tính toán, thiết kế bể phản ứng sản xuất protease kiềm từ bacillus licheniformis với công suất (nhà máy) 200 tấn năm

- Nitơ: Nitơ thường sử dụng trong lên men dưới dạng muối nitrat, các hợp chất amon hoặc một số chất có nguồn gốc vi sinh vật.. Tổng quan về protease kiềm Protease kiềm là một enzyme si

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG



MÔN HỌC

KỸ THUẬT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỂ PHẢN ỨNG

SẢN XUẤT PROTEASE KIỀM TỪ BACILLUS

LICHENIFORMIS VỚI CÔNG SUẤT (NHÀ MÁY)

200 TẤN/NĂM

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:

Th.S Nguyễn Thị Quỳnh Mai

SINH VIÊN THỰC HIỆN: …

Tp Hồ Chí Minh, 5/2017

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

I. GIỚI THIỆU VỀ BACILLUS LICHENIFORMIS VA ENZYME 2

1 Lịch sử phát hiện Bacillus licheniformis 2

2 Phân loại học 2

3 Đặc điểm sinh dƣỡng 2

4 Tổng quan về protease kiềm 3

5 n dụn của enzyme protease: 4

II LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ 6

III TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 7

1 Tính toán thiết bị lên men 8

2 Bể lên men chính 9

3 Thiết kế cánh khuấy 9

4 Kiểm soát nồn độ oxy 10

IV KẾT LUẬN 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

I Giới thiệu về Bacillus licheniformis và enzyme

1 Lịch sử phát hiện Bacillus licheniformis

Bacillus licheniformis là một loại vi khuẩn thường thấy trong lông chim và đất

Những con chim có xu hướng ở trên mặt đất nhiều hơn không khí (tức chim sẻ) và trên mặt nước (tức là vịt) là những vật phổ biến mang vi khuẩn này; Nó chủ yếu được tìm thấy xung quanh khu vực ngực của chim và bộ lông trở lại B licheniformis là một phần của nhóm subtilis cùng với Bacillus subtilis và Bacillus pumilus Những vi khuẩn này thường được biết đến là gây ngộ độc thức ăn và sự hư hỏng thực phẩm

Vi khuẩn này, mặc dù bất lợi, có thể được sửa đổi để trở nên hữu ích Các nhà nghiên cứu đang cố gắng biến lông chim thành thức ăn cho gia súc bổ dưỡng bằng cách lên men các protein không tiêu hóa được trên lông chim với B licheniformis Ngoài ra còn có nghiên cứu về khả năng rằng B licheniformis gây ra sự thay đổi màu sắc trong lông chim; Điều này sẽ cung cấp thông tin về sự tiến hoá của việc thuộc da Ngoài ra, nuôi cấy của B licheniformis được thực hiện để giữ lại protease của nó, mà lần lượt được sử dụng trong chất tẩy giặt

2 Phân loại học

Theo phân loại của Bergy (1974) Bacillus licheniformis thuộc:

Giới (Kingdom) : Bacteria Ngành (Division): Firmicutes Lớp (Class) : Bacilli

Bộ (Order) : Eubacteriales

Họ (Family) : Bacillaceae Giống (Genus) : Bacillus Loài (Species) : Bacillus licheniformis

3 Đặc điểm sinh dƣỡng

B.licheniformis là sinh vật hiếu khí tuy nhiên có thể tồn tại trong điều kiện kị

khí khi môi trường có nitrat hoặc glucose Nhiệt độ tối ưu là 370C nhưng sinh trưởng được trong khoảng 30-500C, tối đa là 600C và pH tối ưu 9

Nhu cầu dinh dưỡng: chủ yếu cần các nguyên tố C, H, O, N và một số nguyên

tố vi lượng khác Vi khuẩn phát triển tốt trong môi trường cung cấp đủ nguồn carbon (như glucose) và nitơ (như peptone)

Trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật thì trong môi trường lên men phải có chứa đầy đủ các thành phần sau

- Glucid: Glucid thường được sử dụng dưới dạng dịch chiết có đường, mật rỉ, tinh

bột…(phải thủy phân thành đường trước khi lên men)

