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

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CNSH & KTMT  KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ SẤY PHUN PROTEASE KIỀM VỚI CÔNG SUẤT (NHÀ MÁY) 200 TẤN/NĂM GVHD: ThS Nguyễn Thị Quỳnh Mai NHÓM: TP HCM, tháng năm 2017 DANH SÁCH THÀNH VIÊN STT HỌ VÀ TÊN MSSV Lê Hoàng Yến Vy 2008140378 Dƣơng Thị Diễm My 2008140398 Huỳnh Thị Duyên 2008140052 Văn Mỹ Diệu 2008140436 Trần Hạ Nghi 2008140452 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đại cƣơng vi khuẩn Bacillus licheniformis 1.2 Tổng quan enzyme protease 1.3 Sấy phun CHƢƠNG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY PHUN 2.1 Phƣơng trình cân vật liệu chung 2.2 Lƣợng ẩm bay 2.3 Hàm ẩm enthalpy trƣớc sau vào Caloriphe 10 2.4 Lƣợng không khí tiêu hao 12 2.5 Kích thƣớc thiết bị .13 2.5 Tổn thất nhiệt .14 TÀI LIỆU THAM KHẢO .16 LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật sấy ngành khoa học phát triển từ năm 50-60 Viện trƣờng đại học giới chủ yếu giải vấn đề kỹ thuật sấy vật liệu tạo thành sản phẩm có giá trị ngành công nghiệp nông nghiệp Ngày nay, sấy khâu quan trọng dây chuyền công nghệ, đƣợc sử dụng phổ biến nhiều ngành công nghiệp chế biến nông-lâm- thủy sản, chế phẩm enzyme thƣơng mại, phải kể đến protease-một loại enzyme điển hình có nhiều ứng dụng loại hình công nghiệp Trong tất loại hình sấy, kỹ thuật sấy phun đƣợc quan tâm nhiều mang lại hiệu suất cao thời gian bảo quản lâu dài cho sản phẩm Sấy không đơn tách nƣớc khỏi vật liệu mà trình công nghệ phức tạp, đòi hỏi vật liệu sau sấy phải đảm bảo chất lƣợng theo tiêu với mức chi phí lƣợng tối thiểu Trong môn Kỹ thuật trình sinh học, nhóm giao nhiệm vụ Tính toán, thiết kế trình sấy phun protease kiềm với công suất (nhà máy) 200 tấn/năm Đây lần nhóm tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống sấy phun mang tính chất sâu vào chuyên ngành, kiến thức tài liệu tham khảo hạn chế nên tránh khỏi sai sót trình thiết kế mong đƣợc cô góp ý để trình sấy phun đƣợc xây dựng hoàn thiện Kỹ thuật trình sinh học CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đại cƣơng vi khuẩn Bacillus licheniformis Bacillus licheniformis loại vi khuẩn gram dƣơng, hình que, ƣa nhiệt Nhiệt độ tăng trƣởng tối ƣu khoảng 30 °C Nhiệt độ tối ƣu để sản sinh enzyme 37 oC Trong điều kiện môi trƣờng khắc nghiệt, nghèo dinh dƣỡng, đặc biệt đất, có khả tạo bào tử Những bào tử chịu nhiệt, lạnh, xạ, áp lực môi trƣờng khác Dƣới điều kiện tốt, bào tử nảy mầm trở thành tế bào vi khuẩn thể hoạt động B licheniformis có khả sản sinh nhiều enzyme, đặc biệt amylase protease - loại enzyme quan trọng thuộc hệ thống men tiêu hóa, sản sinh enzyme có khả thủy phân glucid, lipid, protid, enzyme cellulase biến đổi chất