Tính toán, thiết kế quá trình ly tâm để tách sinh khối bacillus licheniformis ra khỏi canh trường với công suất (nhà máy) 200 tấn năm

Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG TIỂU LUẬN KỸ THUẬT VÀ CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Đề tài: Tính toán, thiết kế trình ly tâm để tách sinh khối Bacillus licheniformis khỏi canh trường với công suất (nhà máy) 200 tấn/năm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai Nhóm 9, buổi thứ 5, tiết 1-3 Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 7tháng năm 2016 Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai DANH SÁCH NHÓM STT HỌ VÀ TÊN MSSV GHI CHÚ Phan Thị Băng Trâm 2008130142 Nhóm trưởng Phạm Thị Hằng 2008140072 Nguyễn Thị Phượng 2008140231 Nguyễn Ngọc Chiêu 2008140026 Hà Văn Phi 20081140218 Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU NỘI DUNG I Giới thiệu: Tổng quan bacillus licheniformis: Tính chất: Ứng dụng II Phân tích lựa chọn công nghệ: Thành phần nuôi cấy: Tính toán cân vật chất: Tính toán thiết bị ly tâm: III Thảo luận ý kiến: 12 KẾT LUẬN 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 12 Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai LỜI NÓI ĐẦU Bacillus sp vi khuẩn phổ biến sống Đặc biệt việc ứng dụng công nghệ sih học để sản xuất chế phẩm sinh học sử dụng cho người động vật Chúng phân hủy nhanh hợp chất hữu cơ, lipid, cellulose, tham gia vào trình amoni hóa, phản nitric nitrat, giảm lượng khí H 2S độc tố sinh Hơn nữa, chúng tiết kháng sinh ức chế nhiều nhóm vi sinh vật gây thối, gây hại tạo sinh khối dạng biofloc probiotic Thậm chí nhiều tác dụng khác mà người chưa phát Việc ứng dụng Bacillus sp ngày rộng rãi Một số Bacillus licheniformis, với nhiều công dụng khác nhau, cần nhân rộng với quy mô lớn Chính việc sản xuất chúng quy mô công nghiệp điều tất yếu Trong báo cáo phần trính nâng cao suất sản xuất Bacillus licheniformis quy mô lớn, mà cụ thể 200 tấn/năm Để thu sinh khối vi khuẩn công đoạn phải tính toán kỹ lưỡng va hợp lý Trong trình ly tâm tách sinh khối Bacillus licheniformis khỏi canh trường nuôi cấy khâu thiết yếu va quan trọng Bài báo cáo tham khảo nhiều tài liệu Chắc chắn trình tìm hiểu tính toán gặp sai sót nhiều Rất mong nhận góp ý va thông cảm Xin cảm ơn! NỘI DUNG I Giới thiệu: Tổng quan bacillus licheniformis: a Phân loại:  Giới: vi khuẩn  Ngành: Firmicutes Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai  Lớp: Bacilli  Bộ: Bacillales  Họ: Bacillaceae  Giống: Bacillus  Loài: Bacillus licheniformis b Đặc điểm hình thái: Bacillus licheniformis loại vi khuẩn thường thấy đất Nó tìm thấy lông chim, đặc biệt lông ngực lưng, thường loài chim sống đất (như chim sẻ) loài thủy sinh (như vịt) Nó vi khuẩn gram dương, vi khuẩn ưa nhiệt Nhiệt độ tăng trưởng tối ưu khoảng 50 ° C, tồn nhiệt độ cao nhiều Nhiệt độ tối ưu cho tiết enzyme 37 ° C Nó tồn dạng bào tử để chống lại môi trường khắc nghiệt, trạng thái thực vật điều kiện tốt Khả tiết cao protease serine kiềm B licheniformis giúp chúng trở thành vi khuẩn quan trọng sản xuất enzyme công nghiệp Subtilisin Carlsberg tiết B licheniformis sử dụng làm chất tẩy rửa Nó bán tên Alcalase Novozymes Một RNA antisense nhỏ chống lại Subtilisin Carlsberg tên BLi_r0872 phát nghiên cứu dựa RNA-seq Nó có tác động giả mạo sản xuất protease phục vụ mục tiêu cho cải tiến căng thẳng Các nhà khoa học khám phá khả làm giảm lông cho mục đích nông nghiệp Da có chứa lượng lớn protein không tiêu hóa, nhà nghiên cứu hy vọng rằng, thông qua trình lên men với B licheniformis, chúng sử dụng lông vũ để tạo bột lông vũ rẻ bổ dưỡng để nuôi gia súc Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai Tính chất: B licheniformis có khả sản sinh nhiều enzyme, đặc biệt amylase protease - loại enzyme quan trọng thuộc hệ thống men tiêu hóa Có thể sản sinh enzyme có khả thủy phân glucid, lipid, protid, enzyme cellulase biến đổi chất xơ thành loại đường 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 đường ruột… Ngoài ra, B licheniformis góp phần ổn định hệ vi khuẩn có ích cho đường ruột, có khả tổng hợp số chất kháng sinh tự nhiên có tác dụng ức chế sinh trưởng tiêu diệt số vi sinh vật khác, tác dụng lên vi khuẩn gram âm lẫn gram dương, nấm gây bệnh Do đó, B licheniformis có khả cạnh tranh tốt với vi khuẩn gây hại khác B licheniformis giúp cải thiện trọng lượng, chuyển hóa thức ăn giảm bệnh tiêu chảy, tỉ lệ chết non vật nuôi B licheniformis tiết enzyme phân hủy chất carbonhydrate, chất béo đạm thành đơn vị nhỏ Chúng có khả phân hủy chất phế thải hữu cơ, tích lũy đáy ao nuôi, làm nước B licheniformis có tác dụng làm giảm COD, H2S ao tôm làm tăng suất 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 trường sống, làm giảm số lượng vi khuẩn có hại gây bệnh, làm ổn định môi trường Giúp chuyển hoá chất hữu như: xác động thực vật, cặn bã thành CO2 nước; chuyển chất độc hại NH3, NO2- thành chất không độc NO3-, NH4+ từ làm ổn định chất lượng nước Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai Ứng dụng Trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản: cải thiện trọng lượng, chuyển hóa thức ăn giảm bệnh tiêu chảy, tỉ lệ chết non vật nuôi II Phân tích lựa chọn công nghệ: Thành phần nuôi cấy: Trong báo cáo này, nhóm lấy thành phần nuôi cấy môi trường với tỉ lệ tham khảo số báo phòng thí nghiệm Ở quy mô công nghiệp vẫn thành phần tỉ lệ tương tự, tất nhiên có khác chút chủ yếu vẫn thành phần môi trường Môi trường lắc chuyển vào môi trường lên men chứa (g/dm3) glucoso, axit xitric, 9(NH4 )2HPO4 KH2PO4, 2; pH ban đầu môi trường điều chỉnh đến 7,6 với 0,04 mol/dm3 đệm NaH2PO4-NaHPO4 Ở quy mô phòng thí nghiệm 3,5 dm3 bể phản ứng sinh học gián đoạn (Chemap CF 3000, Thụy Sĩ) hoạt động nhiệt độ 37oC, tốc độ khuấy 750min-1 vvm tốc độ vít 40 trình sản xuất enzyme protease Sau thu hoạch tế bào cách ly tâm 8000 vòng +4oC (RC28S, Sorvall, Wilmington, DE), môi trường lên men siêu lọc qua dòng chảy thiết bị siêu lọc định dạng phẳng (Sartocon Mini SM 17521, Sartorius, Đức) cách sử dụng 30 000 Da MWCO asymmetric Màng polysulphone Tính toán cân vật chất:  Xác định thông số Năng suất nhà máy: 200 tấn/ năm Giả sử hao tổn công đoạn so với công đoạn trược sau: Quá trình Tổn thất Bao gói 1% Sấy 1% Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai Ly tâm 1% Lên men 1% Thời gian sản xuất mẻ: 12h (Bum-Kyu Lee cs, 2001) Thời gian nghỉ mẻ 6h Cứ tháng bảo trì máy móc vệ sinh bể ngày Vậy ngày/ năm Thời gian nghỉ lễ + ngàychủ nhật 31 ngày/năm Thời gian làm việc công ty năm là: 𝑇𝑙à𝑚 𝑣𝑖ệ𝑐 =365−(31+4) = 330 (𝑛𝑔à𝑦) Số mẻ sản xuất năm là: (330*24)/18 = 440  𝑠ố 𝑚ẻ = 440 (𝑚ẻ⁄năm) Năng suất nhà máy: = (200×1000)/440= 501.55 (𝐾g⁄mẻ)  Quá trình bao gói Tỷ lệ hao hụt : 1% Khối lượng nấm men trước bao gói: (501.55×100)/99=506.61 (𝐾𝑔⁄mẻ)  Quá trình sấy Tỷ lê hao hụt: 1% Độ ẩm sau sấy: 8% ( PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn, Sản xuất sinh khối vi sinh vật giàu protein bổ sung thức ăn gia súc) Độ ẩm trước sấy: 60% (PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn, Sản xuất sinh khối vi sinh vật giàu protein bổ sung thức ăn gia súc) Độ ẩm trước sấy 60% nên lượng sinh khối hỗn hợp 40% Mặt khác lượng sinh khối trước sấy sau sấy không đổi nên ta có: 𝑚sinh𝑘ℎố𝑖 = 0,4×𝑚𝑡𝑟ướ𝑐 𝑠ấ𝑦 ↔𝑚𝑡𝑟ướ𝑐 𝑠ấ𝑦 = msinhkhối 0.4 = 506.61 0.4 =1266.53(𝐾𝑔/𝑚ẻ) Ta có: 𝜌sinh𝑘ℎố𝑖=1,060 (𝑔/𝑚𝑙) (Samir a Haddad cs, 1953) 𝜌𝑛ướ𝑐 =1(𝑔/𝑚𝑙)(Sổ tay trình thiết bị tập 1, nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2006) 𝜌trước sấy ↔ = 𝜌trước sấy xsinhkhối ρsinhkhối = 0,4 1,060 + + 1−xsinhkhối ρnước 1−0,4 Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai →𝜌𝑡𝑟ướ𝑐 𝑠ấ𝑦 = 1,023(𝑔/𝑚𝑙)= 1,023(𝑘𝑔/𝑙) Thể tích hỗn hợp trước sấy: 𝑉𝑡𝑟ướ𝑐 𝑠ấ𝑦 = mtrước sấy ρtrước sấyi = 1266.53 1,023 =1238.05(𝑙)  Quá trình ly tâm Tỷ lệ hao hụt : 1% Nồng độ huyền phù sau ly tâm là: 40 % chất khô (PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn) 𝑉cặn = 0,4.𝑉trước ly tâm →𝑉𝑡rước ly tâm = Vcặn 0.4 = V trước sấy 0.4 = 1238.05 0.4 = 3095.13 (𝑙) Hiệu suất lọc 99% 𝑉ly tâm thực = ( V trước ly tâm x100)/99 = 3126.39 (𝑙) Tính toán thiết bị ly tâm: a Giới thiệu thiết bị ly tâm dang đĩa: Hình 3: Thiết bị ly tâm dạng đĩa Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai Bảng 8: Các thông số kỹ thuật máy ly tâm dạng đĩa Đặc điểm Thông số Khối lượng (kg) 1040 Kích thước ( L x W x H) (mm) 1273 x 843 x 1665 Lưu lượng (lít/giờ) 280-600 Công suất động (kW) 11 Số lượng đĩa 105 Đường kính đĩa (mm) 395 Tốc độ động (vòng/phút) 1460 Hệ số phân chia 11062 Tốc độ đĩa (vòng/phút) 7075 Nguyên lý hoạt động: Hàng ngàn "G" (lực ly tâm) tạo buồng tách máy quay ly tâm, Chúng sản phẩm tốc độ quay cao kích thước lớn buồng tách Vòng xoay tạo động điện kết nối với trục ngang phương tiện khớp nối đàn hồi ly hợp, nhờ tỉ số truyền bánh thiết kế đặc biệt, chuyển động quay chuyển giao đến trục thẳng đứng Bộ phận buồng quay lắp ráp nón đầu cuối theo trục thẳng đứng Các chất lỏng cần xử lý đưa vào trung tâm buồng qua ống nạp liệu tĩnh Sau dòng tăng tốc gia tốc thiết kế đặc biệt, làm cho thành phần đến vùng ngoại vi thành buồng, sau thông qua đĩa nhiều lớp tách diễn Các chất lỏng tinh khiết (light phase - pha nhẹ) chảy ngược lên phía buồng tách nơi chúng thải thiết kế tự tràn máy bơm hướng tâm Các chất rắn bị giữ lại lực máy ly tâm thu thập vùng ngoại vi khoang tách, sau thải không liên tục Quá trình xả kích hoạt hệ thống thủy lực nằm bên khu vực phân ly Về chất, chất rắn thải qua lỗ 10 Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai ngoại vi buồng, chúng mở đóng lại trình lên-xuống piston trượt đáy buồng tách máy quay ly tâm b Tính toán trình ly tâm: Tỉ lệ hao hụt công đoạn 1% - Độ ẩm sau ly tâm 40% - Khối lượng dung dịch trước vào máy ly tâm 3095.13 (L) Vcặn = 0,4×𝑉trước ly tâm = 0.4 × 3095.13 = 1238.05 (L)  Thể tích dung dịch ly tâm mẻ: V= 3095 1540 = 2.00(m3) Giả sử: - Đường kính hạt d = 1(μm) = 10-6 (m) - 𝑟𝑝𝑚=7075 (vòng/ phút) - Độ nhớt 𝜇 = 2.10-3 (N*s/ m2) - Khối lượng riêng hạt 𝜌𝑠 = 1540(kg/ m3) - Khối lượng riêng nước 𝜌 = 1000 (kg/ m3) - Khoảng cách từ trục đến bề mặt r1 = (cm) = 0.05 (m) - Khoảng cách từ trục đến đáy r2 = 15 (cm) = 0.15 (m)  Vận tốc gốc: 𝜔= (2𝜋𝑟*r𝑝𝑚)/60= (2 * 3,14 * 7075)/60 = 740,52 (rad/ s)  Vận tốc lắng hạt: v= = 𝑑 (𝜌𝑠− 𝜌).𝑟.𝜔2 18µ (10 −6 )2 ∗ (1540 − 1000) ∗ 0,359 ∗ 740,522 18∗2.10−3 = 2,95*10-3 (m/ s) 11 Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai  Thời gian ly tâm (thời gian để hạt di chuyển từ điểm r1 đến điểm r2): t= 𝑟2 𝑟1 d2 ∗(ρs− ρ)∗ ω2 (18∗µ)∗ ln ( ) = 𝑟2 𝑟1 (18.2.10−3 )∗ ln ( ) (10−6 )2 (1540− 1000)∗ 740,522 = 133.56 (s)  Lưu lượng đầu vào: 𝑉 2.00 𝑡 133,56 Q= = = 0.015 (m3/ s) III Thảo luận ý kiến: - Phần tính toán hoàn toàn nhắm tới công suất 200 tấn/năm nên có phần phải tham khảo nhiều tài liệu, có thông số phải giả sử - Nhóm cố gắng tìm hiểu tài liệu có lễ hiểu biết hạn hẹp nên thông số vẫn chưa xác sát với yêu cầu - Nhóm vẫn chưa hiểu tính toán thông số Σ (sigma) - Quá trình nuôi cấy vi sinh vật nhóm làm chưa kỹ , tính toán phần có liên quan để tập trung vào phần tính toán ly tâm, tránh lạc đề, dài dòng - Có phần tính toán nhóm vẫn chưa hiểu mong có nhận góm ý bổ sung KẾT LUẬN Phần tính toán phần tính toán sơ qua tài liệu tham khảo mà nhóm thu thập Phần ly tâm chưa biết cách để kiểm tram xem có khả thi hay không Tuy nhiên, nhóm cố gắng tìm hiểu tính toán cẩn thận Mọi người nhóm làm việc hiệu tương tác TÀI LIỆU THAM KHẢO: Lê Văn Hoàng (2004) “Các trình thiết bị công nghệ sinh học công nghiệp” Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Trần Khoa, Nguyễn Trọng Khuông (2006), “Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Đức Lượng (2002) “Vi sinh vật học công nghiệp” Công nghệ vi sinh tập II trường Đại Học Bách Khoa Đại Học Quốc gia TP.HCM 12 Nhóm GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh Mai Nguyễn Đức Lượng (2006), “Công nghệ vi sinh tập 2- vi sinh vật học công nghiệp”, Nhà xuất Đai học Quốc gia TP.HCM Bioseparations science and emgineering, roger g harison, paul todd, paul w todd, scott r.rudge, demetri p petrides, 2015 Crossflow ultrafiltration ofbacillus licheniformis fermentation medium to separate protease enzymes, Serpil Takaç, Sema Elmas*, Pinar Tunçer H.Özdamar Efficient centrifugal recovery of Bacillus licheniformis biopesticides from fermented wastewater and wastewater sludge, Satinder K Brar, M Verma, R.D Tyagi, J.R Vale ´ro, R.Y Surampalli 13 Nhóm Mai GVHD: Nguyễn Thị Quỳnh 14 ... Bacillus licheniformis quy mô lớn, mà cụ thể 200 tấn/ năm Để thu sinh khối vi khuẩn công đoạn phải tính toán kỹ lưỡng va hợp lý Trong trình ly tâm tách sinh khối Bacillus licheniformis khỏi canh trường. .. = 3095.13 (