Bể điều nhiệt và đầu dò nhiệt độ được dùng để kiểm soát và ổn định nhiệt độ của dung dịch kết tinh trong thiết bị Stirred tank.
Thiết bị Stirred tank (ST) bao gồm một bể (thùng) phản ứng, lớp vỏ áo có bọc lớp cách nhiệt có tác dụng trao đổi nhiệt với dung dịch làm lạnh thông qua hai ống dẫn vào ở dưới và ra ở trên vỏ áo; hệ thống khuấy trộn bao gồm motor có gắn cánh khuấy và bộ điều khiển tốc độ motor. Các thông số thiết kế của thiết bị Stirred tank được thể hiện ở bảng 2.1 và hình 2.2.
34
Bảng 2. 1. Thông số thiết kế của thiết bị khuấy Stirred tank Thơng số Kí hiệu Kích thước (mm)
Bề rộng của bể khuấy T 120
Chiều cao của bể khuấy chứa
dung dịch phản ứng H 120
Bề dày vỏ áo chứa dung dịch
làm lạnh w 10
Bề rộng cánh khuấy D 43
Bề rộng tâm cánh khuấy Dc 30
Bề rộng cánh khuấy Ip 11
Chiều cao cánh khuấy Ia 9
Hình 2.2. Thơng số của thiết bị khuấy Stirred Tank [27] Thủy động lực học trong thiết bị Stirred Tank:
Dịng chảy của lỏng trong bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố: loại cánh khuấy, tính chất của dịng lỏng, đặc biệt là độ nhớt của nó; kích thước và thơng số của bình, vách ngăn và cánh khuấy. Vận tốc lỏng tại mọi điểm của bình đều có ba thành phần và biểu đồ dịng chảy trong bình phụ thuộc vào ba thành phần này tại mọi điểm trong bình. Thành phần đầu tiên là thành phần vng góc với trục cánh khuấy. Thành phần thứ hai là thành phần thẳng đứng, song song với trục cánh khuấy và thành phần thứ ba là thành phần tiếp tuyến với vòng quay của trục cánh khuấy. Trong trường hợp thơng thường là trục thẳng đứng, thành phần vng góc và tiếp tuyến năm trên mặt phẳng ngang, và thành phần thẳng đứng thì nằm dọc. Thành phần vng góc và thẳng đứng cung cấp việc khuấy trộn tốt, còn thành phần tiếp tuyến (khi trục
35
thẳng đứng và đặt ngay tâm) thì tạo ra sự bất lợi cho việc khuấy trộn, đó là tạo ra xốy nước trong chất lỏng, như hình 2.3 với tua bin cánh phẳng. Biểu đồ dòng chảy như vậy cũng thu được với tua bin cánh lõm hoặc cánh quạt. Dòng xốy nước tạo ra sự phân tầng mà khơng có dịng thẳng đứng giữa các tầng. Nếu có các hạt rắn thì dịng chảy sẽ đẩy hạt rắn ra thành bình nhờ lực ly tâm; lúc đó hạt rắn sẽ rớt xuống đến giữa đáy bình.Thay vì khuấy trộn thì xảy ra điều ngược lại. Do đó trong dịng chảy tuần hồn,chất lỏng chảy theo hướng cánh khuấy, vận tốc tương đối giữa cánh và chất lỏng bị giảm đi và năng lượng mà chất lỏng nhận được có giới hạn. Với một bình khơng có vách ngăn, dịng chảy tuần hoàn gây ra bởi tất cả các loại cánh khuấy, bất kể là dòng chảy đứng hay vng góc. Nếu vịng xốy mạnh thì biểu đồ dịng chảy trong bình hầu như giống nhau bất kể sử dụng cánh khuấy nào. Với tốc độ khuấy cao sẽ tạo nên xốy nước sâu đến cánh khuấy và khí phía trên chất lỏng bị kéo vào. Đây là điều khơng mong muốn.
