B.licheniformis là một phần của nhóm subtilis cùng với Bacillus subtilis và Bacillus pumilus. Bacillus licheniformis là một loại vi khuẩn thường thấy trong lông chim và đất. B. licheniformis có khả năng sản sinh nhiều enzyme, đặc biệt là amylase và protease. Do nồng độ sinh khối sau khi nuôi cấy thấp (khoảng 8gL), chênh lệch khối lượng riêng không đáng kể nên có thể sử dụng máy ly tâm dạng ống
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
- -ĐỀ TÀI:
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH LY TÂM ĐỂ TÁCH
SINH KHỐI BACILLUS LICHENIFOMIS RA KHỎI
CANH TRƯỜNG VỚI CÔNG SUẤT (NHÀ MÁY) 200
TẤN/NĂM
GVHD: TS PHẠM MINH TUẤN
SVTH: Nhóm 10
Trang 3MỤC LỤC
Trang 41 Cơ sở lý thuyết:
1.1. Giới thiệu về Bacillus licheniformis
B.licheniformis là một phần của nhóm subtilis cùng với Bacillus
subtilis và Bacillus pumilus Những vi khuẩn này thường được biết
đến là gây ngộ độc thức ăn và sự hư hỏng thực phẩm B.
Licheniformis cũng được biết đến vì các sản phẩm bơ sữa.
Vi khuẩn này mặc dù bất lợi tuy nhiên nó có thể được sửa đổi để trở nên hữu ích Các nhà nghiên cứu đang cố gắng biến lông chim thành thức ăn bổ dưỡng cho gia súc bằng cách lên men các protein
không tiêu hóa được trên lông chim với B licheniformis
Bacillus licheniformis là một loại vi khuẩn thường thấy trong lông
chim và đất Những con chim có xu hướng ở trên mặt đất nhiều hơn không khí (tức chim sẻ) và trên mặt nước (tức là vịt) là những vật mang phổ biến của vi khuẩn này Nó chủ yếu được tìm thấy xung quanh khu vực ngực của chim và bộ lông trở lại
B licheniformis có khả năng sản sinh nhiều enzyme, đặc biệt là
amylase và protease - 2 loại enzyme quan trọng thuộc hệ thống men tiêu hóa, sản sinh các enzyme có khả năng thủy phân glucid, lipid, protid, enzyme cellulase biến đổi chất xơ thành các loại đường dễ tiêu, lecitinase thủy phân các chất béo phức hợp, enzyme phân giải gelatin, enzyme phân giải fibrin và một loại enzyme giống lysozyme gây tác dụng trực tiếp dung giải một số loại vi khuẩn Proteus gây bệnh trong đường ruột
Trang 5KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Nhóm 10
Trình tự nucleotide hoàn chỉnh của Bacillus licheniformis bao
gồm bộ gen ATCC 14580, có nhiễm sắc thể tròn là 4,222,336 bp (chứa các cặp cơ sở) chứa 4.208 gen mã hóa protein dự đoán (kích thước trung bình 873 bp), 7 rRNA operon và 72 tRNA gen Hàm lượng GC là 46,2% và không có plasmid nào được phát hiện Nhiễm
sắc thể của B licheniformis có các vùng lớn tương tự như Bacillus
subtilis và Bacillus halodurans Vì khoảng 80% trình tự mã hóa của
B licheniformis có chứa các thông tin địa lý B subtilis, nó được coi là
một phần của nhóm subtilis Tuy nhiên, mặc dù tương tự như B.
subtilis, chúng khác nhau về số lượng và vị trí các cặp base, các
phần tử có thể chuyển tiếp, các enzyme ngoại bào và các operon chuyển hóa thứ sinh
Bacillus licheniformis là một vi khuẩn Gram dương, hình que Nó
có xu hướng hình thành bào tử trong đất làm cho nó được mong muốn sử dụng cho các mục đích công nghiệp như sản xuất enzyme, kháng sinh và các chất chuyển hóa nhỏ Nó tạo ra một loạt các enzyme ngoại bào
Nhiệt độ tăng trưởng tối ưu của nó là 50 °C, nhưng nó cũng có thể tồn tại ở nhiệt độ cao hơn nhiều Nhiệt độ tối ưu cho tiết enzyme
là 37 °C
Vi khuẩn này có thể sống sót trong môi trường khắc nghiệt bằng cách biến thành bào tử bào tử Khi điều kiện tốt, nó sẽ trở lại trạng
thái thực vật B licheniformis tạo ra một protease có thể tồn tại ở
mức độ pH cao Protease này là một thành phần mong muốn trong chất tẩy giặt do khả năng của nó được sử dụng ở nhiệt độ thấp, giúp ngăn ngừa sự co ngót và mờ dần màu sắc
Các nhà nghiên cứu đang cố gắng tái chế lông chim bằng cách biến chúng thành thực phẩm bổ dưỡng cho gia súc Như đã đề cập,
5
Trang 6Bacillus licheniformis thường thấy trên lông chim, bằng cách lên men
với B licheniformis, một lượng lớn các protein không tiêu hóa được
tìm thấy trong lông có thể biến thành một bữa ăn lông cho gia súc Điều này rất được mong muốn bởi vì nó là giá rẻ và dinh dưỡng
B licheniformis cũng có thể cung cấp thêm thông tin về sự tiến
hóa của sự lột da và các mẫu màu sắc ở chim do khả năng phân hủy lông của nó Các nhà sinh thái học đang tìm kiếm các dấu hiệu liên kết giữa điều này và hoạt động của B licheniformis B licheniformis cũng là một thành phần quan trọng trong chất tẩy rửa Vì nó có thể phát triển trong điều kiện kiềm, nó tạo ra một protease mà có thể tồn tại ở mức độ pH cao Protease có độ pH tối ưu ở khoảng 9 và 10, điều này rất khả thi vì nó có thể loại bỏ chất bẩn có chứa protein trong quần áo Các nhà nghiên cứu nuôi cấy và cô lập protease này
để thêm nó vào chất tẩy rửa Protease này ngăn ngừa sự co rút và
mờ dần màu vì nó cho phép sử dụng nhiệt độ thấp, từ đó giảm sử dụng năng lượng
B Licheniformis được sử dụng để tạo ra kháng sinh Bacitracin.
Bacitracin bao gồm một hỗn hợp của các polypeptides cyclic mà B.
licheniformis sản xuất Trớ trêu thay mục đích của Bacitracin là ức
chế sự phát triển của B licheniformis Bacitracin lyses proplasts của
B licheniformis với sự hiện diện của cadmium hoặc kẽm ion
Nghiên cứu hiện tại Bacillus licheniformis là một sinh vật tạo thành
bào tử góp phần vào con đường tạo dinh dưỡng và có hoạt động
kháng nấm Có những nghiên cứu hiện tại về B licheniformis (dòng
SB3086) và những ảnh hưởng của nó như một chất diệt nấm vi sinh
vật Novozymes Biofungicide Green Releaf chứa dòng B.
licheniformis SB3086 như là một thành phần chủ yếu hoạt động T
huốc diệt nấm này có thể được sử dụng trên các bãi cỏ, cây lá kim, cây giống, cỏ trang trí và cây cảnh ở các khu vực ngoài trời, nhà kính
và vườn ươm Có những lo ngại về sự an toàn của chất diệt nấm này
Các báo cáo về vi khuẩn Bacillus licheniformis có ảnh hưởng bất lợi
Trang 7KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Nhóm 10 đến các loài sinh vật côn trùng, chim, thực vật và cửa sông hầu như không tồn tại Đã có báo cáo về sự thất bại về sinh sản và viêm vú
do vi khuẩn này gây ra đối với gia súc, cừu và heo Nó may mắn không có bất kỳ tác động bất lợi đối với các loài nguy cấp
1.2 Giới thiệu về máy li tâm
1.2.1 Tổng quan về máy ly tâm công nghiệp
Quá trình phân ly dựa vào trường lực ly tâm để phân riêng hỗn hợp hai pha rắn- lỏng hoặc lỏng-lỏng thành các cấu tử riêng biệt gọi
là quá trình ly tâm Máy để thực hiện quá trình đó gọi là máy ly tâm
Tùy theo cấu tạo bề mặt rôto mà quá trình ly tâm tiến hành theo nguyên tắc lọc ly tâm hay lắng ly tâm Do đó cũng có hai loại máy ly tâm: máy ly tâm lắng và máy ly tâm lọc
1.2.1.1 Phân loại máy ly tâm
Có thể phân loại máy ly tâm theo dấu hiệu khác nhau:
Theo quá 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 và máy ly tâm tự động
Theo kết cấu của bộ phận tháo bã: máy ly tâm tháo bã bằng dao; máy ly tâm tháo bã bằng vít xoắn; máy ly tâm tháo bã bằng pittông
Theo giá trị yếu tố phân ly phân ra máy ly tâm thường và máy
ly tâm siêu tốc
Theo kết cấu trục và ổ đỡ phân ra: máy ly tâm ba chân và máy
ly tâm treo
1.2.1.2 Một số máy ly tâm công nghiệp
7
Trang 81.2.1.2.1 Máy ly tâm lắng nằm ngang tháo bã bằng vít
xoắn
Loại này dùng để phân ly huyền phù mịn có nồng độ trung bình
và lớn Trong công nghiệp thực phẩm loại máy này dùng để tách tinh bột ra khỏi nước quả, trong các ngành công nghiệp khác dùng để phân riêng pha rắn và pha lỏng
Máy gồm có hai rôto Rôto ngoài có dạng hình nón hoăc trụ-nón, rôto trong có dạng hình trụ mà mặt ngoài của nó có gắn vít tải Rôto trong và rôto ngoài quay cùng chiều nhưng rôto trong quay chậm hơn rôto ngoài 1,5-2 % (khoảng 20-100vg/ph) nhờ hộp giảm tốc vi sai Rôto trong có đục các lỗ để dẫn huyền phù nhập liệu Góc nghiêng phần hình nón của rôto khoảng 9-10o Quá trình lắng xảy ra trong khoảng không gian giữa hai rôto, bã bám vào mặt trong của rôto ngoài và được vít tải đẩy về phía cửa tháo bã Nước trong đi về phía ngược lại, chảy qua các cửa ở trên đáy rồi đi ra ngoài Trong phần rôto không bị ngập nước, bã vừa được đưa ra khỏi rôto vừa được làm khô
1.2.1.2.2 Máy ly tâm lắng liên tục tháo bã bằng vít xoắn
Có thể điều chỉnh chế độ làm việc của máy bằng cách thay đổ
số vòng quay hoặc thay đổ chiều dài lắng khi ta xoay các cửa chảy
Trang 9KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Nhóm 10 tràn Lỗ chảy tràn càng gần trục quay thì lớp nước càng sâu, chiều dài lắng càng dài, lắng được các hạt có kích thước nhỏ
Ưu điểm của máy này là phân ly được huyền phù mịn, năng suất lớn
Nhược điểm là tốn nhiều năng lượng để tháo bã, tổn thất trong hộp giảm tốc vi sai lớn, bã bị vụn nát, nước trong còn lẫn nhiều hạt rắn; máy làm việc nặng nề, ồn ào
1.2.1.2.3 Máy phân ly siêu tốc loại đĩa
Máy phân ly siêu tốc loại dĩa có nhiều loại: loại hở, loại kín, loại nửa kín, loại tháo bã bằng tay và bằng ly tâm Máy ly tâm siêu tốc loại đĩa dùng để phân li huyền phù có hàm lượng pha rắn nhỏ hoặc phân ly nhũ tương khó phân ly
Bộ phận chủ yếu của máy là rôto gồm các dĩa chồng lên nhau với một khoảng cách thích hợp Khoảng cách giữa các đĩa 0,4-1,5mm Dĩa trên được giữ nhờ các gân trên mặt ngoài của dĩa dưới
Ðộ nghiêng của đĩa nón cần đủ đảm bảo để hạt vật liệu trượt xuống
tự do (thường góc nửa đỉnh nón từ 30-50o)
9
Trang 101.2.1.2.4 Máy ly tâm siêu tốc loại ống
Ðây là loại máy có roto nhỏ và dài để phân riêng các huyền phù và nhũ tương Ðường kính của roto vào khoảng 200 mm, tỉ lệ giữa chiều dài roto với đường kính của nó khoảng 5-7 Nhũ tương đưa vào rôto dưới áp suất 0,25-0,3 at qua dĩa phân phối và đi ra khoảng không gian giữa roto và các tấm chắn (được gắn dọc theo chiều dài của roto, gồm ba tấm cách nhau 120o)
Khi phân ly nhũ tương cho pha nặng và pha nhẹ không trộn lẫn nhau thì dùng tấm tách sao cho bán kính lớp phân chia phải nằm trong vành khăn của tấm tách
Ưu điểm : gọn, tiện lợi cho thao tác và có số vòng quay lớn, năng suất cao,
Nhược điểm: hoạt động theo chu kỳ, tháo và lắp thường xuyên, tháo chất rắng và rửa roto bằng phương pháp thủ công
Ứng dụng: làm trong dịch huyền phù có chứa lượng không đáng kể các chất rắn có độ phân tán cao, tách các tạp chất rắn có độ phân tán cao và các nhũ tương
Trang 11KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Nhóm 10
2 Lựa chọn và tính toán thiết bị
Do nồng độ sinh khối sau khi nuôi cấy thấp (khoảng 8g/L),
chênh lệch khối lượng riêng không đáng kể nên có thể sử dụng máy
ly tâm dạng ống
Tính toán thiết bị:
Một năm 365 ngày, trừ các ngày lễ (15 ngày) và thời gian bảo trì máy móc thiết bị (30 ngày) Số giờ làm việc của công ty trong 1 năm:
Tlàm việc= (365 – (15 + 30)) * 24 = 7680 h
Thời gian một mẻ là: 72 giờ Thời gian nghỉ giữa mỗi mẻ là 5 giờ
Vậy tổng thời gian cho một mẻ là t mẻ = 77 giờ
Vậy số mẻ một năm là: = 100 mẻ.
Năng suất của nhà máy: (tấn/mẻ) = 2000 (kg/mẻ)
Theo Rajiv Datar thì hao hụt do quá trình ly tâm là 5%
Năng suất thật của nhà máy trước khi ly tâm:
= 2100 kg/mẻ
11
Trang 12Nồng độ enzyme protease: = 1,7 mg/mL = 1,7 kg/m 3
Thể tích của 1 mẻ ly tâm là: = 1235 m 3 /mẻ
Chọn thời gian ly tâm một mẻ: t = 7h
Lưu lượng Q = 1235/7 = 176,43 m 3 /h
• Ta có RCF = 9000g
RCF =
= = 1765800 rad/s
• Yếu tố sigma:
Trong đó: b và r là chiều cao và bán kính của ống ly tâm
Chọn: b = 0,255 m
r = 0,05 m
= 720,63 m 2
• Vận tốc lắng của hạt:
Vlắng =
= x (1100 - 1044) x 0,05 x 1765800 = 6,867 x 10 -5 (m/s)
Trong đó:
s = 1100 kg/m 3 : tỷ trọng pha rắn;
= 1044 kg/ m3: tỷ trọng môi trường;
d - bán kính quy đổi của hạt rắn (m) ( d= 0,5 µm = 0,5 x 10
-6m )
ω – Tốc độ góc (rad/s) (770 rad/s)
µ - độ nhớt (µ = 0,01 g.cm-1.s-1 = 0,001 kg.m-1.s-1)
Q = Vlắng x 6,867 x 10-5 x 720,63 = 0,0495 m 3 /s = 178,2 m 3 /h
Chọn ra các thông số:
Với việc chọn chiều cao và bán kính ống ly tâm như trên thì lưu lượng dòng chảy vào Q = 178,2 m3/h Như thế hoàn toàn phù hợp với công suất đề ra 200 tấn/ năm Do đó, nhóm đã chọn các thông số cho máy ly tâm như sau:
Trang 13KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Nhóm 10
Chiều cao ống ly tâm 0,255 m
13
Trang 14TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Centrifugation
2. Efficient centrifugal recovery of Bacillus thuringiensis biopesticides from fermented wastewater and wastewater sludge_ Satinder K Brara , M Vermaa , R.D Tyagia, R.Y Surampallic
3 Recovery of Bacillus licheniformis Alkaline Protease from Supernatant of Fermented Wastewater Sludge Using Ultrafiltration and Its Characterization