Chương 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
4.1 Tính tốn thiết bị lên men
4.1.3 Tính tốn tốc độ cánh khuấy
Tốc độ của cánh khuấy:
N i = 𝑄 𝐷𝑖 Trong đó
Q: lưu lượng chất lỏng được khuấy trộn (m/s) D i : Đường kính cánh khuấy (m)
Mà lưu lượng chất lỏng được khuấy trộn Q = V BỂ t m = 100 15 = 6.67 (m 3 /s) Trong đó V BỂ : thể tích lên men 100 m3
tm: thời gian để các phân tử khí trong môi trường được khuấy trộn 15(s) N i = 𝑄
𝐷𝑖 = 5.333
2 = 2.667 (rps) = 160 rpm = 16.755 (rad/s) Chọn công suất cho cánh khuấy dạng chảy rối N p = 0.35
Với tốc độ cánh khuấy, ta kiểm tra lại giá trị Re tạo ra do tốc độ cánh khuấy: Re = 𝑁𝑖.𝐷𝑖2.ρ 𝜇 Trong đó:
𝐷𝑖: Đường kính cánh khuấy (m)
𝜇: Độ nhớt canh trường µ canh trường = 10-2 Pa.s Khối lượng riêng của canh trường là 1060 kg/ m 3 Ni: Tốc độ cánh khuấy (s-1 ) Dck: Đường kính cánh khuấy (m) Re = 𝑁𝑖.𝐷𝑖 2.ρ 𝜇 = 16.755 × 2 2 × 1060 10-2 = 7104120 > 10 4
Bể hoạt động ở chế độ chảy rối Công suất của bể là
Ps = N p × 𝜌 × 𝑁𝑖 3 × 𝐷𝑖 5 = 0.35 × 1060 × 16.755 3 × 2 5= 55841513.99 W
4.1.4 Tính tốn tốc độ cung cấp Oxy (OTR)
37
Trong đó:
OTR: tốc độ cung cấp khí oxy. KL: hệ số truyền khối trong pha lỏng.
a: diện tích bề mặt tiếp xúc trên một đơn vị thể tích bể phản ứng (m2 /m3). C*OL: nồng độ oxy bão hòa trong pha lỏng cân bằng với pha khí.
COL: nồng độ oxy trong pha lỏng tại thời điểm đo. Xác định C*OL
Theo định luật Henry thì C * OL phụ thuộc vào áp suất riêng thành phần oxy trong khí sử dụng và độ hịa tan của oxy
C* OL = p o .H o
Trong đó
p o : áp suất riêng phần của oxy trong bọt khí.
Ta sử dụng khí trời để sục khí nên áp suất của khí là 1 atm. Tỉ lệ oxy trong khí quyển là 21%. Nên áp suất riêng phần của oxy trong khí quyển là p o = 21% × 1 = 0.21 (atm) H o : độ tan của oxy trong phần lỏng của dịch lên men. Vì lên men ở 40 o
C nên ta có H0= 36mg/L.atm-1. (Tra bảng độ tan H0 của oxy trong nước).
C*OL = 0.21 × 36 = 7,56 mg/L
Xác định kL.a
Quan hệ của kL.a và một số thông số theo cơng thức thực nghiệm:
KL.a = 2.10-3.(𝑃
𝑉)0.7.uG0.2
Trong đó: P: công suất cánh khuấy (W)
P~ NP (Tốc độ cánh khuấy) uG: vận tốc bọt khí (m/s) V: thể tích lên men (L) Vận tốc bọt khí UG = 0,035m/s (Lambert et al., 2002) KLa = 2.10-3 (𝑷𝑺 𝑽)0.7 . UG0.2 = (2×10 -3 ) × 55841513.99 0.7 100 0.7 × 0,035 0.2 = 10.78 (s -1 ) Ps: Công suất cánh khuấy (W)
V: Thể tích thiết bị (m) UG: Tốc độ bọt khí (m/s)
Chọn C OL = 0.6 × C OL * => C OL = 0.6 × 7,56 = 4.536 mg/L Tốc độ truyền khối oxy
OTR = K L a × (C OL * - C OL ) = 10.78 × ( 7,56 - 4.536) = 32.61 (mg.L.s) = 117.39 (g/L.h)
Xác định tốc độ sử dụng oxy
OUR = qO2 × X
qO2 : tốc độ sử dụng oxy riêng (mmol oxy/g sinh khối.h) X: nồng độ sinh khối trong canh trường (g/L canh trường)
38 Tốc độ sử dụng oxy riêng của vi sinh vật là
qO2 = 𝜇 𝑌𝑋𝑆 Trong đó:
μ: tốc độ tăng trưởng riêng (h-1 )
YXS: năng suất sinh khối tạo ra bởi 1 mol oxy (g sinh khối/ mol oxy). Ta có:
μ = 0.025 h-1
(Physiological and cell 2 morphology adaptation of 3 Bacillus subtilis at near-zero 4 specific growth rates)
YXS = 0,031 (g sinh khối/ mol oxy) qO2 = 𝜇
𝑌𝑋𝑆 = 0.025
0.031 = 0.81
Nồng độ sinh khối của vi sinh vật trong quá trình lên men là X= 15.03 g/l [21] Tốc độ tiêu thụ oxy là
OUR = qO2 × X = 0.81 × 15.03 = 12.12 < OTR (OTR= 117.39) Hệ thống cung cấp Oxy hợp lý
KIỂM TRA NGẬP LỤT Định nghĩa ngập lụt
Trong bể phản ứng hiếu khí có trang bị một hoặc nhiều thiết bị khuấy, hiện tường dòng chảy trong bể khá phức tạp do sự kết hợp giữa hoạt động của thiết bị khuấy và các bọt khí. Dạng dịng chảy khi khơng có khí gồm hai vịng tuần hồn ở mỗi cánh khuấy. Khi khí được phun lên, những dạng dịng khác nhau có thể tồn tại trong bể. Ở tốc độ cánh khuấy cao và tốc độ dịng khí thấp, dạng tuần hồn phần lớn tương tự như trong trường hợp khơng có khí. Khi tăng tốc độ dịng khí sẽ thay đổi dần dần các dạng dịng này cho đến khi khí chi phối dạng dịng.
Tình huống khi khí chi phối dạng dịng được gọi là ngập lụt. Ngập lụt diễn ra khi năng lượng bị khí tiêu tán ở phần bể thấp hơn, Pg (W) vượt qua Ps (W) của cánh khuấy phía dưới [27].
Feijen (1987) nhận ra hiện tượng ngập lụt không xảy ra khi: 𝐹𝑔𝑠
𝑁𝐷3 < 𝑐𝑁 2𝐷 𝑔 Với:
C = 0.2 cho phương pháp dựa trên đo lường khoảng hold-up C = 1.2 cho phương pháp dựa trên đo lường oxy hòa tan
39 Fgs = tốc độ thể tích dịng khi tại điều kiện áp suất của cánh khuấy dưới (m3
s-1) N = tốc độ cánh khuấy (s-1 ) D = đường kính cánh khuấy (m) G = gia tốc trọng trường (ms-2 ) Tính Fgs và c:
