ĐỒ án CHUYÊN NGÀNH THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG LÊN MEN SẢN XUẤT l LYSINE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG LÊN MEN SẢN XUẤT L-LYSINE Sinh viên Nguyễn Thị Hồng Tươi MSSV 20175335 Lớp KTSH.01 – K62 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Lê Thanh Hà Bộ môn: Công nghệ sinh học Viện: Công nghệ sinh học Công nghệ thực phẩm Chữ ký GVHD HÀ NỘI, - 2021 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 LỜI MỞ ĐẦU L-lysine axit amin khơng thay thế, đóng vai trị quan trọng thể người động vật Lysine cung cấp qua thực phẩm giàu lysine trứng, sữa, đậu tương, cá, … bổ sung trực tiếp Tuy nhiên, ngày nay, lượng L-lysine thực phẩm chưa đủ để cung cấp cho người động vật, nên cần bổ sung cách sản xuất L-lysine thành dạng thuốc hay thức ăn cho người động vật Nhờ mà ngành cơng nghiệp sản xuất L-lysine ngày phát triển Hiện nay, L-lysine sản xuất chủ yếu phương pháp lên men từ chủng vi sinh vật Việc sử dụng chủng vi sinh vật có khả sản xuất Llysine có ý nghĩa sản lượng L-lysine lớn, nguồn nguyên liệu rẻ tiền, hiệu kinh tế cao Vì vai trị, ứng dụng thiết yếu L-lysine, em xin thực đề tài “Thiết kế phân xưởng lên men sản xuất lysine từ rỉ đường suất 40000 m3 dịch lên men/năm” Trong thời gian làm đồ án chuyên ngành, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình PGS TS Lê Thanh Hà, em xin chân thành cảm ơn cô Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu Lysine 1.1.1 Tính chất 1.1.2 Vai trò L-lysine 1.1.3 Tình hình phát triển công nghiệp sản xuất L-lysine giới………… 1.1.4 Các phương pháp sản xuất L-lysine 1.2 Sử dụng vi sinh vật để lên men sản xuất L-lysine 10 1.2.1 Chủng sản xuất 10 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng trình lên men L-lysine 12 1.2.3 Rỉ đường 16 PHẦN LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH 19 2.1 Đặc tính kỹ thuật chủng 19 2.2 Đặc điểm trình lên men 20 2.3 Quy trình công nghệ 20 2.3.1 Chuẩn bị môi trường lên men 20 2.3.2 Thanh trùng môi trường 24 2.3.3 Hoạt hoá giống 24 2.3.4 Nhân giống 25 2.3.5 Lên men 25 2.3.6 Thu hồi sản phẩm 26 PHẦN CÂN BẰNG SẢN PHẨM 28 3.1 Cân sản phẩm 28 3.1.1 Nhân giống thứ cấp bậc 29 3.1.2 Nhân giống thứ cấp bậc 29 3.1.3 Nhân giống sơ cấp 30 3.1.4 Hoạt hóa giống 30 3.2 Chuẩn bị môi trường lên men 31 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 3.2.1 Thành phần môi trường lên men 31 3.2.2 Xử lý rỉ đường 32 3.2.3 Xử lý tinh bột ngô 33 3.2.4 Nguồn Nitơ chất dinh dưỡng khác 34 3.3 Nhu cầu Oxy 35 3.4 Nguyên liệu cho trình CIP (Cleaning in plance) 36 3.5 Tổng kết 37 PHẦN TÍNH TỐN THIẾT BỊ 40 4.1 Thiết bị lên men 40 4.1.1 Tính tốn phần thiết bị 40 4.1.2 Khuấy trộn 42 4.1.3 Thanh chắn 43 4.1.4 Tính tốn sục khí khuấy trộn 43 4.2 Lựa chọn thiết bị khác 51 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Cấu trúc phân tử lysine Hình Sự tăng trưởng sản xuất L-lysine toàn cầu [4] Hình Hình ảnh vi khuẩn C glutamicum 11 Hình Con đường sinh tổng hợp L-lysine