tính toán thiết kế thiết bị sấy phun protease kiềm với công suất (nhà máy) 200 tấn năm

Bacillus subtilis có khả năng sinh ra rất nhiều loại enzyme nội bào cũng như ngoại bào như: protease, amylase, caltalase, xylanase, oxydase… Các enzyme thu nhận từ Bacillus subtilis thư

Bộ công thương Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM

Khoa CNSH & KTMT



TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY PHUN PROTEASE KIỀM VỚI CÔNG SUẤT (NHÀ MÁY) 200 TẤN/NĂM

GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Ngô Lan Phương

MỤC LỤC

DANH SÁCH NHÓM 6 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 3

I Khái niệm chung về thiết bị sấy 3

1.1 Định nghĩa 3

1.2 Phân loại 3

1.3 Các phương pháp làm khô vật liệu 4

1.4 Các thông số cơ bản của không khí ẩm 4

a Độ ẩm tuyệt đối của không khí (ρh ) 4

b Độ ẩm tương đối của không khí (φ) 4

c Hàm ẩm của không khí ẩm (x) 4

d Hàm nhiệt của không khí ẩm (H) 5

e Nhiệt độ bầu khô (tk) 5

f Nhiệt độ bầu ướt (tư) 5

g Nhiệt độ điểm sương (ts) 5

II Thiết bị sấy phun 5

2.1 Khái niệm 5

2.2 Cấu tạo chung 6

2.3 Nguyên lý hoạt động 8

III Tổng quan về Bacillus subtilis 9

3.1 Đặc điểm phân loại Bacillus subtilis 9

3.2 Đặc điểm hình thái và sinh hóa 9

3.3 Đặc điểm nuôi cấy 11

IV Tổng quan về enzyme protease 12

4.1 Khái niệm 12

4.2 Phân loại enzyme protease 12

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH SẤY PHUN PROTEASE KIỀM VỚI CÔNG SUẤT (NHÀ MÁY) 200 TẤN/NĂM 15

DANH SÁCH NHÓM 6

HỌ VÀ TÊN MSSV

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, Bacillus sp.nói chung và Bacillus subtilis nói riêng đã và đang đóng một

vai trò rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau

Bacillus subtilis có khả năng sinh ra rất nhiều loại enzyme nội bào cũng như ngoại

bào như: protease, amylase, caltalase, xylanase, oxydase… Các enzyme thu nhận từ

Bacillus subtilis thường có hoạt tính cao hơn so với enzyme cùng loại thu nhận từ các

đối tượng vi sinh vật khác, do đó nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản

xuất công nghiệp đặc biệt là trong các ngành như: thực phẩm, chất tẩy rửa, dệt may,

da, giấy, thuốc men…

Hơn nữa, với đặc điểm là có khả năng sinh ra hơn 20 loại kháng sinh khác nhau và các loại kháng sinh này đều có tác dụng ức chế sinh trưởng và phát triển của nhiề đối

tượng vi sinh vật khác Chính vì vậy, Bacillus subtilis có tiềm năng ứng dụng rất lớn

trong các lĩnh vực kiểm soát sinh học đặc biệt là trong chăn nuôi và nuôi trồng thủy

sản Bacillus subtilis giúp cải thiện và nâng cao khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng, từ

đó kích thích sự sinh trưởng và phát triển của đối tượng mục tiêu, cũng như cải thiện khả năng phòng chống dịch bênh trên các đối tượng đó Chính vì vậy chúng tôi quyết

định thực hiện đề tài: “Tính toán thiết kế quá trình sấy phun protease kiềm từ

Bacillus subtilis với công suất 200 tấn/năm”

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

I Khái niệm chung về thiết bị sấy

1.1 Định nghĩa

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước ra khỏi vật liệu rắn hay lỏng Với mục đích giảm bớt khối lượng vật liệu, tăng độ bền vật liệu, bảo quản tốt trong thời gian dài

Bản chất sấy là quá trình khuếch tán: bao gồm quá trình khuếch tán ẩm từ bên trong

ra lớp bề mặt bên ngoài của vật liệu và quá trình chuyển hơi nước từ bề mặt ngoài vật liệu

ra môi trường xung quanh

1.2 Phân loại

Quá trình sấy bao gồm 2 phương thức:

năng lượng gió,…Phương pháp này đỡ tốn nhiệt năng, nhưng không chủ động điều chỉnh được vận tốc của quá trình theo yêu cầu kỹ thuật, năng suất thấp

cho các vật liệu ẩm Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹ thuật sấy có thể chia thành nhiều dạng

• Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy

là không khí nóng, khói lò…

• Sấy tiếp xúc: là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn

• Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại

do nguồn nhiệt phát ra truyền nhiệt cho vật liệu sấy

• Sấy bằng dòng điện cao tầng: là phương pháp sấy dùng năng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng trên toàn bộ bề dày của lớp vật liệu

• Sấy thăng hoa: là phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không rất cao, nhiệt

độ rất thấp, nên ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng

1.3 Các phương pháp làm khô vật liệu

Tùy theo tính chất và độ ẩm của vật liệu, cùng với yêu cầu và mức độ của vật liệu sau khi làm khô ta có thể có các phương pháp sấy sau:

- Phương pháp cơ học: dùng máy ép, lọc, ly tâm,…để tách nước ra khỏi vật liệu Phương pháp này chỉ dùng để tách sơ bộ nước ra khỏi vật liệu

- Phương pháp hóa học: dùng hóa chất để hút nước trong vật liệu, phương pháp này đắt tiền, không kinh tế nên ít dùng

- Phương pháp nhiệt: dùng nhiệt làm bốc hơi nước trong vật liệu, trong phương pháp này được sử dụng rộng rãi vì tách nước khá triệt để

1.4 Các thông số cơ bản của không khí ẩm

Một hỗn hợp không khí và hơi nước được gọi là hỗn hợp không khí ẩm, được đặc trưng bởi các thông số cơ bản sau:

a Độ ẩm tuyệt đối của không khí (ρh )

Độ ẩm tuyệt đối của không khí là lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí ẩm, về trị số thì bằng khối lượng riêng của hơi nước ở trong hỗn hợp không khí ẩm, ký hiệu là ρh

(kg/m3)

b Độ ẩm tương đối của không khí (φ)

Độ ẩm tương đối của không khí hay còn gọi là mức độ bão hòa hơi nước là tỷ số của lượng hơi nướcchứa trong 1m3 không khí ẩm với lượng hơi nước trong 1m3 không khí

ẩm đó đã bão hòa hơi nước ở cùng nhiệt độ và áp suất, ký hiệu là φ Ph

φ = 𝜌ℎ

𝜌𝑏ℎ = 𝑃ℎ

𝑃 𝑏ℎ

ρh : khối lượng hơi nước trong 1m3 không khí ẩm (kg/m3)

ρ bh : khối lượng hơi nước trong 1m3 không khí bão hòa nước (kg/m3)

Ph : áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm ở điều kiện đang xét (N/m2)

Pbh : áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm đã bão hòa (N/m2)

c Hàm ẩm của không khí ẩm (x)

Trong quá trình sấy lượng không khí khô tuyệt đối là không thay đổi Để đánh giá

chính xác sự thay đổi độ ẩm của không khí, người ta đưa ra khái niệm hàm ẩm (x) Đó là lượng hơi nước chứa trong 1kg không khí khô tuyệt đối (kkk)

x = ρh/ρkkk (kg hơi nước / kg kkk)

d Hàm nhiệt của không khí ẩm (H)

Hàm nhiệt của không khí ẩm là nhiệt lượng của hỗn hợp không khí ẩm trong đó có chứa 1kg không khí khô, ký hiệu là H (enthapy) (kcal/kgkkk; kj/kgkkk)

Nhiệt độ bầu khô là nhiệt độ của hỗn hợp không khí được xác định bằng nhiệt kế thông thường tk

Nhiệt độ bầu ướt là nhiệt độ ổn định đạt được khi một lượng nhỏ nước bốc hơi vào hỗn hợp không khí chưa bão hào trong điều kiện đoạn nhiệt, đo bằng nhiệt kế thông thường

có bọc vải ướt ở đầu cảm biến, ký hiệu là tư

Nhiệt độ điểm sương là nhiệt độ ở trạng thái bão hòa hơi nước, ký hiệu ts

II Thiết bị sấy phun

2.1 Khái niệm

Sấy phun hay sấy phun khô là quá trình công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất cho

sự hình thành hạt, sấy khô và các quá trình sinh học (sấy enzyme, sấy huyền phù tế bào…) Sấy phun rất thích hợp cho sản xuất liên tục các chất rắn khô ở dạng bột nghiền hoặc tích

tụ lại từ chất lỏng

Sấy phun khô là lý tưởng khi sản phẩm cuối cùng phải tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng chính xác bao gồm các yếu tố như: phân bố kích thước hạt, mật độ còn lại, mật độ

số lượng lớn và hình thái hạt

Hình 1: Máy sấy phun

2.2 Cấu tạo chung

Tất cả các máy 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

Hình 2: Cơ cấu phun bằng áp lực Hình 3: Cơ cấu phun bằng khí động

❖ 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 150-2500C nhiệt độ trung bình của không khí nóng thu được thấp hơn nhiệt độ sử dụng là 100C

❖ 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 khac nhau: lắng xoáy tâm, lọc, tĩnh điện…

Phổ biến nhất là phương pháp lắng xoáy tâm, sử dung cyclon

❖ Quạt

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 2 quạt Quat 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

Hình 4: Sơ đồ hệ thống sấy phun

1 Buồng sấy

2 Caloriphe

3 Thùng chứa nguyên liệu sấy

4 Bơm nguyên liệu

5 Cơ cấu phun mẫu

6 Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí thoát ra

độ kiểm soát và điều kiện của luồng không khí Bột liên tục thải ra từ buồng sấy và thu hồi

từ khí thải sử dụng gió xoáy hoặc túi lọc Trong các máy sấy phun quá trình xảy ra ở nhiệt

độ tác nhân sấy là 1300C và nhiệt độ của sản phẩm sấy không lớn hơn 500C

Sấy phun nói chung và sấy phun khô có ưu điểm là: cường độ sấy cao, thời gian sấy ngắn và năng suất lớn Tuy nhiên quá trình này có một số nhược điểm sau: kích thước buồng sấy lớn, cấu tạo phức tạp, chi phí lắp đặt và sử dụng cao

Trong các quá trình sấy thì nguyên liệu thường được bổ sung thêm một hàm lượng maltodextrin nhất định, tùy vào bản chất và yêu cầu của sản phẩm Maltodextrin có vai trò như là chất mang giúp chống bám dính vào thiết bị trong quá trình sấy, giúp quá trình sấy phun được thực hiện dễ dàng, tăng hàm lượng chất khô và giảm chi phí cô đặc vừa tạo nên cấu trúc bột mịn cho sản phẩm, vừa tăng hiệu suất cho quá trình sấy Hơn nữa, maltodextrin còn được sử dụng để bao gói sinh khối vi sinh vật, giúp tăng tỉ lệ sống của vi sinh vật trong quá trình sấy ở nhiệt độ cao

Khi lựa chọn thiết bị công nghệ, điều quan trọng là phải hiểu một cách cẩn thận hai điều: các thuộc tính của chất lỏng được sấy khô và chất lượng bột được sản xuất

Hình thức phun là quan trọng nhất của quá trình trong thiết bị phun Sự lựa chọn phun phụ thuộc vào tính chất của các nguồn cấp dữ liệu và các đặc tính mong muốn của sản phẩm khô

III Tổng quan về Bacillus subtilis:

3.1 Đặc điểm phân loại Bacillus subtilis :

Bacillus subtilis được phân loại như sau :

- Loài: Bacillus subtilis

3.2 Đặc điểm hình thái và sinh hóa

Bacillus subtilis là trực khuẩn, gram (+), sinh nội bào tử, kích thước 0,5- 0 8μm x

1,8-3μm là vi khuẩn hiếu khí tùy nghi, t bào ít khi tạo thành chuỗi thường ở dạng đơn bào hiện diện nhiề trong đất, nước trong đường tiêu hóa của người và động vật Hình dạng

của Bacillus subtilis trên môi trường TSA là khuẩn lạc khô, có rìa răng cưa, có đường

kính 3-5mm nằm sát trên bề mặt thạch

Hình 5: Khuẩn lạc Bacillus subtilis trên môi trường TSA và nhuộm gram của

Bacillus subtilis

Các phản ứng sinh hóa được sử dụng để để khẳng định Bacillus subtilis Phản ứng

lecithinase (-), khả năng phân giải casein (+), khả năng phân giải tinh bột (+), phân giải gelatin (+), phản ứng khử nitrate (+), phản ứng khử citrate (+), VP (+), indol (-), lên men không sinh hơi các loại đường như: glucose, mannitol, saccharose, xylose,

arabinose Bacillus subtilis là vi khuẩn gram (+) được tập trung nghiên cứu nhiều nhất

cho đến thời điểm hiện nay, bô genome của loài này đã được giải mã toàn bộ , bộ gene

có 4 Mbp, trọng lượng của bộ genome khoảng 2,4×109 đến 2,6×109 dalton đặc biệt

trong genome của Bacillus subtilis có nhiề gene qui định cho khả năng kháng lại kháng

sinh như gene kháng thiostrepton, streptomycin, erythromycin, spectinomycin,

chloramphenicol, penicilin.v.v…tuy nhiên bất kể là gene kháng kháng sinh được qui định trên genome hay trên plasmid nó cũng là nguồn cung cấp gene kháng kháng sinh

cho các vi sinh vật đường ruột Ở điều kiện kỵ khí Bacillus subtilis sử dụng nitrate như chất nhận điện tử cuối cùng, nếu trong môi trường thiếu nitrate thì Bacillus subtilis

phát triển bằng cách lên men

Bảng 1: Các phản ứng sinh hóa của Bacillus subtilis

3.3 Đặc điểm nuôi cấy

- Điều kiện phát triển: hiếu khí, nhiệt độ tối ưu 37oC

- Nhu cầu oxi: Bacillus subtilis là vi khuẩn hi khí nhưng vẫn có khả năng sinh trưởng

trong điều kiện thiếu khí

- Điều kiện pH tối ưu từ 7-7.4

- Môi trường thạch đĩa SA: khuẩn lạc hình tròn, mọc không đều, có tâm sẫm màu, rìa răng cưa, phát triển chậm, màu vàng xám, đường kính 3-5mm, sau 1-4 ngày bề mặt hơi nhăn nheo

- Môi trường thạch nghiêng TSA: dễ mọc, màu xám, rìa gợn sóng

- Môi trường canh trường TSB: phát triển làm đục môi trường, tạo màng nhăn, kết cặn như vẩn mây ở đáy, khó tan đều khi lắc lên

- Dinh dưỡng cần thiết bao gồm các nguyên tố : C, H, O, N và các nguyên tố khác

- Bacillus subtilis là vi khuẩn hiếu khí nên trong quá trình nuôi cấy cần bổ thêm oxy vào

môi trường bằng cách sục khí oxy để đạt nồng độ 1mg/l Trong lên men chìm, lượng oxy

cần thiết phải là lượng oxy hòa tan vào môi trường nuôi, do đó trong các bình lên men người ta thường bố trí cánh khuấy và màng chắn để tăng cường sự hòa tan của oxy

Lượng oxy hòa tan phụ thuộc chính vào cấu tạo và tốc độ của cánh khấy

IV Tổng quan về enzyme protease

4.1 Khái niệm

Nhóm enzyme protease xúc tác quá trình thủy phân liên kết peptid (-CO-NH)n trong phân tử protein, polypeptid đến sản phẩm cuối cùng là các axit amin Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thủy phân liên kết este và vận chuyển axit amin

Protease phân bố ở động vật, thực vật, vi sinh vật Tuy nhiên, nguồn enzyme phong phú nhất là từ nguồn vi sinh vật, có hầu hết ở các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn

Protease cần thiết cho các sinh vật sống, rất đa dạng về chức năng từ mức độ tế bào,

cơ quan đến cơ thể nên được phân bố rộng rãi trên nhiều đối tượng từ vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, virut) đến thực vật (đu đủ, dứa…) và động vật (gan, dạ dày bê,…) So với protease động vật và thực vật, protease vi sinh vật có những đặc điểm khác biệt

Hệ protease vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều enzyme rất giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất Thường có tính đặc hiệu rộng rãi cho sản phẩm thủy phân triệt để và da dạng

4.2 Phân loại enzyme protease

Hình 5: Sơ đồ phân loại protease

Protease được chia thành 2 loại endopeptidase và exopeptidase

❖ Dựa vào vị trí tác động trên mạch polypeptid exopeptidase được chia thành 2 loại:

• Aminopeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu N tự do của chuỗi polypeptid để giải phóng ra một axit amin, một dipeptide hay tripeptide

• Carboxypeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu C của chuỗi polypeptid

để giải phóng ra một axit amin hoặc một dipeptide

❖ Dựa vào động học của cơ chế xúc tác endopeptidase được chia thành 4 loại:

• Serine proteinase: là những protein chứa nhóm –OH của gốc serine trong trung tâm hoạt độngvà có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hoạt động xúc tác của enzyme Thường hoạt động mạnh ở vùng kiềm tính và thể hiện tính đặc hiệu cơ chất tương đối rộng

• Cystein proteinase: các proteinase chứa nhóm –SH trong trung tâm hoạt động, thường hoạt động ở pH trung tính, có tính đặc hiệu cơ chất rộng

• Aspartic proteinase: hầu hết các aspartic proteinase thuộc nhóm pepsin, thường hoạt động mạnh ở pH trung tính