1.3. Thu nhận Pectic oligosaccharide (POS)
1.3.1. Kỹ thuật thủy phân giới hạn pectin bằng enzyme thu POS trong hệ thống có tích hợp màng lọc
Một số nghiên cứu về động học phản ứng của quá trình thủy phân pectin bởi endo polygalacturonase cho thấy tốc độ phản ứng bị kìm hãm bởi sản phẩm thủy phân của chúng [38, 41]. Để tránh hiện tượng này, một số nhóm nghiên cứu đã áp dụng hệ thống bình phản ứng dạng màng [9, 21]. Với hệ thống này, các sản phẩm thủy phân có kích thước nhỏ hơn lỗ màng có thể qua màng dễ dàng và được loại ra khỏi hệ thống, trong khi các phần tử có khối lượng và kích thước lớn (cơ chất và enzyme) được giữ lại. Tuy nhiên hệ thống thủy phân này là hệ thống lọc màng truyền thống (dead-end filtration) nên có thể gặp trở ngại trong quá trình vận hành do hiện tượng tắc màng bởi thành phần phức tạp và độ nhớt của dịch phản ứng.
Một trong những cách tiếp cận có thể đồng thời giải quyết được các vấn đề này là sử dụng hệ thống bình phản ứng tích hợp với bộ phận lọc dòng ngang.
Hình 1.4. Sơ đồ mô hình phản ứng thủy phân có tích hợp bộ phận lọc dòng ngang
Lọc dòng ngang (Cross flow filtration - CFF) là một kỹ thuật lọc trong đó dung dịch ban đầu chuyển động tiếp tuyến dọc theo bề mặt màng lọc. Do có sự chênh lệch áp suất qua màng nên các phân tử có kích thước nhỏ hơn lỗ màng sẽ đi qua, những
Màng 1 Màng 2
thành phần lớn hơn bị giữ lại, dịch chuyển dọc theo bề mặt màng và quay trở lại bình chứa ban đầu.
Dung dịch chuyển động định hướng đến bề mặt màng gọi là dòng cấp (feed).
Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt màng và quay trở lại bình chứa ban đầu gọi là dòng hồi lưu (retentate). Dòng hồi lưu thường được bơm trở lại bình chứa ban đầu và được tuần hoàn. Dung dịch đi qua màng được gọi là dòng ra (permeate).
Kỹ thuật lọc dòng ngang khác với kỹ thuật lọc truyền thống ở chỗ:
- Màng lọc sử dụng cho CFF được thiết kế riêng trong khi lọc truyền thống sử dụng rất nhiều loại màng khác nhau, giấy hoặc các vật liệu khác như bi thủy tinh để phân đoạn các thành phần có dòng cấp.
- CFF là một hệ thống tuần hoàn khép kín của dòng hồi lưu. Đối với lọc truyền thống, dòng cấp thường chỉ đi qua màng lọc một lần.
- Trong hệ thống CFF, dòng hồi lưu được giữ lại như một dung dịch và có thể được tái sử dụng một cách trực tiếp [75].
Rất nhiều các công trình nghiên cứu đã thành công khi ứng dụng kỹ thuật màng cho quá trình thủy phân pectin bằng enzyme [36, 38, 40]. Bình phản ứng có tích hợp hệ thống lọc dòng ngang chủ yếu sử dụng màng siêu lọc (ultrafiltration) và màng lọc nano (nanofiltration). Mô hình phản ứng này có nhiều ưu điểm: (1) enzyme có thể được giữ lại cho quá trình thủy phân liên tục trong thời gian dài; (2) màng cho phép lọc tại chỗ các sản phẩm có kích thước nhỏ hơn lỗ màng và (3) cho phép loại bỏ một cách liên tục sản phẩm để hạn chế tối đa quá trình ức chế phản ứng bởi sản phẩm, từ đó giúp làm tăng sản lượng và tỷ lệ chuyển hóa [60]. Bên cạnh đó, mô hình thủy phân dạng này còn tiết kiệm năng lượng, dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số hoạt động như áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng vào, tốc độ khuấy và dễ dàng nâng cấp lên các quy mô sản xuất lớn hơn [54].
K. Be´lafi-Bakó (2007) đã thủy phân pectin bằng enzyme polygalacturonase trong hệ thống bình phản ứng dạng màng siêu lọc cut off 30kDa. Hệ thống thủy phân hoạt động ổn định trong hơn 50 giờ và giúp nâng hiệu suất chuyển hóa pectin lên 40.6% so với mô hình thủy phân mẻ truyền thống do các phân tử cơ chất có khối lượng phân tử thấp như D-monogalacturonic được giải phóng ra từ quá trình phân cắt pectin liên tục được loại bỏ khỏi hệ thống [38]. A. Lama-Munoz và cộng sự sử dụng nhiều loại màng kích thước khác nhau: 10 kDa, 5 kDa, 3 kDa và 1 kDa để thu nhận POS từ LM – pectin oliu. Kết quả nghiên cứu cho thấy POS chủ yếu nằm ở phân đoạn 1 – 3 kDa và chiếm 23% đường tổng số [7]. Nhóm các nhà nghiên cứu José M. Rodriguez- Nogales và cộng sự (2008) đã sử dụng mô hình bình phản ứng lọc màng với enzyme tự do để thủy phân pectin táo bằng hỗn hợp enzyme thô polygalacturonase và pectin lyase. Mô hình này vận hành tốt nhất dưới điều kiện tỷ lệ enzyme/cơ chất 23.3, nhiệt độ 48˚C, tốc độ hồi lưu 36 l/h và áp suất qua màng 34.5 kPa với màng có khối lượng phân tử giới hạn (NMWL) 10 000. Độ nhớt của dịch thủy phân giảm đến 88% chỉ sau 15 phút và tỷ lệ chuyển hóa đạt 68% sau 2.5 giờ tương đương với khoảng 1.6 mg monogalacturonic/ mL [36]. Cũng với hệ thống thủy phân dạng màng K. Kiss (2009) lắp đặt thêm một máy hút chân không sau màng 30 kDa nhằm làm tăng tốc độ phân đoạn sản phẩm khỏi hệ thống phản ứng khi thử nghiệm thủy phân pectin từ nhiều nguồn khác nhau để thu các sản phẩm POS. POS thu được nhiều hơn, 24.3; 21.5 và 19.4 g sản phẩm/h.g enzyme lần lượt với pectin bã nho đen, củ cải đường và pectin nho đỏ so với 9.7g sản phẩm/h.g enzyme với pectin họ citrus [40].
Trong sản xuất và tinh sạch POS, phương pháp siêu lọc và lọc nano thường được ứng dụng để thu nhận các oligo có mức độ trùng hợp DP < 30 (3.8 kDa). J. Holck và cộng sự đã sử dụng màng cellulose 3 kDa cho mục đích này [35], trong khi K.
Iwasaki và Y. Matsubara tinh sạch POS (thủy phân từ pectin bột cam quýt) bằng màng
50 kDa để giữ lại các hợp chất có khối lượng phân tử lớn và sau đó lọc tiếp tục qua màng 15 kDa [39].