xơ thành loại đƣờng dễ tiêu, lecitinase thủy phân chất béo phức hợp, enzyme phân giải gelatin, enzyme phân giải fibrin loại enzyme giống lysozyme gây tác dụng trực tiếp dung giải số typ vi khuẩn Proteus gây bệnh đƣờng ruột… Hình B licheniformis cấy ria đĩa thạch Nhóm Trang Kỹ thuật trình sinh học Ngoài ra, B licheniformis góp phần ổn định hệ vi khuẩn có ích cho đƣờng ruột, có khả tổng hợp số chất kháng sinh tự nhiên có tác dụng ức chế sinh trƣởng tiêu diệt số vi sinh vật khác, tác dụng lên vi khuẩn gram âm l n gram dƣơng, nấm gây bệnh Do đó, B licheniformis có khả cạnh tranh tốt với vi khuẩn gây hại khác B licheniformis giúp cải thiện trọng lƣợng, chuyển hóa thức ăn giảm bệnh tiêu chảy, tỉ lệ chết non vật nuôi Các chế phẩm men vi sinh chứa nhóm vi khuẩn Bacillus sp có tác dụng phân huỷ nhanh hợp chất hữu cơ, làm mùi hôi, kích thích phát triển vi khuẩn có lợi, cạnh tranh môi trƣờng sống, làm giảm số lƣợng vi khuẩn có hại gây bệnh, làm ổn định môi trƣờng Giúp chuyển hoá chất hữu nhƣ: xác động thực vật, cặn bã thành CO2 nƣớc; chuyển chất độc hại nhƣ NH3, NO2- thành chất không độc nhƣ NO3-, NH4+ từ làm ổn định chất lƣợng nƣớc 1.2 Tổng quan enzyme protease a Khái niệm Enzyme protease enzyme thuộc nhóm hydrolase, xúc tác cho trình thủy phân liên kết peptid (-CO – NH-) phân tử protein peptid thành acid amin tự peptide phân tử thấp Hình Mô hình không gian enzyme protease Nhóm Trang Kỹ thuật trình sinh học b Cơ chế tác dụng Protease enzyme xúc tác thủy phân protein, cơ chế xúc tác sinh học enzym ngƣời ta đề nhiều giả thuyết để giải thích nhƣng thống chỗ trình xúc tác bắt đầu kết hợp enzym chất thành hợp chất trung gian E (enzyme) + S (cơ chất)→ ES (hợp chất trung gian) c Nguồn thu nhận Hiện sử dụng nguồn sinh học ể thu nhận protease chẳng hạn nhƣ mô động vật, mô quan thực vật, tế bào vi sinh vật… - Động vật: Thông thƣờng protease động vật có tuyến tiêu hóa (niêm mạc dày niêm mạc ruột non, tuyến tụy)… Pepsin từ niêm mạc dày dịch vị động vật bậc cao, Chymosin “ rennin” có ngăn thứ tƣ cỏ bê non dƣới tháng tuổi - Thực vật: Papain từ mủ đu đủ xanh, Bromelin từ thân dứa, Ficin tách từ dịch ép thân sung… - Vi sinh vật: phân bố chủ yếu nấm mốc vi khuẩn xạ khuẩn…gồm loại thuộc: Aspergillus, Bacillus, Penicillium, Clostridium… 1.3 Sấy phun a Giới thiệu Sấy phun công nghệ sấy công nghiệp khả sấy bậc nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng bột đơn giản, dễ dàng kiểm soát nhiệt độ định dạng hạt sản phẩm cách xác Thiết bị sấy phun dùng để sấy dạng dung dịch huyền phù trạng thái phân tán nhằm tách ẩm khỏi vật liệu giúp tăng độ bền bảo quản sản phẩm đƣợc lâu Sản phẩm trình sấy phun dạng bột mịn nhƣ bột đậu nành, bột trứng, bột sữa,… chế phẩm sinh học, dƣợc liệu… Nhóm Trang Kỹ thuật trình sinh học Hình Máy sấy phun b Cấu tạo chung Tất thiết bị sấy phun bao gồm: + Cơ cấu phun: Có chức đƣa nguyên liệu (dạng lỏng) vào buồng dƣới dạng hạt mịn (sƣơng mù) Quá trình tạo sƣơng mù định kích thƣớc giọt lỏng phân bố chúng buồng sấy, ảnh hƣởng đến giá trị bề mặt truyền nhiệt tốc độ sấy Cơ cấu phun có dạng nhƣ: cấu phun áp lực, cấu phun khí động, đầu phun ly tâm Hình : a- Cơ cấu phun áp lực; b- Cơ cấu phun khí động Nhóm Trang Kỹ thuật trình sinh học + Buồng sấy: Là nơi hòa trộn m u sấy (dạng sƣơng mù) tác nhân sấy (không khí nóng) Buồng sấy phun có nhiều hình dạng khác nhƣng phổ biến buồng sấy hình trụ đứng, đáy côn Kích thƣớc buồng sấy (chiều cao, đƣờng kính…) đƣợc thiết kế phụ thuộc vào kích thƣớc hạt lỏng quỹ đạo chuyển động chúng, tức phụ thuộc vào loại cấu phun sƣơng sử dụng Hình Buồng sấy + Tác nhân sấy: Không khí nóng tác nhân sấy thông dụng Hơi tác nhân gia nhiệt phổ biến Nhiệt độ sử dụng thƣờng dao động khoảng 150-2500C Nhiệt độ trung bình không khí nóng thu đƣợc thấp nhiệt độ sử dụng 100C + Hệ thống thu hồi sản phẩm: Bột sau sấy phun đƣợc thu hồi cửa đáy buồng sấy Để tách sản phẩm khỏi khí thoát, ngƣời ta sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau: lắng xoáy tâm, lọc, lắng tĩnh điện… Phổ biến phƣơng pháp lắng xoáy tâm, sử dụng cyclon + Quạt: Để tăng lƣu lƣợng tác nhân sấy, ngƣời ta sử dụng quạt ly tâm Ở quy mô công nghiệp, thiết bị sấy phun đƣợc trang bị hệ thống hai quạt Quạt đƣợc đặt sau thiết bị thu hồi bột sản phẩm từ dòng khí thoát Còn quạt phụ Nhóm Trang Kỹ thuật trình sinh học đặt trƣớc thiết bị gia nhiệt không khí trƣớc vào buồng sấy Ƣu điểm việc sử dụng hệ thống hai quạt ngƣời ta kiểm soát dễ dàng áp lực buồng sấy Trong trƣờng hợp sử dụng quạt ly tâm đặt sau cyclon thu hồi sản phẩm, buồng sấy hoạt động dƣới áp lực chân không cao Chính áp lực chân không ảnh hƣởng đến lƣợng bột sản phẩm bị theo dòng khí thoát, ảnh hƣởng đến suất hoạt động hiệu thu hồi bột sản phẩm cyclon Hình Sơ đồ hệ thống sấy phun Buồng sấy Cơ cấu phun m u Caloriphe Cyclon thu hồi sản phẩm từ khí thoát Thùng chứa nguyên liệu sấy Cyclon vận chuyển sản phẩm Bơm nguyên liệu Hệ thống quạt hút màng lọc c Nguyên tắc hoạt động Nguyên liệu từ thùng chứa (3) đƣợc bơm số (4) bơm vào buồng sấy (1), vào buồng sấy đƣợc phân bố mấu thành hạt nhỏ li ti (dạng mù) nhờ cấu phun Nhóm Trang Kỹ thuật trình sinh học lít dung dịch đƣợc phun thành 1,5*1010 giọt với tổng diện tích bề mặt lên đến 120m2 Không khí nóng thổi qua caloriphe (2) đƣa vào buồng sấy Không khí nóng nguyên liệu dạng mù tiếp xúc với vài giây cấu phun m u (5) đặt buồng sấy, nƣớc từ nguyên liệu bốc sau thoát ngoài, sản phẩm khô đƣợc thu gom đáy cyclon (6), đƣợc làm nguội thu hồi Một phần bụi mịn theo không khí qua cyclon (7), sau qua