CHƯƠNG 4 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
4.2. Hao hụt qua các công đoạn
4.2.1 Hao hụt vận chuyển
Giả sử hao hụt vận chuyển qua các công đoạn như bảng sau:
STT Công đoạn hiệuKí Tỉ lệ haohụt (%) Hiệu suất(%)
4 Pha chế dịch lên men G4 1 100
5 Tiệt trùng làm nguội G5 1 100
6 Hoạt hóa giống G6 0,5 100
7 Nhân giống cấp 1 G7 0.5 100
8 Nhân giống cấp 2 G8 0.5 100
9 Nhân giống sản xuất G9 0.5 100
10 Lên men G10 0.5 100
11 Thu dịch lên men G11 1 100
12 Ly tâm lần 1 G12 2 90
13 Rửa sinh khối G13 1 100
14 Ly tâm lần 2 G14 1.5 90
15 Sấy đông khô G15 0.5 100
16 Đóng gói G16 0.5 100
Bảng 4. 3: Bảng hao hục qua từng công đoạn4.2.2. Hao hụt ẩm 4.2.2. Hao hụt ẩm
Trong dây chuyền sản xuất, công đoạn cô đặc chân không ngoài hao hụt vận chuyển là 2% còn có hao hụt ẩm do một lương nước mất đi trong quá trình cô đặc. Với nồng độ của sinh khối lactic trước khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị lần lươt là 55% và 85%.
4.3. Các công thức sử dụng
Ta có công thức tính hao hụt: Gtr = Gs x (kg/ca) (CT3.1) [5]. Trong đó:
x là hao hụt trong quá trình vận chuyển qua công đoạn A (%). Gtr là khối lượng của dung dịch trƣớc khi vào công đoạn A( kg) Gs là khối lượng dung dịch sau khi đi qua công đoạn A (kg)
Công thức tính hao hụt ẩm:
Ta có lượng chất khô suốt quá trình không đổi, khi đó: Gck = Gt x = Gs x (Kg) (CT 3.2) [5] Trong đó:
Gt là khối lượng trước khi vào thiết bị (kg) Gs là khối lượng sau khi ra khỏi thiết bị (kg) Wt là hàm lượng ẩm trước khi vào thiết bị (%) Ws là hàm lượng ẩm sau khi ra khỏi thiết bị (%).
4.4. Cân bằng vật chất
Quy ước:
G: Khối lượng nguyên liệu tại các công đoạn V: Thể tích dung dịch
Wx: Độ ẩm dung dịch % W: Là lượng ẩm
4.4.1. Trước chiết chai
G16
P
Năng suất làm việc: P = 316,901 (kg/ca) Tỷ lệ hao hụt là 0,5%
Lượng chất khô thủy phân trước công đoạn đóng gói là: G16 = P x x
G16 = 316,901 x x = 318,494 (kg/ca)
Sấy đông khô
G15 = 318,494 x x = 336,941 (kg/ca)
Ly tâm lần 2
G14 = 482,311 x x = 544,062 (kg/ca)
Rửa sinh khối
G13 = 544,062 x x = 549,558(kg/ca)
Ly tâm lần 1
G12 = 549,558 x x = 623,082(kg/ca)
Thu dịch lên men
G11 = 623,082 x x = 629,375(kg/ca)
4.4.2. Trước lên men
G9 Giống
G10
Ta có khối lượng của 1 tế bào là : 10-12 (g)
Số lượng tế bào trong dịch lên men là: 6,294 x 1017 (tế bào) Nồng độ vi khuẩn trog dịch lên men: 1010 (tế bào/ml)
Giả sử khối lượng riêng của dịch lên men là d =1,032 (kg/L) Thể tích dịch lên men là:
V’10 = = 62937,529 (L/ca) Khối lượng môi trường lên men là:
