1. Tính tốn cân bằng vật chất từng giai đoạn
Bảng 2. Hiệu suất q trình trong từng cơng đoạn Quá trình Hiệu suất quá trình Tài liệu tham khảo
Lên men 100% Ly tâm 85% (12) Lọc 80% (13) Sấy 90% (14) Bao gói 99.8% 1.1. Bao gói Tỷ lệ tổn thất là 0.2%
Ta có lƣợng sản phẩn trƣớc khi bao gói:
PTB = 100.2% = 601.2 (tấn/năm) 1.2. Quá trình sấy phun
Lƣợng sản phẩm sau khi sấy là mSS = PTB = 601.2 (tấn/năm)
Độ ẩm đầu vào và độ ẩm đầu ra quá trình sấy: 75% và 5% (15,16).
Ta có cơng thức tính lƣợng ẩm dựa theo “Sổ tay q trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2” do Nguyễn Bin và cơng sự biên soạn (2006):
mTS = mSS + W Và W = mTS W = (mSS + W) = (601.2 + W) W =1683.36 (tấn/năm)
36
Theo Salman và công sự năm 2016, hiệu suất của quá trình sấy thu chế phẩm enzyme là 90%.
Ta có lƣợng sản phẩm trƣớc khi sấy là:
mTS = (mSS + W)
= (601.2 + 1683.36) = 2538.4 (tấn/năm) = 2538400 (kg/năm)
Khối lƣợng riêng của enzyme: 1.25g/ml = 1250 kg/m3 Thể tích enzyme đem đi sấy là: VS =
= 2020.72 m3/năm 1.3. Quá trình lọc
Phƣơng trình cân bằng vật chất:
mTL = mSL + mhao hụt
Hiệu suất thu hồi của quá trình lọc này là 80%
mTL = mSL +
mTL
0.8 mTL = 2358400
mTL = 2948000 (kg/ năm)
Vậy thể tích enzyme protease cần đem lọc là:
VL =
= 2358.4 m3/năm 1.4. Quá trình ly tâm
Hiệu suất thu hồi của quá trình ly tâm là 85% Phƣơng trình cân bằng vật chất:
mTLT = mSLT + msinh khối
Mà mSLT = 0.85mTLT mTLT =
= 3468236 (kg/năm)
msinh khối = mTLT – mSLT = = 520236 (kg/năm)
37
VLT=
= 220774,6 (m3/năm) 1.5. Quá trình lên men
Ta có : mLM = mTLT = 3468236 (kg/năm)
Tỷ lệ cấy giống 3% cho 1 mẻ nhƣng 1 năm có 128 mẻ. Khối lƣợng giống cần bổ sung để lên men là:
mgiống = 3%mLM = = 104047.08 (kg/năm)
Với thành phần môi trƣờng đã chọn, hoạt lực enzyme sau khi kết thúc quá trình lên men là 4133 U/mg ở 55°C và pH 6 (17).
Tổng hoạt độ enzyme thu đƣợc của quá trình lên men:
(U)
Nhƣ vậy để thu đƣợc năng suất đặt ra là 600 tấn/năm thì ta phải xây dựng quy trình sản xuất với năng suất enzyme của quá trình lên men là 3468236 (kg/năm) với tổng hoạt lực enzyme thu đƣợc là (U).
Hoạt lực enzyme amylase sau khi kết thúc quá trình lên men là 2356 U/mL (18). Với tổng hoạt lực enzyme thu đƣợc là (U) thì ta cần lên men với thể
tích là:
VLM =
= 6082.34 (m3/năm) ~ 6083 (m3/năm)
Thể tích dịch giống cần lên men là:
Vlàm việc = VLM + Vgiống = 6082.34 +
= 6264.82 (m3/năm)
Nồng độ sinh khối trong canh trƣờng nuôi Bacillus subtilis là X = 7.8 g/L (19).
1g sinh khối sẽ tạo ra = 302051.29 (UI/ g sinh khối)
Khối lƣợng sinh khối cần để sinh ra đƣợc U trong quá trình lên men là
MSinh khối =
38
Bảng 4. Thành phần môi trƣờng lên men
Thành phần Khối lƣợng (w/v) Khối lƣợng sử dụng (kg) Tinh bột 4% 248160 Dịch chiết bắp 2% 124080 NaCl 0.05% 3102 MgSO4.7H2O 0.05% 3102 CaCl2.2H2O 0.02% 1240.8 KH2SO4 0.01% 620.4 Nƣớc cất 1000 ml 6204 m3
2. Sự thay đổi hoạt tính enzyme trong quy trình
Sự hao hụt hoạt tính enzyme qua các q trình sau lên men đƣợc thể hiện qua bảng 5 Bảng 5. Sự hao hụt hoạt tính enzyme qua các q trình
Quá trình
Hiệu suất Tài liệu tham khảo Hoạt tính (U/ml) Ly tâm Tăng 1.3 (20) HT = Lọc Tăng 3.4 (21) HT = Sấy Giảm 1.03 (22) HT =
CHƢƠNG 4. TÍNH TỐN THIẾT BỊ 1. Kế hoạch sản xuất
39
Một năm 365 ngày, trừ các ngày lễ (15 ngày) và thời gian bảo trì máy móc thiết bị (30 ngày).
Số ngày làm việc của công ty trong 1 năm:
Tlàm việc = 365 – (15 + 30) = 320 (ngày)
Thời gian một mẻ kéo dài 2 ngày (48 h) (Bacillus subtilis sau 16-24h lên men là thời điểm tốt nhất để thu nhận enzyme) (23).
Thời gian nghỉ giữa mỗi mẻ là 0.5 ngày. Vậy tổng thời gian cho một mẻ là :
Tmẻ = 2,5 ngày = 60 giờ.
Số mẻ lên men trong một năm là:
Số mẻ =
= 128 (mẻ/ năm)
Năng suất sản xuất enzyme của nhà máy trên 1 mẻ nuôi cấy:
P =
= 4.69 (tấn/mẻ) = 4690 (kg/mẻ)
Tổng đơn vị hoạt lực chế phẩm enzyme thu đƣợc trên 1 mẻ nuôi cấy:
HLSLM(1 mẻ) =
1.12 (UI)
Nồng độ sinh khối trong canh trƣờng nuôi Bacillus subtilis là X = 7.8 g/L (19). 1g sinh khối sẽ tạo ra = 302051.3 (UI/ g sinh khối)
Với tổng hoạt lực enzyme thu đƣợc là 1.12 1011 UI thì thể tích bể lên men:
V bể =
(m3) ~ 48 (m3)
Khối lƣợng sinh khối sinh ra đƣợc trong 1 mẻ lên men:
m sinh khối =
370798 (kg)
Tỉ lệ cấy giống là 1% (w/v) cho bể nhân giống ban đầu và lấy dịch nhân giống cấy vào bể lên men với tỉ lệ 10% (v/v).
Thể tích bể nhân giống 3% (v/v):
40
Lựa chọn bể lên men dạng thân hình trụ bằng thép khơng gỉ, đáy lồi. bên trong gồm các cảm biến, có đầu dị các thơng số điều kiện ni cấy, 2 cánh khuấy dạng mái chèo và ống sục khí.
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. Thông 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).
Cơng 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 cơng 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 hịa 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 × 7.67 = 3.835 (mg/L).
• Tốc độ 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=
= 7×10-5(mol oxy. h-1.g-1)
• Xác định 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.
3. Tính tốn thiết bị ly tâm
Amylase dễ bị biến tính ở nhiệt độ cao nên cần thực hiện phƣơng pháp ly tâm lạnh ở nhiệt độ thấp. Môi trƣờng nuôi cấy đƣợc ly tâm ở 10.000 g trong 10 phút ở 4 ° C (30) .
Khối lƣợng riêng của enzyme amylase là 1.25 g/mL = 1250 kg/m3, thể tích của enzyme trƣớc khi ly tâm :
VTLT=
= 220774.6 (m3/năm)
Thể tích cần ly tâm trong 1 mẻ:
VLT =
= 1724.8 (m3/ mẻ)
Giả sử trong quy mơ cơng nghiệp q trình ly tâm đƣợc thực hiện trong 6 giờ.
Q1 = = 287.46 (m3/h)
Dựa vào tính chất cũng nhƣ các đặc tính của thiết bị ly tâm dùng để phân tách vi sinh vật và qua q trình tính tốn chi tiết kỹ thuật. Để đạt đƣợc công suất 600 tấn/ năm, nên chọn thiết bị ly tâm loại đĩa. Vì máy ly tâm dạng đĩa có mức độ phân ly cao, phù hợp với kích thƣớc Bacillus Subtilis. Lựa chọn thiết bị ly tâm dạng đĩa hitech model 270.
46
Hình 13 : Thiết bị ly tâm dạng đĩa hitech model 270 Bảng 7: Thông số thiết bị ly tâm dạng đĩa hitech model 270
Đặc điểm Thông số Công suất 1.5 – 2.5 (m3/h) Đƣờng kính trong ro 270 mm Đƣờng kính ngồi ri 7609 mm Hệ số tách 81505 Số đĩa 118
Để thu enzyme cần sử dụng một lực ly tâm với giá trị 10000 g (30) . Thiết bị ly tâm Hitech model 270 đƣợc sử dụng có đƣờng kính trong và đƣờng kính ngồi lần lƣợt là 270 mm và 7609 mm.
Từ đó ta tính đƣợc vận tốc góc ( ) và tốc độ quay (rpm) trong quá trình thu tủa:
RCF = → = √ = √ = 115.61 rad/s
Từ vận tốc góc, ta có tốc độ vịng của máy bằng:
rpm =
= 1104.05 (vịng/phút)
Nhƣ vậy, q trình ly tâm đƣợc thực hiện với tốc độ 1104.05 vòng/phút.
