Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Enzyme là chất xúc tác sinh học, có bản chất protein, hòa tan trong nước và trong dung dịch muối loãng. Enzyme có phân tử lượng lớn từ 20.000 đến 1.000.000 dalton nên không qua được màng bán thấm. Enzyme là những chất không thể điều chế được bằng phương pháp tổng hợp hóa học. Người ta thường thu nhận chúng từ nguồn tế bào động vật, thực vật hoặc vi sinh vật. Với những ưu điểm vượt trội tốc độ sinh trưởng nhanh, hệ enzyme phong phú và có hoạt tính cao, môi trường nuôi cấy rẻ tiền, dễ kiếm, vi sinh vật đã trở thành nguồn nguyên liệu thu enzyme chủ yếu thu hút được nhiều quan tâm của các nhà nghiên cứu và sản xuất. Enzyme không chỉ có ý nghĩa cho quá trình sinh trưởng, sinh sản của mọi sinh vật mà nó còn đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ chế biến thực phẩm, trong y học, trong công nghệ gen và trong bảo vệ môi trường. Vì vậy mà những nghiên cứu sản xuất enzyme và ứng dụng enzyme được phát triển rất mạnh từ đầu thế kỉ XX . Tuy nhiên, hiện nay nguồn enzyme không đủ cung cấp cho các nhu cầu sản xuất hiện đại,trong khi đó nguồn nguyên liệu từ các phụ phế liệu của hầu hết các nhà máy chế biến lại rất nhiều,đây là một nguồn nguyên liệu quý giá để sản xuất enzyme,trong đó có phụ phế liệu của nhà máy mía đường vì lượng bã mía,bã bùn,rỉ đường là rất lớn,vì vậy việc tìm hiểu các công nghệ sản xuất enzyme là rất quan trọng xuất phát từ thực tế đó, ý tưởng sử dụng bã mía– thành phần chứa hàm lượng cellulose rất cao, làm môi trường nuôi cấy vi sinh vật để sản xuất enzyme cellulase. vừa góp phần tạo ra nguồn enzyme mang lại nhiều ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày của con người mà còn góp phần giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường của các nhà máy mía đường. Trên cơ sở đó, tôi được thực hiện đề tài: “Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase từ bã mía theo phương pháp bề mặt năng suất 500 tấn sản phẩmnăm ”.

MỞ ĐẦU

Enzyme là chất xúc tác sinh học, có bản chất protein, hòa tan trong nước vàtrong dung dịch muối loãng Enzyme có phân tử lượng lớn từ 20.000 đến 1.000.000dalton nên không qua được màng bán thấm

Enzyme là những chất không thể điều chế được bằng phương pháp tổng hợphóa học Người ta thường thu nhận chúng từ nguồn tế bào động vật, thực vật hoặc

vi sinh vật Với những ưu điểm vượt trội - tốc độ sinh trưởng nhanh, hệ enzymephong phú và có hoạt tính cao, môi trường nuôi cấy rẻ tiền, dễ kiếm, vi sinh vật đãtrở thành nguồn nguyên liệu thu enzyme chủ yếu thu hút được nhiều quan tâm củacác nhà nghiên cứu và sản xuất

Enzyme không chỉ có ý nghĩa cho quá trình sinh trưởng, sinh sản của mọi sinhvật mà nó còn đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ chế biến thực phẩm,trong y học, trong công nghệ gen và trong bảo vệ môi trường Vì vậy mà nhữngnghiên cứu sản xuất enzyme và ứng dụng enzyme được phát triển rất mạnh từ đầuthế kỉ XX

Tuy nhiên, hiện nay nguồn enzyme không đủ cung cấp cho các nhu cầu sảnxuất hiện đại,trong khi đó nguồn nguyên liệu từ các phụ phế liệu của hầu hết cácnhà máy chế biến lại rất nhiều,đây là một nguồn nguyên liệu quý giá để sản xuấtenzyme,trong đó có phụ phế liệu của nhà máy mía đường vì lượng bã mía,bã bùn,rỉđường là rất lớn,vì vậy việc tìm hiểu các công nghệ sản xuất enzyme là rất quantrọng xuất phát từ thực tế đó, ý tưởng sử dụng bã mía– thành phần chứa hàm lượngcellulose rất cao, làm môi trường nuôi cấy vi sinh vật để sản xuất enzyme cellulase.vừa góp phần tạo ra nguồn enzyme mang lại nhiều ứng dụng trong cuộc sống hằngngày của con người mà còn góp phần giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường củacác nhà máy mía đường

Trên cơ sở đó, tôi được thực hiện đề tài: “Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase từ bã mía theo phương pháp bề mặt năng suất 500 tấn sản phẩm/năm ”.

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

CHƯƠNG 1 LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT 1.1 Sự cần thiết phải đầu tư:

Enzyme – chất xúc tác sinh học có tính chất chọn lọc và đặc hiệu cao, quantrọng trong các quá trình vận chuyển trao đổi chất trong sự sống của sinh vật.Từxưa con người đã biết sử dụng men để sản xuất ra một số sản phẩm thực phẩm, tinhchế được men từ thóc nảy nầm.Ngày nay, enzyme giữ một vai trò quan trọng ở cácngành công nghiệp khác nhau như: rượu, bia, nước giải khát lên men, các ngành chếbiến thực phẩm khác.Trong công nghiệp sản xuất rượu từ tinh bột, enzyme sản xuất

từ nấm mốc đã thay thế hoàn toàn enzyme của đại mạch nẩy mầm

Enzyme cellulase được sử dụng nhiều trong công nghiệp, chăn nuôi Nhưnglượng enzyme chiết từ tự nhiên không đủ để sử dụng Hơn nữa hàng ngày nhà máymía đường thải ra môi trường một lượng lớn bã mía.Vì vậy đầu tư cho xây dựngmột nhà máy sản xuất chế phẩm enzyme cellulase là cần thiết vì sẽ vừa cung cấpchế phẩm enzyme cho công nghiệp, vừa xử lý được lượng chất thải của nhà máymía đường

Ngãi (đại diện cho vùng đồng bằng Quảng Ngãi) từ tháng 9 đến tháng 3 năm sau làhướng Bắc đến Tây Bắc, từ tháng 4 đến tháng 8 là hướng Đông và Đông Nam.Tốc độ gió: Tốc độ gió trung bình năm tại đồng bằng ven biển khoảng 1,3m/s

1.3.3 Mưa:

Tổng lượng mưa trung bình năm phổ biến ở đồng bằng từ 2.200 - 2.500mm, ởtrung du, thung lũng thấp và vùng núi từ 3.000 - 3.600mm, vùng đồng bằng venbiển phía nam dưới 2.000mm

Mùa mưa: Lượng mưa trong năm tập trung chủ yếu từ tháng 9 đến 12, chiếm

70 - 80% tổng lượng mưa năm

Mùa ít mưa: Từ tháng 1 đến tháng 8 ở vùng đồng bằng, thung lũng thấp và hảiđảo, lượng mưa chỉ chiếm 20 - 30% tổng lượng mưa năm

Nhờ đó sẽ giảm thiểu vốn đầu tư ban đầu, rút ngắn thời gian hoàn vốn, đồngthời tận dụng tuần hoàn các sản phẩm phụ tránh được ô nhiễm môi trường