chủng Corynebacterium glutamicum [9] 12 Hình Sinh tổng hợp lysine nhờ chủng C glutamicum Lys-12 sử dụng rỉ đường [9] 19 Hình Sơ đồ công nghệ sản xuất L-lysine từ rỉ đường [2,9] 20 Hình Cấu tạo thiết bị lên men [1] 40 Hình Cánh khuấy loại đĩa tuabin tiêu chuẩn thiết kế (Rushton impeller) [11] 42 Hình Nhu cầu oxy chủng C glutamicum bacterium lên men L-lysine 45 Hình 10 Quan hệ Power number Reynold 47 Hình 11 Quan hệ Na tỉ lệ Pg/Pu 48 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Hàm lượng lysine 100g phần ăn số thực phẩm [3] Bảng Thành phần rỉ đường mía [2] 17 Bảng Thành phần chất tro rỉ đường mía (%) [2] 17 Bảng Thành phần nồng độ môi trường nhân giống thứ cấp bậc 29 Bảng Thành phần nồng độ môi trường nhân giống thứ cấp bậc 29 Bảng Thành phần nồng độ môi trường hoạt hoá nhân giống sơ cấp 30 Bảng Thành phần môi trường lên men 31 Bảng Tổng kết nhu cầu nguyên liệu 37 Bảng Các thông số thiết bị lên men 50 Bảng 10 Các thiết bị phụ 51 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 PHẦN TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu Lysine 1.1.1 Tính chất Lysine ký hiệu Lys, cịn có tên gọi khác 2,6-diaminohexanoic acid, có cơng thức phân tử C6H14N2O2, khối lượng phân tử 146.19 g/mol, có điểm đẳng điện pI= 9.59, nhiệt độ phân huỷ 224-225oC Lysine α-axit amin, axit amin không thay thế, thiết yếu cho hoạt động sống người động vật Lysine tồn hai dạng đồng phân lập thể D- lysine L- lysine Đồng phân L-lysine dạng hoạt động sinh học tìm thấy tế bào sống [1] L-lysine D-lysine Hình Cấu trúc phân tử lysine Lysine dễ tan nước, acid kiềm, khó tan cồn khơng tan ete Lysine tinh thể có màu trắng, hình lục giác, có vị chát Lysine axit amin nên mang đầy đủ tính chất axit amin, tham gia phản ứng chuyển vị amino để tạo thành amino axit khác, tham gia phản ứng tổng hợp protein tế bào 1.1.2 Vai trò L-lysine Trong thể, lysine vừa đóng góp phần xây dựng tế bào, vừa đóng vai trị quan trọng q trình chuyển hố chất Khơng có giá trị sinh học protein, lysine cịn thực nhiều chức sinh hố khác như: có tác dụng giúp tiết enzyme dịch vị, đồng thời góp phần vào việc vận chuyển canxi tế bào, làm cân nito thể Thiếu lysine, thể người không Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 hoạt động bình thường, đặc biệt với lứa tuổi dậy thì, thiếu lysine dẫn đến hậu chậm lớn, còi cọc, trí tuệ phát triển Ngồi ra, lysine cịn góp phần giúp người cải thiện lo âu, triệu chứng tâm lý khác, giảm thiểu vấn đề liên quan đến bệnh tiểu đường Lysine cịn đóng vai trò quan trọng việc hấp thụ canxi, tạo bắp, phục hồi sau chấn thương hay sau phẫu thuật Lysine cịn tham gia vào q trình tổng hợp enzyme, hormone kháng thể Do đó, LLysine thường bổ sung vào phần ăn trẻ cách cho thêm vào thức ăn hay dạng viên uống Nhu cầu lysine người lớn 30 mg/kg/ngày trẻ em 35 mg/kg/ngày [2] Trong loại thức ăn từ ngơ, gạo, khoai lang, sữa, … có hàm lượng lysine thấp, L-lysine bổ sung vào thức ăn để làm tăng giá trị sử dụng Chẳng hạn như, bổ sung 0.5% L-lysine làm tăng giá trị sử dụng protein tương đương 20% bột đậu nành Bổ sung 0.9% L-lysine vào phần thức ăn cho gà tăng khối lượng 28.9% Nhờ vậy, giảm chi phí thức ăn tới 18% bổ sung kg L-lysine vào thức ăn cho lợn Trong chăn ni, sử dụng L-lysine thơ có lợi so với L-lysine tinh khiết cịn chứa vitamin khác B1, B2, PP [1,2] Bảng Hàm lượng lysine 100g phần ăn số thực phẩm [3] Thực phẩm Hàm lượng (mg/100g) Thực phẩm Hàm lượng (mg/100g) Cá ngừ 2147 Khoai tây 100 Ca hồi 1985 Gạo tẻ 239 Cá thu 1600 Ngô bắp tươi 100 Cá chép 1249 Vừng 680 Thịt bò 1557-1950 Hạt lạc 990 Thịt gà ta 1859 Giá đậu tương 392 Thịt trâu 1610 Sữa mẹ 110 Đậu tương 1970 Sữa bò tươi 320 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Đậu xanh 2145 Sữa đậu nành (100 g đậu/L) 162 Đậu Hà Lan 1772 Sữa chua 360 Khoai lang 30 Pho mát 1883 1.1.3 Tình hình phát triển công nghiệp sản xuất L-lysine giới L-lysine thường sản xuất thương mại dạng L-lysine monohydrochloride (L-lysine-HCl), với độ tinh khiết cao 98.5% trọng lượng tương ứng với 78.8% trọng lượng lysine tự [4] Sản lượng L-lysine giới tăng đột biến từ 1170000 vào năm 2011, đến năm 2015 2220000 Dự đoán thị trường trọng năm tới có đà tăng trưởng khồng 5-8%/năm Sản xuất tiêu thụ tập trung chủ yếu Trung Quốc (trên 50% công suất 25% lượng tiêu thụ), Mỹ (15-20% công suất lượng tiêu thụ) Hiện nay, lysine giới sản xuất hàng năm, chủ yếu công ty CJ CheilJedang (Hàn Quốc), ADM (USA), Global Bio-Chen Tech (Trung Quốc), Ajinomoto (Nhật Bản), Evonik (Germany) [1] Hình Sự tăng trưởng sản xuất L-lysine toàn cầu [4] 1.1.4 Các phương pháp sản xuất L-lysine Các phương pháp sản xuất axit amino phân thành loại, bao gồm: Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 − Chiết xuất − Tổng hợp hoá học − Phương pháp công nghệ sinh học: tổng hợp enzyme lên men Lợi phương pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố kinh tế, tình hình liên quan đến nguyên liệu thô, thị trường quy định môi trường Cho tới thời điểm tại, L-lysine sản xuất đường: tách chiết từ dịch thuỷ phân protein, tổng hợp hoá học tổng hợp công nghệ sinh học (enzyme lên men) 1.1.4.1 Tách chiết Đây phương pháp sử dụng để thu L-lysine từ casein từ năm 1889 Tuy nhiên, phương pháp phụ thuộc vào sẵn có từ ngun liệu thơ giàu protein tự nhiên keratin, đậu tương, … nên khó đáp ứng nhu cầu ngày nay, nên không áp dụng vào quy mô công nghiệp Phương pháp thuỷ phân protein, sau sử dụng phương pháp tách chiết để thu L-lysine 1.1.4.2 Tổng hợp hoá học Phương pháp tổng hợp đồng thời hai đồng phân D- L-lysine, cần bước phân giải quang học để thu đồng phân L-lysine Bước phân giải làm cho sản phẩm có giá thành cao, phương pháp không ứng dụng nhiều để sản xuất L-lysine 1.1.4.3 Tổng hợp enzyme So với tổng hợp hoá học, tổng hợp enzyme cho phép thu L-lysine có độ tinh khiết nồng độ cao hơn, có sản phẩm phụ Tuy nhiên, hiệu phương pháp phụ thuộc chủ yếu vào chất lựa chọn cho enzyme giá thành củacow chất L-lysine sản xuất thương