Thiết kế nhà máy sản xuất axit glutamic năng suất 480 tấn sản phẩm/năm

Thiết kế nhà máy sản xuất axit glutamic năng suất 480 tấn sản phẩm/năm

LỜI NÓI ĐẦU

Trong đời sống thường nhật, axit amin nói chung và axit glutamic nói riêng cómột ý nghĩa to lớn Axit glutamic là một axit amin công nghiệp quan trọng, rất cần cho

Axit glutamic có thể đảm nhiệm chức năng tổng hợp nên các aminoaxit khácnhau như alanin, lơsin, cystein, … nó tham gia vào phản ứng chuyển amin, giúp cho

cơ thể tiêu hóa nhóm amin và tách NH3 ra khỏi cơ thể Nó chiếm phần lớn thành phầnprotein và phần xám của não, đóng vai trò quan trọng trong các biến đổi sinh hóa ở hệthần kinh trung ương vì vậy trong y học còn sử dụng axit glutamic trong trường hợpsuy nhược hệ thần kinh nặng, mỏi mệt, mất trí nhớ, sự đầu độc NH3 vào cơ thể, một sốbệnh về tim, bệnh teo bắp thịt, …

Axit glutamic còn dùng làm nguyên liệu khởi đầu cho việc tổng hợp một số hóachất quan trọng

Muối natri của axit glutamic là natri glutamat mà ta quen gọi là mì chính là chấtđiều vị có giá trị trong công nghiệp thực phẩm, trong nấu nướng thức ăn hàng ngày [4,

tr 7]

Hiện nay ở nước ta vẫn còn ít các nhà máy sản xuất axit glutamic, mà phần lớn

là nhập từ nước ngoài, đây là lợi thế để xây dựng nhà máy sản xuất axit glutamic cungcấp cho thị trường trong nước

Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu trong nước và tiến tới xuất khẩu, nên em chọn đề tàithiết kế nhà máy sản xuất axit glutamic với năng suất 480 tấn sản phẩm/năm

CHƯƠNG 1LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT

Khu vực miền Trung và các tỉnh Tây Nguyên chưa có nhà máy sản xuất axitglutamic, nguồn nguyên liệu phục vụ sản xuất của khu vực cũng phong phú Đây làmột điều kiện rất thuận lợi để chúng ta tiến hành sản xuất loại sản phẩm này nhằmcung cấp cho thị trường rộng lớn và tiến đến xuất khẩu Với những ưu điểm như vậynên việc xây dựng một nhà máy sản xuất axit glutamic ở Gia Lai là việc làm hợp lý và

sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao trong quá trình hoạt động

1.1 Đặc điểm tự nhiên của tỉnh Gia Lai

Gia Lai nằm ở khu vực phía Bắc của Tây Nguyên, có diện tích tương đối lớn.Phía bắc giáp tỉnh Kon Tum, phía nam giáp tỉnh Đắk Lắk, phía tây giáp Campuchiavới 90 km đường biên giới quốc gia, phía đông giáp các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định

và Phú Yên Đặc biệt có khu công nghiệp Trà Đa nằm trong thành phố Plêiku là điềukiện rất thuận lợi cho vấn đề cung cấp điện, nước, hơi và nhiên liệu

Khí hậu gió mùa cao nguyên, một năm có hai mùa: mùa mưa bắt đầu từ tháng 5

và kết thúc vào tháng 10, mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau Lượng mưa trungbình từ 2.200 đến 2.500 mm ở vùng Tây Trường Sơn và từ 1.200 đến 1.750 mm ởvùng Đông Trường Sơn Nhiệt độ trung bình năm là 22 – 25ºC [13]

1.2 Vùng nguyên liệu

Ở Gia Lai có nhà máy đường An Khê cách khu công nghiệp Trà Đa 80km vềphía Đông, là một trong những nhà máy đường lớn của khu vực nên việc cung cấpnguyên liệu cho nhà máy rất thuận lợi Nhà máy tinh bột sắn ở Kon Tum cũng cáchkhu công nghiệp 50km về phía Bắc sẽ là nguồn cung cấp tinh bột cho sản xuất

Ngoài ra, Gia Lai còn là vùng nguyên liệu sắn lớn của khu vực Nam Trung Bộ

và phía Bắc Tây Nguyên nên sẽ là nguồn nguyên liệu dồi dào cho nhà máy hoạt động

1.3 Hợp tác hóa

Khu công nghiệp Trà Đa là khu công nghiệp lớn của tỉnh Gia Lai và khu vựcBắc Tây Nguyên nói chung nên quá trình hợp tác hóa với các nhà máy khác về sử

dụng các công trình công cộng như điện, nước, hệ thống giao thông, hệ thống cấpthoát nước… sẽ thuận lợi, giảm chi phí đầu tư.

1.4 Nguồn cung cấp điện, hơi và nhiên liệu

Gia Lai có các nhà máy thủy điện lớn như Ialy, Sêsan, An Khê… nên việc cungcấp điện cho khu công nghiệp nói chung và nhà máy nói riêng sẽ luôn được đảm bảo.Bên cạnh đó, việc tạo điều kiện thuận lợi và sự quan tâm đầu tư của tỉnh nênnguồn cung cấp hơi và các nhiên liệu cũng thuận lợi [15]

1.5 Nguồn cung cấp nước và vấn đề xử lý nước

Nước cung cấp cho nhà máy phải đảm bảo tiêu chuẩn về nước sạch cho các nhàmáy thực phẩm nên nguồn nước cung cấp cho nhà máy được lấy từ nguồn nước củacông ty cấp nước thành phố

Nước trước khi đưa vào sản xuất được lắng, lọc, làm mềm và xử lý iôn

Nước thải của nhà máy cũng được đưa về hệ thống xử lý nước thải chung củakhu công nghiệp rồi xử lý trước khi được thải ra ngoài

1.6 Giao thông vận tải

Có Quốc lộ 14 nối Gia Lai với Kon Tum, Quảng Nam, thành phố Đà Nẵng vềphía Bắc và Đắk Lắk, Đắk Nông, các tỉnh vùng Đông Nam Bộ về phía Nam Quốc lộ

19 nối với cảng Quy Nhơn dài 180km về phía Đông và các tỉnh Đông Bắc Campuchia

về hướng Tây Quốc lộ 25 nối với Phú Yên Ngoài ra, đường Hồ Chí Minh cũng đi quađịa bàn tỉnh Gia Lai Các quốc lộ 14, 25 nối Gia Lai với các tỉnh Tây Nguyên và duyênhải miền Trung rất thuận tiện cho vận chuyển hàng hóa đến cảng để xuất khẩu và cáctrung tâm kinh tế lớn của cả nước

Sân bay Plêiku có đường bay từ Pleiku đi thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng,Huế, Hà Nội và ngược lại [14]

Ngoài ra, cửa khẩu Lệ Thanh ở Gia Lai và cửa khẩu Bờ Y ở Kon Tum sẽ là conđường để vận chuyển sản phẩm sang Campuchia và Lào phục vụ cho xuất khẩu [16]

1.7 Nhân công và thị trường tiêu thụ

Nguồn nhân công sẽ được tuyển từ nguồn lao động của địa phương và các vùng

Thị trường tiêu thụ được chọn là thị trường của cả nước và hướng đến xuất khẩusang các nước trong khu vực, đặc biệt là khu vực Đông Nam Á.

1.8 Nguồn tiêu thụ sản phẩm

Nguồn tiêu thụ sản phẩm chủ yếu của công ty là hướng vào công ty Dược BìnhĐịnh Bidiphar, các công ty chế biến thức ăn gia súc, gia cầm trong khu vực vì đây làcác công ty cần một lượng lớn axit glutamic để phục vụ cho sản xuất hàng năm Ngoài

ra, các sản phẩm trong quá trình sản xuất cũng làm nguyên liệu cho nhà máy phân bónphục vụ cho trồng trọt

Bên cạnh đó xuất khẩu sản phẩm sang các nước Lào và Campuchia cũng là thịtrường cần được hướng tới trong quá trình hoạt động của nhà máy

Kết luận: Với những điều kiện thuận lợi trên là hoàn toàn có thể xây dựng và đảm bảo

cho sự hoạt động của một nhà máy sản xuất axit glutamic tại khu công nghiệp Trà Đacủa tỉnh Gia Lai

CHƯƠNG 2TỔNG QUAN

Vào năm 1860 nhà khoa học Ritthaussen ở Hamburg (Đức) xác định thành phầncác protein động vật, đặc biệt là thành phần các axit amin, trong đó có một axit aminvới tên gọi là axit glutamic:

HOOC – CH – CH2 – CH2 – COOH

NH2

và muối natri của nó gọi là glutamat natri

Tên axit glutamic xuất phát từ thuật ngữ gluten của bột mì Tách gluten, thủyphân nó bằng axit và cuối cùng thu được một lượng lớn axit amin, trong đó axitglutamic chiếm 80% lượng các axit amin [4, tr 15]

Axit glutamic là loại axit amin cơ thể có thể tổng hợp được, nó có nhiều trongcác loại thực phẩm như trong protein thịt động vật, thực vật như đậu peas, cà rốt, rongbiển… Là một trong 20 axit amin cấu tạo nên phân tử protein được sử dụng nhiềutrong thực tế cuộc sống vì công dụng của nó [17]

* Nguyên liệu:

Để lên men sản xuất axit glutamic, người ta dùng nguyên liệu chủ yếu là dịch cóđường, hoặc rỉ đường, hoặc các nguồn nguyên liệu tinh bột đã qua giai đoạn đườnghóa Khoai mì là nguyên liệu tinh bột được sử dụng nhiều nhất hiện nay Ngoài ra còn

có các nguồn dinh dưỡng bổ sung như muối amôn, photphat, sulfat, biotin, vitamin B Trong thực tế sản xuất, người ta dùng rỉ đường làm môi trường lên men thay chocao bắp Rỉ đường thường pha loãng đến 13 – 14% và thanh trùng trước khi lên men.Nếu là nguyên liệu chứa tinh bột, thì tinh bột phải được thủy phân (quá trình dịch hóa

và đuờng hóa) nhờ enzym  ,  , amylaza rồi sau đó mới bổ sung thêm dinh dưỡngvào môi trường lên men

* Chủng vi sinh:

Quá trình lên men sản xuất axit glutamic bằng các chủng vi sinh thường sử dụng

là: Corynebacterium Glutamicum, Brevibacterium Lactofermentus, Micrococcus

Glutamicus; nhưng chủ yếu nhất vẫn là chủng Corynebacterium Glutamicum có khả

năng lên men từ tinh bột, ngô, khoai, khoai mì để tạo ra axit glutamic

Chủng vi khuẩn giống phải có khả năng tạo ra nhiều axit glutamic, tốc độ sinhtrưởng phát triển nhanh, có tính ổn định cao trong thời gian dài, chịu được nồng độaxit cao, môi trường nuôi cấy đơn giản, dễ áp dụng trong thực tế sản xuất [17]

* Cơ chế tổng hợp thừa axit glutamic:

Tính thấm của màng tế bào bị thay đổi vì thiếu biotin, do tác dụng của penicillinhay dẫn xuất của chất béo Nếu tính thấm không bị thay đổi thì chỉ diễn ra sự tổng hợpaxit gutamic trong tế bào và không có sự tiết axit này ra môi trường Như vậy, axitglutamic nồng độ cao sẽ ức chế phản ứng của glutamate-dehydrogenaza tạo thành axitglutamic Do biến đổi về tính thẩm thấu, tế bào chỉ cho axit glutamic ra ngoài và trongnội bào nồng độ axit amin này thấp nên không có sự ức chế ngược bởi sản phẩm cuốicùng

Sự hư hại tính thấm xuất hiện khi nồng độ biotin tối ưu là 2 – 5g/l Còn nồng

độ bioin tối thích cho sự sinh trưởng của chủng sản ở khoảng 14 g/l Cũng có thể tạo

ra sự hư hại này bằng cách bổ sung các chất hoạt động bề mặt như Tween polyoxyetylen- socbitanmonostearat, Tween-40poyoxyetylen-sobitan-monopalmitatnhư penicillin Các tác nhân bề mặt này được bổ sung vào giữa hay cuối pha sinhtrưởng Việc penicillin gây hư hại cho tính thấm có ý nghĩa thực tiễn đặc biệt vì nhờ

60-đó có thể sử dụng các nguyên liệu phức tạp như rỉ đường [3, tr 19]

* Kỹ thuật sản xuất:

Sản xuất axit glutamic bằng phương pháp lên men người ta sử dụng hai phươngpháp là lên men liên tục và lên men gián đoạn:

Phương pháp lên men liên tục

Cơ chất và các thành phần môi trường được bổ sung liên tục vào thiết bị lên men

và dịch lên men được lấy ra dần

Phương pháp lên men gián đoạn

Có 2 phương pháp lên men gián đoạn:

Phương pháp lên men gián đoạn không bổ sung cơ chất

Cho toàn bộ cơ chất và hóa chất cần dùng một lần ngay từ ban đầu vào thiết bịlên men Chỉ có dầu phá bọt và dịch đường… được bổ sung theo nhu cầu trong quátrình lên men Lượng môi trường ban đầu thường 60 – 65% thể tích của thùng Khoảngtrống của thùng dành cho bọt hoạt động

Nguyên tắc của phương pháp này là sản xuất L_glutamic ngay trong dịch nuôicấy bằng một loại vi sinh vật duy nhất Các sinh vật này đều có hệ enzyme đặc biệt cóthể chuyển trực tiếp đường và NH3 thành axit glutamic trong môi trường Ưu điểm củaphương pháp này là:

+ Sử dụng đường làm nguyên liệu có hiệu suất cao

+ Nguyên liệu sử dụng rẻ tiền, dễ kiếm

+ Nguyên liệu chứa đầy đủ các thành phần dinh dưỡng cho quátrình lên men [4, tr 124]

Phương pháp lên men gián đoạn có bổ sung cơ chất

Không cho toàn bộ cơ chất vào thiết bị lên men ngay từ đầu mà chia làm hai khốinhỏ, 15 – 20% cơ chất cùng các hóa chất được đưa vào môi trường ban đầu, khối cònlại (80 – 85%) được bổ sung dần trong quá trình lên men

Quá trình lên men gián đoạn gồm các giai đoạn sau:

a Giai đoạn đầu: 8 ÷ 12h, giai đoạn này chủ yếu là tăng sinh khối Các chất cótrong môi trường thẩm thấu vào tế bào làm cho vi khuẩn lớn lên đạt kích thước cực đại

và bắt đầu sinh sản, phân chia Ở giai đoạn này axit glutamic tạo ra rất ít pH có tăng từ6,5 ÷ 6,7 lên 7,5 ÷ 8

b Giai đoạn giữa: Từ giờ thứ 10, 12 đến giờ thứ 24, 26 Số lượng tế bào khôngtăng hoặc tăng rất ít Quá trình chủ yếu của giai đoạn này là đường và đạm vô cơ thẩmthấu qua màng tế bào vi khuẩn và các quá trình chuyển hoá bởi men và các phản ứng

để tạo axit glutamic trong tế bào Lượng axit sinh ra nhiều làm pH giảm nên phải bổsung thêm urê để pH = 8, CO2 bay ra nhiều, bọt tăng ào ạt Trong giai đoạn này nhiệt

độ tăng nhanh Axit tạo ra đạt 30 ÷ 40g/l

c Giai đoạn cuối: Các quá trình xảy ra chậm dần cho đến khi hàm lượng đường

Sau đó đem ly tâm, lọc, và sấy ở nhiệt độ thấp sẽ thu được tinh thể axit glutamicmàu trắng [17].

CHƯƠNG 3

CHỌN VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ3.1 Chọn phương pháp sản xuất

Axit glutamic là loại axit amin cơ thể có thể tổng hợp được, nó có nhiều trongcác loại thực phẩm như trong protein thịt động vật, thực vật như đậu peas, cà rốt, rongbiển…

Có nhiều phương pháp sản xuất axit glutamic khác nhau, từ các nguồn nguyênliệu khác nhau Hiện nay, trên thế giới có bốn phương pháp cơ bản:

3.1.1 Phương pháp tổng hợp hóa học

Phương pháp này ứng dụng các phản ứng tổng hợp hóa học để tổng hợp nên axitglutamic và các aminoaxit khác từ các khí thải của công nghiệpdầu hỏa hay cácnghành khác Phương pháp này có những ưu - nhược điểm cụ thể như sau:

Ưu điểm: Phương pháp này có thể sử dụng nguồn nguyên liệu không phải thực phẩm

để sản xuất ra và tận dụng được các phế liệu của công nghiệp dầu hỏa

Nhược điểm: Chỉ thực hiện được ở những nước có công nghiệp dầu hỏa phát triển và

yêu cầu kỹ thuật cao Mặt khác sản xuất bằng con đường này tạo ra một hỗn hợpkhông quay cực D, L-axit glutamic, việc tách L-axit glutamic ra lại khó khăn nên làmtăng giá thành sản phẩm Do nhược điểm như vậy nên phương pháp này ít được ứngdụng ở các nước

3.1.2 Phương pháp thủy phân prôtêin

Phương pháp này sử dụng các tác nhân xúc tác là các hóa chất hoặc fecmen đểthủy phân một nguồn nguyên liệu prôtêin nào đó (khô đậu, khô lạc,…) ra một hỗn hợpcác aminoaxit từ đấy tách các axit glutamic ra

Quá trình này có thể tóm tắt như sau: gluten của bột mì được thủy phân bằng axitHCl để giải phóng ra các axit amin ở 150oC Sau đó các chất cặn bã sẽ được lọc, dịchlọc được cô đặc và giữ ở nhiệt độ thấp để làm giảm độ hòa tan của chất tan, từ đó cáchạt tinh thể kết tinh của hydroclorat glutamic quá bão hòa sẽ dần dần được tạo thành

Những hạt tinh thể này sẽ được lọc để tách riêng và sau đó được hòa tan trongnước Dung dịch này sẽ được trung hòa bằng Na2CO3 cho tới pH = 3,2 (pH đẳng điện),

