Thiết kế nhà máy sản xuất axit glutamic từ rỉ đường năng suất 3400 tấn sản phẩmnăm

Trên cơ sở ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất, quá trình lên men để thunhận L-AG nhờ vào sự tổng hợp của vi sinh vật không những có ý nghĩa về mặt kinh tế mà còn có ý nghĩa lớn lao

MỞ ĐẦU

Axit glutamic là một trong hơn 20 loại axit amin để kiến tạo nên protein cơ thể và

là hợp chất phổ biến nhất trong các protein của các loại hạt ngũ cốc Axit glutamicđóng vai rò rất quan trọng trong việc trao đổi chất của cơ thể động vật, nhất là các cơquan não bộ, gan và cơ nâng cho khả năng hoạt động của cơ thể Axit glutamic thamgia phản ứng thải loại amoniac, một chất độc với hệ thần kinh Trong y học, axit

công thức cấu tạo phân tử như sau:

HOOC - CH2 - CH2 - CH - COOH

NH2

Axit glutamic tham gia cấu tạo nên chất xám và chất trắng của não, kích thích cácphản ứng oxi hoá của não Axit glutamic có thể đảm nhiệm chức năng tổng hợp nêncác aminoaxit khác nhau như alanin, lơxin, cystein, … nó tham gia vào phản ứngchuyển amin, giúp cho cơ thể tiêu hóa nhóm amin và tách NH3 ra khỏi cơ thể Nóchiếm phần lớn thành phần protein và phần xám của não, đóng vai trò quan trọng trongcác biến đổi sinh hóa ở hệ thần kinh trung ương vì vậy trong y học còn sử dụng axitglutamic trong trường hợp suy nhược hệ thần kinh nặng, mỏi mệt, mất trí nhớ, sự đầuđộc NH3 vào cơ thể, một số bệnh về tim, bệnh teo bắp thịt, …Axit glutamic còn dùnglàm nguyên liệu khởi đầu cho việc tổng hợp một số hóa chất quan trọng Muối natricủa axit glutamic là natri glutamat mà ta quen gọi là mì chính là chất điều vị có giá trịtrong công nghiệp thực phẩm, trong nấu nướng thức ăn hàng ngày

Trên cơ sở ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất, quá trình lên men để thunhận L-AG nhờ vào sự tổng hợp của vi sinh vật không những có ý nghĩa về mặt kinh tế

mà còn có ý nghĩa lớn lao về xử lý môi trường vì tận dụng được các phế thải của cácngành công nghiệp khác Vì vậy, với tầm quan trọng của axit glutamic, để đáp ứng nhu

cầu trong nước và tiến tới xuất khẩu nên em chọn đề tài: “Thiết kế nhà máy sản xuất

axit glutamic từ rỉ đường năng suất 3400 tấn sản phẩm/năm”.

CHƯƠNG 1 LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT

Khu vực miền Trung và các tỉnh Tây Nguyên chưa có nhà máy sản xuất axitglutamic, nguồn nguyên liệu phục vụ cho sản xuất của khu vực cũng phong phú Axitglutamic là một sản phẩm mang lại nhiều lợi ích to lớn Vì thế, việc thiết kế và xâydựng một nhà máy sản xuất axit glutamic là rất cần thiết đối, đây là một lợi thế để đầu

tư, xây dựng và sản xuất Chính vì những lý do trên nên em lựa chọn xây dựng nhàmáy sản xuất axit glutamic ở khu công nghiệp Hòa khánh – Đà nẵng

1.1 Đặc điểm tự nhiên của thành phố Đà Nẵng.

Có nhiều thuận lợi, Đà Nẵng nằm ở trung tâm của khu vực Miền Trung Diện tích Đà

nẵng 1.255,53Km2 [ 9 ], tuy nhỏ nhưng có một lượng diện tích chưa có mục đích sử dụng,

đặc biệt có khu công nghiệp Hoà Khánh là điều kiện thuận lợi cho phát triển nhà máy

Đà Nẵng nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, nhiệt độ cao và ít biếnđộng Mỗi năm có 2 mùa rõ rệt: mùa mưa kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12 và mùa khô từtháng 1 đến tháng 7 Nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 25oC, cao nhất vào các tháng 6,

7, 8, trung bình từ 280C -300C; thấp nhất vào các tháng 12, 1, 2, trung bình từ 180C -230C

Độ ẩm không khí trung bình là 83,4%; cao nhất vào các tháng 10, 11, trung bình từ 85,67 87,67%; thấp nhất vào các tháng 6, 7, trung bình từ 76,67 - 77,33% Hướng gió ổn định chủ

-yếu là hướng Đông-Nam Tây-Bắc [ 10 ]

1.2 Vùng nguyên liệu.

Thành phố Đà Nẵng nằm gần tỉnh Quảng Ngãi Đây là một địa phương có nguồnnguyên liệu dồi dào cung cấp cho sản xuất Ở Quảng Ngãi có nhà máy đường tại khucông nghiệp Quảng Phú và nhà máy đường tại Phổ Phong huyện Đức Phổ là nguồncung cấp lượng rỉ đường cần thiết để sản xuất Đây là điều kiện thuận lợi nhất để ĐàNẵng xây dựng nhà máy sản xuất acid glutamic

1.3 Hợp tác hoá.

Nhà máy sẽ đặt tại khu công nghiệp Hoà Khánh nên các điều kiện về hợp tác hoágiữa nhà máy và các nhà máy khác rất thuận lợi và sử dụng chung các công trình côngcộng như điện, nước, hệ thống thoát nước, giao thông….vv Nhờ đó sẽ giảm thiểu vốnđầu tư ban đầu

Nhà máy còn đặc biệt hợp tác chặt chẽ với các nhà máy đường để thu mua nguyênliệu rỉ đường cho sản xuất

1.4 Nguồn cung cấp điện, hơi và nhiên liệu.

Đà Nẵng là một thành phố lớn lại có khu công nghiệp nên các vấn đề về điện, hơi,nhiên liệu được thành phố đầu tư đáng kể Nhà máy sẽ sử dụng nguồn điện và hơi cósẵn tại khu công nghiệp

