tính toán, thiết kế bể phản ứng sản xuất protease kiềm từ bacillus licheniformis với công suất (nhà máy) 200 tấn năm

Một ứng dụng chính khác là xử lý nước thải, nơi các proteaza kiềm có thể hòa tan các protein trong chất thải thông qua một quá trình nhiều bước để thu hồi các chất lỏng cô đặc có giá trị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CNSH&KTMT

BỘ MÔN CNSH

MÔN : KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRINH SINH HỌC

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG SẢN XUẤT PROTEASE KIỀM TỪ BACILLUS LICHENIFORMIS

VỚI CÔNG SUẤT (NHÀ MÁY) 200 TẤN/NĂM

GVHD : Nguyễn Thị Quỳnh Mai

Thực hiện: Nhóm 12

Nguyễn Thị Trúc Phương 2008140224

Nguyễn Bảo Linh 2008140149

Nguyễn Thị An 2008140324

Lỹ Thị Diễm Trang 2008140324

Lê Thị Mỹ Trinh 2008140341

Tp HCM, ngày 05 tháng 05 năm 2017

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 4

CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG: 5

1 Vật liệu: 5

1.1 Vi sinh vật: 5

1.2 Môi trường phát triển tốt nhất của vi sinh vật: 6

1.3 Chuẩn bị giống: 6

2 Bể phản ứng: 6

2.1 Giới thiệu: 6

2.2 Thời gian tới hạn đối với oxi: 6

2.3 Bể khuấy trộn: 7

2.4 Thang không khí 8

2.5 Cột bọt 8

2.6 Xác định thử nghiệm của giá trị C ol tới hạn: 8

2.7 Thời gian tới hạn của nồng độ cơ chất 9

2.8 Thời gian tới hạn cho quá trình nhiệt (heat prodution) 10

3.Phương pháp tính toán, thiết kế bể phản ứng: 11

3.1 Phương pháp tính toán: 11

3.2 Thiết kế bể phản ứng thực hiện quy trình nuôi cấy công nghiệp thu nhận enzyme protease kiềm với năng suất 200 tấn/ năm. 14

3.3 Xét nghiệm hoạt tính Enzyme: 16

CHƯƠNG III: BÀN LUẬN 16

1 Giới thiệu 16

2 Hạn chế về truyền khối 17

3 Hạn chế độ nhớt 18

4 Hạn chế nhiệt độ, holdup, bọt 18

5 Nồng độ sinh khối 20

6 Nồng độ sản phẩm (Sự thu hồi sản phẩm) 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

DANH MỤC VIẾT TẮT

RRM : vòng / phút

Vvm : thể tích không khí trên một thể tích môi trường / phút;

DO : oxy hoà tan;

DCW : trọng lượng tế bào khô

Yp / s : năng suất của protease đối với cơ chất (U / g)

Yp / x : sự hình thành sản phẩm protease đối với sinh khối (U / mg DC)

Yx / s : Năng suất sinh khối đối với cơ chất (mg / g)

OTR: tốc độ cung cấp khí oxy

KL: hệ số truyền khối trong pha lỏng

a: diện tích bề mặt tiếp xúc trên một đơn vị thể tích bể phản ứng (m2/m3)

COL: nồng độ oxy trong pha lỏng tại thời điểm đo

po: áp suất riêng phần của oxy trong khí dùng để sục

uG: vận tốc bọt khí (m/s)

V: thể tích lên men (L)

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU

Protease (E.C.3.4.21.14) là những enzym phá vỡ liên kết peptit giữa các axit amin của protein Chúng còn được gọi là enzyme proteolytic Điều rất quan trọng trong việc phân giải các protein phức tạp thành các axit amin đơn giản hơn

Protein kiềm được sản xuất bởi một loạt các vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, nấm mốc và nấm men, actinomycetes vv Protease gồm sáu nhóm, protease serine, protease threonine, protease cysteine, protease aspartate, và các công trình metaloprotease Trong vi khuẩn, enzym protease được sản xuất chủ yếu là Bacillus licheniformis, B horikoshii, B.sphaericus, B furmis, B alcalophilus,B subtilis

Protease có nhiều chức năng và có nhiều ứng dụng công nghệ sinh học quan trọng Đây là một trong ba nhóm enzyme công nghiệp lớn nhất và tìm thấy ứng dụng trong chất tẩy rửa (để loại bỏ các protein khỏi vải bẩn máu, sữa, mồ hôi, cỏ )

Trong các protease công nghiệp tơ tằm đã được sử dụng trong quá trình tẩy lụa bằng chất tẩy rửa tổng hợp có hàm ý các chất hoạt động bề mặt không ion một phần; Trong ngành công nghiệp da (dùng để tẩy, nhổ lông, tẩy dầu mỡ và ngâm tẩm da thuộc da sạch và xanh) da dehairing bằng enzyme dựa trên da đã được coi là một phương pháp thay thế thân thiện môi trường với quá trình hóa học thông thường

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, để loại bỏ cay đắng không mong muốn trong pho mát chín

là một ví dụ về protease trong sản xuất hương vị trong thực phẩm Protease cũng được sử dụng

để phục hồi các phần protein của động vật và cá mà nếu không sẽ bị lãng phí sau khi giết mổ Protease cũng được sử dụng trong điều trị da cá để sử dụng trong công nghiệp

Trong ngành dược phẩm, nó được sử dụng để ngăn ngừa quá nhiều máu đóng băng và làm giảm đông máu xu hướng tiểu cầu và hồng cầu Proteases cũng được sử dụng trong sản xuất thuốc, trong đó enzym có thể được sử dụng như một chất hỗ trợ tiêu hóa bởi tuyến tụy

Trong các loại thuốc sinh học, protease giúp ngăn ngừa hoặc điều trị các bệnh thoát khỏi tác dụng của thuốc truyền thống, chẳng hạn như ung thư hoặc các bệnh đa dạng phổ biến khác Một ứng dụng chính khác là xử lý nước thải, nơi các proteaza kiềm có thể hòa tan các protein trong chất thải thông qua một quá trình nhiều bước để thu hồi các chất lỏng cô đặc có giá trị dinh dưỡng cao đối với cá và gia súc

Protein kiềm là một trong những nhóm enzym được nghiên cứu rộng rãi nhất vì nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp như thực phẩm, dược phẩm và da và hai phần ba trong ngành công nghiệp tẩy rửa một mình Protease vi khuẩn đang ngày càng trở nên quan trọng hơn các hóa chất thông thường để tách peptide bởi vì chi phí sản xuất rẻ hơn và sử dụng các nguồn tái tạo Protease vi khuẩn có thể được tạo ra từ vi khuẩn, nấm và men bằng cách sử dụng nhiều quá trình như lên men trạng thái rắn, lên men ngập Các vi khuẩn của chi Bacillus là những nhà sản xuất hoạt tính của các proteaza kiềm chế ngoài tế bào Hiện tại, một lượng lớn các proteaza kiềm có trong omercian có nguồn gốc từ các dòng Bacillus Mặc dù sản xuất protease là một tài sản cố hữu của tất cả các sinh vật, chỉ có những vi khuẩn tạo ra một lượng lớn

CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG:

Loài: Bacillus licheniformis

 Bacillus licheniformis là một loại vi khuẩn gram dương, hình que, ưa nhiệt

 Nhiệt độ tăng trưởng tối ưu khoảng 30°C

 Nhiệt độ tối ưu để sản sinh enzyme là 370C

 Có khả năng tạo bào tử

Sử dụng chủng vi khuẩn, Bacillus licheniformis NCIM 2044 thu được từ Bộ sưu tập Quốc gia về

vi sinh vật công nghiệp (NCIM) Licheniformis Bacillus là một loại vi khuẩn thường được tìm

thấy trong đất Nó được tìm thấy trên lông chim, đặc biệt là bộ lông ở ngực và lưng, và thường là

ở các loài chim sống dưới đất (như chim sẻ ) và các loài thủy sinh (như vịt )

Nó là một vi khuẩn gram dương , vi khuẩn ưa nhiệt Nhiệt độ tăng trưởng tối ưu của nó là khoảng 50 ° C, mặc dù nó có thể tồn tại ở nhiệt độ cao hơn nhiều Nhiệt độ tối ưu cho tiết enzyme là 37 ° C Nó có thể tồn tại dưới dạng bào tử để chống lại các môi trường khắc nghiệt, hoặc trong trạng thái thực vật khi điều kiện tốt

1.2 Môi trường phát triển tốt nhất của vi sinh vật:

Sử dụng chủng vi khuẩn, Bacillus licheniformis NCIM 2044 thu được từ Bộ sưu tập Quốc gia về

vi sinh vật công nghiệp (NCIM)

2 Bể phản ứng:

2.1 Giới thiệu:

Trong bể phản ứng tuần hoàn có sục khí, dòng chất lỏng tuần hoàn lên xuống Cũng như vậy, dòng chảy qua một bể khuấy được mô phỏng như một vòng tuần hoàn Trong lên men, nguồn carbon được đưa vào bể theo từng đợt Do vậy, việc bổ sung cơ chất trong mô hình có thể bao gồm bởi một dòng vào liên tục của cơ chất ở một vị trí xác định trong bể Tương tự áp dụng cho oxy như với lên men có khuấy trộn: quá trình truyền oxy diễn ra chủ yếu trong vùng khuấy Một môi trường lỏng bao gồm VSV, trải qua giai đoạn bổ sung cơ chất và từ giai đoạn đó, sự tiêu thụ đáng kể xảy ra Sự tiêu thụ này diễn ra cho đến khi cơ chất cạn kiệt, và nếu cơ chất được bổ sung

Ccf: nồng độ cơ chất tại điểm bổ sung (mol m-3)

-rsu: tốc độ sử dụng cơ chất trên một đơn vị thể tích (mol m-3s-1)

Thời gian tới hạn có thể liên quan đến thời gian tuần hoàn khi đối với dòng chảy lí tưởng Khi dòng tuần hoàn có thể được mô tả bởi dòng chảy lí tưởng kéo theo thời gian tuần hoàn sẽ nhỏ

1 tiêu chuẩn tcr nên lớn hơn hoặc lớn hơn nhiều so với thời gian tuần hoàn

2.2 Thời gian tới hạn đối với oxi:

Nếu truyền khối diễn ra ở một vị trí riêng lẻ trong hệ thống tuần hoàn, Oxi được bổ sung bởi nồng độ Cof (mol m-3) tại vị trí đó sẽ sẵn sàng cho VSV Sau khi qua khỏi vị trí bổ sung này, tốc

độ tiêu thụ là OU R (mol m-3 s-1) Nếu OU R được cho rằng duy trì đúng giờ, kéo theo Eq (18.1) thích hợp với tcro (s), thời gian tới hạn với Oxi:

2.3 Bể khuấy trộn:

Đối với những bể khuấy truyền khối diễn ra chủ yếu trong vùng khuấy, đặc biệt với môi trường bán rắn Do đó đối với hệ thống lên men có khuấy trộn với một cách khuấy, nồng độ trong vùng khuấy trộn, Cols (mol m-3) cao hơn bất cứ vị trí nào trong bể Nếu truyền khối bên ngoài, thiếu

Nếu tcro được định nghĩa cơ bản trên Cols, Eq (18.2) trở thành:

Nếu truyền khối oxi chỉ diễn ra trong vùng cánh khuấy và không có sự truyền khối ngoài vùng

Trong lên men có khuấy trộn, truyền khối bên ngoài vùng khuấy trộn khác 0, nó thật sự thấp hơn nhiều so với trong vùng khuấy Điều đó có nghĩa là sự hao hụt sẽ diễn ra ở một giá trị thời gian gần với tcro Vì vậy, thời gian tới hạn đối với Oxi nên được tính toán trong tiến trình thiết kế và tối ưu hóa Đối với mục đích này, nó phải liên quan đến các thông số thiết kế Điều này có thể được hoàn thành bởi mối quan hệ với thời gian tuần hoàn và với thời gian trộn

Đối với một bể với một cánh khuấy và sự thiếu hụt Oxi bên ngoài vùng khuấy, nó hợp lí trong trường hợp lí tưởng, vòng tuần hoàn có thể được mô phỏng bởi dòng lí tưởng:

Eq (18.4) là thích hợp khi mô hình giả sử được chứng minh Tuy nhiên, trong lên men có khuấy trộn vẫn sẽ có trường hợp truyền Oxi ngoài vùng khuấy, đối với thứ tự lượng truyền khối trong một cột bọt với vận tốc khí bề mặt của bể khuấy Điều này dẫn đến thời gian tăng lên trước khi

dụng nhiều hơn một cánh khuấy, môi trường sẽ được nạp vào sau mỗi lần đi qua vùng khuấy Trong trường hợp đó, bể có thể được coi như được chia thành nhiều ngăn, mỗi ngăn với một

thay vì thời gian tuần hoàn của toàn bộ bể Bên cạnh tất cả những yếu tố này, vấn đề chính là vòng tuần hoàn thì không hoàn toàn thuộc dạng dòng lí tưởng Một lượng hạn chế của việc phân tán có thể được coi như một sự trao đổi; tuy nhiên, vùng không hoạt động với thời gian lưu tương đối dài cũng xảy ra Điều này có nghĩa là sự phân bố của những điểm thời gian tuần hoàn dẫn đến những giá trị lớn hơn cũng như nhỏ hơn giá trị trung bình được sử dụng ở Eq (18.4) Không

có thông tin chính xác về sự phân bố của thời gian tuần hoàn Vì vậy, Eq (18.4), mặc dù hữu dụng nhưng chỉ được xem là một biểu thị đầu tiên

Sự ảnh hưởng bắt buộc đối với truyền khối oxi thì được cho bởi ( C0ol – Cols) theo

ol = 0.27 mol m-3 Điều này có nghĩa là một giá trị của Cols > 0 ( đối với khoảng cách,

hoàn tăng lên theo quy mô, sự tác động này trở nên càng đáng kể hơn ở quy mô lớn hơn Để

tối ưu thì Cols nên ở giá trị thấp đến mức có thể hoặc hoàn toàn bằng 0 Hai nhu cầu này mâu

chính xác Lý thuyết chỉ phỏng đoán thứ tự độ lớn của những giá trị

2.4 Thang không khí

Eq (18.2) có thể được sử dụng cho truyền oxi trong vùng riêng lẻ và dòng đầu vào Sự lôi cuốn không khí có thể được coi như một phản ứng khép kín gần như dòng đầu vào Trong phần này,

sự hao hụt oxi cục bộ bởi vì sự chuyển hóa được trao đổi ở mục trước sẽ không xảy ra Eq (18.2)

có thể được dùng trong phần này của hệ thống lôi cuốn không khí bởi việc đưa thời gian lưu thông qua ống cho nhập liệu

2.5 Cột bọt

ra trong toàn bộ cột Như đối với sự hòa tan không khí, giới hạn truyền khối có thể xảy ra ở phần trên của những cột cao

2.6 Xác định thử nghiệm của giá trị C ol tới hạn:

Những mục trước cho thấy ở quy mô lớn sự hao hụt oxi cục bộ có thể xảy ra dễ dàng Việc tính

và sự phân tán trong phản ứng thì quá phức tạp để tính toán chính xác những giá trị này Do đó, một phương pháp thử nghiệm sẽ được thảo luận ở đây tạo thông tin bổ sung

Mục đích của hầu hết các bể lên men sinh học là sản phẩm vi sinh vật Đối với việc này việc tiêu thụ oxi và việc sản xuất sản phẩm bởi vi sinh vật phải là tối ưu Bởi vậy, để kiểm tra sự tối ưu sau lên men thực hiện đo lường 2 con số OUR và việc tạo sản phẩm được tính trung bình cho toàn bể, sẽ giảm khi điều kiện không thích hợp, khi sự thiếu hụt oxi ở bất kì đâu trong bể xảy ra

Từ nguồn nguyên liệu có sẵn, sự thiếu hụt oxi xuất hiện ở quy mô nhỏ, những phản ứng trộn lí tưởng, việc sản xuất sản phẩm ở nồng độ oxi tới hạn theo khoảng cách penicillin bắt đầu giảm xuống rất thấp, <0.01 mol m-3 Đối với OUR áp dụng tương tự Điều này được thể hiện dưới dạng biểu đồ Fig 18.1, đường A Ở quy mô nhỏ, bể trộn lí tưởng thì không có sự khác nhau về

và OUR hoặc sản phẩm cho một quy mô lớn được xem xét, một kết quả được đưa ra ở Fig 18.1,

tưởng nhỏ Điều này xảy ra bởi sự thiếu hụt cục bộ ở bất kì đâu trong bể lớn Khi OUR và qp cục

bộ bắt đầu giảm ở những giá trị Col cục bộ khác, sự giảm có thể bắt đầu ở hai giá trị Col khác nhau Giá trị Col thu được từ thực nghiệm trong cách này có thể được so sánh với một giá trị được tính từ Eq (18.3)

Phương pháp này đặc biệt hữu dụng cho tối ưu hóa tuổi thọ của thiết bị Đối với quy mô, ứng dụng của nó bị giới hạn, mặc dù nó mang một dấu hiệu về ứng dụng của thời gian tuần hoàn trong Eq (18.4) và biểu thị cho thời gian tới hạn Phương pháp này cho phép để ước lượng giá trị

Cols tới hạn của quy mô lớn dựa trên tỉ lệ thời gian tuần hoàn của 2 quy mô và giá trị Cols ở quy

mô nhỏ

2.7 Thời gian tới hạn của nồng độ cơ chất

Cho sinh trưởng cực đại µ=µmax , xảy ra suốt trường hợp đã được đưa rằng, Cs>>KsTrong

phản ứng với hàng loạt cơ chất hiện diện và không có sự ức chế cơ chất trong quá trình lên men

Khi tăng trưởng µ<<µmax, Eq 18.6 biến đổi với Cs<<Ks

Trong giai đoạn đầu, cơ chất Cs sử dụng rất nhỏ > giá trị (µ) giảm theo thời gian và trở nên nhỏ vô cùng Tốc độ tiêu thụ cơ chất ko thay đổi theo thời gian, Từ công thức Eq18.5 và 18.7, suy ra:

Giá trị này thông thường lớn hơn Ks Cho trường hợp tc>tcrs, phương pháp thí nghiệm tế bào

ở nồng độ cơ chất trong chất lỏng là nhiều một trong số đó nên thí nghiệm thao công thức Monod avf giá trị sinh trưởng nên rất nhiều vòng tuần hoàn, khi động học Monod có hiệu lực ngay lập tức

2.8 Thời gian tới hạn cho quá trình nhiệt (heat prodution)

Với ∆T (oC) độ biến thiên nhiệt độ được cho phép, ρb khối lượng riêng của canh trường (kg.m-3), HPR (W.m-3) giá trị nhiệt độ sản xuất và hệ số nhiệt độ Cpb (J.kg-1 .oC-1) thời gian tới hạn cho nhiệt độ sản xuất:

Kết luận về thời gian tới hạn

Trong bình lên men hiếu khí công suất lớn thời gian tới hạn của oxi và nồng độ cơ chất gần bằng với thời gian lưu Do đó, thiết kế và vận hành các bể lên men dựa trên ảnh hưởng của thông số tính toán Nồng độ oxy ở vùng khuấy trôn trong bể có cánh khuấy, và ở đỉnh của bể cấp khí phải cao hơn mức tối thiểu yêu cầu Nó trở thành những vấn đề khó giải quyết trong bể lên men lớn

Cơ chất trong các bể lên men lớn được thêm vào ở các thời điểm khác nhau Nồng độ cơ chất biến đổi phức tạp và khó xác định phương pháp này được thực hiện lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi tìm được giá trị ảnh hưởng của bình lên men

3.Phương pháp tính toán, thiết kế bể phản ứng:

3.1 Phương pháp tính toán:

Dựa vào các đặc điểm của vi sinh vật và điều kiện nuôi cấy để thu nhận enzyme cần thời gian trong 72h nên ta chọn

Phương pháp nuôi cấy gián đoạn

 Tiết kiệm chi phí cho đầu tư thiết bị

Ta có thời gian nghĩ của mỗi mẻ là tnghĩ = 20h

Vì thời gian thu được lượng protease lớn nhất đối với bacillus này là 72h

=> ta có tmẻ= 72h

Ta có 330 ngày làm viêc ( đã trừ số ngày nghĩ và lễ )

= 86 mẻ

Dựa theo khảo sát của (Production Of Alkaline Protease From Bacillus licheniformis (NCIM

2044) And Media Optimisation For Enhanced Enzyme Production) nồng độ cơ chất sử dụng để

tạo lượng enzym cao nhất là 20g/l

Vì vậy ta có St – S0 = 20g/l

Dựa theo khảo sát của (Production Of Alkaline Protease From Bacillus licheniformis (NCIM

2044) And Media Optimisation) ta chọn được hiệu suất tạo sinh khối hiệu quả nhất với Yx/s =

lượng nhỏ hơn so với các tóc độ khác giúp cho việc sản xuất kinh tế hơn

Để thu được lương enzym 200 tấn/năm ta cần lượng sinh khối sinh ra trong một năm là:

Thể tích thực của thiết bị : V thiết bị = 3/2 V bể = (3/2)*173 =260 m 3

Do thiết bị được chọn có hình dạng là hình trụ nên :

D là đường kính thiết bị

H là chiều cao thiết bị

Chiều cao của thiết bị là : H = 2 D

Mà V thiết bị = H * = 2D * = 260 m 3

 D = 5.76 m

Vậy đường kính của thiết bị là : 5.76

Ta có : H=2*D

 Chiều cao của thiết bị là : H = 2.5.76 = 11.52 m

Đường kính vách ngăn cách nhiệt lớp vỏ áo :