lọc vải (8) nhằm thu hồi lại hạt bụi mịn sót lại thải Không khí nhờ quạt thổi qua trao đổi nhiệt caloriphe nâng lên nhiệt độ cần thiết theo yêu cầu chế độ sấy Không khí trƣớc qua trao đổi nhiệt đƣợc lọc thiết bị lọc d Thông số kĩ thuật Tùy thuộc vào suất tách ẩm sản phẩm cụ thể ta có thông số kỹ thuật thích hợp Tuy nhiên, có thông số chung nhƣ sau:  Điện thế: 380 V- 50 Hz- pha  Nhiệt độ sấy: Điều chỉnh tự động khoảng 30- 300oC  Chế độ làm việc: Liên tục  Điều khiển: Bảo vệ chống nhiệt e Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình sấy - Nồng độ chất khô nguyên liệu: Nồng độ cao: Giảm đƣợc thời gian bốc nhƣng lại tăng độ nhớt nguyên liệu, gây khó khăn cho trình sấy phun Nồng độ thấp: Tốn nhiều thời gian lƣợng cho trình.Thực tế nồng độ vào khoảng: 45- 52% Nhóm Trang Kỹ thuật trình sinh học - Nhiệt độ tác nhân sấy: Đây yếu tố ảnh hƣởng định đến độ ẩm sản phẩm sau sấy phun Khi cố định thời gian sấy, độ ẩm bột sản phẩm thu đƣợc giảm ta tăng nhiệt độ tác nhân sấy.Tuy nhiên, việc gia tăng nhiệt độ cao gây phân hủy số cấu tử nguyên liệu m n cảm với nhiệt làm tăng mức tiêu hao lƣợng cho toàn trình - Kích thƣớc, số lƣợng quỹ đạo chuyển động hạt nguyên liệu buồng sấy Các yếu tố khác ảnh hƣởng đến trình sấy phun tốc độ bơm đƣa dòng nguyên liệu vào cấu phun sƣơng, lƣu lƣợng không khí nóng vào buồng sấy, cấu tạo kích thƣớc buồng sấy… Nhóm Trang Kỹ thuật trình sinh học CHƢƠNG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY PHUN Do nhà máy sản xuất protease dạng bột với suất 200 tấn/năm sau giai đoạn cuối (sấy phun) quy trình sản xuất ta phải thu đƣợc khối lƣợng enzyme 200 tấn/năm 2.1 Phƣơng trình cân vật liệu chung Để thành lập phƣơng trình cân vật liệu, ta dùng ký hiệu: m1 - lƣợng vật liệu ẩm vào máy sấy, kg/h m2 - lƣợng vật liệu khỏi máy sấy, kg/h W1, W2 – độ ẩm ban đầu, lúc sau vật liệu (%) W – lƣợng ẩm tách khỏi vật liệu trình sấy, kg/h Phƣơng trình cân vật liệu chung: m1 = m2 + W  Giả sử: Thời gian mẻ kéo dài 2,5 ngày (60 giờ) Một năm làm việc 325 ngày (đã trừ thời gian nghỉ lễ bảo trì máy móc) Thời gian sấy mẻ  Số mẻ năm là: 325 : 2,5 = 130 mẻ/năm  Lƣợng enzyme thu đƣợc từ mẻ sau tất trình tinh sạch: 200 : 130 = 1,54 tấn/mẻ = 540 kg/mẻ  Lƣợng vật liệu sấy đƣa thiết bị: m2 = 1540 : = 770kg/h 2.2 Lƣợng ẩm bay  Giả sử: - Độ ẩm cân sản phẩm khỏi thiết bị sấy: Wc = % - Độ ẩm sản phẩm trƣớc vào thiết bị sấy Wđ = 60 % Nhóm Trang Kỹ thuật trình sinh học Tính lƣợng ẩm cần bốc giờ: ( ) ( ) ( )  Lƣợng nguyên liệu sấy đƣa vào lấy từ trình ly tâm: m1 = m2 + W = 770 + 1097,3 = 1867,3 (kg/h) Giả sử: - Nhiệt độ tác nhân sấy đầu vào t1=120 0C (Alya Sellami-Kamoun, 2006) - Nhiệt độ tác nhân sấy đầu t2=85 0C (Alya Sellami-Kamoun, 2006) - Nhiệt độ không khí trời to = 30 oC có φ = 70% 2.3 Hàm