4.1.2. Thiết kế cánh khuấy
Giả sử tỉ lệ đƣờng kính cánh khuấy (Dck) và đƣờng kính bể (DT) là 0.3 (Dck = 0.3DT) (Nguyễn Hoàng Lộc, 2007)
Đƣờng kính cánh khuấy:
Dck = 0.3 x DT = 0.3 x 5 = 1.5 (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) (Nguyễn Hoàng Lộc, 2007)
D vách ngăn = = 0.5 (m)
Chọn chiều cao của cánh khuấy bằng 0.2 đƣờng kính cánh khuấy.
(Nguyễn Hoàng Lộc, 2007)
Chiều cao cánh khuấy:
= 0.2 x 1.5 = 0.3 (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 Dck = 0.25 x 1.5 = 0.36 (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. (Nguyễn Hồng Lộc, 2007)
Khoảng cách giữa 2 cánh khuấy = 1.5 x Dck = 1.5 x 1.5 = 2.3 (m)
4.1.3. Kiểm soát nồng độ oxy
Cơng thức tính tốc độ cung cấp oxy:
OTR = KL.a.(C*OL – COL)
Trong đó:
KL: hệ số truyền khối trong pha lỏng (m/s)
a: tổng diện tích của các bọt khí trong bể lên men
C*OL: nồng độ oxy bão hòa trong pha lỏng cân bằng với pha khí COL: nồng độ oxy thực tế trong pha lỏng
Xác định C*OL
Theo định luật Henry thì C*OL phụ thuộc vào áp suất riêng phần của oxy trong khơng khí và độ hịa tan của oxy.
C*OL = po x Ho = 0.21 x 37.06 = 7.78 (mg/L)
Trong đó:
Po: áp suất riêng phần của oxy sử dụng. Ta sử dụng khí là khí quyển nên áp suất riêng phần của oxy bằng áp suất khí quyển 1atm. Mà tỉ lệ oxy trong khí quyển chiếm 21% nên áp suất riêng phần của oxy po = 0.21 atm
Ho: độ hòa tan của oxy trong pha lỏng của bể lên men, Ho = 26.1 ml/L (Bảng độ hòa tan của oxy trong nƣớc theo nhiệt độ và áp suât – Sổ tay QT & TB tập 1).
Cùng 1 mol oxy thì ta có thể tích của oxy V= 22.4 (L) và khối lƣợng mol oxy m = 32 (g).
1ml = 1.42 mg
Ho = 26.1 x 1.42 = 37.06 (mg/L)
Xác định KLa
Bể lên men có sử dụng cánh khuấy, nên hệ số truyền khối:
KLa = 2 x 10-3 x ( )
Trong đó:
PS: cơng suất của cánh khuấy (W) V: thể tích lên men (L)
uG: vận tốc bọt khí (m/s)
Theo tốc độ cánh khuấy trong các bể lên men vi sinh vật ở quy mô công nghiệp nằm trong khoảng 120 – 200 rpm. (Lê Văn Hoàng,
2004)
Tốc độ của cánh khuấy:
Ni =
Trong đó: Q: lƣu lƣợng chất lỏng đƣợc khuấy trộn (m/s) Dck: đƣờng kính của cánh khuấy (m) Mà lƣu lƣợng chất lỏng đƣợc khuấy trộn: Q = 8 (m3/s) Trong đó: V: thể tích lên men
tm: thời gian để các phân tử khí trong mơi trƣờng đƣợc khuấy trộn 15(s) Ni =
2.37 (rps) = 2.37 x 60 = 142.2 (rpm) = 14.89
(rad/s)
Giả sử khối lƣợng riêng của canh trƣờng là ρ =1050 kg/m3 Giả sử độ nhớt của canh trƣờng là μ = 10-2 Pa.s
Chuẩn số Re
Re =
> 105
Trong đó: Ni: tốc độ cánh khuấy (rad/s) Dck: đƣờng kính cánh khuấy (m)
ρ: khối lƣợng riêng của canh trƣờng (kg/m3) μ: độ nhớt của canh trƣờng (Pa.s)
Chọn chuẩn số công suất của cánh khuấy máy chèo dạng chảy rối Np = 0.35 (Bài giảng thiết kế bể phản ứng)
Công suất cánh khuấy
PS = Np x ρ x Ni3 x Dck5
= 0.35 x 1050 x (14.89)3 x 1.55 = 92.1 x 105 (W) = 9210 (kW)
Trong đó: Np: chuẩn số cơng suất
ρ: khối lƣợng riêng của canh trƣờng (kg/m3) Ni: tốc độ cánh khuấy (rad/s)
Dck: đƣờng kính cánh khuấy (m)
Chọn vận tốc bọt khí: uG = 0.04 (m/s) (Lê Văn Hồng, 2004). Từ đó ta có hệ số truyền khối KL.a:
kL.a = 2.10-3.( ) .uG0.2 = 2.10-3 x (
) x 0.040.2 = 2.76 (s-1)
Xác định COL
Giả sử COL = 50% .C*OL
COL= 0.5 C*OL => COL = 0.5 x 7.78 = 3,89 (mg/L)
Tốc độ truyền khối oxy cung cấp:
OTR = kL.a (C*OL – COL)
= 2.76 (7.78 – 3,89) = 10,74 (mg/L.s) = 38,67 (g/L.h) Cơng thức tính tốc độ sử dụng oxy
OUR = qO2 X
Trong đó: qO2 : tốc độ sử dụng oxy riêng (mmol oxy/g sinh khối.h) X: nồng độ sinh khối trong canh trƣờng (g/L canh trƣờng)
Theo quy luật: OTR OUR hay kL.a (C*OL – COL) qO2 X Xác định tốc độ sử dụng oxy riêng qO2 = Trong đó: μ: tốc độ tăng trƣởng riêng (h-1)
yo: năng suất sinh khối tạo ra bởi 1 mol oxy (g sinh khối/ mol oxy). Với μ = 0.58 h-1
Theo (Lê Văn Hoàng, 2004) thì ta có yo= 0.26 mol O2/g sinh khối
yo =
= 46.19 (g sinh khối/ mol O2).