Nhà máy sử dụng nguồn điện lấy từ lưới điện quốc gia Ngoài ra để đảm bảo choquá trình sản xuất được liên tục thì nhà máy còn trang bị máy phát điện dự phòng.Lượng hơi đốt cung cấp cho các phân xưởng lấy từ lò hơi riêng của nhà máy.Nhiên liệu dùng cho lò hơi là dầu DO được mua từ trạm xăng dầu trong tỉnh

1.5 Nguồn cung cấp nước và vấn đề xử lý nước.

Nguồn cung cấp nước cho nhà máy cũng như nước của công ty chủ yếu từ nhàmáy nước của khu công nghiệp, hoặc cũng có thể sử dụng nguồn nước ngầm nhưkhoan giếng…Ở đây ta chọn nước máy từ nhà máy cung cấp nước của khu côngnghiệp

Nước từ nhà máy đưa về đều được lắng, lọc, làm mềm và xử lý ion trước khi sảnxuất

1.6 Giao thông vận tải

Đà Nẵng nằm trên quốc lộ 1A là đầu mối giao thông quan trọng của hai miềnNam Bắc Có cảng lớn có thể thông ra quốc tế Ngoài ra còn có tuyến quốc lộ 14B nối

Đà Nẵng với Tây Nguyên và Lào, Thái Lan Do đó thuận lợi cho việc vận chuyểnnguyên liệu và sản phẩm Kênh vận chuyển đa dạng với đường sắt, đường bộ, đườngthuỷ, đường hàng không là điều kiện rất thuận lợi về giao thông

1.7 Thoát nước.

Nước thải nhà máy sau khi xử lý được đưa ra hệ thống cống thoát nước và đếnkhu xử lý nước thải chung của khu công nghiệp

1.8 Nhân công và thị trường tiêu thụ.

Thị trường tiêu thụ được chọn là thị trường cho cả nước

Nhà máy tuyển lao động ở tại Đà Nẵng và các địa phương lân cận Mặt khác vớimức độ đô thị hoá của thành phố hiện nay, lượng lao động vãn lai rất dồi dào Từ đó cóthể thuê nhân công với giá rẻ

1.9 Nguồn tiêu thụ sản phẩm.

Nguồn tiêu thụ cho sản phẩm ở đây chủ yếu hướng vào các công ty chế biếnDược phẩm, các công ty chế biến thức ăn gia súc, gia cầm và thuỷ hải sản, các công tychế biến thực phẩm, các công ty sản xuất mỹ phẩm vì đây là các công ty cần một lượng

Kết luận: tất cả các điều kiện trên là cở sở thuận lợi, có tính khả thi để xây dựng

nhà máy sản xuất axit glutamic tại khu công nghiệp Hoà Khánh của thành phố ĐàNẵng

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN2.1 Giới thiệu về axit glutamic

Axit glutamic (L-AG) là loại axit amin cơ thể có thể tổng hợp được, nó có nhiềutrong các loại thực phẩm như protein thịt động vật, thực vật như cà rốt, rong biển…vv Axit glutamic có công thức phân tử: C5 H9NO4 Và có công thức cấu tạo:

HOOC - CH2 - CH2 - CH - COOH

Axit glutamic có trọng lượng phân tử 147,13 bị phân giải ở nhiệt độ 247249oC,điểm đẳng điện là pH = 3,22 Có tính chất là hoà tan trong nước, hầu như không tan

trong cồn, ete và một số dung môi [ 3, tr1 ].

Axit glutamic phân bổ rộng rãi trong tự nhiên dưới dạng hợp chất và dưới dạng tự

do Trong sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật, axit glutamic được tổng hợp theo con đườnglên men từ nhiều nguồn cacbon

2.2 Các phương pháp để sản xuất axit glutamic

Có nhiều phương pháp để sản xuất axit glutamic bao gồm: phương pháp hóa học,phương pháp thủy phân, phương pháp kết hợp, phương pháp lên men

2.2.1 Phương pháp hóa học:

Là phương pháp ứng dụng các phản ứng tổng hợp hóa học để tổng hợp nên axitglutamic và các amino axit khác từ các khí thải của công nghiệp dầu hỏa hay các nguồnkhác Phương pháp hóa học này chỉ thực hiện được ở những nước có ngành côngnghiệp dầu hỏa phát triển và yêu cầu kỹ thuật cao

2.2.2 Phương pháp thủy phân:

Là phương pháp sử dụng các tác nhân xúc tác là các hóa chất (axit, kiềm) để thủyphân nguồn nguyên liệu giàu protit ( khô dầu, khô lạc,…) ra một hỗn hợp các aminoaxit, từ đó tách axit glutamic ra Ưu điểm là áp dụng được vào các cơ sở thủ công, bán

cơ giới và cơ giới dễ dàng Có nhược điểm là cần sử dụng nguyên liệu giàu protit hiếm

và đắt, cần nhiều hóa chất và thiết bị chống ăn mòn, hiệu suất thấp, giá thành cao, gây

ô nhiễm môi trường

2.2.3 Phương pháp kết hợp:

Là phương pháp kết hợp giữa tổng hợp hóa học và sinh học Người ta tạo phảnứng tổng hợp các chất trung gian Sau đó, lợi dụng vi sinh vật tiếp tục tạo ra axit amin.Phương pháp này tuy nhanh nhưng yều cầu kỹ thuật cao, chỉ áp dụng cho nghiên cứuchứ ít áp dụng vào công nghệ sản xuất

2.2.4 Phương pháp lên men axit glutamic

Phương pháp lên men hiện nay đang được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế

giới cũng như ở Việt Nam bởi những ưu nhược điểm sau [3, tr4]:

Ưu điểm:

+ Nguyên liệu rẻ tiền

+ Ít sử dụng hoá chất, thiết bị chống ăn mòn

+ Hiệu suất quá trình rất cao, giá thành hạ

+ Mở rộng khả năng sử dụng nguyên liệu

Nhược điểm:

+ Quá trình đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao và nghiêm ngặt

+ Đảm bảo vô trùng mới tạo sản phẩm

Phương pháp lên men gồm có phương pháp lên men gián đoạn và phương pháplên men liên tục

2.2.4.1 Phương pháp lên men liên tục

Cơ chất và các thành phần môi trường được bổ sung liên tục vào thiết bị lên men

và dịch lên men được lấy ra dần Nhược điểm của phương pháp này là khó đảm bảo vô

trùng trong quá trình lên men, do đó ít được áp dụng vào thực tế [4,tr85].

2.2.4.2 Phương pháp lên men gián đoạn [4 tr85].

2.2.4.2.1 Phương pháp lên men gián đoạn không bổ sung cơ chất.

Cho toàn bộ cơ chất và hóa chất cần dùng một lần ngay từ ban đầu vào thiết bị lênmen Chỉ có NH3, dầu phá bọt, các chất hoạt động bề mặt… được bổ sung theo nhu cầutrong quá trình lên men Lượng môi trường ban đầu thường 60 65% thể tích củathùng Khoảng trống của thùng dành cho bọt hoạt động Phương pháp này thích hợpvới các cơ chất ít có tác dụng ức chế vi sinh vật ở nồng độ 1012% như các loạiđường

2.2.4.2.2 Phương pháp lên men gián đoạn có bổ sung cơ chất.

Không cho toàn bộ cơ chất vào thiết bị lên men ngay từ đầu mà chia làm hai khốinhỏ, 1520% cơ chất cùng các hóa chất được đưa vào môi trường ban đầu, khối cònlại (80  85%) được bổ sung dần trong quá trình lên men Phương pháp này đặc biệtthích hợp với các loại cơ chất có khả năng ức chế sự phát triển của vi sinh vật ở nồng

độ cao như cồn, axit hữu cơ, n-parafin.

Quá trình lên men gián đoạn gồm các giai đọan sau [4 tr120]:

 Giai đoạn đầu:

Thời gian từ 8÷12 giờ đầu, giai đoạn này chủ yếu là tăng sinh khối Giai đoạn nàycác chất dinh dưỡng, đạm vô cơ và hữu cơ, các chất khoáng của môi trường, vitamin vàcác chất sinh trưởng thấm vào tế bào vi khuẩn Vi khuẩn lớn lên, đạt được kích thướccực đại và bắt đầu sinh sản, phân chia Các thông số giai đoạn này:

+ pH từ 6,56,7 tăng lên 7,5 8

+ Bọt tạo thành tăng dần (CO2)

+ Lượng đường tiêu hao tăng dần

+ Lượng tế bào vi khuẩn tăng dần 0,130,14 đến 1

+ Hàm lượng axit glutamic chưa có hoặc rất ít

 Giai đoạn giữa:

Từ giờ thứ 10, 12 đến giờ thứ 24, 26, giai đoạn này giữ cho số tế bào không tăngthêm nữa hoặc tăng rất ít Quá trình chủ yếu giai đoạn này là đường và đạm vô cơ thấmqua màng tế bào vi khuẩn và các quá trình chuyển hóa bởi các men và các phản ứng đểtạo ra axit glutamic trong tế bào Lượng axit glutamic tạo thành lại hòa tan vào môitrường làm cho pH giảm dần, CO2 bay ra, bọt nhiều Khi đó lượng đường hao nhanh từ8,9% xuống 2,3%, pH giảm xuống còn dưới 7 cần phải bổ sung ure để pH tăng lên 8,axit glutamic tăng từ 0 đến 3040g/l

 Giai đoan cuối:

Những giờ còn lại tất cả các biểu hiện sinh tổng hợp đều giảm dần cho đến khihàm lượng đường chỉ còn  1% thì lên men kết thúc

2.3 Chủng sản xuất axit glutamic.

Các chủng Corynebacterium Glutamicum được dùng chủ yếu làm giống nuôi cấy

để sản xuất axit glutamic Trong số này có các chủng trước đây gọi là Micrococcus nay cũng được xếp vào giống Corynebacterium Ngoài ra, trong công nghiệp còn thấy dùng các chủng thuộc Brevibacterium Flavum và Divaricatum Nhưng chủ yếu nhất vẫn là chủng Corynebacterium glutamicum không bị giới hạn bởi nồng độ biotin có khả năng

Điều kiện của một chủng giống là phải có khả năng tạo ra nhiều axit glutamic, tốc

độ sinh trưởng phát triển nhanh, có tính ổn định cao trong thời gian dài, chịu đượcnồng độ axit cao, môi trường nuôi cấy đơn giản, dễ áp dụng trong thực tế sản xuất

 Cơ chế sinh tổng hợp axit glutamic:

Đầu tiên, vi khuẩn phân giải đuờng theo con đường EMP, rồi sau đó thông qua

axit xitric và axit α –ketoglutaric theo con đường của chu trình Krebs [3, tr6].

Sau đó, sản phẩm axit glutamic được hình thành Axit glutamic được tổng hợpthừa trong tế bào và được tiết ra ngoài môi trường nhờ tính thấm của màng tế bào bịthay đổi

Tính thấm bị thay đổi vì thiếu biotin, do tác dụng penicilin hay do dẫn xuất của

Izoxitrat dehydrogenaza

CO2

trên thế giới hiện nay sản xuất axit glutamic từ rỉ đường và tinh bột sắn, là hai nguồnnguyên liệu chủ yếu.

