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 m dịch lên men/năm” Trong thời gian làm đồ án chuyên ngành, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình cô 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 1.2.3 12 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 cơng nghệ 20 2.3.1.Chuẩn bị môi trường lên men 2.3.2.Thanh trùng môi trường 20 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 toán 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 tồn cầu [4] Hình Hình ảnh vi khuẩn C glutamicum Hình Con đường sinh tổng hợp L-lysine chủng Corynebacterium glutamicum [9] 11 12 Hình Sinh tổng hợp lysine nhờ chủng C glutamicum Lys-12 sử dụng rỉ đường 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 [9] 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 mơi trường hoạt hố 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 o đẳng điện pI= 9.59, nhiệt độ phân huỷ 224-225 C 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 + Di : đường kính cánh khuấy, m + : độ nhớt môi trường lên men, kg/ms Các đặc điểm mơi trường ảnh hưởng đến đặc điểm dịng chảy bên thiết bị Độ nhớt = 0.05 kg/ms tìm thấy nghiên cứu môi trường thông dụng Ta lấy =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 = 1268.53 kg/m => Tốc độ cánh khuấy: ∗ 25000∗0.05 Ni= = =0.55 s-1= 33 rpm 4.1.4.5 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 cánh khuấy, tra hình có power number Pn= Điện tiêu thụ với thiết bị khơng sục khí Pu: =1 Pu= Pn* * * =5*1268.53*0.553*1.345= 4559.14 W= 4.56 kW 47 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: =fNA Hình 11 Quan hệ Na tỉ lệ Pg/Pu Từ lưu lượng khí Fa= 0.1 vvm => Qa= 0.1167 m /s Ta có: NA= = 0.1167 0.55∗1.34 = 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,m /s, =Fa*VR + Fa: lưu lượng khí, vvm + VR: thể tích thùng phản ứng, m + 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 KLa= k*( )0.4*(vs)0.5*N0.5 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, m + vs: vận tốc khí, m/s,= Qa/A, A- tiết diện thùng phản ứng, m , Qa- lưu lượng khí, m /s + N: tốc độ cánh khuấy, s - Ta có: 0.5 (vs) = = ∗( )0.4 ∗ 0.6∗( 0.5 1147.8 9.69 70 0.4 ) 0.5 ∗0.55 = 1.58 ∗3600 => 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= = ∗0.052 = 1.96*10-3 m2 Lưu lượng khí lỗ: -3 Qo= vs*S= 2.49*1.96*10 = 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= 0= 0.1∗10 49 4.88 = 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 *22336.74= 1256441.6 kg= 1256.5 rỉ đường 32 V= M/1.3= 966493.56 L= 966.494 m 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 Silo chứa rỉ đường 966.494 m Thiết bị pha loãng Số lượng thiết bị 3 tháng 0.9 200 m 61886.09 L h/mẻ 0.8 30 m 61267.23 L 3200 L/h - Dạng ống 60654.56 L 40 tấn/h - Dạng 3 xử lý rỉ đường Thiết bị ly tâm Thiết bị tiệt * ** trùng Thùng chứa dung dịch H2SO4 98% 55.84 kg Thùng phối trộn dinh dưỡng khác 90196.35 L - 0.9 50 L 0.85 30 m = 30.5 L = 90.2 m 3 25 m /50 phút 51 Đồ án chuyên ngành SVTH: Nguyễn Thị Hồng Tươi 20175335 Thiết bị nhân giống cấp II 10.5 m Thiết bị nhân giống cấp I 0.525 m Thùng chứa dịch bắp 23944.38 L 10 Thùng chứa chất phá bọt 1050 L 11 Thùng lên men 210 m = 23.94 m 8-9h 0.7 15 m 8-9 h 0.7 1m - 0.9 30 m - 0.9 1.5 m 32 h 0.7 100 m 1 3 3 3 * 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 không gỉ - Tốc độ vòng tối đa: 14000 vòng/phút * Thông 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 ni, thuỷ sản, cần lượng thức ăn có bổ sung L-lysine vô lớn Tuy nhiên, Việt Nam ngày chưa có sở sản xuất L-lysine mà cần phải nhập từ nước 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 cơng nghiệp, để đáp ứng nhu cầu nguồn thức ăn chăn nuôi, 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 để Đồ án hồn 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, Ngô Thị Tường Châu; Giáo trình Vi sinh vật học cơng 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 Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa chất, tập 2; nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 55 ... phương pháp l? ?n men thường sử dụng để sản xuất L- lysine l? ?n men theo mẻ, l? ?n men cấp dưỡng l? ?n men bán liên tục L? ?n men theo mẻ (batch fermentation) Tất dinh dưỡng bổ sung vào thiết bị l? ?n men từ... thu 66 g /L dịch l? ?n men Sau mẻ l? ?n men, với thiết bị thu 70 m dịch l? ?n men có nồng độ L- Lysine 120g /L Tiến hành l? ?n men 300 ngày, thời gian l? ?n men mẻ 32h Vậy số mẻ l? ?n men thực năm l? ?: Số mẻ=... vai trò, ứng dụng thiết yếu L- lysine, em xin thực đề tài ? ?Thiết kế phân xưởng l? ?n men sản xuất lysine từ rỉ đường suất 40000 m dịch l? ?n men/ năm” Trong thời gian l? ?m đồ án chuyên ngành, em nhận hướng