Hình 2.3. Biểu đồ xốy nước trong bình khơng vách ngăn với cánh khuấy tua-bin Dòng chảy tuần hồn và dịng xốy có thể ngăn chặn bởi ba phương pháp. Với bình nhỏ thì cánh khuấy đưa ra nhiều hướng khác nhau (như hình 2.4). Với bình lớn hơn thì cánh khuấy đưa lệch ra khỏi tâm.
Cách tốt nhất là gắn thêm vách ngăn giúp cản trở vòng xốy mà khơng làm ảnh hưởng đến thành phần vng góc và thẳng đứng. Cách đơn giản và hiểu quả nhất là lắp một mảnh vải thẳng đứng vào thành bình. Ngoại trừ các bình rất lớn thì 4 vách ngăn là đủ để ngăn chặn sự hình thành xốy nước. Ngay cả sử dụng một hoặc hai vách ngăn thì cũng có ảnh hưởng lớn đến biểu đồ dịng chảy. Đối với tua bin thì chiều rộng của vách ngăn khơng lớn hơn 1/12 đường kính bình; đối với cánh quạt, khơng lớn hơn 1/8 đường kính bình. Đối với chất lỏng nhớt thì vách ngăn hẹp hơn thường được sử dụng và có thể khơng cần vách ngăn khi µ > 10
36
Pa.s. Khơng cần sử dụng vách ngăn với loại cánh quạt quay ở bên, quay nghiêng, hoặc khơng ở tâm.
Hình 2.4. Biểu đồ dịng chảy với cánh quạt lệch tâm
Khi vịng xốy bị chặn thì biểu đồ dịng chảy sẽ phụ thuộc vào loại cánh khuấy. Cánh quạt sẽ đẩy dòng chảy xuống dội vào đáy và đi lên thành bình sau đó đi vào lại cánh khuấy. Cánh quạt sử dụng khi cần dịng chảy đứng lớn. Nó khơng đươc sử dụng khi độ nhớt chất lỏng lớn hơn 5 Pa.s. Tua-bin cánh ngiêng 45 độ cũng được sử dụng để tạo dòng chảy đứng mạnh. Tuy nhiên các loại cánh khuấy dòng đứng này sẽ chuyển dòng chảy đứng ở độ nhớt thấp thành dịng chảy vng góc.
2.2. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
Sơ đồ thực nghiệm kiểm soát hiện tượng đa cấu trúc LGA trên thiết bị Stirred tank được mơ tả như hình 2.5.
37
Hình 2.5. Sơ đồ tiến hành thực nghiệm kiểm soát hiện tượng đa cấu trúc L – Glutamic acid. Phương pháp kết tinh làm lạnh Phương pháp kết tinh làm lạnh
Nguyên liệu LGA sẽ được hòa tan với nồng độ xác định tại nhiệt độ cao hơn nhiệt độ
bão hòa 5oC ( = ℎ 5 ℃ trong thiết bị Stirred tank. Làm lạnh dung dịch LGA đến nhiệt
độ 30oC. Ghi nhận nhiệt độ bắt đầu xuất hiện tinh thể trong quá trình làm lạnh và ổn định
dung dịch LGA ở 30oC. Tương ứng với mỗi thời điểm xác định, tiến hành lấy mẫu lỏng và
mẫu rắn từ q trình kết tinh đem phân tích để xác định cấu trúc tinh thể tạo thành, sự chuyển hóa cấu trúc tinh thể và sự biến thiên nồng độ của dung dịch trong quá trình kết tinh.
Khảo sát ảnh hưởng của các thơng số công nghệ đến cấu trúc tinh thể LGA:
- Nồng độ dung dịch LGA.
- Tốc độ khuấy.
- Tốc độ làm lạnh.
- Nồng độ phụ gia vô cơ: Ammonium sulfate, ammonium chloride.
38
Phân tích mẫu tinh thể thu được bằng FT-IR, DSC, XRD, Microscope để xác định cấu trúc, sự biến đổi nồng độ và sự chuyển hóa cấu trúc tinh thể LGA.