mại từ DL-α- amino-εcaprolactam Đây phương pháp không phù hợp để áp dụng vào quy mô công nghiệp sản xuất L-lysine Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 + Đường kính cánh khuấy d= (0.33፥0.5)Dt + Khoảng cách cánh khuấy đáy thiết bị A= 0.5d + Khoảng cách tầng cánh khuấy: B= d, C= (0.5፥1)d + Tấm chắn có chiều rộng b= Dt/10- Dt/12 + Khoảng cách từ chắn đến thành thiết bị c= D/72- D/50 + Hệ thống phân phối khí dạng đĩa lỗ đặc cánh khuấy Ta có: Vđáy= Vđỉnh= 𝜋ℎđ (ℎđ2 + 3𝑟đ2 )= 𝜋∗0.25𝐷𝑡 𝐷𝑡2 ( 16 +3∗ 𝐷𝑡2 )= 13𝜋𝐷𝑡3 384 VT= V+ Vđáy+ Vđỉnh= V+ 2Vđáy= 100 𝐷2 13𝜋𝐷𝑡3 384 𝐷2 13𝜋𝐷𝑡3 384 => 𝜋*H* 𝑡 +2* => 𝜋*3Dt* 𝑡 +2* 3𝜋 13𝜋 => ( + 192 = 100 = 100 )*𝐷𝑡3 = 100 => Dt= 3.389 m Quy chuẩn theo bảng XIII.6 (đường kính Dt (mm) thân hình trụ) [12] => Dt= 3400 mm = 3.4 m Ta có: VL= Vtrụ (L)+ Vđáy= 70 => 𝜋*Htrụ(L)*r2+ 13𝜋𝐷𝑡3 384 = 70 𝐷 13𝜋𝐷𝑡3 => 𝜋*Htrụ(L)* 𝑡 + => Htrụ(L)= (70 - 384 = 70 13𝜋𝐷𝑡3 𝜋𝐷𝑡2 384 )/ => Htrụ(L)= 7.25 m Các thông số khác: + Chiều cao chất lỏng: HL= Htrụ(L)+ Hđ= 7.25+ 0.85= 8.1 m + Chiều cao đáy/ đỉnh: hđ,= 0.85 m + Chọn chiều cao chân: hc= m 41 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 + Đường kính cánh khuấy: d= 0.395Dt= 1.34 m + Khoảng cách cánh khuấy đáy là: A= 0.5d= 0.67 m + Khoảng cách tầng cánh khuấy: B= C= d= 1.34 m + Chiều rộng chắn: b= Dt/10= 340 mm= 0.34 m + Khoảng cách chắn thành thiết bị: c= Dt/50 = 68 mm= 0.068 m => Tổng chiều cao thiết bị là: HTB= H+ 2hđ+ hc= 10.2 + 2*0.85+ 2= 13.9 m 4.1.2 Khuấy trộn Ngày nay, có nhiều loại cánh khuấy sử dụng thiết bị lên men, sử dụng phổ biến loại đĩa tuabin đĩa cánh quạt Trong loại trên, loại đĩa nhà máy sử dụng chủ yếu đĩa tuabin Hình Cánh khuấy loại đĩa tuabin tiêu chuẩn thiết kế (Rushton impeller) [11] Ta có: + Đường kính cánh khuấy d= 1.34 m + K= 2d/3= 0.89 m + L= d/4= 0.34 m + W= d/5= 0.27 m + Số tầng cánh khuấy: 42 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 𝐻𝐿 −2𝑑 𝑑 4.05 < N < 5.05 => Chọn số tầng cánh khuấy N= 4.1.3 Thanh chắn Để tránh tượng xuất chỗ xoáy lớn bề mặt đảm bảo chuyển động trộn không bị hạn chế, giải pháp đề xuất sử dụng chắn Thông thường, người ta chọn sử dụng chắn phẳng, đặt vng góc với thành thiết bị => Chọn chắn 4.1.4 Tính tốn sục khí khuấy trộn 4.1.4.1 Tốc độ tiêu thụ O2 riêng chủng C.glutamicum trình lên men 𝑞𝑂2 = 𝑆𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐 𝑂2 𝑈𝑝𝑡𝑎𝑘𝑒 𝑅𝑎𝑡𝑒 = 4.0 ∗ 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑂2 𝑔𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠 Tổng lượng Oxygen mà chủng sử dụng lên men phụ thuộc vào 𝑞𝑂2 lượng sinh khối thiết bị lên men, lượng sinh khối thay đổi theo thời gian nên nhu cầu Oxygen thay đổi theo thời gian Nồng độ sinh khối thời điểm lên men: 𝑙𝑛 𝑋 =𝜇∗𝑡 𝑋𝑜 Trong đó: + Xo : nồng độ sinh khối ban đầu, mg/L + X : nồng độ sinh khối thời điểm t, mg/L + 𝜇 : tốc độ sinh trưởng, h-1 43 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 + t : thời gian, h Giả sử, trước pha log nồng độ sinh khối với nồng độ giống cấp