Gmtlm = d.V’10 = 1,032 x 62937,529 = 64951,530 (kg/ca) Tỉ lệ cấp giống là 10% G10 – Dịch lên men Ta có: Gmtlm = G10 + Ggiống sản xuẩt Đóng gói Lên men
Gmtlm = G10 + 0.1G10
( G giống sản xuất = 10% G dịch lên men )
Suy ra: G10 = Gmtlm / 110% = 64951,530 / 110% = 59046,845 (kg/ca) Giống cấp vào môi trường lên men là:
Ggiống sản xuất = 10% x G10 = 10% x 59046,845 = 5904,685 (kg/ca) Khối lượng dịch cấp vào quá trình lên men:
G’10 = 59046,845 x = 64626,772 (kg/ca) Thể tích dịch lên men:
V10 = (l/ca)
4.4.3. Thu dịch lên men
G10
G11
Khối lượng dịch thu được sau quá trình lên men:
G’11 = G’10 x = 63980,504 (kg/ca) Thể tích dịch sau lên men là:
V11 = 63980,504/ 1,032 = 61996,613 (L/ca)
4.4.4. Ly tâm lần 1
G11
Bả G12
Giả sử sinh khối chiếm 30% dịch lên men, quá trình ly tâm loại bả chiếm 70% Khối lượng bả sau quá trình ly tâm là:
Gbả = G’11 x 70% = 63980,504 x70% = 44786,353 (kg/ca) Khối lượng dịch sau ly tâm là:
G’12 = (G’11 - Gbả ) x x = 16929,241 (kg/ca) Nồng độ chất khô hòa tan sau ly tâm là:
C12 = = = 0,037 Thể tích dịch sau ly tâm:
V12 = 16404,241/1,032 = 16404,304 (L/ca) Thể tích bả sau ly tâm:
Vbả = V11 – V12 = 61996,613 – 16404,304 = 45592,309 (L/ca)
Thu dịch lên men
4.4.5. Rửa sinh khối
G12 Cấp nước
G13
Nước được cấp rửa cho quá trình rửa sinh khối là 50% khối lượng dịch
Khối lượng nước cấp: Gnước = G’12 x 50% = 16929,241 x 50% = 8464,621 (kg/ca) Thể tích nước cấp: Vnước = Gnước / 0,997 = 61996,613 / 0,997 = 27619,491 (L/ca) Khối lượng dịch sau khi rửa sinh khối:
G’13 = (G’12 + Gnước ) x = 25139,924 (kg/ca) Nồng độ chất khô hòa tan sau rửa sinh khối là:
C13 = = = 0,022 Thể tích dịch sau rửa sinh khối:
V13 = = = 27619,491 (L/ca)
4.4.6. Ly tâm lần 2
G13
Bả G14
Giả sử sinh khối chiếm 40% dịch lên men, quá trình ly tâm loại bả chiếm 60% Khối lượng bả sau quá trình ly tâm là:
Gbả = G’13 x 60% = 25139,924 x 60% = 15083,954 (kg/ca) Khối lượng dịch sau ly tâm là:
G’14 = (G’13 - Gbả ) x x = 8914,617 (kg/ca) Nồng độ chất khô hòa tan sau ly tâm là:
C14 = = = 0,061 Thể tích dịch sau ly tâm:
V14 = = = 9892,799 (L/ca) Thể tích bả sau ly tâm:
Vbả = V13 – V14 = 27619,491 – 9892,799 = 17726,691 (L/ca)
Rửa sinh khối
4.4.7. Sấy đông khô
G14
G15
Khối lượng dịch sau khi sấy đông khô
G’15 = G’14 x = 8914,617 x = 8870,044 (kg/ca)
4.4.11. Đóng gói
G15
G16
Khối lượng dịch thu được sau quá trình đóng gói: G’19 = G’18 x = 1265,183(kg/ca)
4.4.12. Nhân giống các cấp
