Bui xuan dong giao trinh qua trinh va th

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -   - GIÁO TRÌNH QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC Biên soạn: TS GVC Bùi Xuân Đông Đà Nẵng, 2017 GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC MỤC LỤC Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC 1.1 Các quá trình công nghệ sinh học 1.2 Phân loại các thiết bị dùng công nghệ sinh học 1.3 Những yêu cầu đối với thiết bị dùng công nghệ sinh học CÂU HỎI ÔN TẬP 10 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT SẢN PHẨM SINH HỌC 11 2.1 Đại cương về điều khiển các quá trình sinh học 11 2.2 Nguyên lý sản xuất sản phẩm công nghệ sinh học 12 2.3 Thí dụ một số quy trình công nghệ sản xuất SP công nghệ sinh học 18 2.3.1 Sản xuất dịch chiết protein từ tảo spirulina 18 2.3.2 Sản xuất enzyme từ canh trường lỏng 19 2.3.3 Công nghệ sản xuất chế phẩm enzyme thô từ canh trường nuôi cấy rắn-xốp 20 3.2.4 Sản xuất penicilin 21 3.2.5 Sản xuất phân vi sinh chất mang đã khử trùng 22 3.2.6 Sản xuất rượu vang 23 3.2.7 Sản xuất bia 23 CÂU HỎI ÔN TẬP 25 CHƯƠNG 3: CÁC THIẾT BỊ CHỨA VÀ NỒI PHẢN ỨNG 26 3.1 Các thiết bị chứa 26 3.1.1 Khái niệm tổng quát 26 3.1.2 Phân loại thùng chứa 26 3.1.3 Thiết bị chứa làm việc ở áp suất khí quyển 27 3.3 Nồi phản ứng 31 3.3.1 Nồi phản ứng có máy khuấy dạng mỏ neo 31 3.3.2 Thiết bị phản ứng tiếp xúc chất xúc tác 32 3.3.3 Thay xúc tác 33 CÂU HỎI ÔN TẬP 35 Chương 4: QTTB THANH TRÙNG MÔI TRƯỜNG DINH DƯỠNG, VÔ TRÙNG KHÔNG KHÍ 35 4.1 Thanh trùng môi trường dinh dưỡng 36 4.1.1 Khái niệm trùng 36 4.1.2 Các kĩ thuật vô trùng 36 4.1.3 Thanh trùng nhiệt 37 4.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới chế độ trùng 38 4.1.5 Giới thiệu số thiết bị trùng môi trường dinh dưỡng 38 4.1.6 So sánh kĩ thuật trùng 46 Biên soạn: TS Bùi Xn Đơng Trang GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC 4.2 Kĩ thuật vô trùng không khí 47 4.2.1 Đặc điểm không khí trước vô trùng 47 4.2.2 Đặc điểm ứng dụng kĩ thuật lọc và vô trùng không khí 47 4.2.3 Tác nhân làm chết vi sinh vật quá trình vơ trùng khơng khí 48 4.2.4 Sơ đồ công nghệ lọc và trùng khơng khí 48 2.4.5 Hiệu suất và chọn chế độ làm việc cho thiết bị trùng khơng khí 50 CÂU HỎI ÔN TẬP 50 Chương 5: QTTB LÊN MEN (NUÔI CẤY VSV) 51 5.1 Lên men môi trường rắn – xốp 51 5.1.1 Phòng nuôi cấy nấm mốc 53 5.1.2 Thiết bị nuôi cấy giống phương pháp tĩnh-động 56 5.1.3 Thiết bị nuôi cấy vi sinh vật dạng tháp 60 5.1.4 Thiết bị nuôi cấy vi sinh vật môi trường rắn dạng thùng quay 63 5.2 Lên men môi trường lỏng 64 5.2.1 Một số khái niệm 64 5.2.2 Thiết bị lên men chìm có sục khí và khuấy trộn 65 5.2.3 Các thiết bị lên men có đảo trộn khí động học 69 5.3 Các bộ phận của thiết bị lên men 72 5.3.1 Sục khí và khuấy đảo canh trường 72 5.3.2 Bộ trao đổi nhiệt 76 5.3.3 Sự tạo bọt và thu hồi bọt 78 CÂU HỎI ÔN TẬP 81 CHƯƠNG 6: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN KHỚI 82 6.1 Tởng quan về quá trình chuyển