Bài giảng Quá trình và Thiết bị công nghệ Sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Hóa Mơi trường BÀI GIẢNG Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên: TS Cao Thị Huệ Bộ môn: Công nghệ Sinh học Hà Nội - 2021 Bài giảng môn: Q trình & Thiết bị CNSH MỤC TIÊU CỦA MƠN HỌC  Cung cấp cho người học kiến thức số trình sinh học Dựa sở người đọc lý giải chất khoa học q trình cơng nghệ biến đổi xảy công đoạn q trình cơng nghệ  Cung cấp cho người học hiểu biết loại thiết bị CNSH như: thiết bị chứa nồi phản ứng, thiết bị trùng, thiết bị lên men, thiết bị chuyển khối, thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị học  Từ điều học, người học vận dụng hiểu biết thu từ môn học để sản xuất sản phẩm cơng nghệ sinh học có suất chất lượng mang tính chất cơng nghiệp, phù hợp theo ngun lý q trình sinh học Bài giảng mơn: Quá trình & Thiết bị CNSH VÀI NÉT VỀ CÁCH HỌC, KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ Cách học: Đọc trước phần lý thuyết nhà Lưu ý vấn đề không hiểu (đưa câu hỏi) Tham gia tích cực giảng, thảo luận chuyên môn lớp Kiểm tra, đánh giá: Thường xuyên: Đi học đầy đủ Kiểm tra miệng: Thơng qua mức độ tích cực học lớp, thảo luận, trả lời câu hỏi giảng viên Điểm kiểm tra kỳ: Trắc nghiệm, 50 câu hỏi thuộc phần I giáo trình Cuối kỳ: Thi tự luận – câu hỏi (90 phút) Tổng thời gian lên lớp lý thuyết: 30 tiết, tuần Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Xn Đơng Q trình thiết bị công nghệ sinh học, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng, 2017 (tài liệu lưu hành nội bộ) [2] Tôn Thất Minh (Chủ biên) Phạm Anh Tuấn, Giáo trình q trình thiết bị cơng nghệ thực phẩm - Công nghệ sinh học Tập Các trình thiết bị chuyển khối, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, 2015 [3] Lê Văn Hoàng Các q trình thiết bị cơng nghệ sinh học công nghiệp, Phiên trực tuyến: http://voer.edu.vn/c/51712eb9 [4] Nguyễn Xuân Phương (Chủ biên), Nguyễn Thị Chà, Nguyễn Quan Đức, Tơ Thị Diệu Hằng, Nguyễn Linh Sơn, Giáo trình “Q trình thiết bị cơng nghệ sinh học Tập 2, Nhà xuất Thông tin Truyền thông, Hà Nội, 2014 Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH NỘI DUNG MÔN HỌC Chương Đại cương trình thiết bị CNSH Chương Q trình thiết bị lên men (ni cấy vi sinh vật) Chương Quy trình sản xuất sản phẩm sinh học Chương Quá trình thiết bị chuyển khối Chương Các thiết bị chứa nồi phản ứng Chương Quá trình thiết bị trao đổi nhiệt Chương Q trình thiết bị trùng mơi trường dinh dưỡng, vơ trùng khơng khí Chương Máy thiết bị học Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH Chương I Đại cương trình thiết bị cơng nghệ sinh học 1.1 Các q trình cơng nghệ sinh học; 1.2 Phân loại thiết bị dùng công nghệ sinh học; 1.3 Những yêu cầu thiết bị dùng CNSH Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH 1.1 Các q trình cơng nghệ sinh học Mục đích nghiên cứu q trình thiết bị:  Khi thiết kế, chọn dây chuyền thiết bị hợp lý  Trong sản xuất, chọn chế độ kĩ thuật thích hợp để nâng cao công suất thiết bị chất lượng sản phẩm  Khi nghiên cứu khoa học, tìm nhân tố định trình Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH Phân loại trình a) Quá trình học: đập, nghiền vận chuyển vật liệu rắn, nghiên cứu chế biến nguyên liệu rắn b) Quá trình thủy lực: chuyển vận chất lỏng khí, phân tách hệ lỏng khí khơng đồng nhất, khuấy trộn mơi trường lỏng c) Quá trình nhiệt: Đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, bốc (cô đặc), kết tinh d) Quá trình chủn khới: hấp thu, hấp phụ, trích ly, chưng cất, sấy khô e) Quá trình lạnh đông: làm lạnh đến nhiệt độ thấp, lạnh thâm độ f) Quá trình trùng, quá trình lên men (nuôi cấy vi sinh vật) Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH Q trình hấp thu, hấp phụ, trích