Giả sử nồng độ dịch rỉ đường 10% có khối lượng riêng là d = 1,024 (kg/L) và khối lượng riêng của môi trường MRS là d = 1,05 (kg/L)
Nhân giống sản xuất :
Ta có: Ggiống sản xuất = Gmtsx + Gcấp2
Gcấp2 =10%Gmtsx
Gmtsx = Ggiống sản xuất / 110%
Ggiống sản xuất = 5904,685 (kg/ca)
Khối lượng môi trường sản xuất để cấp giống cho quá trình lên men là: Gmtsx = 5904,685/ 110% = 5367,895 (kg/ca)
Với tỉ lệ hao hụt qua từng công đoạn là 0.5 ta có khối lượng môi trường sản xuất thực tế là :
G9 = 5367,895 x = 5394,869 (kg/ca) Môi trường sản xuất có tỉ lệ rỉ đường : MRS là 9:1 Khối lượng rỉ đường cung cấp vào môi trường là :
Grỉ đường = 5394,869 x = 4855,382 (kg/ca) Khối lượng môi trường MRS là :
GMRS = 5394,869 x = 539,487 (kg/ca) Thể tích môi trường sản xuất là:
Vrỉ đường = 5394,869 / 1,024 = 4741,584 (L/ca)
Sấy đông khô
Nhân giống cấp 2:
Khối lượng môi trường nhân giống cấp 2 để cấp giống cho quá trình nhân giống sản xuất là: Ggiống cấp2 = 10%Gmtsx = 5394,869 x 10% = 539,487 (kg/ca) Ta có: Ggiống cấp2= Gmtc2 + Ggiống cấp1 Ggiống cấp1 =10%Gmtc2 Gmtc2 = Ggiống cấp2 / 110% Gmtc2 = 539,487 /110% = 490,443 (kg/ca)
Với tỉ lệ hao hụt qua từng công đoạn là 0.5 ta có khối lượng môi trường nhân giống cấp 2 thực tế là :
G8 = 539,487 x = 492,907(kg/ca) Môi trường sản xuất có tỉ lệ rỉ đường : MRS là 1: 9 Khối lượng rỉ đường cung cấp vào môi trường là :
Grỉ đường = 492,907x = 492,907 (kg/ca) Khối lượng môi trường MRS là :
GMRS = 492,907x = 443,616 (kg/ca) Thể tích môi trường nhân giống cấp 2 là:
Vrỉ đường = 492,907/ 1,024 = 48,135 (L/ca) VMRS = 443,616 / 1,05 = 422,492 (L/ca)
V8 = Vrỉ đường + VMRS = 48,135 + 422,492 = 470,627 (L/ca) Nhân giống cấp 1:
Khối lượng môi trường nhân giống cấp 1 để cấp giống cho quá trình nhân giống cấp 2 là: Ggiống cấp1 = 10%Gmtc2 = 492,907x 10% = 49,291 (kg/ca) Ta có: Ggiống cấp1= Gmtc1 + Ggiống hh Ggiống hh =10%Gmtc1 Gmtc1 = Ggiống cấp1 / 110% Gmtc1 = 49,291 /110% = 44,810 (kg/ca)
Với tỉ lệ hao hụt qua từng công đoạn là 0.5 ta có khối lượng môi trường nhân giống cấp 1 thực tế là :
G7 = 44,810 x = 45,035 (kg/ca) Môi trường nuôi giống cấp 1là môi trường MRS Thể tích môi trường nhân giống cấp 1 là:
VMRS = V7 = 44,810 / 1,05 = 42,890 (L/ca) Hoạt hóa giống:
Khối lượng môi trường hoạt hóa giống để cấp giống cho quá trình nhân giống cấp 1 là:
Ggiống hh= 10%Gmtc1 = 45,035 x 10% = 4,504 (kg/ca) Ta có: Ggiống hh = Gmthh + Ggiống cung cấp
Gmthh = Ggiống hoạt hóa / 110%
Gmthh = 4,504 /110% = 4,094(kg/ca)
Với tỉ lệ hao hụt qua từng công đoạn là 0.5 ta có khối lượng môi trường nhân giống hoạt hóa thực tế là :
G6 = 4,094x = 4,115 (kg/ca) Môi trường nuôi giống hoạt hóa là môi trường MRS Thể tích môi trường nhân giống hoạt hóa là:
VMRS = V6 = 4,115 / 1,05 = 3,919 (L/ca)
4.4.13. Tiệt trùng làm nguội
Khối lượng dịch lên men đem đi tiệt trùng làm nguội G5 = 64626,772 x = 65279,568 (kg/ca) Thể tích đưa vào thiết bị tiệt trùng làm nguội
V5 = 65279,568 / 1,032 = 63255,395 (L/ca)
4.4.14. Pha loãng sơ bộ
G Cấp nước
G1
Giả sử khối lượng nguyên liệu rỉ đường dùng cho một ca là : G* = 1000 Kg/ca
Nồng độ Bx = 85
Khối lượng riêng d =1,4149 kg/L Thể tích của rỉ đường nguyên liệu là:
V* = 1000 / 1,4149 = 706,764 (L/ca) Pha loãng đến nồng độ 25 Bx
Hao hụt trong quá trình vận chuyển là 0,5 Thể tích sau pha loãng là
V1* = V* x x = 2390,982 (L/ca) Nước được thêm vào cho quá trình là:
Thể tích nước :Vnước = V1* – V* = 2390,982 – 706,764 = 1684,218 (L/ca) Khối lượng nước: Gnước = 1684,218 x 0,997 = 1679,165 (kg/ca)
Bảng 4. 4: Thông số rỉ đường nguyên liệu
Nồng độ chất khô 85Bx
Độ pH 5,5 – 6,5
Đường tổng 60%
Đường khử 25%
Đường Sacchrose 35%
Ta có:
Khối lượng đường sau pha loãng là:
Gđường khử = G* x 25% x = 1000 x 25% x = 248,750 (kg/ca) Gsaccharose = G* x 35% x = 1000 x 35% x = 348,250 (kg/ca) 4.4.15. Acid hóa G1 H2SO4 G2
Lượng acid H2SO4 98% cho vào chiếm 0,5% lượng rỉ đường cho vào Khối lượng acid cần dùng là:
Gdd acid = 1000 x 0,5% = 5,102 kg/ca Khối lượng riêng của acid H2SO4 98% là d = 1,84 kg/L Thể tích lượng acid cho vào là:
Vdd acid = 5,102 / 1,84 = 2,773 kg/ca Thể tích dd rỉ đường sau khi acid hóa:
V2* = V1* + Vdd acid = 2390,982 +2,773 = 2393,755 L/ca Khối lượng dịch đường sau khi acid hóa:
G2* = (G* +Gnước+ Gdd acid ) x
= ( 1000 + 1679,165 + 5,102 ) x = 2670,846 kg/ca Ta có phương trình phản ứng:
C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6
Gđường đơn = (Gsaccharose x x 2 + Gđường khử) x
= ( 348,250 x x 2 + 248,750 ) x = 612,252 kg/ca
4.4.16. Ly tâm
G2
Bả G3
Giả sử bả sau ly tâm là 5% Tỉ lệ hao hụt là 1,5% Hiệu suất ly tâm 90%
Khối lượng bả sau khi ly tâm
Acid hóa
Gbả = G2* x 5% = 2670,846 x 5% =133,542 kg/ca Khối lượng dịch sau ly tâm:
G3* = (G2* - Gbả ) x x
= (2670,846 - 133,542) x x = 2249,320 kg/ca
4.4.17. Pha chế dịch lên men
G4 FeHPO4 KH2PO4 MgSO4 MnSO4 G4
Khối lượng dịch lên men là
G4 = G5 x = 65279,568x = 65607,606 kg/ca Hàm lượng glucose được dùng trong môi trường lên men Với nồng độ Glucose trong dung dịch là : Cglucose = 15%
Gglucose = G4 x Cglucose = 65607,606 x 15% = 9841,141 kg/ca Ta có công thức tam suất:
1000 kg nguyên liệu rỉ đường --> 612.3 kg glucose X nguyên liệu rỉ đường --> 98411.4 kg glucose
Gnguyên liệu = = 16073, 669 kg/ca Ta có: G4 = G3 + Gnước + Gmuối khoáng = 65607,606 kg/ca
Dựa vào tỉ lệ thành phần phối trộn ta tính được khối lượng các chất bổ sung vào môi trường lên men:
G3 = 36154,821 kg/ca
GFeHPO4 = 36154,821x 0,0002 = 13,122 kg/ca
GKH2PO4 = 36154,821x 0,0002 = 13,122 kg/ca
GMgSO4 = 36154,821x 0,0001 = 6,561 kg/ca
GMnSO4 = 36154,821x 0,00005 = 3,280 kg/ca
Lượng nước bổ sung vào quá trình pha chế dịch lên men:
Gnước bổ sung = G4 - G3 - Gmuối khoáng = 29416,700 kg/ca Vnước bổ sung = Gnước bổ sung x 0,977 = 29328,450 kg/ca Thể tích dịch lên men sau khi pha chế:
V4 = G4 / d = 65607,606 / 1,032 = 64069,927 L/ca Tương tự ta có bảng số liệu sau:
Bảng 4. 5: Bảng số liệu nguyên liệu rỉ đường đầu vào
Pha chế dịch lên men
4.4.18. Tổng kết cân bằng vật chất:
1
đường Acid hóa rỉ đường 42930
2 Lượng rỉ đường ly tâm (lít/ca) 38301
3 Lượng môi trường đem đi pha chế
Lượng dịch đường đem đi pha
chế(lít/ca) 36155
Lượng nước thêm vào (lít/ca) 29417
Khối lượngFeHPO4 (kg/ngày) 14 Khối lượngKH2PO4 (kg/ngày) 14 Khối lượng MgSO4 (kg/ngày) 7 Khối lượng MnSO4 (kg/ngày) 4
4 Tiệt trùng và làm nguội (lít/ca) 65280
5 Lên
men
Lượng môi trường đem lên men
(lít/ca) 65608
Lượng giống sản xuất đưa vào
lênmen(lít/ca) 5905
Lượng giốngcấp 2 đưa vào lên
men(lít/ca) 540
Lượng giống cấp 1 đưa vào lên
men(lít/ca) 50
6
Ly tâm lần 1
Thể tích canh trường đem đi ly
tâm (lít/ca) 16930
7
Rửa sinh khối
Thể tích dịch đem đi rửa
(lít/ngày) 25140
8
Ly tâm lần 2
Khối lượng dịch canh trường sau
khi đem đi ly tâm 8915
Sấy
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ5.1 Công thức tính thiết bị 5.1 Công thức tính thiết bị
5.1.1 Công thức số thiết bị được sử dụng
Số lượng thiết bị được xác định theo 2 phương pháp sau : - Nếu thiết bị làm việc liên tục thì áp dụng công thức: - Nếu thiết bị làm việc gián đoạn thì áp dụng công thức 2: Trong đó:
n là số thiết bị yêu cầu;
M là năng suất giờ của thiết bị;
N là năng suất giờ của dây chuyền ở từng công đoạn;
T là thời gian tổng cộng của mỗi chu kỳ làm việc của máy (phút); V là thể tích làm việc của thiết bị, được tính cùng đơn vị với N.
Thông thường sau khi tính ra n là số lẻ, ta làm tròn số và thường cộng thêm 1 hoặc 2 thiết bị để dự trữ.
Ví dụ n = 6,3 thì ta làm tròn thành 7 và cộng thêm 1 thiết bị dự trữ, tổng cộng sử dụng 8 thiết bị.