1.6 Nguồn cung cấp điện:

Nguồn cung cấp điện cho nhà máy lấy từ mạng điện lưới quốc gia, nhờ trạmbiến áp 110KV có dòng điện tiêu thụ với điện áp 220/380V Để đề phòng mất điệnnhà máy có thể lắp đặt thêm máy phát điện dự phòng

1.7 Nguồn cung cấp hơi:

Hơi nước được dùng để tiệt trùng thiết bị, môi trường… sẽ do nhà máy tự cungcấp Do đó, cần có lò hơi riêng, áp suất của hơi dùng là 3 atm nhiên liệu chủ yếu bãmía,than dùng đốt nóng lò hơi của nhà máy

Tác nhân làm lạnh là NH3, dầu bôi trơn… nhập từ bên ngoài

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

1.8 Nguồn cung cấp nước và vấn đề xử lý nước thải:

Nước là nhu cầu không thể thiếu trong quá trình sản xuất, nguồn nước cungcấp cho nhà máy được lấy từ công ty cấp nước Để chủ động nguồn nước nhà máy

có thể tự xây dựng thêm các bể chứa nước

Toàn bộ nước thải của nhà máy phải xử lý COD,BOD đạt yêu cầu rồi sau đóchuyển ra nguồn nước thải của thành phố

1.9 Năng suất của phân xưởng:

Năng suất sản xuất enzyme kỹ thuật đạt 296 tấn sản phẩm/năm

1.10 Giao thông và nguồn lao động:

Việc xuất, nhập nguyên vật liệu, trang thiết bị, bao bì, sản phẩm thì giaothông đóng vai trò hết sức quan trọng Những năm gần đây khu kinh tế mở DungQuất liên tục nâng cấp cơ sở hạ tầng, mạng lưới giao thông đô thị nên tạo điều kiệnrất thuận tiện

Nguồn lao động là những người am hiểu về vi sinh vật cũng như về enzymechủ yếu là kỹ sư tốt nghiệp ngành công nghệ sinh học từ các trường đại học và caođẳng

1.11 Kết luận:

Từ những vấn đề đã phân tích ở trên ta chọn xây dựng nhà máy trong khu kinh

tế mở Dung Quất nằm ở huyện Bình Sơn,tỉnh Quảng Ngãi.Nhà máy đặt tại đây sẽđảm bảo đầy đủ những điều kiện cần thiết cho quá trình sản xuất,tiêu thụ,nhân công

và có lợi về mặt kinh tế tốt nhất

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về Cellulose:

2.1.1 Giới thiệu chung:

Cellulose (tiếng Việt phiên âm và viết xenlulo, xenlulozơ, xenluloza hoặcxenlulô) là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích β-D-Glucose, có công thức cấu tạo là (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó n có thểnằm trong khoảng 5000-14000.Cellulose là một polime hợp thành từ các mắt xíchβ−glucozơ nối với nhau bởi các liên kết β−1,4 glicozit, phân tử glucozơ nối với nhau bởi các liên kết β−glucozơ nối với nhau bởi các liên kết β−1,4 glicozit, phân tử 1,4 glicozit, phân tử cellulose khôngphân nhánh, không xoắn là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật.Trong gỗ lá kim, cellulose chiếm khoảng 41-49%, trong gỗ lá rộng nó chiếm 43-52% thể tích

2.1.2 Tính chất vật lý của Cellulose:

Cellulose là chất rắn hình sợi, màu trắng, không mùi, không vị, không tantrong nước, ngay cả khi đun nóng, không tan trong các dung môi hữu cơ thôngthường như ete, benzen,

Cellulose là thành phần chính cấu tạo nên lớp màng tế bào thực vật, là bộkhung của cây cối.Cellulose có nhiều trong bông (95−glucozơ nối với nhau bởi các liên kết β−1,4 glicozit, phân tử 98%), đay, gai, tre, nứa(50−glucozơ nối với nhau bởi các liên kết β−1,4 glicozit, phân tử 80%), gỗ (40−glucozơ nối với nhau bởi các liên kết β−1,4 glicozit, phân tử 50%)

2.1.3 Tính chất sinh học của Cellulose:

Cellulose bị phân huỷ ở nhiệt độ bình thường hoặc ở nhiệt độ 40  500C nhờcác enzyme phân huỷ cellulose được gọi chung là cellulase Cellulose bị phân huỷkhi đun nóng với acid hoặc với kiềm ở nồng độ khá cao

Trong tế bào thực vật, cellulose liên kết chặt chẽ với hemicellulose, pectin,lignin Điều này ảnh hưởng rất nhiều đến sự phân huỷ cellulose của enzyme

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Hình 2.1 Cấu trúc phân tử Cellulose 2.2 Tổng quan về enzyme Cellulase:

2.2.1 Giới thiệu chung:

Enzyme Cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thuỷ phân cellulosethông qua việc thuỷ phân liên kết 1,4-β-glucoside trong cellulose tạo ra sản phẩmglucose cung cấp cho công nghiệp lên men Nguồn thu enzyme cellulase lớn nhấthiện nay là vi sinh vật

2.2.2 Phân loại:

Cellulase là hệ enzyme đa cấu tử gồm: endo-β-1- 4 glucanase, exoglucanase

và β- glucosidase Theo những hiểu biết hiện nay thì quá trình phân huỷ cellulosenhờ enzyme được thực hiện nhờ phức hệ cellulase, bao gồm các enzyme C1, Cx vàβ-glucosidase

Enzyme C1 có tính chất không đặc hiệu Dưới tác dụng của C1, các loạicellulose bị hấp thụ nước, trương lên và chuẩn bị cho sự tác động của các enzymekhác Nếu tách riêng C1 cho hoạt động độc lập thì tác dụng này lại không thấy rõràng Vì vậy người ta cho rằng C1 chỉ là một yếu tố (factor), không phải là enzyme

Cx còn gọi là enzyme β-1,4 glucanase, thuỷ phân các cellulose ngậm nước bởi

C1 nói trên (polyanhydroglucoza hydrat hoá) thành cellulose Chữ x có nghĩa làenzyme gồm nhiều thành phần khác nhau và người ta thường chia làm 2 loại chínhlà: exo-β-1,4 glucanase và endo-β-1,4 glucanase

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

+ Exo-β-1,4 glucanase xúc tác việc tách liên tiếp các đơn vị glucose từ đầukhông khử (non-reducing end) của chuỗi cellulose.