Tốc độ sử dụng oxy riêng:
qO2 =
= 12.56 10-3
(mol oxy. h-1.g-1) = 12.56 (mmol/h.g)
Nồng độ sinh khối canh trƣờng X = 12,01 (g/L). Tốc độ sử dụng oxy:
OUR = qO2 X = 12.56 10-3
= 0.151 (mol oxy/ h.L) = 4.832(g/h.L)
OTR OUR vì vậy hệ thống cấp khí là phù hợp cho bể
lên men và hoạt động của thiết bị. 4.2. Các thiết bị tinh sạch 4.2.1. Thiết bị lọc khung bản
Sau quá trình lên men, ta sẽ thu đƣợc hỗn hợp gồm sinh khối vi sinh vật và canh trƣờng sau lên men có chứa enzyme cần thu nhận. Cần phải trải qua quá trình lọc khung bản để loại bỏ sinh khối vi sinh vật ra khỏi canh trƣờng.
Giả sử khối lƣợng riêng của môi trƣờng nuôi cấy vào thiết bị lọc là ρ = 1050 kg/m3.
Khối lƣợng sinh khối tạo ra sau quá trình lên men : m sk=
kg
Bể lên men chính có thể tích lên men là V = 2282.5m3 khối lƣợng tổng khi lên men đƣợc tính nhƣ sau:
mlên men = ρ V = 1050 2282.5 = 2396625(kg)
Lƣợng canh trƣờng thu đƣợc sau khi loại bỏ sinh khối theo lý thuyết:
mcanh trƣờng = mlên men – msinh khối =2396625 – 27412.83 = 2369212.17kg)
Tỉ lệ hao hụt của quá trình lọc là 3% ((Bilad et al., 2013)) (hiệu suất thu hồi của quá trình lọc là 97%) do trong sinh khối vi sinh sau khi loại bỏ còn chứa 1 lƣợng nhỏ canh trƣờng enzyme, nên lƣợng canh trƣờng thu đƣợc sau khi lọc là:
m = mcanh trƣờng 97% = 2369212.17 x 0.97 = 2298135.81 (kg)
Nồng độ sinh khối thu đƣợc sau quá trình lên men X= 12.01 (g/l) = 12.01 (kg/m3).
Do khối lƣợng sinh khối trong canh trƣờng là 12.01 kg/m3 và khối lƣợng riêng của canh trƣờng nuôi cấy là D = 1050 kg/m3.
Nên khối lƣợng riêng của canh trƣờng sau khi loại bỏ sinh khối:
D’ = 1050 – 12.01 = 1037.99 (kg/m3
).
Thể tích canh trƣờng thực tế thu đƣợc sau q trình lọc có tính tỉ lệ hao hụt 3%. (Nguyễn Hồng Lộc, 2007)
Vcanh trƣờng sau lọc =
Tổng hoạt lực enzyme sau quá trình lọc khung bản HL3 =
(tính tốn ở chƣơng 4).
Hoạt lực enzyme trong canh trƣờng sau khi lọc (hao hụt do quá trình lọc 3%):
HL =
= 3712.70 (UI/ml)
Bảng 4.1. Thông tin thiết bị khung bản
Thông tin thiết bị Thông số
Tên thiết bị Máy ép khung bản 1500 x 1500mm Model MPF – 1500 Kích thƣớc tấm lọc 1500x1500x80mm Số tấm lọc 90 Thể tích lọc 7 - 40m3/h Áp lực làm việc 5 -7Bar Công suất động cơ 5.5kW