THIẾT KẾ BỂ QUANG SINH HỌC SẢN XUẤT SINH KHỐI TẢO PHAEODACTYLUM TRICORNUTUM CÔNG SUẤT 1 TẤNNĂM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG  TIỂU LUẬN MÔN HỌC THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG SINH HỌC THIẾT KẾ BỂ QUANG SINH HỌC SẢN XUẤT SINH KHỐI TẢO PHAEODACTYLUM TRICORNUTUM CÔNG SUẤT TẤN/NĂM GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S PHẠM MINH TUẤN TP.HCM, tháng 10 năm 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG  TIỂU LUẬN MÔN HỌC THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG SINH HỌC THIẾT KẾ BỂ QUANG SINH HỌC SẢN XUẤT SINH KHỐI TẢO PHAEODACTYLUM TRICORNUTUM CÔNG SUẤT TẤN/NĂM GVHD: T.S PHẠM MINH TUẤN Sinh viên thực hiện: Trần Duy Thọ Đỗ Thị Ngọc Châu Nguyễn Ngọc Kim Trinh Nguyễn Thị Kim Nhung Nguyễn Hồ Thiên Trang 2008140288 2008140022 2008140338 2008140215 2008140325 TP.HCM, tháng 10 năm 2017 MỤC LỤC CHƯƠNG PHOTOBIOREACTOR 1.1 Hệ thống mở 1.2 Hệ thống kín CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 CHƯƠNG PHOTOBIOREACTOR Một photobioreactor hệ thống thiết bị sử dụng kết hợp nhiều nguồn ánh sáng để cung cấp lượng cho phản ứng việc sản xuất vi sinh vật phototrophic ngồi tự nhiên bên mơi trường nhân tạo Những sinh vật sử dụng quang hợp để tạo sinh khối từ ánh sáng carbon dioxide, bao gồm: thực vật, rêu, macroalgae, vi tảo, vi khuẩn lam vi khuẩn màu tím Trong mơi trường nhân tạo photobioreactor, điều kiện cụ thể kiểm soát cẩn thận cho lồi tương ứng Do đó, photobioreactor cho phép tăng tốc độ mức độ tinh khiết cao nơi tự nhiên môi trường sống tương tự thiên nhiên Theo lý thuyết, phototropic sinh khối bắt nguồn từ nước thải giàu chất dinh dưỡng khí thải carbon dioxide photobioreactor Photobioreactor có hai kiểu hệ thống mở hệ thống kín hệ thống khép kín ứng dụng rộng rãi có ưu điểm vượt trội hẳn hệ thống mở Sản xuất vi tảo dựa hệ thống photobioreactor công nghệ thiết kế để khắc phục số nhược điểm hệ thống sản xuất ao mở thông thường Tảo tái lưu thông với máy bơm khí hệ thống không vận để tạo trao đổi môi trường lỏng khí cung cấp chế để đảo trộn để tảo quang hợp tốt hơn, tạo điều kiện đồng môi trường cho tảo hấp thụ chất dinh dưỡng dễ dàng 1.1 Hệ thống mở Phương pháp tiếp cận sản xuất có kiểm sốt sinh vật phototrophic ao tự nhiên mở ao ni mương Trong đó, mơi trường huyền phù, chứa tất chất dinh dưỡng cần thiết carbon dioxide, bơm xung quanh chu kỳ, chiếu sáng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời qua bề mặt chất lỏng Nguyên tắc xây dựng cách sản xuất đơn giản cho sinh vật phototrophic Nhưng độ sâu chúng (lên đến 0,3 m) lượng ánh sáng giảm trung bình liên quan, hệ thống mở đạt mức suất không gian hạn chế Thêm vào đó, tiêu thụ lượng tương đối cao, lượng nước cao chứa nồng độ sản