Chương 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
3.2 Cân bằng vật chất
Quá trình sấy phun:
Chọn :
Chọn độ ẩm trước quá trình sấy là x 1 = 85% Độ ẩm vật liệu sau quá trình sấy là x 2 = 3%
Lượng sản phẩm sau quá trình sấy: M sau sấy = 2803 (kg/ mẻ)
Lượng ẩm bay hơi là W: ta có cơng thức tính lượng ẩm dựa theo “Sổ tay quá trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2” [5]
M trước sấy = M sau sấy + W (1) W = 𝑥1−𝑥2
100−𝑥1× M sau sấy (2) Thế 1 vào 2: W = 85−3
100−85 x 2803 = 15323.06 (kg/mẻ)
31 M trước sấy = ( M sau sấy + W ) × 100
98 = (2803+15323.06 ) ×100
98 = 18495.99 (kg/mẻ). Tỷ trọng của ezyme proteae là 1100 kg /m3 thể tích của enzyme trước sấy là:
Venzyme= 18495.99
1100 = 16.8 m3
Chất trợ sấy Maltodextrin (MD) 3% (w/v) [10], vậy khối lượng chất trợ sấy là Mtrợ sấy= 3
100 × 16.8 × 1000 = 504 (kg) Tổng khối lượng vật liệu trước quả trình sấy:
Mtrước sấy = (Msau sấy + W) × 100
98 + mtrợ sấy =(2803+15323.06) × 100
98 + 504 = 18265.28 (kg/mẻ)
Quá trình ly tâm:
Hiệu suất quá trình ly tâm là 90%, khối lượng hỗn hợp trước ly tâm là M trước ly tâm = 18265.28 × 100
90 = 20294.76(kg/ mẻ)
Q trình kết tủa
M sau kết tủa = M trước ly tâm = M muối tủa + M dịch lọc = 20294.76 (kg/ mẻ) [13]. Tỷ trọng của enzyme protease là 1100 kg /m3
Bổ sung muối (NH4)2SO4 đến độ bão hòa là 80%, tương đương với bổ sung 382g muối (NH4)2SO4 vào 1L dịch enzyme. Như vậy, khối lượng muối cần dùng là:
M muối tủa = M dịch lọc 1100 × 1000 × 382 (g) Ta có: M muối tủa + M dịch lọc = 6165.3 (kg) M dịch lọc 1100 × 1000 × 382 + M dịch lọc × 1000 = 6165.3 × 1000 M dịch lọc = 4576.14 (kg/ mẻ) M muối tủa = M dịch lọc 1100 × 1000 × 382 = 1589.17 (kg/ mẻ)
Ở quy mô công nghiệp kết tủa bằng enzyme protease kiềm bằng (NH4)2SO4 thì hiệu suất thu hồi enzyme là 89,70% hao hụt 10,3% là do ảnh hưởng bởi dung môi
M dịch lọc trước khi tủa = 4576.14 × 100
32
Q trình lọc
Hiệu suất của quá trình lọc màng là 80%, khối lượng của hỗn hợp trước khi bước vào quá trình lọc là
M trước lọc = M sau lọc × 100
80 = 5101.6 × 100
80 = 6377 (kg/ mẻ)
Quá trình lên men
Enzyme protease trong chế phẩm enzyme thương mại có hoạt lực tối thiểu là 60.000U/g Tổng đơn vị hoạt lực thu được sau một mẻ nuôi cấy là:
2803 × 60.000 × 1000 = 1.6818×10 11 U
Hiệu suất của các quá trình thu nhận được trình bày ở bảng ... Hoạt lực tổng của enzyme trước khi bước vào các quá trình là 1.6818×10 11 × 100
98 × 100 90 × 100
89,7 × 100
80 = 2.65719×10 11 U
Để đạt được yêu cầu sản xuất 300 tấn enzyme protease 1 năm thì khối lượng enzyme thu được mỗi mẻ là 2803 kg/ mẻ và yêu cầu hoạt lực mỗi mẻ là 2.65719×1011
U Nồng độ sinh khối của Bacillus subtilic trong canh trường là X= 15.03 g/L Hoạt lực enzyme protease sau khi kết thúc quá trình lên men là 236.31 U/mL 1g sinh khối sẽ tạo ra 236.31 ×103
15.03 = 15722.55 (U/g) Với tổng hoạt lực enzyme thu được là 2.65719×10 11
U thì thể tích lên men là 𝑉𝑙ê𝑛 𝑚𝑒𝑛 = 2.65719×10 11 236.31 × 10 6 = 1124.45 (m 3 ) = 1125 (m 3 )
Thể tích cấy giống bằng 5% thể tích lên men nên thể tích làm việc 1 mẻ là 1125 + 1125 × 5
33
STT Giai đoạn Khối lượng làm việc
1 Sấy 5548.8 (kg/mẻ)
2 Ly tâm 6165.3 (kg/mẻ)
3 Lọc 6377 (kg/ mẻ)
4 Kết tủa 5101.6 (kg/mẻ)
5 Lên men 1181.25 (m 3 / mẻ)
34
CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN THƠNG SỐ THIẾT BỊ 4.1 Tính tốn thiết bị lên men
Thể tích cần lên men 1 mẻ là 1125 m 3/mẻ
Thể tích cấy giống bằng 5% thể tích lên men [22]=1125 + 1125 × 5
100 = 1181.25 (m3) Với thể cần lên men là 1181.25 m 3
là quá lớn để lên men cùng một lúc cùng với cái thiết bị khuấy trộn với bể chứa nên việc chia nhỏ thành nhiều bể là cần thiết. Thể tích mỗi bể được chọn là 120 m3 phù hợp với quy mơ cơng nghiệp và thích hợp với các thiết bị khuấy trộn [4].
Chọn thể tích làm việc mỗi bể là 80 m3 , tổng số bể lên men là 1181.25
80 = 15 (bể)
Chọn khoảng hold-up là 20% [27], vậy tổng thể tích của 1 bể lên men là: 80 × 100
80 = 100 (m 3 )
Với thể tích lên men trên, chọn đặt hàng hãng sản xuất bể lên men làm bằng thép khơng rỉ của hãng Zhuoda với thể tích lên men là 100.000 lít, cơng suất điện 80kw
Hình 4.1 : Bể lên men thể tích 100.000 lít của hãng Zhuoda
Chọn thiết bị lên men có hình trụ nón và có cánh khuấy, được làm bằng thép không gỉ [9]. Bể cánh khuấy tubin 2 cánh, cánh khuấy có 2 bảng hình chữ nhật [9].
35
4.1.1 Bể lên men chính
Tính thể tính, đường kính và chiều cao thiết bị lên men theo [25]. Yêu cầu tỉ lệ đường kính thiết bị và chiều cao thiết bị:
H T ≥ 2D T , chọn giá trị 2 nghĩa là H = 2D Ta có: V bể = H T × 𝜋.𝐷𝑇 2 4 mà HT = 2DT nên V = 2 × DT x 𝜋.𝐷𝑇2 4 = 100 Suy ra: D T = 4 m Bể có đường kính D T = 4 m Bể có chiều cao H T = 8 m
4.1.2 Thiết kế cánh khuấy và hệ thống cung cấp oxi
Chọn tỉ lệ giữa đường kính cánh khuấy (D i ) và đường kính bể (D T ) là 0.5 D i = 0.5 × D T = 0.5 × 4 = 2 (m)
Chiều rộng của vách ngăn (W BF) bằng 1/ 10 đường kính bể W BF = 1
10 × DT = 1
10 × 4 = 0.4 (m)
Chiều cao lưỡi cánh khuấy (W B) bằng 0.2 so với đường kính cánh khuấy W B = 0.2 × D i = 0.2 × 2 = 0.4 (m)
Chiều rộng lưỡi cánh khuấy (L B) bằng 0.25 so với đường kính cánh khuấy L B = 0.25 × D i = 0.25 × 2 = 0.5 (m)
Kết luận: các thông số của bể phản ứng được tóm tắt ở bảng sau
Thơng số Kích thước
Thể tích 100 m 3
Chiều cao bể 8 m
Chiều rộng bể 4 m
Đường kính cánh khuấy 2 (m) Chiều rộng của vách ngăn 0.4 (m) Chiều cao lưỡi cánh khuấy 0.4 (m)
36 Chiều rộng lưỡi cánh khuấy 0.5 (m)
Bảng 4.1 : Thơng số chính bể 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 mơi 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 hòa 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 công 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 dòng 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 hịa 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 : Thơng 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: Thông 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.