Các chất khoáng thường được sử dụng trong quá trình sản xuất bao gồm:

K2HPO4, MnSO4, MgSO4., Nguồn nitơ thường dùng là urê, với tỷ lệ phụ thuộc vàotừng chủng, cũng có thể dùng (NH4)2SO4,(NH4)Cl

2.5 Lên men [3,tr11-12]

Trong sản xuất axit glutamic người ta thường tiến hành lên men theo chu kì vìyêu cầu tuyệt đối của quá trình sản xuất Thời gian lên men phụ thuộc vào hàm lượngđường có trong môi trường, vào phương pháp cho đường vào dịch nuôi cấy một lầnhoặc nhiều lần, vào mức độ thông khí và đặc tính sinh lý của chủng vi sinh vật nuôicấy

Trong dung dịch, đường thường chiếm khoảng 8-25% Trong quá trình lên men,người ta có thể sử dụng nồng độ cao đường ngay từ ban đầu Nhưng phương pháp sửdụng đường làm nhiều lần trong suốt thời gian lên men thường cho hiệu quả cao hơn.Lên men trong 23 ngày Nhiệt độ lên men nên duy trì 30-32oC

Thông khí trong môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến thời gian lên men Oxyphải được cung cấp thường xuyên.Trong thực tế sản xuất, chỉ cần điều kiện thoáng khíbình thường bằng cách khuấy trộn dịch lên men với cánh khuấy v = 450 v/p

Sau khi lên men người ta tiến hành cô đặc, kết tinh để thu axit glutamic tinh thể.Hện nay, người ta thường kết tinh trong thiết bị kết tinh 2 vỏ, kết hợp sử dụng axit vànước lạnh cho quá trình kết tinh

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành axit glutamic [4, tr66-69]

2.6.2 Nguồn nitơ.

Cung cấp nitơ cho quá trình lên men axit glutamic là rất quan trọng bởi vì nitơ cần

Người ta thường dùng các loại muối chứa NH4 như NH4Cl, (NH4)2SO4, (NH4)2HPO4,

NH4H2PO4, NH4OH hay khí NH3 hoặc urê làm nguồn cung cấp cacbon

2.6.3 Nguồn muối vô cơ khác.

Các ion vô cơ cần cho sinh trưởng và tích luỹ axit glutamic Sự có mặt của các ionsau đây là cần thiết: K+ Mg+2

, Fe+2 , Mn2+

, SO4+2, PO4+3 Liều lượng thường được dùng nhưsau:

2.6.4 Chất điều hoà sinh trưởng.

Chất điều hoà sinh trưởng quan trọng bậc nhất trong môi trường lên men axitglutamic nhờ các giống thiên nhiên là biotin Để có hiệu suất lên men cao nồng độbiotin phải nhỏ hơn nồng độ tối ưu cần thiết cho sinh trưởng Nồng độ biotin thích hợpnhất cho việc sinh tổng hợp axit glutamic là 2÷5 μg/l môi trường Biotin quyết định sựg/l môi trường Biotin quyết định sựtăng trưởng tế bào, quyết định cấu trúc màng tế bào, cho phép axit glutamic

thấm ra ngoài môi trường hay không và có vai trò quan trọng trong cơ chế oxy hoá cơchất tạo nên axit glutamic

4 để thực hiện hai chức năng cơ bản là điều chỉnh pH

và cung cấp NH3 cho việc tổng hợp phân tử axit glutamic Nguồn NH4 sử dụng phổbiến là: urê, nước NH3, khí NH3, NH4Cl,

2.6.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ.

Đa số vi khuẩn sinh axit glutamic sinh trưởng và tạo axit glutamic ở 300C ÷ 350C,

số ít ở 35÷370C, cá biệt ở 41÷430C Nhiệt độ thích hợp nhất cho quá trình lên men là26÷370C, trong thực tế lên men ở 30÷320C

2.6.7 Ảnh hưởng của sự cung cấp oxy và khuấy trộn.

Sự cung cấp oxy và khuấy trộn trong khi lên men có ý nghĩa vô cùng quan trọng

Do vi khuẩn lên men thuộc loại hiếu khí nên nếu không cung cấp đủ oxy cho chúng,

đồng thời CO2 sinh ra trong quá trình biến dưỡng quá nhiều thì tế bào vi khuẩn có khảnăng chết làm cho sinh khối giảm kéo theo sự suy giảm cả về lượng axit glutamic sảnxuất Cung cấp oxy và khuấy trộn nhằm hai mục đích:

 Duy trì nồng độ oxy hoà tan ở mức trên giá trị tới hạn

 Khống chế nồng độ CO2 ảnh hưởng rất lớn tới sinh trưởng và tích lũy axitglutamic của vi khuẩn

CHƯƠNG 3 CHỌN VÀ THIẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

3.1 Chọn dây chuyền công nghệ.

3.1.1 Chọn nguyên liệu sản xuất.

Nguyên liệu chính để sản xuất axit glutamic là hydrat cacbon Có thể dùngglucoza, fructoza, maltoza, tinh bột, rỉ đường……vv Nước ta hiện nay dùng chủ yếu 2nguyên liệu là rỉ đường và tinh bột sắn Ở đề tài này em chọn nguyên liệu để sản xuất

là rỉ đường vì có nhiều ưu điểm và thuận lợi cho sản xuất axit glutamic như sau:

 Là nguyên liệu rẻ tiền và rất dể kiếm

 Trong rỉ đường có chứa đủ lượng đường cần thiết cho quá trình lên men( đường khử và sacaroza)

 Rỉ đường có hàm lượng biotin cao

 Rỉ đường còn có axit, rượu, axit amin, purin và các vitamin, các chấtkhoáng, các hợp chất có tác dụng kích thích sinh trưởng vi sinh vật nhưbiotin (vitamin H)

3.1.2 Chọn chủng vi sinh vật.

Các chủng có khả năng sinh tổng hợp axit glutamic cao thuộc các chi:

Corynebacterium, Brevibacterium, Arthrobacterium, Microbacterium [3, tr9] Ở đây,

em chọn chủng đột biến Corynebacterium glutamicum vì giống này có khả năng sinh

tổng hợp axit glutamic cao, không bị khống chế bởi nồng độ biotin và thực tế đã được

áp dụng tại Việt Nam

3.1.3 Chọn phương pháp lên men.

Hiện nay các nhà máy sản xuất axit glutamic bằng phương pháp lên men pháttriển rộng rải trên thế giới Sử dụng phương pháp lên men trực tiếp: là phương pháp sảnxuất axit L-glutamic ngay trong dịch nuôi cấy bằng một vi sinh vật duy nhất Các visinh vật này đều có hệ enzyme đặc biệt chuyển hóa trực tiếp đường và amonic thành

axit glutamic trong môi trường lên men [3,tr8] Vì vậy, em chọn phương pháp lên men

trực tiếp 1 giai đoạn không bổ sung cơ chất để sản xuất axit glutamic

3.1.4 Chọn phương pháp tinh chế.

Hiện nay có nhiều phương pháp kết tinh axit glutamic từ dịch nuôi cấy, nhưngphương pháp điểm đẳng điện được áp dụng nhiều và phổ biến Dựa vào tính chất ởđiểm đẳng điện khác nhau của các aminoaxit có điểm đông tụ khác nhau để tách axit

glutamic ra dễ dàng ( điểm đẳng điện của axit glutamic ở ph=3,22 [6]) Em chọn

phương pháp tinh sạch axit glutamic theo phương pháp điểm đẳng điện Phương phápnày đơn giản, dễ thực hiện, đang được áp dụng nhiều

3.1.5 Chọn dây chuyền sản xuất.

Qua tham khảo quy trình sản xuất bột ngọt của công ty Ajinomoto và một số tài liệuliên quan em đưa ra quy trình sản xuất axit glutamic như sau:

3.2 Thuyết minh dây chuyền công nghệ.

3.2.1 Nguyên liệu rỉ đường.

Rỉ đường là nguyên liệu rẻ tiền và dễ kiếm, có hàm lượng biotin cao thuận lợicho quá trình sinh tổng hợp axit glutamic từ chủng vi sinh vật Rỉ đường được vậnchuyển về nhà máy từ các nhà máy sản xuất đường ở các tỉnh lân cận

Thành phần chính của rỉ đường là: Nước 20% ; Đường 62%; Các chất phi đường

10% [4,tr17]

Đường trong rỉ đường bao gồm: [4,tr17]

- 25 ÷ 40% sacaroza;

- 15 ÷ 25% đường khử ( glucoza và fructoza);

- 3 ÷ 5% đường không lên men được

H2SO4 98%

Đóng gói,bảo quản

Than hoạt tínhLọc ép Than hoạt tính đi

tái chế

Mục đích: Trong rỉ đường có chứa nhiều canxi Đây là kim loại có ảnh hưởng

đến quá trình lên men và kết tinh axit glutamic, vì vậy mục đích chính của quá trìnhnày là loại canxi khỏi rỉ mật Ngoài ra, axit sunfuric được sử dụng để loại canxi còn cóvai trò thủy phân đường sacaroza trong rỉ đường thành glucose – nguồn dinh dưỡngcho vi sinh vật lên men

Hàm lượng thành phần Ca2+ trong rỉ đường ban đầu là: 0.3 – 1.2 % [6]

Thông số kỹ thuật: Các điều kiện của quá trình thủy phân rỉ đường [6]

Mục đích: Ly tâm là loại bỏ kết tủa và các chất cặn lắng Sau thời gian thủy phânkhoảng 60h để tinh thể CaSO4 có kích thước lớn, đem ly tâm hỗn hợp sau xử lý đểphân tách hai thành phần: Phần lỏng và phần rắn

Phần lỏng gồm glucoza, fructozađược đưa vào tank để thực hiện tiếp quá trình xử

lý trước khi tiến hành lên men

Phần rắn gồm CaSO4, K2SO4, CaK2(SO4)2 tiếp tục ly tâm lần hai để thu dịch lỏngcòn phần rắn được cung cấp cho nhà máy phân bón

Thiếtbị: Máy ly tâm lọc SG1250 [13]

Hình 5.2 : Thiết bị ly tâm SG1250 [13]

3.2.4 Pha chế dịch lên men

Mục đích : Tạo ra môi trường thuận lợi cho vi sinh vật sử dụng trong quá trình

lên men tạo sinh khối Bổ sung các chất khoáng và các ion vô cơ nhằm cung cấp đầy

đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình lên men

sau này

Thông số kỹ thuật: Môi trường gồm dịch rỉ

đường và bổ sung các chất sau: [4, tr67]

 K2HPO4 0,05 ÷ 0,2%

 MgSO4 0,025 ÷ 0,1%

 MnSO4 0,0005 ÷ 0,005%

 KH2PO4 0,05 ÷ 0,2%

Dung dịch rỉ đường được pha loãng đến nồng độ

đường trong dung dich khoảng 8 ÷ 25% [3,tr11], Ở

đây dịch rỉ đường được pha loãng đến nồng độ đường

trong dung dịch là 13%

Hình 3.3 Thùng pha loãng rỉ đường

Điều chỉnh pH đến 6,7÷6,9

Thiết bị: Sử dụng thiết bị bằng thép, bên trong có cánh khuấy.

3.2.5 Thanh trùng và làm nguội.

Mục đích: nhằm tiêu diệt các vi sinh vật có trong dich pha chế, đảm bảo độ vô

trùng trước khi tiến hành quá trình lên men Sau khi thanh trùng xong cần phải hạ nhiệt

độ môi trường tới nhiệt độ lên men

Thông số kỹ thuật: [1]

 Nhiệt độ thanh trùng:1250C

 Thời gian: 15 phút

 Làm nguội đến nhiệt đô: 300C – 320C

Tiến hành dịch được bơm ngựơc chiều với hơi nước, để tạo ra quá trình trao đổi

nhiệt Thanh trùng ở 1250C, thời gian: 15 phút, hơi có áp suất: 0,6 Mpa

Thiết bị: Dùng thiết bị thanh trùng alpha - laval.

3.2.6 Giống sản xuất

Mục đích: Là tạo ra đủ số lượng giống cần thiết cho quá trình lên men.