- Nitơ: Nitơ thường sử dụng trong lên men dưới dạng muối nitrat, các hợp chất

amon hoặc một số chất có nguồn gốc vi sinh vật

- Phosphat vô cơ: Đóng vai trò quan trọng trong sự trao đổi năng lượng và tổng

hợp acid nucleic Trong lên men các muối phosphat vô cơ được dùng phổ biến là phosphat amon và phosphat kali

- Các chất sinh trưởng và các nguyên tố vi lượng: Vitamin và các nguyên tố vi

lượng là những chất cần thiết cho hoạt động sống của vi sinh vật Chúng thường được sử dụng với lượng nhỏ nhưng tác dụng rất lớn và đa dạng không thể thiếu được đối với hoạt động sống bình thường của vi sinh vật

Ngoài ra trong môi trường còn có thể chứa các cơ chất cảm ứng khác tùy theo sản phẩm muốn thu hồi

4 Tổng quan về protease kiềm

Protease kiềm là một enzyme sinh lý và nhóm enzyme thương mại quan trọng

sử dụng ban đầu như chất phụ gia trong tẩy rửa Nó cụ thể xúc tác vai trò trong thủy phân của protein Năm 1994, tổng số thị trường cho các enzym công nghiệp chiếm cho khoảng 400 triệu đô, của enzymes dùng cho mục đích chất tẩy rửa trị giá là 112 triệu USD Ở Nhật, 1994 Protease kiềm doanh thu được ước tính 15 triệu yên (tương đương 116 triệu đô ) Enzyme này ước tính 40 % của tổng số trên toàn thế giới bán enzym Có dự kiến sẽ cho enzyme một xu hướng phát triển đi lên trong việc sử dụng protease kiềm trong tương lai

Protease xúc tác sự phân cắt liên kết peptied trong protein Protease được phân chia thành 2 loại : endopeptidase và exopeptidase

Dựa vào vị trí tác động trên mạch polipeptide, exopeptidase được phân chia thành 2 loại :

 Aminopeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu N tự do của chuỗi polypeptide để giải phóng ra một acid amin,một dipeptide hoặc tri peptide

 Carboxypeptide: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu C của chuỗi polypeptide và giải phóng ra một acid amin hoặc một dipeptide

Protease cũng có thể được phân loại dựa vào:

(A) pH (B) tính đặc trưng của cơ chất (C) Tính tương tự trong hoạt động để có đặc điểm Enzyme như trypsin, chymotrypsin và Elastase

(D) vị trí hoạt động phần còn lại axit amin và cơ chế chất xúc tác Thông thường, protease được phân loại thành bốn nhóm quan trọng như serine, cysteine, aspartic và kim loại proreases

5 n dụn của enzyme protease:

Protease là loại enzym được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp thực phẩm, y học, nông nghiệp v.v Ở nước ta các nghiên cứu về protease được bắt đầu từ những năm 60

Tron côn n hiệp thực phẩm

Protease của vi khuẩn được sử dụng trong quá trình chế biến cá Trong một số trường hợp khi thêm protease sẽ làm tăng hương vị của sản phẩm Ngoài ra protease còn được sử dụng để làm mểm thịt và tăng hương vị thịt sau khi chế biến Nếu thủy phân một phần protein của thịt rồi mới chế biến sẽ làm tăng hương vị thịt Việc thủy phân protein bằng protease không phá hủy các vitamin có trong nguyên liệu, không làm sẩm màu dịch thủy phân và không tạo thành các sản phẩm phụ khác Người ta cũng sử dụng protease để sản xuất các dịch đạm thủy phân từ các phế liệu giàu protein như thịt vụn, đầu cá, da và để sản xuất thức ăn kiêng

Một số protease có khả năng làm đông sữa trong sản xuất phomat Protease làm phomat chóng chín, nâng cao chất lượng và có thể tạo ra nhiều loại phomat khác nhau Protease của vi khuẩn có thể thay thế một phần renin Vì thế, ta có thể giảm giá thành trong sản xuất phomat Dùng protease của vi khuẩn để thu casein kỹ thuật dùng trong các ngành khác nhau như: vecni, chất màu, hương liệu Nó cũng được sử dụng trong sản xuất chao và các dịch thủy phân

Tron côn n hiệp nước giải khát

Protease được sử dụng để làm trong bia và nước quả Được sử dụng trong quá trình sản xuất rượu giúp phân giải các protein có tác dụng kìm hãm amylase do đó làm tăng quá trình đường hóa tinh bột

Tron côn n hiệp thuộc da

Protease còn được sử dụng để làm mềm da, tăng cường khả năng tách lông ra khỏi da mà không là ảnh hưởng đến chất lượng da, vì vậy, da thu được sẽ mềm và sạch lông hơn

Trong mỹ phẩm

Protease được sử dụng để bổ sung vào các loại xà phòng giặt, xà phòng tắm, kem bôi mặt Do nó có tác dụng loại bỏ lớp biểu bì da đã chết làm cho da mịn các loại xà phòng có chứa protease có tác dụng tẩy mồ hôi và các vết bẩn protein như: vết máu khá tốt

Tron nôn n hiệp

Protease được sử dụng để xử lý các phế liệu giàu protein làm thức ăn cho vật nuôi, nhằm tăng khả năng tiêu hóa thức ăn và hệ số sử dụng thức ăn, có thể tiến hành bằng cách thêm trực tiếp protease vào thức ăn trước khi dùng hoặc dùng protease để

xử lý sơ bộ thức ăn

Tron n hiên cứu khoa học

Được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc protein

Tron côn n hiệp dược phẩm và y học

Sản xuất các chất hoạt hóa và kiềm hãm protease để điều trị các bệnh đặc trưng Protease được sử dụng để tăng khả năng tiêu hóa protein ở những người bị tiêu hóa kém do dạ dày, tụy tạng hoạt động không bình thường do thiếu enzym Protease còn được sử dụng để phân hủy các cục máu đông trong cơ thể để chữa bệnh nghẽn

tỉnh mạch Protease được sử dụng để làm tiêu mủ ở các vết thương, các ổ viêm, làm thông đường hô hấp

Trong xử lý rác

Hiện nay đất nước đang ngày càng phát triển, dân số tăng nhanh, khối lượng chất thải đặc biệt là rác hữu cơ trong công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt tăng rất nhanh Hiện nay, người ta xử lý rác bằng cách đốt ở các nhà máy thu hơi nhiệt cho nhà mát phát điện hoặc nhà mày hơi công nghiệp Khi đốt như thế các chất thải là các chất tổng hợp, cao su sẽ gây ra nhiều khí độc như SO2, SO3, P2O5, NO, NO2, CO gây hại cho sức khỏe Nhờ tiến bộ của công nghệ sinh học, người ta đã đề ra con đường xử lý rác bằng con đường sinh học Tức là phân hủy rác hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật Nguồn vi sinh vật có hoạt tính protease hiện hữu khá phong phú trong

tự nhiên Người ta có thể sử dụng các vi sinh vật này để phân hủy các nguồn protein động vật và thực vật có trong rác hữu cơ Để giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường sống, đồng thời tận dụng phế liệu sản xuất ra những vật liệu quan trọng cho các ngành Một trong những biện pháp tốt nhất là tái xuất phế thải làm phân bón hữu cơ, giá thể trồng nấm, nuôi giun Do đó phải tạo điều kiện cần thiết nhằm thúc đẩy mạnh hoặc khống chế hoạt động của vi sinh vật làm cho rác hoại kĩ hơn, đỡ mất chất dinh dưỡng

Trong kỹ nghệ phim ảnh

Protease từ vi khuẩn được sử dụng để tái sinh các nguyên liệu cảm quan khác nhau như phim điện ảnh, phim rơnghen, phim chụp Nó sẽ phân giải và hòa tan lớp nhủ tương gelatin trên phim và giấy ảnh, do đó có thể làm sạch và sử dụng trở lại các loại phim và giấy ảnh quí

II Lựa chọn côn n hệ

Để đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp, chi phí sản xuất thấp được ưu tiên hàng đầu để sản xuất một enzyme như protease kiềm Theo truyền thống thì lên men chìm vẫn được sử dụng nhiều hơn vì dễ xử lý, kiểm soát tốt hơn các yêu tố môi trường như nhiệt độ, pH Môi trường tổng hợp đã được sử dụng để lên men sản xuất protease kiềm thông qua SMF Thành phần của môi trường tổng hợp bao gồm canh trường dinh dưỡng cơ bản và tinh bột hòa tan, những thành phần này rất đắt tiền và

được thay thế bằng các phụ phẩm nông nghiệp giá rẻ hơn để giảm chi phí cho môi trường nuôi cấy nếu áp dụng vào sản xuất ở qui mô lớn

Trong SMF, sẽ chọn phương thức nuôi cấy gián đoạn để nuôi và thu enzyme

theo mẻ vì Bacillus licheniformis có thể sinh trưởng tốt trong canh trường dinh

dưỡng cơ bản mà không bị ức chế bởi nồng độ cao của thành phần dinh dưỡng, bên cạnh đó việc sử dụng gián đoạn bổ sung cơ chất ngoài dễ bị nhiễm khuẩn, tốn năng lượng thì còn sẽ tốn nhiều chi phí cho nhân công vận hành, quản lý

III Tính toán thiết bị

Năng suất nhà máy sản xuất protease kiềm là 200 tấn/năm

T làm việc = 330 (n ày)

Thời gian một mẻ là: 3 ngày (72 giờ) Thời gian nghỉ giữa mỗi mẻ là 0.5 ngày

Vậy tổng thời gian cho một mẻ là t mẻ = 3.5 n ày

Vậy số mẻ một năm là:

= 95 mẻ

Năng suất của nhà máy:

(tấn/mẻ) = 2110 (kg/mẻ) Hoạt lực enzyme trong chế phẩm enzyme thương mại với độ tinh sạch dùng

trong các lĩnh vực kỹ thuật là 35- 40% : 102 UI/mg = 102 000 UI/g chế phẩm (Theo

Biochemical Engineering Journal 34, 2007)

(Một đơn vị hoạt lực của enzyme protease kiềm (UI) được xác định là lượng enzyme cần để giải phóng ra 1 mol đường khử như đường maltose trong 1 phút ở điều kiện phản ứng pH= 9 và 60oC.)

Tổng đơn vị hoạt lực thu được sau một mẻ nuôi cấy là:

102 000 2 110 1 000 = 21.52 10 10 (UI)

Để đạt năng suất enzyme 200 tấn/năm như vậy tổng hoạt lực enzyme thu được

là 21.52 10 10

UI

Với tổng hoạt lực enzyme thu được là 21.52 10 10 UI thì ta cần lên men với

thể tích là:

(21.52 10 10 ) 102 000 = 2 109 804(L) 2 110 (m 3 )

Lượng giống cho vào bể nuôi cấy là 10% thể tích dịch canh trường (Theo bài báo "Alkaline protease production by submerged fermentation in stirred tank reactor using Bacillus licheniformis NCIM-2042: Effect of aeration and agitation regimes", 2007):

2 110 x 10% = 211 (m 3 )

Bể lên men chính có thể tích lên men là 2110 m3 nên:

Thể tích lên men ban đầu: V O = 20%.V= 422 (m 3 )

1 Tính toán thiết bị lên men

Bể lên men chính có thể tích lên men là 2110 m3 Chọn thiết bị lên men có hình trụ nón và có cánh khuấy, được làm bằng thép không gỉ

Cho hệ số chứa đầy của bể lên men là 0.8 thì ta có:

Bể lên men có tổng thể tích là:

= 2 638 (m3)

Ta xây dựng 1 thiết bị lên men với thể tích là 2638 m3 Theo Nguyễn Hoàng Lộc, 2006 thì yêu cầu bể lên men:

Tỉ lệ chiều cao so với đường kính là 2:1 hoặc 3:1, thường được khuấy bằng 2 hay 3 turbin khuấy (cánh khuấy) Trục cánh khuấy được gắn trên nắp hoặc từ đáy của thùng bằng giá đỡ