phẩm thấp phải xử lý Hệ thống mở tốn khu vực có dân số đơng Hình 1.1 Hệ thống photoreactor dạng mở đúc, nước nước khác Sử dụng công nghệ mở gây tổn thất lớn nước bốc khí 1.2 Hệ thống kín Kể từ năm 1950, số phương pháp tiếp cận tiến hành để phát triển hệ thống khép kín, mặt lý thuyết cung cấp mật độ tế bào cao cho sinh vật phototrophic nhu cầu nước thấp so với hệ thống mở Thêm vào đó, cơng trình đóng kín tránh tổn thất nước liên quan đến hệ thống nguy ô nhiễm giảm thiểu Tất photobioreactors đại cố gắng cải thiện để tối ưu hóa ứng dụng ánh sáng, tiêu thụ lượng bơm thấp, chi phí vốn độ tinh khiết vi sinh vật Nhiều hệ thống khác thử nghiệm, vài phương pháp thực quy mơ cơng nghiệp CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT BỊ 2.1 Tính tốn thiết kế hệ thống thu nhận lượng mặt trời Hình 2.1 Bể quang sinh học Tốc độ tạo thành sinh khối giá trị quan trọng cần tối ưu thiết kế thiết bị bể phản ứng quang sinh học trình thu sinh khối tảo Năng suất sinh khối kiểm sốt ánh sáng Trong điều kiện nuôi cấy, tốc độ tạo thành sinh khối phụ thuộc vào lượng ánh sáng trung bình bể phản ứng ( I av ¿ Theo Molina Grima et al., 1994a [1] mối quan hệ tốc độ tăng trưởng lượng ánh sáng trung bình là: μ= μmax I nav I nk + I nav Trong đó: μ : tốc độ tăng trưởng (1/h) μmax : tốc độ tăng trưởng cực đại (1/h) I av: lượng ánh sáng trung bình bể phản ứng ( μE/m2/s) I k : số phụ thuộc vào giống tảo điều kiện nuôi cấy ( μE/m2/s) n: hệ số thực nghiệm Để tính tốn I avphải sử dụng nguyên tắc thiên văn học (để xác định vị trí Mặt Trời so với bể phản ứng quang sinh học), kỹ thuật lượng mặt trời (để xác định cường độ xạ tới), mối quan hệ Beer-Lambert (Molina Grima et al., 1999) Hình 2.2 Sự suy giảm cường độ ánh sáng PBR Năng lượng ánh sáng trung bình bể phản ứng (Alfano et al., 1986) [6] thể phương trình: I av = Io ¿ ❑eq K a C b Trong đó: Ka: hệ số chết sinh khối (m2/g) Io: Năng lượng ánh sáng trung bình bể phản ứng ( μE/m2/s) ❑eq: Chiều dài đường ánh sáng từ bề mặt đến điểm bể (m) Cb: nồng độ sinh khối thu hoạch (g/l) Mặt khác ❑eqphụ thuộc vào đường kính ống dt: ❑eq = dt 0,065 = =0,13(m) cosθθ 0,5 Trong đó: dt: đường kính ngồi ống (m) Chọn dt =0,065 m [1] cos = 0,5 [3] - Năng lượng ánh sáng trung bình bể phản ứng: Chọn Ka = 0,0369 (m2/g), Cb = 3,2 (g/l) [1] 4,6 ×103 ×4,6 I o=4,6( KW /m /ngày)= =881,67( μ E /m /sθ ) 24 (Theo Plant Growth Chamber handbook chapter [7]: W.m-2 = 4,6 μE/m2/s) I av = - Io [ 1−exp (−❑eq K a C b ) ] ❑eq K a C b Tốc độ tạo thành sinh khối: Chọn μmax = 0,063 (h-1), Ik = 114,67 ( μE/m2/s), n = 1,49 [1] μ= μmax I nav n n I k + I av Theo nghiên cứu nồng độ sinh khối ban đầu tối ưu Co = 0,1 (g/l) Giả sử tế bào sau phân chia đồng khối lượng - Suy thời gian phân chia tế bào là: t ' = - Số lần phân chia: n a=log - Giả sử hiệu suất đạt 100% μ =5lần ( 3,2 0,1 ) Năng lượng mặt Lần Nồng độ sinh trời trung bình phân chia khối C b (g/l) I av ( μE/m2/s) (ni) 0,2 881,25 0,4 880,82 0,8 879,98 1,6 878,3 3,2 874,94 i i - Tốc độ tăng trưởng μi (h-1) 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 Thời gian phân chia t’i (h) 17 17 17 17 17 Thời gian thu hoạch đạt sinh khối 3,2 g/l: t = t’×n a = 17× = 85 h = 3,54 ngày - Theo Edmundson et.al (2015)[8] tổn thất sinh khối trung bình pha tối (sáng/tối: 14h/10h) 6,8 ± 1,4%, chọn tỉ lệ hao hụt pha tối 6,8%, thời gian thu nồng độ sinh khối cuối 3,2 g/l kéo dài khoảng là: T = t + t × 6,8% = 3,54 + 3,54 × 6,8% = 3,78 ngày Tổng thời gian mẻ bao gồm thời gian thời gian chuẩn bị mẻ thời gian thu sinh khối tốt tmẻ = ngày - Năng suất sản xuất sinh khối là: tấn/năm - Thời gian làm việc năm 330 ngày trừ ngày lễ thứ 7, chủ nhật - Số mẻ năm là: - Năng suất nhà máy: - Thể tích mẻ: V0 = 12000/3,2 = 3750 (L/mẻ) = 3,75 (m3/mẻ) 330 = 83 mẻ 1000 =12 (kg/mẻ) = 12000 (g/mẻ) 83 Mặt khác thể tích khí nâng chiểm 12% tổng thể tích, tổng thhể tích phận nhận ánh sáng mẻ [1]: V = V0 - V0 × 0,12 = 3,75 - 3,75 × 0,12 = 3,3 (m3) - π d t2 π × 0,0652 −3 Diện tích mặt cắt ống: S= = =3,3× 10 (m ) 4 - Tổng chiều dài ống: Leq = S = V 3,3 =1000 (m) 3,3 ×10−3  Tính tốn số lượng co số lượng ống [2] Hình 2.3 Kích thước ống - Thể tích ống: V1= 7,21 L = 7,21×10−3(m3) Bảng 2.1 Thơng số kích thước co - Thể tích co: V2 = 1,2 L = 1,2×10−3(m3) - Tổng thể tích nhận ánh sáng: V = 3,3 m3 Ta có: số co (y) = số ống (x) + Do : V = V1× x + V2×y  3,3 = 7,21×10−3 × x + 1,2×10−3 ×(x+ 1)  x = 392  y = 393 Vậy số co 392 co, số ống 393 ống 2.2 Tính tốn thiết bị khí nâng Hệ thống nâng khí tạo chất lỏng lưu thơng thơng qua vịng lặp ống liên tục, nơi mà trình quang hợp tảo diễn Oxy tạo từ trình quang hợp tách phận nâng khơng khí chất lỏng quay trở lại Một bể nước xả đầu ống nâng ống dẫn xuống giúp ngăn bong bóng khí hình thành Để thiết kế bể khử khí, ta cần tính tốn thơng số sau: - Chiều dài bể (LD) - Độ rộng bể (W) - Chiều cao mực nước bể (hd) 10 - Chiều cao thành bể (X) Theo tài liệu tham khảo, nồng độ khơng khí bão hịa mà khơng ức chế sinh trưởng tảo 100% đến 250%.[2] Giả sử hệ thống khử khí có khả đảm bảo cho nồng độ oxi khơng khí bão hịa nằm khoảng này, ta có: [O2]out: 100% khơng khí bão hòa tương đương 8,22 mg/l [1] = 0,25 mol/m3 [O2]in: 250% khơng khí bão hịa tương đương 8,22× 2,5 = 20,55 mg/l = 0,64 mol/m3 Ta có cơng thức: RO2 = KLa × ([O2]in - [O2]out) Theo E Molina et al., tốc độ tạo thành oxi tối đa chọn 0,003 mol/m3.s Với RO2 = 0,003 mol/m3.s [1]  K L a= RO [ O2 ]¿ −[ O2 ]out = 0,003 =0,0077/s 0,64−0,25 Tham khảo kết E Molina et al., 2001: Theo kết nghiên cứu trên, với chiều dài tối đa bể L = 80m vận tốc dòng UL = 0,5 m/s hệ số truyền khối KLa có giá trị: K L a= U L 0,5 = =0,00625 /sθ L 80 So với KLa = 0,00625/s báo, giá trị KLa = 0,0077/s chấp nhận Sử dụng giá trị KLa = 0,0077/s, ta có được: L= Chiều dài ống thẳng tối đa bể: UL = =130 m K L a 0,0077 11 - Số lượng ống bể: x'= - L 130 = =52 ống L1 2,5 Số lượng co bể: y ' =x ' −1=52−1=51 co - Tổng chiều dài ống toàn bể: (với chiều dài ống L1 = 2,5 m) Lống =L1 × y=2,5 ×393=982,5 m - Tổng chiều dài co toàn bể: Lco = Leq – Lống = 1000 – 982,5 = 17,5 m  Số bể cần thiết là: n’ = Lống / L = 982,5/130 = bể  Tổng thể tích bể: V bể = V0/n’ = 3750/8 = 468,75 L Để tối ưu thời gian tảo nằm hệ thống thu nhận ánh sáng thể tích bể khử khí phải nhỏ 12% tổng thể tích bể (Vkk  12% × V1 bể) Ở thiết bị này, ta chọn Vkk = 12% × V1 bể  Vkk =12% × 468,75 = 56,25 L Dựa vào cấu tạo bể khử khí, ta thấy độ rộng bể với đường kính ống  W = dt = 0,065 m Thơng thường, vận tốc trung bình chất lỏng ống nâng khí UL < m/s, UL vượt m/s gây tượng vỡ tế bào Ở đây, ta chọn UL = m/s Vận tốc trung bình dịng khí hệ ;thống tính cơng thức: UG = × UL = ×1 = m/s Theo Zuber and Findlay (1965), số lượng bọt khí tạo thành ống nâng khí tính cơng thức: ϵr= β Ub λ+ U L+ U G Trong : β= UG = =0,8; U L +U G +1 λ tham số đặc trưng cho vận tốc xuyên tâm có giá trị nằm khoảng 1,0 – 1,3 Để tìm giá trị bọt khí lớn nhất, ta chọn λ = 1,1 U b = 0,2 m/s [1] 12  ϵr= 0,8 =0,7 0,2 1,1+ 1+4 Ta có Re tính cơng thức: ℜ= ρ× d t ×U L μL Theo thực nghiệm UL = 0,5 m/s hệ số Re = 26000  Khi ta chọn UL = m/s hệ số Re = 52000 Ta có: Re = 52000 < 105  Chảy hỗn hợp  Cf = 5,23 × 10-3 Ta có: U L=  hr = m √ g ×ϵ r ×h r L ×C f × dt √ 10× 0,7 ×h r ×5,23 ×10−3 × 130 0,065 =1 Trong đó: ϵ r số lượng bọt khí ống nâng khí (ϵ r =0,7 ¿ ϵ d số lượng bọt khí ống xả (ϵ d =0 ¿ hr chiều cao cột nước (m) g gia tốc trọng trường (g =10 m/s2) L chiều dài tổng bể (L = 130 m) Để cho sinh khối không bám đáy bể khử khí cột nước lên phải cao cột nước xuống góc 60o Hình 2.4 Bộ tách chất lỏng khí 13 Với: hD: chiều cao cột chất lỏng bể khử khí (m) dt = W = 0,065m: độ rộng vùng khử khí LD: chiều dài bể khử khí (m) l: khoảng cách từ tâm ống vào đến tâm ống bể khử khí (m) VR: thể tích chất lỏng cột nước lên (m3) VD: thể tích chất lỏng cột nước xuống (m3) Vx: thể tích chất lỏng góc lệch 600 (m3) VL: thể tích chất lỏng thiết bị khử khí (m3) Chọn chiều dài bể LD = 1m => l = LD – 0,065 = 0,935 m - Thể tích chất lỏng cột nước lên: π dt π ×0,0652 V R= ×h R = × 3=10 L 4 - Thể tích chất lỏng cột nước xuống: π d t2 π ×0,0652 V D= × hR = × 3=10 L 4 - Thể tích chất lỏng góc lệch 600 : 1 V x = ×a × b× d t = ×0,87 × 0,5× 0,065=14 L 2 Với a = LD – 2dt = – 0,065 × = 0,87 m b = tan 30 × a = tan 30 × 0,87 = 0,5 m - Thể tích chất lỏng thiết bị khử khí: VL = Vkk – VR – VD – Vx = 56,25 – 10 – 10 – 14 = 22,25 L Chiều cao mực chất lỏng bể khử khí: hD= VL 22,25 = =¿ 0,34 m L D × d t ×0,065 Để q trình khử khí diễn hiệu thời gian dịch lỏng từ ống vào đến ống vùng khử khí phải lớn thời gian bọt khí lên bề mặt chất lỏng  LD⩾ hd  Chấp nhận giá trị LD = m hd = 0,34 m  Chiều cao thành bể phải lớn 0,34 m  Chọn chiều cao thành bể X = m 14 Tóm lại, để đáp ứng nhu cầu sản xuất sinh khối tảo/năm, bể khử khí cần thiết kế theo thơng số sau: Chiều dài bể: LD = m Chiều cao bể: X = m Chiều cao mực nước bể: hD = 0,34 m Độ rộng bể: W = 0,065 m Chiều cao cột nước nâng: hr = m Đáy bể hợp với chiều cao bể góc 60º 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Molina, E., Fernández, J., Acién, F G., & Chisti, Y (2001) Tubular photobioreactor design for algal cultures Journal of biotechnology,92(2), 113-131 [2] Tubular Glass Photobioreactors SCHOTT AG [3] Cronin, T W (2014) On the choice of average solar zenith angle.Journal of the Atmospheric Sciences, 71(8), 2994-3003 [4] Polo, J., Bernardos, A., Martínez, S., & Peruchena, C F (2015) Maps of solar resource and potential in Vietnam [5] Grima, E M., Camacho, F G., Pérez, J A., Sevilla, J M., Fernandez, F G., & Gomez, A C (1994) A mathematical model of microalgal growth in light‐limited chemostat culture Journal of chemical technology and biotechnology, 61(2), 167173 [6] Alfano, O.M., Romero, R.L., Cassano, A.E., 1986 Radiatiofield modelling in photoreactors I Homogeneousmedia Chem Eng Sci 41, 421–444 [7] John C Sager and J Craig McFarlane, 1997 Plant Growth Chamber handbook chapter1 USA: Iowa State University [8] Edmundson, S J., & Huesemann, M H (2015) The dark side of algae cultivation: Characterizing night biomass loss in three photosynthetic algae, Chlorella sorokiniana, Nannochloropsis salina and Picochlorum sp Algal Research, 12, 470476 [9] Zuber NN, Findlay JA Average Volumetric Concentration in Two-Phase Flow Systems ASME J Heat Transfer 1965;87(4):453-468 doi:10.1115/1.3689137 16 ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC & KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG  TIỂU LUẬN MÔN HỌC THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG SINH HỌC THIẾT KẾ BỂ QUANG SINH HỌC SẢN XUẤT SINH KHỐI TẢO PHAEODACTYLUM. .. sinh khối giá trị quan trọng cần tối ưu thiết kế thiết bị bể phản ứng quang sinh học trình thu sinh khối tảo Năng suất sinh khối kiểm sốt ánh sáng Trong điều kiện nuôi cấy, tốc độ tạo thành sinh. .. đa bể: UL = =13 0 m K L a 0,0077 11 - Số lượng ống bể: x''= - L 13 0 = =52 ống L1 2,5 Số lượng co bể: y '' =x '' ? ?1= 52? ?1= 51 co - Tổng chiều dài ống toàn bể: (với chiều dài ống L1 = 2,5 m) Lống =L1