Thông số công nghệ: Sử dụng vi khuẩn Corynebacterium glutamicum Quá trình

nhân giống được tiến hành qua các bước sau:

Hình 3.4 Thiết bị thanh trùng bản mỏng [14]

Giống gốc Nhân giống cấp I Nhân giống cấp II Nhân giốngcấp III

Môi trường được điều chỉnh pH = 7÷8 và đem

đi thanh trùng ở 1200C trong 20÷30 phút, rồi để

nguội xuống 30÷350C Sau đó, tiến hành nuôi cấy ở

320C, áp suất 1kG/cm2, điều chỉnh lượng không khí

vào và thường xuyên kiểm tra pH

Quá trình nhân giống được tiến hành trong các

thiết bị nhân giống

Thiết bị: Sử dụng các thiết bị nhân giống do

hãng Sartorius sản suất

3.2.7 Lên men

Mục đích : Thông qua các hoạt động sống của vi khuẩn trong những điều kiện

thích hợp để chuyển hoá đường và đạm thành axit glutamic.Nồng độ dịch lên men

8÷25% [3, tr11]

Thông số công nghệ: Để đảm bảo quá trình lên men đạt hiệu quả cao cần phải

chú ý khống chế các điều kiện kỹ thuật như sau [4, tr120]:

Tỷ lệ giống: 5÷6% so với thể tích môi trường

Nhiệt độ: luôn giữ ở 320C

Thời gian: 28÷32 giờ

Tiến hành : Lên men tiến hành qua 3 giai đoạn [4, tr120]

-Giai đoạn đầu : 8÷12h, giai đoạn này chủ yếu là tăng sinh khối Các chất cótrong môi trường thẩm thấu vào tế bào làm cho vi khuẩn lớn lên đạt kích thước cực đại

Hình 3.5: Thiết bị nhân giống [15]

và bắt đầu sinh sản, phân chia Ở giai đoạn này axit glutamic tạo ra rất ít pH có tăng từ6,5÷6,7 lên 7,5÷8 (do bổ sung urê).

-Giai đoạn giữa : từ giờ thứ 10,12 đến giờ thứ 24,26 Giai doạn này không tăng

số lượng tế bào hoặc tăng rất ít Lượng axit sinh ra nhiều làm pH giảm nên phải bổsung thêm urê để pH = 8

-Giai đoạn cuối : Các quá trình xảy ra chậm dần cho đến khi hàm lượng đường

chỉ còn dưới 1% thì lên men kết thúc

Chọn thiết bị lên men FXG50 [16]

3.2.8 Lọc tách sinh khối

Mục đích: axit glutamic tạo thành trong quá trình lên men được tiết ra ngoài tế

bào vì thế ta phải lọc loại sinh khối và thu dịch lên men

Chọn thiết bị lọc: Dùng thiết bị lọc khung bản XA

M YG80/ 800 – UK

B [17]

Hình 3.6 Thiết bị lên men FXG50 [16]

3.2.9 Cô đặc chân không

Mục đích: Nhằm làm tăng nồng độ của dịch axit glutamic trước khi kết tinh Thông số kỹ thuật: Dịch sau lên men có hàm lượng axit glutamic thấp khoảng

17%, pH = 7 do đó cần tiến hành cô đặc để loại bớt nước, đưa dung dịch về nồng độ

3.2.10 Tẩy màu.

Mục đích là dùng than hoạt tính để hấp thụ những chất màu tạo cho dung dịch

axit glutamic có độ trong sáng

Dịch sau cô đặc được cho vào thiết bị tẩy màu đồng thời với than hoạt tính Thờigian lưu lại trong thiết bị là 30 phút Sau đó đưa đi xử lý tiếp theo

Thiết bị được sử dụng có thân hình trụ làm bằng thép không gỉ , đáy và nắp bằng

Hình 3.9 Thiết bị tẩy màu CPG [19]

3.2.11 Lọc ép.

Mục đích: Sau khi dùng than hoạt tính để tẩy màu thì cần phải tách than hoạt tính

ra để đi tái chế, còn dịch được đem đi qua công đoạn kết tinh axit glutamic

Mục đích : Đưa pH của dung dịch về điểm đẳng điện của axit glutamic để chuyển

axit glutamic từ pha lỏng sang pha rắn tinh thể

Tiến hành : dung dịch có pH khoảng 5,5 – 6 do đó ta phải dùng H2SO4 98 % để điều chỉnh pH của dung dịch về pH = 3,22 đây là giá trị pH đẳng điện của dung dịch

[6] Trong quá trình kết tinh thì dùng nước lạnh đưa dung dịch axit glutamic về nhiệt

độ 120C lúc đó tinh thể axit glutamic sẽ kết tinh Cánh khuấy hoạt động làm axit glutamic kết tủa thành cục to, tơi xốp Tám giờ sau ngừng khuấy và hạ đến nhiệt độ không khí Sau 48 giờ dung dịch tách 2 pha Pha rắn là axit glutamic đã kết tinh lắng xuống đáy dưới, pha lỏng là nước và một số axit glutamic tan vào đó gọi là nước cái

Phần kết tinh đem ly tâm thu axit glutamic ẩm [4,tr128]

Thiết bị: Thiết bị kết tinh 2 vỏ có cánh khuấy CG [21]

Hình 3.11 Thiết bị axit hóa và kết tinh CG [21]

Thiết bị: : Thiết bị ly tâm lọc tháo chất rắn tự động ở đáy [22]

Hình 3.12: thiết bị ly tâm SGZ1500 [22]

3.2.14 Rửa- Lọc băng tải

Mục đích: Làm sạch tinh thể axit glutamic thu nhận được sau khi ly tâm và làm

giảm độ ẩm của tinh thể axit trước khi tiến hành sấy

Thiết bị: Sử dụng thiết bị lọc băng tải Belt Fiter. [23]

Hình 3.13: Thiết bị Belt Fiter [23 ]

Mục đích của công đoạn này là nhằm tách hoàn toàn nước ra khỏi axit glutamictrước khi đưa tinh thể axit glutamic vào đóng gói rồi bảo quản.

Tiến hành : Axit glutamic ẩm đưa vào thiết bị sấy nhờ cơ cấu rung và chạy trênbăng chuyền liên tục, không khí nóng được thổi liên tục vào làm bay hơi ẩm và làmkhô axit Nhiệt độ sấy <800C thường từ 70- 800C là thích hợp

Quá trình kết thúc axit glutamic chỉ còn độ ẩm khoảng 0,5- 1%

Thiết bị: Sử dụng máy sấy rung băng tải [23]

3.2.16 Làm nguội

Tinh thể axit glutamic được làm nguội trên băng tải làm nguội trước khi bao gói

3.2.17 Phân loại, bao gói.

Mục đích: Nhằm phân loại sản phẩm, bảo quản sản phẩm, tạo sản phẩm hoàn

chỉnh và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển

Tiến hành: Tinh thể axit glutamic sau khi làm nguội được chuyển vào thiết bịphân loại và bao gói trước khi được bảo quản

Quá trình bao gói có ghi rõ khối lượng, ngày sản xuất của sản phẩm

Sau khi sấy axit glutamic cho vào các túi polyetylen 2 lần Tuỳ theo yêu cầu màkhối lượng mỗi bao từ 100g÷0,5kg Ở giữa túi có khi nhãn hiệu có ghi rõ khối tịnhlượng, ngày sản xuất, hạn sử dụng và cách sử dụng

Thiết bị: Sử dụng máy rây 2 tầng SUS304 và Sử dụng thiết bị đóng bột túi nhỏ

DXD-50F

 Sử dụng máy rây 2 tầng SUS304 [24]

Hình 3.14 Máy sấy rung băng tải, [23]

 Sử dụng thiết bị đóng bột túi nhỏ [25]

CHƯƠNG 4

Hình 3.15: Máy rây 2 tầng SUS304

Hình 3.16: Máy bao gói DXD-50F

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT4.1 Chọn các số liệu ban đầu:

Ta giả sử tổn hao của từng công đoạn so với công đoạn trước đó như sau:

Nhà máy làm việc liên tục 3 ca/ngày Mỗi ca 8 giờ

Các ngày nghỉ trong năm:

+ Số ngày nghỉ để tu sửa và vệ sinh thiết bị là 16 ngày+ Tết dương lịch nghỉ 1 ngày

+ Tết âm lịch nghỉ 4 ngày+ Chiến thắng 30/4 nghỉ 1 ngày+ Quốc tế lao động nghỉ 1 ngày+ Giỗ tổ Hùng Vương nghỉ 1 ngày+ Quốc khánh 2-9 nghỉ 1 ngày

Ta có tổng kết thời gian sản xuất của nhà máy trong một năm như sau:

Số ngày làm việc trong năm: 365 – 25 = 340 ngày

Số ca làm việc trong năm: 340  3 = 1020 ca

4.3 Tính cân bằng vật liệu

Năng suất của nhà máy là : 3400 tấn/năm Như vậy năng suất mỗi ngày của nhàmáy là:

4.3.1 Phân loại, bao gói, thành phẩm

Tỉ lệ hao hụt là 0.5%

Lượng axit glutamic trước khi bao gói là:

25 , 10050 5

, 0 100

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 0,5%

Lượng axit glutamic thu được trước khi làm nguội là:

76 , 10100 5

, 0 100

100 25

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1%

Giả sử tinh thể axit glutamic có độ ẩm trước và sau khi sấy lần lượt là:

Độ ẩm trước khi sấy là 6%

Độ ẩm sau khi sấy là 0,5%

Khối lượng axit glutamic ẩm đưa vào sấy

10100,76 

6 100

5 , 0 100

4.3.4 Rửa lọc băng tải

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1%

Giả sử axit glutamic có độ ẩm trước và sau khi lọc lần lượt là:

6 100





(1001001)

 = 11268,48 (kg/ngày)

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 2%

Giả sử trước khi ly tâm nồng độ axit glutamic là 30% nên hàm lượng nước chiếm70% Vậy:

Độ ẩm trước khi ly tâm là 70%

Độ ẩm sau khi ly tâm là 9%

Khối lượng dịch axit glutamic trước khi ly tâm là:

11268,48 ×

70 100

9 100





4.3.6 Axit hóa, kết tinh

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1%

Giả sử hiệu suất công đoạn này là 90%

Khối lượng dung dịch axit glutamic trước khi kết tinh là:

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1%

Khối lượng dung dịch axit glutamic trước khi ép lọc là:

39145,49× (1001001)

 = 39540,9 (kg/ngày)

4.3.8 Tẩy màu

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 0,5%

Giả sử nồng độ axit glutamic không đổi trước và sau khi tẩy màu

Khối lượng dung dịch trước tẩy màu là

39540,9 (1001000,5)

 = 39739,6 (kg/ngày)Lượng than hoạt tính chiếm 15% so với lượng dịch axit, nên khối lượng thanhoạt tính sử dụng trong 1 ngày là:

39739,6  15% = 5960,94 (kg/ngày).

4.3.9 Cô đặc chân không

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1%

Trước cô đặc, nồng độ axit glutamic 17% nên hàm lượng ẩm trong dung dịch là83%

Nồng độ axit glutamic sau cô đặc 30% nên hàm lượng ẩm trong dung dịch là70%

Khối lượng axit glutamic trước khi cô đặc chân không là:

70837,08 83

100

70 100 1 100

100 39739,6 

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1%

Giả sử hiệu suất của quá trình lọc trong là 90%

Lượng dung dịch axit glutamic trước lọc trong :

70837,08 

1 100

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1%

Tổng lượng dung dịch lên men

79502,9 1001001

 = 80305,96 (kg/ngày)

Giả sử tỉ trọng của dịch là d  1105 kg/m3, suy ra thể tích dịch lên men là:

68 , 72 1105

96 , 80305

Lượng giống cho vào lên men là 5% thể tích dịch môi trường [3,tr12] Vậy lượng

giống cho vào là Vgiống III = 72 , 68  5 %  3 , 634 (m3/ngày)