5.1.2 Công thức tính các thiết bị hình trụ, đáy tròn:
Thiết bị hình trụ đứng, có đáy và nắp hình chỏm cầu và hệ thống cánh khuấy để đảo đều nguyên liệu bên trong thiết bị, thiết bị làm việc gián đoạn.
Hình 5. 1: Thiết bị hình trụ đáy cầu
Trong đó:
D là đường kính thân hình trụ.
h1 là chiều cao của thân hình trụ.
h2 là chiều cao của hình chỏm cầu.
H là tổng chiều cao thiết bị. Chọn h1=1.3D và h2=0.3D. Vậy chiều cao thiết bị là:
H = h1+2h2 = 1.3D + 20.3D = 1.9D Thể tích thiết bị:
Vthiết bị = Vtrụ + 2Vcầu
Thể tích phần hình trụ:
Vtrụ = h1 = 1.3D = 1.021 Thể tích phần chòm cầu:
Vcầu = π/6 x h2 x ((h2)2 + 3r2) = 0,132 D3 (5.4) Vậy thể tích của thiết bị là :
Vthiết bị = Vtrụ + 2Vcầu= 1.021 2 0,132 D3= 1,285 Suy ra đường kính của thùng chứa :
Nguyên tắc chọn thiết bị
Khi chọn thiết bị cần phải đảm bảo tuân thủ các nguyên tắc sau đây:
- Thiết bị phải đảm bảo chất lượng sản phẩm cao, lãng phí nguyên liệu ít nhất.
- Đây phải là những thiết bị hiện hành ở trong hoặc ngoài nước.
- Thiết bị làm việc liên tục, có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, dễ sử dụng và sửa chữa.
- Kích thước nhỏ gọn, năng suất cao và ít tiêu hao năng lượng.
5.2.3 Công thức tính các thiết bị hình trụ, đáy hình chóp
Thiết bị hình trụ đứng, nắp hình chỏm cầu, đáy hình chóp và hệ thống cánh khuấy để đảo đều nguyên liệu bên trong thiết bị, thiết bị làm việc gián đoạn.
Hình 5. 2: Thiết bị hình trụ đáy chóp
h2 là chiều cao của hình chỏm cầu và hình chóp.
H là tổng chiều cao thiết bị. Chọn h1= 0.8D và h2=0.2D. Vậy chiều cao thiết bị là:
H = h1+2h2 = 0.8D + 20.2D = 1.2D Thể tích thiết bị: Vthiết bị = Vtrụ + Vcầu + Vchóp Thể tích phần hình trụ: Vtrụ = h1 = 0.8D = 0. Thể tích phần chỏm cầu: Vcầu = π/6 x h2 x ((h2)2 + 3r2) = 0,154 D3 (5.7) Thể tích phần chóp: Vchóp = π/3 x (h2/4)2 x h2= 0,052 D3 (5.8) Vậy thể tích của thiết bị là :
Vthiết bị = Vtrụ + Vcầu+ Vchóp = 0.6280.154 + 0,052 D3= Suy ra đường kính của thùng chứa :
5.2 Tính và chọn thiết bị trong nhà máy
5.2.1 Thiết bị pha loãng rỉ đường
Chọn thùng có dạng hình trụ đứng, vỏ thùng được làm bằng thép không gỉ. Bên trong có cánh khuấy, nắp và đáy bằng chỏm cầu (hình 5.1).
Lượng rỉ đường cần pha loãng trong 1 ca là 38431,848 (L/ca). Giả sử khối lượng riêng của dung dịch rỉ đường là 1,414.
Chọn hệ số chứa đầy của thiết bị là: φ = 0,8. Vậy thể tích thực tế của thiết bị :
V = 48 (m3/ngày)
Ta thiết kết một thiết bị pha loãng rỉ đường với năng suất chứa là 25 m3