Phương pháp kết tinh sử dụng dung mơi khơng hịa tan
Nguyên liệu LGA sẽ được hòa tan với nồng độ xác định tại nhiệt độ cao hơn nhiệt độ
bão hòa 5oC ( = ℎ 5 ℃ trong thiết bị Stirred tank. Làm lạnh dung môiEthanol ở nhiệt
độ xác định và cho vào dung dịch LGA. Ổn định dung dịch kết tinh ở 30oC và ghi nhận nhiệt độ bắt đầu xuất hiện tinh thể. Tương ứng với mỗi thời điểm xác định, tiến hành lấy mẫu lỏng và mẫu rắn từ q trình kết tinh đem phân tích để xác định cấu trúc tinh thể tạo thành, sự chuyển hóa cấu trúc tinh thể và sự biến thiên nồng độ của dung dịch trong quá trình kết tinh.
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cấu trúc tinh thể LGA: - Tỉ lệ dung môi (tỉ lệ dung môi Ethanol và dung dịch LGA(Eth : LGA)).
- Nồng độ ban đầu của dung dịch LGA.
- Tốc độ khuấy.
2.3. TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
2.3.1. Khảo sát độ tan bão hòa của các dạng tinh thể LGA
Tinh thể LGA với hai dạng α và β được cho vào dung dịch 50 ml nước, tiến hành khuấy liên tục và đặt trong bể điều nhiệt ở các nhiệt độ lần lượt là15 oC, 30 oC, 45 oC và 60 oC. Tinh thể LGA được cho thêm vào đến khi khơng thể tiếp tục hịa tan trong dung dịch. Mẫu dung dịch LGA được ly tâm để loại bỏ các tinh thể và tiến hành pha loãng, đo UV để xác định độ hấp thu, từ đó tính được nồng độ tương ứng từ đường chuẩn biểu diễn độ hấp thu theo nồng độ.
Nồng độ dung dịch LGA được xác định thông qua đường chuẩn biểu diễn độ hấp thu theo các nồng độ dung dịch LGA đã biết trước.
Pha các dung dịch với nồng độ biết trước trong khoảng từ 0,6 g/l đến 2,4 g/l từ dung
dịch LGA 4 g/l. Tiến hành đo UV các dung dịch có nồng độ trên với độ hấp thu tương ứng
39
Bảng 2. 2 Độ hấp thu (Abs) theo nồng độ dung dịch LGA (g/l)
CLGA 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4
Abs* 0,416 0,561 0,695 0,821 0,951 1,083 1,213 1,343 1,472 1,6
*Độ hấp thu lấy ở bước sóng 210 nm.
Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ và độ hấp thu:
= 0,0345 0,6540 = 0,9998
Khảo sát ảnh hưởng của phụ gia vô cơ đến độ tan bão hịa của LGA
Các phụ gia vơ cơ là các muối có tính ba zơ thường được cho vào trong q trình sản xuất LGA nhằm điều chỉnh pH của dung dịch LGA. Trong phần nghiên cứu này, ảnh hưởng
của các phụ gia gồm các muối ammonium sulfate (NH4)2SO4 và ammonium chloride NH4Cl
đến cấu trúc tinh thể và quá trình chuyển cấu trúc của tinh thể LGA sẽ được khảo sát. Các tinh thể LGA dạng α và β được cho vào các dung dịch có có các phụ gia vơ cơ
(NH4)2SO4 và NH4Cl với nồng độ lần lượt là 2 g/l, 4 g/l, 6 g/l và 8 g/l. Các dung dịch được
giữ cố định ở nhiệt độ 30oC và được khuấy liên tục trong vòng 3 giờ (trong thời gian này,
chưa diễn ra quá trình chuyển cấu trúc từ dạng α sang dạng β) cho đến khi các tinh thể LGA khơng thể hịa tan thêm trong dung dịch. Dung dịch LGA được ly tâm loại các tinh thể và pha loãng đo UV để xác định nồng độ thông qua độ hấp thu. Mẫu dung dịch LGA với nồng độ
biết trước có chứa phụ gia (NH4)2SO4 và NH4Cl với nồng độ 8 g/l được tiến hành phân tích
UV và kết quả cho thấy phụ gia (NH4)2SO4 và NH4Cl không ảnh hưởng đến độ hấp thu của
dung dịch LGA.
Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ dung môi đến độ tan bão hòa của LGA
Hai dạng tinh thể α và β được cho vào dung dịch có tỉ lệ nước : ethanol thay đổi theo
bảng 2.3 và khuấy liên tục đến khi tinh thể khơng thể hịa tan được nữa. Dung dịch này được
li tâm và tiến hành đo UV để xác định nồng độ. Dung dịch ethanol được tiến hành phân tích UV, kết quả cho thấy ethanol khơng có mũi hấp thu trong khoảng bước sóng từ 300-190 nm.
40
Bảng 2. 3 Bảng tỉ lệ các giữa nước và ethanol quá trình khảo sát độ hòa tan của hai dạng tinh thể LGA
Tinh thể LGA LGA:Eth (theo thểtích) Vnước(ml) Vethanol (ml)
α 9 : 1 90 10 7 : 3 70 30 5 : 5 50 50 3 : 7 30 70 0 : 10 0 100 β 9 : 1 90 10 7 : 3 70 30 5 : 5 50 50 3 : 7 30 70 0 : 10 0 100
2.3.2. Kết tinh LGA bằng phương pháp làm lạnh
Điều kiện thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ đến q trình kết tinh LGA bằng phương pháp làm lạnh được tiến hành với các thông số cố định như sau:
- Thể tích dung dịch LGA: 400 ml.
- Nhiệt độ ban đầu của dung dịch: 70oC.
- Nhiệt độ bể điều nhiệt: 10oC.
- Nhiệt độ kết tinh: 30oC.
2.3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ đầu của dung dịch LGA
Nồng độ đầu của dung dịch LGA được thay đổi lần lượt là 18,5 g/l, 30 g/l và 45g/l được
gia nhiệt đến nhiệt độ cao hơn 5oC so với nhiệt độ bão hòa của các nồng độ trên sao cho dung
dịch được hịa tan hồn tồn. Sau đó, các dung dịch được làm lạnh nhanh về 30oC với tốc độ
làm lạnh là 4oC/phút và quá trình kết tinh được giữ cố định ở nhiệt độ này, tốc độ khuấy trộn
41
dịch LGA theo từng thời điểm trong quá trình kết tinh. Mẫu tinh thể LGA theo từng thời điểm được lọc chân không thu mẫu rắn, sấy chân khơng để loại bỏ hồn tồn nước, sau đó được lưu mẫu tránh hút ẩm và tiến hành phân tích FT-IR, XRD, quan sát kính hiển vi và chụp SEM.
Bảng 2. 4. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của nồng độ của dung dịch LGA Thí
nghiệm LGA (g/l) Nồng độ Độ quá bãohòa (Sα) lạnh (Tốc độ làmoC/phút) khuấy (rpm) Tốc độ
1 18,5 0,48 4,0 360
2 30 1,40 4,0 360
3 45 2,60 4,0 360
2.3.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn
Tốc độ khuấy trộn được thay đổi trong các thí nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của thơng số kết tinh này đến q trình kết tinh LGA từ dung dịch bằng phương pháp làm lạnh. Các thông số kết tinh tiến hành theo bảng 2.5 trong đó các thơng số khác cố định, chỉ thay đổi tốc độ khuấy trộn dung dịch trong quá trình kết tinh. Mẫu dung dịch LGA được ly tâm, pha loãng để xác định nồng độ LGA theo từng thời điểm trong quá trình kết tinh. Mẫu tinh thể LGA theo từng thời điểm được lọc, sấy chân không để loại bỏ hồn tồn nước, sau đó được lưu mẫu tránh hút ẩm và tiến hành phân tích FT-IR, XRD, quan sát kính hiển vi và chụp SEM.