Giả sử giống có khối lượng riêng là 1070 (kg/m3) Khi đó khối lượng giống chovào là: mgiống III = 3 , 634  1070  3888 , 38 (kg/ngày)

Lượng giống cấp II bằng 10% lượng giống cấp III

4.3.12 Thanh trùng và làm nguội

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 0,5%

Lượng môi trường trước khi tiến hành quá trình là:

1 , 75268 5

, 0 100

100 76

,



4.3.13 Pha chế dịch lên men

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 0,5%

Khối lượng môi trường ở công đoạn pha chế là:

33 , 75646 5

, 0 100

100 1

,

Dịch sau khi pha chế xong có nồng độ đường là 13% và rỉ đường ban đầu có nồng

độ đường là 62% nên ta có lượng dịch đường thực tế sử dụng để pha chế là:

15781,23 62

13 75264,32   (kg/ngày)

Lượng nước cần dùng để pha loãng rỉ đường trong 1 ngày là:

75264,32 – 15781,23 = 59583,09 (kg/ngày)

4.3.14 Ly tâm dịch rỉ đường

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 2%

Khối lượng dịch đường trước khi ly tâm là

3 , 16103 2

100

100 23

Tỉ lệ hao hụt của công đoạn này là 1%

Lượng rỉ đường trước xử lý là:

96 , 16265 1

100

100 3

,

16103 



Lượng axit cho vào chiếm 0,5% khối lượng rỉ đường Khối lượng axit cho vào xử

lý là:

81,83

% 5 , 0

Tính cho 1ca

Tính cho 1giờ

2 Xử lý rỉ đường 16347,79 5449,26 681,16

4 Dịch đường sau ly tâm đi pha chế 15781,23 5260,41 657,55

5 Pha chế môi trường 75646,33 25215,44 3151,93

Chọn số thùng chứa rỉ đường là n = 1 để chứa lượng rỉ đường cho một ca sản xuất Thùng chứa rỉ đường có thân hình thụ tròn, đáy hình nón cụt, nắp bằng Thiết bị được đặt trên cao để tự chảy xuống thiết bị xử lý

D

H

Hình 5.1 Thùng chứa rỉ đường ban đầu

Khối lượng rỉ đường cho một ca sản xuất là m = 5421,99 (Kg/ca) [Bảng 4.1]

Khối lượng riêng của rỉ đường 62% là d = 1300,59 (kg/m3) [1,tr 58÷61]

Thể tích của rỉ đường lúc này là:

Vrỉ ban đầu = 13005421,99,59 = 4,17 (m3)

Chọn hệ số chứa đầy là  = 0,85 ta có thể tích của thiết bị chứa rỉ đường banđầu

Vthiết bị = 04,17,85 = 4,9 (m3)Chọn kính thước thiết bị: D = 1,6m ; d = 0,2m; α = 45o; ho có thể bỏ qua

Chiều cao phân nón là :





 = 2,172 (m)Chiều cao của thiết bị là:

Vậy chọn thùng chứa rỉ đường có kích thước như sau:

Thể tích rỉ đường đem vào xử lý là: Vrỉ đường= 4,17 (m3) [Mục 5.1]

Lượng axit H2SO4 98% cho vào quá trình xử lý là = 27,277 (Kg)

Khối lượng riêng của axit H2SO4 98% là 1799 kg/m3 [1,tr30-31]

Thể tích của axit H2SO4 cho vào quá trình xử lý là:

VH2SO4 = 0,015

1799

27,277

 (m3)Tổng thể tích nguyên liệu đem xử lý là:

VTổng = VH2SO4 + Vrỉ đường = 0,015 + 4,17 = 4,185 (m3)Chọn hệ số chứa là   0 , 8, thể tích thiết bị là:

Vthiết bị = 5,23

8 , 0

Năng suất hơi tiêu thụ(Kg/h) : 1000 - 1200 kg /h

Công suất động cơ, kW :3

60

 ~ 8 và không có thiết bị dự trữ

Vậy số thiết bị cần dùng cho xử lý rỉ đường là n= 8 thiết bị

5.3 Thiết bị ly tâm

Lượng rỉ đường đem ly tâm có năng suất là:= 674,35 (kg/h) [Bảng 4.1]

Khối lượng riêng của rỉ đường 62% là d = 1300,59 (kg/m3) [1,tr 58÷61]

Tổng thể tích nguyên liệu đi vào ly tâm trong 1 giờ là

V= 1300674,35,59 = 0,5185 (m3/h)Thời gian 1 mẻ ly tâm là 15 phút nên lượng rỉ đường đưa đi ly tâm trong 1 mẻ là

0,5185 

60

15

= 0,13 (m3/mẻ) = 130 (lit/mẻ)Chọn thiết bị ly tâm lọc SG1250 như hình 3.2

Thông số kỹ thuật của thiết bị ly tâm lọc SG1250 [13]:

Tổng lượng dịch rỉ đường và hóa chất trong thiết bị pha chế dịch lên men trong

Vậy thể tích của thiết bị trong một ca sản xuất

Vthiết bị = 23,960,8 = 29,95 (m3)Chọn đường kính thiết bị D = 3m; chiều cao của chỏm cầu h = 0,5m





 = 3,98 (m) Chiều cao của thiết bị là :

hthiết bị = H + ×hc = 3,98+ 0,5 = 4,48 (m)Vậy chọn thiết bị pha chế dịch lên men có:

 V= 29,95 (m3);

 D = 3 (m);

 H = 4,48 (m)

 hc = 0,5 (m)

5.5 Thiết bị thanh trùng và làm nguội

Dịch đem thanh trùng và làm nguội trong 1 giờ là 3136,17 (kg/h) [Bảng 4.1]

Khối lượng riêng của dịch có nồng độ đường 13% là d = 1052,52 (kg/m3) [1,tr

58÷61]

Ta có thể tích dịch đem thanh trùng V = 10523136,,5217 = 2,98 (m3/h)

Chọn thiết bị thanh trùng alpha - laval

Thông số kỹ thuật của thiết bị như sau [14]: