Bài giảng Quá trình và Thiết bị công nghệ Sinh học

Dựa trên cơ sở đó người đọc có thể lý giải được bản chất khoa học của các quá trình công nghệ và những biến đổi xảy ra trong các công đoạn của quá trình công nghệ. Cung cấp cho người họ

BÀI GIẢNG QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ

SINH HỌC

Giảng viên: TS Cao Thị Huệ

Bộ môn: Công nghệ Sinh học

Hà Nội - 2021

 Cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản về một số quá trình sinh học Dựa trên cơ sở đó người đọc có thể lý giải được bản chất khoa học của các quá trình công nghệ và những biến đổi xảy ra

trong các công đoạn của quá trình công nghệ

 Cung cấp cho người học hiểu biết về các loại thiết bị chính trong CNSH như: các thiết bị chứa và nồi phản ứng, thiết bị thanh trùng, thiết bị lên men, thiết bị chuyển khối, thiết bị trao đổi nhiệt và các thiết bị cơ học

 Từ những điều đã học, người học có thể vận dụng các hiểu biết thu được từ môn học để sản xuất các sản phẩm công nghệ sinh học có năng suất và chất lượng mang tính chất công nghiệp, phù hợp theo các nguyên lý của quá trình sinh học

MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC

VÀI NÉT VỀ CÁCH HỌC, KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ

Cách học:

Đọc trước phần lý thuyết ở nhà

Lưu ý những vấn đề không hiểu (đưa ra câu hỏi)

Tham gia tích cực các bài giảng, thảo luận chuyên môn ở lớp

Kiểm tra, đánh giá:

Thường xuyên: Đi học đầy đủ

Kiểm tra miệng: Thông qua mức độ tích cực giờ học ở lớp, thảo luận, trả lời câu hỏi của giảng viên

Điểm kiểm tra giữa kỳ: Trắc nghiệm, 50 câu hỏi thuộc phần I của giáo trình

Cuối kỳ: Thi tự luận – 3 câu hỏi (90 phút)

Tổng thời gian lên lớp lý thuyết: 30 tiết, 8 tuần.

[1] Bùi Xuân Đông Quá trình và thiết bị trong công nghệ sinh học, Đại học

Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng, 2017 (tài liệu lưu hành nội bộ).

[2] Tôn Thất Minh (Chủ biên) Phạm Anh Tuấn, Giáo trình các quá trình và thiết bị trong công nghệ thực phẩm - Công nghệ sinh học Tập 1 Các quá trình

và thiết bị chuyển khối, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2015.

[3] Lê Văn Hoàng Các quá trình và thiết bị công nghệ sinh học trong công

nghiệp, Phiên bản trực tuyến: http://voer.edu.vn/c/51712eb9.

[4] Nguyễn Xuân Phương (Chủ biên), Nguyễn Thị Chà, Nguyễn Quan Đức,

Tô Thị Diệu Hằng, Nguyễn Linh Sơn, Giáo trình “Quá trình và thiết bị công

nghệ sinh học Tập 2, Nhà xuất bản Thông tin và Truyền thông, Hà Nội, 2014.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1 Đại cương về các quá

Chương 4 Quá trình thiết bị thanh

trùng môi trường dinh dưỡng, vô

trùng không khí

Chương 5 Quá trình thiết bị lên

men (nuôi cấy vi sinh vật)

Chương 6 Quá trình và thiết bị

chuyển khối

Chương 7 Quá trình và thiết

bị trao đổi nhiệt

Chương 8 Máy và thiết bị cơ học

Chương I Đại cương về các quá trình và thiết bị

trong công nghệ sinh học

1.1 Các quá trình trong công nghệ sinh học;

1.2 Phân loại các thiết bị dùng trong công

nghệ sinh học;

1.3 Những yêu cầu đối với thiết bị dùng trong

CNSH.

