TÍNH TỐN THIẾT BỊ - THIẾT KẾ QUY TRÌNH SẢN XUẤT EN- 123docz.net

4.1. Thiết bị lên men

Thể tích q trình lên men và tỉ lệ nhân giống bằng 4% Vmôi trường =

= 1246,30 (m3) Vgiống = 4% Vmôi trường = 4% 1246,30 = 49,85 m3

Vlàm việc = Vmôi trường + Vgiống = 1246,30 + 4% Vmôi trường =1296,15 (m3) Với thể tích bể lên men là 1296,15 m3 với thể tích này khó có thể thiết kế và xây dựng nên ta sẽ chia ra thành nhiều bể hoạt động cùng lúc.

Số bể len men hoạt động là.

Số tank =

= 12,96 13 bể Giả sử hệ số chứa đầy 80%

Tổng thể tích 1 bể lên men:

V1 bể =

= 125 (m3)

4.2. Tính tốn thiết kế 1 bể lên men

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 nuôi cấy, 2 cánh khuấy dạng mái chèo và ống sục khí. Chọn tỷ lệ chiều cao (HT), và đường kính (DT) là 2:1[35] HT =2DT Thể tích bể lên men. Vbể = HT DT2mà HT = 2DT  Vbể = 2 DT DT2 125 = 2 DT DT2  DT = 4,3 (m) Từ đó ta tính được chiều cao.

HT = 2DT

2 4,3 = 8,6 (m) Vậy bể lên men có đường kính và chiều cao là. Bể có đường kính DT = 4,3(m)

Bể có chiều cao HT = 8,6 (m)

4.2.1. Cánh khuấy

Chọn tỷ lệ đường kính cánh khuấy (Di) thường bằng 0,3 đường kính bể (DT) [35] Đường kính cánh khuấy (Di)

Di = 0,3 DT

0,3 4,3 =1,29 (m)

Bốn vách ngăn đều nhau để ngăn cản sự hình thành dịng xốy Chiều rộng vách ngăn Rck 1/10 đường kính bể DT [35]

Chiều rộng vách ngăn

Rvn =

DT =

4,3 = 0,43 (m)

Chọn chiều cao của cánh khuấy (HCK) bằng 0,2 đường kính cánh khuấy (Di)[35] Chiều cao cánh khuấy

Hck = 0,2 Di = 0,2 1,29 = 0,26 (m)

Giả sử chiều rộng cánh khuấy bằng 0,25 so với đường kính cánh khuấy Chiều rộng cánh khuấy

Rck = 0,25 Di = 0,25 1,29 = 0,32 m

Thiết bị 2 cánh khuấy khoảng cách cánh khuấy thứ nhất với đáy bể và cánh khuấy thứ hai bằng 1,5 đường kính cánh khuấy [35]

Khoảng cách giữa 2 cánh khuấy

Vậy thiết bị lên men có các thơng số thiết bị là. Đường kính cánh khuấy Di = 1,29 (m)

Chiều rộng cánh khuấy Rck = 0,32 (m) Chiều cao cánh khuấy Hck = 0,26 (m) Chiều rộng vách ngăn Rvn = 0,43 (m) Khoảng cách giữa 2 cánh khuấy = 1,94 (m)

4.2.2. Tốc độ cánh khuấy

Chọn loại cánh khuấy Rushonton turbine Np = 5 là chuẩn số công suất Bể hoạt động chế độ chảy rối

Giả sử cơng suất cánh khuấy trên thể tích là 1,5 KW/m3

= 1500 W/m3

 Ps = 125 1500 = 187500 (W) Giải sử khối lượng riêng = 1000 (kg/m3)

Giải sử độ nhớt = 10-2 PaS Tốc độ cánh khuấy

Ps = NP N3 Di5

 187500 = 5 1000 N3 (1,29)5

N = 2,19 (S-1) Kiểm tra lại Rei (Rei 105)

Khối lượng riêng = 1000 (kg/m3

) Độ nhớt = 10-2 PaS

Rei =

1,292

= 364437,9 Vậy Rei = 364437,9 > 105 quy trình thực hiện được.

4.2.3. Tốc độ cấp oxy (OTR)

Công thức OTR = KLa ( C*

OL COL)

KLa: Hệ số truyền khối (m/s)

C*OL: nồng độ oxy bão hịa trong pha lỏng cân bằng với pha khí COL: nồng độ oxy trong pha lỏng

Xác định KLa

KLa = 2 10-3 ( 0,7 UG0,2

Ps: Công suất cánh khuấy (w) V: Thể tích thiết bị (L)

UG: Tốc độ bọt khí UG = 0,007 (m/s) [33]

KLa = 2 . 10-3 (1500 0,7 (0,007)0,2

= 0,12 (S-1)

COL*phụ thuộc vào áp suất riêng phần của oxy khơng khí và độ hịa tan của oxy

COL* = Po Ho

Po: áp suất riêng phần oxy trong bọt khí thể tích của oxy trong khơng khí là 21% => Po = 0,21 atm

Ho: độ hòa tan của oxy trong phần lỏng của dịch lên men ở 37o

C ta có Ho = 37,1 mg/atm-1[34] COL* = 21 37,1 = 7,79 mg/l Giả sử COL = 20% COL*  COL = 20% 7,79 COL = 1,55 mg/l OTR = KLa (COL* - COL)

35 = 0,12 (7,79 – 1,55) = 0,74 (mg/l s-1) = 2,66 (g/l h) 4.2.4. Tốc độ sử dụng oxy (OUR) OUR = qo Xt

qo: tốc độ sử dụng O2 riêng (m mol O2/g sinh khối khô.h) (3 m mol O2/g sinh khối khô.h)

Xt: nồng độ sinh khối trong canh cường (g/l) (17,6 g/l)

OUR = qo Xt

= 3 x 10-3 32 17,6

= 1,68 (g/l.h)

Vậy OTR > OUR (2,66 > 1,68) hệ thống cung cấp khí có khả năng cung cấp đủ lượng oxy trong quá trình lên men.

4.3. Thiết bị lọc

Giả sử hệ số tách loại R=99%

Kích thước enzyme protease: 24kDa – 38kDa [16] Kích thước lỗ lọc: 0,1~0,001µm [16]

Vận tốc dịch lọc qua màng: Jv=0,017 m3/m2.h[21]

Hoạt lực của enzyme trước khi vào quá trình lọc là được 3,65 1011

(UI)

Hoạt lực enzyme trong dịch canh trường sau khi nuôi cấy 243,28 UI/mL [25]. Thể tích enzyme của 1 mẻ trong quá trinh lọc: V =

= 1500,32(m3) Nồng độ enzyme đầu vào:

Cf = =

Dựa vào phương trình cân bằng vật chất ta có:

VF= Vp + VR => 1500.32 = Vp + VR (1)

VF CF = Vp Cp + VR CR => 1500,32 4,61= Vp Cp + VR CR (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 Giả sử hệ số tách loại R=99% R = 1 => 0.99 1 => CP = 0.01 × C R (3) Hiệu suất quá trình lọc là H=83% [21]

H= => 0,83 1500,32 4,61= Vp Cp (4) Từ (2) và (4) => VR CR = 6916,47 – 5740,67 = 1175,8 (5) Từ (1) và (3) => 1500.32 = Vp + VR = => 1500.32 = CR = 383,41 (kg/m3) > CF = 4,61 (kg/m3) VR = = = 3,07 (m3) Chọn thời cho quá trình lọc 4h:

QR = = = 0,85 (m3/h) Trong đó:

QR(m3/h): là lưu lượng dịng dung dịch khơng qua màng lọc tính trên 1 đơn vị diện tích màng lọc Diện tích bề mặt màng lọc: A = = = 50 (m2) Giả sử diện tích 1 tấm màng lọc UF là 3m2 Số thiết bị lọc màng là: N = = = 16,7 17(cột lọc) Vậy: số thiết bị lọc là 17 cột lọc Diện tích màng lọc A= 50 m2 Diện tích 1 tấm màng lọc UF = 3m2 Vận tốc dịch lọc qua màng: Jv=0,017 (m3/m2.h) 4.4. Thiết bị kết tủa Ta có:

Thể tích enzyme trước khi kết tủa: Venzyme= 3965,96 (L)

Khối lượng muối: M(NH4)2SO4 = 3355,81 (kg) với khối lượng riêng muối 1,77kg/l Thể tích của muối: V(NH4)2SO4 =

= 1895,94 (L)

Tổng thể tích kết tủa: Vkết tủa = Venzyme + Vmuối = 3965,96 + 1895,94 = 5861,9 (L) Giả sử hệ số làm đầy 80%

Vthiết bị =

= 7327,38 (L) Ta có thơng số thiết bị:

Vthiết bị: thể tích của thiết bị (m3) Vthân: thể tích thân thiết bị (m3)

Vnắp: thể tích phần nắp hình chóp cầu (m3) D: đường kính thiết bị (m)

H: chiều cao thân thiết bị, với H=2D h: chiều cao của nắp thiết bị, với h=0,1D

Ta có: Vthiết bị = Vthân + Vnắp

Thể tích của thân thiết bị kết tủa (hình trụ)

Vthân H = = = 0,5 D3

Thể tích nắp thiết bị kết tủa (hình cầu)

Vnắp = ( 3r2 + h2) = D3 (h=0,1D) Tổng thể tích thiết bị: Vthiết bị = Vthân + Vnắp = 0,5 D3 + D3 = 0,51 D3  D = √ = 1,66 (m)

Chiều cao thân thiết bị: H=2D = 2 1,66 = 3,32 (m) Chiều cao nắp thiết bị: h=0,1D = 0,1 1,66 =0,166 (m)

Chiều cao tổng thể thiết bị: H0 = H + h = 3,32 + 0,166 =3,49 (m) Giả sử thiết bị kết tủa có thể tích là 400 lit số bể kết tủa là: Số bể =

= 14,65 (thiết bị) 15 (thiết bị)

Bảng 4.1 Thông số thiết bị kết tủa

Đặc điểm Thơng số (m)

Đường kính thiết bị (D) 1,66

Chiều cao thiết bị (H) 3,32

Chiều cao nắp thiết bị (h) 0,166 Chiều cao tổng thể thiết bị (H0) 3,49

4.5. Thiết bị ly tâm

Thực hiện ly tâm lạnh ở 4 – 6oC để đảm bảo enzyme thu được khơng biến tính. Chọn thiết bị ly tâm liên tục dạng đĩa DHC – 400 – Zonelink có mức độ phân ly cao, phù hợp với kích thước Bacillus licheniformic.

Bảng 4.2. Thông số thiết bị ly tâm

Đặc điểm Thơng số Cơng suất (KW) 11 KW Kích thước (L x W x H) (cm) 1500 x 900 x 1500 Tốc độ vòng quay (rpm) 6700 Số đĩa 76 Bán kính trong (cm) 90 Bán kính ngồi (cm) 110

Góc nghiêng giữa trục và đĩa ( ) 45o Thể tích của enzyme trước ly tâm:

V trước ly tâm = 3280,51 (m3/mẻ)

Thời gian ly tâm thu dịch 15 phút = 0,25 giờ Giả sử lưu lượng máy là 1000 m3/h Thể tích máy ly tâm thực hiện được:

Vly tâm = 10000 0,25= 2500(m3) Số máy ly tâm cần cho quá trình: N =

= 1,3 thiết bị Năng suất q trình ly tâm dựa vào thể tích lên men và thời gian thực hiện trong 0,25 giờ

Q1 = =

= 171734,4 (m3/h) Vận tốc góc: = =

40 Vận tốc lắng của hạt: Vlắng = ( s – ) r1 = (1770 – 1150) 1,1 (701)2 = 5,81 10-5 (m/s) Trong đó: s = 1770 kg/m3 và = 1150 kg/m3, đường kính d= 0,25 µm, độ nhớt canh trường µ = 2 103 (N.s/m2) Yếu tố sigma: DSC = – = = 656552937,6 Trong đó: n: số đĩa (76 đĩa)

r1 và r2: tương ứng là bán kính ngồi và trong của đĩa

: góc giữa đĩa và trục ly tâm (chọn = 450) Năng suất của thiết bị ly tâm:

Q2 = vlắng = 3,73 10-7 656552973,6 3600= 137342610,3 (m3/h) Vậy: Q2 = 137342610,3(m3/h) > Q1 = 171734,4 (m3 /h) quá trình hợp lý. Số thiết bị cần cho quá trình ly tâm là 2 thiết bị

Yếu tố sigma: DSC = 656552937,6 Vận tốc lắng hạt Vlắng = 5,81 10-5 (m/s)

4.7. Thiết bị sấy phun

Khối lượng đựa vào quá trình sấy (1 mẻ): msấy =

= 37,11 (kg/mẻ) với nồng độ chất khô là 30%.

Q trình sấy phun có bổ sung Maltodextrin 0,5% cung cấp sự ổn định tốt nhất trong suốt thời gian sấy [30]

Lượng ẩm bay hơi khỏi vật liệu:

Độ ẩm vật liệu trước khi sấy: x1 = 70% [29] Đồ ẩm vật liệu sau khi sấy: x2 = 5% [29]

Nhiệt độ sấy đầu vào t1 = 1100C ± 2°C, nhiệt độ sấy đầu ra t2= 700C ± 2°C [30] Đặt các ký hiệu:

L1: lượng vật liệu đi vào máy sấy (kg hay kg/h) L2: lượng vật kiệu ra khỏi máy sấy (kg hay kg/h)

x1, x2 : độ ẩm của vật liệu trước và sau khi sấy W: lượng ẩm cần tách trong quá trình sấy (kg) Phương trình cân bằng vật liệu chung:

L1 = L2 + W

Lượng vật liệu trước khi sấy: L1 = msấy = 37,11 (kg/mẻ) Lượng ẩm cần tách ra khỏi vật liệu

W =

x L1 =

x 37,11 = 25,39 (kg/mẻ)

Với t0 = 350C và 0 = 80% (điều kiện nhiệt độ tại thời điểm sấy khu vực TP.HCM).

Hình 4.1: Giản đồ Ramzin

Từ t0 = 350C và 0 = 80%, tra giản đồ Ramzin ta được d0 = 0,029 (kg ẩm/kkk) Enthalpy của hỗn hợp khơng khí ẩm trước khi vào caloriphe là:

H0 = ck t0 + (r0 + Ch t0) d0

Trong đó:

ck=1: nhiệt dung riêng của khơng khí khơ (kkk) (kJ/kg 0C r0=2493 : enthalpy của hơi nước ở 00

C (kJ/kg0C) Ch=1,97 : nhiệt dung riêng của hơi nước (kJ/kg0C)

H0= 35 + (2493 + 1,97 35) 0,092 = 109,3 (kJ/kg kkk) Enthalphy của hỗn hợp khơng khí trước khi vào buồng sấy t1=1100C, d0=d1

H1 = ck t1 + (r0 + Ch t1) d1

= 1 + (2493 + 1,97 110) 0,092 = 359,29 (kJ/kg kkk) Vì trong suốt q trình sấy enthalpy của khơng khí khồn đổi nên:

H1=H2=359,29 (kJ/kg kkk) Với H2 là enthanlpy của khơng khí sau sấy

Dựa vào cơng thức enthalpy ở nhiệt độ t2=700C ta có:

H2 = ck t2 + (r0 + Ch t2) d2

Hàm ẩm của khơng khí sau khi ra khỏi phịng sấy

d2 =

= 0,11 (kg ẩm/kkk)

Lượng khơng khí khơ cần để bốc hơi 1kg ẩm (khơng khí tiêu hao riêng) là:

I =

= 55,56 (kg kkk/kg ẩm bay hơi) Lượng khơng khí khơ dành cho q trình sấy:

L = W I = 25,39 55,56 = 1410,67 (kg kkk/h) Nhiệt lượng riêng tiêu tốn cho quá trình sấy:

qs =

= 13888,33 (kJ/kg ẩm) Cơng suất tiêu thụ của q trình sấy:

Q = qs W = 13888,33 = 19591850,48 (kW)

Thiết kế thiết bị sấy

Giả sử chọn thời gian lưu của khí là 25s và mật độ dịng khí ra là 0,89 kg/m3

Lượng khơng khí tiêu hao trong quá trình sấy: L= 1410,67 (kg/h) Thể tích khơng khí vào và ra khỏi thiết bị sấy:

V1 = =

= 1570,90 (m3/h) V2 = =

= 1430,70 (m3/h)

Trong đó 1, 2 là khối lượng riêng của khơng khí ở nhiệt độ t1 t2 t1 = 700C  1 = 0,898 (kg/m3)

t1 = 1100C  2 = 0,986 (kg/m3)

Vkkk = = = 1500,80 (m3/h)

Lưu lượng khơng khí khơ chuyển động trong buồng sấy bao gồm lượng khơng khí khơ và lượng hơi ẩm bốc hơi từ vật liệu sấy =1,296, 25s =6,94 10-3

Vt =

= 6,94 10-3

= 0,45 (m3)

Cấu tạo thiết bị sấy gồm buồng sấy có hình trụ với đường kính D, chiều cao H, đáy có dạng hình nón với góc nghiêng của hình nón và chiều cao là h.

Giả sử (D=1,5H) và góc =600

Thể tích của buồng sấy: Vbuồng sấy = D2 H

Thể tích khối nón đáy thiết bị: Vkn =

D2 h

Giả sử (D=1,5H) và góc =600

Tổng thể tích thiết bị:

Vt = Vbuồng sấy + Vkn = D2 1,5D + D2 √ = 1,5 D3

 0,32 = 1,5 D3  D = 0,67 (m) Vậy đường kính buồng sấy là D=0,67 (m)

Chiều cao của buồng sấy bằng D=1,5H

H = 1,5 0,67 = 1 (m)

h = = 0,58 (m) Thiết bị sấy có chiều cao: Hsấy = H + h = 1+0,58 = 1,58 m

Giả sử thời gian 1 máy sấy phun được 400kg/4h thì số thiết bị cần là:

= 3,06 thiết bị Vậy thông số thiết bị sấy phun.

Chiều cao thiết bị sấy Hsấy = 1,58 (m)

Lượng khơng khí khơ trong q trình sấy L=1410,70 (kgkkk/h) Cơng suất tiêu thụ q trình sấy Q= 19591850,48 (KW)

Số thiết bị cần cho quá trình sấy là 4 thiết bị

4.8. Tính tốn thiết bị đóng gói

Khối lượng 1 sản phẩm và khối lượng enzyme sau 1 mẻ là 1516 kg/mẻ Tổng sản phẩm 1 mẻ = = 1516 (sản phẩm)

Năng suất đóng gói của thiết bị trong 1 phút trung bình là 10 sản phẩm vậy thời gian cần đóng gói sản phẩm 1 mẻ là:

Tđóng gói =

CHƢƠNG 5: TÍNH TỐN KINH TẾ

5. Vốn cố định 5.1. Chi phí thiết bị

Bảng 5.1: Tính tốn thiết bị

Stt Tên thiết bị Số lƣợng Đơn giá (VNĐ)

Thành tiền (VNĐ)

1 Thiết bị lên men 1 500.000.000 500.000.000

2 Thiết bị nhân giống 2 30.000.000 60.000.000

3 Thiết bị lọc 4 2.000.000.000 8.000.000.000

4 Thiết bị kết tủa 2 300.000.000 600.000.000

5 Thiết bị ly tâm 2 4000.000.000 800.000.000

6 Thiết bị sấy 2 150.000.000 300.000.000

7 Thiết bi bao gói 2 50.000.000 100.000.000

8 Cân định lượng 2 10.000.000 20.000.000

9 Thiết bị bơm 8 40.000.000 320.000.000

Tổng thiết bị (TTB) 10.200.000.000

Giả sử chi phí lắp đặt bằng 1% chi phí thiết bị 102.000.000

5.1.2. Chi phí vận chuyển

Bảng 5.2. Phƣơng tiện vận tải

Stt Tiên thiết bị Số lƣợng Đơn giá (VNĐ) Thành tiền (VNĐ)

1 Xe chuyển nguyên liệu 2.5 tấn

3 480.000.000 1.440.000.000

3 Xe nâng hàng 2 150.000.000 300.000.000

Tổng chi phí vận chuyển (Tvận chuyển) 3.240.000.000

Tổng chi phí cho thiết bị và phương tiện:

TTB = Tthiết bị + Tvận chuyển + 1% (chi phí lắp đặt)

= 10.200.000.000 + 3.240.000.000 + 102.000.000 = 13.542.000.000 (VNĐ)

5.1.3. Chi phí nhà xƣởng

Chọn đất ở Long An để xây dựng nhà xưởng, thuê đất để xây dựng nhà xưởng với diện tích 1500m2 với giá thuê là 40.000.000 VNĐ/m2 trong 10 năm.

Bảng 5.3. Chi phí phí nhà xƣởng

Stt Tên cơng trình Diện tích(m2) Chi phí xây đựng (VNĐ)

1 Khu vực sản xuất chính 300 1.500.000.000

2 Kho nguyên liệu 100 500.000.000

3 Kho hóa chất 60 150.000.000

4 Kho thành phẩm 200 1.000.000.000

5 Nhà hành chính 150 750.000.000

6 Khu xử lý nước thải 100 800.000.000

7 Nhà xe 70 170.000.000

8 Phòng bảo về 10 40.000.000

9 Căn tin 50 80.000.000

10 Khuôn viên cây xanh 100 50.000.000

11 Nhà về sinh 40 50.000.000

Tổng chi phí nhà xưởng (TNX) 5.090.000.000

Chọn đất ở Long An để xây dựng nhà xưởng, thuê đất để xây dựng nhà xưởng với diện tích 1500m2 với giá thuê là 50.000.000 VNĐ/m2 trong 10 năm.

TĐ = 50.000.000 12 10 = 6.000.000.000 (VNĐ) Tổng chi phí xây đựng và thuê mặt bằng:

TXD = TNX + TĐ = 5.090.000.000 + 6.000.000.000 = 11.090.000.000 (VNĐ)

Tổng vốn cố định:

TCĐ = TTB + TXD = 13.542.000.000 + 11.090.000.000 = 24.632.000.000 (VNĐ)

5.2. Chi phí sản xuất trực tiếp 5.2.1. Chi phí nguyên liệu 5.2.1. Chi phí nguyên liệu

Bảng.5.4. Chi phí nguyên liệu

Thành phần Nồng độ (g/l)

Khối lƣợng (kg) Giá bán (VNĐ Thành tiền (VNĐ) ZnSO4 0,0014g 0.24 kg 50.000 120.000 KH2PO4 0,4g 68.44 kg 180.000 12.319.200 DAP 0,8g 136.86 kg 250.000 34.214.400 NaCl 1,44g 246.37 kg 130.000 32.028.100 CaCO3 2,4g 410.62 kg 200.000 82.124.000 MgSO4 0,2g 34.22 kg 170.000 5.817.400 Bắp 200g 34218.36 kg 20.000 684.367.200 Đậu nành 200g 34218.36 kg 18.000 615.930.480

Tổng chi phí nguyên liệu (TNaL) 1.466.920.780

5.2.2. Chi phí nhân cơng

Bảng 5.5.Chi phí nhân cơng

Chức vụ Số lƣợng Lƣơng/tháng (VNĐ) Tổng lƣơng /tháng (VNĐ) Tổng lƣơng/năm (VNĐ)

49 Giám đốc 1 25.000.000 25.000.000 300.000.000 Phó giám độc 1 20.000.000 20.000.000 240.000.000 Phịng kế hoạch tài chính 4 10.000.000 40.000.000 480.000.000 Phịng kinh doanh- marketing 4 10.000.000 40.000.000 480.000.000