CHƢƠNG 4 TÍNH TỐN THIẾT BỊ
2. Tính tốn hiết bị lên men
2.1. Thiết bị nhân giống Thiết bị nhân giống có: Thiết bị nhân giống có:
• Hệ số chứa đầy 𝜑= 71% (24). • Thể tích bể nhân giống là: Vbể =
= 2.03 (m3).
Kết luận: Chọn thiết bị lên men dạng hình trụ, khuấy trộn có thể tích: Vbể = 2.03m3 ≈ 2 m3
. Yêu cầu tỉ lệ đƣờng kính thiết bị và chiều cao thiết bị: h ≥ 2D, chọn giá trị 2, nghĩa là h= 2D. Ta có: Vbể = ↔ D = 1.1 m
Từ đó ta tính đƣợc giá trị chiều cao h = 2D = 2× 1.1 = 2.2 m
Kết luận: Thiết bị nhân giống cấp 2 có đƣờng kính (D)= 1.1 m, chiều cao(h) = 2.2 m
2.2. Thiết bị ni cấy
41
Hình 12. Thiết bị lên men có đảo trộn
(Nguồn: http://valve.vn/goc-chuyen-gia/cac-thiet-bi-len-men-nuoi-cay-chim-vi-sinh- vat-trong-cac-moi-truong-dinh-duong-long.html ) Hệ số chứa đầy 𝜑= 50% (25). • Thể tích bể lên men là: Vbể = = 96 (m3)
Một bể có thể tích 120 m3 phù hợp với quy mơ cơng nghiệp và thích hợp với các thiết kế về tốc độ cánh khuấy (25).
Tính thể tích, đƣờng kính và chiều cao thiết bị lên men theo Gimbun và cs, 2004 (26). Yêu cầu tỉ lệ đƣờng kính thiết bị và chiều cao thiết bị: h ≥ 2D, chọn giá trị 2, nghĩa là h = 2D. Ta có:
Vbể = ↔ 120 = 2D × ↔ D = 4.25 (m)
Từ đó ta tính đƣợc giá trị chiều cao (h) = 8.5 m
Kết luận: Thiết bị lên men có đƣờng kính (D) là 4.25 m và chiều cao (h) là 8.5 m. 2.3. Thiết kế cánh khuấy
Chọn cơ cấu khuấy có 2 turbine hở Rushton, mỗi turbin gồm 6 cánh phẳng hình chữ nhật trên mỗi đĩa gắn trên trục khuấy, các cánh này đƣợc đặt thẳng và song song với trục.
Giả sử tỉ lệ đƣờng kính cánh khuấy (Di) và đƣờng kính bể (DT)là 0,3 (Di = 0,3DT) (27). Đƣờng kính cánh khuấy:
Di = 0,3 x DT = 0,3 x 4.25 = 1,275 (m)
Bốn vách ngăn cách đều nhau đƣợc thiết kế để ngăn cản sự hình thành dịng xốy làm giảm hiệu suất pha trộn. Chiều rộng của vách ngăn thƣờng bằng 1/10 đƣờng kính của bể (D vách ngăn = 1/10 DT) (27).
Chiều rộng của vách ngăn:
D vách ngăn
=
= 0,425 (m)
42 Chiều cao cánh khuấy:
= 0,2 x 1,275 = 0.255 (m)
Giả sử chiều rộng của cánh khuấy bằng 0.25 so với đƣờng kính cánh khuấy. Chiều rộng của cánh khuấy:
Rck = 0,25 x Di = 0,25 x 1,275 = 0,319 (m)
Với chiều cao bể lên men là m ta thiết bể có cánh khuấy. Khoảng cách giữa 2 cánh khuấy và khoảng cách giữa cánh khuấy thứ nhất so với đáy bể là 1,5 lần đƣờng kính cánh khuấy (27).
Khoảng cách giữa 2 cánh khuấy = 1,5 x Di = 1,5 x 1,275 = 1.913 (m)
Bảng 6. Thơng số bể ni cấy
Thơng số Kích thƣớc Thể tích bể 120 m3 Chiều cao bể 8.5 m Đƣờng kính bể 4.25 m Đƣờng kính cánh khuấy 1.275 m Đƣờng kính vách ngăn 0.425 m
Chiều cao lƣỡi cánh khuấy 0.255 m Chiều rộng lƣỡi cánh khuấy 0.319 m
Chọn cánh khuấy Rushton có tỷ lệ cơng suất/thể tích: = 1,5 (kW/m3).
Công suất cánh khuấy: 𝑃𝑠 = 1.5×V= 1,5 × 120 = 180 (𝑘𝑊) Giả sử bể hoạt động ở chế độ chảy rối (Re >105): NP = 5.0 Khối lƣợng riêng: 𝜌 = 1300 (𝑘𝑔/𝑚3)
43 Độ nhớt canh trƣờng: 𝜇 = 10−3 (Pa.s) (24). 𝑃 = 𝑁𝑃 × 𝜌 × 𝑁𝑖3 × 𝐷𝑖5 ↔ 𝑁 = √ = √ = 2.02 (s-1 ) Trong đó:
NP: chuẩn số công suất (power number) N: tốc độ cánh khuấy
𝜌: khối lƣợng riêng
Di: đƣờng kính cánh khuấy Kiểm tra lại Re = =
= 8848010.831 > 105
Kiểm soát nồng độ oxy
Tốc độ truyền oxy: OTR = kLa (C*OL – COL).
Xác định C*OL
C*OL phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành phần mơi trƣờng. Ta có thể xác định C*OL từ định luật Henrry theo công thức: C*OL = po x Ho.
Xác định po
Ta sử dụng khí trời để sục nên áp suất của khí là 1atm. Tỉ lệ oxy trong khí quyển là 21%.
Nên áp suất riêng phần của oxy trong khí quyển là: po = 0.21 atm.
Xác định Ho
Quá trình lên men đƣợc duy trì ở 30o
C tại áp suất 1 atm thì hàm lƣợng oxy hòa tan: Ho = 26.1 (ml/L) (24).
Cùng 1mol oxy thì ta có V = 22.4 (L) và m = 32 (g). Từ đó ta có hệ số chuyển đổi từ ml sang mg là: 1 ml =
= 1.4 (mg)
Ho = 26.1 × 1.4 = 36.54 (mg/L)
44 C*OL = po × Ho = 0.21 × 36.54 = 7.67 (mg/L) Xác định kLa Vận tốc bọt khí uG = 5.4 ×10-3 (28). Hệ số truyền khối: kLa = ( ) = ( ) = 0.1177 (s-1) Chọn COL= 50% × C*OL => COL = 0.5 ì 7.67 = 3.835 (mg/L).
ã Tc truyền khối oxy:
OTR = kLa (C*OL – COL)
= 0.1177 × (7.67 – 3.835) = 0.4514 (mg.L-1.s-1 ) = 1.62504 (g.L-1.h-1)
Cơng thức tính tốc độ sử dụng oxy: OUR = 𝑞𝑜 × X
Trong đó:
qo: Tốc độ sử dụng oxy riêng (mmol oxy/g sinh khối.h) μ: tốc độ tăng trƣởng riêng (h-1), với μ = 0.05 (h-1) (29).
Yo: Năng suất tạo ra bởi 1 mol Oxy (g sinh khối/ mol oxy). Yo = 260 mmol oxy/g tế bào.
Có: yo =
= 700 (g sinh khối/ mol oxy). Tốc độ sử dụng oxy riêng:
𝑞𝑂2=
= 7ì10-5(mol oxy. h-1.g-1)
ã Xỏc nh OUR Ta có: X = 7.8 (g/L).
45
Ta thấy: OTR = 1.62504 > OUR = 0.017 vì vậy hệ thống cấp khí là phù hợp cho hoạt động lên men.