Chọn c là 0.2, dựa theo công thức trên: 𝐹𝑔𝑠 𝑁𝐷3 < 0.2𝑁 2𝐷 𝑔 ↔ 𝐹𝑔𝑠 < 0.2 𝑁2𝐷 𝑔 × 𝑁𝐷 3 ↔ 𝐹𝑔𝑠 < 0.2 2.667 2× 2 9.8 × 2.667 × 2 3 ↔ 𝐹𝑔𝑠 < 6.19 m3
s-1 → Thiết bị lên men không xảy ra hiện tượng ngập lụt
4.2 Tính tốn thiết bị lọc
Hoạt lực của enzyme trước trước khi bước vào q trình lọc là 2.65719×10 11 U Hoạt lực của enzyme là 236.31 U/mL [22]
Thể tích enzyme protease từ 1 mẻ vào q trình lọc 2.65719×1011
236.31 = 1124450933 ml = 1123.45 (m 3 ) Nồng độ enzyme đầu vào là
20991.63
1123.48 = 18.6845 (kg/ m 3 )
Thơng số đặc trưng nhất của q trình lọc là diện tích màng lọc (A: m2) Ta có cơng thức
A = Q J R V
Trong đó:
QR (m3/h): là lưu lượng dịng dung dịch khơng qua màng lọc tính trên 1 đơn vị diện tích màng lọc
40 Chọn hệ số JV= 0,017 m3/m2.h
Dựa vào phương trình cân bằng vật chất ta có: V F = V P + V R
V F × C F = V P × C P + V R × C R 1123.45 = V P + V R (1)
1123.45 × 18.6845 = 20991.63 = V P × C P + V R × C R (2) Với: CF: Nồng độ enzyme đi vào quá trình lọc
VF: Thể tích dịch lỏng đi vào q trình lọc CR: Nồng độ enzyme thu được
VR: Thể tích enzyme thu được CP: Nồng độ dịch dưới màng VP: Thể tích dịch dưới màng
Hệ số tách loại của thiết bị là R = 99% [22]. Với R=99% ta có:
R = 0.99 = 1 – C P C R CP = 0.01 × C R (3)
Với hiệu suất quá trình lọc là H = 80% 0.8 = V P × C P V F × C F => V P × C P = 20991.63 × 0.8 = 16793.304 (4) Từ (2) và (4) => V R × C R = 20991.63 - 16793.304 = 4198.326 (5) Từ (1) và (3) ta có: 1123.45 = V P + V R = 0.01 × C V P × C P R + V R C × C R R 1123.45 = 16793.304 0.01 × C R + 4198.326 C R
41 C R = 1498.535 (kg/ m 3 ) > C F = 18.6845 (kg/ m 3 )
V R = 4198.326 C
R = 2.8 (kg/ m 3 ) Chọn thời gian lọc là 12.3 giờ Ta có Q R = V R t = 2.8 12.3 = 0.2276 (m3/h) Diện tích của màng lọc là A = Q J R V = 0.2276 0,017 = 13.39 (m 2 ) Diện tích 1 tấm màng lọc UF là 1,2 m2 Số thiết bị lọc màng là N= A A i = 13.39 1.2 = 12 (thiết bị) Kết luận
Vậy thiết kế thiết bị lọc màng loại bỏ sinh khối sau khi lên men thu enzyme protease từ Bacillus subtilis bao gồm những thông số như sau:
Thông số Làm việc
Thời gian lọc 12.3 giờ
Thể tích lọc 1181.25 m 3
Lưu lượng làm việc 0.2276 (m3/h)
Hiệu suất 80%
Thiết bị lọc 12 cái
Thông số mỗi thiết bị 1.2 m 2
Bảng 4.2 : Thông số thiết bị lọc màng
4.3 Tính tốn thiết bị ly tâm
Tính và chọn thiết bị:
Khối lượng enzyme protease trước khi vào máy ly tâm là 20294.76 (kg/mẻ). Khối lượng riêng của enzyme protease là 1100 kg /m3
42 Thể tích dung dịch ly tâm trong một mẻ
V = 20294.76
1100 = 18.45 m3
Theo Nguyễn Đức Lượng [7] thời gian ly tâm loại dịch là 15 phút = 0,25 h. Giả sử lưu lượng máy là 10000L/h.
Thể tích một máy ly tâm có thể đảm nhận được:
V1 máy = 10000 ×0,25 = 2500 (L) Số máy ly tâm cần thiết: Nly tâm = 𝑉1 𝑙𝑦 𝑡â𝑚
𝑉1 𝑚á𝑦 = 18.45×10
3
2500 = 7.38 = 8 (máy)
Chọn máy ly tâm với các thông số như trên, tốc độ cần thiết để loại bỏ dịch là 6000 rpm, nhóm chọn máy ly tâm dạng đĩa DHY/DHYC500 của hãng Zonelink với các thông số của máy như sau
Đặc điểm Thông số Công suất (kW) 15.5 Kích thước trong ( L×𝑊 ×𝐻)(cm) 1500 × 1772 × 1855 Đường kính trong (cm) 190 Đường kính ngồi (cm) 450 Lưu lượng 10000 Áp suất (Mpa) 0.3 Tốc độ vòng quay (rpm) 6600 Số đĩa 106
Bảng 4.3: Thơng số máy ly tâm dạng đĩa DHY/DHYC500
Hình 4.2: Hình ảnh máy ly tâm cơng nghiệp dạng đĩa DHY/DHYC500 Đường kính ngồi của máy: r1 = 450cm = 0,45 m
43 Có: RCF = 𝑟 × 𝜔2 𝑔 và 𝜔 = 𝑟𝑝𝑚 × 2𝜋 60 = 6600 × 2𝜋 60 = 748 (rad/s) r = r1 – r2 = 0,45 – 0,19 = 0,26 (m) RCF =0,26 ×748 2 9,81 = 14828.85 (g) Yếu tố ∑ = 2πn𝜔 2(𝑟13 −𝑟23 ) 3𝑔𝑡𝑎𝑛𝜃 = 2𝜋 × 106 ×748 2 × (0,453− 0,193) 3 ×9,81 ×𝑡𝑎𝑛 (0,25 𝜋) = 1066967.142 Lưu lượng đi vào các máy ly tâm:
Q1= 𝑉𝑙𝑦 𝑡â𝑚
𝑡 = 18.45 × 10
3
0,25 = 73800 (L/h) Lưu lượng đi vào 1 máy ly tâm:
Q1 = 73800
8 = 9225 (L/h) => Phù hợp với thông số của máy Vận tốc đi vào máy ly tâm:
v = 𝑉𝑙𝑦 𝑡â𝑚
∑ = 9225
1066967.142= 0.008 (L/h)
4.4 Tính tốn thiết bị sấy phun
Khối lượng đưa vào quá trình sấy = lượng vật liệu trước khi sấy: msấy= 18265.28 kg/mẻ Độ ẩm của sản phẩm trước khi vào thiết bị sấy: x1=85%
Độ ẩm của sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị sấy:x2=3%
Nhiệt độ sấy đầu vào là: (t1)=120 ± 2°C, nhiệt độ sấy đầu ra (t2)= 84 ± 2°C (1). Ta có: Phương trình cân bằng vật liệu chung:
m1 = m2 + W o Trong đó:
m1 : lượng vật liệu ẩm đi vào máy sấy, kg hay kg/h. m2 : lượng vật liệu ra khỏi máy sấy, kg hay kg/h. x1, x2 : độ ẩm ban đầu, lúc sau của vật liệu (%).
W: lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy, kg/h. Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu:
W= msấy ×𝑥1−𝑥2
100−𝑥2= 18265.28 ×85−3
100−3 =15440.75 kg
Ta chọn thời gian sấy tối đa là 2 ngày (trừ thời gian máy móc nghỉ). Nên chọn thời gian sấy t= 12 giờ
Công suất bốc ẩm: W’ =15440.75
12 = 1286.73 kg ẩm/ giờ
44 Ta chọn to = 35oC và =80%
Hình 4.3: Giản đồ Ramzin
Tra giản đồ Ramzim, ta có xo=0.029 kg ẩm/kg khơng khí khơ
Khi đó enthalpy của hỗn hợp khơng khí aarrm trước khi bước vào Caloriphe là: Ho= ck×to + (ro+Ch×to) ×Yo
Với Ck=1 nhiệt dung riêng của khơng khí khơ, kj/kg, oC Ro=2493 (enthalpy của hơi nước ở 0oC, kJ/kg)
Ch=1.97 (nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kg,oC)
Ho= 1×35+(2493+1.97 ×35)×0.029=109.3(kJ/kg khơng khí khơ) Khi ta tra giản đồ kết quả thu được cũng tương tự
Enthalpy của hỗn hơp khơng khí trước khi vào buồng sấy t1= 120oC (Yo=Y1)
H1= ck×t1 + (ro+Ch×t1) ×Y1=1×120+(2493+1,97×120)×0.029=199.07 (kJ/kg khơng khí khơ)
Vì trong q trình sấy enthalpy của khơng khí khơng đổi trong suốt quá trình nên: H1=H2=199.07 (kJ/kg khơng khí khơ)
Dựa vào cơng thức tính enthalpy ở nhiệt độ t2= 84oC H2= ck×t2 + (ro+Ch×t2) ×Y2=199.07 (kJ/kg)
Hàm ẩm của khơng khí sau khi ra khỏi phịng sấy: Y2=𝐻2−𝐶𝑘×𝑡2
𝑟𝑜+𝑐ℎ×𝑡2 = 199.07−1×84
45 Lượng khơng khí khơ cần để làm bốc hơi 1kg ẩm ( khơng khí tiêu hao
riêng) là 1= 1
𝑌2−𝑌1= 1
0.043−0.029= 71.43 (kg khơng khí khơ/ kg ẩm bay hơi) Lượng khơng khí khơ cần cho q trình sấy:
L=W’x l= 1286.73 x 71.43= 91911.12 (kg kkk/h) Nhiệt lượng riêng tiêu tốn cho quá trình sấy:
Qs= 𝐻2−𝐻𝑜
𝑌2−𝑌𝑜= 199.07−109.3
0.043−0.029= 6412.12 (kJ/kg ẩm) Cơng suất tiêu thụ của q trình sấy:
Q= qs x W’= 6412.12 x 1286.73=8250667.168 (kW)
Thiết kế thiết bị sấy:
Giả sử ta chọn thời gian lưu của khí là =20s và mật độ dịng khí ra là 0.89 kg/m3 Lượng khơng khí tiêu hao trong q trình sấy: L= 91911.12 (kg/h)
Thể tích khơng khí vào và ra khỏi thiết bị sấy:
V1= 𝐿 1= 91911.12 0.898 = 102350.91 (m3/h) V2= 𝐿 2= 91911.12 0.986 = 93216.15 (m3/h)
Trong đó: 1 và 2 là khối lượng riêng của khơng khí ở nhiệt độ t1 và t2 t1 = 84oC 1= 0.898 (kg/m3)
t2 = 120oC 2= 0.986 (kg/m3 )
Lưu lượng khơng khí khơ chuyển động trong sấy phun: Vkkk= (V1 +V2)/2= 97783.53 (m3/h)
Lưu lượng khơng khí thực chuyển động trong buồng sấy bao gồm lượng khơng khí khơ và lượng hơi ẩm bốc hơi từ vật liệu sấy h=1.296
V= (V+W/h) x = (97783.53+15440.75/1.296) x 5.56x10-3
= 609.9 m3 Trong đó: thời gian lưu trong buồng sấy = 20s= 5.56x10-3
46 W: lượng ẩm bay hơi (kg/h)
Cấu tạo thiết bị sấy gồm thân hình trụ và phần chóp: Thể tích thân thiết bị bằng: Chọn H1=2D V=𝜋×𝐷 2×𝐻1 4 + 𝜋×𝐷 2×𝐻2 12 = 𝜋×𝐷 2×2𝐷 4 + 𝜋×𝐷2×𝐷√32 4 =2D2=100m3 D= 7.07 m
Chiều cao của buồng tỉ lệ gấp 2 lần đường kính của thiết bị nên ta chọn chiều cao của buồng sấy là:
H1=2 x 7.07= 14.14 m H2=𝐷×𝑡𝑎𝑛60
2 = 6.12 m
Chiều cao của thiết bị là Htb= H1 +H2= 20.26 m
Để đáp ứng nhu cầu sản xuất, nhóm chọn thiết bị sấy phun LPG-150:
Thiết bị Thông số
Năng suất bay hơi lớn nhất (kg/h) 150 Nhiệt độ đầu vào (oC) <=350 Nhiệt độ đầu ra (oC) 80-90
Kiểu phun Phun sương mù li tâm độ cao
Tốc độ vòng quay đĩa phun (vịng/phút) 1800 Đường kính đĩa phun (rpm) 180-210 Công suất gia nhiệt điện (V) 220-450 Nguồn điện áp sử dụng Điện Kích thước máy (dài × rộng )(m) 13.5 x 12
47 Hình 4.4: Thiết bị sấy phun LPG-150
48
Chương V: TÍNH TỐN HIỆU QUẢ KINH TẾ
5.1 Vốn cố định
5.1.1 Chi phí thiết bị
Thiết bị chính
Bảng 5.1 : Bảng giá thiết bị sử dụng
STT Tên thiết bị Số lượng Bảng giá
(VNĐ) Thành tiền
1 Bể lên men chính 15 690.000.000 10.350.000.000 2 Thiết bị lọc màng UF 12 10.000.000 120.000.000 3 Thiết bị kết tủa 2 300.000.000 600.000.000 4 Thiết bị ly tâm DHY500 8 400.000.000 3.200.000.000 5 Thiết bị sấy phun LPG-150 4 370.000.000 1.480.000.000
6 Cân định lượng 2 70.000.000 140.000.000
7 Thiết bị bơm 4 100.000.000 400.000.000
8 Thiết bị tiệt trùng 1 1.000.000.000 1.000.000.000
9 Bể nhân giống 2 400.000.000 800.000.000
10 Bể chứa nguyên liệu 2 300.000.000 600.000.000 11 Hệ thống đóng gói 2 500.000.000 1.000.000.000 Tổng chi phí thiết bị (TTB chính) 19.690.000.000
VNĐ Hệ thống lắp đặt dây chuyền (𝑇𝐿Đ) 1.48% tổng chi
phí thiết bị 291.412.000 TỔNG tiền thiết bị bao gồm lắp đặt= 19.981.412.000 VNĐ
Thiết bị phụ
Tổng vốn đầu tư cho thiết bị phụ khác chiếm 10% chi phí thiết bị chính: T TB phụ = 10% x 19.690.000.000 = 1.969.000.000 (VNĐ)
Phương tiện vận tải
Bảng 5.2 : Bảng giá xe sử dụng
STT Tên thiết bị Số lượng Bảng giá
49
1 Xe nâng 2 200.000.000 400.000.000
2 Xe vận chuyển nguyên liệu 2 120.000.000 240.000.000 3 Xe vận chuyển sản phẩm 2 150.000.000 300.000.000 4 Xe vận chuyển nhiên liệu 2 150.000.000 300.000.000 5 Xe vận chuyển chất thải 1 200.000.000 200.000.000
Tổng chi phí cho xe (Txe) 1.440.000.000(VNĐ)
Tổng chi phí lắp đặt,thiết bị và phương tiện vận tải:
𝑇𝑇𝐵Tổng=𝑇TBchính + 𝑇LĐ +TTBphụ +𝑇𝑥𝑒 = 19.690.000.000 + 291.412.000 + 1.969.000.000 + 1.440.000.000 = 23.390.412.000 (VNĐ)
5.1.2 Đất và nhà xưởng
Vị trí thuê đất thuộc phường Vĩnh Tân, thị xã Tân Uyên, tỉnh Bình Dương với diện tích 7000m2 gồm khn viên 4000m2, diện tích nhà xưởng 3000m2, văn phịng làm việc và sinh hoạt riêng.
Chi phí thuê đất ( giá tham khảo): 58.000VNĐ/m2/tháng (tương đương 700.000/m2/năm)
Tiền thuê mặt bằng để xây dựng trong 1 năm là: TĐ = 700.000 x 7000= 4.900.000.000(VNĐ)
Chi phí xây dựng, sửa chữa nhà xưởng, phịng hành chính,mua sắm thiết bị cho phịng hành chính và nhà xưởng là: TXD = 2.000.000.000 (VNĐ)
Bảng 5.3: Cơ cấu nhà máy
Tên cơng trình Số lượng
Diện tích (m2)
Tổng diện tích (m2)
Khu vực sản xuất 1 2000 2000
Kho chứa nguyên liệu 1 300 300
Kho thành phẩm 1 300 300
Khu vực cơng trình phụ
( Điện, khu cấp nước, PCCC,xử lí nước thải, xử lý chất thải)
50 Khu vực hành chính,sinh hoạt 1 300 300
Đường nội bộ, cây xanh, sân
vườn 2 2000 4000
Tổng diện tích đất xây dựng: 7300
Tổng tiền thuê đất và xây dựng các cơng trình: