Đề cương quá trình thiết bị công nghệ sinh học

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP CÁC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ SINH HỌC 2 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VI SINH VẬT Câu 1: Phân tích được vai trò của bioindustry trong việc phát triển của công nghệ sin

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP CÁC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ SINH HỌC 2

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VI SINH VẬT

Câu 1: Phân tích được vai trò của bioindustry trong việc phát triển của công nghệ sinh học

 Bioindustry : công nghiệp hóa các sản phẩm sinh học, tạo ra các sản phẩm sinh học trên quy mô công nghiệp với một số luợng hệ thống máy móc lớn

 Dựa trên cơ sở của công nghệ sinh học giải quyết các vấn đề cho con người: tạo ra các sản phẩm mà con người cần: luong thực, thực phẩm, dưỡc liệu, tăng năng suất cây trồng vật nuôi, chống biến đổi khí hậu, xử lý ô nghiễm môi trườg

 Bioindustry có vai trò rất quan trọng trong việc phát triên công nghệ sinh học, được ưng dụng vào nhiều lĩnh vưc khác nhau: thực phẩm, dược, nông nghiệp, bảo vệ môi trường,… Kích thích sự phát triển của công nghệ sinh học và ứng dụng chúng trên quy

mô lớn, tạo ra nhiều sản phẩm

Câu 2: Trình bày và cho ví dụ được các hướng ứng dụng của bioindustry ( trình bày chi tiết theo các hướng công nghiệp thực phẩm, duợc phẩm và y tế, nông nghiệp, bảo

vệ môi trường)

Công nghiệp thực phẩm:

 Sản xuất các sản phẩm thực phẩm: bia, rượu

 Sản xuất các gia vị, phụ gia thực phẩm: MSG, β caroten, acid citric,…

 Các chất dinh dưỡng : acid amin, protein,…

 Enzyme xứ lý công nghệ: pectinase, amylase,…

 Chế phẩm vi sinh xử lý công nghệ: nấm men, bánh mì

Công nghệ sinh học dược và y tế:

 Chất kháng sinh penicillin, tetracyclin, …

 Các vitamin và các chất chuyển hóa: B1, B12, Sorbose, dextran,…

o Cân bằng các chất dinh dưỡng thức ăn: sinh khối nấm men,…

o Kích thích sinh trường: bổ sung kháng sinh

 Trồng trọt:

o Bảo vệ thức vật: vi sinh vật, kháng sinh,

o Hormone sinh trưởng: Giberilin,…

o Cải tạo đất: vi khuẩn cố định đạm: Rhizobium,…

o Mô phỏng: nuôi trồng thủy canh,…

Bảo vệ môi trường:

 Xử lý nước thải, rác thải hữu cơ: nhiều vi sinh vật  enzyme phong phú  lên men kị khí và lên men hiếu khí

 Xử lý các chất khí bị phân hủy: chủng vi sinh vật đặc thù

 Sử dụng tảo, tảo lam

Câu 3: trình bày và phân tích 4 giai đoạn trong việc phát triển một san phẩm trong ngành công nghiệp sinh học

Tạo giống  sản xuất thử  sản xuất công nghiệp  thu nhận và tinh chế sản phẩm

 Tạo giống: phân lập, tuyển chọn, tạo khả năng thích nghi , nâng cao chất luợng, bảo

quản giống

 Sản xuất thử: nghiên cứu các tác động đến vi sinh vật ( nhiệt độ, pH, thành phần

dinh dường,…), tối ưu hóa ảnh hưởng đến cơ thể sống để thu được sản phẩm nhiều

và tốt nhất

 Sản xuất trên quy mô công nghiệp: tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

trao đổi chất của cơ thể sống trong quy mô công nghiệp

 Thu nhận và tinh chế: tập hợp các phương pháp hóa lý và sinh học để thu được sản

phẩm

Như làm:

 Tạo giống(Mua từ các ngân hàng giống, phân lập trong tự nhiên, kỹ thuật di truyền, đột biến, kỹ thuậtsinh học tế bào): Bao gồm các quá trình phân lập, tuyển chọn, tạo khả năng thích nghi, nâng cao chất lượng giống bằng kĩ thuật di truyền và các quá trình bảo quản giống  điều khiển kiểu gen

 Quá trình sản xuất thử: Bao gồm các quá trình nghiên cứu các yếu tố tác động vào cơ thể sống Tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến cơ thể sống

 Quá trình sản xuất công nghiệp: Tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất trong quy mô công nghiệp

Quá trình sản xuất thử và sản xuất công nghiệp: điều khiển kiểu hình

 Quá trình từ sản xuất thử đến sản xuất công nghiệp: Thí nghiệm trong bình tam giác  Lên men với quy mô phòng thí nghiệm (5-10lít)  Lên men quy mô nhỏ (100-3000lít)  Lên men quy mô thương mại(10.000—500.000lít)

 Quá trình thu nhận và tinh sạch sản phẩm: Bao gồm tập hợp các phương pháp hóa lý

và sinh học để thu nhận sản phẩm cuối cùng

Câu 4: vẽ và giải thích sơ đồ nguyên lý công nghệ vi sinh vật ( hay công nghiệp sinh học)

Giải thích sơ đồ nguyên lý:

 Chuẩn bị nguyên liệu để sản xuất sản phẩm gồm: chuẩn bị môi trường nhân giống

và môi trường dinh dưỡng

 Sau khi đã chuẩn bị xong 2 môi trường nhân giống và dinh dưỡng, ta đem đi khử trùng để loại bỏ các vi sinh vật gây hại, không mong muốn

 Từ các giống vi sinh vật thuần chủng, ta sẽ nhân giống lên bằng cách cấy các giống vi sinh vật thuần chủng vào môi trường nhân giống, để vi sinh vật nhân nhanh

số luợng lớn

 Sau khi đã nhân giống thì cấy vi sinh vật vào môi trường dinh dưỡng đã khử trùng

để vi sinh vật sinh trưởng và phát triển để thu được sinh khối

 Sau quá trình lên men, ta sẽ thu được một hỗn hợp sinh khối của vi sinh vật Bằng các phương pháp hóa lý và sinh học, ta sẽ thu được một sản phẩm cần thiết

Câu 5: Nắm vững đường cong tăng trưởng và ý nghĩa của các công thức và đại lượng: Pha lag:

 Đặc điểm của pha này: vi sinh vật chưa phân chia, giai đoạn làm quen, giúp cho các tế bào tổn thương được phục hồi, trang bị hoàn thiện tế bào Trong pha lag vi khuẩn chưa

phân chia nhưng thể tích và khối lượng của tế bào tăng lên rõ rệt, tăng thành phần của tế bào

 Độ dài của pha lag tùy thuộc vào tuổi của ống giống và thành phần môi trường Thường

tế bào càng dài thì pha lag càng dài

Nếu số tế bào ban đầu là No thì sau n lần phân chia :

o Số tế bào có được: N=No.2n

o Lấy logarit của cơ số 2 ta được: Log2N=n + log2No

(n : số thế hệ của vi sinh vật được tính bằng:

n=ct= log2N – log2No trong đó c: hằng sốc tốc độ phân chia của vi sinh vật, thời gian nuôi cấy của vi sinh vật.)

o Thời gian nuôi cấy của vi sinh vật:

 Trong pha này vi khuẩn sinh trưởng và phát triển theo lũy thừa, nghiã là sinh khối và

số luợng tế bào tăng lên rất nhanh theo số mũ: N=No.2ct hay X = Xo Cµt (Trong pha này kích thuớc tế bào, thành phần hóa học, hoạt tính sinh lý, … không thay đổi theo thời gian)

 Thời gian thế hệ ( hoặc thời gian tăng đôi) g, hằmg số tốc độ phân chia C và hằng số tốc độ sinh trưởng là 3 thông số quan trọng của pha log Các hằng số C và µ có thể tính được từ phương trình: µ= log2X2 – log2X1/ log2e(t2-t1)

 Trong điều kiện thí nghiệm có thể điều chỉnh sao cho tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn chỉ mẫn cảm, nghĩa là chỉ phụ thuộc vào một yếu tố Trong trường hợp như vậy, yếu

tố đã cho là yếu tố hạn chế tốc độ sinh trưởng Chất dinh dưỡng hạn chế có thể là đường, acid amin, chất vô cơ

Pha ổn định:

 Trong pha này, quần thể vi sinh vật ở trạng thái cân bằng động học Số tế bào mới sinh ra bằng số tế bào chết đi Kết quả là số tế bào và cả sinh khối không tăng cũng không giảm

 Nguyên nhân tồn tại của pha ổn định là do sự tích lũy các sản phẩm độc của trao đổi chất và việc cạn kiệt các chất dinh dưỡng

 Sự tăng sinh khối tổng cộng tỷ lệ thuận với nồng độ ban đầu của chất dinh dưỡng hạn chế: G= K.C

Trong đó: G: độ tăng sinh khối tổng cộng

C: nồng độ ban đầu của chát dinh dưỡng hạn chế

K: hằng số hiệu suất: biểu thị bằng số mg chất khô đối với 1mg chất dinh dưỡng

 Giai đoạn tử vong: Trong pha này số lượng tế bào sống có khả năng giảm theo lũy thừa Sự chết của tế bào có thể nhanh hay chậm, có liên quan đên sự tự phân hay không tự phân Chưa có một quy luật chung cho pha tử vong

Câu 6: Nắm được phương trình động học monod và ý nghĩa các đại lượng

Phương trình động học monod (mối quan hệ giữa các hằng số C và µ với nồng độ chất dinh dưỡng hạn chế) được biểu diễn qua phương trình:

S k

Cmax và µmax – hằng số tốc độ phân chia và hằng số tốc độ sinh trưởng cực đại

Ks hằng số bão hòa và [S] là nồng độ chất dinh dưỡng hạn chế

Chương – các quá trình chuẩn bị

Câu 1: nắm vững cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của băng tải, băng cào, gàu tải?

dở dữ liệu để tháo liệu ra ngoài

o Băng tải sẽ được chuyển động liên tục nhờ hệ thống trục căng và trục dẫn chuyển động liên tục

B Băng cào:

 Cấu tạo:

o Gồm các bộ phận: đĩa xích truyền động giúp cho băng cào chuyển động, tạo lực kéo theo cho đĩa xích bị dẫn chuyển động và các xích có định các cào giúp lấy nguyên liệu

o Cào được làm bằng các tấm kim loại, được cuốn thành hình máng có dạng hình thang hay nửa vòng tròn Để vận chuyển nguyên liệu dạng hạt hay dạng mẫu thường dùng các băng cào

C Gàu tải:

 Cấu tạo:

o Gồm một bộ phận khép kín với các gàu được gắn chặt

trên bộ phận kéo

o Các gàu có kích thướt sâu để vận chuyển nguyên liệu

dạng hạt Băng tải kéo căng nhờ vào cơ cấu vít

o Hệ thống gàu tải di chuyển được là nhờ vào đầu dẫn

động, tang dẫn động và tang căng

o Tất cả các bộ phận của gàu tải được vỏ ngoài bao phủ,

có đầu dẫn động ở phía trên, guốc hãm ở phía dưới để

làm giảm tốc độ của băng tải giúp lấy nguyên liệu nhiều

hơn vào gào Phần dưới có vỏ phễu nạp liệu, phần trên

có ống tháo liệu để tháo nguyên liệu ra ngoài

 Nguyên lý làm việc:

o Gàu xúc đầy nguyên liệu từ guốc hãm hay đổ thẳng

nguyên liệu vào gào Gàu chứa nguyên liệu được nâng

lên trên nhờ hệ thống đầu dẫn động làm cho các cào di

chuyển lên trên Khi gàu di chuyển qua tang trên thì bị

lật lại Dưới tác dụng của lực ly tâm và trọng lực,

nguyên liệu được đổ ra qua ông tháo liệu vào thiết bị

chứa

Câu 2: phân biệt và so sánh 3 dạng thiết bị vận chuyển bằng khí nén?

 Giống nhau:

 Đều là cơ cấu vận chuyển bằng khí nén

 Đều làm chuyển dịch nguyên liệu dạng hạt với không khí trong đừơng ống dưới

áp suất

 Đều có cấu tạo đơn giản, an toàn và dễ vận hành, độ kín tuyệt đối, cơ khí hóa va

tư động hóa các công đoạn vận chuyển

 Nguyên tắc hoạt động: dựa trên cơ sở chuyển động của nguyên liệu trong dòng không khí.xyclon lọc,

 Đều được cấu tạo gồm: cơ cấu nạp liệu, đường ống, xyclon phân chia,

Nhờ máy hút (6) tạo ra hạ áp mà không khí

vào bộ nạp liệu (1) và khi qua lớp nguyên

có thể vận chuyển các

không có khả năng tạo ra sự

liệu sẽ kéo theo nó làm chuyển dịch theo

đường ống dẫn (2) vào xyclon phân chia

(3) Tại đây nguyên liệu sẽ được phân chia,

còn không kí nhiễm bụi tiếp tục di chuyển

qua đường ống (4) vào xyclon lọc (5) rồi

thải ra ngoài (nhờ máy đẩy không khí 6) qua

tiêu âm (7) vào khí quyển Nguyên liệu

được thải ra ngoài tử xyclon phân chia (3)

nhờ cửa âu (8)

nguyên liệu

dễ tạo bụi (cám, bột, trấu, ) trong dây chuyền công nghệ

giảm áp suất đáng

kể làm hạn chế khoảng cách chuyển dịch nguyên liệu Cần phải bịt kín ở những vị trí tháo liệu

Thiết

bị vận

tải nén

Máy đầy làm nén không khí trong hệ vận

chuyển, khi tạo áp suất trong hệ lớn hơn áp

suất khí quyển Máy đẩy sẽ đây không khí

cùng nguyên liệu theo đường ống (2) đến

xyclon phân chia (3), tại xyclon phân chia

nguyên liệu sẽ được phân loại và các khôg

khí nhiễm bụi thì tiếp tục di chuyển theo

đường ống tới xylon lọc rổi di chuyển ra

ngoài

dịch chuyển nguyên liệu

xa, đến 1 vị trí tháo dở hay nhiều vị trí tháo dỡ

Thiết

bị hút

đầy

Nhờ máy hút tạo ra hạ áp, không khí vào bộ

nạp liệu, khi qua lớp nguyên liệu sẽ kéo

theo nguyên liệu theo đường ống di chuyển

tới xyclon phân chia 1, tại đây xyclom sẽ

phân loại nguyên liệu, sau đó nguyên liệu sẽ

theo cửa âu ra ngoài Đến giai đoạn này thì

máy hút sẽ đóng vai trò là máy đẩy, trước

máy hút sẽ có một chỗ nạp liệu Nó sẽ đây

không khí kéo theo nguyên liệu di chuyển

theo đường ống tới xyclon phân chia 2

Nguyên liệu sau khi đã được phân chia sẽ

theo cửa âu đi ra ngoài Không khỉ bẩn bụi

tiếp tục di chuyển theo ống tới xyclon lọc

rồi đi ra ngoài

có thể vận chuyển các nguyên liệu

có thể tạo bụi; dịch chuyển nguyên liệu

đi xa, đến 1

vị trí hay nhiều vị trí tháo dỡ

Câu 3: nguyên tắc chung khi bảo quản môi trường lỏng?

 Đối với mỗi loại môi trường, phụ thuộc vào tính chất của chúng có thể thiết lập nhiều

bể riêng biệt, còn đối với môi trường độc hại phải có bể an toàn phụ trợ

 Khi chuyển môi trường vào hoặc ra khỏi kho theo chu kỳ cho phép thiết lập 2 bể cho mỗi môi trường

 Nếu 2 bể có sức chứa lớn thì việc sản xuất bể không có hiệu quả và không có khả năng thực hiện về kỹ thuật thì số bể có thể chọn lớn hơn 2 Trong trường hợp bể có sức chứa lớn phải thiết lập bộ phận theo dõi vệ sinh và chống cháy

 Sức chứa chung của các bể đối với mỗi dạng nguyên liệu được xác định theo định mức bảo quản và phụ thuộc vào sự dự trữ nguyên liệu cần thiết để nhà máy hoạt động liên tục

 Sức chứa chung của các bể đựng sản phẩm hàng hóa được xác định theo mức bảo quản và phụ thuộc vào sự tồn tại cho phép của sản phẩm

Câu 4: Nêu các yêu cầu quan trọng khi bảo quản mật rỉ đường và alcohol ;

 Bảo quản mật rỉ đường:

 Bảo quản mật rỉ đường trong bồn thép nằm ngang  hạn chế sự tách lớp

 Vùng tháo rỉ có bộ phận đun nóng

 Bố trí ống rót và bơm tuần hoàn phải đồng nhất

 Ống rót giúp mật rỉ phân tán đều

 Bơm tuần hoàn giúp cho mật rỉ không bị lắng chặt và tách lớp

 Bảo quản rượu:

 Nhiệt độ bay hơi: Tbhơi = +19oC  chất lỏng dễ bị bay hơi và dễ bị cháy

 Hàm luợng hơi cho phép: 10-12g/m3

 Trang bị nhiệt kế, van bảo hiểm, van không khí, van báo hiệu tháo cặn, quả áp, cửa quan sát

 Tháo nguyên liệu lỏng bằng độ tự chảy hoặc tạo quá áp

Câu 5: Thiết bị trung hòa dạng máy “ máy bơm bằng khí nén” Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động?

 Cấu tạo:

o Thiết bị được sản xuất bằng thép chiụ axit

và được tráng bằng nguyên liệu chống rỉ

o Thiết bị gồm 4 ống khếch tán có đường kính

khác nhau được nối liên tục và có ống để

dẫn khí nén:

 Phần trên máy có 2 cửa , và có cửa để

thêm chất kiềm, và 1 ống dẫn nứơc

 Phía dưới có ống dẫn không khí vào các

ống khếch tán để làm tăng sự khuấy

trộn, trung hòa các acid trong sản phẩm

thủy phân

o Ngoài ra còn có các cửa- khe nhìn để quan

sát Thiết bị được bao bọc bên ngoài bởi một

lớp vỏ

 Nguyên tắc hoạt động:

o Nguyên liệu được đưa vào 2 cửa ở phía trên

thiết bị, đồng thời các chất thủy phân chất

kiềm cũng được đưa vào

o Nước được đưa vào qua khớp nối (1) để

chống bọt và trộn chung nguyên liệu và chất

thủy phân chất kiểm lại với nhau tạo chất

trung hòa

o Không khí theo đường ống vào ống khếch tán (6), chuyển đảo với chất trung hòa tạo hỗn hợp khí- chất lỏng, mật độ của hỗn hợp nhỏ hơn mật độ của chất trung hòa ngoài từơng của ống khếch tán dẫn đến sự tuần hoàn mạnh chất lỏng Sau đó hỗn hợp chất trung hòa được ra ngoài

 Ưu nhựơc điểm của thiết bị:

o Ưu điểm:

 Cơ cấu khuấy trộn đơn giản

 Không gây tiếng ồn và không cần phải sửa chữa

 Chất lượng sản phẩm cao

o Nhựơc điểm

 Chiếm nhiều diện tích trong nhà máy

 Giá thành cao

Câu 7 Bể xoáy thủy lực

 Cấu tạo: Vỏ của thiết bị bao gồm phần hình

nón và phần hình trụ, ống nối tiếp tuyến với

phần trụ, thùng chứa

 Nguyên lý hoạt động: Huyền phù sẽ được

nạp vào và theo đường ống nối tiếp tuyến

với phần trụ.Dưới tác dung của lực ly tâm,

khi huyền phù chuyển động xoắn, các hạt

rắn bị bắn vào từơng phần nón của bộ xoáy

thủy lực, rơi xuống và đựơc tải vào thùng

chứa Dòng pha lỏng trong ở bên trong

hướng theo đường xoắn ốc gần trục xyclon

gặp dòng bên ngoài và được tải vào thùng

chứa ở phía trên thiết bị và chất kết tủa

được lắng xuống phía dứơi thiết bị

 Ưu nhược điểm:

o Ưu điểm: có thể tách các hạt có kích thước nhỏ hơn 10 µm bộ xoáy thủy lực đơn giản về kết cấu, không có các phần chuyển động, gọn gàng chiếm diện tích nhỏ, tương đối rẻ và dễ sử dụng

o Nhược điểm: tường thiết bị nhanh chóng bị bào mòn và tiêu hao năng lượng đáng kể

 Để giảm bào mòn các phần kim lọai, phần bên trong thiết bị được bọc cao su hoặc phủ bằng các vật liệu khác

Câu 8: Nguyên tắc hoạt động của thiết bị tiệt trùng môi trường rắn- thiết bị tuyệt trùng dạng nằm ngang?

 Cấu tạo: hình trụ dạng nằm ngang có áo hơi Bên trong thiết bị tiệt trùng được bố trí

hai trục với các cánh có thể quay một góc độ nào đó để dễ dàng điều chỉnh Điều đó cho phép xác định khe hở cần thiết theo hướng kính giữa các cánh và thành tường của thiết bị,

 Nguyên lý: Nguyên liệu sẽ được cho vào qua cửa nạp liệu ở phía trên của thiết bị,

đồng thời nước cũng được đưa vào bên trong thiết bị thông qua các khớp nối Nước được đưa vào bên trong thiết bị thông qua khớp nối vào áo nước Nước có tác dụng làm giảm nhiệt độ trong quá trình đun nóng để tiệt trùng nguyên liệu Bên trong thiết

bị tuyệt trùng được bố trí 2 trục với các cánh có thể quay Các trục quay theo các hướng khác nhau làm cho môi trường chuyển đảo liên tục trong những hướng đối nhau, giúp cho môi trường không bị vón cụt và đảm bảo sự đồng nhất của môi trường có nhiều thành phần Đồng thời, hơi sẽ được cho vào áo tơi để làm tăng nhanh quá trình đun nóng môi trường  tiệt trùng môi trường Hơi trong áo tơi được thải ra bên ngoài thông qua các khớp nối Sau đó môi trường dinh dưỡng đã được tiệt trùng được đưa ra ngoài theo cửa tháo liệu bên dưới

Câu 9: Tiệt trùng môi trường rắn – thiết bị tiệt trùng 2 mức tác động tuần hoàn nằm ngang: nhận dạng, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động,…

 Cấu tạo: Thiết bị gồm 2 mức nằm ngang, giữa các mức có bộ giữ (là thiết bị kín có đáy hình nón và có cơ cấu chuyển dời):

o Mức trên gồm 3 đoạn ống nằm ngang, nối liên tục có chứa nồi tiệt trùng , bên ngoài được bao bởi áo hơi làm tăng nhiệt độ tiệt trùng

o Mức dưới cũng được cấu tạo gồm 3 đoạn ống nằm ngang nối liên tục có các

bộ làm ẩm, bên ngòai được bao bọc bởi áo nước, làm giảm môi trườg tiệt trùng

o Ngoài ra còn có phễu chứa nguyên liệu, có bộ định lượng nguyên liệu

 Nguyên lý hoạt động:

o Các nguyên liệu sẽ được nạp vào thiết bị thông qua phễu chứa nguyên liệu và được định lượng nguyên liệu Hơi được nạp vào áo vỏ của mỗi đoạn ống làm tăng nhiệt độ của nồi tiệt trùng để tiệt trùng nguyên liệu Nạp các cấu tử của môi trường vào mức trên và nhờ vít tải chúng chuyển dọc theo bộ phận trên của thiết