ở pH này tinh thể axit glutamic sẽ kết tinh ra khỏi dung dịch và được tách riêng bằngphương pháp ly tâm Sau đó pha loãng và kết tinh lần hai với dung dịch Na2CO3 ở pH

= 5,7  7,0 Than hoạt tính và Na2CO3 được thêm vào để khử màu và kết tủa các tạpchất Tạp chất sẽ được lọc, dịch lọc được cô đặc bằng phương pháp bay hơi chânkhông thu được dịch cô đặc axit glutamic, dịch cô đặc được tách nước bằng phươngpháp ly tâm, sản phẩm thu được được sấy khô tạo nên tinh thể cuối cùng là axitgutamic tinh khiết

Phương pháp này có những ưu - nhược điểm cụ thể như sau:

Ưu điểm: Dễ khống chế quy trình sản xuất và áp dụng được vào các cơ sở thủ công

bán cơ giới, cơ giới dễ dàng

Nhược điểm: Cần sử dụng nguyên liệu giàu protit hiếm và đắt.

Cần nhiều hóa chất và các thiết bị chống ăn mònHiệu suất thấp đưa đến giá thành cao

3.1.3 Phương pháp lên men (sinh tổng hợp)

Phương pháp này lợi dụng một số vi sinh vật có khả năng sinh tông hợp ra cácaxit amin từ các nguồn gluxit và đạm vô cơ Phương pháp này đang có nhiều triểnvọng phát triển ở khắp các nước, nó tạo ra được nhiều loại aminoaxit như: axitglutamic, lizin, vali, alanin, phenylalanin, tryptophan, methionin,…

Phương pháp lên men có nguồn gốc từ Nhật Bản, năm 1956 khi mà Shukuo và

Kinoshita sử dụng chủng Micrococcus glutamicus sản xuất từ môi trường có chứa glucoza và amoniac Sau đó một số loài vi sinh vật khác cũng được sử dụng như Brevi

bacterium và Microbacterium,…

Nhiệt độ lên men giữ ở 28oC và duy trì pH = 8,0 bằng cách thường xuyên bổsung urê [4, tr 21] Điều kiện hiếu khí là rất quan trọng bởi vì nếu không được sục khíthì sản phẩm tạo thành không phải là axit glutamic mà là lactat Khi sử dụng nguyênliệu là rỉ đường thì cần bổ sung các chất kháng biotin để kiểm soát sự sinh trưởng của

vi sinh vật

Phương pháp này có nhiều ưu điểm nên đang được nghiên cứu và ứng dụng ởnước ta và các nước trên thế giới.

Ưu điểm chính: + Không sử dụng nguyên liệu giàu protit.

+ Không cần sử dụng nhiều hóa chất và thiết bị chịu ăn mòn

+ Hiệu suất cao, giá thành hạ

+ Tạo ra axit glutamic dạng L, có hoạt tính sinh học cao

3.1.4 Phương pháp kết hợp

Đây là phương pháp kết hợp giữa tổng hợp hóa học và vi sinh vật học

Phương pháp vi sinh vật tổng hợp nên axit amin từ các nguồn đạm vô cơ vàgluxit mất nhiều thời gian, do đó người ta lợi dụng các phản ứng tổng hợp tạo ranhững chất có cấu tạo gần giống axit amin, từ đấy lợi dụng vi sinh vật tiếp tục tạo raaxit amin

Tổng hợp R – C – COOH O

3.2 Chủng vi sinh vật

Tham gia vào quá trình lên men để sản xuất axit glutamic ta chọn vi sinh vật

thường dùng là: Corynebacterium glutamicum

Brevibacterium lactofermentus

Micrococus glutamicus

Nhưng chủ yếu nhất vẫn là chủng Corynebacterrium glutamicum, loại vi khuẩn

này có khả năng lên men từ tinh bột, ngô, khoai, khoai mì để tạo axit glutamic

3.3 Qui trình sản xuất axit glutamic

Sau khi tham khảo qui trình sản xuất của nhà máy Ajnomoto cùng với các tàiliệu tham khảo tôi đã chọn được qui trình sản xuất cụ thể như sau:

Dịch hóa (pH=5,57;

toC=90110)

Đường hóa (pH=4,24,5;

toC=6062)

Pha chế dịch lên men

Lên men pH = 8,0

Dịch đường 38÷45%

dầu lạc 0,1%Urê 1,8%

Giống gốc

Nhân cấp I CấpII

Lọc tách sinh khối

Cô đặc chân không

3.4 Thuyết minh qui trình

3.4.1 Xử lí nguyên liệu

3.4.1.1 Nguyên liệu rỉ đường

Rỉ đường mía là phần còn lại của dung dịch đường sau khi đã tách phần đườngkính kết tinh Hàm lượng đường trong mật mía là:

+ Đường tổng số : 45 – 60% (theo mùa)

Mục đích chính của xử lý là loại bỏ các tạp chất không mong muốn và các visinh vật tạp nhiễm, thuỷ phân dịch đường thành các đường đơn

Quá trình xử lý này còn nhằm loại canxi (Decancium): Iôn canxi làm ảnh hưởngđến quá trình kết tinh glutamic Trong rỉ mật có chứa

nhiều canxi- đây là kim loại có ảnh hưởng đến quá

trình lên men và kết tinh axit glutamic, mục đích của

giai đoạn này là loại canxi khỏi rỉ mật Ngoài ra

H2SO4 được sử dụng để loại canxi còn có vai trò thủy

phân đường sacaroza trong rỉ mật thành

glucoza-nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật sử dụng

Mục đích của ly tâm là loại bỏ kết tủa và các chất cặn lắng

Thiết bị: Máy ly tâm nằm ngang

Hình 3.1 Thiết bị thủy phân

[5, tr90]

Hình 3.3 Thiết bị hòa tan tinh bột

[18]

3.4.1.2 Nguyên liệu tinh bột

Hàm lượng tinh bột trong tinh bột khoai mì là 80 – 84% [8]

Sử dụng các cyclon để chứa tinh bột

a Pha loãng, lọc:

Pha loãng nhằm làm trương nở các hạt tinh

bột và sau đó tiến hành lọc nhằm loại bỏ những chất

cặn bã trong dịch tinh bột trước khi thủy phân

Thiết bị: Dùng thiết bị hòa tan có cánh khoấy và thiết bị lọc là thùng chứa có gắnlưới lọc phía trên để lọc các chất cặn bã trước khi dịch tinh bột được bơm đi dịch hóa

Thiết bị: Thực hiện quá trình dịch hóa trong các nồi phản ứng [5, tr 87]

c Đường hóa:

Dịch tinh bột sau khi dịch hóa được chuyển qua nồi phản ứng để hạ nhiệt độ

Hình 3.2 Máy ly tâm nằm ngang [5, tr228]

Mục đích của đường hóa là nhằm chuyển

dịch dextrose thành đường glucoza – nguồn dinh

dưỡng mà vi sinh vật lên men có thể sử dụng

Các thông số kỹ thuật của quá trình đường

hóa này là: pH = 4,2 – 4,5; nhiệt độ 60 – 62oC

[8]

Thiết bị: Quá trình đường hóa được tiến

hành trong các nồi phản ứng có bổ sung enzym

 _amylaza [5, tr 87]

3.4.2 Pha chế dịch lên men

Mục đích: Tạo ra hỗn hợp môi trường cho vi sinh vật sử dụng trong quá trình lênmen tạo sinh khối

Tiến hành: Phối trộn giữa dịch thuỷ phân tinh bột và dịch rỉ đường đã pha loãng.Ngoài ra còn bổ sung thêm các chất sau: [4, tr 84]

3.4.3 Thanh trùng và làm nguội

Hình 3.4

Thiết bị dịch hóa và đưònghóa dịch tinh bột [5, tr 87]

Mục đích: Thanh trùng nhằm tiêu diệt các vi sinh vật gây hại trong môi trườngdinh dưỡng trước khi lên men và làm nguội để hạ nhiệt độ môi trường xuống nhiệt độthích hợp với vi sinh vật để lên men.

Thanh trùng: Dịch được bơm ngược

chiều với hơi nước, để tạo ra quá trình

trao đổi nhiệt Thanh trùng ở 1150C trong

thời gian 20 phút rồi được làm nguội

nhiệt độ của dịch lên men xuống 30

320C [8]

Chọn thiết bị thanh trùng dạng bản

mỏng

3.4.4 Nhân giống

Mục đích là tạo ra đủ số lượng giống cần thiết cho quá trình lên men

Quá trình nhân giống được tiến hành qua

các bước sau: [4, tr 171]

Giống gốc cấy truyền ra ống thạch

nghiêng đời 1 cấy truyền ra ống thạch

nghiêng đời 2 lên men bình lắc (giống

cấp 1) nuôi trong thùng tôn (giống cấp 2)

lên men chính (giống cấp 3)

Quá trình nhân giống được tiến hành trong

các thùng gây men

3.4.5 Lên men

Mục đích của khâu này là thông qua các hoạt động sống của vi khuẩn trongnhững điều kiện thích hợp để chuyển hoá đường glucoze và đạm vô cơ thành axitglutamic Nồng độ đường ban đầu trong dịch lên men là 10% [8]

Để đảm bảo cho quá trình lên men đạt hiệu quả cao phải chú ý khống chế cácđiều kiện kỹ thuật như:

Hình 3.5 Thiết bị thanh trùng bản mỏng

[20]

Hình 3.6 Thùng gây men

[21]

Lượng không khí : 30 ÷ 40cm3/giờ cho 1m3 môi

trường

Cánh khuấy hai tầng: 180 ÷ 200vòng/phút

pH giảm đến 7 thì phải bổ sung urê ngay cho pH

lên 8, thường bổ sung một nồi len men gián đoạn 2 – 3 lần

Thiết bị: Dùng thiết bị lên men với bộ đảo trộn cơ

học dạng sủi bọt

3.4.6 Lọc tách sinh khối

Lọc nhằm tách riêng dung dịch có chứa axit glutamic ra

khỏi xác tế bào vi sinh vật lên men trước khi tiến hành công

đoạn tiếp theo cô đặc chân không

Dùng thiết bị lọc màng dạng khung phẳng

3.4.7 Cô đặc chân không

Nhằm làm tăng nồng độ của dịch axit glutamic trước khi kết tinh

Thiết bị: Sử dụng thiết bị cô đặc chân không

Hình 3.8.

Sơ đồ thiết bị dùng màng lọc dạng khung phẳng

[5, tr 251]

Hình 3.9.

Thiết bị cô đặc chân không

Hình 3.7 Thiết bị lên men

[5, tr 197]

3.4.9 Axit hóa và kết tinh

Quá trình này được thực hiện trong cùng một thiết bị

nhằm đưa pH của dung dịch axit glutamic giảm đến điểm

đẳng điện rồi hạ nhiệt độ để axit gulamic kết tinh lại sau đó

tiến hành ly tâm

Thiết bị: Dùng thiết bị kết tinh có lớp vỏ chịu được

axit và có bộ phận làm lạnh bên ngoài

Nhằm thu tinh thể axit glutamic sau khi đã ly tâm tách nước và cũng làm giảm

độ ẩm của tinh thể axit trước khi tiến hành sấy

Sử dụng thiết bị lọc băng tải

Tinh thể axit glutamic được làm nguội trên băng tải

làm nguội trước khi bao gói

3.4.14 Bao gói

Tinh thể axit glutamic sau khi làm nguội được

chuyển vào thiết bị bao gói để bao gói trước khi được bảo

quản Quá trình bao gói có ghi rõ khối lượng, ngày sản

CHƯƠNG 4TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT4.1 Kế hoạch sản xuất của nhà máy trong một năm

Nhà máy làm việc liên tục 3 ca/ngày Mỗi ca 8 giờ

Tháng 1 âm lịch nhà máy nghỉ sản xuất 30 ngày để tu sửa và vệ sinh thiết bị

- Các ngày nghỉ trong năm:

+ Mỗi người công nhân được nghỉ phép 10 ngày/năm

+ Tết dương lịch nghỉ 1 ngày+ Tết âm lịch nghỉ 4 ngày+ Chiến thắng 30/4 nghỉ 1 ngày+ Quốc tế lao động nghỉ 1 ngày+ Giỗ tổ Hùng Vương nghỉ 1 ngày+ Quốc khánh 2-9 nghỉ 1 ngày+ Chủ nhật nghỉ 1 ngày

Ta có tổng kết thời gian sản xuất của nhà máy trong một năm như sau:

Số ngày làm việc trong năm: 365 – 30 = 335 ngày

Số ca làm việc trong năm: 335  3 = 1005 ca

4.2 Tính cân bằng vật chất

Ta giả sử tổn hao của từng công đoạn so với công đoạn trước đó như sau:

, 0 100

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1,5%

Lượng axit glutamic thu được trước khi làm nguội là:

13 , 1462 5

, 1 100

100 20

Giả sử tinh thể axit glutamic có độ ẩm trước và sau khi sấy lần lượt là:

Độ ẩm trước khi sấy là 2,5%

Độ ẩm sau khi sấy là 0,4%

Lượng tinh thể axit glutamic ẩm đem sấy là:

71 , 1508 5

, 2 100

4 , 0 100 1 100

100 13

5 , 2 100 1 100

100 71

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này 4%

Khối lượng axit glutamic trước khi ly tâm đã tính hao hụt là:

35 , 1682 4

100

100 06

100

8 100 35 ,





4.2.5 Axit hóa, kết tinh

Giả sử hiệu suất kết tinh đạt 70%

Tỉ lệ hao hụt của quá trình này là 3%

Lượng axit glutamic trước khi hao hụt là

77 , 5318 3

100

100 21

100 77 ,

5318   (kg/ngày)

4.2.6 Tẩy màu

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1%

Khối lượng dịch axit glutamic trước khi tẩy màu là:

99 , 7674 1

100

100 24

Giả sử hiệu suất của quá trình cô đặc đạt 80%

Sau khi cô đặc hàm lượng ẩm trong axit là 70%

Trước khi lọc nồng độ axit glutamic là 17% [8] nên hàm lượng ẩm trong dịchaxit là 83% Toàn bộ khối lượng dịch axit trước khi cô đặc là:

23 , 17364 83

100

70 100 80

100 5 , 2 100

100 99

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 2%

Giả sử hiệu suất của cả quá trình lọc đạt 90%

Khối lượng dịch axit sau khi hao hụt là:

60 , 17718 2

100

100 23

100 17

100 60 ,

, 2 100

100 84

, 1044

27 , 118777

m ure 1,8% = 2137 , 99

100

8 , 1 27 ,

mđường 40% = 47510 , 91

100

40 27 ,

Lượng giống cho vào lên men là 5% thể tích dịch môi trường [8] Vậy lượng

giống cho vào là Vgiống = 5 , 688

100

5 76 ,

,

4.2.10 Thanh trùng và làm nguội

Giả sử tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1,5%

Lượng môi trường trước khi tiến hành quá trình là:

65 , 63881 5

, 1 100

100 43

,



4.2.11 Pha chế dịch lên men

Lượng môi trường trước khi xảy ra hao hụt là:

64 , 65519 5

, 2 100

100 65

mMgSO4 0,075% = 49 , 14

100

075 , 0 64 ,

mMnSO4 0,0025% = 1 , 64

100

0025 , 0 64 ,

mFeSO4 0,05 = 32 , 76

100

05 , 0 64 ,

Lượng dịch đường ban đầu dùng lên men là:

98 , 28 49 , 14 1 , 64 32 , 76 65337 , 82 64

,

Tổng lượng dịch đường cần dùng cho lên men là:

73 , 112848 91

, 47510 82

,

Tỷ lệ tinh bột và rỉ đường đã xử lý đưa vào pha chế dịch lên men là: 50:50

4.2.11.1 Rỉ đường

a Ly tâm dịch rỉ đường

Tỉ lệ hao hụt là 3%

Giả sử quá trình ly tâm có hiệu suất là 85%

Lượng rỉ đường trước khi tiến hành ly tâm là:

65 , 68434 85

100 3 100

100 2

73 , 112848

100 5 , 2 100

100 65

Giả sử hiệu suất đường hóa là 70%

Lượng tinh bột trước khi đường hóa là:

70

100 2 100

100 2

73 , 112848

100 26

Giả sử quá trình lọc đạt hiệu suất 95% và tỉ lệ hao hụt là 2%

Lượng tinh bột dùng cho quá trình sản xuất là:

95

100 2 100

100 32

Ta phải tiến hành nhân giống nhiều cấp, ở đây ta chọn quá trình nhân giống bacấp, mới đủ giống tiếp vào lên men [4, tr 90]

4.3.1 Nhân giống cấp III

Lượng giống cho vào lên men là 5% thể tích dịch môi trường Vậy lượng giống

cần là Vgiống lên men = 5 , 688

100

5 76 ,

Bảng 4.1 Thành phần và khối lượng môi trường

nhân giống cấp III

Cơ chất Tỉ lệ (%) Khối lượng (kg/ngày)

76 ,

Cơ chất Tỉ lệ (%) Khối lượng (kg/ngày)

28 ,

4.3.1 Giữ giống trong ống thạch nghiêng

Lượng giống trong ống thạch nghiêng bằng 2% lượng giống cấp I

Vống thạch nghiêng = 6 0 , 912 10 6

100

2 10

6 ,

trong môi trường thạch nghiêng

Cơ chất Tỉ lệ Khối lượng (g)

Bảng 4.5 Bảng tổng kết khối lượng qua các công đoạn

17 Bao gói 1440,20 480,07 60,01

CHƯƠNG 5TÍNH TOÁN THIẾT BỊ5.1 Thiết bị xử lý nguyên liệu

5.1.1 Nguyên liệu rỉ đường

5.1.1.1 Thùng chứa và định lượng rỉ đường

Thùng chứa là thiết bị hình trụ, có đáy dạng hình

nón Thiết bị được đặt trên cao để tự chảy xuống thùng

10 , 38976

 (m3/ca)Chọn hệ số chứa đầy của thiết bị là   0 , 8 thì ta có thể tích của thiết bị chứa là:

Chọn h3 = 0,1 (m); Đường kính ống tháo d = 0,2 (m)