ban đầu (xo= 0.1 g/L) suốt pha cân nồng độ sinh khối nồng sinh khối lớn pha log (xsaturation= 66 g/L) => Có thể tính nồng độ sinh khối thời điểm pha log: 𝑙𝑛 𝑋 𝑋𝑜 =𝜇*tlog => X= Xo*𝑒 (𝜇𝑡𝑙𝑜𝑔) Trong đó: + Xo : nồng độ sinh khối thời điểm bắt đầu pha log, mg/L + 𝜇 : tốc độ sinh trưởng riêng, 𝜇= 0.28 h-1 + tlog : thời gian, h (với thời gian bắt đầu pha log, tlog= 0) 4.1.4.2 Nhu cầu oxy chủng Oxygen Uptake Rate (OUR)= Specific O2 uptake rate ( OUR= 4.0 OUR= 4.0 OUR= 4.0 OUR= 4.0 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑂2 * 32𝑚𝑔𝑂2 𝑔𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠 ∗ℎ 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑂2 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑂2 * 32𝑚𝑔𝑂2 𝑔𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠 ∗ℎ 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑂2 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑂2 * 32𝑚𝑔𝑂2 𝑔𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠 ∗ℎ 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑂2 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑂2 * 32𝑚𝑔𝑂2 𝑔𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠 ∗ℎ 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑂2 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑂2 𝑔𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠 ∗ℎ )*Biomass (g) *𝑥𝑡 *𝑥𝑜 = 4.0*32*0.1= 12.8 𝑚𝑔𝑂2 𝐿∗ℎ , pha lag *𝑥𝑜 *𝑒 (𝜇𝑡𝑙𝑜𝑔) , pha log *𝑥𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 4.0*32*66= 8448 𝑚𝑔𝑂2 𝐿∗ℎ , pha cân Với tlag= 0h, tlog= 13h , tstationary= 21h, (From zero to hero—Design-based systems metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for L-lysine production https://sci-hub.se/10.1016/j.ymben.2011.01.003) 44 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Hình Nhu cầu oxy chủng C glutamicum bacterium lên men L-lysine Tính hệ số KLa 4.1.4.3 Trong pha lag, vi sinh vật tiêu thụ O2 Trong pha log, lượng O2 tiêu thụ tăng dần giữ không đổi pha cân Tại thời điểm sinh khối đạt lớn x= 66 g/L, lượng O2 tiêu thụ đạt cực đại đạt 8448 mg/ Lh Giả sử lượng oxygen cấp dưỡng với lượng Oxygen tiêu thụ, ta có: OUR (Oxygen uptake rate)= OTR (Oxygen transfer rate)= KLa*(𝑪∗𝑳 -𝑪𝑳 ) Trong đó: + KL : hệ số chuyển khối, m/h + a : bề mặt riêng khí/lỏng đơn vị thể tích lỏng, m-1 + 𝐶𝐿∗ : nồng độ oxy hoà tan bão hoà, mg/L + CL : nồng độ oxy hoà tan dịch lên men, mg/L + Nồng độ oxygen bão hoà dịch lên men có nồng độ muối thấp, áp suất khí atm, 25oC: 𝐶𝐿∗ = 6.8 mg O2/L + Nồng độ oxygen hoà tan dịch phụ thuộc vào áp suất Áp suất riêng phần nước 25oC tính theo cơng thức Antoine: 1839 1839 Log10 (Partial pressure water vapor)= 5.4= 5.4𝑇−31.7 273+25−31.7 45 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 + Áp suất riêng phần nước = 22.5 mmHg Áp suất tuyệt đối thiết bị lên men (giả sử áp suất thiết bị lớn áp suất khí psi): Pabs= Pgage+Patm= psi * 51.7 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑝𝑠𝑖 + 760 mmHg= 1018 mmHg= 