Nâng qui mô quá trình lên men Bài 9 Nâng qui mô thiết bị phản ứng sinh học PTN Sản xuất Sự khác biệt Các quá trình chuyển khối, nhiệt→ khác biệt về sự thích ứng của TB với điều kiện mới→ khác biệt về[.]
Bài 9: Nâng qui mô thiết bị phản ứng sinh học Sản xuất PTN Sự khác biệt: - Các trình chuyển khối, nhiệt→ khác biệt thích ứng TB với điều kiện → khác biệt sản phẩm Các giới hạn gặp phải nâng qui mô thùng phản ứng Tế bào bị phá vỡ ảnh hưởng Chi phí Tạo bọt Giới hạn Khuấy trộn Các thông số/chỉ tiêu thiết bị phản ứng SH – Điện tiêu thụ riêng - power input (P0/V) – Tốc độ vận chuyển oxi -(OTR) – Số vòng quay cánh khuấy -impeller rotation number (N) – Thời gian khuấy, tm - mixing times – Vận tốc đầu cánh khuấy - speeds at the impeller tip (N·Di) – Lực “cắt” (lực dịch chuyển học)– shear force – Tốc độ bơm cánh khuấy – pump rate of impeller-Q – Số Reynold (Re) Các công thức/mối liên hệ (lấy từ) thực nghiệm • • • • • Năng lượng tiêu thụ: P ~ N3Di5 Tốc độ bơm cánh khuấy Q ~ (NDi)3 Thời gian khuấy Tm = V/Q; Lực trượt shear stress ~ NDi Chuẩn số Reynold = Di2Nρ/μ ~ NDi2 Nguyên tắc đồng dạng hình học Tiêu chuẩn nâng qui mô giữ nguyên tỉ lệ HL1/DT1= HL2/DT2= HL3/DT3 Thể tích tương ứng V1, V2 V3; Di/D=1/3 Các cách tiếp cận cho nâng cấp quy mơ • Lựa chọn tiêu chí (criteria) có ảnh hưởng tới q trình để trì khơng đổi q trình nâng cấp • Một số tiêu chí thường chọn lựa: – – – – – Tốc độ vận chuyển oxy OTR: tế bào có nhu cầu hiếu khí Lực “cắt” hay trượt shear stress: dễ bị phá vỡ học Chế độ chảy (flow regime) –trị số Re: nhạy cảm nhiệt Năng lượng tiêu thụ riêng P/V: giống OTR Thời gian khuấy • Việc chọn lựa tiêu chí phụ thuộc vào trường hợp cụ thể cần kinh nghiệm Cách tiếp cận cho nâng cấp quy mơ • Tính tốn kích thước thiết bị dựa nguyên tắc đồng dạng hình học thiết bị quy mô lớn nhỏ chọn tiêu chí giữ khơng đổi • Xác định thay đổi tiêu chí khác Lựa chọn tiêu chí khơng đổi • Nguyên tắc – Điện vào ko đổi - power input (P0/V) cho tốc độ vận chuyển oxi khơng đổi -(OTR): dùng cho lên men hiếu khí nồng độ oxi quan trọng ảnh hưởng đến TĐC VSV – Số vịng quay cánh khuấy khơng đổi impeller rotation number (N) cho thời gian khuấy ko đổi - constant mixing times (Tm) – Vận tốc đầu cánh khuấy ko đổi - speeds at the impeller tip (N·Di): cho Lực dịch chuyển (cơ học) ko đổi – shear force: dùng cho TB nhạy cảm với lực dịch chuyển học hay TB vón cục cần lực giữ cho chúng tách – Số Reynold ko đổi (Re): choTương quan dòng chảy ko đổi: quan hệ số truyền nhiệt từ dịch lên men đến phận làm lạnh bên TB lên men, quan trọng cho VSV chịu nhiệt NÂNG CẤP DUY TRÌ P/V • Sự thay đổi lượng P cần Đồng dạng hình học : HL1/DT1= HL2/DT2 𝐷𝑇1 𝐻𝐿1 =𝐻𝐿2 𝐷 𝑉2 𝑉1 = 2 𝜋𝐷𝑇2 𝐻𝐿2 𝐷𝑇2 𝐻𝐿2 = 2 𝐻 𝜋𝐷𝑇1 𝐷𝑇1 𝐻𝐿1 𝐿1 𝑃2 = 𝑃1 𝑉2 𝑉1 𝐷𝑇2 𝐷𝑇1 = 𝐷𝑇2 𝐷𝑇2 𝐷 𝐷𝑇1 𝑇1 𝑇2 = 𝐷𝑇2 𝐷𝑇1 • Như tăng thể tích thùng lên men từ 10 L lên 10000 L (10 m3) đường kính thiết bị DT2 tăng lên 10 lần • Khi lượng tiêu thụ P2 tăng lên 1000 lần NÂNG CẤP DUY TRÌ P/V • Ảnh hưởng tới đảo trộn tm: thời gian đảo trộn cần để đảm bảo đồng môi trường – tm : tỷ lệ thể tích lỏng/ tốc độ dịng tạo cánh khuấy = V/Q – Q ~ (NDi)3: N (tốc độ khuấy); D (đường kính cánh khuấy) 𝑡𝑚1 𝑡𝑚2 = 𝑉1 𝑄1 𝑉2 𝑄2 𝑡𝑚1 → = 𝑡𝑚2 𝑉1 𝑁1 𝐷3 𝑖1 𝑉2 𝑁2 𝐷3 𝑖2 3 𝐷𝑇2 𝑁2𝐷𝑖2 𝑁 𝐷3 𝐷𝑇1 𝑖1 = = Có P ~ N3Di5 hay → 𝑉1𝑁2 𝐷𝑖2 𝑃1 𝑃2 𝑁2 = 𝑁1 𝑉2𝑁1 𝐷𝑖1 𝑁2 = 𝑁1 𝑁13𝐷𝑖1 = 𝑁 3𝐷 = 𝑖2 𝐷𝑇1 2/3 𝐷𝑇2 Tốc độ cách khuấy tăng 4,64 lần 𝐷𝑇1 𝐷𝑇2 NÂNG CẤP DUY TRÌ P/V • Ảnh hưởng tới lực cắt shear stress – Tác động cắt thể thông qua tốc độ đầu cánh khuấy ~ ND Lực cắt tăng 2,15 lần NÂNG CẤP DUY TRÌ P/V • Ảnh hưởng tới chế độ động lực học (chuẩn số Reynold) – Chuẩn số Reynold = (D2Nρ/μ)4 ~ ND2 Trị số Re tăng 21,54 lần NÂNG CẤP DUY TRÌ TÁC ĐỘNG “CẮT” • ND giữ khơng đổi • Tương tự đường kính tăng 10 lần → – Năng lượng tiêu thụ tăng 100 lần – Thời gian đảo trộn gấp 10 lần – Chuẩn số Reynold tăng gấp 10 lần – P/V giảm 10 lần hay OTR giảm 10 lần NÂNG CẤP DUY TRÌ CHẾ ĐỘ ĐỘNG LỰC DỊNG CHẤT LỎNG • Duy trì chuẩn số Reynold • Tăng đường kính 10 lần → – Năng lượng cần giảm 10 lần – Thời gian đảo trộn giảm 100 lần – Tác động “cắt” giảm 10 lần – P/V hay OTR giảm 10 000 lần Ví dụ thay đổi tiêu chí / thơng số q trình nâng cấp Vấn đề gặp phải • Có thể đốn trước thay đổi thơng số – Thời gian khuấy Mixing times – Tốc độ vận chuyển oxi – Tốc độ truyền nhiệt – Điện sử dụng – Tốc độ thơng khí • Khó đốn trước – Chất lượng sản phẩm (e.g phân hủy protein) – Tạo bọt – Sự tạo thành sản phẩm phụ ... ứng TB với điều kiện → khác biệt sản phẩm Các giới hạn gặp phải nâng qui mô thùng phản ứng Tế bào bị phá vỡ ảnh hưởng Chi phí Tạo bọt Giới hạn Khuấy trộn Các thông số/chỉ tiêu thiết bị phản ứng. .. trường hợp cụ thể cần kinh nghiệm Cách tiếp cận cho nâng cấp quy mơ • Tính tốn kích thước thiết bị dựa nguyên tắc đồng dạng hình học thiết bị quy mô lớn nhỏ chọn tiêu chí giữ khơng đổi • Xác định... NDi2 Nguyên tắc đồng dạng hình học Tiêu chuẩn nâng qui mô giữ nguyên tỉ lệ HL1/DT1= HL2/DT2= HL3/DT3 Thể tích tương ứng V1, V2 V3; Di/D=1/3 Các cách tiếp cận cho nâng cấp quy mơ • Lựa chọn tiêu