Hình 5.1 Thùng chứa

rỉ đường

Chiều cao của phần đáy nón thiết bị là:

2

2 , 0 5 , 2 60

(m)Thể tích của phần nón là:

59 , 23 4

2 





(m)Không chọn thiết bị thiết bị dự trữ Vậy số thiết bị cần dùng cho sản xuất là:

nthiếtbị = 1 Có các kích thước như sau:

Vthiết bị = 37,8 (m3); Dthiết bị = 2,5 (m); dống tháo = 0,2 (m);  = 60o; h1 = 4,8(m); h2 = 2,0 (m); h3 = 0,1 (m)

5.1.1.2 Thùng pha loãng rỉ đường

Thùng pha loãng rỉ đường được đặt bên dưới thùng định lượng để dịch rỉ đường

có thể tự chảy vào thiết bị pha loãng

Chọn thiết bị pha loãng dạng hình trụ có đường kính của thiết bị là D = 2m,chiều cao của thiết bị là h = 2m Thiết bị có gắn cánh khoấy để

có thể pha loãng rỉ đường khi cần thiết

5.1.1.3 Thiết bị xử lý rỉ đường

Chọn thiết bị thủy phân làm việc gián đoạn, có thể xử lý

được lượng rỉ đường trong một ca

Thiết bị được cấu tạo có lóp lót chịu axit, có sơ đồ cấu

tạo như hình bên [5, tr90]

Thể tích rỉ đường cần được xử lý là: Vrỉ đường ban đầu = 30,24 (m3/h)

Chọn hệ số chứa đầy của thiết bị là  = 0,70 Như vậy thể tích của thiết bị xử lýlà:

Vthiết bị xử lý = 43 , 2

70 , 0

24 , 30

 (m3)

Thể tích thiết bị được tính như sau:

Vthiết bị = Vthân trụ + Vnắp + Vđáy

Chọn chiều cao của ống tháo h1 = 0,4m; Đường kính của ống tháo d = 0,4m;Đường kính của thiết bị là D = 2,5m;  = 60o; Tính tương tự như tính thùng chứa ta

có chiều cao của phần đáy thiết bị là:

2

4 , 0 5 , 2 60

Vthiết bị = 43,2 (m3); Dthiết bị = 2,5 (m); hthiết bị = 8,72 (m);

Thời gian thủy phân của một thiết bị là 60h nên số thiết bị cần dùng là n =

8

60

=7,5 ~ 8 và không có thiết bị dự trữ

Vậy số thiết bị cần dùng cho xử lý rỉ đường là nthiết bị = 8.

5.1.1.4 Ly tâm rỉ đường

Chọn thiết bị ly tâm nằm ngang [5, tr 197], thiết bị làm việc liên tục

Khối lượng rỉ đường cần được ly tâm là:

mrỉ đường = 2851,44 (kg/h)Khối lượng riêng của rỉ đường 10% là d = 1039,98 (kg/m3), [10, tr 58]

Thể tích của rỉ đường cần được xử lý là:

Vtinh bột = 2 , 74

98 , 1039

44 , 2851

 (m3/h)

Chọn thiết bị ly tâm 202K-3

Thông số kỹ thuật của thiết bị như sau:

Năng suất của thiết bị, m3/h : 3Đường kính trong lớn nhất của rôto, mm : 200

Số vòng quay lớn nhất của rôto, vòng/phút : 6000

Tỉ số giữa chiều dài hoạt động của rôto và đường kính: 3

Kích thước cơ bản, mm : 1455 x 1080 x 740Chọn số thiết bị cho nhà máy là n = 1 thiết bị

5.1.1.5 Thùng chứa rỉ đường sau ly tâm

Rỉ đường sau khi ly tâm được chảy vào thùng chứa rồi được bơm liên tục vàothiết bị pha chế dịch lên men

Chọn thùng chứa có thể tích chứa được 1/4 lượng rỉ đường trong một ca sản xuấtthì ta có thể tích của thiết bị cần là:

Vthiết bị = 5 , 48

2

8 74 ,

Chọn thiết bị có cấu tạo dạng hình trụ, có đường kính là D = 2m, như vậy chiềucao của thiết bị là h = 2 3 , 14 2 2

48 , 5 4 4

Vậy thùng chứa dịch sau ly tâm có cấu tạo dạng hình trụ, có kích thước như sau:

D = 2m, h = 1,7m

5.1.2 Nguyên liệu tinh bột

5.1.2.1 Hố chứa tinh bột ban đầu

Hố chứa có thể tích đủ để chứa được lượng tinh bột trong một ca sản xuất Hốđược xây 1/2 chìm và 1/2 nổi, bên trong hố có đặt gàu tải để vận chuyển tinh bột lênthùng định lượng

Khối lượng tinh bột cần chứa trong một ca sản xuất là:

mtinh bột = 37562 , 59

3

78 , 112687

 (kg/ca)

Giả sử khối lượng riêng của tinh bột d = 1650 (kg/m3) [10, tr 48]

Thể tích của nguyên liệu tinh bột là

Vtinh bột = 22 , 77

1650

59 , 37562

Chọn hố chứa có cấu tạo dạng hình chủ nhật với hệ số chứa đầy là  = 0,9 thì ta

có thể tích cần của hố là: Vhố = 25 , 3

9 , 0

77 , 22

Số thiết bị cho một ca sản xuất là n = 1

Chọn hệ số chứa đầy của thùng chứa là  = 0,8 thì thể tích của thiết bị chứa là

Tính tương tự như thùng chứa rỉ đường, ta có:

Tính tương tự như thùng chứa rỉ đường, ta có:

Chiều cao của phần đáy nón thiết bị là:

2

2 , 0 5 , 2 60

(m)Thể tích của phần nón là:

25 , 14 4

2 





(m)Chiều cao thiết bị là

hthiết bị = h1 + h2 + h3 = 2,9 + 2,0 + 0,1 = 5,0 (m)

Không chọn thiết bị dự trữ, vậy số thiết bị cần dùng cho sản xuất là: nthiết bị = 1

Có các kích thước như sau:

Vthiết bị = 28,46 (m3); Dthiết bị = 2,5 (m); dống tháo = 0,2 (m);  = 60o; hthiết bị =5,0 (m)