ly, chưng cất, sấy khơ Hấp thụ q trình hút chất khí hoặc chất lỏng (chất hấp thụ) Ví dụ: dùng dung dịch xút để hút khí cácbonic Hấp phụ q trình hút chất khí hoặc chất rắn (chất hấp phụ), thí dụ dùng than hoạt tính để hấp phụ ammoniac Trích ly trình rút chất hòa tan chất lỏng hay rắn chất lỏng khác, thí dụ để lấy đường, người ta ngâm củ cải đường vào nước Chưng cất: q trình tách hỡn hợp lỏng chất nguyên chất cách cho dòng lỏng tác dụng với nhau, thí dụ chưng cất rượu với nước, tách nước khỏi rượu, làm cho rượu có nồng độ cao Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH Quá trình gián đoạn: nguyên liệu đưa vào thiết bị tác dụng hoặc chế biến đó, sau sản phẩm tháo tiếp tục cung cấp nguyên liệu Tất giai đoạn trình xảy phần thiết bị, điều kiện tác dụng nhiệt độ, áp suất, nồng độ thay đổi theo thời gian Quá trình liên tục: việc cung cấp nguyên liệu tháo sản phẩm khỏi thiết bị tiến hành liên tục Tất giai đoạn trình xảy đồng thời khu vực khác thiết bị mỗi khu vực, điều kiện tác dụng không thay đổi theo thời gian Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH 7.4.1.3 Sự tạo thành tinh thể Sự tạo thành tinh thể gồm hai giai đoạn: giai đoạn tạo mầm tinh thể giai đoạn phát triển mầm tinh thể thành tinh thể hoàn chỉnh Theo số tác giả mầm chỉ tạo thành dung dịch bão hồ lượng chất hồ tan tối thiểu Hình 7.11: Mơ tả đường bão hòa 1- đường q bão hòa; 2-đường bão hịa Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH 7.4.2 Các phương pháp kết tinh Q trình kết tinh thực theo phương pháp sau: - Kết tinh có tách phần dung môi (cô đặc) - Kết tinh không tách dung môi (giảm nhiệt độ dung dịch) - Kết hợp phương pháp Q trình kết tinh tiến hành gián đoạn hay liên tục Quá trình gián đoạn có nhược điểm: thiết bị cồng kềnh, tốn nhiều lao động, tinh thể không Quá trình kết tinh liên tục ứng dụng rộng rãi phổ biến công nghiệp Năng suất trình liên tục cao kích thước tinh thể thu đặn Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH 7.5 Quá trình thiết bị sấy 7.5.1 Tổng quan kĩ thuật sấy 7.5.1.1 Khái niệm sấy  Sấy trình dùng nhiệt để làm bay nước khỏi vật liệu rắn hay lỏng  Với mục đích giảm bớt khối lượng vật liệu (giảm công chuyên chở chẳng hạn), tăng độ bền vật liệu (như vật liệu gốm, sứ, gỗ, ), bảo quản tốt thời gian dài, lương thực, thực phẩm, sản phẩm CNSH (protein, acid amin, enzyme, …) Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH 7.5.1.2 Phân loại kĩ thuật sấy - Sấy tự nhiên - Sấy nhân tạo: phân loại sau  Sấy đối lưu: phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy khơng khí nóng, khói lò,  Sấy tiếp xúc: phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua vách ngăn  Sấy tia hồng ngoại: phương pháp sấy dùng lượng tia hồng ngoại nguồn nhiệt phát truyền cho vật liệu sấy  Sấy dòng điện cao tần: phương pháp sấy dùng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng tồn chiều dày lớp vật liệu  Sấy thăng hoa: phương pháp sấy mơi trường có độ chân khơng cao, nhiệt độ thấp, nên ẩm tự vật liệu đóng băng bay từ trạng thái rắn thành không qua trạng thái lỏng Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH 7.5.1.3 Ngun lí q trình sấy - Q trình sấy q trình chuyển khối có tham gia pha rắn phức tạp bao gồm trình khuếch tán bên bên ngồi vật liệu rắn đồng thời với q trình truyền nhiệt Đây trình nối tiếp, nghĩa trình chuyển lượng nước vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi, sau tách pha khỏi vật liệu ban đầu - Động lực trình chênh lệch độ ẩm lòng vật liệu bên bề mặt vật liệu Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH 7.5.1.4 Phân loại vật liệu ẩm (VLS) - Vật xốp mao dẫn: ẩm liên kết với vật liệu chủ yếu mối liên kết mao dẫn Ví dụ: vật liệu XD, than củi, cát thạch anh… hút chất lỏng dính ướt Đặc điểm: sấy khô trở nên giòn, vỡ vụn - Vật keo: có tính dẻo, ẩm liên kết dạng hấp thụ thẩm thấu Ví dụ: keo động vật, cellulose, tinh bột, đất sét… Đặc điểm: sấy khô bị co ngót vẫn giữ tính dẻo - Vật keo xớp mao dẫn: ẩm có tính chất vật keo vật mao dẫn Ví dụ: gỡ, than bùn, loại hạt thực phẩm Đặc điểm: sấy khô trở nên giòn bánh mỳ, rau xanh Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH 7.5.2 Thiết bị sấy 7.5.2.1 Thiết bị sấy tầng sôi Cấu tạo thiết bị sấy tầng sôi – Quạt; – Caloriphe; – Nguyên liệu ẩm; – Buồng sấy; – Cyclone; – Lọc túi; 7- Tháo sản phẩm; – Lưới (ghi) Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH - Ứng dụng thiết bị sấy tầng sơi: • Máy sấy tầng sơi áp dụng rộng rãi để sấy vật liệu sấy dạng hạt, dạng bột nhão dung dịch… • Đối với vật sấy nhão, dung dịch phải sử dụng vật mang hạt dạng trơ với vật sấy, không thấm nước, chịu va đập chịu nhiệt • Vật sấy bám dính lên bề mặt ngồi hạt mang (hạt chủ) • Q trình sấy tầng sơi diễn hạt có dính vật sấy nhão • Sản phẩm sấy thu dạng bột, thu hồi nhờ cyclone lọc túi Các vật mang lại trộn với bột nhão để sấy tiếp Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH 7.5.2.2 Thiết bị sấy phun - Nguyên lý sấy phun:  Một hệ phân tán mịn nguyên liệu từ chất lỏng hòa tan, nhũ tương, huyền phù cô đặc trước (40 - 60% ẩm) phun để hình thành giọt mịn, rơi vào dòng khí nóng chiều hoặc ngược chiều nhiệt độ khoảng 150 – 3000C buồng sấy lớn  Kết nước bốc nhanh chóng Các hạt sản phẩm tách khỏi tác nhân sấy nhờ hệ thống thu hồi riêng Bài giảng môn: Quá trình & Thiết bị CNSH Cấu tạo TB sấy phun Buồng sấy; Caloriphe; Thùng chứa nguyên liệu cần sấy Bơm nguyên liệu; Cơ cấu phun mẫu; Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí ra; Cyclon vận chuyển sản phẩm; Hệ thống quạt hút màng lọc Bài giảng môn: Quá trình & Thiết bị CNSH - Cấu tạo TB sấy phun: + Tác nhân sấy: Khơng khí nóng tác nhân sấy thông dụng Hơi tác nhân gia nhiệt phổ biến Nhiệt độ sử dụng thường dao động khoảng 150-250 độ C + Hệ thống thu hồi sản phẩm: Bột sau sấy phun thu hồi cửa đáy buồng sấy Để tách sản phẩm khỏi khí thốt, người ta sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện Phổ biến phương pháp lắng xoáy tâm, sử dụng cyclon + Quạt: Để tăng lưu lượng tác nhân sấy, người ta sử dụng quạt ly tâm Ở quy mô công nghiệp, thiết bị sấy phun trang bị hệ thống hai quạt Quạt đặt sau thiết bị thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí Còn quạt phụ đặt trước thiết bị gia nhiệt khơng khí trước vào buồng sấy Ưu điểm việc sử dụng hệ thống hai quạt người ta kiểm sốt dễ dàng áp lực buồng sấy Bài giảng môn: Quá trình & Thiết bị CNSH 7.5.2.3 Thiết bị sấy phun có sử dụng băng tải 1- Bơm nguyên liệu; 2- cấu phun; 3- buồng sấy phun; 4- phận lọc khí; 5- phận gia nhiệt/làm nguội khơng khí; 6- phận phân phối tác nhân sấy; 7-băng tải; 8,9-buồng sấy kết thúc; 10-buồng làm nguội sản phẩm; 11-bộ phận tháo sản phẩm; 12-cyclon thu hồi sản phấm; 13quạt; 14-hệ thống thu hồi bột sản phẩm từ cyclon; 15-bộ phận xử lý sản phẩm; 16-bộ phận thu hồi sản phẩm Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH - Nguyên tắc hoạt động: Bột sản phẩm thu sau trình sấy phun sẽ đưa xuống băng tải (7) vào hai buồng sấy để nước tiếp tục bốc độ ẩm sản phẩm theo yêu cầu.Cuối băng tải sẽ đưa vào buồng làm nguội 10 qua 11 tháo sản phẩm Thiết bị 15 làm phá vỡ chùm hạt khối sản phẩm Bài giảng môn: Quá trình & Thiết bị CNSH 7.5.2.4 Thiết bị sấy chân không - Ứng dụng: thiết bị sấy chân không cho kết sấy nhanh chóng sản phẩm nhạy nhiệt, nhạy khơng khí dễ cháy hay vật liệu u cầu sấy khơng có xáo trộn q nhiều Bài giảng mơn: Q trình & Thiết bị CNSH 7.5.2.5 Thiết bị sấy thăng hoa - Ứng dụng: phạm vi sử dụng hẹp chi phí đắt, chỉ dùng cho loại sản phẩm nhạy cảm với nhiệt