 Khi thiết kế, chọn các dây chuyền và thiết bị hợp

lý nhất

 Trong sản xuất, chọn các chế độ kĩ thuật thích

hợp nhất để nâng cao công suất của thiết bị và chất lượng sản phẩm

 Khi nghiên cứu khoa học, tìm ra các nhân tố cơ

bản quyết định của quá trình

Mục đích của nghiên cứu các quá trình và thiết bị: 1.1 Các quá trình trong công nghệ sinh học

Phân loại các quá trình

a) Quá trình cơ học: như đập, nghiền và vận chuyển vật liệu rắn,

nghiên cứu chế biến các nguyên liệu rắn

b) Quá trình thủy lực: chuyển vận chất lỏng và khí, phân tách hệ

lỏng và khí không đồng nhất, khuấy trộn trong môi trường lỏng

c) Quá trình nhiệt: Đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, bốc hơi (cô

đặc), kết tinh

d) Quá trình chuyển khối: hấp thu, hấp phụ, trích ly, chưng cất, sấy

khô

e) Quá trình lạnh đông: làm lạnh đến nhiệt độ thấp, lạnh thâm độ

f) Quá trình thanh trùng, quá trình lên men (nuôi cấy vi sinh vật)

Quá trình hấp thu, hấp phụ, trích ly, chưng cất, sấy khô

Hấp thụ là quá trình hút các chất khí hoặc hơi bằng chất lỏng (chất hấp thụ)

Ví dụ: dùng dung dịch xút để hút khí cácbonic.

Hấp phụ là quá trình hút các chất khí hoặc hơi bằng chất rắn (chất hấp phụ),

thí dụ dùng than hoạt tính để hấp phụ hơi ammoniac

Trích ly là quá trình rút chất hòa tan trong một chất lỏng hay rắn bằng một

chất lỏng khác, thí dụ để lấy đường, người ta ngâm củ cải đường vào trong nước.

Chưng cất: quá trình tách hỗn hợp lỏng ra các chất nguyên chất bằng cách

cho dòng hơi và lỏng tác dụng với nhau, thí dụ chưng cất rượu với nước, tách

nước ra khỏi rượu, làm cho rượu có nồng độ cao hơn.

Quá trình gián đoạn: nguyên liệu đưa vào trong thiết bị được tác

dụng hoặc chế biến ở đó, sau đấy các sản phẩm được tháo ra và tiếp tục cung cấp nguyên liệu Tất cả các giai đoạn của quá trình xảy ra ởmọi phần của thiết bị, nhưng các điều kiện tác dụng như nhiệt độ, áp suất, nồng độ thay đổi theo thời gian

Quá trình liên tục: việc cung cấp nguyên liệu và tháo sản phẩm ra

khỏi thiết bị được tiến hành liên tục Tất cả các giai đoạn của quá

trình xảy ra đồng thời trong những khu vực khác nhau của thiết bị và

ở mỗi khu vực, các điều kiện tác dụng không thay đổi theo thời gian

1.2 Phân loại các thiết bị dùng trong CNSH

Theo phương diện áp suất làm việc:

a) Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển

b) Thiết bị chịu áp suất bên trong

c) Thiết bị chịu áp suất bên ngoài

d) Thiết bị cao áp

Theo phương diện thiết bị và máy, chia làm 02 loại:

1/ Thiết bị (tĩnh)

2/ Máy hóa chất

a) Thiết bị chứa

b) Thiết bị trao đổi nhiệt

c) Thiết bị bốc hơi (cô đặc)d) Các tháp

e) Thiết bị tầng sôi

f) Thiết bị phản ứng, lên men

Các loại thiết bị

Máy hóa chất

1.3 Những yêu cầu đối với thiết bị dùng trong CNSH

1 Vững chắc

2 Thuận tiện,

3 Có năng suất cao

4 Giá thành hợp lý

- Thiết bị có vững chắc thì mới an toàn khi làm việc và phục vụlâu dài Vững chắc tức là bền, cứng, ổn định, lâu hỏng và kín(không rò rỉ) Nhưng nếu thiết bị bền quá mức thì khối lượnglớn và giá thành sẽ rất cao.

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT

SẢN PHẨM SINH HỌC

2.1 Đại cương về điều khiển các quá trình sinh học 2.2 Nguyên lý sản xuất sản phẩm CNSH

2.3 Một số quy trình sản xuất sản phẩm CNSH

2.1 Đại cương về điều khiển các quá trình sinh học

Các phương pháp điều khiển các quá trình trao đổi chất phức tạp:

1) thay đổi thành phần môi trường dinh dưỡng

2) thay đổi điều kiện môi trường: O2, pH, t, CO2, vận tốc đảo

trộn,…

3) lựa chọn thiết bị phản ứng dựa trên các quá trình cơ thủy lực

theo hệ số pha khí-pha lỏng (Kk-l) hay pha khí- pha rắn (Kk-r).

4) tối ưu hóa năng lượng (N2) đưa vào bằng cách điều chỉnh n, Q và đưa vào các chất phá bọt.

5) bổ sung cơ chất S:

- theo thời gian lên men

- theo nồng độ

- theo hoạt độ của các enzyme của quá trình trao đổi chất

- theo mô hình toán học

- theo nồng độ O2 cần thiết của tế bào

2.2 Nguyên lý sản xuất sản phẩm CNSH

Quy trình sản xuất sản phẩm CNSH

2.3 Một số quy trình công nghệ sản xuất SP CNSH

2.3.1 Sản xuất dịch chiết protein từ tảo spirulina

Sơ đồ công nghệ tách chiết protein từ tảo Spirulina

1 – Thùng chứa;

6,8,14,16, 19, 20, 24, 26, 28, 30 và Bơm;

33-3-Thiết bị lọc kiểu thùng quay;

11,12-Vít tải; 13-Thiết bị nghiền;

15-Thùng chiết; 21-Ly tâm;

27-Keo tụ; 31-Lọc chân không;

34-Thiết bị sấy phun; 35-Xyclon;

36-Thiết bị bao gói; A-Dịch huyền phù tảo spirulina; B-cặn; C-Nước nóng

2.3.2 Sản xuất enzyme từ canh trường lỏng

Sơ đồ CNSX enzyme bằng phương pháp lên men chìm

Ghi chú: đường liền là quá trình sản xuất enzyme ngoại bào; đường nét đứt là quá trình sản xuất enzyme nội bào, mô hay dịch tế bào) Tham khảo của GS Nguyễn Thị Hiền

1-Thùng chứa nguyên liệu; 2-Định lượng; 3-Cyclon; 4-Nồi thanh trùng nước; 5-Nồi thanh trùng

nguyên liệu; 6-Thiết bị nhân giống; 7-Nạp nguyên liệu; 8-Bộ tự động phân chia nguyên liệu;

9-Thiết bị chuẩn bị dung dịch muối khoáng; 10-9-Thiết bị phối trộn; 11-Nồi thanh trùng môi trường;

12-Phin lọc không khí sạch; 13-Thiết bị tán nhỏ; 14-Lọc thô; 15-Lọc vi khuẩn; 16-Calorife; 17-Máy

tạo độ ẩm không khí; 18-Thùng chứa môi trường nhân giống nấm; 19- Cơ cấu vận chuyển; 20-Thiết

bị sấy và nghiền; 21-Lọc; 22-Bơm chân không; 23-Thùng chứa môi trường đã nuôi cấy; 24-Thùng

bổ sung; 25-Máy nghiền trộn; 26-Thùng chứa chế phẩm; 27-Máy đóng gói tự động

nuôi cấy rắn-xốp

 Trong phương pháp nuôi cấy bề mặt, vi sinh vật được phát triển trên bề mặt môi trường rắn hoặc lỏng.

 Các môi trường rắn trước khi nuôi cấy VSV cần được làm

ẩm Nguyên liệu thường được dùng làm môi trường là cám gạo, đôi khi dùng gạo tấm, ngô, bã bia, bã củ cải đường, khoai tây, lõi ngô,… hoặc hỗn hợp các nguyên liệu này

2.3.4 Sản xuất penicilin

Sơ đồ dây chuyền sản xuất pecicillin (theo Gist-Brocades Copr.)

 Penicillin là sản phẩm lên men ngoại bào

 Vì vậy, ngay sau khi kết thúc quá trình lên men, cần tiến hành lọc ngay để giảm thiểu tổn hao do phân hủy penicillin và giảm bớt khó khăn khi tinh chế, do tạp chất tạo ra khi hệ sợi nấm tự phân

 Penicillin thường được trích ly ở dạng axit ra khỏi dịch lọc bằng dung môi amylacetate hoặc butylacetate ở pH=2,0-2,5, nhiệt độ 0-30 C

Sơ đồ các công đoạn xử lý dịch lên men thu hồi penicillin

Sơ đồ công nghệ trích ly hai lần dung môi tinh chế penicillin

2.3.5 Sản xuất phân vi sinh trên nền chất mang đã khử trùng

Sơ đồ quy trình sản xuất phân vi sinh

2.3.6 Sản xuất rượu vang

2.3.7 Công nghệ sản xuất bia

CHƯƠNG 3 CÁC THIẾT BỊ CHỨA VÀ NỒI PHẢN ỨNG

3.1 Các thiết bị chứa

3.1.1 Khái niệm tổng quát

3.1.2 Phân loại thùng chứa

3.1.3 Thiết bị chứa làm việc ở áp suất khí quyển

3.2 Nồi phản ứng

3.2.1 Nồi phản ứng có máy khuấy dạng mỏ neo3.2.2 Thiết bị phản ứng tiếp xúc chất xúc tác

3.2.3 Thay thế xúc tác

Ví dụ: những bộ phận trao đổi nhiệt, các đĩa

Hầu hết các nhà máy công nghệ sinh học đều sử dụng thiết bị chứatrong dây truyền sản xuất

3.1.2 Phân loại thùng chứa

a) Theo công dụng

- Thiết bị chứa

- Thiết bị phản ứng

b) Theo vật liệu chế tạo: thép, gang, đồng, chất dẻo

c) Theo phương pháp chế tạo: hàn, đúc, tán ri-vê, rèn,

d) Theo hình dạng: hình trụ, hình cầu, hình nón, hình bầu

dục, hình hỗn hợp

e) Theo áp suất: thiết bị làm việc dưới áp suất khí quyển, thiết

bị chịu áp suất trong, chịu áp suất bên ngoài

f) Theo độ nhiệt của thành: không đốt nóng, bị đốt nóng

g) Theo điều kiện ăn mòn:

- Làm việc trong điều kiện ăn mòn bình thường

- Làm việc trong điều kiện ăn mòn mạnh

h) Theo vị trí trong không gian: thẳng đứng, nằm

ngang, nghiêng

i) Theo phương pháp lắp: tháo dời và không tháo dời

k) Theo chiều dày của thành:

- Thành mỏng: Dn/Dt < 1,5

- Thành dày: : Dn/Dt > 1,5

Ở đây, Dn – là đường kính ngoài; Dt – là đường kính trong

3.1.2 Phân loại thùng chứa (2)

3.1.3 Thiết bị chứa làm việc ở áp suất khí quyển

Trong loại này gồm tất cả các thiết bị làm việc ở áp suất dư không

1- thân; 2 - máy khuấy;

3 - động cơ điện; 4 - cơ cấu truyền động;

 Nồi phản ứng là thiết bị chứa hình trụ

 Được thiết kế để làm việc dưới áp suất, nhiệt độ xác định, có trang bị

những cơ cấu cần thiết như ống xoắn trao đổi nhiệt, túi đốt, cơ cấu khuấy

trộn cơ học hoặc khí nén, cấp liệu và tháo sản phẩm.

Nồi phản ứng được chế tạo từ thép các-bon và thép hợp kim, gang.

 Dùng cho môi trường ăn mòn thì thành thép được bảo vệ bằng những tấm

chì, đồng

 Nồi phản ứng có cơ cấu cố định thường có những hư hỏng như: mặt bích

và các chỗ ghép khác không kín, dụng cụ trao đổi nhiệt bị bẩn, lớp bảo vệ

ăn mòn hoặc lớp cách nhiệt bị hỏng, ống nối bị tắc… (cũng tương tự như những hư hỏng thông thường thiết bị chứa, thiết bị trao đổi nhiệt).

 Ngoài những cơ cấu phụ như nắp quay… cũng có thể hỏng do nắp không tốt, bẩn, thiếu dầu mỡ, ảnh hưởng của khí độc…

3.3.2 Thiết bị phản ứng tiếp xúc chất xúc tác

8-thân tựa;

9-ống tháo

Trong nồi phản ứng này có xếp các lớp xúc tác, phản ứng xảy

ra với sự có mặt của xúc tác.

Muốn giữ độ nhiệt cần thiết, phải luôn luôn cấp nhiệt hoặc

thoát nhiệt, trong thiết bị thường có thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm.

Các chất xúc tác cho vào ống và khí đi vào đó, còn khoảng không gian giữa các ống là chất tải nóng hoặc lạnh.

 Đôi khi nồi phản ứng được chế tạo dưới dạng tháp có sàng,

xúc tác xếp thành khối trên sàng Giữa các sàng đặt cơ cấu trao đổi nhiệt

Đặc điểm của thiết bị phản ứng tiếp xúc với chất xúc tác

3.3.3 Thay thế chất xúc tác

Nạp xúc tác vào nồi phản ứng

a) Dùng cầu trục;

b) dùng máng;

c) dùng tay cho qua phễu;

d) dùng tay cho qua nhóm phễu; đ) dùng không khí nén;

1-ống dẫn không khí nén; 2-thùng chứa xúc tác;3-ống dẫn xúc tác; 4-ống cao su; 5-nồi phản ứng

 Khi xúc tác hỏng, cần tháo ra để thay thế.

