thiết kế quá trình sấy phun protease kiềm với công suất 200 tấn năm

- Sấy phun phun được tiến sỹ Kalter của đại học Minnesota, Hoa Kỳ phát minh là một trong những công nghệ sấy công nghiệp chính do khả năng sấy một bậc nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN KĨ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

- -

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH SẤY PHUN

PROTEASE KIỀM VỚI CÔNG SUẤT 200 TẤN/NĂM

GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai NHÓM 7 THỰC HIỆN

TP HCM, ngày 7 tháng 5 năm 2017

DANH SÁCH NHÓM VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ NHÓM 7

S

Kí tên Ghi chú

1

1 Trần Thị Hải 2008140064

Dịch bài báo 9,10 Tổng kết, làm bản in và Power

Point

Nhóm trưởng

2

2

Nguyễn Mỹ

Duyên 2008140058

Dịch bài báo 12, tìm hiểu về máy

sấy phun, tính toán

Hoàn thành nhiệm vụ

5

5 Đào Thị Hương 2008140410 Dịch bài báo 11, tính toán

Hoàn thành nhiệm vụ

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Giới thiệu về công nghệ sấy và sấy phun 5

1.1.1 Sấy và sấy phun 5

1.1.2 Nguyên lý của phương pháp sấy phun 5

1.1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy sấy phun 5

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 1

1.1.5 Ưu và nhược điểm của công nghệ sấy phun 1

1.1.6 Ứng dụng của sấy phun khô: 2

1.2 Tổng quan về protease kiềm 3

1.2.1 Khái niệm 3

1.2.2 Đặc tính của protease kiềm 4

Chương 2 LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ THIẾT BỊ 5

2.1 Lựa chọn thiết bị sấy 5

2.1.1 Nguyên lý làm việc: 5

2.1.2 Thông số kĩ thuật của máy sấy phun sương: 6

2.2 Lựa chọn tác nhân sấy 7

2.3 Tính toán các thông số kĩ thuật sấy phun enzyme protease kiềm với công suất 200 tấn/năm 7

2.3.1 Cân bằng vật chất cho thiết bị sấy phun sương 8

2.3.2 Tính lượng không khí khô cần thiết: 9

2.3.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy phun sương 10

Chương 3 KẾT LUẬN 11

TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Máy sấy phun 5Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo máy sấy 7

Hình 1.3: Enzyme sau quá trình sấy phun khô được đóng gói chuẩn bị đem bán 2

Hình 2.1 máy sấy phun sương 5Hình 2.2 Biểu đồ Ramzim 9

ra phải đảm bảo an toàn và chất lượng Để đáp ứng tốt nhất nhu cầu ấy các nhà khoa học đã nghiên cứu và ứng dụng thành công các chế phẩm sinh học trong đời sống trong đó chế phẩm enzyme được sử dụng nhiều nhất, mang lại hiệu quả khá cao Tuy nhiên, việc bảo quản enzyme dạng lỏng theo các phương thức truyền thống gây khó khăn, không giữ được hoạt tính của enzyme Từ đó đã mang lại hiệu quả không cao cho nhà sản xuất Chính vì lí do đó mà đặt ra một bài toán làm sao để bảo quản enzyme vừa được lâu vừa bảo đảm được hoạt tính ban đầu Và từ đó công nghệ sấy

ra đời đã đưa ra một câu trả lời khá tốt cho bài toán được nêu trên

Từ khi công nghệ sấy được phát hiện,cho tới nay đã có khá nhiều phương pháp sấy khác nhau như sấy thăng hoa, sấy phun, sấy tầng sôi, sấy khí động,… Và nổi trội hơn hết là phương pháp sấy phun Phương pháp này giúp cho quá trình tách nước ra khỏi vật liệu diễn ra nhanh chóng, vẫn giữ được hoạt tính của enzyme Công nghệ sấy ra đời đã đánh dấu bước chuyển mình của các enzyme dạng lỏng, nó giúp cho enzyme được bảo quản lâu hơn, ngày càng thu hút được sự quan tâm chú ý của các nhà sản xuất do ứng dụng phong phú của nó

Chính vì những lí do trên, nhóm 7 đã chọn đề tài thiết kế quá trình sấy phun

enzyme protease kiềm với công suất 200 tấn/năm Với đề tài này, nó đã giúp nhóm

có cơ hội tiếp cận gần hơn với một công nghệ mới, có ứng dụng cao trong đời sống của con người hiện nay Đồng thời, nhóm cũng muốn qua đề tài này gửi đến các bạn cách thiết kế một quy trình công nghệ là như nào để từ đó có thể giúp ích trong quá trình tìm hiểu và học hỏi của quý bạn đọc Mong được sự góp ý chân thành từ quý

cô và quý bạn đọc để đề tài có thể tốt hơn

Nhóm chân thành cảm ơn./

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về công nghệ sấy và sấy phun

1.1.1 Sấy và sấy phun

- Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu nhờ sự khuếch tán do:

+ Chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu

+ Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh

- Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng vật liệu, tăng độ bền và bảo quản sản phẩm được lâu hơn

- Sấy phun phun được tiến sỹ Kalter của đại học Minnesota, Hoa Kỳ phát minh là một trong những công nghệ sấy công nghiệp chính do khả năng sấy một bậc nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng bột khá đơn giản, dễ dàng kiểm soát nhiệt độ và định dạng hạt sản phẩm một cách chính xác

-Thiết bị sấy phun dùng để sấy các dạng dung dịch và huyền phù trong trạng thái phân tán nhằm tách ẩm ra khỏi vật liệu giúp tăng độ bền và bảo quản sản phẩm được lâu hơn

-Sản phẩm của quá trình sấy phun là dạng bột mịn như bột đậu nành, bột trứng, bột sữa,… hoặc các chế phẩm sinh học, dược liệu…

1.1.2 Nguyên lý của phương pháp sấy phun

Một hệ phân tán mịn của nguyên liệu từ chất lỏng hòa tan, nhũ tương, huyền phù

đã được cô đặc trước (40 - 60% ẩm) được phun để hình thành những giọt mịn, rơi vào trong dòng khí nóng cùng chiều hoặc ngược chiều ở nhiệt độ khoảng 150 - 3000 C trong buồng sấy lớn Kết quả là hơi nước được bốc đi nhanh chóng Các hạt sản phẩm được tách ra khỏi tác nhân sấy nhờ một hệ thống thu hồi riêng

1.1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy sấy phun

1.1.3.1 Cấu tạo chung

Hình 1.1: Máy sấy phun

Tất cả các thiết bị sấy phun đều bao gồm:

+ Cơ cấu phun: Có chức năng đưa nguyên liệu (dạng lỏng) vào buồng dưới dạng hạt mịn (sương mù) Quá trình tạo sương mù sẽ quyết định kích thước các giọt lỏng và

sự phân bố của chúng trong buồng sấy, do đó sẽ ảnh hưởng đến giá trị bề mặt truyền nhiệt và tốc độ sấy.Cơ cấu phun có các dạng như: cơ cấu phun áp lực, cơ cấu phun bằng khí động, đầu phun ly tâm

+ Buồng sấy: Là nơi hòa trộn mẫu sấy (dạng sương mù) và tác nhân sấy (không khí nóng) Buồng sấy phun có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhưng phổ biến nhất là buồng sấy hình trụ đứng, đáy côn Kích thước buồng sấy (chiều cao, đường kính…) được thiết kế phụ thuộc vào kích thước các hạt lỏng và quỹ đạo chuyển động của chúng, tức phụ thuộc vào loại cơ cấu phun sương sử dụng

+ Tác nhân sấy: Không khí nóng là tác nhân sấy thông dụng nhất Hơi là tác nhân gia nhiệt phổ biến nhất Nhiệt độ hơi sử dụng thường dao động trong khoảng 150-2500

C Nhiệt độ trung bình của không khí nóng thu được thấp hơn nhiệt độ hơi sử dụng là

1000C

+ Hệ thống thu hồi sản phẩm: Bột sau khi sấy phun được thu hồi tại cửa đáy buồng sấy Để tách sản phẩm ra khỏi khí thoát, người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện… Phổ biến nhất là 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, các thiết bị sấy phun được trang bị hệ thống hai quạt Quạt chính được đặt sau thiết bị thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí thoát Còn quạt phụ đặt trước thiết bị gia nhiệt không khí trước khi vào buồng sấy Ưu điểm của việc sử dụng hệ thống hai quạt

là người ta có thể kiểm soát dễ dàng áp lực trong buồng sấy Trong trường hợp chỉ sử dụng một quạt ly tâm đặt sau cyclon thu hồi sản phẩm, buồng sấy sẽ hoạt động dưới áp lực chân không rất cao Chính áp lực chân không này sẽ ảnh hưởng đến lượng bột sản phẩm bị cuốn theo dòng khí thoát, do đó sẽ ảnh hưởng đến năng suất hoạt động và hiệu quả thu hồi bột sản phẩm của cyclon

1.1.3.2 Nguyên tắc hoạt động

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo máy sấy

1 Buồng sấy

3 Thùng chứa nguyên liệu cần sấy

5 Cơ cấu phun mẫu

6 Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí thoát ra

7 Cyclon vận chuyển sản phẩm

8 Hệ thống quạt hút và màng lọc

Nguyên liệu từ thùng chứa (3) được bơm số (4) bơm vào buồng sấy (1), khi vào buồng sấy được phân bố mấu thành hạt nhỏ li ti (dạng mù) nhờ cơ cấu phun 1 lít dung dịch có thể được phun thành 1,5*1010 giọt với tổng diện tích bề mặt lên đến 120m2 Không khí nóng thổi qua caloriphe (2) đưa vào buồng sấy Không khí nóng và nguyên liệu ở dạng mù tiếp xúc với nhau trong vài giây tại cơ cấu phun mẫu (5) đặt trong buồng sấy, nước từ nguyên liệu bốc hơi sau đó thoát ra ngoài, sản phẩm khô được thu gom tại đáy cyclon (6), được làm nguội và thu hồi Một phần bụi mịn theo không khí qua cyclon (7), sau đó qua bộ lọc vải (8) nhằm thu hồi lại các hạt bụi mịn còn sót lại và thải ra ngoài

* Không khí nhờ quạt thổi qua bộ trao đổi nhiệt caloriphe và nâng lên nhiệt độ cần thiết theo yêu cầu của chế độ sấy Không khí trước khi qua bộ trao đổi nhiệt được lọc sạch bởi thiết bị lọc

 Điều khiển: Bảo vệ chống quá nhiệt

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

- Nồng độ chất khô của nguyên liệu: Nồng độ cao: Giảm được thời gian bốc hơi nhưng lại tăng độ nhớt của nguyên liệu, gây khó khăn cho quá trình sấy phun Nồng độ thấp: Tốn nhiều thời gian và năng lượng cho quá trình Thực tế nồng độ vào khoảng: 45- 52%

- Nhiệt độ tác nhân sấy: Đây là yếu tố ảnh hưởng quyết định đến độ ẩm của sản phẩm sau khi sấy phun Khi cố định thời gian sấy, độ ẩm của bột sản phẩm thu được sẽ giảm đi nếu ta tăng nhiệt độ tác nhân sấy Tuy nhiên, việc gia tăng nhiệt độ cao có thể gây phân hủy một số cấu tử trong nguyên liệu mẫn cảm với nhiệt và làm tăng mức tiêu hao năng lượng cho toàn bộ quá trình

- Kích thước, số lượng và quỹ đạo chuyển động của các hạt nguyên liệu trong buồng sấy

- Các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy phun là tốc độ bơm đưa dòng nguyên liệu vào cơ cấu phun sương, lưu lượng không khí nóng vào buồng sấy, cấu tạo

và kích thước buồng sấy…

1.1.5 Ưu và nhược điểm của công nghệ sấy phun

1.1.5.1 Ưu điểm:

- Quá trình sấy nhanh

- Có thể điều khiển được tỷ trọng sản phẩm

- Bột sau khi sấy có độ hòa tan cao (90- 100%), độ ẩm thấp (3- 4%)

- Vận hành liên rục và có thể tự động hóa hoàn toàn

- Chi phí nhân công thấp

- Vận hành và bảo dưỡng đơn giản

- Thiết kế đa dạng cho từng loại sản phẩm, từng loại qui mô nhà máy

- Áp dụng được cho các sản phẩm bền nhiệt và không bền nhiệt, nguyên liệu ở dạng dung dịch, gel, paste, hồ vữa, huyền phù…

- Chất lượng bột được bảo đảm trong suốt quá trình sấy

- Vật liệu hầu như không tiếp xúc với bề mặt kim loại của thiết bị

- Chi phí đầu tư cao

- Yêu cầu độ ẩm ban đầu cao để đảm bảo nguyên liệu có thể bơm đến thiết bị tạo giọt lỏng

- Chi phí năng lượng cao hơn (để tách ẩm)

- Thất thoát các chất dễ bay hơi cao hơn

1.1.6 Ứng dụng của sấy phun khô:

Thực phẩm: sữa bột, cà phê, chè, trứng, ngũ cốc, các loại gia vị, hương liệu, tinh bột và các dẫn xuất tinh bột, vitamin, enzyme, chất tạo màu

Dược: thuốc kháng sinh, các thành phần y tế, phụ gia

Công nghiệp: màu sơn, vật liệu gốm, hỗ trợ chất xúc tác, vi tảo

Hình 1.3: Enzyme sau quá trình sấy phun khô được đóng gói chuẩn bị đem bán Khi hoạt động trong một nhà máy, lựa chọn các cấu hình thích hợp nhất là điều cần thiết.Điều này bao gồm các phương thức hoạt động, thiết kế thiết bị và hệ thống thu gom bột

Thiết bị phù hợp về chất lượng và kinh tế.Khi lựa chọn thiết bị công nghệ, điều quan trọng là phải hiểu một cách cẩn thận hai điều: các thuộc tính ủa chất lỏng được sấy khô và chất lượng bột được sản xuất

1.2 Tổng quan về protease kiềm

1.2.1 Khái niệm

Protease kiềm là một enzyme sinh lý và nhóm enzyme thương mại quan trọng sử dụng ban đầu như chất phụ gia trong tẩy rửa Nó cụ thể xúc tác vai trò trong thủy phân của protein Năm 1994, tổng số thị trường cho các enzyme công nghiệp chiếm cho khoảng 400 triệu đô, của enzyme dùng cho mục đích chất tẩy rủa trị giá là 112 triệu USD Ở Nhật,1994 protease kiềm doanh thu được ướt tính 15 triệu yên( tương đương

116 triệu đô) Enzyme này ướt tính 40% của tổng số trên toàn thế giới bán enzyme Có

dự kiến sẽ cho enzyme một xu hướng phát triển đi lên trong việc sử dụng protease kiềm tương lai

Protease xúc tác sự phân cắt liên kết peptied trong protein.Protease được phân chia thành 2 loại: endopeptidase và exopeptidase

Dựa vào vị trí tác động trên mạch polipeptide,exopeptidase phân chia thành 2 loại:

- Aminopeptide: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu N tự do của chuỗi polypeptide để giải phóng ra một acid amin, một dipeptide hoặc peptide

- Cacboxypeptide: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu C của chuỗi polypeptide và giải phóng ra một acid amin và một dipeptide

Protease cũng có thể được phân loại dựa vào:

- pH

- Tính đặc trưng của cơ chất

- Tính tương tự trong hoạt động đẻ có đặc điểm Enzyme như Trypsin, Chymotrypsin và Elastase

- Vị trí hoạt động phần còn lại axit amin và cơ chế xúc tác

Thông thường, protease được phân loại thành bốn nhóm quan trong như: Serine,Cysteine,Aspartic và kim loại proreases

Trong số các enzyme công nghiệp,protease có vai trò then chốt trong ứng dụng các lĩnh vực khác nhau, từ trong nước để chế biến da,giảm nhẹ ô nhiễm môi trường, ứng dụng trong chất tẩy rửa

1.2.2 Đặc tính của protease kiềm

- Enzyme có pH và nhiệt độ tối ưu ở pH= 10-11 và nhiệt độ 65-700C

- Ở nhiệt độ cao enzyme dễ bị mất hoạt tính( phải bổ sung vào các chất phụ gia

để ổn định hoạt tính) Vì vậy dung dịch sau khi lên men được trích ly để thu nhận enzyme sau đó chúng ta sẽ bổ sung thêm 1% glucose + 0,5% Maltodextrin (MD) + 0.04 Cacboxymethylcellulase(CMC) trước khi đem đi sấy để ổn định hoạt tính protease kiềm

Chương 2 LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ THIẾT BỊ 2.1 Lựa chọn thiết bị sấy

Dựa vào đặc tính của protease kiềm ta sẽ lựa chọn thiết bị máy sấy phun sương ( tác nhân sấy và dung dịch cần sấy đi cùng chiều)

Hình 2.1 máy sấy phun sương

- Khái quát: thân máy sấy, đường kính và toàn bộ thiết bị tiếp xúc nguyên liệu được làm bằng thép không gỉ, bảo đảm chắc chắn không bị hư hại

- Chủng loại máy sấy phun khuếch tán này nhìn chung được dùng cho sấy phun các loại dung dịch có độ ẩm cao khoảng 50-80% Một số loại nguyên liệu đặc biệt, thậm chí độ ẩm lên đến 90%, thiết bị sấy một lần mà không cần cô đặc chúng

- Phạm vi ứng dụng: Thiết bị máy sấy phù hợp cho sấy các loại nguyên liệu như: hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, enzyme,

2.1.1 Nguyên lý làm việc:

Sau khi qua bộ lọc, không khí được làm sạch và dẫn đến bộ gia nhiệt

Quy trình gia nhiệt: lò tạo khí nóng, gia nhiệt bằng điện, gia nhiệt bằng hơi khi không khí được gia nhiệt đến nhiệt độ cài đặt, sau đó được đưa đến bộ chia khí nóng tiếp tuyến sau khi được phân chia, khí nóng thổi vào buồng sấy một cách ổn định và theo kiểu xoáy Cùng lúc đó, dung dịch nguyên liệu sấy được phun khuếch tán thành những giọt dung dịch goặc thành những kích cỡ sương mù siêu nhỏ trong khoảng kích thước 25-60mm

Khi hạt dung dịch tiếp xúc với khí nóng trong buồng sấy, phần tử nước sẽ bị bốc hơi và còn lại là những hạt bột khô hoặc hạt cốm Những hạt bột khô này sẽ rơi xuống phần hình nón của buồng sấy và trượt rơi xuống thùng thu bột sản phẩm phía đáy buồng, một lượng nhỏ bột min theo luồng khí vào bộ phận tách bụi cylon.Cuối cùng khí thải được hút ra ngoài qua quạt hút và dẫn đến bộ thu bụi kiểu phun mưa

Thiết bị này được thiết kế theo kiểu sấy theo luồng song song Các hạt sương dung dịch được thổi cùng chiều với luồng khí nóng.Tuy nhiên, nhiệt độ của khí nóng cao hơn, khí nóng sẽ tiếp xúc với các giọt sương dung dịch ngay khi chúng được phun vào buồng sấy Các giọt dung dịch trong buồng rơi xuống nhanh vì vậy nguyên liệu sấy không bị sấy nóng quá mức.Vì thế thiết bị sấy này phù hợp cho sấy khô các loại sản phẩm nguyên liệ dễ dàng.Nhiệt độ của sản phẩm khi ra thấp hơn một chút so với khí thoát ra ngoài

2.1.2 Thông số kĩ thuật của máy sấy phun sương:

Nhiệt độ sấy( trong buồng sấy) 80-90oC

Motor giảm tốc bơm nhu động 40W, tỉ số truyền 1/36,3 pha Motor trục khuấy dịch thùng khuấy Motor khí nén

Công suất Motor quạt hút 3HP,2800v/ph