Bảng 2. 5. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn Thí
nghiệm LGA (g/l) Nồng độ Độ q bãohịa (Sα) lạnh (Tốc độ làmoC/phút) Tốc độ khuấy (rpm)
1 30 1,40 4,0 360
2 30 1,40 4,0 600
42 2.3.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh
Tốc độ làm lạnh được thay đổi trong các thí nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của thông số kết tinh này đến quá trình kết tinh LGA từ dung dịch bằng phương pháp làm lạnh. Các thông số kết tinh tiến hànhtheo bảng 2.6 trong đó các thơng số khác cố định, chỉ thay đổi tốc
độ làm lạnh dung dịch trong quá trình kết tinh. Mẫu tinh thể LGA theo từng thời điểm được lọc, sấy chân không để loại bỏ hồn tồn nước, sau đó được quan sát dưới kính hiển vi điện tử.
Bảng 2. 6. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh Thí
nghiệm LGA (g/l) Nồng độ Độ quá bãohòa (Sα) lạnh (Tốc độ làmoC/phút) Tốc độ khuấy (rpm)
1 18,5 0,48 4,0 360
2 18,5 0,48 4,5 360
3 18,5 0,48 5,5 360
2.3.2.4. Ảnh hưởng của phụ gia vơ cơ
Q trình kết tinh LGA từ dung dịch có các phụ gia vơ cơ với nồng độ và các thông số kết tinh trong bảng2.7. Mẫu dung dịch và tinh thể LGA cũng được tiến hành tương tự các thí
nghiệm trước để xác định nồng độ dung dịch, cấu trúc, hình thái và thành phần từng dạng tinh thể của LGA.
43
Bảng 2. 7. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của nồng độ các muối vơ cơ Thí
nghiệm Phụ gia vơcơ
Nồng độ phụ gia (g/l) Nồng độ LGA (g/l) Độ quá bão hòa (Sα) Tốc độ làm lạnh (oC/phút) Tốc độ khuấy (rpm) 1 (NH4)2SO4 2 30 1,40 4,0 360 2 4 30 1,40 4,0 360 3 6 30 1,40 4,0 360 4 8 30 1,40 4,0 360 5 NH4Cl 2 30 1,40 4,0 360 6 4 30 1,40 4,0 360 7 6 30 1,40 4,0 360 8 8 30 1,40 4,0 360
2.3.2.5. Ảnh hưởng của phụ gia hữu cơ L- phenylalanine
Quá trình kết tinh LGA từ dung dịch có các phụ gia L-phe với nồng độ và các thông số kết tinh trong bảng 2.8. Mẫu tinh thể LGA cũng được tiến hành tương tự để xác định cấu trúc, hình thái và thành phần từng dạng tinh thể của LGA. Các thí nghiệm với nồng độ LGA là 30g/l được tiến hành đến 22 giờ.
Bảng 2. 8. Các thông số kết tinh khảo sát ảnh hưởng của nồng độ L - phenylalanine Thí
nghiệm LGA (g/l) Nồng độ Nồng độ L - phe (g/l) lạnh (Tốc độ làmoC/phút) Tốc độ khuấy (rpm) 1 30 0,01 4,0 360 2 0,02 4,0 360 3 0,05 4,0 360 4 0,1 4,0 360 5 0,2 4,0 360
44
Mẫu tinh thể sau khi kết tinh được lọc và rửa với ethanol (5 lần, mỗi lần 20 ml) sau đó sấy khơ và tiến hành hòa tan đo UV để xác định sự hấp phụ của các phân tử L - phe trên bề mặt các tinh thể LGA.
2.3.3. Kết tinh LGA bằng phương pháp sử dụng dung môi khơng hịa tan
Điều kiện thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ đến q trình kết tinh LGA bằng phương pháp làm lạnh được tiến hành với các thông số cố định như sau:
- Thể tích dung dịch LGA: 400 ml.