Yếu tố sigma: (31) ∑ ( ) Trong đó:
n: lƣợng đĩa, thiết bị có 118 đĩa
: góc nghiêng tạo nên con đĩa, độ (chọn = 45 độ)
r0 và ri: bán kính trong và bán kính ngồi của đĩa
∑
= 148328895.8
Vận tốc dịch đi vào máy ly tâm:
= =
= 1.16×10-5 (m3/h)
Năng suất của thiết bị ly tâm FW-1300:
Q2 = = 1.16×10-5 × 14.83×107 = 1720.28 m3/h
47
Vậy với năng suất của thiết bị là Q2 = 1720.28 m3 /h có thể đáp ứng với năng suất cần thực hiện ly tâm Q1 = 287.46 m3 /h nên ta chỉ cần 6 máy ly
tâm.
4. Tính tốn thiết bị lọc
Bảng 9. Thơng số của q trình lọc
Thơng số Đơn vị Tài liệu tham khảo
Hệ số tách loại R = 99% (32)
Kích thƣớc enzyme α - amylase
45 – 50 kDa (33)
Kích thƣớc lỗ lọc 30 kDa Chọn màng lọc 30kDa của hãng SynderFiltration để phù hợp với yêu cầu là cô đặc dịch enzyme α -
amylase. Vận tốc dịch lọc qua màng (Jv) Jv = 714L/h/m2 = 0,714 m3/h/m2 (32)
Hiệu suất quá trình H = 90% (34)
Thời gian lọc T = 5h
- Giả sử ta cho hệ số tách loại là 99%.
- Khối lƣợng phân tử của α- amylase vào khoảng 50 kDa. - Nồng độ enzyme đầu vào:
Cf = =
= 0.570 ( tấn/m
3
)
Thể tích dịng dung dịch đƣa vào q trình lọc là: Vf = 2358.4 m3/năm Chọn q trình lọc gián đoạn, ta có:
48
CfVf = CrVr + CpVp (2)
Trong đó:
Cf: Nồng độ dịng dung dịch đi vào hệ thống Vf: Thể tích dịng dung dịch đi vào hệ thống Cr: Nồng độ dịch không qua màng lọc Vr: Thể tích khơng đi qua màng lọc Cp: Nồng độ trong dịch lọc
Vp: Thể tích dịch lọc - Hiệu suất quá trình là:
H= = 0.90 (3) Từ (1) ta có: 2358.4 = Vr + Vp Từ (2) ta có: 2358.4 x 0.570 = VrCr + VpCp ↔ 1344.288 = VrCr + VpCp (4) Từ (3) ta có: H = 0,90 => CrVr = 1209.8592 (tấn) Từ (4) ta có: VpCp = 1344.288 1209. 8529 = 134.4351 (tấn) Ta có, hệ số tách loại của màng lọc là: R= 99% → 0.99 =m 1 => Cp = 0.01Cr Từ (1), suy ra: Vf = Vr + Vp → Vf = + 1344.288 = +
49 1344.288 = + => Cr = 10.90 ( tấn/m3) Tƣơng tự ta tính đƣợc Cp = 0.01Cr => 0.109 ( tấn/m3) VpCp = 134.4351 ↔ Vp x 0.109 = 134.4351 => Vp = 1233.349 ( m3) VrCr = 1209. 8529 ↔ Vr x 10.90 = 1209.8529 => Vr = 110.996 (m3) Ta chọn thời gian lọc là t = 5(h) ↔ = 246.6698 (m3/h) Có Jv = 0.714 m3/h/m2 A = = = 345.47(m2)
Chọn màng lọc 30 kDa của hãng SynderFiltration để phù hợp với yêu cầu là cô đặc dịch.
Chọn loại màng phù hợp với lƣu lƣợng dịng đã tính tốn (246.6698 m3/h): Chọn màng lọc có đƣờng kính ống 10” với lƣu lƣợng lọc 246.6698 m3/h → Có diện tích màng lọc là 326 ft2 ≈ 30.28 m2(2.153 ft2 = 0.2 m2)
= 11.41 ( thiết bị )
→ Suy ra cần 12 ống lọc.
Kết luận: Đối với q trình lọc màng để cơ đặc α-amylase từ vi khuẩn Bacillus Subtilis sau khi ly tâm loại bỏ sinh khối ta lựa chọn:
• Thiết bị siêu lọc có màng lọc màng lọc 30 kDa của hãng SynderFiltration. • Thể tích cần lọc 2358.4 m3/năm.
• Diện tích màng lọc 30.28 m2
.
50 • Lƣu lƣợng dịng sau lọc Qp = 246.6698 m3/h. • Số ống lọc 12 ống.
5. Tính tốn thiết bị sấy phun
Khối lƣợng đƣa vào quá trình sấy (1 mẻ): msấy =
= 19831.25 (kg) với nồng độ chất khô là 30%.
Q trình sấy phun có bổ sung maltodextrin 1% cung cấp sự ổn định tốt nhất trong suốt thời gian sấy (35).
Lƣợng ẩm bay hơi khỏi vật liệu:
Độ ẩm vật liệu trƣớc khi sấy: x1 = 75%
Độ ẩm vật liệu sau khi sấy: x2 = 5%
Nhiệt độ tác nhân sấy đầu vào t1 = 120 ± 2°C, nhiệt độ tác nhân sấy đầu ra t2 = 84