5.1.2.3 Thiết bị hòa tan tinh bột

Thiết bị được đặt bên dưới thùng chứa và định lượng tinh bột

Thiết bị hòa tan tinh bột có cấu tạo dạng hình trụ tròn bên trong có gắng cánhkhoấy để khoấy tinh bột khi tinh bột được tự chảy từ thùng định lượng xuống

Chọn thùng hòa tan tinh bột có kích thước như sau: Đường kính D = 2m, chiềucao h = 1,5

5.1.2.4 Thiết bị lọc lưới

Chọn thiết bị cho một ca sản xuất là nthiết bị = 1, không có thiết bị dự trữ

Thể tích tinh bột cần được lọc là: Vtinh bột = 22,77  2 , 85 (m3/h)

Chọn thiết bị lọc là một thùng chứa hình trụ tròn có gắn lưới lọc bên trong để lọcrác trong tinh bột Thiết bị làm việc liên tục.

Chọn thiết bị có đường kính là D = 2m và chiều cao là h = 2m

77 , 1

95 , 2 4

2 





(m)

Giả sử chiều cao của phần đỉnh của thiết bị là hđỉnh =

1,0m nên chiều cao của thiết bị là hthiết bị = 2,67 m

Không chọn thiết bị dự trữ, vậy số thiết bị cần dùng

cho dịch hóa là: nthiết bị = 1 Có các kích thước như sau:

Vthiết bị = 2,95 (m3); Dthiết bị = 1,5 (m);

hthiết bị = 2,67(m);

5.1.2.6 Thiết bị đường hóa

Chọn thiết bị đường hóa có thể tích đủ để thực hiện

đường hóa lượng dịch tinh bột trong một ca sản xuất

Hình 5.4.

Thiết bị dịch hóa và đường hóa

Thể tích tinh bột đường hóa là: Vtinh bột = 16 , 62

1650

09 , 27417

62 , 16

 (m3)

Chọn đường kính thiết bị là D = 2,5 m, tương tự như thiết bị dịch hóa thì ta có

chiều cao của thiết bị đường hóa là: h = 4 2

78 , 20 4

Có các kích thước như sau:

Vthiết bị = 20,78 (m3); Dthiết bị = 2,5 (m); hthiết bị = 5,74(m);

5.2 Thiết bị pha chế dịch lên men

Thiết bị có dạng hình trụ tròn, có cánh khuấy Thể tích của thiết bị có thể pha chếđược lượng dịch lên men cho một ca sản xuất Chọn khối lượng riêng dịch lúc này là:

d = 1061,04 (kg/m3) [10, tr61]

Thể tích của hỗn hợp dịch đường khi đưa vào thiết bị lên men là:

V = 20 , 58

04 , 1061

88 , 21839

 (m3/ca)Chọn hệ số chứa đầy của thiết bị pha chế là  = 0,8

thì thể tích của thiết bị pha chế là:

Vthiết bị = 25 , 73

8 , 0

58 , 20

73 , 25 4

Vậy số thiết bị cần dùng cho pha chế dịch lên men là nthiết bị = 1 Có các kíchthước như sau:

5.4 Thiết bị lên men

Quá trình lên men được thực hiện gián đoạn trong các thiết bị lên men theo từng

ca sản xuất Tổng thời gian lên men là 30h nên số thiết bị lên men cần dùng là n = 4thiết bị

Thể tích của dịch đường đưa vào thiết bị lên men là

Vdịch lên men = 37 , 92

3

76 , 113

 (m3/ca)

Chọn hệ số chứa đầy của thiết bị lên men là  = 0,7; Thể tích của thiết bị lên

men là: Vthiết bị = 54 , 17

7 , 0

92 , 37

Tỉ lệ chiều cao và đường kính bằng 2,61

Gọi đường kính của thiết bị lên men là D (m), chiều cao của thiết bị là 2,6D.Thể tích của thiết bị lên men:

17 , 54 2

6 , 2

Vậy thiết bị lên men có đường kính D = 2,98m và chiều cao h = 7,75m

Cơ cấu chuyển đảo gồm các tuabin có đuờng kính 600  1000mm với các cánhrộng 150  200mm, số vòng quay của cơ cấu đảo trộn 110  200vòng/phút

Thiết bị hoạt động dưới áp suất dư 0,25 MPa và để tiệt trùng ở nhiệt độ 130

140oC, áp suất bên trong thiết bị 50 kPa

Chọn thiết bị dự trữ là n = 1, vậy tổng số thiết bị lên men cần dùng cho nhà máy

là nthiết bị = 5 thiết bị

5.5 Thiết bị nhân giống

5.5.1 Thiết bị nhân giống thạch nghiêng

10 912 ,



Chọn n = 1 ống

5.5.2 Thiết bị nhân giống cấp 1

Lượng giống cấp 1 cần cung cấp trong một ngày là 45 , 6 10  6

10 6 ,

Chọn đường kính của thiết bị nhân giống cấp một là D = 20mm thì chiều cao của

thiết bị là 0 , 3

02 , 0 14 , 3

01 , 0 4

114 , 0

Số thiết bị nhân giống cần cho một ngày việc là: n = 1 (thùng)

Chọn đường kính thiết bị là D = 0,3m thì chiều cao của thiết bị là

7 , 0 3 , 0 14 , 3

05 , 0 4

Thể tích giống cung cấp cho lên men 113,76 lít/ngày

Chọn hệ số chứa đầy của thiết bị là  = 0,6 thì thể tích của thiết thiết bị nhân

giống là: Vthiết bị = 189 , 6

6 , 0

76 , 113

 lítQuá trình nhân giống được tiến hành trong các thùng tôn có thể tích 200 lít Nhưvậy số thùng trong một ngày là n = 1

Chọn n = 1 thùng tôn, mỗi thùng có thể tích 200 lít để nhân giống cấp 3

Chọn thùng nhân giống dạng hình trụ tròn, đáy bằng, có đuờng kính D = 0,5 m;Tính tương tự như thùng chứa thì ta có chiều cao của thùng nhân giống là:

2 , 0 4

1 (m)

5.6 Lọc tách tế bào vi sinh vật