 Xúc tác được đặt trong thùng kim loại đưa lên cao nhờ cầu trục để

đổ vào thùng phản ứng kết hợp với tay điều khiển

 Nếu xúc tác không sợ tiếp xúc với không khí thì có thể nạp liệu như hình b.

 Nếu thiết bị phản ứng loại ống có thể đổ xúc tác qua phễu (hình c)

 Muốn nhanh hơn có thể dùng cơ cấu như hình d cho phép đồng thời làm đầy vài chục ống

 Xúc tác được đưa vào thùng 2, sau đó đóng kín lại Dùng không khí nén qua ống 1, xúc tác sẽ qua ống 3,4 vào nồi phản ứng 5

Hình 3.7 Nồi phản ứng loại ống

1-ống phản ứng; 2-xúc tác; vòng gôm; 4-lò xo; 5-lưới ống

3-Việc tháo nồi phản ứng loại ống, làm

theo thứ tự (hình 3.7): tách ống giằng

phía dưới; tháo và lấy ra 03 bu-lông đặt

cách nhau 1200, đặt chốt thay thế vào

03 lông đó; sau đó tháo những

bu-lông còn lại; cuối cùng vặn êcu (đai ốc)

của chốt ra, hạ đáy thiết bị một khoảng

300-350 mm Dùng dây chão buộc vào

đáy và hạ đáy xuống (nhở palăng, cầu

trục…) Khi tháo lò xo, dần dần rút ống

phản ứng tháo xúc tác Việc tháo hết

xúc tác cũng gặp khó khăn vì có sự lắng

kết của xúc tác, phải dùng khoan điện

để phá, hoặc dùng siêu âm thì tốt hơn

Hình 3.8: Tháo xúc tác bằng khí động

1-nồi phản ứng; 2-ống cao su; 3-ống dẫn khí động; xyc-lon; 5-máy lọc; 6-bơm chân không

4- Nếu khối xúc tác có thể chuyển động được, thì dùng phươngpháp hút chân không (hình 3.8) Trong trường hợp này, tất cảcông việc của người thợ nguội là ở chỗ nối các ống cao su với

hệ thống ống dẫn khí động và điều chỉnh vị trí trong nồi phảnứng

 Bơm 6 tạo chân không, xúc tác đi từ nồi phản ứng 1 vào ốngcao su 2, theo ống dẫn khí động 3 vào xyclon 4 Dưới tác dụngcủa lực ly tâm bụi tách khỏi không khí và lắng xuống ở đáyxyclon, còn không khí sạch được hút về bơm chân không đểphóng ra khí quyển

CHƯƠNG 4: QTTB THANH TRÙNG MÔI

TRƯỜNG DINH DƯỠNG, VÔ TRÙNG KHÔNG

KHÍ

 Hiện nay, để thanh trùng môi trường dinh dưỡng người tathường dùng phương pháp nhiệt, tức là sử dụng nhiệt độ cao đểtiêu diệt các vi sinh vật nhiễm tạp trong môi trường lên men, chonên người ta còn gọi đây là phương pháp thanh trùng nhiệt, haythanh trùng nóng.

 Đối với môi trường dinh dưỡng chứa các thành phần không bềnvới nhiệt, để đảm báo tính chất ban đầu của môi trường người taứng dụng phương pháp thanh trùng nguội (còn gọi là phươngpháp lọc), như vậy để áp dụng được kĩ thuật thanh trùng nguộithì môi trường dinh dưỡng không được chứa các chất không tan

 Các hoạt chất sinh học (các vitamin, các peptid, axit amin, ….) có thể thu được bằng hai phương pháp lên men: trên môi trường rắn (nuôi cấy bề mặt) và trong môi trường lỏng (lên men chìm) cho nên bắt buộc phải thực hiện quá trình thanh trùng môi

trường lên men

 Trong kĩ thuật thanh trùng, tác nhân gây chết VSV trên môi

trường rắn: nhiệt (nóng hoặc lạnh), tác nhân truyền nhiệt là hơi bão hòa (có thể ở P thường hoặc trong chân không)