+ Endo-β-1,4 glucanase phân cắt liên kết β-1,4 glucozit ở bất kỳ vị trí nào củachuỗi cellulose Enzyme này hoạt động tốt nhất ở pH = 5,5, và nhiệt độ 550C, bền ở

30 – 450C Hoạt tính cao ở pH =6 Các dung môi hữu cơ ít ảnh hưởng tới enzym nàytrừ n- butanol Các ion kim loại và EDTA nồng độ 4-14 n.M đều làm giảm hoạt tínhenzym

Các tác giả (Ogawa và Toyama, 1967) cho rằng còn có một enzyme trung gian

là C2 (giữa C1 và Cx) Enzyme này trước hết tác động vào cellulose đã bị làm trươngnước bởi C1 rồi thuỷ phân thành các dextrin cellulose hoà tan Sau đó Cx sẽ tiếp tụcthuỷ phân các cellodextrin này thành cellobiose

- β-glucosidase là enzyme rất đặc hiệu, thuỷ phân cellulose thành cellohexose(D-glucose) mã số enzyme này là: 3.2.1.21 EC

2.2.3 Cơ chế thuỷ phân cellulose của enzyme cellulase:

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Hình 2.2 Cơ chế thuỷ phân cellulose của enzyme cellulase

Endocellulase: xúc tác quá trình cắt liên kết α-1,4- glucoside trong cellulose,lignin và α-Dglucan một cách ngẫu nhiên Sản phẩm của quá trình phân giải là cáccellulose phân tử nhỏ, cellobiose và glucose

Exocellulase: cắt 2 hoặc 4 đơn vị glucose từ đầu không khử của chuỗicellulose tạo thành các cellobiose (disaccharide) và một số cellotetrose

Cellobiase: Phân giải cellobiose (disaccharide) và cellotetrose thành glucose

2.2.4 Tính chất lý hóa của enzyme cellulase

Tùy thuộc vào cấu trúc và nguồn gốc của enzyme, hoạt tính enzyme đạt mạnhnhất ở nhiệt độ, pH nhất định

 Ảnh hưởng của nhiệt độ: vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác chỉ tăng lênkhi tăng nhiệt độ trong một giới hạn nhất định, chưa ảnh hưởng đến cấu trúcenzyme Hoạt tính enzyme đạt cực đại ở nhiệt độ thích hợp, khoảng nhiệt độthích hợp của nhiều enzyme vào khoảng 40-500C Ở nhiệt độ cao, enzyme bịbiến tính làm hoạt tính giảm mạnh hoặc mất hoạt tính, còn ở nhiệt độ thấpdưới 00C, hoạt tính enzyme bị giảm nhiều nhưng lại có thể phục hồi khi đưa

về nhiệt độ thích hợp Hoạt tính của enzyme cellulase từ Trichoderma reesei

đạt tối đa ở 550C

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

 Ảnh hưởng của pH: Khả năng hoạt động của enzyme còn phụ thuộc vào pHmôi trường phản ứng Tùy thuộc vào bản chất của enzyme mà pH thích hợp

để enzyme hoạt động có thể trung tính, kiềm hoặc acid Theo nghiên cứu

trước đây cho thấy, pH tối ưu cho hoạt động của cellulase từ Trichoderma reesei là 4,0-5,0.

 Ảnh hưởng của ion kim loại: Các ion kim loại có thể kìm hãm hoặc hoạt hóa

sự hoạt động của các enzyme Các ion kim loại nặng ở nồng độ nhất định cóthể gây biến tính và kìm hãm không thuận nghịch enzyme

 Ngoài ra, các dung môi hữu cơ, các chất tẩy rửa cũng ảnh hưởng mạnh mẽđến hoạt tính của enzyme Tùy thuộc vào bản chất của các chất trên cũng nhưbản chất của enzyme mà tính chất và mức độ ảnh hưởng tới hoạt động củaenzyme là khác nhau Các dung môi hữu cơ methanol, ethanol, isopropanol

và acetone đều ức chế hoạt động của cellulase, đặc biệt là n-butanol ức chếmạnh nhất, hoạt tính cellulase chỉ còn 33-63% Các chất tẩy rửa tween 20,tween 80, SDS và triton X-100 đều làm giảm hoạt tính cellulase ở mức độkhác nhau, trong đó SDS làm giảm mạnh hoạt tính cellulase chỉ còn 18-34%

2.2.5 Ứng dụng của enzyme cellulase :

2.2.5.1 Enzyme cellulase với công nghiệp thực phẩm:

Cellulase là thành phần cơ bản của tế bào thực vật, vì vậy nó có mặt trong mọiloại rau quả cũng như trong các nguyên liệu, phế liệu của các ngành trồng trọt vàlâm nghiệp Nhưng người và động vật không có khả năng phân giải cellulose Nóchỉ có giá trị làm tăng tiêu hóa, nhưng với lượng lớn nó trở nên vô ích hay cản trởtiêu hóa Chế phẩm cellulase thường dùng để:

Tăng chất lượng thực phẩm và thức ăn gia súc

Tăng hiệu suất trích ly các chất từ nguyên liệu thực vật

Ứng dụng đầu tiên của cellulase đối với chế biến thực phẩm là dùng nó đểtăng độ hấp thu, nâng cao phẩm chất về vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thựcvật Đặc biệt là đối với thức ăn cho trẻ con và nói chung chất lượng thực phẩm đượctăng lên

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Một số nước đã dùng cellulase để xử lý các loại rau quả như bắp cải, hành, càrốt, khoai tây, táo và lương thực như gạo Người ta còn xử lý cả chè, các loại tảobiển…

Trong sản xuất bia, dưới tác dụng của cellulase hay phức hệ citase trong đó cócellulase, thành tế bào của hạt đại mạch bị phá hủy tạo điều kiện tốt cho tác độngcủa protease và đường hóa

Trong sản xuất agar-agar, tác dụng của chế phẩm cellulase sẽ làm tăng chấtlượng agar-agar hơn so với phương pháp dùng acid để phá vở thành tế bào Đặt biệt

là việc sử dụng chế phẩm cellulase để tận thu các phế liệu thực vật đem thủy phân,dùng làm thức ăn gia súc và công nghệ lên men Những ứng dụng của cellulasetrong công nghiệp thực phẩm đã có kết quả rất tốt Tuy nhiên hạn chế lớn nhất là rấtkhó thu được chế phẩm có cellulase hoạt độ cao

2.2.5.2 Trong công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy:

Trong công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy, bổ sung các loại enzyme trongkhâu nghiền bột, tẩy trắng có vai trò rất quan trọng Nguyên liệu ban đầu chứa hàmlượng cao các chất khó tan như lignin và một phần hemicellulose, nên trong quátrình nghiền để tách riêng các sợi gỗ thành bột mịn gặp nhiều khó khăn Trong côngđoạn nghiền bột giấy, bổ sung endoglucanase sẽ làm thay đổi nhẹ cấu hình của sợicellulose, tăng khả năng nghiền và tiết kiệm khoảng 20% năng lượng cho quá trìnhnghiền cơ học Trước khi nghiền hóa học, gỗ được xử lý với endoglucanase và hỗnhợp các enzyme hemicellulase, pectinase sẽ làm tăng khả năng khuếch tán hóa chấtvào phía trong gỗ và hiệu quả khử lignin

Trong công nghệ tái chế giấy, các loại giấy thải cần được tẩy mực trước khisản xuất các loại giấy in, giấy viết Endoglucanase và hemicellulase đã được dùng

để tẩy trắng mực in trên giấy

2.2.5.3 Trong công nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi:

Trong chăn nuôi (với động vật ăn cỏ) nếu thức ăn có trộn thêm cellulose sẽtăng sự tiêu hóa hấp thụ thức ăn cho động vật - đặc biệt động vật còn non, do đó sẽgiảm chi phí thức ăn cho động vật và chúng sẽ tăng trọng nhanh hơn Việc ứngdụng phức hệ cellulase trong phân giải các nguồn thức ăn giàu cellulose như rơm,

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

rạ, bã mía, bã khoai, bã sắn đã và đang được triển khai ở nhiều nước, trong mọi lĩnhvực như sản xuất protein đơn bào làm thức ăn cho gia súc Trong lĩnh vực này, nấmsợi thường được sử dụng lên men các nguồn phế thải giàu cellulose tạo ra sinh khốiprotein chứa hàm lượng các amino acid cân đối, các vitamin và tạo hương thơm cólợi cho tiêu hóa của vật nuôi

2.2.5.4 Trong công nghiệp sản xuất dung môi hữu cơ:

Trong giai đoạn đường hóa của quá trình sản xuất ethanol, amylase là thànhphần chính trong quá trình thủy phân tinh bột Tuy nhiên, bổ sung một số enzymephá hủy thành tế bào như cellulase, hemicellulase có vai trò quan trọng, giúp tănglượng đường tạo ra và đẩy nhanh tốc độ tiếp xúc của tinh bột với amylase, dẫn tớihiệu suất thu hồi rượu tăng lên 1,5%

2.2.5.5 Trong công nghệ xử lý rác thải và sản xuất phân bón vi sinh:

Rác thải là nguồn chính gây nên ô nhiễm môi trường dẫn tới mất cân bằngsinh thái và phá hủy môi trường sống, đe dọa tới sức khỏe và cuộc sống con người.Thành phần hữu cơ chính trong rác thải là cellulose, nên việc sử dụng công nghệ visinh trong xử lý rác thải cải thiện môi trường rất có hiệu quả Enzyme này có khảnăng thủy phân chất thải chứa cellulose,chuyển hoá các hợp chất kiểu lignocellulose

và cellulose trong rác thải tạo nên nguồn năng lượng thông qua các sản phẩmđường, ethanol, khí sinh học hay các các sản phẩm giàu năng lượng khác

Ngoài việc bổ sung trực tiếp vi sinh vật vào bể ủ để xử lý rác thải thì việc tạo

ra các chế phẩm vi sinh có chứa các vi sinh vật sinh ra cellulase đã được nghiên cứu

và sản xuất Phức hệ cellulase được sử dụng để xử lý nguồn nước thải do các nhàmáy giấy thải ra Nguyên liệu làm giấy là gỗ (sinh khối của thực vật bậc cao) Sinhkhối này chứa rất nhiều loại polysaccharide, trong đó các polysaccharide quan trọngquyết định tới chất lượng, số lượng giấy là cellulose Vì vậy, nước thải của các nhàmáy giấy, các cơ sở chế biến gỗ, các xưởng mộc khi bổ sung các chế phẩm chứaphức hệ cellulase đem lại hiệu quả cao

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

2.2.6 Nguồn vi sinh vật sinh enzyme cellulase:

2.2.6.1 Vi Khuẩn:

Trong điều kiện hiếu khí, có rất nhiều vi khuẩn có khả năng phân hủycellulose nhờ vào hệ enzym cellulose của chúng Cellulase là một phức hệ enzymethủy phân cellulose tạo ra các đường đủ nhỏ để đi qua vách tế bào vi khuẩn Ở một

số vi khuẩn, enzym oxy hóa khử và enzyme phân hủy protein cũng tham gia vàoquá trình trên Một số loài vi khuẩn tiêu biểu có khả năng phân hủy cellulose trong

điều kiện hiếu khí: Acetobacter xilinum, Achromabacter, Bacillus subtilis, Celvibrio fulvus, Cytophaga, Cellulomonas biazotea…

Niêm vi khuẩn có thể sử dụng nguồn carbon không chỉ cellulose mà còn có cảcác nguồn hydrat carbon khác như tinh bột chẳng hạn Tuy nhiên, các loài giống

Cytophaga, Sporocytophaga ưa thích cellulose hơn cả Nitrat là nguồn nitrogen tốt

đối với niêm vi khuẩn Niêm vi khuẩn nhận được năng lượng khi oxy hóa các sảnphẩm của sự phân giải cellulose thành CO2 và H2O

2.2.6.3 Xạ khuẩn:

Là nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ cao phân tửnhư cellulose, lignin… Có trong bã thực vật để tạo thành các hợp chất trung gian,tổng hợp các chất mùn

Xạ khuẩn là nhóm vi sinh vật đơn bào, chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên,thậm chí trên những cơ chất mà vi khuẩn và nấm mốc không phát triển được

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Xạ khuẩn tham gia tích cực vào các quá trình chuyển hóa nhiều hợp chất hữu

cơ trong tự nhiên Chúng sinh sản ra chất kháng sinh từ acid amin tạo thành trongqúa trình trao đổi chất của vi khuẩn quang hợp và các chất hữu cơ Các chất khángsinh này tiêu diệt vi khuẩn và nấm mốc gây hại

Khả năng phân giải cellulose của xạ khuẩn đã được nghiên cứu nhiều.Harmsen (1964) chia xạ khuẩn phân hủy cellulose ra lam ba nhóm A, B, C Nhóm B

và C phân hủy cellulose rất mạnh Theo Krasilnikov (1949) thì các loài xạ khuẩnphân giải cellulose có thể xếp hạng theo mức độ phân giải từ mạnh xuống yếu nhưsau:

+ Loài 1: Actinobacteria Coelicolor, Actinobacteria Sulfureus, Actinobacteria Aureus, Actinobacteria Cellulose.

+ Loài 2: Actinobacteria Hydroscopicus, Actinobacteria Griseoflavus, Actinobacteria Ochroleucus, Actinobacteria Loidensis, Actinobacteria Viridans, Actinobacteria Griseolus.

+ Loài 3: Actinobacteria Themofuscus, Actinobacteria Xanthostromus + Loài 4: Actinobacteria Flavochromogenes, Actinobacteria Bovis, Actinobacteria Sampsonii.

2.2.6.4 Nấm sợi:

Có nhiều loài nấm sợi có khả năng sinh ra 1 lượng lớn cellulase thuộc giống

Alternaria, Trichoderma, Myrothecium, Aspergillus… Trong đó có 2 giống nấm sợi

là Trichoderma và Aspergillus đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu để sản xuất

cellulase Trong đồ án thiết kế của tôi, tôi sử dụng chủng nấm mốc Trichoderma

reesei.

2.3 Tổng quan về chủng nấm Trichoderma reesei:

2.3.1 Lịch sử phát hiện

Gần 200 năm về trước, Trichoderma được phát hiện ra và hiện nay loài đó

được biết là Trichoderma viride Hơn 150 năm sau, Trichoderma chỉ là đối tượng

của vài nhà phân loại nấm học nhưng không hấp dẫn được mối quan tâm của cácngành khoa học khác.Tình hình thay đổi trong Thế Chiến lần thứ II, khi quân đội

Mỹ cảnh báo về hiện tượng các trang bị quân sự bị mục ở xứ nhiệt đới, đặc biệt là ở

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Nam Thái Bình Dương Chương trình điều tra của quân đội Mỹ chỉ ra rằngTrichoderma "viride" mã số QM 6a là loài nấm phân hủy cellulose ở khu vực này.

Sự nhầm lẫn này kéo dài suốt 20 năm cho đến khi chủng Trichoderma QM 6a này

được nhận diện và đặt tên lại là Trichoderma reesei để tỏ lòng tôn kính người đã khám phá ra loài này là Elwyn T Reese, tác giả làm việc tại viện nghiên cứu Natick

với sự cộng tác của Mary Mandels đã nghiên cứu nhiều đề tài về sinh tổng hợp,cơchế phân hủy cellulose và các hợp chất polysaccharide khác của chủng

Trichoderma reesei này và các thể đột biến trên chủng đó Nhờ những công trình đó

mà nhiều phòng thí nghiệm khác ở Mỹ, Châu Âu và Châu Á tiếp tục nghiên cứu và

khám phá ra hệ thống phân giải cellulose của Trichoderma vào cuối thập niên 60.

Cùng thời điểm đó, Rifai và Webster ở Anh lần đầu tiên phân loại và mô tả được 9

loàiTrichoderma Việc nuôi cấy dễ dàng và không tốn kém, các chủng Trichoderma

đã lôi kéo các nhà nghiên cứu đi vào các hướng nghiên cứu cơ bản về Trichoderma

hơn là ứng dụng về phân giải cellulose của chúng Một phát hiện quan trọng trong

nghiên cứu về Trichoderma là khả năng kích thích tăng trưởng cho cây trồng và khả năng đối kháng với các loài nấm bệnh giúp Trichoderma được dùng như là tác nhân

kiểm soát sinh học trong nông nghiệp Ngày nay, lĩnh vực này đã trở thành hướngnghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới

Hình 2.3 Ảnh nhìn qua kính hiển vi về những sợi tơ phát triển của dòng nấm

Tricoderma reesei Trong hình, các protein trong các tế bào nấm được đánh dấu màu đỏ trong khi chất chitin – một thành phần của các thành tế bào – được đáng dấu màu xanh

dương (Ảnh: Mari Valkonen, VTT Finland)

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

2.3.2 Đặc điểm:

Nấm Trichoderma spp hiện diện gần như trong tất cả các loại đất và trong một

số môi trường sống khác, chúng là loại nấm được nuôi cấy thông dụng nhất Nấm

Trichoderma hiện diện với mật độ cao và phát triển mạnh ở vùng rễ của cây, một số

giống có khả năng phát triển ngay trên rễ, những giống này có thể được bổ sung vào

trong đất hay hạt giống bằng nhiều phương pháp Nấm Trichoderma khi chúng tiếp

xúc với rễ, chúng phát triển trên bề mặt rễ hay vỏ rễ phụ thuộc vào từng giống Vìvậy, khi được dùng trong xử lý hạt giống, những giống thích hợp nhất sẽ phát triểntrên bề mặt rễ ngay cả khi rễ phát triển dài hơn 1m phía dưới mặt đất và chúng cóthể tồn tại và còn hiệu lực cho đến 18 tháng sau khi sử dụng, tuy nhiên không nhiềugiống có khả năng này

Ngoài sự hình thành khuẩn lạc trên rễ, nấm Trichoderma còn tấn công, ký sinh

và lấy chất dinh dưỡng từ các loài nấm khác Bởi vì nơi Trichoderma phát triển tốt nhất là nơi có nhiều rễ khỏe mạnh, và Trichoderma sở hữu nhiều cơ chế cho việc

tấn công các loài nấm gây bệnh cũng như cơ chế cho việc nâng cao sự sinh trưởng

và phát triển của cây Nhiều phương pháp mới trong kiểm soát sinh học và nâng cao

sự sinh trưởng của cây hiện nay đã được chứng minh rõ ràng Quá trình này đượcđiều khiển bởi nhiều gen và sản phẩm từ gen khác nhau Sau đây là một số cơ chếchủ yếu: Ký sinh nấm, kháng sinh, cạnh tranh chất dinh dưỡng và không gian, sựchịu đựng các điều kiện bất lợi bằng việc gia tăng sự phát triển của cây và rễ, làmhòa tan và cô lập chất dinh dưỡng vô cơ, cảm ứng sự kháng bệnh, bất hoạt enzymegây bệnh

Hầu hết các giống Trichoderma không sinh sản hữu tính mà thay vào đó là cơ

chế sinh sản vô tính Tuy nhiên, có một số giống sinh sản hữu tính đã được ghi nhậnnhưng những giống này không thích hợp để sử dụng trong các phương pháp kiểmsoát sinh học Phương pháp phân loại truyền thống dựa trên sự khác nhau về hìnhthái chủ yếu là ở bộ phận hình thành bào tử vô tính, gần đây nhiều phương pháp

phân loại dựa trên cấu trúc phân tử đã được sử dụng Hiện nay nấm Trichoderma có

ít nhất là 33 loài

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Hình 2.4 Cấu trúc không gian của nấm Trichoderma reesei

2.3.3 Hình thái của nấm Trichoderma reesei:

Trichoderma là một loài nấm bất toàn, sinh sản vô tính bằng đính bào tử khuẩn

ty.Khuẩn ty của vi nấm không màu, cuống sinh bào tử phân nhánh nhiều, bào tử cóvách ngăn và thường có màu xanh dạng hình trứng, tròn, elip hoặc oval tùy theotừng loài

Khuẩn lạc nấm có màu trắng hoặc từ lục trắng đến lục vàng, vàng xanh, lục

xỉn đến lục đậm Các chủng Trichoderma có tốc độ phát triển nhanh đường kính

khuẩn lạc từ 2-9 cm sau 4 ngày nuôi cấy ở 300C

Có khả năng sử dụng nguồn hỗn hợp carbon và nitrogen thường ở dạngmonosaceharides và disaccharides, cùng với hỗn hợp polysaccgarides, puriness,pyrinidines… NH3 là nguồn đạm cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển trong

quá trình nuôi trồng Trichodema

Muối, các nguồn sulfur và các hỗn hợp như vitamin cũng có ảnh hưởng lớn

đến khả năng sinh trưởng của Trichoderma Ngược lại, muối sodium chloride làm

giảm sự sinh trưởng và phát triển của một số loài Do đó, trong môi trường nuôitrồng không được có mặt của muối này

Phần lớn các loài Trichoderma dễ nảy mầm ở các môi trường tự nhiên và nhân

tạo dưới điều kiện tối sáng lẫn lộn và bào tử có thể xuất hiện trong điều kiện sáng

Là loại nấm chủ yếu kí sinh trong đất, các loại vi sinh vật khác và có khả năng Thiết lập quần thể tại rễ cấy, nảy mần trong đất

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Hình 2.5 Hình thái Trichoderma Reesei

2.3.4 Thành phần môi trường nuôi cấy:

2.3.4.1 Nguồn carbon:

Theo lý thuyết sinh tổng hợp của enzym cảm ứng, trong môi trường nuôi cấy

vi sinh vật sinh cellulase nhất thiết phải có cellulose là chất cảm ứng và là nguồncarbon

Những nguồn cellulose có thể là bã mía,vỏ sắn, giấy lọc, bông, bột cellulose,

lõi ngô, cám , mùn cưa, bã củ cải, rơm, than bùn… Trichoderma lignorum và Trichoderma koningi nuôi trên môi trường có nguồn carbon là giấy lọc cho hoạt tính enzym cao nhất Kết quả cũng tương tự như vậy khi nuôi Myrothecium verrucaria trên môi trường có giấy lọc và lõi ngô, bã củ cải.

Chất cảm ứng của enzym cellulase còn là cellobiosooctacetat,cám mì,cám gạo,lactose salicyl Đối với stachybotrit atra nguồn carbon tốt nhất để sinh tổng hợpcellulase là tinh bột 1%

Các nguồn carbon khác (glucose, cellobiose, acetat, citrat, oxalat, xuccinat vànhững sản phẩm trung gian của vòng krebs) có tác dụng kiềm hãm sinh tổng hợpcellulase Song, trong môi trường với nồng độ glucose rất ít tác dụng kích thích visinh vật phát triển tạo thành enzyme Glycerin chỉ có tác dụng kích thích vi sinh vậtsinh trưởng phát triển, không cảm ứng tổng hợp enzyme

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

2.3.4.2 Nguồn Nitơ:

Các nguồn nito vô cơ thích hợp nhất đối với các sinh vật cellulase là muốinitrat Đối với các giống của bộ nấm bông nguồn nito tốt nhất lại là (NH4)2HPO4.Nói chung các muối amon ít tác dụng nâng cao hoạt lực enzyme này, thậm chí còn

ức chế quá trình tổng hợp, vì rằng môi trong các muối này làm cho môi trường acidhóa Điều này không những ức chế trong quá trình sinh tổng hợp enzyme mà còn cóthể làm mất hoạt tinhs enzyme sau khi tạo thành

Natri nitrat làm cho môi trường kiềm hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tạothành cellulase Các hợp chất nitơ hữu cơ có tác dụng khác nhau đến sinh tổng hợpcellulase Điều này phụ thuộc vào điều kiện sinh lý của từng chủng giống Cao ngô

và cao nấm men có tác dụng nâng cao hoạt lực cellulase của vi sinh vật nhưng vớicao ngô khả năng sinh tổng hợp C1 – và C2- cellulase cao hơn so với cao nấm men

2.3.4.3 Nguồn khoáng chất:

Những nguyên tố khoáng (Fe, Mn, Zn,B, Mo, Cu…) có ảnh hưởng rõ rệt đếnkhả năng tổng hợp cellulase của vi sinh vật Zn, Mn, Fe có tác dụng kích thích tạothành enzym này ở nhiều chủng Nồng độ tối thích của Zn: 0,11 – 22 mg/l, Fe: 2- 10mg/l, Mn: 3,4 – 27,2 mg/l

CHƯƠNG 3 THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

3.1 Tổng quan về nguyên liệu sản xuất:

3.1.1 Nguyên liệu bã mía:

Cùng với sự phát triển chung của đất nước, ngành mía đường Việt Nam đang

nỗ lực phấn đấu để đạt chỉ tiêu sản xuất một triệu tấn đường vào năm 2000, đáp ứngnhu cầu tiêu thụ trong nước và tiến tới xuất khẩu Song song với quá trình sản xuấtđường từ mía, ngành mía đường cũng thải ra một lượng bã mía khổng lồ (lượng bãmía thường chiếm 25 – 26% lượng mía tươi) Việc sử dụng bã mía ở các nhà máyđường đưa vào đốt lò hơi, làm giấy hay phân bón cũng chỉ hết 60%, còn lại 40%thải ra môi trường gây ra ô nhiễm Nhiều nhà máy đường ở Việt Nam hiện nay chưa

có biện pháp thích hợp để xử lý chất thải trước khi đưa vào môi trường Các biệnpháp như chôn lấp, đổ chất thải vào sông, hồ đều trực tiếp gây nên hậu quả ô nhiễmmôi trường, ảnh hưởng tới sinh thái Theo báo cáo của công ty đường 333 Dăk Lăk,việc đốt bã mía của nhà máy đường đã thải vào môi trường không khí một lượnglớn bụi khói (361.25kg/h), lượng SO2(6.3kg/h), NOx(41.5kg/h), CO(128.7kg/h) gây ô nhiễm môi trường không khí khu vực xung quanh nhà máy Bụi vào phổi gâykích thích cơ học, xơ hoá phổi dẫn đến các bệnh hô hấp như khó thở, ho và khạcđờm, ho ra máu, đau ngực SO2, NOx là những chất ô nhiễm không khí được xem

là nguy hiểm nhất đối với sức khoẻ con người, động vật và khí quyển, gây ra cácbệnh về đường hô hấp cho con người và có thể gây tử vong ở nồng độ cao

Bã mía chiếm 25 – 30% trọng lượng mía đem ép Trong bã mía chứa trungbình 49% là nước, 48% là xơ (trong đó chứa 45 – 55% cellulose) 2.5% là chất hoàtan (đường).Đây là nguồn cacbon quá giá để sản xuất enzyme cellulose từ vi sinhvật

3.1.2 Nguyên liệu cám gạo:

Lúa là cây lương thực chính của gần nửa số dân trên thế giới, mà đặc biệttrồng nhiều ở các nước khu vực Đông Nam Á Về diện tích canh tác của cây lúa chỉkém hơn cây lúa mì nhưng năng suất của nó lại cao nhất

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Lúa là loại cây ưa ẩm và ấm nên được trồng nhiều ở các vùng châu thổ của cáccon sông lớn Cây lúa thuộc họ hoà thảo, có tới hơn 20 loại giống lúa khác nhau.Nhưng trồng nhiều nhất và có ý nghĩa kinh tế nhất là lúa mùa.

Cám gạo là một phế phẩm khi xay xát hạt lúa để loại bỏ lớp vỏ tạo ra hạt gạo.Trong cám gạo có chứa tương đối đủ các chất phù hợp cho sự phát triển của vi sinhvật đặc biệt là nấm sợi, hàm lượng tinh bột chiếm lượng lớn

Bảng 3.1 Thành phần hoá học trung bình của cám:

3.2 Chọn dây chuyền công nghệ:

Trong công nghiệp sản xuất enzyme hiện nay có hai phương pháp: phươngpháp nuôi cấy bề mặt và phương pháp nuôi cấy chìm

So sánh hai phương pháp ta thấy phương pháp nuôi cấy bề mặt có những ưuđiểm sau:

- Nuôi bề mặt rất dễ thực hiện, qui trình công nghệ không phức tạp

- Lượng enzyme được tạo thành từ nuôi cấy bề mặt thường cao hơn rất nhiều

so với nuôi cấy chìm

- Chế phẩm enzyme thô sau khi thu nhận rất dễ sấy khô và bảo quản

- Nuôi cấy bề mặt không cần sử dụng nhiều thiết bị phức tạp, do đó việc vậnhành công nghệ cũng như đầu tư ban đầu vừa đơn giản vừa không tốn kém

- Trong trường hợp bị nhiễm vi sinh vật lạ rất dễ xử lý

- Trong kĩ thuật nuôi cấy bề mặt có hai loại môi trường nuôi cấy, đó là môitrường bán rắn và môi trường lỏng Ở môi trường lỏng thì vi sinh vật sẽ phát triểntrên bề mặt dung dịch lỏng nơi phân cắt giữa pha lỏng và pha khí Khi đó các tế bào

vi sinh vật sẽ tạo thành những ván phủ kín bề mặt dung dịch lỏng Enzyme sẽ được

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

tổng hợp trong tế bào và thoát khỏi tế bào vào trong dung dịch nuôi cấy Do đó việcthu nhận enzyme thô trong dịch nuôi cấy cũng rất đơn giản Tuy nhiên phương phápnuôi cấy này tỏ ra không hiệu quả vì hoạt lực của enzyme thu nhận được củaphương pháp này không cao bằng nuôi cấy trên môi trường bán rắn.Một mặtphương pháp này vi sinh vật phát triển chủ yếu trên bề mặt nên hệ sử dụng môitrường nuôi cấy không cao Vì vậy phương pháp này ít được dùng.

Chính vì những lý do trên mà tôi quyết định chọn phương pháp nuôi cấy bềmặt trên môi trường bán rắn với dây chuyền công nghệ như sau:

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Chế phẩm enzyme thô

NghiềnTrích ly lần 1

Cô đặc chân không

Enzyme thành phẩmSấy chân không W= 4%

Khay

Thanh trùngkhayPhân phối vào khay nuôi

Nuôi cấy 28- 32oC, T= 42h, W = 60%

Cân- Bao gói

Trích ly lần 2BãDịch trích li 1

MgSO4: 0,05 %

KH2PO4: 0,1 %NaNO3:0,15 %Giống VSV

Băm cắt

3.3 Thuyết minh dây chuyền công nghệ

3.3.1 Nguyên liệu bã mía:

Băm cắt: Khi sản xuất thì bã mía từ kho chuyển đến máy băm cắt đến mức độcông nghệ yêu cầu nhờ lưới Sau đó được vận chuyển đến máy sàng rung

Sàng: bã mía từ máy nghiền được băng tải chuyển đến máy sàng để phân loạikích cỡ các loại:

+ Loại 1: Đạt kích thước yêu cầu của công nghệ thì được gàu tải chuyển lênbunke định lượng, và được vít tải chuyển đến bộ phận phối trộn

+ Loại 2: Kích thước quá lớn thì được chuyển lại vào máy băm cắt để tiếp tụcsàng

3.3.2 Phân ly từ tính:

Mục đích: Tách các kim loại ra khỏi bã mía,nhằm tránh tình trạng kim loại tạo

ra tia sáng va đập với phần kim loại của thiết bị

Tiến hành: bã mía được đưa vào xử lý tại máy phân loại từ tính.Tại đây dướitác dụng của lực từ, kim loại được tách ra khỏi hỗn hợp,sau đó được đưa đi xử lýtiếp theo còn kim loại sau khi tách được tập trung tại nơi tập kết và đưa đi tái chế

3.3.3 Nguyên liệu cám gạo:

Cám gạo từ kho qua băng tải đến thiết bị làm sạch dạng sàng rung, được gàutải đưa lên bunke định lượng khối lượng, sau đó cám từ bunke được xả xuống thiết

Thành phần môi trường nuôi cấy:

3.3.7 Nhân giống:

3.3.7.1 Hoạt hóa giống nấm:

Giống trong ống nghiệm được giữ ở trạng thái hoạt động bằng cách cấy truyềnmỗi tháng một lần trong các môi trường thạch czapek

Thành phần môi trường thạch czapek:

FeSO4 0,01g

Dịch tự phân nấm men 10mlNước định mức lên 1000ml

pH = 4 ÷ 6,5

3.3.7.2 Nhân giống cấp 1:

Nhân giống trên máy lắc

Tỷ lệ cấy giống phải đạt 10% giống cấp 2 Nhân giống ở 250C, thời gian 24giờ

Thành phần môi trường czapek:

3.3.7.4 Nhân giống sản xuất:

Từ môi trường sản xuất sau khi làm nguội kết thúc, trích ra 10% chuyển quaphòng nhân giống để nhân giống sản xuất Quá trình nhân giống sản xuất cũng đượcthực hiện trên khay và được thực hiện trong phòng nhân giống

Trong quá trình nuôi không cần điều chỉnh pH môi trường Đây là môi trườngbán rắn nên sự thay đổi pH ở vị trí này không ảnh hưởng đến toàn bộ môi trường.Thời gian nuôi cấy nấm mốc khoảng 36 ÷ 60 giờ, trung bình thường là 42 giờ.Quá trình nuôi cấy trong môi trường bán rắn nuôi bằng phương pháp bề mặttrải qua các giai đoạn sau:

Giai đoạn 1:

Giai đoạn này thường kéo dài 10 ÷ 14 giờ kể từ thời gian bắt đầu nuôi cấy.Trong giai đoạn này có những thay đổi sau:

+ Nhiệt độ tăng chậm

+ Sợi nấm bắt đầu hình thành và có màu trắng hoặc màu sữa

+ Thành phần dinh dưỡng bắt đầu có sự thay đổi

+ Khối môi trường còn rời rạc

+ Enzyme mới bắt đầu hình thành

Trong giai đoạn này cần quan tâm đến chế độ nhiệt độ Tuyệt đối không được

để nhiệt độ cao hơn 30oC vì thời kỳ này giống rất mẫn cảm với nhiệt độ

+ Toàn bộ bào tử đã phát triển thành sợi nấm và sợi nấm bắt đầu phát triển rấtmạnh Các sợi nấm này tạo ra những mạng sợi chằng chịt khắp trong các hạt môitrường, trong lòng môi trường.

+ Môi trường được kết lại khá chặt

+ Độ ẩm của môi trường giảm dần

+ Nhiệt độ của môi trường tăng nhanh có thể lên đến 40oC ÷ 45oC

+ Các chất dinh dưỡng bắt đầu giảm nhanh do sự đồng hoá của nấm sợi

+ Các loại enzyme được hình thành, trong đó enzyme cellulase hình thànhnhiều nhất

+ Lượng oxy trong môi trường giảm và CO2 tăng dần, do đó trong giai đoạnnày cần thông khí mạnh và điều chỉnh nhiệt độ khoảng 29oC ÷ 30oC

Cần dừng quá trình nuôi cấy và thu nhận enzyme trong giai đoạn này Vì tronggiai đoạn này bào tử được hình thành nhiều và làm giảm hoạt lực của enzyme

3.3.10.Thu nhận chế phẩm enzyme thô:

Kết thúc quá trình nuôi cấy ta thu nhận chế phẩm enzyme thô

3.3.11.Nghiền:

Canh trường nấm mốc được gàu tải chuyển sang máy nghiền búa Mục đíchcủa quá trình nghiền là vừa phá vỡ tế bào, vừa làm nhỏ các thành phần của chếphẩm enzyme thô Khi thành tế bào bị phá vỡ, các enzyme bên trong sẽ dễ dàng giảiphóng ra môi trường bên ngoài

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

3.3.12.Trích ly:

Sau khi nghiền phá vỡ cấu trúc tế bào, ta có thể chiết xuất enzyme bằng cácdung môi khác nhau như nước cất, dung dịch đệm, muối trung tính Ở đây ta dùngdung môi trích ly là nước cất, vì:

- Các enzyme này hòa tan tốt trong nước

- Dễ dàng thu hồi lại trong quá trình cô đặc, sấy

- Rẻ

Cách thực hiện: Tiến hành trích li 2 lần, lần 1 trích li bằng nước nóng 40oC,lần 2 trích li bằng nước nóng 50oC Thời gian tiến hành và lượng nước cần dùng củamỗi lần trích ly như sau: Lần 1 trích li trong 3 giờ, lượng nước sử dụng bằng 2 lầnthể tích dịch vào; lần 2 trích li trong 2 giờ, lượng nước sử dụng bằng một lần thểtích bã Phần bã sau khi qua 2 lần trích ly được sử dụng làm thức ăn cho gia súc.Dịch trích ly lần 1, lần 2 được trộn lại với nhau và chuyển sang thiết bị cô đặc.Mục đích của quá trình này là thu dịch enzyme và loại bỏ sinh khối

Sau đó dịch enzyme sẽ được đưa vào thiết bị cô đặc

3.3.13.Cô đặc:

Mục đích của giai đoạn này là nâng cao nồng độ chất khô từ 4-6 g/l tới 15-20g/l, cho thêm một số chất bảo quản để đưa dung dịch đạt nồng độ 35 – 40 g/l Sau

đó dịch cô đặc sẽ được đưa vào thiết bị sấy chân không

3.3.14.Sấy chân không:

Mục đích của giai đoạn này là tạo sản phẩm enzyme kỹ thuật dạng bột để tiệncho quá trình bảo quản và vận chuyển

Dịch enzyme sau khi cô đặc được đưa vào thiết bị sấy chân không với nhiệt độđầu vào là 1200C và đầu ra là 600C

Sản phẩm sau đó có độ ẩm 4 % được gàu tải đưa vào bunke chứa

3.3.15.Cân và bao gói:

Mục đích: Đóng gói sản phẩm enzyme để đưa vào kho bảo quản ở 40C

Cách tiến hành: Việc đóng gói sản phẩm sẽ được thực hiện bởi máy đóng góichuyên dụng

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

CHƯƠNG 4 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 4.1 Kế hoạch sản xuất của nhà máy:

- Các ngày nghỉ trong năm:

+ Tết dương lịch nghỉ 1 ngày

+ Tết âm lịch nghỉ 3 ngày

+ Ngày chiến thắng 30 - 4 nghỉ 1 ngày

+ Ngày quốc tết lao động nghỉ 1 ngày

+ Ngày quốc khánh nghỉ 1 ngày

Nhà máy làm việc 1 ca/ngày,1 ca 8 tiếng

4.2 Các số liệu ban đầu:

+ Chủng giống vi sinh vật sử dụng: Trichoderma reesei

+ Môi trường lên men: lên men bán rắn, W= 60%, T = 42h, t0= 28 – 320C+ Sản phẩm đầu ra: enzyme kỹ thuật năng suất 500 tấn sản phẩm /năm,W= 4%Năng suất thành phẩm enzyme của nhà máy tính theo 1 ca làm việc là:

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

1689.19296

Công thức được sử dụng trong quá trình tính toán:

- Công thức tính hao hụt ẩm:

Ký hiệu: Gt – Trọng lượng trước khi vào thiết bị (kg)

Gs – Trọng lượng khi ra khỏi thiết bị (kg)

Wt – Hàm ẩm trước khi vào thiết bị (%)

Ws – Hàm ẩm khi ra khỏi thiết bị (%)

Gc – Trọng lượng chất khôLượng chất khô trong suốt quá trình là không đổi, khi đó:

100

100 100

100

s

t t

W G

W

W G







 100

4.3 Giả thiết hao hụt qua các công đoạn sản xuất:

Bảng 4.3 Bảng thay đổi độ ẩm qua các công đoạn

Độ ẩm của bã mía trước khi trộn 15%

Độ ẩm của bã mía sau khi trộn 60%

Độ ẩm của cám gạo trước khi trộn 15%

Độ ẩm của cám gạo sau khi trộn 60%

Độ ẩm trước khi sấy chân không 50%

Độ ẩm sau khi sấy chân không 4%

Bảng 4.4 Bảng tỉ lệ hao hụt qua các công đoạn

Dây chuyền gia công bã mía

4.4 Cân bằng vật chất trong quá trình sản xuất:

4.4.1 Dây chuyền sản xuất sản phẩm enzyme kỹ thuật:

Năng suất sản phẩm enzyme kỹ thuật của nhà máy tính theo ca là: 1689.19kg/ca

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

4.4.3 Sấy chân không:

Theo bảng 4.2 thì công đoạn này độ ẩm trước khi sấy chân không là 50%,saukhi sấy chân không là 4% Theo bảng 4.3 thì công đoạn này hao hụt 2% về khốilượng nên ta tính được khối lượng sản phẩm trước khi sấy chân không là:

sp sp

1654.776 1000

8273.88200

sp sp

25 /

25 /

827.388 1000

33.0955225

enzyme

g l

g l

m V

+ cô đặc 1 : V25g/l đến V100g/l

33.09552-8.273388=24.82164 (m3/ca)+ cô đặc 2 : V200g/l đến V500g/l

8.273388-3.309552=4.964328 (m3/ca)Tổng lượng nước bay hơi là: 24.82164+4.964328=29.785968 (m3/ca)

Với Dnuoc ở 20oC=998kg/m3

Khối lượng nước là: 29.785968998=29726.39606 ( kg/ca)

Theo bảng 4.3 thì công đoạn này hao hụt 2% nên ta tính được khối lượng sảnphẩm trước khi cô đặc là:

4.4.5 Trích ly:

Thể tích dịch thu được sau khi trích ly tại C=25g/l là 33.09552 (m3/ca).Trongquá trình trích ly được thực hiện 2 lần với:

V1:Vsk=2:1 ; V2:Vsk=1:1 => Vncdung:Vsk=3:1Giả sử trong quá trình trích ly,lượng nước vào bằng lượng dịch trích ly là:

Mà sau lên men sinh khối có W=60

 khối lượng của sinh khối trước khi trích ly là:

6128.8 100

15321.940

4.4.9 Phân phối vào khay nuôi:

Theo bảng 4.3 thì công đoạn này hao hụt 0.5% nên ta tính được khối lượngsản phẩm trước khi phân phối vào khay nuôi là:

4.4.10.Nhân giống sản xuất:

Theo bảng 4.3 thì công đoạn này hao hụt 0.5%

Giả thiết lượng giống cấy bằng 10% khối lượng môi trường trước khi cấygiống

Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase

Ta có : mgiống = 10 % mmôi trường

 10 % mmôi trường+ mmôi trường= 1.1 mmôi trường

Khối lượng môi trường trước khi cấy giống là :

16195.4 100

14797.11,1 100 0,5  (kg/ca)Khối lượng giống cho vào là :

mgiống = 0.1 x 14797.1 = 1479.7 (kg/ca)Lượng giống cấp II bằng 10% giống sản xuất hao hụt 0.1%:

4.5 Cân bằng vật chất nguyên liệu:

4.5.1 Lượng nguyên liệu sản xuất trong một mẻ:

Độ ẩm ban đầu của nguyên liệu trước khi phối trộn

+ Bột bã mía : 15%

+ Cám gạo : 15%

Độ ẩm sau khi phối trộn là 60%

Lượng nguyên liệu là:

4.5.4 Môi trường nhân giống:

4.5.4.1 Môi trường nhân giống cấp I:

Giống gốc Trichoderma reesei được cho vào môi trường thạch czapek để

nhân giống cấp I có thành phần theo khối lượng :

Thể tích nước để pha môi trường cấp I: 9685 1000 9.704

4.5.4.2 Môi trường nhân giống cấp II:

Sau khi nhân giống cấp I chuyển sang môi trường cazpek nhân giống cấp II cóthành phần :

Khối lượng giống cấp II là : mgiống cấp 2 =148.1 (kg/ca)

Khối lượng giống cấp I là : mgiống cấp 1 =14.8 (kg/ca)

Lượng dịch môi trường để nhân giống cấp II :

Mmt = mgiống cấp 2 - mgiống cấp 1 (kg/ca)

M1

mt=148.1-14.8=133.3 (kg/ca)Khối lượng các thành phần: