thiết kế quá trình ly tâm tách sinh khối

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CN SINH HỌC & KT MÔI TRƯỜNG MÔN KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH LY TÂM TÁCH SINH KHỐI GVHD: NGUYỄN THỊ QUỲNH MAI Tp Hồ Chí Minh – Năm 2017 MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG I QÚA TRÌNH LY TÂM, PHÂN LOẠI MÁY LY TÂM CÔNG NGHIỆP 1.1 Máy ly tâm siêu tốc dạng đĩa 1.2 Máy ly tâm siêu tốc dạng ống II ĐẶC ĐIỂM CỦA VI KHUẨN BACILLUS 2.1 Đặc điểm chung: 2.2 Đặc tính Bacillus licheniformis 2.3 Các ưu điểm bật Bacillus licheniformis 2.4 Ứng dụng vi khuẩn Bacillus III TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH LY TÂM TÁCH SINH KHỐI BACILLUS LICHENIFORMIS RA KHỎI CANH TRƯỜNG VỚI CÔNG SUẤT( NHÀ MÁY) KẾT LUẬN 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 MỞ ĐẦU Việc thu nhận sản phẩm với hiệu suất cao có ý nghĩa định tính kinh tế phương pháp Thu nhận sản phẩm trình sinh học thường chia hai nhóm rõ rệt - Sản phẩm sinh khối sinh vật - Sản phẩm chất tạo thành trình trao đổi Việc thu nhận sản phẩm bắt đầu cách tách riêng tế bào khỏi môi trường dinh dưỡng Nếu thể có dạng hệ sợi người ta thường lọc, vi khuẩn nấm men ly tâm Dựa trọng lượng riêng vật chất, người ta dùng lực ly tâm tạo tượng tách pha lỏng pha rắn dịch nuôi cấy Hiệu suất làm việc máy ly tâm phụ thuộc nhiều tốc độ ly tâm Do tế bào vi sinh vật có kích thước trọng lượng riêng nhỏ đòi hỏi sử dụng máy ly tâm có tốc độ quay lớn Việc xử lý tuỳ theo sản phẩm tiết môi trường dinh dưỡng hay tồn tế bào Trong báo cáo tìm hiểu thiết kế trình ly tâm để trình ly tâm tách sinh khối sinh vật khỏi canh trường đạt hiệu suất mong muốn Cụ thể tính toán thiết kế trình ly tâm để tách sinh khôi Bacillus licheniformis khỏi canh trường với công suất( nhà máy) 200 tấn/năm NỘI DUNG I QÚA TRÌNH LY TÂM, PHÂN LOẠI MÁY LY TÂM CÔNG NGHIỆP Ly tâm trình dùng lực ly tâm để phân riêng cấu tử có khối lượng riêng khác Động lực trình lực ly tâm yếu tố khác biệt để phân riêng khối lượng riêng Sự khác biệt khối lượng riêng lơn trình phân riêng thực dễ dàng Dựa vào đối tượng phân riêng, trình ly tâm phân loại sau: - Ly tâm để phân riêng hai chất lỏng không tan vào nhau: hệ nhũ tương nước dầu (w/o) hệ nhũ tương dầu nước (o/w) - Ly tâm để phân riêng hệ huyền phù: trình thường sử dụng để làm huyền phù, gọi ly tâm lắng - Ly tâm lọc - Ly tâm tách cấu tử lơ lững pha khí: trình thường sử dụng để tách bụi từ không khí Quá trình phân ly dựa vào trường lực ly tâm để phân riêng h n hợp hai pha rắn- lỏng lỏng-lỏng thành cấu tử riêng biệt Máy để thực trình gọi máy ly tâm Có thể phân loại máy ly tâm theo dấu hiệu khác nhau:  Theo trình phân ly: máy ly tâm lắng; máy ly tâm lọc  Theo phương thức làm việc: máy ly tâm làm việc gián đoạn, máy ly tâm làm việc liên tục máy ly tâm tự động  Theo kết cấu phận tháo bã: máy ly tâm tháo bã dao; máy ly tâm tháo bã vít xoắn; máy ly tâm tháo bã pittông  Theo giá trị yếu tố phân ly phân máy ly tâm thường máy ly tâm siêu tốc  Theo kết cấu trục ổ đỡ phân ra: máy ly tâm ba chân máy ly tâm treo  Theo ứng dụng: Máy ly tâm dung để phân tách vi sinh vật, Khi lựa chọn máy ly tâm cần dựa vào đặc tính công nghệ chúng tính chất lý học vật liệu đem gia công (độ phân tán pha rắn, độ nhớt pha lỏng nồng độ nó) Nồng độ huyền phù tỷ số lượng pha rắn tổng lượng huyền phù Nồng đô huyề phù thể phần trăm theo khối lượng hay sản phần trăm thể tích Hiệu nồng độ pha rắn pha lỏng lớn suất máy ly tâm lắng cao 1.1 Máy ly tâm siêu tốc dạng đĩa Máy ly tâm siêu tốc dạng đĩa có nhiều loại: loại hở, loại kín, loại nửa kín, loại tháo bã tay ly tâm Ðây nhóm có nhiều máy loại máy ly tâm siêu tốc Máy ly tâm siêu tốc dạng đĩa dùng để phân ly huyền phù có hàm lượng pha rắn nhỏ phân ly nhũ tương khó phân ly Máy ly tâm siêu tốc dạng đĩa dùng để tách bơ sữa, tinh luyện dầu thực vật lắng chất béo Bộ phận chủ yếu máy rôto gồm đĩa chồng lên với khoảng cách thích hợp Nếu phân ly nhũ tương đĩa có khoan l , đĩa l phải nằm đường thông thẳng đứng, qua sản phẩm ban đầu vào khe hở đĩa Khoảng cách đĩa 0,4-1,5mm Đĩa giữ nhờ gân mặt đĩa Ðộ nghiêng dĩa nón cần đủ đảm bảo để hạt vật liệu trượt xuống tự (thường góc nửa đỉnh nón từ 30-500) Máy làm việc gián đoạn liên tục Máy làm việc gián đoạn trường hợp tháo bã tay Do dung tích khoảng không gian lớp bùn phân ly không lớn nên máy ly tâm tháo bã tay sử dụng hiệu thành phần hạt lơ lửng đến 0,05% thể tích Ưu điểm: mức độ phân ly cao, thể tích roto lớn Nhược điểm: cấu tạo lắp ráp khó, với môi trường ăn mòn H nh Máy ly tâm siêu tốc dạng đĩa 1.2 Máy ly tâm siêu tốc dạng ống Ðây loại máy có roto nhỏ dài để phân riêng huyền phù nhũ tương Ðường kính roto vào khoảng 200 mm, tỉ lệ chiều dài roto với đường kính khoảng 5-7 Nếu máy dùng để phân riêng huyền phù đầu roto (nắp roto) có l để nước ra, bã giữ lại thành roto tháo tay Nếu máy dùng phân riêng nhũ tương nắp rôto có hai l thoát: l gần trục để thoát pha nhẹ, l để thoát pha nặng Nhũ tương đưa vào rôto áp suất 0,25-0,3 at qua đĩa phân phối khoảng không gian roto chắn (được gắn dọc theo chiều dài roto, gồm ba cách 1200) Khi phân ly nhũ tương cho pha nặng pha nhẹ không trộn lẫn dùng tách cho bán kính lớp phân chia phải nằm vành khăn tách Các phận tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm chế tạo thép 12X18H10T 20X13 Khoang bên khung gang phủ lớp sơn chịu axit H nh Máy ly tâm siêu tốc dạng ống Ưu điểm: gọn, tiện lợi cho thao tác có số vòng quay lớn đường kính roto nhỏ Nhược điểm: tính hoạt động chu kỳ, cần thiết phải tháo lắp thường xuyên, tháo chất lắng rửa rôto phương pháp thủ công, tồn truyền động dây đai II ĐẶC ĐIỂM CỦA VI KHUẨN BACILLUS 2.1 Đặc điểm chung: Bacillus vi khuẩn gram dương, nhóm vi khuẩn tìm thấy môi trường pH có độ biến động cao, sinh trưởng điều kiện hiếu khí kị khí không bắt buộc Thuộc chi Bacillus, đứng riêng rẽ kết thành chu i hay thành sợi Chúng có khả tạo bào tử xẩy điều kiện khắc nghiệt thiếu chất dinh dưỡng, nhiệt độ cao…phần lớn tế bào có bào tử trong, hình oval có khuynh hướng phình đầu Bào tử có tính kháng nhiệt cao, kháng xạ, kháng hóa chất, kháng áp suất thẩm thấu Khi gặp điều kiện thuận lợi nảy mầm phát triển thành tế bào sinh dưỡng Qua kính hiển vi Bacillus đơn lẻ có hình que, que có bào tử hình oval có khuynh hướng phình đầu Một đặc điểm vi khuẩn Bacillus có bao nhầy, bao nhầy cấu tạo polypeptit Việc hình thành bao nhầy giúp cho vi khuẩn chịu điều kiện khắc nghiệt bao nhầy có khả dự trữ thức ăn bảo vệ vi khuẩn tránh bị tổn thương gặp khô hạn Bacillus tồn khắp nơi tự nhiên Tính dễ sống, dễ tồn lợi để sử dụng Bacillus làm chế phẩm sinh học Trong trình hình thành bào tử Bacillus thường sản sinh chất có hoạt tính sinh học sản sinh enzyme phân hủy chất hữu là: enzyme amylase, protease, cellulose,… 2.2 Đặc tính Bacillus licheniformis + Tế bào hình que ( sau ngày cấy) + Khuẩn lạc: hình tròn, dẹt, mép có cưa, khuẩn lạc có màu trắng đục, xung quanh trắng trong, kích thước 0.8μm × (1.5-3.5) μm + Tính chất nhuộm: gram dương + Điều kiện sống hiếu khí 2.3 Các ưu điểm bật Bacillus licheniformis Ngoài ưu điểm chung Bacillus như: tính phổ biến, dễ sống, sinh trưởng vùng pH biến động, tồn điều kiện khắc nghiệt… chủng thuộc loài Bacillus licheniformis có ưu điểm riêng so với chủng khác loài khác loài tiêu biểu như: - Sản sinh hợp chất ức chế điều chỉnh cân hệ vi sinh đường ruột + Trong trình sinh trưởng, phát triển trao đổi chất Bacillus licheniformis kìm hãm phát triển vi khuẩn gây bệnh thông qua chế cạnh tranh oxy, dinh dưỡng, vị trí bám dính sản sinh loạt chất kháng khuẩn, tiêu diệt loài Staphylococcus aureus, Candida albicans Các chất kháng khuẩn bào gồm riboflavin, Bacitracin, Iturins, polymyxin, nystatin Bacitracin (Bacillus licheniformis) nhanh chóng vào phận tiêu hóa, sau vi khuẩn thích ứng sinh sản, Bacillus licheniformis nhanh chóng phát triển làm cạn kiệt oxy tự môi trường, dẫn đến tình trạng thiếu oxy ruột thúc đẩy vi khuẩn kỵ khí sinh lý đường ruột Bifidobacterium, Lactobacillus, Peptostreptococcus, Bacteroides, tăng trưởng sinh sản chất acid lactic axit hữu khác, làm giảm giá trị PH đường ruột, gián tiếp ức chế phát triển vi khuẩn gây bệnh khác điều chỉnh để khôi phục lại chức tiêu hóa - - Sản sinh nhiều loại enzyme tiêu hóa động vật làm tăng hoạt động chúng + vi khuẩn Bacillus licheniformis sản xinh nhiều loại enzym hoạt động, protease, amylase, lipase, enzyme cellulase pectinase, glucanase, mà tạo loạt yếu tố enzyme thúc đẩy hoạt động enzym tiêu hóa động vật, thúc đẩy tăng trưởng vật nuôi để cải thiện việc sử dụng thức ăn Mặt khác vi khuẩn tồn ao nuôi chúng phân hủy thức ăn thừa tôm, giúp cải thiện chất lượng ao nuôi tôm Kích thích tăng trưởng vật nuôi phát triển quan miễn dịch để kích hoạt lymphoT, B Nâng cao mức globulin miễn dịch kháng thể, tăng cường miễn dịch trung gian tế bào chức miễn dịch dịch thể, nâng cao khả miễn dịch vật nuôi 2.4 Ứng dụng vi khuẩn Bacillus Dựa vào đặc điểm nghiên cứu chủng vi khuẩn Bacillus người ta thấy vi khuẩn Bacillus không độc hại, dễ nuôi cấy, dễ tồn môi trường đất nước nghèo dinh dưỡng Đặc biệt chúng có khả phân hủy thức ăn thừa tôm, phế thải hữu cơ, làm môi trường nhờ enzyme chúng tổng hợp Ngoài chúng có khả chúng có khả sinh chất kháng khuẩn Bacitracin, Iturins, polymyxin, nystatin, Bacitracin (Bacillus licheniformis) chất kháng sinh dùng chăn nuôi để nâng cao hiệu suất tăng trưởng, hiệu suất sử dụng thức ăn cho gia súc, làm giảm phát triển vi sinh vật có hại Lợi dụng đặc điểm người ta sản xuất số chế phẩm vi sinh cải thiện cải thiện môi trường nước nuôi tôm Các chủng Bacillus có hoạt tính protease cao dùng công nghiệp chế biến sữa, làm mềm thịt, tăng hương vị thịt sau chế biến Các chủng thuộc loài Bacillus licheniformis có hoạt tính enzyme proteaza cao nên bổ sung vào loại nước tẩy rửa bột giặt nhằm loại bỏ chất bẩn có nguồn gốc protein III TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH LY TÂM TÁCH SINH KHỐI BACILLUS LICHENIFORMIS RA KHỎI CANH TRƯỜNG VỚI CÔNG SUẤT( NHÀ MÁY) Dựa vào tính chất đặc tính thiết bị ly tâm dùng để phân tách vi sinh vật qua trinh tính toán chi tiết kỹ thuật Để đạt công suất 200 tấn/ năm, nhóm chọn thiết bị ly tâm loại đĩa Vì máy ly tâm dạng đĩa có mức độ phân ly cao, phù hợp với kích thước Bacillus licheniformis, việc tháo rửa đơn giản hơn, dùng máy ly tâm dạng ống tốn nhiều thời gian cho việc tháo lắp, rửa liên tục Máy ly tâm dạng đĩa quy mô nhỏ có thông số sau: Số đĩa N1= 25 đĩa Bán kính R0= 10 (cm) = 0,1 (m) Bán kính Ri= (cm) = 0,02 (m) Tốc độ ly tâm Rpm1=3000 (vòng/phút) Góc đĩa trục ly tâm Ɵ = 35 Hiệu suất thu hồi sinh khối H= 70% =0,7 3 Khối lượng riêng vi sinh vật ρ= 1,12 (g/cm ) = 1,12.10 (kg/m ) Tính toán: -3 Công Suất = 200 tấn/năm = ω1 = Rpm1 = 3000 = 7,01.10 (Kg/s) =100π (rad/s) Lưu lượng canh trường Q1 = Yếu tố ∑: = -6 = 8,94.10 (m /s) ⅀1 Vận tốc: -8 V1 = = =1,2.10 (m/s) Giả sử sử dụng máy ly tâm dạng đĩa với công suất mong muốn đạt quy mô 4000 tấn/năm với hiệu suất thu hồi 70% -3 Công Suất = 4000 tấn/năm = 140,29.10 (Kg/s) Q2 = = =1,79.10-4 (m3/s) Giả thuyết V1 = V2 (khi nâng công suất ly tâm người ta thường giữ nguyên vận tốc) ⅀2= Giả sử máy ly tâm quy mô có thông số sau: N2 = 55 đĩa ’ R0 =15 (cm) = 0,15 (m) ’ Ri =5 (cm) = 0,05 (m) ’ Ɵ = 45 Ta có : =    = =0,25 =0,25  Rpm2 = = 200π (rad/s) =6000 (vòng/phút) KẾT LUẬN Các chủng vi khuẩn Bacillus nhìn chung có nhiều lợi ích có khả phân hủy thức ăn thừa tôm, phế thải hữu cơ, làm môi trường nhờ enzyme chúng tổng hợp được, chúng sinh chất kháng khuẩn như: Bacitracin, Iturins, polymyxin, nystatin, Bacitracin (Bacillus licheniformis),… Các chủng thuộc loài Bacillus Licheniformis có hoạt tính enzyme proteaza cao nên bổ sung vào loại nước tẩy rửa bột giặt Quá trình ly tâm tách sinh khối sinh khối khỏi canh trường bước quan trọng sản xuất công nghiệp với nguyên liệu chủng vi sinh vật Cần chọn lựa thiết bị ly tâm phù hợp để trình ly tâm đạt hiệu tốt Khi tách vi khuẩn khỏi canh trường, người ta chủ yếu sử dụng máy ly tâm đạng đĩa máy ly tâm dạng ống tùy vào đặc điểm vi khuẩn tùy vào mục đích khác tạo nên ý nghĩa kinh tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Centrifugation-2 Efficient centrifugal recovery of Bacillus thuringiensis biopesticides from fermented wastewater and wastewater sludge Recovery of bacillus licheniformis alkaline protease from supernatant of fermented wastewater sludge using ultrafiltration and its characterization Sách kỹ thuật trình thiết bị, ĐH CNTP TP HCM Sổ tay kỹ thuật trình thiết bị Bài giảng kỹ thuật trình sinh học 10 ... toán thiết kế trình ly tâm để tách sinh khôi Bacillus licheniformis khỏi canh trường với công suất( nhà máy) 200 tấn/năm NỘI DUNG I QÚA TRÌNH LY TÂM, PHÂN LOẠI MÁY LY TÂM CÔNG NGHIỆP Ly tâm trình. .. máy ly tâm thường máy ly tâm siêu tốc  Theo kết cấu trục ổ đỡ phân ra: máy ly tâm ba chân máy ly tâm treo  Theo ứng dụng: Máy ly tâm dung để phân tách vi sinh vật, Khi lựa chọn máy ly tâm cần... để làm huyền phù, gọi ly tâm lắng - Ly tâm lọc - Ly tâm tách cấu tử lơ lững pha khí: trình thường sử dụng để tách bụi từ không khí Quá trình phân ly dựa vào trường lực ly tâm để phân riêng h n