khối 82 6.1.1 Khái niệm chuyển khối 82 6.1.2 Các quá trình chuyển khối 82 6.2 Khuếch tán 82 6.2.1 Định nghĩa: 82 6.2.2 Động lực quá trình: 82 6.2.3 Các khuếch tán 83 6.3 Trích ly 87 6.3.1 Khái niệm trích ly 87 6.3.2 Một số thiết bị trích ly 89 6.3.3.Trích ly dung môi “siêu tới hạn” 95 6.4 Hấp phụ 97 6.4.1 Khái niệm: 98 6.4.2 Chất hấp phụ công nghiệp 99 6.4.3 Động học quá trình hấp phụ 103 Biên soạn: TS Bùi Xn Đơng Trang GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC 6.4.4 Thiết bị hấp phụ chất lỏng 103 CHƯƠNG 7: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 105 7.1 Khái niệm về trao đổi nhiệt 105 7.2 Phân loại TB TĐN 105 7.2.1 Theo công dụng 105 7.2.2 Theo dòng các chất tải nhiệt: 106 7.2.3 Theo vật liệu chế tạo 106 7.2.4 Theo cấu tạo và hình dạng bề mặt 106 7.2.5 Theo cách bổ chính dẫn nở nhiệt 106 7.3 Quá trình và thiết bị cô đặc 106 7.3.1 Tởng quan quá trình bốc (cô đặc) 106 7.3.2 Cô đặc nồi 107 7.3.3 Cô đặc nhiều nồi 115 7.4 Quá trình và thiết bị kết tinh 118 7.4.1 Khái niệm kết tinh 118 7.4.2 Tốc độ kết tinh 121 7.4.3 Các phương pháp kết tinh 121 7.4.4 Các thiết bị kết tinh 122 7.5 Quá trình và thiết bị sấy 126 7.5.1 Tổng quan kĩ thuật sấy 126 7.5.2 Thiết bị sấy 127 CÂU HỎI ÔN TẬP 133 Chương 8: MÁY VÀ THIẾT BỊ CƠ HỌC 134 8.1 Máy và thiết bị vận chuyển 134 8.1.1 Mở đầu 134 8.1.2 Vận chuyển chất lỏng 134 8.1.3 Vận chuyển vật liệu rời 139 8.1.4 Các phương tiện vận chuyển khác 141 8.2 Đập – nghiền – sàng vật rắn 142 8.2.1 Máy và thiết bị nghiền 142 8.2.2 Máy chà nguyên liệu 149 8.2.3 Phân loại vật liệu 150 8.3 Máy và thiết bị phân tách hệ thống đồng nhất 156 8.3.1 Máy và thiết bị lắng 156 8.3.2 Máy và thiết bị lọc 159 8.3.3 Các máy ly tâm 163 8.3.4 Các máy ép 170 8.4 Khuấy trộn chất lỏng 171 Biên soạn: TS Bùi Xuân Đơng Trang GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC 8.4.1 Khuấy trộn khí 171 8.4.2 Cấu tạo cánh khuấy 172 8.4.3 Khuấy khí nén 176 CÂU HỎI ÔN TẬP 176 Biên soạn: TS Bùi Xuân Đông Trang GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC LỜI NÓI ĐẦU Mục tiêu của học phần "Quá trình và thiết bị công nghệ sinh học" nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức về các quá trình, máy móc và thiết bị ứng dụng cơng nghệ sinh học nhằm tạo các sản phẩm công nghệ sinh học Học phần "Quá trình và thiết bị công nghệ sinh học" nằm khối kiến thức sở ngành của ngành Công nghệ sinh học Để tiếp thu những tri thức của môn học, sinh viên cần có nền tảng kiến thức chuyên sâu về sinh học, vi sinh vật học, hóa sinh học, kỹ thuật nhiệt, quá trình và thiết bị chuyền nhiệt, quá trình và thiết bị chuyển chất (truyền chất) Trong chương trình đào tạo kĩ sư ngành Công nghệ sinh học mợt sớ nước tiên tiến thế giới, địi hỏi sinh viên cần học trước các học phần "Hệ thống điều khiển tự động", "Cơ học ứng dụng", "Đại cương về công nghệ sinh học", "Vật lí đại cương", "Hóa đại cương và hóa hữu cơ", "Sinh thái học", "Sinh học đại cương và vi sinh vật học", "Hoạt