ẩm enthalpy trƣớc sau vào Caloriphe Với to=30 oC φ = 70% Tra giản đồ Ramzin, Ta có: x0=0,019 kg ẩm/kg không khí khô Nhóm Trang 10 Kỹ thuật trình sinh học Hình Giản đồ Ramzin  Khi enthalpy hỗn hợp không khí ẩm trƣớc vào Caloriphe là: Ho = ck.to + (ro + Ch.to) * xo Với ck = (nhiệt dung riêng không khí khô, kJ/kg.oC) ro = 493 (ehthapy nƣớc oC, kJ/kg) Ch = 1,97 (nhiệt dung riêng nƣớc, kJ/kg.oC)  Ho = 1.30 + (2 493 + 1,97.30) x 0.019 = 78,5 (kJ/kg không khí khô) Khi ta tra giản đồ kết thu đƣợc tƣơng tự  Enthalpy hỗn hợp không khí trƣớc vào buồng sấy t1 = 120 oC (xo = x1) H1 = ck.t1 + (r1 + Ch.t1) * x1 = 120 + (2 493 + 1,97.30) x 0.019 = 168,5 (kJ/kg không khí khô) Nhóm Trang 11 Kỹ thuật trình sinh học Vì trình sấy enthalpy không khí không đổi suốt trình nên H1= H2 = 168,5 (kJ/kg không khí khô) Dựa vào công thức tính enthalpy nhiệt độ t2 = 85 oC: H2 = ck.t2 + (r2 + Ch.t2) * x2 = 85 + (2 493 + 1,97.85) * x2  Hàm ẩm không khí sau khỏi phòng sấy x2 = = 0,0314 (kg ẩm/kg không khí khô) 2.4 Lƣợng không khí tiêu hao Bên cạnh tính cân vật liệu sấy, phải tính cân theo lƣợng ẩm để từ tìm đƣợc lƣợng không khí tiêu tốn trình sấy L (kg/h) Coi lƣợng không khí tiêu tốn L không bị mát trình sấy Giả thiết không khí nơi ta đặt máy sấy có hàm ẩm x0=0,019 (kg ẩm/kg không khí khô), đƣợc đun nóng điều kiện x0 = x1 = const, khỏi máy sấy không khí thải có hàm ẩm x2=0,0314 (kg ẩm/ kg không khí khô) Phƣơng trình cân ẩm: L.x0 + W = L.x2 Từ phƣơng trình cân ẩm xác định đƣợc lƣợng không khí khô tiêu tốn chung: L= (kg không khí khô)  Lƣợng không khí khô cần để làm bốc kg ẩm ( không khí tiêu hao riêng) là: Nhóm Trang 12 Kỹ thuật trình sinh học l= = = 80,6 (kg không khí khô/kg ẩm bay hơi) 2.5 Kích thƣớc thiết bị A = 20-30 kg/m3.h Chọn A=26,2 (Master’s Thesis, 2009) 2.5.2 Thể tích thiết bị m3 Vt = Trong đó: W: lƣợng ẩm bay (kg/h) A: cƣờng độ bay ẩm (kg/m3.h) Một buồng hình trụ với thông số: đƣờng kính D, chiều cao H D đáy hình nón nghiêng 60o tích: Vt = ( √ ) = 41,9 m3 Vậy đƣờng kính buồng sấy D= √ √ √ Chiều cao buồng tỉ lệ gấp lần so với đƣờng kính thiết bị nên ta chọn chiều cao buồng sấy là: H= 3,1 x = 6,2 m Nhóm Trang 13 Kỹ thuật trình sinh học 2.5 Tổn thất nhiệt 2.5.1 Nhiệt lƣợng cần để đốt nóng vật liệu ( Qvl = ) Trong đó: m1:lƣợng vật liệu đƣa vào thiết bị sấy (kg/h) C: nhiệt dung riêng enzyme, C=1,4 kJ/kg.K T1: nhiệt độ vật liệu trƣớc sấy, T1=50 oC (Master’s Thesis, 2009) T2 nhiệt độ enzyme khỏi thiết bị sấy, giả sử T2 nhỏ tác nhân sấy đầu oC, T2= 85-5=80 oC  ( ) (kJ/kg) 2.5.2 Nhiệt độ tổn thất đun nóng thiết bị ( Qxq= ) Trong đó: Tc= 85oC nhiệt độ tác nhân sấy khỏi vật liệu Tđ nhiệt độ vật liệu trƣớc sấy, T1=50 oC (Master’s Thesis, 2009) C2: tỉ nhiệt vật liệu làm thiết bị (thép C2 = 0,504) kg/m3) mt: khối lƣợng thùng: mt =Vv ( Vv thể tích thùng thiết bị Vv ( ) H Chọn bề dày thùng là: d = 0,003 m + Dn đƣờng kính 3,106 m Nhóm Trang 14 Kỹ thuật trình sinh học + Dt đƣờng kính 3,1 m Vv ( ) ( H ) = 0,181 m3  mt = Vv = 0,181.7850 =1372 kg  Qxq= ( ) ( ) kJ/kg Để đáp ứng nhu cầu sản xuất, nhóm chọn thiết bị sấy phun YPG II-80 với thông số sau: Bảng 1: Các thông số kỹ thuật thiết bị sấy Đặc điểm STT Thông số kỹ thuật Năng suất bay hàm ẩm (kg/h) 1100 Năng suất sấy dung dịch (kg/h) 2000 Năng suất thu sản phẩm (kg/h) 770 Tỉ lệ hàm ẩm lại sản phẩm khô (%) Công suất điện (kW) Nguồn gia nhiệt Hơi nƣớc nóng bão hòa, tăng cƣờng thêm điện gia nhiệt Bộ điều khiển tự động Đèn tín hiệu báo nhiệt độ khí nóng hàm ẩm khí thải Nhiệt độ khí vào (0C) 120 10 Nhiệt độ khí (0C) 85 11 12 13 Nhóm Kích thƣớc máy 200 V 4,5 m3 D 3,5 m H 7m Trang 15 Kỹ thuật trình sinh học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Bộ môn công nghệ sinh học (2016) Bài giảng thực hành công nghệ enzyme, trƣờng ĐH Công nghiệp thực phẩm TP.HCM Nguyễn Đức Lƣợng (2014), Công nghệ enzyme, NXB ĐH Quốc gia TP.HCM Lê Văn Hoàng (2007), Các trình thiết bị công nghệ sinh học, NXB Khoa học kỹ thuật Võ Văn Bang (2009), Quá trình thiết bị công nghệ hóa học thực phẩm, NXB ĐH Quốc gia TP.HCM Nguyễn Văn Lụa (2014), Quá trình thiết bị công nghệ hóa học, Trƣờng ĐH Bách Khoa TP.HCM Tài liệu tiếng Anh Mona K Gouda (2006) Optimization and purfication of alkanline proteases produced by Marine Bacillus sp MIG newly isolated from eastern harbour of Alexanderia Polish Journal of Microbiology: 119 – 126 Pmar Cahk (2001), biocess development for serine alkaline protease production: A review Master’s Thesis, November 2009, Modelling and Control of a Spray Drying Process, 1st edition, Technical university of Denmark: 47-62 Aysegul Namaldi (2007), Effects of Spray Drying Temperature and Additives on the Stability of Serine Alkaline Protease Powders 10.Alya Sellami-Kamoun (2006), Stability of thermostable alkaline protease from Bacillus licheniformis RP1 in commercial solid laundry detergent formulations Nhóm Trang 16 ... học, nhóm giao nhiệm vụ Tính toán, thiết kế trình sấy phun protease kiềm với công suất (nhà máy) 200 tấn/ năm Đây lần nhóm tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống sấy phun mang tính chất sâu vào chuyên... buồng sấy, cấu tạo kích thƣớc buồng sấy Nhóm Trang Kỹ thuật trình sinh học CHƢƠNG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY PHUN Do nhà máy sản xuất protease dạng bột với suất 200 tấn/ năm sau giai đoạn cuối (sấy phun) ... Sấy phun a Giới thiệu Sấy phun công nghệ sấy công nghiệp khả sấy bậc nguyên liệu từ dạng lỏng sang dạng bột đơn giản, dễ dàng kiểm soát nhiệt độ định dạng hạt sản phẩm cách xác Thiết bị sấy phun