lên men (external membrane
bioreactor)
a. Mô hình hồi lưu đơn giản
Hình 1.8. Mô hình MBR đơn giản
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
18
Mô hình gồm có hệ thống thiết bị lên men, một thiết bị membrane và một bơm. Bình
lên men có cánh khuấy, có thể hoạt động theo chu trình kín hay bán kín, có hồi lưu
(membrane recycle bioreactor – MRB). Thể tích sử dụng của thiết bị membrane nhỏ hơn

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

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

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

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

• Sự hình thành lớp bánh
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Trích đoạn Cung cấp oxy Tốc độ dòng nhập liệu Tính chất dòng canh trường sau lên men Tốc độ dòng vào và sự chảy rối Áp lực qua màng

---