Tỉ lệ đường kính cánh khuấy (Dck) trên đường kính của thùng (DT) thường là từ 0,3-0,4 Trong trường hợp hệ lên men có hai cánh khuấy, thì khoảng cách giữa cánh khuấy thứ nhất với đáy của bể và khoảng cách giữa hai cánh khuấy bằng 1,5 đường kính cánh khuấy Khoảng cách này giảm xuống còn 1,0 so với đường kính cánh khuấy trong trường hợp hệ lên men có ba cánh khuấy

 Bốn vách ngăn cách đều nhau được thiết kế để ngăn cản sự hình thành dòng xoáy làm giảm hiệu suất pha trộn Chiều rộng của vách ngăn thường bằng 1/10 đường kính của thùng

 Ở trường hợp hệ lên men hiếu khí (aerobic fermenter), thì một bộ phun lỗ đơn (single orifice sparger) hoặc một bộ phun vòng được sử dụng để sục khí cho hệ lên men Bộ phận phun được đặt ở vị trí giữa cánh khuấy cuối cùng và đáy của vessel

 Độ pH trong hệ lên men có thể được duy trì bằng cách dùng dung dịch đệm hoặc bộ điều chỉnh pH (pH controller)

 Nhiệt độ được điều chỉnh bằng hệ thống gia nhiệt và làm lạnh tự động

Hình 5.1 Sơ đồ cấu tạo bể lên men theo mẻ

2 Bể lên men chính

Chọn tỉ lệ chiều cao (HT) : đường kính (DT) là 2:1 (HT=2DT)

Bể có dạng hình trụ tròn nên ta có:

V = H T = 2638 (m 3 ) mà HT = 2DT nên V = 2D T = = 2638

Suy ra: DT 3 = 5276 => D T = 11.89 (m) Từ đó ta có: H T = 2D T = 23.78 (m)

Vậy đường kính bể lên men cần xây dựng là 11.89m và chiều cao là 23.78 m

3 Thiết kế cánh khuấy

Ta chọn tỉ lệ đường kính cánh khuấy và đường kính bể là: 0.3 hay D ck = 0.3 D T

 Đường kính cánh khuấy: D ck = 0.3 x 11.89 = 3.567 (m)

Chiều rộng của vách ngăn bằng 1/10 đường kính bể nên:

 Chiều rộng vách ngăn: A vn = 1/10 x 11.89= 1.189 (m)

Chiều cao lưỡi cánh khuấy bằng 0.2 so với đường kính cánh khuấy nên:

 Chiều cao lưỡi cánh khuấy: H ck = 0.2 x 3.567= 0.713(m)

Chiều rộng của cánh khuấy bang 0.25 so với đường kính cánh khuấy nên:

 Chiều rộng cánh khuấy: A ck = 0.25 x 3.567 = 0.892 (m)

Với chiều cao bể là 23.78 m ta thiết kế bể có 2 cánh khuấy, do đó khoảng cách giữa cánh thứ nhất với đáy bể và giữa 2 cánh là 1.5 lần đường kính cánh khuấy, nên:

 Khoảng cách giữa 2 cánh khuấy cần tính là: 1.5 x 3.567 = 5.351 (m)

4 Kiểm soát nồn độ oxy

Công thức tính tốc độ truyền khối oxy trong pha lỏng: OTR = k L a (C* OL –

C OL )

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 phần của oxy trong

khí sử dùng và độ hòa tan của oxy Hay: C* OL = p o H o

Trong đó: po: áp suất riêng phần của oxy trong khí dùng để sục

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

Áp suất riêng phần của oxy phụ thuộc vào loại khí sử dụng là khí quyển, khí oxy nguyên chất,…để po cao thì ta có thể tăng hàm lượng oxy trong dòng khí vào

Độ hòa tan của oxy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

 Nhiệt độ của môi trường nuôi cấy, nhiệt độ càng cao thì oxy hòa tan càng kém

 Đặc tính hóa lý của môi trường: thành phần môi trường, áp suất, hàm lượng sinh khối vi sinh vật, độ nhớt môi trường Các yếu tố này càng tăng thì Ho càng giảm

 Diện tích bề mặt thoáng càng tăng thì oxy hòa tan càng tốt