chất sinh học", "Các phương pháp kiểm tra các quá trình cơng nghệ sinh học", "Kỹ tḥt nhiệt", "Hóa sinh đại cương và sinh học phân tử" Trong giáo trình này tác giả mô tả các quá trình và thiết bị công nghệ sinh học dựa những tài liệu của các tác giả nước và quốc tế Tác giả đã trích dẫn tham khảo một số tài liệu của các tác giả (phần Tài liệu tham khảo) Tác giả chân thành cám ơn các tác giả đã góp phần để hoàn thiện giáo trình này những ý kiến phản biện Mặc dù đã có nhiều cớ gắng chắc chắn giáo trình không thể tránh khỏi sai sót về nợi dung và hình thức Tác giả rất mong nhận thơng cảm và góp ý của quý bạn đọc Xin chân thành cám ơn! TÁC GIẢ Biên soạn: TS Bùi Xn Đơng Trang GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC 1.1 Các quá trình công nghệ sinh học Trong quá trình sản xuất các các sản phẩm sinh học, sản phẩm hóa học, hoặc thực phẩm, tính chất các sản phẩm khác có nhiều quá trình vật lý giớng (tách chiết, đun nóng, lọc, chưng cất, sấy v.v.) và chung cho phần lớn các ngành cơng nghệ hóa học Do đó, có những loại thiết bị thực hiện một quá trình nào có thể dùng chung cho các ngành của kĩ thuật hóa học Việc nghiên cứu các quá trình và thiết bị cho phép: - Khi thiết kế, chọn các dây chuyền và thiết bị hợp lý nhất - Trong sản xuất, chọn các chế độ kĩ thuật thích hợp nhất để nâng cao công suất của thiết bị và chất lượng sản phẩm - Khi nghiên cứu khoa học, tìm các nhân tố bản quyết định của quá trình Tùy theo tính chất đặc trưng của các quá trình, có thể chia thành các nhóm sau: a) Quá trình học: đập, nghiền và vận chuyển vật liệu rắn, nghiên cứu chế biến các nguyên liệu rắn b) Quá trình thủy lực: chuyển vận chất lỏng và khí, phân tách hệ lỏng và khí không đồng nhất, khuấy trộn môi trường lỏng c) Quá trình nhiệt: Đun nóng, làm ng̣i, ngưng tụ, bớc (cô đặc), kết tinh d) Quá trình chuyển khối: hấp thu, hấp phụ, trích ly, chưng cất, sấy khô Hấp thụ là quá trình hút các chất khí hoặc chất lỏng (chất hấp thụ), thí dụ dùng dung dịch xút để hút khí cácbonic Hấp phụ là quá trình hút các chất khí hoặc chất rắn (chất hấp phụ), thí dụ dùng than hoạt tính để hấp phụ amôniac Quá trình ngược lại của hấp thụ, hấp phụ gọi là quá trình nhả Trích ly là quá trình rút chất hịa tan mợt chất lỏng hay rắn một chất lỏng khác, thí dụ để lấy đường, người ta ngâm củ cải đường vào nước Chưng cất: quá trình tách hỗn hợp lỏng các chất nguyên chất cách cho dòng và lỏng tác dụng với nhau, thí dụ chưng cất rượu với nước, tách nước khỏi rượu, làm cho rượu có nờng đợ cao Biên soạn: TS Bùi Xn Đơng Trang GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC Sấy khô: quá trình tách ẩm từ vật liệu ẩm cách cho bay Nhiều tác giả phân loại quá trình sấy vào quá trình chuyển khối, cũng có những tác giả khác lại phân loại quá trình sấy vào quá trình nhiệt e) Quá trình lạnh đông: làm lạnh đến nhiệt độ thấp, lạnh thâm độ Trong công nghệ sinh học, ngoài 05 quá trình đây, các quá trình trùng, quá trình lên men (nuôi cấy vi sinh vật) cũng cần chú trọng nghiên cứu Các quá trình kĩ thuật sinh học có thể gián đoạn hoặc liên tục Quá trình gián đoạn: nguyên liệu đưa vào thiết bị tác dụng hoặc chế biến đó, sau đấy các sản phẩm tháo và tiếp tục cung cấp nguyên liệu Tất cả các giai đoạn của quá trình xảy mọi phần của thiết bị, các điều kiện tác dụng nhiệt độ, áp suất, nồng độ thay đổi theo thời gian Quá trình liên tục: việc cung cấp nguyên liệu và tháo sản phẩm khỏi thiết bị tiến hành liên tục Tất cả các giai đoạn của quá trình xảy đồng thời những khu vực khác của thiết bị và mỗi khu vực, các điều kiện tác dụng không thay đổi theo thời gian Việc áp dụng các quá trình liên tục cho phép nâng cao công suất của thiết bị, dễ tự đợng hóa và khí hóa sản x́t, bảo đảm các sản phẩm đồng nhất và chất lượng cao Các thiết bị liên tục bền các thiết bị gián đoạn, chi phí và suất cao Do những ưu điểm lớn nên sản xuất lớn, các quá trình liên tục đã thay thế cho các quá trình gián đoạn; quá trình gián đoạn chỉ sử dụng sản xuất nhỏ 1.2 Phân loại các thiết bị dùng công nghệ sinh học Về phương diện áp suất làm việc, có thể chia các thiết bị dùng công nghệ sinh học làm loại: a) Thiết bị làm việc áp suất khí quyển b) Thiết bị chịu áp suất bên c) Thiết bị chịu áp suất bên ngoài d) Thiết bị cao áp Về phương diện thiết bị và máy, chia làm 02 loại: thiết bị (tĩnh) và máy hóa chất Thiết bị (tĩnh) gờm: a) Thiết bị chứa Biên soạn: TS Bùi Xn Đơng Trang GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC b) Thiết bị trao đổi nhiệt c) Thiết bị bốc (cô đặc) d) Các tháp e) Thiết bị tầng sôi f) Thiết bị phản ứng, lên men Máy hóa chất gờm: a) Máy đập b) Máy nghiền c) Máy sàng d) Máy lọc e) Máy ly tâm f) Máy sấy g) Thùng quay h) Máy bơm i) Máy quạt j) Máy nén k) Máy vận chuyển vật liệu rắn Riêng 04 loại sau khơng phải là máy móc riêng của ngành cơng nghệ sinh học (CN hóa học) mà cịn dùng rợng rãi cho nhiều ngành khác, chế tạo và sử dụng ngành hóa học và cơng nghệ sinh học thì các máy có những yêu cầu riêng 1.3 Những yêu cầu đối với thiết bị dùng công nghệ sinh học Muốn thực hiện đầy đủ nhiệm vụ quá trình công nghệ sinh học, thiết bị cần đảm bảo: Vững chắc, Thuận tiện, Có suất cao, Giá thành hợp lý - Thiết bị có vững chắc thì mới an toàn làm việc và phục vụ lâu dài Vững chắc tức là bền, cứng, ổn định, lâu hỏng và kín (không rò rỉ) Nhưng nếu thiết bị bền quá mức thì khối lượng lớn và giá thành sẽ rất cao - Thời hạn phục vụ lâu dài cũng là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá chất lượng thiết bị Người ta phân biệt thời hạn phục vụ quy định và thực tế Thời hạn phục vụ quy định quan chức đề ra, thường từ 10 đến12 năm đối với các thiết bị dùng công nghệ hóa học, và là sở để tính khấu hao Thời hạn phục vụ thực tế của thiết bị Biên soạn: TS Bùi Xn Đơng Trang GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC thường lớn quy định và xác định độ mỏi của kim loại, bào mịn, và riêng đới với thiết bị cơng nghệ hóa học, cịn ăn mịn làm giảm đợ bền học Không nên thiết kế với mức phục vụ quá dài, vì với nhịp điệu phát triển của kĩ thuật hiện nay, thiết bị sẽ nhanh chóng bị lạc hậu Khi các thiết bị đã sử dụng quá thời hạn quy định thì nên thay thiết bị loại mới có suất cao và cấu tạo hoàn hảo hơn, để tăng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm Hầu hết các thiết bị dùng công nghệ sinh học rất kín để chênh lệch áp suất sẽ không xảy tổn thất nguyên liệu và mất vệ sinh Đặc biệt với các thiết bị làm việc dưới áp suất hoặc chế biến những chất độc, ăn da, dễ bắt lửa hoặc dễ nổ thì điều kiện kín rất quan trọng và cấn chú trọng những chỗ nối Các chi tiết di động, ổ túp, nắp, bộ phận cung cấp nguyên liệu cục - Muốn sử dụng thuận tiện, thiết bị phải có cấu tạo hoàn hảo, nghĩa là có cấu tạo đơn giản, khối lượng và kích thước nhỏ gọn, dùng ít nguyên liệu quý và hiếm, chế tạo đúng kĩ thuật, thao tác dễ dàng và hiệu suất cao Nhờ cấu tạo đơn giản nên dễ tháo lắp, dễ sửa chữa hoặc thay các bộ phận đã bị hao mịn Tiêu ch̉n đơn giản, khới lượng nhỏ và tiêu thụ ít nguyên liệu quý, chủ yếu để giảm giá thành thiết bị; cấu tạo hợp lý và chế tạo đúng kĩ thuật ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và công suất của thiết bị Đôi để tăng sản lượng và công suất của thiết bị, người ta dùng những thiết bị phức tạp và đắt tiền có suất cao và sử dụng dễ dàng, những chi phí lớn về vốn sẽ bù lại nhờ tăng số lượng, chất lượng và hạ giá thành sản phẩm Vì thế khuynh hướng của công nghệ sinh học hiện đại là tự đợng hóa sản x́t Thiết bị có phức tạp hơn, đắt giảm nhẹ sức lao động của công nhân Trong những công việc nặng nhọc và nguy hiểm, làm cho quá trình sản xuất liên tục và sản phẩm đồng nhất Giá thành của sản phẩm đặc trưng cho mức hoàn hảo của thiết bị và của toàn bộ quá trình kĩ thuật, đó, có thể so sánh những máy móc và thiết bị khác dùng để chế tạo một sản phẩm Ngoài ra, những máy móc và thiết bị dùng cơng nghệ sinh học hiện có kích thước rất lớn, thí dụ máy lắng (trong xử lý nước thải) có đường kính đến 50 m, dài 180 m, lò quay (máy sấy thùng quay) có đường kính đến m và dài 180 m, tháp cao đến 60 m (tháp chưng cất ethanol) Khối lượng của thiết bị đến hàng trăm tấn, khơng thể chun chở những thiết bị lớn và nặng thế nếu không tháo thành nhiều bộ phận Biên soạn: TS Bùi Xuân Đông Trang ...c cao, hiệu qua? ? cao Nhược: Thao tác nặng, va? ?i lọc chóng mòn, rách, th? ?̀i gian cho thao tác phụ lớn 8.3.2.2 Thiết bị lọc th? ?ng quay Hình 8.30: Sơ đồ hệ th? ?́ng thiết bị lọc th? ?ng quay Lọ... m va? ? dài 180 m, tháp cao đến 60 m (tháp chưng cất ethanol) Khối lượng của thiết bị đến hàng trăm tấn, khơng th? ?̉ chun chở những thiết bị lớn va? ? nặng th? ?́ nếu không tháo thành...I LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Bin, Các qua? ? trình va? ? thiết bị cơng nghệ hóa chất va? ? th? ??c phẩm, Tập 1: Các qua? ? trình th? ??y lực, bơm, qua? ?t, máy nén NXB khoa học va? ? kỹ thuật

Định dạng
Số trang	179
Dung lượng	4,54 MB