1.3 atm Nồng độ oxy hoà tan bão hoà thực tế thiết bị: 𝑃𝑏 −𝑃𝑣 𝐶𝐿∗𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑡𝑒𝑑 = 𝐶𝐿∗ * 𝑃𝑎𝑡𝑚 −𝑃𝑣 = 6.8* 1018−22.5 760−22.5 = 9.2 mg O2/L Trong đó: + Pb : áp suất tuyệt đối thiết bị, mmHg, Pb= 1018 mmHg + Pv : áp suất riêng phần nước, mmHg, Pv= 22.5 mmHg + Patm: áp suất khí quyển, mmHg, Patm= 760 mmHg + 𝐶𝐿∗ : nồng độ oxygen hoà tan bão hoà áp suất khí quyển, 25oC, 𝐶𝐿∗ = 6.8 mg O2/L Quá trình lên men hiếu khí với chủng C.Glutamicum thường thực với nồng độ oxy hoà tan dịch lên men 20%, nên: CL= 0.2*𝐶𝐿∗ = 0.2*9.2= 1.84 mg O2/L OTR (t)= OUR (t)= KLa*(𝐶𝐿∗ − 𝐶𝐿 ) Giá trị KLa lớn OUR lớn nhất, nồng độ sinh khối đạt lớn nhất: 𝐾𝐿 𝑎𝑚𝑎𝑥 = 4.1.4.4 𝑂𝑈𝑅𝑚𝑎𝑥 𝐶𝐿∗ −𝐶𝐿 = 8448 = 1147.8 h-1 9.2−1.84 Tốc độ cánh khuấy Chọn hệ số Reynold: Rei= 𝜌𝐿 ∗𝑁𝑖 ∗𝐷𝑖2 𝜇𝐿 =25000 (Chảy xốy) Trong đó: + 𝜌𝐿 : khối lượng riêng môi trường lên men, kg/m3 + Ni : tốc độ cánh khuấy, rpm 46 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 + Di : đường kính cánh khuấy, m + 𝜇𝐿 : độ nhớt môi trường lên men, kg/ms Các đặc điểm môi trường ảnh hưởng đến đặc điểm dòng chảy bên thiết bị Độ nhớt 𝜇 = 0.05 kg/ms tìm thấy nghiên cứu môi trường thông dụng Ta lấy 𝜇𝐿 =0.05 kg/ms, với cánh khuấy Rushton turbine lựa chọn sử dụng Ta có đường kính cánh khuấy Di= d= 1.34 m, khối lượng riêng môi trường 𝜌𝐿 = 1268.53 kg/m3 => Tốc độ cánh khuấy: Ni = 4.1.4.5 𝑅𝑒𝑖 ∗𝜇𝐿 = 25000∗0.05 𝜌𝐿 ∗𝐷𝑖2 1268.53∗1.342 =0.55 s-1= 33 rpm Tính tốn số điện power number Pn điện tiêu thụ Pu, Pg Hình 10 Quan hệ Power number Reynold Chọn cánh khuấy Rushton turbine có cánh, dựa vào Re tỉ lệ 𝑊 cánh khuấy, tra hình có power number Pn= => Điện tiêu thụ với thiết bị khơng sục khí Pu: Pu= Pn*𝜌𝐿 *𝑁𝑖3 *𝐷𝑖5 =5*1268.53*0.553*1.345= 4559.14 W= 4.56 kW 47 = 𝐷𝑖 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Thiết bị có tầng cánh khuấy: => Pu= 5*4.56= 22.8 kW Điện tiêu thụ thiết bị có sục khí Pg: 𝑃𝑔 =fNA 𝑃𝑢 Hình 11 Quan hệ Na tỉ lệ Pg/Pu Từ lưu lượng khí Fa= 0.1 vvm => Qa= 0.1167 m3/s Ta có: NA= 𝑃𝑔 = 𝑃𝑢 𝑄𝑎 𝑁𝑖 𝐷3𝑖 = 0.1167 0.55∗1.343 = 0.088 0.425 => Pg= 0.425*Pu= 0.25*22.8= 9.69 kW Trong đó: + NA: số thơng khí + Qa: tốc độ thơng khí,m3/s, =Fa*VR + Fa: lưu lượng khí, vvm + VR: thể tích thùng phản ứng, m3 + Ni: tốc độ cánh khuấy, s-1 + Di: đường kính cánh khuấy, m 4.1.4.6 Tốc độ sục khí, vs 48 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 𝑃 KLa= k*(𝑉𝑔 )0.4*(vs)0.5*N0.5 𝑅 Trong đó: + k: số thực nghiệm phụ thuộc vào chất lỏng thùng phản ứng, k= 0.6 + KLa: hệ số chuyển khối, h-1 + Pg: điện tiêu thụ với thiết bị có sục khí, kW + VR: thể tích thùng phản ứng, m3 + vs: vận tốc khí, m/s,= Qa/A, A- tiết diện thùng phản ứng, m2, Qa- lưu lượng khí, m3/s + N: tốc độ cánh khuấy, s-1 Ta có: (vs)0.5= 𝐾𝐿 𝑎 𝑃𝑔 𝑘∗( )0.4 ∗𝑁 0.5 𝑉𝑅 1147.8 = 9.69 0.4 0.6∗( ) ∗0.550.5 ∗3600 70 = 1.58 => vs= 2.49 m/s 4.1.4.7 Tính lỗ sục khí Lỗ sục khí có hình trịn, đường kính 0.05 m, diện tích lỗ sục khí: S= 𝜋𝑑2 = 𝜋∗0.052 = 1.96*10-3 m2 Lưu lượng khí lỗ: Qo= vs*S= 2.49*1.96*10-3= 4.88 L/s Trong đó: + vs: tốc độ sục khí + Qo: Lưu lượng khí lỗ + S: Tiết diện lỗ sục khí Số lỗ sục khí thiết bị: n= 𝑄 𝑄0 = 0.1∗103 = 4.88 49 20.5 lỗ Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 => Số lỗ sục khí thiết bị lên men: n= 21 lỗ Bảng Các thông số thiết bị lên men Thơng số Đơn vị Giá trị Đường kính Dt m 3.4 Đường kính ngồi m 3.42 Chiều cao thân trụ H m 10.2 Chiều cao đỉnh hđ m 0.85 Chiều cao đáy hđ m 0.85 Chiều cao chân thiết bị m Chiều cao thiết bị HTB m 13.9 Chiều dày thiết bị m 0.01 Đường kính cánh khuấy d m 1.34 Chiều cao cánh khuấy W= d/5 m 0.27 Số tầng cánh khuấy N tầng Khoảng cách tầng cánh khuấy B=d m 1.34 Vị trí cánh khuấy đáy so với đáy A= 0.5d m 0.67 Tốc độ khuấy rpm 33 Chiều rộng chắn b m 0.34 Chiều dài chắn Hc m 50 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Số chắn chắn Khoảng cách chắn thành thiết bị c m 0.068 4.2 Lựa chọn thiết bị khác - Dự kiến dự trữ rỉ đường để đảm bảo sản xuất tháng, nên tổng lượng rỉ đường cần tháng là: M= 3∗25∗24 32 *22336.74= 1256441.6 kg= 1256.5 rỉ đường V= M/1.3= 966493.56 L= 966.494 m3 Bảng 10 Các thiết bị phụ STT Tên thiết bị Lượng cần Chu kì làm việc/ Năng suất Hệ số sử dụng Thể tích thiết bị/Loại thiết bị Số lượng thiết bị Silo chứa rỉ đường 966.494 m3 tháng 0.9 200 m3 Thiết bị pha loãng 61886.09 L h/mẻ 0.8 30 m3 3200 L/h - Dạng ống xử lý rỉ đường Thiết bị ly tâm* 61267.23 L Thiết bị tiệt trùng** 60654.56 L 40 tấn/h - Dạng Thùng chứa dung dịch H2SO4 98% 55.84 kg - 0.9 50 L Thùng phối trộn dinh dưỡng khác 90196.35 L 25 m3/50 phút 0.85 30 m3 = 30.5 L = 90.2 m3 51 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Thiết bị nhân giống cấp II 10.5 m3 8-9h 0.7 15 m3 Thiết bị nhân giống cấp I 0.525 m3 8-9 h 0.7 m3 Thùng chứa dịch bắp 23944.38 L - 0.9 30 m3 10 Thùng chứa chất phá bọt 1050 L - 0.9 1.5 m3 11 Thùng lên men 210 m3 32 h 0.7 100 m3 = 23.94 m3 * Thiết bị ly tâm dạng ống - Model: GQ150J - Kích thước máy (W/L/H): 60x100x160 (cm) - Lưu lượng tối đa: 3200 L/h - Vật liệu: thép khơng gỉ - Tốc độ vịng tối đa: 14000 vịng/phút ** Thơng số kỹ thuật thiết bị tiệt trùng dạng ALFALAVAL: - Model: M6-FG - Kích thước: 1000x320x920 mm - Bề dày tấm: 0.4 mm - Vật liệu: thép không gỉ, titanium - Năng suất lớn nhất: 16 kg/s (57.6 tấn/h) 52 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 KẾT LUẬN L-lysine đóng vai trị quan trọng thể người động vật Do đó, nhu cầu sử dụng L-lysine ngày tăng, đòi hỏi thị trường đủ lớn để cung cấp đủ lượng L-lysine đến người tiêu dùng Với nhu cầu này, cho thấy tiềm lực hiệu kinh tế mà L-lysine đem lại, ngành công nghiệp sản xuất L-lysine đồng thời ngày phát triển mạnh mẽ Tại Việt Nam, nhu cầu L-lysine cao, đặc biệt ngành chăn nuôi, thuỷ sản, cần lượng thức ăn có bổ sung L-lysine vơ lớn Tuy nhiên, Việt Nam ngày chưa có sở sản xuất L-lysine mà cần phải nhập từ nước ngồi Hy vọng nước ta vào việc sản xuất axit amin, nước ta nước có tiềm sản xuất axit amin, L-lysine với lợi dồi nguồn dinh dưỡng từ phụ phẩm ngành công nghiệp, để đáp ứng nhu cầu nguồn thức ăn chăn ni, giảm chi phí thức ăn, giảm lượng chất thải Qua trình tìm hiểu thực đề tài này, giúp em có thêm kiến thức axit amin, đặc biệt L-lysine, biết thêm tầm quan trọng Llysine người, biết thêm phương pháp sản xuất L-lysine Mặc dù cố gắng để tìm hiểu đề tài này, hiểu biết tìm kiếm thơng tin cịn hạn chế nên khó tránh khỏi thiếu sót nội dung Đồ án này, em mong góp ý bảo thầy cô để Đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 53 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trygve Brautaset, Trond E Ellingsen, Lothar Eggeling: Comprehensive Biotechnology (Third Edition) - Lysine Industrial Uses and Production; Reference Module in Life Sciences; Volume 3, 2017, pages 572 - 586 Quản Lê Hà, Nguyễn Thị Hiền; Công nghệ sản xuất axit amin ứng dụng nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2011 Bộ Y tế, viện Dinh dưỡng; Bảng thành phần thực phẩm Việt Nam; nhà xuất Y học, 2007 Scott Jenkins, Technology profile: L-lysine HCI production from glucose, Chemical Engineering, January 1, 2016 M Moosavi-Nasab, S Ansari, Z Montazer; Fermentative production of Lysine by Corynebacterium glutamicum from different carbon sources; Iran Agricultural Research, 2007 Savas G Anastassiadis; L-lysine fermentation; Recent Patents on Biotechnology, 2007 Anusree M; Utilisation of agro residual biomass for L-lysine production by Corynebacterium glutamicum; Council of Scientific and Industrial Research, National Institute for Interdisciplinary Science and Technology, Thiruvananthapuram, India, 2016 Phạm Thị Ngọc Lan, Ngơ Thị Tường Châu; Giáo trình Vi sinh vật học công nghiệp, nhà xuất Đại học Huế, 2013 From zero to hero—Design-based systems metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for L-lysine production 10 Omar Anaya - Reza, Teresa Lopez - Arenas; Comprehensive assessment of the L Biosystems Engineering, 2017, Volume 40, 1033 - 1048 54 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 11 Hans Peter Meyer, Wolfgang Minas, Diego Schmidhalter; Idustrial Biotechnology: Products and Processes, first edition, Chapter 1: Industrial - Scale Fermentation; Wiley-VCH Verlay GmbH & Co KGaA, 2017 12 Tập thể tác giả; Sổ tay Q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất, tập 2; nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 55 ... pháp lên men thường sử dụng để sản xuất L-lysine lên men theo mẻ, lên men cấp dưỡng lên men bán liên tục Lên men theo mẻ (batch fermentation) Tất dinh dưỡng bổ sung vào thiết bị lên men từ đầu... Nồng độ L-Lysine thu 120 g L-Lysine/ L dịch lên men Nồng độ sinh khối thu 66 g/L dịch lên men Sau mẻ lên men, với thiết bị thu 70 m3 dịch lên men có nồng độ L-Lysine 120g/L Tiến hành lên men 300... 2.3.5 Lên men Mục đích: Lên men thu L-lysine tổng hợp tiết trình sinh trưởng, phát triển Điều kiện lên men: − Quá trình lên men tiến hành theo phương pháp lên men theo mẻ − Thời gian lên men: 30